1. Sức căng bề mặt
Lực co trên một đơn vị chiều dài trên bề mặt chất lỏng được gọi là sức căng bề mặt, đo bằng N • m-1.
2. Hoạt động bề mặt và chất hoạt động bề mặt
Tính chất có thể làm giảm sức căng bề mặt của dung môi được gọi là hoạt động bề mặt, và các chất có hoạt động bề mặt được gọi là chất hoạt động bề mặt.
Chất hoạt động bề mặt là chất hoạt động bề mặt có thể tạo thành micelle và các chất kết tụ khác trong dung dịch nước, có hoạt tính bề mặt cao và cũng có chức năng làm ướt, nhũ hóa, tạo bọt, rửa và các chức năng khác.
3. Đặc điểm cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt là hợp chất hữu cơ có cấu trúc và tính chất đặc biệt có thể làm thay đổi đáng kể sức căng giao diện giữa hai pha hoặc sức căng bề mặt của chất lỏng (thường là nước) và có các tính chất như làm ướt, tạo bọt, nhũ hóa và rửa.
Về mặt cấu trúc, chất hoạt động bề mặt có chung đặc điểm là chứa hai nhóm chức khác nhau trong phân tử. Một đầu là nhóm không phân cực mạch dài, tan trong dầu nhưng không tan trong nước, được gọi là nhóm kỵ nước hoặc nhóm kỵ nước. Các nhóm kỵ nước này thường là các hydrocarbon mạch dài, đôi khi cũng là flo hữu cơ, organosilicon, organophosphorus, chuỗi organotin, v.v. Đầu kia là nhóm chức tan trong nước, cụ thể là nhóm ưa nước hoặc nhóm ưa nước. Nhóm ưa nước phải có đủ tính ưa nước để đảm bảo toàn bộ chất hoạt động bề mặt tan trong nước và có độ hòa tan cần thiết. Do sự hiện diện của các nhóm ưa nước và kỵ nước trong chất hoạt động bề mặt, chúng có thể hòa tan trong ít nhất một pha của pha lỏng. Các đặc tính ưa nước và ưa dầu của chất hoạt động bề mặt được gọi là tính lưỡng tính.
4. Các loại chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt là các phân tử lưỡng tính có cả nhóm kỵ nước và nhóm ưa nước. Các nhóm kỵ nước của chất hoạt động bề mặt thường bao gồm các hydrocarbon mạch dài, chẳng hạn như alkyl C8-C20 mạch thẳng, alkyl C8-C20 mạch nhánh, alkylphenyl (có 8-16 nguyên tử cacbon alkyl), v.v. Sự khác biệt giữa các nhóm kỵ nước chủ yếu nằm ở sự thay đổi cấu trúc của các chuỗi hydro cacbon, với sự khác biệt tương đối nhỏ, trong khi có nhiều loại nhóm ưa nước hơn. Do đó, tính chất của chất hoạt động bề mặt chủ yếu liên quan đến các nhóm ưa nước bên cạnh kích thước và hình dạng của các nhóm kỵ nước. Sự thay đổi cấu trúc của các nhóm ưa nước lớn hơn các nhóm kỵ nước, vì vậy việc phân loại chất hoạt động bề mặt thường dựa trên cấu trúc của các nhóm ưa nước. Sự phân loại này chủ yếu dựa trên việc các nhóm ưa nước có phải là ion hay không, chia chúng thành các loại chất hoạt động bề mặt anion, cation, không ion, lưỡng tính và các loại đặc biệt khác.
5. Đặc tính của dung dịch nước chất hoạt động bề mặt
① Sự hấp phụ của chất hoạt động bề mặt tại các giao diện
Các phân tử chất hoạt động bề mặt có nhóm ưa dầu và ưa nước, khiến chúng trở thành các phân tử ưa nước. Nước là một chất lỏng phân cực mạnh. Khi chất hoạt động bề mặt hòa tan trong nước, theo nguyên lý tương đồng phân cực và đẩy khác biệt phân cực, các nhóm ưa nước của chúng bị hút vào pha nước và hòa tan trong nước, trong khi các nhóm ưa dầu đẩy nước và rời khỏi nước. Kết quả là, các phân tử (hoặc ion) chất hoạt động bề mặt hấp phụ tại ranh giới giữa hai pha, làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha. Càng nhiều phân tử (hoặc ion) chất hoạt động bề mặt bị hấp phụ trên ranh giới, sức căng bề mặt càng giảm.
② Một số tính chất của màng hấp phụ
Áp suất bề mặt của màng hấp phụ: Chất hoạt động bề mặt hấp phụ tại ranh giới khí-lỏng để tạo thành màng hấp phụ. Nếu đặt một tấm nổi di động không ma sát lên ranh giới này và tấm nổi đẩy màng hấp phụ dọc theo bề mặt dung dịch, màng sẽ tạo ra một áp suất lên tấm nổi, được gọi là áp suất bề mặt.
Độ nhớt bề mặt: Giống như áp suất bề mặt, độ nhớt bề mặt là một đặc tính được thể hiện bởi các màng phân tử không hòa tan. Treo một vòng bạch kim bằng một sợi dây kim loại mỏng, để mặt phẳng của nó tiếp xúc với bề mặt nước của bồn rửa, sau đó xoay vòng bạch kim, vòng bạch kim bị cản trở bởi độ nhớt của nước, biên độ giảm dần, từ đó có thể đo độ nhớt bề mặt. Phương pháp này là: trước tiên tiến hành thí nghiệm trên bề mặt nước tinh khiết, đo độ suy giảm biên độ, sau đó đo độ suy giảm sau khi hình thành mặt nạ bề mặt, và tính độ nhớt của mặt nạ bề mặt từ sự chênh lệch giữa hai giá trị.
Độ nhớt bề mặt có liên quan chặt chẽ đến độ cứng của mặt nạ. Vì màng hấp phụ có áp suất bề mặt và độ nhớt, nên nó phải có tính đàn hồi. Áp suất bề mặt và độ nhớt của màng hấp phụ càng cao thì mô đun đàn hồi của nó càng lớn. Mô đun đàn hồi của màng hấp phụ bề mặt có ý nghĩa quan trọng trong quá trình ổn định bọt.
③ Hình thành micelle
Dung dịch loãng của chất hoạt động bề mặt tuân theo quy luật của dung dịch lý tưởng. Lượng chất hoạt động bề mặt hấp phụ trên bề mặt dung dịch tăng theo nồng độ của dung dịch. Khi nồng độ đạt hoặc vượt quá một giá trị nhất định, lượng chất hoạt động bề mặt không còn tăng nữa. Các phân tử chất hoạt động bề mặt dư thừa này trong dung dịch ở trạng thái hỗn loạn hoặc tồn tại một cách đều đặn. Cả thực hành và lý thuyết đều cho thấy chúng tạo thành các tập hợp trong dung dịch, được gọi là micelle.
Nồng độ micelle quan trọng: Nồng độ tối thiểu mà chất hoạt động bề mặt tạo thành micelle trong dung dịch được gọi là nồng độ micelle quan trọng.
④ Giá trị CMC của chất hoạt động bề mặt thông thường.
6. Giá trị cân bằng ưa nước và ưa dầu
HLB là viết tắt của hydrophilic lipophilic balance (cân bằng ưa nước và ưa dầu), biểu thị giá trị cân bằng ưa nước và ưa dầu của nhóm ưa nước và ưa dầu của chất hoạt động bề mặt, tức là giá trị HLB của chất hoạt động bề mặt. Giá trị HLB cao biểu thị tính ưa nước mạnh và tính ưa dầu yếu của phân tử; ngược lại, nó có tính ưa dầu mạnh và tính ưa nước yếu.
① Quy định về Giá trị HLB
Giá trị HLB là giá trị tương đối, vì vậy khi xây dựng giá trị HLB, làm tiêu chuẩn, giá trị HLB của parafin không có đặc tính ưa nước được đặt thành 0, trong khi giá trị HLB của natri dodecyl sulfat có độ tan trong nước mạnh được đặt thành 40. Do đó, giá trị HLB của chất hoạt động bề mặt thường nằm trong khoảng từ 1-40. Nhìn chung, chất nhũ hóa có giá trị HLB nhỏ hơn 10 là ưa dầu, trong khi chất nhũ hóa có giá trị HLB lớn hơn 10 là ưa nước. Do đó, điểm chuyển đổi từ tính ưa dầu sang tính ưa nước xấp xỉ 10.
7. Hiệu ứng nhũ hóa và hòa tan
Hai chất lỏng không hòa tan, một chất được tạo thành bằng cách phân tán các hạt (giọt hoặc tinh thể lỏng) trong chất kia, được gọi là nhũ tương. Khi hình thành nhũ tương, diện tích giao diện giữa hai chất lỏng tăng lên, khiến hệ thống không ổn định về mặt nhiệt động lực học. Để ổn định nhũ tương, cần thêm một thành phần thứ ba - chất nhũ hóa - để giảm năng lượng giao diện của hệ thống. Chất nhũ hóa thuộc nhóm chất hoạt động bề mặt, và chức năng chính của chúng là hoạt động như chất nhũ hóa. Pha mà các giọt tồn tại trong nhũ tương được gọi là pha phân tán (hay pha nội, pha không liên tục), và pha còn lại được kết nối với nhau được gọi là môi trường phân tán (hay pha ngoại, pha liên tục).
① Chất nhũ hóa và nhũ tương
Nhũ tương thông thường bao gồm một pha nước hoặc dung dịch nước, và pha còn lại là các hợp chất hữu cơ không hòa tan trong nước, chẳng hạn như dầu, sáp, v.v. Nhũ tương hình thành bởi nước và dầu có thể được chia thành hai loại dựa trên sự phân tán của chúng: dầu phân tán trong nước tạo thành nhũ tương nước trong dầu, được biểu thị bằng O/W (dầu/nước); nước phân tán trong dầu tạo thành nhũ tương nước trong dầu, được biểu thị bằng W/O (nước/dầu). Ngoài ra, nhũ tương phức hợp nước trong dầu trong nước W/O/W và nhũ tương dầu trong nước trong dầu O/W/O cũng có thể hình thành.
Chất nhũ hóa ổn định nhũ tương bằng cách giảm sức căng giao diện và tạo thành mặt nạ đơn lớp.
Yêu cầu đối với chất nhũ hóa trong nhũ hóa: a: Chất nhũ hóa phải có khả năng hấp phụ hoặc làm giàu tại giao diện giữa hai pha, làm giảm sức căng bề mặt; b: Chất nhũ hóa phải tạo cho các hạt tích điện, tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt hoặc tạo thành một lớp màng bảo vệ ổn định, có độ nhớt cao xung quanh các hạt. Vì vậy, các chất được sử dụng làm chất nhũ hóa phải có nhóm ái lực lưỡng tính để có tác dụng nhũ hóa, và chất hoạt động bề mặt có thể đáp ứng yêu cầu này.
② Phương pháp điều chế nhũ tương và các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương
Có hai phương pháp để tạo nhũ tương: một là sử dụng phương pháp cơ học để phân tán chất lỏng thành các hạt nhỏ trong một chất lỏng khác, thường được sử dụng trong công nghiệp để tạo nhũ tương; Một phương pháp khác là hòa tan một chất lỏng ở trạng thái phân tử trong một chất lỏng khác và sau đó để chúng kết tụ thích hợp để tạo thành nhũ tương.
Độ ổn định của nhũ tương đề cập đến khả năng chống lại sự kết tụ các hạt và gây ra sự tách pha. Nhũ tương là hệ thống không ổn định về mặt nhiệt động lực học với năng lượng tự do đáng kể. Do đó, độ ổn định của nhũ tương thực chất đề cập đến thời gian cần thiết để hệ thống đạt đến trạng thái cân bằng, tức là thời gian cần thiết để một chất lỏng trong hệ thống tách ra.
Khi có các phân tử hữu cơ phân cực như cồn béo, axit béo và amin béo trong mặt nạ, độ bền của màng tăng lên đáng kể. Điều này là do các phân tử nhũ hóa trong lớp hấp phụ giao diện tương tác với các phân tử phân cực như cồn, axit và amin để tạo thành một "phức hợp", làm tăng độ bền của mặt nạ giao diện.
Chất nhũ hóa được tạo thành từ hai hoặc nhiều chất hoạt động bề mặt được gọi là chất nhũ hóa hỗn hợp. Chất nhũ hóa hỗn hợp hấp phụ trên bề mặt phân cách nước/dầu, và tương tác giữa các phân tử có thể tạo thành phức chất. Do tương tác giữa các phân tử mạnh, sức căng bề mặt giảm đáng kể, lượng chất nhũ hóa hấp phụ trên bề mặt phân cách tăng đáng kể, và mật độ cũng như độ bền của mặt nạ giao diện được tạo thành cũng tăng lên.
Điện tích của các giọt nhũ tương có tác động đáng kể đến độ ổn định của nhũ tương. Nhũ tương ổn định thường có các giọt mang điện tích. Khi sử dụng chất nhũ hóa ion, các ion nhũ hóa được hấp phụ trên bề mặt phân cách sẽ đưa các nhóm thân dầu của chúng vào pha dầu, trong khi các nhóm thân nước nằm trong pha nước, do đó làm cho các giọt mang điện tích. Do các giọt nhũ tương mang cùng điện tích, chúng đẩy nhau và không dễ kết tụ, dẫn đến độ ổn định tăng lên. Có thể thấy rằng càng nhiều ion nhũ hóa được hấp phụ trên các giọt, điện tích của chúng càng lớn và khả năng ngăn ngừa sự kết tụ của các giọt càng cao, giúp hệ nhũ tương ổn định hơn.
Độ nhớt của môi trường phân tán nhũ tương có ảnh hưởng nhất định đến độ ổn định của nhũ tương. Nhìn chung, độ nhớt của môi trường phân tán càng cao thì độ ổn định của nhũ tương càng cao. Điều này là do độ nhớt của môi trường phân tán cao, cản trở mạnh chuyển động Brown của các giọt chất lỏng, làm chậm sự va chạm giữa các giọt và duy trì sự ổn định của hệ thống. Các chất polyme thường hòa tan trong nhũ tương có thể làm tăng độ nhớt của hệ thống và tăng cường độ ổn định của nhũ tương. Ngoài ra, polyme còn có thể tạo thành mặt nạ giao diện rắn, giúp hệ thống nhũ tương ổn định hơn.
Trong một số trường hợp, việc thêm bột rắn cũng có thể ổn định nhũ tương. Bột rắn không ở trong nước, dầu hoặc tại giao diện, tùy thuộc vào khả năng thấm ướt của dầu và nước trên bột rắn. Nếu bột rắn không bị thấm ướt hoàn toàn bởi nước và có thể thấm ướt bởi dầu, nó sẽ vẫn ở giao diện nước-dầu.
Nguyên nhân bột rắn không ổn định nhũ tương là do bột tập trung tại giao diện không tăng cường độ bền của mặt nạ giao diện, tương tự như các phân tử nhũ hóa hấp phụ giao diện. Do đó, các hạt bột rắn được sắp xếp càng gần nhau tại giao diện thì nhũ tương càng ổn định.
Chất hoạt động bề mặt có khả năng làm tăng đáng kể độ hòa tan của các hợp chất hữu cơ không tan hoặc ít tan trong nước sau khi hình thành micelle trong dung dịch nước, và lúc này dung dịch trở nên trong suốt. Hiệu ứng này của micelle được gọi là sự hòa tan. Chất hoạt động bề mặt có thể tạo ra hiệu ứng hòa tan được gọi là chất hòa tan, và các hợp chất hữu cơ được hòa tan được gọi là hợp chất hòa tan.
8. Bọt
Bọt đóng vai trò quan trọng trong quá trình rửa. Bọt là hệ thống phân tán trong đó khí được phân tán trong chất lỏng hoặc chất rắn. Khí là pha phân tán, và chất lỏng hoặc chất rắn là môi trường phân tán. Chất khí được gọi là bọt lỏng, trong khi chất lỏng được gọi là bọt rắn, chẳng hạn như nhựa xốp, thủy tinh xốp, xi măng xốp, v.v.
(1) Sự hình thành bọt
Bọt ở đây là sự kết tụ của các bong bóng được ngăn cách bởi màng chất lỏng. Do sự chênh lệch lớn về mật độ giữa pha phân tán (khí) và môi trường phân tán (lỏng), và độ nhớt của chất lỏng thấp, bọt luôn có thể nhanh chóng nổi lên đến mực chất lỏng.
Quá trình tạo bọt là đưa một lượng lớn khí vào chất lỏng, các bong bóng trong chất lỏng nhanh chóng trở lại bề mặt chất lỏng, tạo thành một khối bong bóng được ngăn cách bởi một lượng nhỏ chất lỏng và khí.
Bọt có hai đặc điểm đáng chú ý về mặt hình thái: thứ nhất, bong bóng ở dạng pha phân tán thường có dạng đa diện, bởi vì tại giao điểm của các bong bóng, lớp màng chất lỏng có xu hướng mỏng đi, khiến các bong bóng trở nên đa diện. Khi lớp màng chất lỏng mỏng đi đến một mức độ nhất định, các bong bóng sẽ vỡ ra; thứ hai, chất lỏng nguyên chất không thể tạo thành bọt ổn định, nhưng chất lỏng có thể tạo bọt phải là ít nhất hai thành phần trở lên. Dung dịch nước của chất hoạt động bề mặt là một hệ thống điển hình dễ tạo bọt, và khả năng tạo bọt của nó cũng liên quan đến các đặc tính khác.
Chất hoạt động bề mặt có khả năng tạo bọt tốt được gọi là chất tạo bọt. Mặc dù chất tạo bọt có khả năng tạo bọt tốt, nhưng bọt hình thành có thể không duy trì được lâu, tức là độ ổn định của bọt có thể không tốt. Để duy trì độ ổn định của bọt, một chất có thể làm tăng độ ổn định của bọt thường được thêm vào chất tạo bọt, được gọi là chất ổn định bọt. Các chất ổn định bọt thường được sử dụng là lauroyl diethanolamine và dodecyl dimethyl amine oxide.
(2) Độ ổn định của bọt
Bọt là một hệ thống không ổn định về mặt nhiệt động lực học, và xu hướng cuối cùng là tổng diện tích bề mặt của chất lỏng trong hệ thống giảm và năng lượng tự do cũng giảm sau khi bong bóng vỡ. Quá trình khử bọt là quá trình lớp màng chất lỏng ngăn cách khí với chất lỏng thay đổi độ dày cho đến khi bị vỡ. Do đó, độ ổn định của bọt chủ yếu được xác định bởi tốc độ xả chất lỏng và độ bền của lớp màng chất lỏng. Ngoài ra còn có một số yếu tố ảnh hưởng khác.
① Sức căng bề mặt
Xét về mặt năng lượng, sức căng bề mặt thấp thuận lợi hơn cho việc hình thành bọt, nhưng không đảm bảo tính ổn định của bọt. Sức căng bề mặt thấp, chênh lệch áp suất thấp, tốc độ xả chất lỏng chậm và màng chất lỏng mỏng chậm có lợi cho tính ổn định của bọt.
② Độ nhớt bề mặt
Yếu tố then chốt quyết định độ ổn định của bọt là độ bền của màng chất lỏng, chủ yếu được xác định bởi độ cứng của màng hấp phụ bề mặt, được đo bằng độ nhớt bề mặt. Các thí nghiệm cho thấy bọt được tạo ra từ dung dịch có độ nhớt bề mặt cao hơn có tuổi thọ dài hơn. Điều này là do sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt làm tăng độ bền màng, từ đó cải thiện tuổi thọ của bọt.
③ Độ nhớt của dung dịch
Khi độ nhớt của chất lỏng tăng lên, chất lỏng trong màng chất lỏng không dễ bị xả ra ngoài, tốc độ làm mỏng độ dày của màng chất lỏng chậm, làm chậm thời gian màng chất lỏng bị vỡ và tăng độ ổn định của bọt.
④ Hiệu ứng 'sửa chữa' của sức căng bề mặt
Chất hoạt động bề mặt được hấp phụ trên bề mặt màng lỏng có khả năng chống lại sự giãn nở hoặc co lại của bề mặt màng lỏng, được gọi là hiệu ứng sửa chữa. Điều này là do có một lớp chất hoạt động bề mặt được hấp phụ trên bề mặt, và việc mở rộng diện tích bề mặt sẽ làm giảm nồng độ các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt và tăng sức căng bề mặt. Việc mở rộng bề mặt hơn nữa sẽ đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn. Ngược lại, sự co ngót diện tích bề mặt sẽ làm tăng nồng độ các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt, làm giảm sức căng bề mặt và cản trở sự co ngót tiếp theo.
⑤ Sự khuếch tán của khí qua màng chất lỏng
Do sự tồn tại của áp suất mao dẫn, áp suất của các bong bóng nhỏ trong bọt cao hơn áp suất của các bong bóng lớn, điều này sẽ khiến khí trong các bong bóng nhỏ khuếch tán vào các bong bóng lớn áp suất thấp thông qua màng chất lỏng, dẫn đến hiện tượng các bong bóng nhỏ trở nên nhỏ hơn, các bong bóng lớn trở nên lớn hơn, và cuối cùng là bọt vỡ. Nếu thêm chất hoạt động bề mặt, bọt sẽ đồng đều và đặc hơn khi tạo bọt, và khó phá bọt. Do chất hoạt động bề mặt được sắp xếp chặt chẽ trên màng chất lỏng nên khó thông khí, giúp bọt ổn định hơn.
⑥ Ảnh hưởng của điện tích bề mặt
Nếu màng chất lỏng dạng bọt được tích điện cùng một ký hiệu, hai bề mặt của màng chất lỏng sẽ đẩy nhau, ngăn màng chất lỏng bị mỏng đi hoặc thậm chí bị phá hủy. Chất hoạt động bề mặt ion có thể mang lại hiệu ứng ổn định này.
Tóm lại, độ bền của màng lỏng là yếu tố then chốt quyết định độ ổn định của bọt. Là chất hoạt động bề mặt cho chất tạo bọt và chất ổn định bọt, độ chặt chẽ và độ cứng của các phân tử hấp phụ bề mặt là yếu tố quan trọng nhất. Khi tương tác giữa các phân tử hấp phụ trên bề mặt mạnh, các phân tử hấp phụ được sắp xếp chặt chẽ, điều này không chỉ làm cho bản thân mặt nạ bề mặt có độ bền cao mà còn làm cho dung dịch tiếp giáp với mặt nạ bề mặt khó chảy do độ nhớt bề mặt cao, do đó màng lỏng tương đối khó thoát ra và độ dày của màng lỏng dễ duy trì. Ngoài ra, các phân tử bề mặt được sắp xếp chặt chẽ cũng có thể làm giảm độ thấm của các phân tử khí và do đó làm tăng độ ổn định của bọt.
(3) Phá hủy bọt
Nguyên lý cơ bản của việc phá bọt là thay đổi các điều kiện tạo bọt hoặc loại bỏ các yếu tố ổn định của bọt, do đó có hai phương pháp phá bọt là vật lý và hóa học.
Khử bọt vật lý là thay đổi các điều kiện tạo bọt trong khi vẫn giữ nguyên thành phần hóa học của dung dịch bọt. Ví dụ, tác động ngoại lực, thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất và xử lý siêu âm đều là những phương pháp vật lý hiệu quả để loại bỏ bọt.
Phương pháp khử bọt hóa học là thêm một số chất tương tác với chất tạo bọt, làm giảm độ bền của màng chất lỏng trong bọt, sau đó làm giảm độ ổn định của bọt để đạt được mục đích khử bọt. Các chất như vậy được gọi là chất khử bọt. Hầu hết các chất khử bọt đều là chất hoạt động bề mặt. Do đó, theo cơ chế khử bọt, chất khử bọt phải có khả năng giảm sức căng bề mặt mạnh, dễ dàng hấp phụ trên bề mặt và có tương tác yếu giữa các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt, tạo ra cấu trúc sắp xếp tương đối lỏng lẻo của các phân tử bị hấp phụ.
Có nhiều loại chất chống tạo bọt khác nhau, nhưng chủ yếu là chất hoạt động bề mặt không ion. Chất hoạt động bề mặt không ion có đặc tính chống tạo bọt gần hoặc cao hơn điểm mây của chúng và thường được sử dụng làm chất chống tạo bọt. Cồn, đặc biệt là cồn có cấu trúc phân nhánh, axit béo và este, polyamit, phosphat, dầu silicon, v.v., cũng thường được sử dụng làm chất chống tạo bọt tuyệt vời.
(4) Bọt và rửa
Không có mối quan hệ trực tiếp giữa bọt và hiệu quả giặt rửa, và lượng bọt tạo ra không có nghĩa là hiệu quả giặt rửa tốt hay xấu. Ví dụ, hiệu suất tạo bọt của chất hoạt động bề mặt không ion kém hơn xà phòng rất nhiều, nhưng khả năng làm sạch của chúng lại tốt hơn xà phòng rất nhiều.
Trong một số trường hợp, bọt có ích trong việc loại bỏ bụi bẩn. Ví dụ, khi rửa đồ dùng trên bàn ăn tại nhà, bọt của chất tẩy rửa có thể cuốn trôi những giọt dầu mỡ bị rửa trôi; khi chà thảm, bọt giúp cuốn trôi bụi bẩn rắn như bụi và bột. Ngoài ra, bọt đôi khi có thể được sử dụng như một dấu hiệu cho thấy chất tẩy rửa có hiệu quả hay không, vì vết dầu mỡ có thể ức chế bọt của chất tẩy rửa. Khi có quá nhiều vết dầu mỡ và quá ít chất tẩy rửa, sẽ không có bọt hoặc bọt ban đầu sẽ biến mất. Đôi khi, bọt cũng có thể được sử dụng như một dấu hiệu cho thấy việc xả sạch hay không. Vì lượng bọt trong dung dịch xả có xu hướng giảm khi hàm lượng chất tẩy rửa giảm, nên mức độ xả có thể được đánh giá bằng lượng bọt.
9. Quá trình giặt
Theo nghĩa rộng, giặt là quá trình loại bỏ các thành phần không mong muốn khỏi vật thể được giặt và đạt được một mục đích nhất định. Giặt theo nghĩa thông thường là quá trình loại bỏ bụi bẩn khỏi bề mặt vật mang. Trong quá trình giặt, sự tương tác giữa bụi bẩn và vật mang bị suy yếu hoặc bị loại bỏ thông qua tác động của một số chất hóa học (chẳng hạn như chất tẩy rửa), biến đổi sự kết hợp giữa bụi bẩn và vật mang thành sự kết hợp giữa bụi bẩn và chất tẩy rửa, cuối cùng làm cho bụi bẩn và vật mang tách ra. Vì vật thể cần giặt và bụi bẩn cần loại bỏ rất đa dạng, giặt là một quá trình rất phức tạp, và quá trình giặt cơ bản có thể được biểu diễn bằng mối quan hệ đơn giản sau:
Chất mang • Bụi bẩn + Chất tẩy rửa = Chất mang + Bụi bẩn • Chất tẩy rửa
Quá trình giặt thường được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn một là tách bụi bẩn và chất mang của nó dưới tác động của chất tẩy rửa; giai đoạn hai là phân tán và lơ lửng trong môi trường giặt. Quá trình giặt là một quá trình thuận nghịch, và bụi bẩn bị phân tán hoặc lơ lửng trong môi trường giặt cũng có thể kết tủa từ môi trường giặt lên quần áo. Do đó, một chất tẩy rửa tốt không chỉ phải có khả năng tách bụi bẩn khỏi chất mang mà còn phải có khả năng phân tán và lơ lửng tốt, ngăn ngừa bụi bẩn bám lại.
(1) Các loại bụi bẩn
Ngay cả đối với cùng một mặt hàng, loại, thành phần và số lượng bụi bẩn sẽ khác nhau tùy thuộc vào môi trường sử dụng. Bụi bẩn từ cơ thể dầu chủ yếu bao gồm dầu động vật và thực vật, cũng như dầu khoáng (như dầu thô, dầu nhiên liệu, nhựa than đá, v.v.), trong khi bụi bẩn rắn chủ yếu bao gồm khói, bụi, rỉ sét, muội than, v.v. Về bụi bẩn trên quần áo, có bụi bẩn từ cơ thể con người, chẳng hạn như mồ hôi, bã nhờn, máu, v.v.; Bụi bẩn từ thực phẩm, chẳng hạn như vết bẩn từ trái cây, vết dầu ăn, vết gia vị, tinh bột, v.v.; Bụi bẩn từ mỹ phẩm mang theo, chẳng hạn như son môi và sơn móng tay; Bụi bẩn từ khí quyển, chẳng hạn như khói, bụi, đất, v.v.; Các vật liệu khác như mực, trà, sơn, v.v. Có thể nói rằng có nhiều loại khác nhau và đa dạng.
Các loại bụi bẩn thường được chia thành ba loại: bụi bẩn rắn, bụi bẩn lỏng và bụi bẩn đặc biệt.
① Bụi bẩn rắn thông thường bao gồm các hạt như tro, bùn, đất, gỉ sét và muội than. Hầu hết các hạt này đều mang điện tích bề mặt, chủ yếu là âm, và dễ dàng bị hấp thụ vào các vật liệu dạng sợi. Nhìn chung, bụi bẩn rắn khó hòa tan trong nước, nhưng có thể phân tán và lơ lửng trong dung dịch tẩy rửa. Bụi bẩn rắn có các hạt nhỏ rất khó loại bỏ.
② Bẩn lỏng chủ yếu tan trong dầu, bao gồm dầu động vật và thực vật, axit béo, rượu béo, dầu khoáng và oxit của chúng. Trong đó, dầu động vật và thực vật và axit béo có thể xà phòng hóa bằng kiềm, còn rượu béo và dầu khoáng không bị xà phòng hóa bằng kiềm, nhưng có thể hòa tan trong cồn, ete và dung môi hữu cơ hydrocarbon, và được nhũ hóa và phân tán bằng dung dịch tẩy rửa. Bẩn lỏng tan trong dầu thường có lực tương tác mạnh với các vật thể dạng sợi và bám dính chắc chắn trên sợi.
③ Các loại bụi bẩn đặc biệt bao gồm protein, tinh bột, máu, dịch tiết của con người như mồ hôi, bã nhờn, nước tiểu, cũng như nước trái cây, nước trà, v.v. Hầu hết các loại bụi bẩn này có thể hấp thụ mạnh vào các vật thể dạng sợi thông qua phản ứng hóa học, do đó việc giặt giũ khá khó khăn.
Nhiều loại bụi bẩn hiếm khi tồn tại riêng lẻ, chúng thường hòa lẫn vào nhau và bám dính trên các vật thể. Đôi khi, bụi bẩn có thể bị oxy hóa, phân hủy hoặc phân hủy dưới tác động bên ngoài, dẫn đến hình thành bụi bẩn mới.
(2) Hiệu ứng bám dính của bụi bẩn
Lý do quần áo, tay, v.v. có thể bị bẩn là do có sự tương tác giữa vật thể và bụi bẩn. Bụi bẩn bám dính lên vật thể theo nhiều cách khác nhau, nhưng chủ yếu là bám dính vật lý và bám dính hóa học.
① Sự bám dính vật lý của tàn thuốc lá, bụi, cặn bẩn, muội than và các chất khác lên quần áo. Nhìn chung, tương tác giữa bụi bẩn bám dính và vật thể bị nhiễm bẩn tương đối yếu, việc loại bỏ bụi bẩn cũng tương đối dễ dàng. Theo các lực khác nhau, sự bám dính vật lý của bụi bẩn có thể được chia thành bám dính cơ học và bám dính tĩnh điện.
A: Bám dính cơ học chủ yếu đề cập đến sự bám dính của các chất bẩn rắn như bụi và cặn. Bám dính cơ học là phương pháp bám dính yếu đối với chất bẩn, hầu như có thể loại bỏ bằng các phương pháp cơ học đơn giản. Tuy nhiên, khi kích thước hạt chất bẩn nhỏ (<0,1 um) thì việc loại bỏ sẽ khó khăn hơn.
B: Sự bám dính tĩnh điện chủ yếu được thể hiện qua tác động của các hạt bụi tích điện lên các vật thể mang điện tích trái dấu. Hầu hết các vật thể dạng sợi mang điện tích âm trong nước và dễ dàng bám dính vào các hạt bụi tích điện dương như vôi. Một số loại bụi, mặc dù mang điện tích âm, chẳng hạn như các hạt muội than trong dung dịch nước, có thể bám dính vào các sợi thông qua các cầu ion được tạo thành bởi các ion dương (như Ca2+, Mg2+, v.v.) trong nước (các ion tương tác với nhau giữa nhiều điện tích trái dấu, hoạt động như những cầu nối).
Tĩnh điện mạnh hơn tác động cơ học đơn giản, khiến việc loại bỏ bụi bẩn trở nên tương đối khó khăn.
③ Loại bỏ bụi bẩn đặc biệt
Protein, tinh bột, dịch tiết của con người, nước trái cây, nước trà và các loại chất bẩn khác rất khó loại bỏ bằng chất hoạt động bề mặt thông thường và cần có phương pháp xử lý đặc biệt.
Các vết bẩn protein như kem, trứng, máu, sữa và chất bài tiết trên da dễ bị đông tụ và biến tính trên sợi vải, bám chặt hơn. Đối với vết bẩn protein, có thể sử dụng protease để loại bỏ. Protease có thể phân hủy protein trong bụi bẩn thành các axit amin hoặc oligopeptide tan trong nước.
Vết bẩn tinh bột chủ yếu có nguồn gốc từ thực phẩm, trong khi các loại vết bẩn khác như nước thịt, bột nhão, v.v. Enzym tinh bột có tác dụng xúc tác quá trình thủy phân vết bẩn tinh bột, phân hủy tinh bột thành đường.
Lipase có thể xúc tác quá trình phân hủy một số triglyceride khó loại bỏ bằng các phương pháp thông thường như bã nhờn tiết ra từ cơ thể người, dầu ăn, v.v. để phân hủy triglyceride thành glycerol và axit béo hòa tan.
Một số vết bẩn màu từ nước ép trái cây, nước trà, mực in, son môi, v.v. thường khó làm sạch hoàn toàn ngay cả sau nhiều lần giặt. Loại vết bẩn này có thể được loại bỏ bằng phản ứng oxy hóa khử sử dụng chất oxy hóa hoặc chất khử như thuốc tẩy, phá vỡ cấu trúc của sắc tố hoặc các nhóm sắc tố và phân hủy chúng thành các thành phần nhỏ hơn hòa tan trong nước.
Theo góc nhìn của giặt khô, có khoảng ba loại bụi bẩn.
① Chất bẩn hòa tan trong dầu bao gồm nhiều loại dầu và chất béo, ở dạng lỏng hoặc nhờn và hòa tan trong dung môi giặt khô.
② Chất bẩn hòa tan trong nước có thể tan trong dung dịch nước, nhưng không tan trong chất tẩy rửa khô. Chúng bám vào quần áo dưới dạng dung dịch nước, và sau khi nước bay hơi, các chất rắn dạng hạt như muối vô cơ, tinh bột, protein, v.v. sẽ kết tủa.
③ Chất bẩn không tan trong dầu và nước không tan trong cả nước và dung môi giặt khô, chẳng hạn như muội than, các loại silicat kim loại và oxit.
Do tính chất khác nhau của từng loại vết bẩn, có nhiều cách khác nhau để loại bỏ vết bẩn trong quá trình giặt khô. Các vết bẩn hòa tan trong dầu, chẳng hạn như dầu động vật và thực vật, dầu khoáng và chất béo, dễ dàng hòa tan trong dung môi hữu cơ và có thể dễ dàng loại bỏ trong quá trình giặt khô. Khả năng hòa tan tuyệt vời của dung môi giặt khô đối với dầu mỡ chủ yếu là do lực liên kết Van der Waals giữa các phân tử.
Để loại bỏ các vết bẩn hòa tan trong nước như muối vô cơ, đường, protein, mồ hôi, v.v., cũng cần thêm một lượng nước thích hợp vào chất tẩy rửa khô, nếu không, vết bẩn hòa tan trong nước sẽ khó loại bỏ khỏi quần áo. Nhưng nước khó hòa tan trong chất tẩy rửa khô, vì vậy để tăng lượng nước, cần thêm chất hoạt động bề mặt. Nước có trong chất tẩy rửa khô có thể hydrat hóa vết bẩn và bề mặt quần áo, giúp dễ dàng tương tác với các nhóm phân cực của chất hoạt động bề mặt, có lợi cho sự hấp phụ của chất hoạt động bề mặt trên bề mặt. Ngoài ra, khi chất hoạt động bề mặt hình thành micelle, bụi bẩn hòa tan trong nước và nước có thể được hòa tan vào micelle. Chất hoạt động bề mặt không chỉ có thể làm tăng hàm lượng nước trong dung môi giặt khô mà còn ngăn ngừa sự lắng đọng lại của vết bẩn để tăng cường hiệu quả làm sạch.
Cần có một lượng nước nhỏ để loại bỏ bụi bẩn hòa tan trong nước, nhưng lượng nước quá nhiều có thể khiến một số loại quần áo bị biến dạng, nhăn, v.v., do đó hàm lượng nước trong chất tẩy rửa khô phải ở mức vừa phải.
Các hạt rắn như tro, bùn, đất và muội than, không tan trong nước cũng không tan trong dầu, thường bám vào quần áo bằng cách hấp phụ tĩnh điện hoặc kết hợp với vết dầu. Trong giặt khô, dòng chảy và tác động của dung môi có thể làm cho bụi bẩn bị hấp phụ bởi lực tĩnh điện rơi ra, trong khi chất giặt khô có thể hòa tan vết dầu, khiến các hạt rắn kết hợp với vết dầu bám vào quần áo rơi ra khỏi chất giặt khô. Một lượng nhỏ nước và chất hoạt động bề mặt trong chất giặt khô có thể ổn định và phân tán các hạt bụi bẩn rắn rơi ra, ngăn chúng bám lại trên quần áo.
(5) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả giặt
Sự hấp phụ định hướng của chất hoạt động bề mặt tại giao diện và sự giảm sức căng bề mặt (giao diện) là những yếu tố chính để loại bỏ vết bẩn dạng lỏng hoặc rắn. Tuy nhiên, quá trình giặt tương đối phức tạp, và ngay cả hiệu quả giặt của cùng một loại chất tẩy rửa cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác. Những yếu tố này bao gồm nồng độ chất tẩy rửa, nhiệt độ, bản chất của vết bẩn, loại sợi và cấu trúc vải.
① Nồng độ chất hoạt động bề mặt
Các micelle của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch đóng vai trò quan trọng trong quá trình giặt. Khi nồng độ micelle đạt đến nồng độ micelle tới hạn (cmc), hiệu quả giặt tăng mạnh. Do đó, nồng độ chất tẩy rửa trong dung môi phải cao hơn giá trị CMC để đạt được hiệu quả giặt tốt. Tuy nhiên, khi nồng độ chất hoạt động bề mặt vượt quá giá trị CMC, hiệu quả giặt tăng lên sẽ kém đáng kể, và việc tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt quá mức là không cần thiết.
Khi sử dụng chất hòa tan để loại bỏ vết dầu mỡ, ngay cả khi nồng độ CMC cao hơn giá trị CMC, hiệu quả hòa tan vẫn tăng theo nồng độ chất hoạt động bề mặt. Lúc này, nên sử dụng chất tẩy rửa cục bộ, chẳng hạn như ở cổ tay áo và cổ áo, nơi có nhiều bụi bẩn. Khi giặt, có thể thoa một lớp chất tẩy rửa trước để cải thiện hiệu quả hòa tan của chất hoạt động bề mặt đối với vết dầu mỡ.
② Nhiệt độ có tác động đáng kể đến hiệu quả làm sạch. Nhìn chung, việc tăng nhiệt độ có lợi cho việc loại bỏ bụi bẩn, nhưng đôi khi nhiệt độ quá cao cũng có thể gây ra các tác động bất lợi.
Nhiệt độ tăng có lợi cho sự khuếch tán bụi bẩn. Các vết dầu mỡ rắn dễ bị nhũ hóa khi nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy của chúng, và độ giãn nở của sợi vải cũng tăng do nhiệt độ tăng. Tất cả những yếu tố này đều có lợi cho việc loại bỏ bụi bẩn. Tuy nhiên, đối với vải chật, các khe hở nhỏ giữa các sợi vải bị thu hẹp sau khi sợi vải giãn nở, điều này không có lợi cho việc loại bỏ bụi bẩn.
Nhiệt độ thay đổi cũng ảnh hưởng đến độ hòa tan, giá trị CMC và kích thước micelle của chất hoạt động bề mặt, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả giặt. Chất hoạt động bề mặt chuỗi carbon dài có độ hòa tan thấp hơn ở nhiệt độ thấp và đôi khi thậm chí còn thấp hơn giá trị CMC. Trong trường hợp này, cần tăng nhiệt độ giặt một cách thích hợp. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị CMC và kích thước micelle là khác nhau đối với chất hoạt động bề mặt ion và không ion. Đối với chất hoạt động bề mặt ion, nhiệt độ tăng thường dẫn đến giá trị CMC tăng và kích thước micelle giảm. Điều này có nghĩa là cần tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt trong dung dịch giặt. Đối với chất hoạt động bề mặt không ion, nhiệt độ tăng dẫn đến giá trị CMC giảm và kích thước micelle tăng đáng kể. Có thể thấy rằng việc tăng nhiệt độ một cách thích hợp có thể giúp chất hoạt động bề mặt không ion phát huy hoạt tính bề mặt của chúng. Tuy nhiên, nhiệt độ không được vượt quá điểm mây của nó.
Tóm lại, nhiệt độ giặt phù hợp nhất phụ thuộc vào công thức của chất tẩy rửa và vật dụng cần giặt. Một số chất tẩy rửa có hiệu quả giặt sạch tốt ở nhiệt độ phòng, trong khi một số chất tẩy rửa có hiệu quả giặt sạch khác biệt đáng kể khi giặt lạnh và giặt nóng.
③ Bọt
Mọi người thường nhầm lẫn giữa khả năng tạo bọt và hiệu quả giặt giũ, cho rằng chất tẩy rửa có khả năng tạo bọt mạnh sẽ có hiệu quả giặt giũ tốt hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả giặt giũ không liên quan trực tiếp đến lượng bọt. Ví dụ, sử dụng chất tẩy rửa ít bọt để giặt không hề có hiệu quả giặt giũ kém hơn so với chất tẩy rửa có nhiều bọt.
Mặc dù bọt không liên quan trực tiếp đến việc giặt giũ, nhưng bọt vẫn hữu ích trong một số trường hợp để loại bỏ bụi bẩn. Ví dụ, bọt của nước giặt có thể cuốn trôi các giọt dầu mỡ khi rửa bát bằng tay. Khi chà rửa thảm, bọt cũng có thể cuốn trôi các hạt bụi bẩn rắn như bụi. Bụi chiếm tỷ lệ lớn trong bụi bẩn trên thảm, vì vậy chất tẩy rửa thảm cần có khả năng tạo bọt nhất định.
Khả năng tạo bọt cũng rất quan trọng đối với dầu gội. Bọt mịn do chất lỏng tạo ra khi gội đầu hoặc tắm gội mang lại cảm giác thoải mái.
④ Các loại sợi và tính chất vật lý của hàng dệt may
Ngoài cấu trúc hóa học của sợi ảnh hưởng đến khả năng bám dính và loại bỏ bụi bẩn, hình dạng của sợi và cấu trúc tổ chức của sợi và vải cũng tác động đến độ khó của việc loại bỏ bụi bẩn.
Vảy sợi len và cấu trúc dạng dải phẳng của sợi cotton dễ bám bụi bẩn hơn sợi mịn. Ví dụ, muội than bám trên màng cellulose (màng dính) dễ loại bỏ, trong khi muội than bám trên vải cotton khó giặt sạch. Ví dụ, vải polyester sợi ngắn dễ bám bẩn dầu mỡ hơn vải sợi dài, và vết dầu mỡ trên vải sợi ngắn cũng khó loại bỏ hơn vải sợi dài.
Sợi xoắn chặt và vải bó sát, do có những khe hở siêu nhỏ giữa các sợi, có thể ngăn chặn sự xâm nhập của bụi bẩn, nhưng cũng ngăn cản dung dịch tẩy rửa loại bỏ bụi bẩn bên trong. Do đó, vải bó sát có khả năng chống bụi bẩn ban đầu tốt, nhưng một khi đã bị nhiễm bẩn thì rất khó vệ sinh.
⑤ Độ cứng của nước
Nồng độ các ion kim loại như Ca2+ và Mg2+ trong nước có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả giặt tẩy, đặc biệt là khi chất hoạt động bề mặt anion gặp ion Ca2+ và Mg2+ tạo thành muối canxi và magie có độ hòa tan kém, làm giảm khả năng giặt tẩy. Ngay cả khi nồng độ chất hoạt động bề mặt cao trong nước cứng, hiệu quả giặt tẩy vẫn kém hơn nhiều so với khi chưng cất. Để đạt được hiệu quả giặt tẩy tốt nhất, nồng độ ion Ca2+ trong nước nên được giảm xuống dưới 1 × 10-6mol/L (nên giảm CaCO3 xuống 0,1mg/L). Điều này đòi hỏi phải thêm các chất làm mềm khác nhau vào chất tẩy rửa.
Thời gian đăng: 16-08-2024
