Chap6 表面活性剂的功能与应用——洗涤和去污作用
1、 洗涤过程基洗涤剂的作用
A、 洗涤:从浸在某种介质(一般为水)中的待洗物体表面去除污垢的过程。在此过程中,借助于某些化学物质(洗涤剂)以减弱污物与固体的粘附作用,并施加以机械搅动,使污物与固体表面分离而悬浮于液体介质中,最后将污物洗净冲走。
B、 洗涤过程可表示为:
物体表面·污垢+洗涤剂+介质物体表面·洗涤剂·介质+污垢·洗涤剂·介质
洗涤剂在洗涤过程中的作用:
一是去除物品表面的污垢,另一种作用则是对污物的悬浮分散作用,使之不易在物品表面再沉积。
洗涤过程是一个可逆过程,分散和悬浮于介质中的污垢也有可能从介质中重新沉积于固体表面。
C、 洗涤剂的作用:
一是降低污垢与物体表面的结合力,具有使污垢脱离物体表面的能力,一般通过降低水的表面张力,改善水对洗涤物表面的润湿性,从而去除固体表面的污垢。
表1:一些纤维材料的临界表面张力和水在其表面的接触角
纤维材料
临界表面张力γc/mN/m
接触角
聚四氟乙烯
18
108
聚丙烯
29
90
聚乙烯
31
94
聚苯乙烯
33
91
聚酯
43
81
尼龙-6,6
46
70
聚丙烯腈
44
48
纤维素(酯)
44
0.32
一般加入洗涤剂后,水的表面张力降至30mN/m,洗涤剂的水洗液在上述各物品的表面都能具有很好的润湿性,促使污垢脱离织物表面,发挥其洗涤作用。
二是防止污垢再沉积作用:
主要对油污的分散和悬浮作用,也就会使已经从固体表面脱离下来的污垢,很好的分散和悬浮在洗涤介质中,不再沉积在固体表面。
如:阴离子表面活性剂的洗涤剂
吸附在油水界面,使油水界面带负电,而相互阻止已乳化液体污垢的乳滴聚集。
也能使进入水相的固体污垢表面带电。依靠污垢表面同种电荷产生的静电斥力提高固体污垢在水中的分散稳定性,防止其重新沉积固体表面。
非离子表面活性剂的洗涤剂
通过较长的水化聚氧乙烯链产生空间位阻,来阻止油污和固体污垢的聚集,提高在水中的稳定性。
D、 污垢的种类:
1、液体污垢:动、植物油,矿物油
2、固体污垢:尘埃,粘土,铁锈,炭黑
3、特殊污垢:蛋白质,淀粉,人体分泌物
污垢的粘附特性:
1、 一般污垢对表面的粘附主要通过范德华力,一般无氢键,如果形成氢键,污斑难以去除。水介质中,静电力一般要弱得多。
2、 不同性质的表面与不同性质的污垢有不同的粘附强度。
以水为介质洗涤过程为例:
1、 非极性(如炭黑、石油等非极性油污)比极性污垢(如极性脂肪物质、粉末、粘土)不容易洗净。
2、 疏水表面(如聚丙烯、聚酯等塑料)上的非极性污垢比在亲水表面(如棉花、玻璃)上更不易去除。
3、 亲水表面的极性污垢比疏水表面上不易洗净。
2、 污垢的去除
污垢与物品的附着是通过不同的相互作用来实现的,因而污垢去除机理也是不同的。
如:机械作用、化学试剂作用(如漂白剂、还原剂及酶等作用)、表面活性剂作用
应用表面活性剂去除的污垢一般是通过物理吸附(范德华力、偶极相互作用)或是静电作用而附着于基质(物品)上的。
去除污垢一般涉及表面活性剂自介质中吸附于污垢及基质表面的效应。
吸附改变了污垢/介质界面及基质/介质界面的界面张力和电势,可促进污垢的去除。
据不同的去除污垢机理,污垢的去除可分为液体和固体污垢的去除。
1、 液体污垢的去除
a、 在固(S)油(O)气(G)三相界面上的油污的接触角近于0°(油污铺展)
洗涤时,固、油、气→固、油、水
由原来γSGγOG和γSO变为γSWγOW和γSO
根据杨氏方程,水介质中存在如下公式:
γSO-γSW=γOWcosθw
洗涤剂作用 γSW ↓ γOW↓
一般情况洗涤剂不溶于油,故不能在固-油界面吸附 γSO不变。
因此根据γSO-γSW=γOWcosθw
cosθw=(γSO-γSW )/γOW ↑
θw ↓ → 油垢卷缩
液体油垢的去除程度与油污在固体表面的接触角θo有关。
θo为180° 污垢自发脱离
90°<θo<180°不能自发脱离,但可被水力冲走
θo<90° 即使运动液冲击,仍然会有一小部分油残留于固体表面
2、 固体污垢的去除
物质表面的固体污垢与扩大成一片的液体油污不同,往往仅在较少的一些点与表面接触粘附。
发生粘附的主要作用是分子间的范德华力,其他力则弱得多。静电引力可以加速空气中灰尘在固体表面的粘附,但并不影响粘附强度。
固体污垢与固体表面的粘附强度受各种因素的影响,随接触时间的延长和空气湿度的增大而增强。溶于水中的洗涤物品,其表面与固体污垢的粘附力比在空气中小得多。
固体污垢得去除主要由于表面活性剂在固体污垢及待洗物体表面吸附,其过程如图:
污垢从固体表面到洗涤液的分段去除
第Ⅰ阶段:固体污垢P直接粘附于固体表面S的状态
第Ⅱ阶段:洗涤液L在固体表面S与固体污垢P的固-固界面上的铺展,这个过程是通过洗涤液在固-固界面中存在毛细管微缝中的渗透完成。
第Ⅲ阶段:固体污垢P分散悬浮与洗涤液L中。
对于固体污垢的去除,主要是由于表面活性剂在固体质点(污垢)及固体表面上的吸附而使二者分离。
关键取决于第Ⅱ阶段中,洗涤液能否在物体和污垢表面铺展或润湿。
洗涤液能否在固体表面S和固体污垢P表面铺展或润湿与体系中各界面的表面(界面)张力有关。
洗涤液在固体表面和污垢间的固-固界面SP的铺展系数SL/SP=γSP-γSL-γPL
当SL/SP>0洗涤液可以固固界面铺展。
表面活性剂作为洗涤剂在固体污垢去除作用,主要体现在
分段去除过程中的Ⅱ阶段中,即洗涤液L在固体表面S与固体污垢P固-固界面上的铺展过程中。
当溶有表面活性剂的洗涤液渗入缝隙后,表面活性剂将疏水基分别吸附与待洗固体和固体污垢的表面,其亲水基伸入洗涤液中,形成单分子吸附膜。
把固体污垢的表面变成亲水性强的表面,从而与洗涤液有很好的相容性,导致洗涤液在固体表面与固体污垢间的固固界面上铺展,形成一层水膜使固体污垢与固体表面间的固固界面变成两个新的固液界面。如a,即固体表面和洗涤液,固体污垢与洗涤液间的固-液界面,最终使固体污垢与固体表面发生脱离。
3、 影响表面活性剂洗涤的作用的因素
1、 表面或界面张力
降低表面或界面张力,有利于润湿。液体污垢去除的“卷缩”过程中,表面活性剂将γOW和γSW降低越低,油污被“卷缩”得越完全。
2、 表面活性剂在界面上得吸附状态
阴离子表面活性剂:
水介质中,一般固体表面带负电,由于电斥力不利于阴离子表面活性剂的吸附。一般固体表面的非极性强,通过固体分子与表面活性剂碳氢链间的范德华力克服电斥力,从而以疏水链吸附固体表面。
阴离子极性头伸入水中的状态吸附于固-液界面上。
非离子表面活性剂:
在非极性纤维上的吸附,是通过表面活性剂的疏水性碳氢链与纤维分子碳氢间的范德华力作用实现的。
对于极性纤维如天然纤维(棉),非离子表面活性剂在亲水性强的棉纤维上的吸附是通过聚氧乙烯链中的醚键氧原子与棉纤维表面的羟基形成氢键实现的。因此,纤维-水界面上表面活性剂以极性的亲水基吸附于棉纤维的表面,而疏水基朝向水中,使得棉纤维变得疏水性。
因此,非离子表面活性剂不宜用于洗涤天然棉纤维。
两性表面活性剂:
吸附与离子型和非离子表面活性剂相似。
对非极性的固体表面,通过范德华力以疏水基吸附于固体表面,以亲水的阴离子或铵阳离子极性头伸进水相,使非极性疏水表面变亲水表面,有利于污垢的去除和分散、悬浮,不易发生再沉积,提高了洗涤效率。
阳离子表面活性剂不适宜用于作洗涤剂组分。
3、 表面活性剂的分子结构
主要是非极性疏水链长度,链长越长,洗涤效果越好。
如烷基硫酸钠,16、18烷基在较低用量时可获得良好的洗涤效果,其次14烷基硫酸钠,而十二烷基和十烷基洗涤效果差。
但脂肪酸钠情况不一样,洗涤效果:
低温 18酸钠<16酸钠
高温 18酸钠>16酸钠
高温时18酸钠的溶解度大。
4、 乳化和起泡作用
液体油污经“卷缩”成油珠,从固体表面脱离进入洗涤液,有很多被洗物品表面相接触而粘附于物体表面的机会,通过表面活性剂的乳化作用,可以使油污乳化并稳定地分散悬浮于洗涤液中,有效地阻止了液体油污再沉积过程的发生。
洗涤剂乳化性能越强,洗涤效果越好。
日常生活中,人们认为一种洗涤液的好坏取决于起泡作用,洗涤过程中泡沫越多,洗涤效果越好。实际上,表面活性剂的起泡作用对洗涤效果有一定的效果,但二者之间并没有直接的相关性。如低泡洗涤,效果也很好。
洗涤液形成泡沫,可以有利于玻璃等硬表面物的油滴和尘土带走。
5、 表面活性剂增溶作用
一般认为液体污垢的去除是通过表面活性剂的增溶作用实现的,事实并非如此。
1 当洗涤过程使用临界浓度(CMC)较大的阴离子表面活性剂作洗涤剂时,表面活性剂胶束的增溶作用不是影响液体油污去除的主要因素。
原因:实际洗涤过程中,表面活性剂的添加量并不多,其在洗涤液中的浓度很难达到临界胶束浓度。
阴离子表面活性剂就是如此。
如:十二烷基硫酸钠 8.7×10-3mol/L
十四烷基硫酸钠 2.4×10-3mol/L
十二烷基苯磺酸钠 1.2×10-3mol/L
洗涤过程中,这些表面活性剂用量极少,它们的浓度基本维持在临界胶束浓度以下,另外在纺织品类易吸附,浓度更小,胶束存在的可能性更小。
2 非离子型表面活性剂
此表面活性剂的临界胶束浓度普遍较低,在添加量不大的条件下,洗涤液也容易形成胶束。
如脂肪醇聚氧乙烯醚系列非离子型表面活性剂,CMC通常在10-6-10-5 mol/L。
洗涤液中表面活性剂超过CMC。
油污去除程度随表面活性剂的浓度的增加而显著增加。表明洗涤过程中增溶作用的存在,此点附近洗涤效果较好。
此外,分部使用洗涤剂时,增溶作用也可能成为清除表面油污的主要因素。
6、 粘附强度(表面活性剂与污垢)
粘附:固体表面与污垢
固体表面与洗涤剂
污垢与洗涤剂
这些粘附对洗涤效果有较大的影响。
固体表面与污垢粘附强,洗涤难。固体表面与洗涤剂间的粘附作用强,越有利于污垢从固体表面的去除。洗涤剂与污垢的粘附作用越强,越有利于阻止污垢的再沉积。
水介质中,非极性污垢由于疏水性较强,不易被水洗净,非极性污垢通过范德华力吸附于非极性物品表面上,两者间有较大的粘附强度,因此比亲水物品表面难去除,而极性的污垢在疏水的非极性的非极性表面比在极性强的亲水表面上容易去除。
4、 助洗剂
洗涤剂中,表面活性剂占10-35%
助洗剂占15-80%
液体洗涤剂中,助洗剂用量相对较少。
助洗剂主要成分:
a、 无机盐:磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐
b、 沸石(代替磷酸盐类)
c、 有机助洗剂:羧甲基纤维素钠盐
脂肪酸单乙醇酰胺
氧化胺
助洗剂作用:
1 磷酸盐助洗剂主要作用:
与水中的多价金属离子螯合,以避免金属离子与阴离子表面活性剂作用而生成不溶物污垢,沉积于洗涤物表面,本身也有一定的去污作用及质点悬浮作用,而且与表面活性剂在洗涤力上有协同效应,可提高表面活性剂的洗涤力。
磷酸盐应用产生弊端,水营养问题-赤潮。
2 沸石:一种硅铝酸钠的结晶物。
沸石已广泛应用于洗涤剂中,是通过离子交换以除去洗涤液中的污离子。可软化水,但不能维持pH,不能提供碱性,也不能阻止污垢的再沉积。
使用时,仍需要其他助剂配合。
③硅酸钠:
与其他助洗剂合用有协同作用,起到更好助洗效果,与碳酸钠一样,可提供碱性,维持高的pH值。高的pH值可增加表面负电荷,不利于洗涤。
有防止污垢再沉积作用,对钙镁也有一定的螯合作用。
4 硫酸钠:
降低表面活性剂的CMC,提高其表面活性作用,促使表面活性剂易吸附于质点及洗涤物表面,增加质点的分散稳定性,进而有利于防止沉积。
5 羧甲基纤维素钠盐:防质点沉积剂。
另外,防质点沉积剂还有:3-羟基丁基纤维-聚酯
聚氧乙烯-聚氧丙稀-聚酯
PVP 聚乙烯吡咯烷酮
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