1. Pindpinevus
Vedeliku pinnale mõjuvat kokkutõmbumisjõudu pikkuseühiku kohta nimetatakse pindpinevuseks ja seda mõõdetakse N • m-1.
2. Pindaktiivsus ja pindaktiivne aine
Lahustite pindpinevust vähendavat omadust nimetatakse pindaktiivsuseks ja pindaktiivseid aineid nimetatakse pindaktiivseteks aineteks.
Pindaktiivsed ained on pindaktiivsed ained, mis võivad vesilahustes moodustada mitselle ja muid agregaate, millel on kõrge pindaktiivsus ning mis täidavad ka niisutavaid, emulgeerivaid, vahutavaid, pesevaid ja muid funktsioone.
3. Pindaktiivse aine molekulaarstruktuuri omadused
Pindaktiivsed ained on orgaanilised ühendid, millel on eriline struktuur ja omadused, mis võivad oluliselt muuta kahe faasi vahelist pindpinevust või vedelike (tavaliselt vee) pindpinevust ning millel on sellised omadused nagu märgamine, vahustamine, emulgeerimine ja pesemine.
Struktuurilt on pindaktiivsetel ainetel ühine omadus sisaldada oma molekulides kahte erinevat funktsionaalset rühma. Üks ots on pika ahelaga mittepolaarne rühm, mis lahustub õlis, kuid ei lahustu vees, mida tuntakse hüdrofoobse rühma või hüdrofoobse rühmana. Need hüdrofoobsed rühmad on üldiselt pika ahelaga süsivesinikud, mõnikord ka orgaanilised fluori-, ränidioksiidi-, fosfororgaanilised, tinaorgaanilised ahelad jne. Teine ots on vees lahustuv funktsionaalne rühm, nimelt hüdrofiilne rühm või hüdrofiilne rühm. Hüdrofiilsel rühmal peab olema piisav hüdrofiilsus, et tagada kogu pindaktiivse aine vees lahustuvus ja vajalik lahustuvus. Pindaktiivsete ainete hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete rühmade olemasolu tõttu võivad need lahustuda vähemalt ühes vedelfaasi faasis. Pindaktiivsete ainete hüdrofiilseid ja oleofiilseid omadusi nimetatakse amfifiilsuseks.
4. Pindaktiivsete ainete tüübid
Pindaktiivsed ained on amfifiilsed molekulid, millel on nii hüdrofoobsed kui ka hüdrofiilsed rühmad. Pindaktiivsete ainete hüdrofoobsed rühmad koosnevad üldiselt pika ahelaga süsivesinikest, näiteks sirge ahelaga alküülrühm C8-C20, hargnenud ahelaga alküülrühm C8-C20, alküülfenüülrühm (8-16 alküülsüsiniku aatomiga) jne. Hüdrofoobsete rühmade erinevus seisneb peamiselt süsinik-vesinikahelate struktuurimuutustes, kusjuures erinevused on suhteliselt väikesed, samas kui hüdrofiilseid rühmi on rohkem. Seetõttu on pindaktiivsete ainete omadused lisaks hüdrofoobsete rühmade suurusele ja kujule peamiselt seotud hüdrofiilsete rühmadega. Hüdrofiilsete rühmade struktuurimuutused on suuremad kui hüdrofoobsetel rühmadel, seega põhineb pindaktiivsete ainete klassifikatsioon üldiselt hüdrofiilsete rühmade struktuuril. See klassifikatsioon põhineb peamiselt sellel, kas hüdrofiilsed rühmad on ioonsed, jagades need anioonseteks, katioonseteks, mitteioonseteks, tsvitterioonseteks ja muudeks spetsiaalseteks pindaktiivseteks aineteks.
5. Pindaktiivsete ainete vesilahuse omadused
① Pindaktiivsete ainete adsorptsioon piirpindadel
Pindaktiivsete ainete molekulidel on lipofiilsed ja hüdrofiilsed rühmad, mis muudab need amfifiilseteks molekulideks. Vesi on tugevalt polaarne vedelik. Kui pindaktiivsed ained vees lahustuvad, siis polaarsuse sarnasuse ja polaarsuse erinevuse tõukumise põhimõtte kohaselt tõmbuvad nende hüdrofiilsed rühmad veefaasi poole ja lahustuvad vees, samas kui nende lipofiilsed rühmad tõukuvad vett ja lahkuvad veest. Selle tulemusena adsorbeeruvad pindaktiivsete ainete molekulid (või ioonid) kahe faasi vahelisele piirile, vähendades kahe faasi vahelist faasivahelist pinget. Mida rohkem pindaktiivseid molekule (või ioone) adsorbeerub liidesele, seda suurem on faasivahelise pinge langus.
② Mõned adsorptsioonmembraani omadused
Adsorptsioonimembraani pinnarõhk: Pindaktiivsed ained adsorbeeruvad gaasi-vedeliku piirpinnal, moodustades adsorptsioonimembraani. Kui piirpinnale asetatakse hõõrdeta liikuv ujuvplaat ja ujuvplaat surub adsorptsioonimembraani mööda lahuse pinda, avaldab membraan ujuvplaadile survet, mida nimetatakse pinnarõhuks.
Pinna viskoossus: Nagu pinnarõhk, on ka pinna viskoossus lahustumatute molekulaarkilede omadus. Riputage plaatinarõngas õhukese metalltraadi külge, viige selle tasapind kraanikausi veepinnale ja pöörake plaatinarõngast. Vee viskoossus takistab plaatinarõnga liikumist. Amplituud nõrgeneb järk-järgult, mille järgi saab mõõta pinna viskoossust. Meetod on järgmine: kõigepealt tehke katsed puhta vee pinnal, mõõtke amplituudi nõrgenemine, seejärel mõõtke nõrgenemine pärast näomaski moodustumist ja arvutage näomaski viskoossus kahe erinevuse põhjal.
Pinna viskoossus on tihedalt seotud näomaski pinna tugevusega. Kuna adsorptsioonkilel on pinnarõhk ja viskoossus, peab see olema elastne. Mida suurem on adsorptsioonmembraani pinnarõhk ja viskoossus, seda suurem on selle elastsusmoodul. Pinna adsorptsioonkile elastsusmoodulil on vahu stabiliseerimise protsessis suur tähtsus.
③ Mitsellide moodustumine
Pindaktiivsete ainete lahjendatud lahus järgib ideaalsete lahuste seaduspärasusi. Pindaktiivsete ainete adsorptsioonikogus lahuse pinnal suureneb koos lahuse kontsentratsiooniga. Kui kontsentratsioon saavutab teatud väärtuse või ületab selle, siis adsorptsioonikogus enam ei suurene. Need liigsed pindaktiivsete ainete molekulid lahuses on korrastamata või eksisteerivad korrapäraselt. Nii praktika kui ka teooria on näidanud, et nad moodustavad lahuses agregaate, mida nimetatakse mitsellideks.
Kriitiline mitsellikontsentratsioon: Minimaalset kontsentratsiooni, mille juures pindaktiivsed ained lahuses mitselle moodustavad, nimetatakse kriitiliseks mitsellikontsentratsiooniks.
4. Tavalise pindaktiivse aine CMC väärtus.
6. Hüdrofiilse ja oleofiilse tasakaalu väärtus
HLB tähistab hüdrofiilset lipofiilset tasakaalu, mis esindab pindaktiivse aine hüdrofiilsete ja lipofiilsete rühmade hüdrofiilset ja lipofiilset tasakaalu väärtusi ehk pindaktiivse aine HLB väärtust. Kõrge HLB väärtus näitab molekuli tugevat hüdrofiilsust ja nõrka lipofiilsust; vastupidi, sellel on tugev lipofiilsus ja nõrk hüdrofiilsus.
① HLB väärtuse eeskirjad
HLB väärtus on suhteline väärtus, seega HLB väärtuse formuleerimisel võetakse standardina hüdrofiilsete omadusteta parafiini HLB väärtuseks 0 ja vees hästi lahustuva naatriumdodetsüülsulfaadi HLB väärtuseks 40. Seega on pindaktiivsete ainete HLB väärtus üldiselt vahemikus 1–40. Üldiselt on alla 10 HLB väärtusega emulgaatorid lipofiilsed, üle 10 HLB väärtusega emulgaatorid aga hüdrofiilsed. Seega on lipofiilsuse ja hüdrofiilsuse pöördepunkt ligikaudu 10.
7. Emulgeerimise ja lahustumisefektid
Kahte mittesegunevat vedelikku, millest üks moodustub osakeste (tilkade või vedelkristallide) dispergeerimisel teises, nimetatakse emulsioonideks. Emulsiooni moodustumisel suureneb kahe vedeliku vaheline faasipind, muutes süsteemi termodünaamiliselt ebastabiilseks. Emulsiooni stabiliseerimiseks tuleb lisada kolmas komponent - emulgaator -, et vähendada süsteemi faasidevahelist energiat. Emulgaatorid kuuluvad pindaktiivsete ainete hulka ja nende peamine ülesanne on toimida emulgaatoritena. Faasi, milles emulsioonis esinevad tilgad, nimetatakse dispersfaasiks (või sisefaasiks, katkendlikuks faasiks) ja teist omavahel ühendatud faasi nimetatakse disperskeskkonnaks (või välisfaasiks, pidevaks faasiks).
① Emulgaatorid ja emulsioonid
Tavalised emulsioonid koosnevad ühest faasist veest või vesilahusest ja teisest faasist veega mittesegunevatest orgaanilistest ühenditest, näiteks õlidest, vahadest jne. Vee ja õli emulsiooni saab nende dispersiooni põhjal jagada kahte tüüpi: vees dispergeeritud õli moodustab vesi-õlis emulsiooni, mida tähistab O/W (õli/vesi); õlis dispergeeritud vesi moodustab vesi-õlis emulsiooni, mida tähistab W/O (vesi/õli). Lisaks võivad moodustuda ka komplekssed vesi-õlis vees W/O/W ja õli-vees õlis O/W/O emulsioonid.
Emulgaator stabiliseerib emulsiooni, vähendades faasidevahelist pinget ja moodustades ühekihilise näomaski.
Emulgaatoritele esitatavad nõuded emulgaatoritele: a: emulgaatorid peavad suutma adsorbeeruda või rikastada kahe faasi vahelist piirpinda, vähendades faasidevahelist pinget; b: Emulgaatorid peavad andma osakestele elektrilaengu, põhjustades osakeste vahel elektrostaatilist tõukumist või moodustades osakeste ümber stabiilse, väga viskoosse kaitsekile. Seega peavad emulgaatoritena kasutatavatel ainetel olema emulgeeriva toime saavutamiseks amfipiilsed rühmad ja pindaktiivsed ained saavad selle nõude täita.
② Emulsioonide valmistamismeetodid ja emulsiooni stabiilsust mõjutavad tegurid
Emulsioonide valmistamiseks on kaks meetodit: üks on mehaaniliste meetodite kasutamine vedeliku hajutamiseks väikesteks osakesteks teises vedelikus, mida tavaliselt kasutatakse tööstuses emulsioonide valmistamiseks; teine meetod on vedeliku lahustamine molekulaarses olekus teises vedelikus ja seejärel selle sobiva agregatsiooni võimaldamine emulsiooni moodustamiseks.
Emulsioonide stabiilsus viitab nende võimele takistada osakeste agregatsiooni ja põhjustada faaside eraldumist. Emulsioonid on termodünaamiliselt ebastabiilsed süsteemid, millel on märkimisväärne vabaenergia. Seega viitab emulsiooni stabiilsus tegelikult ajale, mis kulub süsteemi tasakaalu saavutamiseks, st ajale, mis kulub süsteemis oleva vedeliku eraldumiseks.
Kui näomaskis on polaarseid orgaanilisi molekule, näiteks rasvalkoholi, rasvhapet ja rasvamiini, suureneb membraani tugevus märkimisväärselt. See on tingitud asjaolust, et emulgaatormolekulid interakteeruvad liidese adsorptsioonikihis polaarsete molekulidega, näiteks alkoholi, happe ja amiiniga, moodustades "kompleksi", mis suurendab liidese näomaski tugevust.
Kahest või enamast pindaktiivsest ainest koosnevaid emulgaatoreid nimetatakse segaemulgaatoriteks. Segaemulgaatorid adsorbeeruvad vee/õli piirpinnale ja molekulidevahelised interaktsioonid võivad moodustada komplekse. Tugeva molekulidevahelise interaktsiooni tõttu väheneb faasidevaheline pinge oluliselt, suureneb oluliselt faasidevahelise näomaski tihedus ja tugevus.
Tilkade laeng mõjutab oluliselt emulsioonide stabiilsust. Stabiilsetel emulsioonidel on tavaliselt elektrilaenguga tilgad. Ioonsete emulgaatorite kasutamisel sisestavad liidesele adsorbeerunud emulgaatoriioonid oma lipofiilsed rühmad õlifaasi, samas kui hüdrofiilsed rühmad on veefaasis, muutes tilgad laetuks. Kuna emulsiooni tilgad kannavad sama laengut, tõukuvad nad üksteist ja ei aglomeeru kergesti, mille tulemuseks on suurem stabiilsus. On näha, et mida rohkem emulgaatoriioone on tilkadele adsorbeerunud, seda suurem on nende laeng ja seda suurem on nende võime takistada tilkade koalestsentsi, muutes emulsioonisüsteemi stabiilsemaks.
Emulsiooni dispersioonikeskkonna viskoossus mõjutab emulsiooni stabiilsust teatud määral. Üldiselt, mida suurem on dispersioonikeskkonna viskoossus, seda suurem on emulsiooni stabiilsus. See on tingitud dispersioonikeskkonna kõrgest viskoossusest, mis takistab oluliselt vedelikutilkade Browni liikumist, aeglustab tilkade kokkupõrget ja hoiab süsteemi stabiilsena. Polümeerained, mis tavaliselt emulsioonides lahustuvad, võivad suurendada süsteemi viskoossust ja parandada emulsiooni stabiilsust. Lisaks võib polümeer moodustada ka tahke liidese näomaski, muutes emulsioonisüsteemi stabiilsemaks.
Mõnel juhul võib tahke pulbri lisamine emulsiooni stabiliseerida. Tahke pulber ei ole vees, õlis ega piirpinnal, olenevalt õli ja vee märgumisvõimest tahkel pulbril. Kui tahke pulber ei ole veega täielikult niisutatud ja õli saab seda niisutada, jääb see vee ja õli piirpinnale.
Põhjus, miks tahke pulber emulsiooni ei stabiliseeri, on see, et liidesele kogunenud pulber ei tugevda liidese näomaski, mis sarnaneb liidese adsorptsiooniemulgaatori molekulidega. Seega, mida lähemal tahke pulbri osakesed liidesel paiknevad, seda stabiilsem on emulsioon.
Pindaktiivsetel ainetel on võime pärast mitsellide moodustumist vesilahuses oluliselt suurendada lahustumatute või vähelahustuvate orgaaniliste ühendite lahustuvust ning lahus on sel ajal läbipaistev. Seda mitsellide efekti nimetatakse solubiliseerimiseks. Pindaktiivseid aineid, mis võivad tekitada solubiliseerivat efekti, nimetatakse solubilisaatoriteks ja lahustuvaid orgaanilisi ühendeid nimetatakse solubiliseeritud ühenditeks.
8. Vaht
Vaht mängib pesemisprotsessis olulist rolli. Vaht viitab dispersioonisüsteemile, milles gaas on dispergeeritud vedelikus või tahkes aines. Gaas on dispersioonifaas ja vedel või tahke aine on dispersioonikeskkond. Esimest nimetatakse vedelaks vahuks, teist aga tahkeks vahuks, näiteks vahtplastiks, vahtklaasiks, vahttsemendiks jne.
(1) Vahu teke
Vaht viitab siin vedela kilega eraldatud mullide agregaadile. Disperseeritud faasi (gaasi) ja disperseeritud keskkonna (vedeliku) suure tiheduse erinevuse ja vedeliku madala viskoossuse tõttu võib vaht alati kiiresti vedeliku tasemele tõusta.
Vahu moodustamise protsess seisneb suure koguse gaasi viimises vedelikku ja vedelikus olevad mullid naasevad kiiresti vedeliku pinnale, moodustades mulliagregaadi, mis on eraldatud väikese koguse vedeliku ja gaasiga.
Vahtmaterjalil on morfoloogias kaks tähelepanuväärset omadust: esiteks on dispersioonfaasis mullid sageli hulktahukakujulised, kuna mullide ristumiskohas kipub vedelkile õhenema, muutes mullid hulktahukakujuliseks. Kui vedelkile teatud määral õheneb, siis mullid purunevad; teiseks ei saa puhas vedelik moodustada stabiilset vahtu, kuid vahtu moodustav vedelik koosneb vähemalt kahest või enamast komponendist. Pindaktiivse aine vesilahus on tüüpiline süsteem, mis kergesti vahtu tekitab, ja selle võime vahtu tekitada on seotud ka muude omadustega.
Hea vahustamisvõimega pindaktiivseid aineid nimetatakse vahustajateks. Kuigi vahustajal on hea vahustamisvõime, ei pruugi moodustunud vaht pikka aega püsida ehk selle stabiilsus ei pruugi olla hea. Vahu stabiilsuse säilitamiseks lisatakse vahustajale sageli ainet, mis võib suurendada vahu stabiilsust, mida nimetatakse vahustabilisaatoriks. Tavaliselt kasutatavad vahustabilisaatorid on lauroüüldietanoolamiin ja dodetsüüldimetüülamiinoksiid.
(2) Vahu stabiilsus
Vaht on termodünaamiliselt ebastabiilne süsteem ja lõpptulemusena väheneb vedeliku kogupindala süsteemis ja vabaenergia pärast mullide purunemist. Vahust vabanemise protsess on protsess, mille käigus gaasi eraldav vedelikukile muudab paksust kuni purunemiseni. Seetõttu määrab vahu stabiilsuse peamiselt vedeliku väljumise kiirus ja vedelikukile tugevus. On ka mitmeid teisi mõjutavaid tegureid.
① Pindpinevus
Energia seisukohast on madal pindpinevus vahu moodustumiseks soodsam, kuid see ei saa garanteerida vahu stabiilsust. Madal pindpinevus, väike rõhuerinevus, aeglane vedeliku väljavoolukiirus ja aeglane vedelikukile hõrenemine soodustavad vahu stabiilsust.
② Pinna viskoossus
Vahu stabiilsust määrav võtmetegur on vedela kile tugevus, mis sõltub peamiselt pinna adsorptsioonkile tugevusest, mida mõõdetakse pinna viskoossusega. Katsed näitavad, et suurema pinna viskoossusega lahusest toodetud vahul on pikem eluiga. See on tingitud asjaolust, et pinnal adsorbeerunud molekulide vastastikmõju suurendab membraani tugevust, parandades seeläbi vahu eluiga.
③ Lahuse viskoossus
Kui vedeliku viskoossus suureneb, ei ole vedelas kiles olevat vedelikku kerge tühjendada ja vedela kile paksuse hõrenemise kiirus on aeglane, mis lükkab edasi vedela kile purunemise aega ja suurendab vahu stabiilsust.
④ Pindpinevuse „parandav” efekt
Vedela kile pinnale adsorbeerunud pindaktiivsetel ainetel on võime takistada vedela kile pinna paisumist või kokkutõmbumist, mida me nimetame parandusefektiks. See tuleneb asjaolust, et pinnale on adsorbeerunud pindaktiivsete ainete vedel kile, mille pindala laiendamine vähendab pinnale adsorbeerunud molekulide kontsentratsiooni ja suurendab pindpinevust. Pinna edasine laiendamine nõuab suuremat pingutust. Seevastu pinna pindala kahanemine suurendab pinnale adsorbeerunud molekulide kontsentratsiooni, vähendades pindpinevust ja takistades edasist kokkutõmbumist.
5. Gaasi difusioon läbi vedela kile
Kapillaarrõhu olemasolu tõttu on väikeste mullide rõhk vahus suurem kui suurtel mullidel, mistõttu väikestes mullides olev gaas difundeerub läbi vedela kile madalrõhu suurtesse mullidesse, mille tulemuseks on nähtus, et väikesed mullid muutuvad väiksemaks, suured mullid suuremaks ja lõpuks vaht puruneb. Pindaktiivse aine lisamisel on vaht vahutamisel ühtlane ja tihe ning seda ei ole kerge vahutada. Kuna pindaktiivne aine on vedelal kilel tihedalt paiknenud, on seda raske ventileerida, mis muudab vahu stabiilsemaks.
⑥ Pindlaengu mõju
Kui vahukihile on kantud sama sümbol, siis kihi kaks pinda tõukuvad teineteist, takistades kile hõrenemist või isegi hävimist. Ioonsed pindaktiivsed ained võivad seda stabiliseerivat efekti pakkuda.
Kokkuvõtteks võib öelda, et vedela kile tugevus on vahu stabiilsuse määramisel võtmetegur. Vahtainete ja vahu stabilisaatorite pindaktiivse ainena on pinnale adsorbeerunud molekulide tihedus ja tugevus kõige olulisemad tegurid. Kui pinnale adsorbeerunud molekulide vaheline interaktsioon on tugev, paiknevad adsorbeerunud molekulid tihedalt, mis mitte ainult ei muuda näomaski enda tugevust suureks, vaid raskendab ka näomaskiga külgneva lahuse voolamist kõrge pinnaviskoossuse tõttu, mistõttu on vedelal kilel suhteliselt raske nõrguda ja vedela kile paksust on lihtne säilitada. Lisaks võivad tihedalt paiknevad pinnamolekulid vähendada ka gaasimolekulide läbilaskvust ja seega suurendada vahu stabiilsust.
(3) Vahtmaterjali hävimine
Vahu hävitamise põhiprintsiip on muuta vahu tekkimise tingimusi või kõrvaldada vahu stabiilsustegurid, seega on kaks vahu eemaldamise meetodit: füüsikaline ja keemiline.
Füüsiline vahu eemaldamine on vahu tekkimise tingimuste muutmine, säilitades samal ajal vahulahuse keemilise koostise muutumatuna. Näiteks välise jõu häirimine, temperatuuri või rõhu muutmine ja ultraheliga töötlemine on kõik tõhusad füüsikalised meetodid vahu eemaldamiseks.
Keemilise vahutamismeetodi puhul lisatakse vahustajale interakteeruvaid aineid, mis vähendavad vahus oleva vedela kile tugevust ja seejärel vahu stabiilsust, et saavutada vahutamisfunktsioon. Selliseid aineid nimetatakse vahutamisvastasteks aineteks. Enamik vahutamisvastaseid aineid on pindaktiivsed ained. Seega, vastavalt vahutamismehhanismile peaksid vahutamisvastastel ainetel olema tugev võime vähendada pindpinevust, need peaksid pinnale kergesti adsorbeeruma ja pinnale adsorbeerunud molekulide vahel olema nõrk interaktsioon, mille tulemuseks on adsorbeerunud molekulide suhteliselt lahtine paigutusstruktuur.
Vahutamisvastaseid aineid on mitmesuguseid, kuid enamasti on need mitteioonsed pindaktiivsed ained. Mitteioonsetel pindaktiivsetel ainetel on vahutamisvastased omadused hägustumispunkti lähedal või sellest kõrgemal ning neid kasutatakse tavaliselt vahutamisvastaste ainetena. Alkoholid, eriti hargnenud struktuuriga alkoholid, rasvhapped ja estrid, polüamiidid, fosfaadid, silikoonõlid jne on samuti tavaliselt suurepäraste vahutamisvastaste ainetena kasutusel.
(4) Vaht ja pesemine
Vahu ja pesuefekti vahel puudub otsene seos ning vahu hulk ei tähenda, et pesuefekt on hea või halb. Näiteks mitteioonsete pindaktiivsete ainete vahustamisvõime on seebi omast tunduvalt kehvem, kuid nende puhastusvõime on seebi omast palju parem.
Mõnel juhul on vaht mustuse eemaldamisel abiks. Näiteks kodus lauanõude pesemisel võib pesuvahendi vaht eemaldada mahapestud õlipiisad; vaiba küürimisel aitab vaht eemaldada tahket mustust, näiteks tolmu ja pulbrit. Lisaks võib vahtu mõnikord kasutada pesuvahendi efektiivsuse märgina, sest rasvased õliplekid võivad pesuvahendi vahutamist takistada. Kui õliplekke on liiga palju ja pesuvahendit liiga vähe, siis vahtu ei teki või algne vaht kaob. Mõnikord saab vahtu kasutada ka loputusvee puhtuse indikaatorina. Kuna loputuslahuses oleva vahu hulk kipub pesuvahendi sisalduse vähenemisega vähenema, saab loputuse astet hinnata vahu hulga järgi.
9. Pesemisprotsess
Laiemas tähenduses on pesemine protsess, mille käigus eemaldatakse pestavalt esemelt soovimatud komponendid ja saavutatakse teatud eesmärk. Tavapärases tähenduses viitab pesemine mustuse eemaldamisele kandevahendi pinnalt. Pesemise ajal nõrgeneb või kaob mustuse ja kandevahendi vastastikmõju teatud keemiliste ainete (näiteks pesuvahendite) toimel, muutes mustuse ja kandevahendi kombinatsiooni mustuse ja pesuvahendi kombinatsiooniks, põhjustades lõpuks mustuse ja kandevahendi eraldumise. Kuna pestavad esemed ja eemaldatav mustus on erinevad, on pesemine väga keeruline protsess ja pesemise põhiprotsessi saab kirjeldada järgmise lihtsa seosega
Kandja • Mustus + Pesuvahend = Kandja + Mustus • Pesuvahend
Pesemisprotsessi võib tavaliselt jagada kahte etappi: esiteks eraldatakse mustus pesuvahendi toimel kandjast; teiseks hajutatakse ja suspendeeritakse eraldunud mustus pesuvahendis. Pesuprotsess on pöörduv protsess ning pesuvahendis hajutatud või suspendeeritud mustus võib pesuvahendist uuesti pesuvahendile sadestuda. Seetõttu peaks suurepärane pesuvahend mitte ainult suutma mustust pesuvahendist eraldada, vaid ka hästi hajutada ja suspendeerida ning takistada mustuse uuesti ladestumist.
(1) Mustuse tüübid
Isegi sama eseme puhul varieerub mustuse tüüp, koostis ja kogus olenevalt kasutuskeskkonnast. Õline kehamustus hõlmab peamiselt loomseid ja taimseid õlisid, samuti mineraalõlisid (nt toornafta, kütteõli, kivisöetõrv jne), samas kui tahke mustus hõlmab peamiselt suitsu, tolmu, roostet, tahma jne. Riiete mustuse puhul on tegemist inimkeha mustusega, nagu higi, rasu, veri jne; toiduga seotud mustusega, nagu puuviljaplekid, toiduõliplekid, maitseaineplekid, tärklis jne; kosmeetikatoodetega kaasas olnud mustusega, nagu huulepulk ja küünelakk; atmosfääri mustusega, nagu suits, tolm, muld jne; muude materjalidega, nagu tint, tee, värv jne. Võib öelda, et mustust on mitmesuguseid ja mitmekesiseid.
Erinevat tüüpi mustust saab tavaliselt jagada kolme kategooriasse: tahke mustus, vedel mustus ja spetsiaalne mustus.
① Tavaline tahke mustus hõlmab osakesi nagu tuhk, muda, muld, rooste ja tahm. Enamikul neist osakestest on pinnalaeng, enamasti negatiivne, ja need adsorbeeruvad kergesti kiudmaterjalidele. Üldiselt on tahket mustust vees raske lahustada, kuid pesuvahendite lahused võivad seda hajutada ja suspendeerida. Väikeste osakestega tahket mustust on raske eemaldada.
② Vedel mustus on enamasti õlis lahustuv, sealhulgas loomsed ja taimsed õlid, rasvhapped, rasvalkoholid, mineraalõlid ja nende oksiidid. Nende hulgas võivad loomsed ja taimsed õlid ning rasvhapped leelisega seebistuda, samas kui rasvalkoholid ja mineraalõlid ei seebistu leelisega, kuid võivad lahustuda alkoholides, eetrites ja süsivesiniklahustites ning emulgeeruda ja dispergeeruda pesuvahendi vesilahustega. Õlis lahustuval vedelal mustusel on üldiselt tugev interaktsioonjõud kiudobjektidega ja see adsorbeerub kindlalt kiudude külge.
③ Erilise mustuse hulka kuuluvad valk, tärklis, veri, inimeritised, näiteks higi, rasu, uriin, aga ka puuviljamahl, teemahl jne. Enamik seda tüüpi mustusest imendub keemiliste reaktsioonide kaudu tugevalt kiulistele esemetele. Seetõttu on selle pesemine üsna keeruline.
Erinevat tüüpi mustus esineb harva üksikult, sageli seguneb see ja adsorbeerub esemetele. Mustus võib mõnikord väliste mõjude all oksüdeeruda, laguneda või mädaneda, mille tulemuseks on uue mustuse teke.
(2) Mustuse adhesiooniefekt
Riided, käed jne võivad määrduda esemete ja mustuse vahelise interaktsiooni tõttu. Mustusel on esemetele mitmesuguseid adhesiooniefekte, kuid need on peamiselt füüsikaline ja keemiline adhesioon.
1. Sigaretituha, tolmu, sette, süsinikmusta ja muude ainete füüsiline nakkumine riietega. Üldiselt on kleepunud mustuse ja saastunud eseme vaheline interaktsioon suhteliselt nõrk ning mustuse eemaldamine on samuti suhteliselt lihtne. Erinevate jõudude järgi saab mustuse füüsikalise nakkuvuse jagada mehaaniliseks ja elektrostaatiliseks adhesiooniks.
A: Mehaaniline nakkuvus viitab peamiselt tahke mustuse, näiteks tolmu ja sette nakkumisele. Mehaaniline nakkuvus on mustuse nõrk nakkemeetod ja seda saab peaaegu lihtsalt mehaaniliste meetoditega eemaldada. Kui aga mustuse osakeste suurus on väike (<0,1 μm), on seda raskem eemaldada.
B: Elektrostaatiline adhesioon avaldub peamiselt laetud mustuseosakeste toimel vastandlaenguga objektidele. Enamik kiulisi objekte kannab vees negatiivset laengut ja positiivselt laetud mustus, näiteks lubi, kleepub neile kergesti. Mõni mustus, kuigi negatiivselt laetud, näiteks vesilahustes olevad süsinikmusta osakesed, võib kiudude külge kleepuda ioonsildade kaudu, mis moodustuvad vees positiivsete ioonide (näiteks Ca2+, Mg2+ jne) poolt (ioonid toimivad koos mitme vastandlaengu vahel, toimides nagu sillad).
Staatiline elekter on tugevam kui lihtne mehaaniline tegevus, mistõttu on mustust suhteliselt raske eemaldada.
③ Spetsiifilise mustuse eemaldamine
Valku, tärklist, inimeritisi, puuviljamahla, teemahla ja muud tüüpi mustust on tavaliste pindaktiivsete ainetega raske eemaldada ja need vajavad spetsiaalseid töötlusmeetodeid.
Valguplekid, näiteks koor, munad, veri, piim ja naha väljaheited, kalduvad kiududele hüübima ja denatureeruma ning kleepuvad tugevamalt kinni. Valguplekkide eemaldamiseks saab kasutada proteaasi. Proteaas suudab lagundada mustuses olevad valgud vees lahustuvateks aminohapeteks või oligopeptiidideks.
Tärkliseplekid pärinevad peamiselt toidust, teised aga näiteks lihamahladest, pastatest jne. Tärkliseensüümidel on tärkliseplekkide hüdrolüüsile katalüütiline toime, lagundades tärklise suhkruteks.
Lipaas suudab katalüüsida mõnede tavapäraste meetoditega raskesti eemaldatavate triglütseriidide, näiteks inimkeha poolt eritatava rasu, toiduõlide jms lagunemist, et lagundada triglütseriidid lahustuvaks glütserooliks ja rasvhapeteks.
Mõningaid värvilisi plekke puuviljamahlast, teemahlast, tindist, huulepulgast jne on sageli raske isegi korduva pesemise järel põhjalikult puhastada. Seda tüüpi plekke saab eemaldada oksüdeerimis-redutseerimisreaktsioonide abil, kasutades oksüdante või redutseerivaid aineid, näiteks valgendit, mis lagundavad kromofoori või kromofoorrühmade struktuuri ja lagundavad need väiksemateks vees lahustuvateks komponentideks.
Keemilise puhastuse seisukohast on umbes kolme tüüpi mustust.
① Õlis lahustuv mustus hõlmab mitmesuguseid õlisid ja rasvu, mis on vedelad või rasvased ja lahustuvad keemilise puhastuse lahustites.
② Vees lahustuv mustus lahustub vesilahuses, kuid ei lahustu keemilise puhastuse vahendites. See adsorbeerub riietele vesilahuse kujul ja pärast vee aurustumist sadestuvad granuleeritud tahked ained, nagu anorgaanilised soolad, tärklis, valgud jne.
③ Õli vees lahustumatu mustus ei lahustu nii vees kui ka keemilise puhastuse lahustites, näiteks süsinikmustas, erinevates metallisilikaatides ja oksiidides.
Erinevat tüüpi mustuse erinevate omaduste tõttu on keemilise puhastuse käigus mustuse eemaldamiseks erinevaid viise. Õlis lahustuv mustus, näiteks loomsed ja taimsed õlid, mineraalõlid ja rasvad, lahustuvad orgaanilistes lahustites kergesti ja on keemilise puhastuse käigus kergesti eemaldatavad. Keemilise puhastuse lahustite suurepärane lahustuvus õli ja rasva puhul tuleneb peamiselt molekulidevahelistest van der Waalsi jõududest.
Vees lahustuva mustuse, näiteks anorgaaniliste soolade, suhkrute, valkude, higi jms eemaldamiseks on vaja keemilise puhastuse vahendile lisada ka sobiv kogus vett, vastasel juhul on vees lahustuvat mustust riietelt raske eemaldada. Kuid vett on keemilise puhastuse vahendites raske lahustada, seega tuleb veekoguse suurendamiseks lisada pindaktiivseid aineid. Keemilise puhastuse vahendites sisalduv vesi niisutab mustust ja riiete pinda, hõlbustades selle interaktsiooni pindaktiivsete ainete polaarsete rühmadega, mis on kasulik pindaktiivsete ainete adsorptsiooniks pinnal. Lisaks, kui pindaktiivsed ained moodustavad mitselle, võivad vees lahustuv mustus ja vesi mitsellidesse lahustuda. Pindaktiivsed ained võivad mitte ainult suurendada keemilise puhastuse lahustite veesisaldust, vaid takistada ka mustuse uuesti sadestumist, suurendades puhastusefekti.
Vees lahustuva mustuse eemaldamiseks on vajalik väike kogus vett, kuid liigne vesi võib mõnedele riietele deformeeruda, kortsuda jne, seega peab kuiva pesuvahendi veesisaldus olema mõõdukas.
Tahked osakesed, nagu tuhk, muda, muld ja süsinikmust, mis ei lahustu ei vees ega õlis, kleepuvad riietele tavaliselt elektrostaatilise adsorptsiooni teel või õliplekkidega ühendudes. Keemilises puhastuses võivad lahustite vool ja löök põhjustada elektrostaatiliste jõudude abil adsorbeerunud mustuse mahakukkumise, samas kui keemilise puhastuse vahendid võivad lahustada õliplekke, põhjustades õliplekkidega ühenduvate ja riietele kleepuvate tahkete osakeste kukkumist keemilise puhastuse vahendist. Keemilise puhastuse vahendis sisalduv väike kogus vett ja pindaktiivseid aineid suudab mahakukkuvad tahked mustuseosakesed stabiilselt suspendeerida ja hajutada, takistades neil uuesti riietele ladestumist.
(5) Pesemistulemust mõjutavad tegurid
Pindaktiivsete ainete suunatud adsorptsioon liidesel ja pindpinevuse (liidese) vähendamine on peamised tegurid vedelate või tahkete saasteainete eemaldamisel. Kuid pesuprotsess on suhteliselt keeruline ja isegi sama tüüpi pesuvahendi pesuefekti mõjutavad paljud muud tegurid. Nende tegurite hulka kuuluvad pesuvahendi kontsentratsioon, temperatuur, mustuse laad, kiu tüüp ja kanga struktuur.
① Pindaktiivsete ainete kontsentratsioon
Pindaktiivsete ainete mitsellid lahuses mängivad pesemisprotsessis olulist rolli. Kui kontsentratsioon saavutab kriitilise mitsellide kontsentratsiooni (CMC), suureneb pesemisvõime järsult. Seetõttu peaks detergendi kontsentratsioon lahustis olema hea pesemisvõime saavutamiseks suurem kui CMC väärtus. Kui pindaktiivsete ainete kontsentratsioon aga ületab CMC väärtuse, muutub pesemisvõime suurenemine vähemoluliseks ja pindaktiivsete ainete kontsentratsiooni liigne suurendamine pole vajalik.
Õliplekkide eemaldamisel solubiliseerimise abil suureneb lahustuv toime pindaktiivsete ainete kontsentratsiooni suurenemisega isegi siis, kui kontsentratsioon on üle CMC väärtuse. Sellisel juhul on soovitatav pesuvahendit kasutada lokaalselt, näiteks riiete mansettidel ja kraedel, kus on palju mustust. Pesemisel võib esmalt kanda peale pesuvahendi kihi, et parandada pindaktiivsete ainete lahustuvat toimet õliplekkidele.
② Temperatuuril on puhastusefektile oluline mõju. Üldiselt on temperatuuri tõstmine mustuse eemaldamiseks kasulik, kuid mõnikord võib liiga kõrge temperatuur põhjustada ka kahjulikke tegureid.
Temperatuuri tõus on kasulik mustuse difusiooniks. Tahked õliplekid emulgeeruvad kergesti, kui temperatuur on üle nende sulamistemperatuuri, ja ka kiud paisuvad temperatuuri tõusu tõttu. Need tegurid on kõik kasulikud mustuse eemaldamiseks. Tihedate kangaste puhul aga vähenevad kiudude vahelised mikropilud pärast kiudude paisumist, mis ei soodusta mustuse eemaldamist.
Temperatuuri muutused mõjutavad ka pindaktiivsete ainete lahustuvust, CMC väärtust ja mitsellide suurust, mõjutades seeläbi pesemisvõimet. Pika süsinikuahelaga pindaktiivsetel ainetel on madalatel temperatuuridel madalam lahustuvus ja mõnikord isegi madalam lahustuvus kui CMC väärtus. Sellisel juhul tuleks pesemistemperatuuri vastavalt tõsta. Temperatuuri mõju CMC väärtusele ja mitsellide suurusele on ioonsete ja mitteioonsete pindaktiivsete ainete puhul erinev. Ioonsete pindaktiivsete ainete puhul viib temperatuuri tõus üldiselt CMC väärtuse suurenemiseni ja mitsellide suuruse vähenemiseni. See tähendab, et pindaktiivsete ainete kontsentratsiooni pesulahuses tuleks suurendada. Mitteioonsete pindaktiivsete ainete puhul viib temperatuuri tõus nende CMC väärtuse vähenemiseni ja mitsellide suuruse olulise suurenemiseni. On näha, et temperatuuri sobiv tõstmine aitab mitteioonsetel pindaktiivsetel ainetel oma pindaktiivsust avaldada. Kuid temperatuur ei tohiks ületada hägustumispunkti.
Lühidalt öeldes sõltub sobivaim pesutemperatuur pesuvahendi valemist ja pestavast esemest. Mõnel pesuvahendil on toatemperatuuril hea puhastustoime, samas kui mõnel pesuvahendil on külma ja kuuma pesemise korral oluliselt erinev puhastustoime.
③ Vaht
Inimesed ajavad vahutamisvõime sageli segamini pesuefektiga, arvates, et tugeva vahutamisvõimega pesuvahenditel on parem pesuefekt. Tulemused näitavad, et pesuefekt ei ole otseselt seotud vahu hulgaga. Näiteks vähese vahutamisega pesuvahendi kasutamisel pesemisel ei ole halvem pesuefekt kui tugeva vahutamisega pesuvahendil.
Kuigi vaht ei ole otseselt pesemisega seotud, on see mõnes olukorras siiski abiks mustuse eemaldamisel. Näiteks võib pesuvedeliku vaht käsitsi nõusid pestes õlitilgad minema kanda. Vaiba puhastamisel võib vaht eemaldada ka tahkeid mustuseosakesi, näiteks tolmu. Tolm moodustab suure osa vaiba mustusest, seega peaks vaibapuhastusvahendil olema teatav vahutamisvõime.
Šampooni puhul on oluline ka vahutamisvõime. Peen vaht, mida vedelik juuste pesemisel või vanniskäigul tekitab, tekitab inimestes mugava tunde.
④ Kiutüübid ja tekstiilide füüsikalised omadused
Lisaks kiudude keemilisele struktuurile, mis mõjutab mustuse nakkumist ja eemaldamist, mõjutavad mustuse eemaldamise raskust ka kiudude välimus ning lõngade ja kangaste organisatsiooniline struktuur.
Villakiudude soomused ja puuvillakiudude lameda ribataolise struktuuriga kiud koguvad mustust kergemini kui siledad kiud. Näiteks tsellulooskilele (kleepkilele) kleepunud süsinikmusta on lihtne eemaldada, samas kui puuvillase kanga külge kleepunud süsinikmusta on raske maha pesta. Näiteks polüesterlühikese kiuga kangad koguvad õliplekke kergemini kui pikakiulised kangad ning lühikese kiuga kangaste õliplekke on samuti raskem eemaldada kui pikakiuga kangaste õliplekke.
Tihedalt keerutatud lõngad ja tihedad kangad võivad kiudude vaheliste väikeste mikropilude tõttu mustuse sissetungimist takistada, kuid takistavad ka puhastuslahusel sisemise mustuse eemaldamist. Seetõttu on tihedatel kangastel alguses hea mustusekindlus, kuid pärast saastumist on neid ka raske puhastada.
⑤ Vee karedus
Metalliioonide, näiteks Ca2+ ja Mg2+ kontsentratsioon vees mõjutab oluliselt pesemisvõimet, eriti kui anioonsed pindaktiivsed ained kohtuvad Ca2+ ja Mg2+ ioonidega, moodustades halvasti lahustuvaid kaltsiumi- ja magneesiumisooli, mis võib vähendada nende puhastusvõimet. Isegi kui pindaktiivsete ainete kontsentratsioon on karedas vees kõrge, on nende puhastav toime siiski palju halvem kui destilleerimisel. Pindaktiivsete ainete parima pesemisvõime saavutamiseks tuleks Ca2+ ioonide kontsentratsiooni vees vähendada alla 1 × 10-6 mol/l (CaCO3 tuleks vähendada 0,1 mg/l-ni). Selleks tuleb pesuvahendile lisada erinevaid pehmendajaid.
Postituse aeg: 16. august 2024