Свойства синтетических моющих средств

Процесс стирки текстильных изделий в бытовых стиральных машинах основан на взаимодействии ткани с моющим раствором синтетического моющего средства (СМС) в воде. В состав синтетических моющих средств входят поверхностно-активные вещества (ПАВ), отбеливающие средства, добавки, уменьшающие пенообразование и повышающие моющую способность ПАВ, добавки для смягчения воды и снижения корродирующего действия на металлические части стиральных машин.

Синтетические моющие средства - это мультикомпонентные водные растворы, в состав которых помимо поверхностно-активных веществ (т.е. непосредственно моющих веществ), входят фосфаты и карбонаты. Эти соли неорганических кислот обладают целым рядом полезных свойств, например:

1. усиливающие действия моющего средства;

2. дезинфекция;

3. отбеливание;

4. ароматизация;

5. пенообразование (пеногашение);

6. окраска.

Вещества, положительно адсорбирующиеся на поверхности ткани изделий, называются поверхностно - активными. Поверхностно-активные вещества имеют асимметричную молекулярную структуру. Молекулы ПАВ содержит одну или несколько гидрофильных групп и один или несколько гидрофобных радикалов. Такая структура, называемая дифильной, обусловливает поверхностную (адсорбционную) активность ПАВ, т.е. их способность концентрироваться на межфазных поверхностях раздела и адсорбироваться, изменяя их свойства

Все поверхностно-активные вещества делится на четыре класса: анионоактивные, катионоактивные, неионогенные и амфолитные.

Анионоактивные ПАВ - это соединения, которые в водных растворах диссоциируют с образованием анионов (отрицательно заряженных ионов), обусловливающих поверхностную активность. На долю анионоактивных из всех производимых ПАВ приходится более 70%. Среди них наибольшее значение имеют алкилбензолсульфонаты натрия, алкилсульфонаты натрия и алкилсульфаты натрия.

Катионоактивные ПАВ - это соединения, которые в водном растворе диссоциируют с образованием катионов, определяющих поверхностную активность. Объемы производства и потребления катионоактивных ПАВ значительно меньше анионоактивных, однако выпуск их увеличивается, так как они обладают ценными свойствами - бактерицидностью.

Неионогенные ПАВ - это соединения, которые растворяются в воде, не ионизируясь. Растворимость неионогенных ПАВ в воде обусловливается наличием в них функциональных групп. Как правило, они образуют гидраты в водном растворе вследствие возникновения водородных связей между молекулами воды и атомами кислорода полиэтиленгликолевой части молекулы ПАВ.

По объему производства и потребления неионогенные ПАВ стоят на втором месте после анионоактивных; биоразлагаемость их достигает 100%. Они хорошо стабилизируют пены и оказывают благоприятное действие на ткани, меха и кожу. Поскольку неиогенные ПАВ в большинстве случаев бывают жидкими или пастообразными, они большей частью используются в жидких или пастообразных моющих средствах; в порошкообразные вводятся в виде добавок (2- 6% от общей массы)

Амфолитные ПАВ - это соединения, которые в водных растворах ионизируются и ведут себя в зависимости от условий (главным образом от рН среды), т. е. в кислом растворе проявляют свойства катионо-активных, а в щелочном растворе - анионоактивных поверхностно-активных веществ.

К технологическим свойствам ПАВ относятся смачивающая, пенообразующая, эмульгирующая, солюбилизирующая, моющая способность.

Поверхностно-активные вещества обладают способностью адсорбироваться на поверхностях раздела фаз и понижать их поверхностное натяжение. Величина поверхностного натяжения жидкостей значительно влияет на скорость и полноту удаления загрязнений с очищаемой поверхности. Каждая молекула ПАВ, находящаяся в жидкости, испытывает притяжение со стороны всех окружающих ее молекул, и равнодействующая этих сил равна нулю. Молекулы, находящиеся на поверхности, обладают избыточной (некомпенсированной) энергией и стремятся уйти с поверхности вглубь, тем самым сжимая поверхность. Поверхностное натяжение - мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазовом) слое; измеряется в Н/м, Дж/м² или эрг/см². Поверхностное натяжение воды составляет 72,8 мН/м при 20°С, большинства органических растворителей - от 20 до 60 мН/м. Известно, что чем выше поверхностное натяжение жидкости или раствора, тем труднее отмываются загрязнения.

Поверхностно-активные вещества обладают свойством снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость-жидкость и жидкость-твердое тело. Поверхностно-активные вещества - это, как правило, органические соединения, молекулы которых содержат атомные группы, сильно различающиеся по силе взаимодействия с растворителем, например с водой. Так, в молекулах ПАВ имеются гидрофильные и гидрофобные группы. Слабое взаимодействие с водой гидрофобных групп вызывает стремление молекулы перейти из водной среды в углеводородную, гидрофильные группы, наоборот, удерживают молекулу в водной среде.

Поверхностная активность молекулы обусловливается гидрофобными радикалами, а растворимость в воде - гидрофильными группами. Ионные ПАВ диссоциируют в воде на ионы, одни из которых обладают адсорбционной (поверхностной) активностью и накапливаются в поверхностном слое, другие не обладают ею, поэтому они уходят в раствор. Таким образом, проявление поверхностной активности моющих веществ обусловлено дифильностью молекулы ПАВ.

Адсорбция гидрофильных групп молекул ПАВ на поверхности раздела фаз (на поверхности загрязнения) вызывает снижение поверхностного натяжения, что и обеспечивает перевод загрязнений в раствор, т. е. отмывку загрязнений с ткани или другой поверхности. На этом, собственно, и основано применение ПАВ в CMC.

Растворение ПАВ в воде имеет свои особенности: после достижения предела растворимости они образуют в растворителе конгломераты, называемые мицеллами. Эффективность моющего действия при стирке сильно зависит от наличия мицелл в растворе. Образованию мицелл способствует понижение температуры, увеличение молекулярной массы и концентрации ПАВ, наличие в растворе электролитов.

Концентрация ПАВ в растворе, при которой наблюдается образование мицелл, называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). При этой концентрации моющая способность растворов является наивысшей; дальнейшее увеличение концентрации ПАВ не приводит к увеличению моющей способности раствора. Уменьшение концентрации ПАВ в растворе также снижает моющую способность. По величине ККМ можно определять максимальное количество ПАВ, необходимое для наиболее эффективного моющего воздействия CMC. Так, при домашней стирке и в прачечных оптимальные концентрации моющих веществ составляют: для бытовой стирки хлопчатобумажных тканей -2…3 г/л, в прачечных -1…2 г/л; для стирки шерстяных и шелковых тканей - 0,7…2,5 г/л.

Одним из важнейших факторов, определяющих скорость моющего действия растворов CMC, является смачиваемость. Смачиваемость -это физическое явление, происходящее на границе соприкосновения трех фаз, одна из которых твердое тело, а две другие - жидкостиз. При смачивании молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела (например, загрязнения) и жидкость растекается по поверхности, покрывая ее. В данном случае силы межмолекулярного взаимодействия между жидкостью и твердым телом больше, чем между молекулами жидкости, т. е. смачиваемость твердого тела тем лучше, чем меньше взаимодействие между молекулами жидкости. Увеличению смачивающей способности способствует введение в моющий раствор ПАВ, понижающих его поверхностное натяжение. Наличие на поверхности ткани жировых веществ придает ей водоотталкивающие (гидрофобные) свойства. Это затрудняет смачиваемость загрязнений и их отмывку. Адсорбция молекул ПАВ на частицах жировых загрязнений увеличивает их смачиваемость и переводит их с поверхности ткани в моющий раствор. Следовательно, ПАВ в растворе способствует удалению загрязнений с поверхности ткани.

В загрязнениях обычно содержится большое количество жировых и минеральных веществ. Одним из путей удаления таких загрязнений с тканей является эмульгирование их моющими средствами. Эмульгирующей способностью ПАВ называется способность диспергировать нерастворимую жидкость и обеспечивать агрегативную устойчивость образовавшейся эмульсии. Эмульгирующая способность характеризуется следующими показателями:

а) типом эмульсии (масло - вода или вода - масло);

б) устойчивостью эмульсии;

в) дисперсностью, которая зависит от среднего размера частиц в системе, распределения их по размерам.

Благодаря образованию эмульсий частицы загрязнений остаются в растворе и не осаждаются на ткань. Эмульсии представляют собой системы, для которых мельчайшие капли одной жидкости (дисперсной фазы) распределены в другой жидкости (дисперсионной среде). Для увеличения устойчивости эмульсий служат ПАВ, которые понижают межфазовое поверхностное натяжение между частицами загрязнений и воды.

При попадании в растворы ПАВ газа образуется пена. Пена является гетерогенной системой, в которой пузырьки газа разделены тонкими прослойками жидкости. Образование пены связано с большим увеличением поверхности, и это возможно только при малом поверхностном натяжении растворов. Частицы загрязнения могут располагаться между пузырьками воздуха и выноситься на поверхность раствора.

Пенообразующая способность ПАВ характеризуется, наряду с поверхностной активностью самого ПАВ, механической прочностью и вязкостью образованных пленок. Пенообразующую способность можно охарактеризовать следующими показателями:

а) вспениваемостью - количеством пены, выражаемым объемом пены (в мл) или высотой ее столба (в мм), которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени;

б) кратностью - отношением объема пены к объему раствора, используемого на ее образование;

в) стабильностью (устойчивостью) - временем существования элемента пены (отдельного пузырька, пленки) или ее определенного объема;

г) дисперсностью, которая задается средним размером пузырька, распределением пузырьков по размерам или поверхностью раздела раствор - газ в единице объема пены.

Образование пены и ее устойчивость зависят от ряда факторов: молекулярной массы и структуры молекул ПАВ, концентрации ПАВ, температуры и рН раствора, жесткости воды в растворе

Некоторые жиры и углеводороды не поддаются растворению в воде, однако в растворах ПАВ определенной концентрации они образуют коллоидную систему. Равновесный процесс растворения нерастворимых в воде веществ мицеллярными растворами называется солюбилизацией. На солюбилизацию оказывают влияние: длина и разветвленность цепи ПАВ, температура раствора, его концентрация, добавки и т. д.

Диспергирующая способность ПАВ характеризует его действие при стабилизации дисперсной системы загрязнение - водный раствор и определяется по отношению к измельченным частицам сажи, красителей, оксидов металлов.

Все свойства ПАВ рассматривались с точки зрения их влияния на моющее действие. Моющая способность - одна из основных характеристик синтетических моющих средств, определяемая отношением степени удаления загрязнения раствором моющего средства на одном или нескольких видах ткани к степени снятия загрязнения раствором эталона на таких же тканях в тех же условиях стирки.

Моющее действие характеризуется эффективностью удаления загрязнений с поверхности тканей и определяется: свойствами, структурой ткани, характером и интенсивностью загрязнения, свойствами моющих средств и их концентрацией, степенью жесткости воды, температурой раствора, силой механического воздействия на очищаемую поверхность, продолжительностью стирки.

Таблица 1 - Поверхностно-активные вещества, включенные в состав СМС

Название	Тип	Краткая характеристика	Назначение
Сульфонол	Ионогенное анионоактивное ПАВ	Смесь алкилбензосульфонатов. Критическая концентрация мицеллообразования ККМ=1,88 г/л	Смачиватель, эмульгатор, стабилизатор
Сульфонат	Ионогенное анионоактивное ПАВ	Смесь натрийалкансульфонатов	Смачиватель, эмульгатор, стабилизатор. В присутствии сульфонатов снижается ККМ сульфонола
Синтанол ДС-10	Неионогенное ПАВ	Выполнено на основе оксиэтилированных спиртов; ККМ=0,09 г/л; температура помутнения - 64 ¸ 74°С	Смачиватель, эмульгатор
Синтамид - 5	Неионогенное ПАВ	Выполнено на основе полиэтиленгликолевых эфиров; температура помутнения - 63 ¸ 68°С	Смачиватель, эмульгатор, диспергатор, стабилизатор пены
Катамин	Ионогенное катионоактивное ПАВ	Выполнено на основе аммониевых солей; ККМ=0,1 г/л	Эмульгатор, диспергатор, антистатик
Оксид алкилдиметил-аламина	Ионогенное катионоактивное ПАВ	Алкилдиметиламиноксид	Смачиватель, стабилизатор дисперсий и пен