表面活性劑去污原理分析及研究

孫會寧， 張 建， 石建屏

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 綿陽 621000)

1 概述

在日常生活中每天都會接觸到不同類型的洗滌用品，洗滌用品中最常用的就是肥皂和合成洗滌劑。合成洗滌劑由于使用方便目前占據(jù)了洗滌用品的主要市場，合成洗滌之所以能夠去除污垢的主要原因是其含有表面活性劑。本文將從表面活性的結(jié)構(gòu)及污垢的特點(diǎn)進(jìn)行分析，探索其去污主要原理。

2 污垢特點(diǎn)分析

2.1 污垢來源分析

日常生活中所選用洗滌劑洗滌的目的就是去除衣物及其他基材等被洗物質(zhì)上存在的污垢，污垢的來源很多，但其主要還是來源于被洗基材所存在的環(huán)境，主要包括空氣傳播、人體自身分泌液以及生活工作需要接觸及其他周圍環(huán)境的影響。

2.2 污垢分類分析

日常環(huán)境所存在的污垢按其所存在的狀態(tài)將其分為：油性污垢、固體污垢、水溶性污垢。

油性污垢：主要包括各類動植物的油脂、合成的脂肪酸以及日常中常用的礦物油等，其主要特點(diǎn)是對被洗的衣物及基材黏附比較牢固，而且難溶于或不溶于水，造成洗滌難度大。

固體污垢：日常生活中常見的固體污垢主要有：灰塵、泥土、建筑固體粉塵、紡織領(lǐng)域的棉絨、頭發(fā)中殘存的皮屑等，固體污垢的特點(diǎn)是顆粒較大、直徑大致在1 μm～20 μm之間，這些污垢不是單獨(dú)存在，就是與其他組分中油水混合在一起，其表面通常帶負(fù)電、當(dāng)然也有少量帶正電的，在水中溶解度較低，甚至不溶于水，水溶性較差[1]。

水溶性污垢：日常所見的水溶性污垢主要包括各類碳酸飲料、酒水、奶液、淀粉溶液、有機(jī)酸、無機(jī)鹽等，有時(shí)并不是單獨(dú)存在，而是和其他油性或者固體污垢混存，但究其水溶性污垢的特點(diǎn)是易溶于水，或者與水或其他液體溶劑混合形成膠態(tài)溶液。

2.3 污垢特點(diǎn)分析

根據(jù)上述污垢來源分析及污垢分類分析，對比起存在狀態(tài)及存在環(huán)境，污垢的的特點(diǎn)大體可歸納為以下幾點(diǎn)。

1) 不論是哪一類污垢一般情況下都不會單獨(dú)存在，而是兩兩或者更多狀態(tài)混合存在，形成一個(gè)復(fù)雜的混合體，伴隨時(shí)間的推移或者受周圍環(huán)境的變化或者遷移等諸多因素的影響而氧化分解，甚至可能有些油性混合體污垢受周圍微生物的影響發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)或者物理變化而腐敗，往往會產(chǎn)生更加復(fù)雜的化合物，給洗滌帶來更大難度。

2) 污垢和被洗滌衣物或者基材的黏附情況復(fù)雜。從二者之間的結(jié)合力來說，主要有化學(xué)結(jié)合力和物理結(jié)合力兩大類[2]?；瘜W(xué)結(jié)合力是污垢與基材產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)鍵的結(jié)合；物理結(jié)合力是污垢微粒質(zhì)點(diǎn)間的靜電結(jié)合和物質(zhì)間的分子間作用力，即范德華力[3]所引起的吸附作用。

通過分析污垢的來源、種類及所存在的環(huán)境及結(jié)合狀況特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)污垢與被洗滌衣物和污染基材的有效分離，關(guān)鍵就是破壞二者之間的結(jié)合狀態(tài)，消除兩者間的結(jié)合力，使兩者發(fā)生松脫，便于洗滌去除。

3 表面活性劑在洗滌中的主要作用

表面活性劑是洗滌用品中的主要活性成分，是一種在較低濃度下顯著降低溶液表面張力的物質(zhì)，肥皂和合成洗滌劑都有降低水溶液表面張力的性能，同樣也有降低水-油、水-固之間表面張力的性能，這與其分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。

3.1 表面活性劑分子結(jié)構(gòu)分析

表面活性劑分子的一端是由一個(gè)較長的烴鏈組成的，這一端的基團(tuán)具有憎水性，且能溶于油而不能溶于水，通常將其稱之為憎水基或親油基；分子另一端是較短的極性基團(tuán)，其特點(diǎn)是主要溶于水而不溶于油，通常被稱為親水基或憎油基[4]。表面活性劑水溶液結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 表面活性劑水溶液結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 表面活性劑在合成洗滌中的主要作用分析

根據(jù)表面活性劑結(jié)構(gòu)的兩親性特點(diǎn)，使其在相界面上產(chǎn)生定向排列，形成吸附膜，從而使表面張力或界面張力的降低。在水溶液中，表面活性劑分子聚集而規(guī)則定向排列，形成膠束，其在水溶液中形成膠束過程，如圖2所示。由于表面活性劑的表面活性和膠束性能，才使其水溶液具有潤濕、滲透、分散、乳化、增溶、泡沫等作用的產(chǎn)生，為良好洗滌效果打下基礎(chǔ)。

圖2 表面活性劑在水溶液中形成膠束示意圖

3.2.1 潤濕滲透作用

表面活性劑降低了水(liquid液相)-固(solid-固相)之間的界面張力，使液相的水更加容易吸附擴(kuò)展到固體表面，并滲透到物體中。洗滌液能否潤濕污垢微粒和固體表面，可從洗滌液在固體表面的鋪展情況來考慮。鋪展系數(shù)Sws由式(1)表示。

Sws=γs-γsw-γw

(1)

當(dāng)Sws>0時(shí)，洗滌液能在固體污垢微粒和固體表面上鋪展，由于能夠鋪展，則必然浸濕。一般已被沾污的物體如器皿、紡織品等，不易被純水潤濕，這是因?yàn)橥w的表面張力γs相當(dāng)?shù)?，而水一固界面的界面張力γsw和水的表面張力γw相對高得多的緣故，根據(jù)上式可知此時(shí)Sws<0，即難以潤濕。如果在純水中加入表面活性劑，由于表面活性劑在固一液界面稆液體表面發(fā)生吸附，于是使γsw和γw顯著下降，這時(shí)Sws可能從<0變成>0，即洗滌液能很好地潤濕污垢微粒和固體的表面。合成洗滌液正是利用表面活性劑的潤濕滲透作用破壞了被洗基材和污垢之間的吸引力，同時(shí)也破壞了污垢微粒之間的相互吸引力，當(dāng)施加適當(dāng)外力揉搓時(shí)，就會破換原有結(jié)構(gòu)力存在狀態(tài)使污垢變成細(xì)碎顆粒。

3.2.2 分散乳化作用

分散作用主要是表面活性劑降低了水和固體微小粒子間的界面張力，并在固體微小粒子的周圍形成了一層親水的吸附膜，使固體粒子均勻地分散于水中形成分散液。乳化作用[5]主要使表面活性劑在洗滌時(shí)降低水-油之間的微小粒子間的界面張力，同樣在油的微小粒子周圍形成一層親水的吸附膜，使油粒子能均勻分散在水中形成乳濁液，這一點(diǎn)對洗滌起到非常重要的作用，很多油污的去除都是離不開分散乳化作用。

3.2.3 增溶作用

當(dāng)洗滌劑中表面活性劑的水溶液中的膠束把油脂溶解在自己的憎水基部分中，這種因膠束的存在而使物質(zhì)在溶劑中溶解度增加從而提高洗滌效果達(dá)到增溶效應(yīng)[6]，不管是何種污垢，只有污垢的溶解度增加，才能提升洗滌的效果，從而在其他綜合作用下達(dá)到完美的洗滌效果。

3.2.4 泡沫作用

表面活性劑在水溶液中洗滌時(shí)，除了上述作用，還有一種就是其降低了水-空氣之間的表面張力[7]，使空氣適度的分散在水中而形成適量的泡沫，同時(shí)又會在所產(chǎn)生的氣泡表面吸附一層大量定向排列的表面活性分子，促使氣泡壁就變成一層堅(jiān)固的膜，從而形成了穩(wěn)定的泡沫。泡沫在整個(gè)洗滌過程中雖然和洗滌作用沒有太大的直接關(guān)系，但是它能吸附已分散的污垢使其聚集在泡沫中，并把污垢帶到溶液表面，起到一定的輔助效應(yīng)，所以泡沫作用在洗滌中也是人們直觀感覺洗滌潔凈程度不可缺少的評斷標(biāo)準(zhǔn)。

4 洗滌去垢作用原理分析

通過分析表面活性劑的作用和污垢的特點(diǎn)分析，表面活性劑去除污垢的原理可用一“置換”方程式表示：

織物(基材)·污垢+洗滌劑→污垢·洗滌劑 +織物(基材)

在這一式中我們可以清楚看出相當(dāng)于發(fā)生了置換反應(yīng)，洗滌劑置換出織物(基材)，而引力使污垢攜帶在洗滌劑中予以去除，污垢去除前后、如圖3所示。

圖3 表面活性劑與污垢作用圖

在實(shí)際生活中，通常污垢是牢固地吸附在被污染基材上的，由于二者之間的相互吸引給洗滌劑去污帶來較大阻力，洗滌中表面活性劑協(xié)同其他洗滌助劑通過降低和消弱二者之間的引力，洗滌劑的潤濕滲透作用恰恰可以使污垢與被污染物之間的引力松脫，也使污垢粉碎成細(xì)小的粒子。同時(shí)，引力松脫的污垢粒子仍吸附在被污染物的表面，如果通過機(jī)械的攪拌作用或者揉搓的摩擦作用或者受熱作用，吸附在被污染物表面上的污垢就能大量卷離到水中，此時(shí)固體微粒在洗滌表面活性劑的分散作用下，油脂污垢在其乳化增溶作用下，加上洗滌中的抗再沉積劑[8]的作用下，就不再沉積于被污染物的表面，加速了洗滌去污效應(yīng)。

5 結(jié)論

洗滌劑中表面活性劑主要通過潤濕、滲透、乳化、分散、增溶等基本作用的綜合效應(yīng)達(dá)到洗滌去污效果。顯然，洗滌劑中表面活性劑僅僅具有某一作用是不夠的，而是要求具有較好的總體協(xié)同效應(yīng)[9]，再加上其他洗劑助劑的配合作用，達(dá)到更理想的最佳洗滌效果。