1. Oberflächenspannung
Die Kontraktionskraft pro Längeneinheit auf der Oberfläche einer Flüssigkeit wird als Oberflächenspannung bezeichnet und in N • m-1 gemessen.
2. Oberflächenaktivität und Tensid
Die Eigenschaft, die Oberflächenspannung von Lösungsmitteln verringern zu können, wird als Oberflächenaktivität bezeichnet, und Substanzen mit Oberflächenaktivität werden als oberflächenaktive Substanzen bezeichnet.
Tenside sind oberflächenaktive Substanzen, die in wässrigen Lösungen Mizellen und andere Aggregate bilden können, eine hohe Oberflächenaktivität aufweisen und außerdem benetzende, emulgierende, schäumende, waschende und andere Funktionen haben.
3. Molekulare Struktureigenschaften von Tensiden
Tenside sind organische Verbindungen mit speziellen Strukturen und Eigenschaften, die die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen oder die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten (meist Wasser) deutlich verändern können und Eigenschaften wie Benetzung, Schaumbildung, Emulgierung und Waschwirkung besitzen.
Strukturell gesehen haben Tenside die gemeinsame Eigenschaft, zwei verschiedene funktionelle Gruppen in ihren Molekülen zu enthalten. Ein Ende ist eine langkettige unpolare Gruppe, die in Öl löslich, aber in Wasser unlöslich ist, die sogenannte hydrophobe Gruppe oder hydrophobe Gruppe. Diese hydrophoben Gruppen sind im Allgemeinen langkettige Kohlenwasserstoffe, manchmal auch organische Fluor-, Organosilicium-, Organophosphor-, Organozinnketten usw. Das andere Ende ist eine wasserlösliche funktionelle Gruppe, nämlich eine hydrophile Gruppe oder hydrophile Gruppe. Die hydrophile Gruppe muss eine ausreichende Hydrophilie aufweisen, um sicherzustellen, dass das gesamte Tensid in Wasser löslich ist und die erforderliche Löslichkeit aufweist. Aufgrund des Vorhandenseins von hydrophilen und hydrophoben Gruppen in Tensiden können sie sich in mindestens einer Phase der flüssigen Phase auflösen. Die hydrophilen und oleophilen Eigenschaften von Tensiden werden als Amphiphilie bezeichnet.
4. Arten von Tensiden
Tenside sind amphiphile Moleküle mit sowohl hydrophoben als auch hydrophilen Gruppen. Die hydrophoben Gruppen von Tensiden bestehen im Allgemeinen aus langkettigen Kohlenwasserstoffen wie geradkettigen Alkylgruppen C8-C20, verzweigtkettigen Alkylgruppen C8-C20, Alkylphenylgruppen (mit 8–16 Alkylkohlenstoffatomen) usw. Hydrophobe Gruppen unterscheiden sich hauptsächlich in den Strukturänderungen der Kohlenstoff-Wasserstoffketten, wobei die Unterschiede relativ gering sind, während es mehr Arten hydrophiler Gruppen gibt. Daher hängen die Eigenschaften von Tensiden neben der Größe und Form der hydrophoben Gruppen hauptsächlich von ihren hydrophilen Gruppen ab. Die Strukturänderungen hydrophiler Gruppen sind größer als die hydrophoben Gruppen, daher basiert die Klassifizierung von Tensiden im Allgemeinen auf der Struktur der hydrophilen Gruppen. Diese Klassifizierung basiert hauptsächlich darauf, ob die hydrophilen Gruppen ionisch sind, und unterteilt sie in anionische, kationische, nichtionische, zwitterionische und andere spezielle Arten von Tensiden.
5. Eigenschaften der wässrigen Tensidlösung
① Adsorption von Tensiden an Grenzflächen
Tensidmoleküle besitzen lipophile und hydrophile Gruppen und sind somit amphiphil. Wasser ist eine stark polare Flüssigkeit. Lösen sich Tenside in Wasser, werden ihre hydrophilen Gruppen nach dem Prinzip der Polaritätsähnlichkeit und der Abstoßung durch Polaritätsunterschiede von der Wasserphase angezogen und lösen sich im Wasser auf, während ihre lipophilen Gruppen das Wasser abstoßen und das Wasser verlassen. Dadurch adsorbieren Tensidmoleküle (oder Ionen) an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen, wodurch die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen verringert wird. Je mehr Tensidmoleküle (oder Ionen) an der Grenzfläche adsorbiert werden, desto stärker nimmt die Grenzflächenspannung ab.
② Einige Eigenschaften der Adsorptionsmembran
Oberflächendruck der Adsorptionsmembran: Tenside adsorbieren an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche und bilden eine Adsorptionsmembran. Wird eine reibungslos bewegliche Schwimmplatte auf die Grenzfläche gelegt und die Schwimmplatte schiebt die Adsorptionsmembran entlang der Lösungsoberfläche, übt die Membran einen Druck auf die Schwimmplatte aus, der als Oberflächendruck bezeichnet wird.
Oberflächenviskosität: Wie der Oberflächendruck ist auch die Oberflächenviskosität eine Eigenschaft unlöslicher Molekülfilme. Hängen Sie einen Platinring an einem dünnen Metalldraht auf, berühren Sie die Wasseroberfläche eines Waschbeckens und drehen Sie den Platinring. Die Viskosität des Wassers behindert die Bewegung des Platinrings, und die Amplitude nimmt allmählich ab. Dadurch lässt sich die Oberflächenviskosität messen. Die Methode: Führen Sie zunächst ein Experiment an der Oberfläche des reinen Wassers durch, messen Sie die Amplitudendämpfung, messen Sie dann die Dämpfung nach der Bildung der Oberflächenmaske und berechnen Sie aus der Differenz der beiden Werte die Viskosität der Oberflächenmaske.
Die Oberflächenviskosität hängt eng mit der Festigkeit der Gesichtsmaske zusammen. Da der Adsorptionsfilm Oberflächendruck und Viskosität aufweist, muss er elastisch sein. Je höher Oberflächendruck und Viskosität der Adsorptionsmembran, desto höher ist ihr Elastizitätsmodul. Der Elastizitätsmodul des Oberflächenadsorptionsfilms ist für die Schaumstabilisierung von großer Bedeutung.
③ Bildung von Mizellen
Die verdünnte Tensidlösung folgt den Gesetzen idealer Lösungen. Die Adsorptionsmenge von Tensiden an der Oberfläche einer Lösung steigt mit der Konzentration der Lösung. Sobald die Konzentration einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet, steigt die Adsorptionsmenge nicht mehr an. Diese überschüssigen Tensidmoleküle in der Lösung sind entweder ungeordnet oder regelmäßig vorhanden. Praxis und Theorie haben gezeigt, dass sie in der Lösung Aggregate bilden, die als Mizellen bezeichnet werden.
Kritische Mizellenkonzentration: Die Mindestkonzentration, bei der Tenside in einer Lösung Mizellen bilden, wird als kritische Mizellenkonzentration bezeichnet.
④ Der CMC-Wert eines gängigen Tensids.
6. Hydrophiler und oleophiler Gleichgewichtswert
HLB steht für hydrophiles lipophiles Gleichgewicht und stellt die hydrophilen und lipophilen Gleichgewichtswerte der hydrophilen und lipophilen Gruppen eines Tensids dar, d. h. den HLB-Wert des Tensids. Ein hoher HLB-Wert weist auf eine starke Hydrophilie und eine schwache Lipophilie des Moleküls hin; im Gegenteil, es weist eine starke Lipophilie und eine schwache Hydrophilie auf.
① Vorschriften zum HLB-Wert
Der HLB-Wert ist ein relativer Wert. Bei der Formulierung des HLB-Werts wird der HLB-Wert von Paraffin ohne hydrophile Eigenschaften standardmäßig auf 0 gesetzt, während der HLB-Wert von Natriumdodecylsulfat mit starker Wasserlöslichkeit auf 40 festgelegt wird. Daher liegt der HLB-Wert von Tensiden im Allgemeinen im Bereich von 1–40. Im Allgemeinen sind Emulgatoren mit einem HLB-Wert unter 10 lipophil, während Emulgatoren mit einem HLB-Wert über 10 hydrophil sind. Daher liegt der Wendepunkt von Lipophilie zu Hydrophilie bei etwa 10.
7. Emulgierungs- und Solubilisierungseffekte
Als Emulsion bezeichnet man zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, von denen eine durch die Dispersion von Partikeln (Tröpfchen oder Flüssigkristallen) in der anderen entsteht. Bei der Bildung einer Emulsion vergrößert sich die Grenzflächenfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten, wodurch das System thermodynamisch instabil wird. Zur Stabilisierung der Emulsion muss eine dritte Komponente – ein Emulgator – hinzugefügt werden, um die Grenzflächenenergie des Systems zu reduzieren. Emulgatoren gehören zu den Tensiden und ihre Hauptfunktion besteht darin, als Emulgatoren zu wirken. Die Phase, in der sich in einer Emulsion die Tröpfchen befinden, wird als dispergierte Phase (oder innere Phase, diskontinuierliche Phase) bezeichnet, die andere, damit verbundene Phase als dispergiertes Medium (oder äußere Phase, kontinuierliche Phase).
① Emulgatoren und Emulsionen
Gewöhnliche Emulsionen bestehen aus einer Phase Wasser oder einer wässrigen Lösung und einer anderen Phase aus organischen Verbindungen, die nicht mit Wasser mischbar sind, wie Ölen, Wachsen usw. Die Emulsion aus Wasser und Öl kann je nach Dispersion in zwei Typen unterteilt werden: In Wasser dispergiertes Öl bildet eine Wasser-in-Öl-Emulsion, dargestellt durch O/W (Öl/Wasser); in Öl dispergiertes Wasser bildet eine Wasser-in-Öl-Emulsion, dargestellt durch W/O (Wasser/Öl). Darüber hinaus können sich auch komplexe Wasser-in-Öl-in-Wasser-Emulsionen (W/O/W) und Öl-in-Wasser-in-Öl-Emulsionen (O/W/O) bilden.
Der Emulgator stabilisiert die Emulsion, indem er die Grenzflächenspannung verringert und eine einschichtige Gesichtsmaske bildet.
Anforderungen an Emulgatoren bei der Emulgierung: a: Emulgatoren müssen in der Lage sein, an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen zu adsorbieren oder sich anzureichern, um die Grenzflächenspannung zu verringern; b: Emulgatoren müssen Partikel elektrisch aufladen, um eine elektrostatische Abstoßung zwischen den Partikeln zu bewirken oder einen stabilen, hochviskosen Schutzfilm um die Partikel zu bilden. Daher müssen als Emulgatoren verwendete Substanzen amphiphile Gruppen aufweisen, um eine emulgierende Wirkung zu erzielen. Tenside können diese Anforderung erfüllen.
② Herstellungsmethoden von Emulsionen und Faktoren, die die Emulsionsstabilität beeinflussen
Es gibt zwei Methoden zur Herstellung von Emulsionen: Eine besteht darin, die Flüssigkeit mithilfe mechanischer Methoden in einer anderen Flüssigkeit in kleine Partikel zu zerteilen, was in der Industrie häufig zur Herstellung von Emulsionen verwendet wird. Eine andere Methode besteht darin, eine Flüssigkeit in molekularem Zustand in einer anderen Flüssigkeit aufzulösen und sie dann entsprechend aggregieren zu lassen, um eine Emulsion zu bilden.
Die Stabilität von Emulsionen beschreibt ihre Fähigkeit, der Partikelaggregation und damit der Phasentrennung zu widerstehen. Emulsionen sind thermodynamisch instabile Systeme mit erheblicher freier Energie. Daher beschreibt die Stabilität einer Emulsion die Zeit, die das System benötigt, um ein Gleichgewicht zu erreichen, d. h. die Zeit, die eine Flüssigkeit im System benötigt, um sich zu trennen.
Wenn die Gesichtsmaske polare organische Moleküle wie Fettalkohol, Fettsäure und Fettamin enthält, erhöht sich die Festigkeit der Membran erheblich. Dies liegt daran, dass die Emulgatormoleküle in der Grenzflächenadsorptionsschicht mit polaren Molekülen wie Alkohol, Säure und Amin interagieren und einen „Komplex“ bilden, der die Festigkeit der Grenzflächengesichtsmaske erhöht.
Emulgatoren, die aus zwei oder mehr Tensiden bestehen, werden als gemischte Emulgatoren bezeichnet. Gemischte Emulgatoren adsorbieren an der Wasser-Öl-Grenzfläche, und intermolekulare Wechselwirkungen können Komplexe bilden. Durch die starke intermolekulare Wechselwirkung wird die Grenzflächenspannung deutlich reduziert, die an der Grenzfläche adsorbierte Emulgatormenge deutlich erhöht und die Dichte und Festigkeit der gebildeten Grenzflächen-Gesichtsmaske erhöht.
Die Ladung der Tröpfchen hat einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität von Emulsionen. Stabile Emulsionen enthalten typischerweise elektrisch geladene Tröpfchen. Bei der Verwendung ionischer Emulgatoren fügen die an der Grenzfläche adsorbierten Emulgatorionen ihre lipophilen Gruppen in die Ölphase ein, während sich die hydrophilen Gruppen in der Wasserphase befinden, wodurch die Tröpfchen geladen werden. Da die Tröpfchen der Emulsion die gleiche Ladung tragen, stoßen sie sich gegenseitig ab und agglomerieren nicht so leicht, was zu einer erhöhten Stabilität führt. Es zeigt sich, dass je mehr Emulgatorionen an den Tröpfchen adsorbiert sind, desto höher ihre Ladung und desto besser ihre Fähigkeit, eine Tröpfchenkoaleszenz zu verhindern, wodurch das Emulsionssystem stabiler wird.
Die Viskosität des Emulsionsdispersionsmediums hat einen gewissen Einfluss auf die Stabilität der Emulsion. Generell gilt: Je höher die Viskosität des Dispersionsmediums, desto stabiler ist die Emulsion. Dies liegt daran, dass die Viskosität des Dispersionsmediums die Brownsche Molekularbewegung der Flüssigkeitströpfchen stark behindert, die Kollision zwischen den Tröpfchen verlangsamt und das System stabil hält. Polymere Substanzen, die üblicherweise in Emulsionen löslich sind, können die Viskosität des Systems erhöhen und so die Stabilität der Emulsion verbessern. Darüber hinaus kann das Polymer auch eine feste Grenzflächenmaske bilden, wodurch das Emulsionssystem stabiler wird.
In einigen Fällen kann auch die Zugabe von festem Pulver die Emulsion stabilisieren. Das feste Pulver befindet sich nicht in Wasser, Öl oder an der Grenzfläche, abhängig von der Benetzungsfähigkeit von Öl und Wasser auf dem festen Pulver. Wenn das feste Pulver nicht vollständig mit Wasser benetzt wird und mit Öl benetzt werden kann, verbleibt es an der Wasser-Öl-Grenzfläche.
Der Grund, warum das feste Pulver die Emulsion nicht stabilisiert, liegt darin, dass das an der Grenzfläche gesammelte Pulver die Grenzflächen-Gesichtsmaske nicht stärkt, was den Grenzflächen-Adsorptionsemulgatormolekülen ähnelt. Je näher die festen Pulverpartikel an der Grenzfläche angeordnet sind, desto stabiler ist die Emulsion.
Tenside können die Löslichkeit von organischen Verbindungen, die in Wasser unlöslich oder schwer löslich sind, deutlich erhöhen, nachdem sie Mizellen in wässriger Lösung gebildet haben. Die Lösung ist dann transparent. Dieser Effekt der Mizellen wird als Solubilisierung bezeichnet. Tenside mit löslichen Effekten werden als Lösungsvermittler bezeichnet, und gelöste organische Verbindungen werden als solubilisierte Verbindungen bezeichnet.
8. Schaum
Schaum spielt beim Waschen eine wichtige Rolle. Schaum bezeichnet ein Dispersionssystem, in dem Gas in Flüssigkeit oder Feststoff dispergiert ist. Gas ist die Dispersionsphase, Flüssigkeit oder Feststoff das Dispersionsmedium. Ersteres wird als flüssiger Schaum bezeichnet, letzteres als fester Schaum, wie Schaumkunststoff, Schaumglas, Schaumzement usw.
(1) Schaumbildung
Unter Schaum versteht man hier die Ansammlung von Blasen, die durch einen Flüssigkeitsfilm getrennt sind. Aufgrund des großen Dichteunterschieds zwischen der dispergierten Phase (Gas) und dem dispergierten Medium (Flüssigkeit) und der geringen Viskosität der Flüssigkeit kann der Schaum immer schnell zum Flüssigkeitsspiegel aufsteigen.
Der Prozess der Schaumbildung besteht darin, eine große Menge Gas in die Flüssigkeit zu bringen, und die Blasen in der Flüssigkeit kehren schnell an die Flüssigkeitsoberfläche zurück und bilden ein Blasenaggregat, das durch eine kleine Menge Flüssigkeit und Gas getrennt ist
Schaum weist zwei bemerkenswerte morphologische Eigenschaften auf: Erstens sind Blasen als dispergierte Phase oft polyedrisch, da an den Schnittpunkten der Blasen der Flüssigkeitsfilm dünner wird und die Blasen dadurch polyedrisch werden. Wenn der Flüssigkeitsfilm bis zu einem gewissen Grad dünner wird, platzen die Blasen. Zweitens kann eine reine Flüssigkeit keinen stabilen Schaum bilden, eine Flüssigkeit, die Schaum bilden kann, besteht jedoch aus mindestens zwei Komponenten. Eine wässrige Tensidlösung ist ein typisches System, das leicht Schaum bildet, und ihre Fähigkeit zur Schaumbildung hängt auch von anderen Eigenschaften ab.
Tenside mit guter Schaumbildungsfähigkeit werden als Schaumbildner bezeichnet. Obwohl der Schaumbildner eine gute Schaumbildungsfähigkeit aufweist, kann es sein, dass der gebildete Schaum nicht lange hält, d. h. seine Stabilität ist möglicherweise nicht gut. Um die Stabilität des Schaums zu erhalten, wird dem Schaumbildner häufig eine Substanz zugesetzt, die die Stabilität des Schaums erhöhen kann. Diese Substanz wird als Schaumstabilisator bezeichnet. Die am häufigsten verwendeten Schaumstabilisatoren sind Lauroyldiethanolamin und Dodecyldimethylaminoxid.
(2) Stabilität des Schaums
Schaum ist ein thermodynamisch instabiles System. Die Gesamtoberfläche der Flüssigkeit im System nimmt ab und die freie Energie nimmt nach dem Platzen der Blase ab. Beim Entschäumen verändert der Flüssigkeitsfilm, der das Gas trennt, seine Dicke, bis er reißt. Daher wird die Stabilität von Schaum hauptsächlich durch die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsaustritts und die Stärke des Flüssigkeitsfilms bestimmt. Darüber hinaus gibt es mehrere weitere Einflussfaktoren.
① Oberflächenspannung
Aus energetischer Sicht ist eine niedrige Oberflächenspannung für die Schaumbildung günstiger, kann jedoch die Stabilität des Schaums nicht garantieren. Niedrige Oberflächenspannung, geringer Druckunterschied, langsame Flüssigkeitsaustrittsgeschwindigkeit und langsame Flüssigkeitsfilmverdünnung tragen zur Stabilität des Schaums bei.
② Oberflächenviskosität
Der entscheidende Faktor für die Stabilität von Schaum ist die Stärke des Flüssigkeitsfilms. Diese wird hauptsächlich durch die Festigkeit des Oberflächenadsorptionsfilms bestimmt, gemessen an der Oberflächenviskosität. Experimente zeigen, dass Schaum, der aus Lösungen mit höherer Oberflächenviskosität entsteht, eine längere Lebensdauer hat. Dies liegt daran, dass die Wechselwirkung zwischen adsorbierten Molekülen auf der Oberfläche zu einer Erhöhung der Membranfestigkeit und damit zu einer längeren Lebensdauer des Schaums führt.
③ Lösungsviskosität
Wenn die Viskosität der Flüssigkeit selbst zunimmt, lässt sich die Flüssigkeit im Flüssigkeitsfilm nicht so leicht austragen und die Geschwindigkeit der Verdünnung der Flüssigkeitsfilmdicke ist gering, was den Zeitpunkt des Flüssigkeitsfilmbruchs verzögert und die Stabilität des Schaums erhöht.
④ Die „reparierende“ Wirkung der Oberflächenspannung
An der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms adsorbierte Tenside können der Ausdehnung oder Kontraktion der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms widerstehen. Dies wird als Reparatureffekt bezeichnet. Dies liegt daran, dass auf der Oberfläche ein Flüssigkeitsfilm aus Tensiden adsorbiert ist. Eine Vergrößerung seiner Oberfläche verringert die Konzentration der adsorbierten Moleküle und erhöht die Oberflächenspannung. Eine weitere Vergrößerung der Oberfläche erfordert größeren Aufwand. Umgekehrt erhöht eine Verringerung der Oberfläche die Konzentration der adsorbierten Moleküle auf der Oberfläche, wodurch die Oberflächenspannung verringert und eine weitere Schrumpfung verhindert wird.
⑤ Die Diffusion von Gas durch einen Flüssigkeitsfilm
Aufgrund des Kapillardrucks ist der Druck kleiner Blasen im Schaum höher als der großer Blasen. Dadurch diffundiert das Gas in den kleinen Blasen durch den Flüssigkeitsfilm in die großen Blasen mit niedrigem Druck. Dies führt dazu, dass die kleinen Blasen kleiner werden, die großen Blasen größer werden und der Schaum schließlich bricht. Durch Zugabe eines Tensids wird der Schaum beim Schäumen gleichmäßig und dicht und lässt sich nur schwer entschäumen. Da das Tensid dicht auf dem Flüssigkeitsfilm angeordnet ist, ist es schwierig zu belüften, was den Schaum stabiler macht.
⑥ Der Einfluss der Oberflächenladung
Wird der Schaumflüssigkeitsfilm mit dem gleichen Symbol geladen, stoßen sich die beiden Oberflächen des Flüssigkeitsfilms gegenseitig ab, wodurch eine Ausdünnung oder gar Zerstörung des Flüssigkeitsfilms verhindert wird. Ionische Tenside können diesen stabilisierenden Effekt erzielen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Stärke des Flüssigkeitsfilms der entscheidende Faktor für die Stabilität des Schaums ist. Als Tensid für Schaumbildner und Schaumstabilisatoren sind die Dichte und Festigkeit der an der Oberfläche adsorbierten Moleküle die wichtigsten Faktoren. Bei starker Wechselwirkung zwischen den adsorbierten Molekülen auf der Oberfläche sind diese dicht angeordnet, was nicht nur der Gesichtsmaske selbst eine hohe Festigkeit verleiht, sondern auch dazu führt, dass die Lösung neben der Gesichtsmaske aufgrund der hohen Oberflächenviskosität schwer fließt. Dadurch kann der Flüssigkeitsfilm nur schwer abfließen und seine Dicke bleibt leicht erhalten. Darüber hinaus können dicht angeordnete Oberflächenmoleküle auch die Durchlässigkeit von Gasmolekülen verringern und so die Stabilität des Schaums erhöhen.
(3) Zerstörung des Schaums
Das Grundprinzip der Schaumzerstörung besteht darin, die Bedingungen für die Schaumbildung zu ändern oder die Stabilitätsfaktoren des Schaums zu beseitigen. Daher gibt es zwei Entschäumungsmethoden: die physikalische und die chemische.
Physikalische Entschäumung bedeutet, die Bedingungen für die Schaumbildung zu verändern, ohne dass die chemische Zusammensetzung der Schaumlösung verändert wird. Effektive physikalische Methoden zur Schaumbeseitigung sind beispielsweise äußere Krafteinwirkung, Temperatur- oder Druckänderungen sowie Ultraschallbehandlung.
Bei der chemischen Entschäumungsmethode werden Substanzen zugesetzt, die mit dem Schaummittel interagieren, die Festigkeit des Flüssigkeitsfilms im Schaum verringern und anschließend die Stabilität des Schaums reduzieren, um die Entschäumung zu erreichen. Solche Substanzen werden Entschäumer genannt. Die meisten Entschäumer sind Tenside. Entsprechend dem Entschäumungsmechanismus sollten Entschäumer daher die Oberflächenspannung stark reduzieren, leicht an der Oberfläche adsorbiert werden und nur schwache Wechselwirkungen zwischen den an der Oberfläche adsorbierten Molekülen aufweisen, was zu einer relativ lockeren Anordnung der adsorbierten Moleküle führt.
Es gibt verschiedene Arten von Entschäumern, meist handelt es sich jedoch um nichtionische Tenside. Nichtionische Tenside wirken schaumhemmend nahe oder oberhalb ihres Trübungspunkts und werden häufig als Entschäumer eingesetzt. Alkohole, insbesondere solche mit verzweigten Strukturen, Fettsäuren und Ester, Polyamide, Phosphate, Silikonöle usw. werden ebenfalls häufig als hervorragende Entschäumer eingesetzt.
(4) Schaum und Waschen
Es besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Schaum und Waschwirkung, und die Schaummenge bedeutet nicht, dass die Waschwirkung gut oder schlecht ist. Beispielsweise ist die Schaumleistung nichtionischer Tenside der von Seife weit unterlegen, ihre Reinigungskraft ist jedoch viel besser als die von Seife.
In manchen Fällen kann Schaum beim Entfernen von Schmutz hilfreich sein. Beim Geschirrspülen zu Hause kann der Schaum des Reinigungsmittels beispielsweise Öltropfen aufnehmen; beim Schrubben von Teppichen hilft Schaum, festen Schmutz wie Staub und Pulver zu entfernen. Schaum kann auch als Indikator für die Wirksamkeit des Reinigungsmittels dienen, da fettige Ölflecken die Schaumbildung hemmen können. Bei zu vielen Ölflecken und zu wenig Reinigungsmittel bildet sich kein Schaum oder der ursprüngliche Schaum verschwindet. Manchmal kann Schaum auch als Indikator dafür dienen, ob die Spülung sauber ist. Da die Schaummenge in der Spüllösung tendenziell mit abnehmendem Reinigungsmittelgehalt abnimmt, lässt sich der Spülgrad anhand der Schaummenge beurteilen.
9. Waschvorgang
Waschen ist im weitesten Sinne der Prozess, unerwünschte Bestandteile vom zu waschenden Gegenstand zu entfernen und so einen bestimmten Zweck zu erreichen. Waschen im herkömmlichen Sinne bezeichnet das Entfernen von Schmutz von der Oberfläche eines Trägers. Beim Waschen wird die Wechselwirkung zwischen Schmutz und Träger durch die Einwirkung chemischer Substanzen (z. B. Reinigungsmittel) geschwächt oder aufgehoben. Dadurch entsteht aus der Verbindung von Schmutz und Träger eine Verbindung von Schmutz und Reinigungsmittel, die letztendlich zur Ablösung von Schmutz und Träger führt. Da die zu waschenden Gegenstände und der zu entfernende Schmutz unterschiedlich sind, ist Waschen ein sehr komplexer Prozess. Der grundlegende Waschvorgang lässt sich durch die folgende einfache Beziehung darstellen:
Träger • Schmutz+Reinigungsmittel=Träger+Schmutz • Reinigungsmittel
Der Waschvorgang lässt sich üblicherweise in zwei Phasen unterteilen: Die erste ist die Trennung von Schmutz und Träger durch die Einwirkung des Waschmittels; die zweite ist die Dispersion und Suspension des gelösten Schmutzes im Medium. Der Waschvorgang ist reversibel, und im Medium verteilter oder suspendierter Schmutz kann sich auch wieder vom Medium auf der Wäsche absetzen. Daher sollte ein gutes Waschmittel nicht nur Schmutz vom Träger lösen, sondern auch über eine gute Dispersions- und Suspensionseigenschaft verfügen und verhindern, dass sich Schmutz erneut ablagert.
(1) Schmutzarten
Selbst bei ein und demselben Artikel variieren Art, Zusammensetzung und Menge des Schmutzes je nach Einsatzumgebung. Zu öligem Körperschmutz zählen hauptsächlich tierische und pflanzliche Öle sowie Mineralöle (wie Rohöl, Heizöl, Kohlenteer usw.), während fester Schmutz hauptsächlich aus Rauch, Staub, Rost und Ruß besteht. Zu Kleidungsschmutz gehören Körperschmutz wie Schweiß, Talg und Blut; Lebensmittelschmutz wie Obstflecken, Speiseölflecken, Gewürzflecken und Stärke; Kosmetikschmutz wie Lippenstift und Nagellack; Luftschmutz wie Rauch, Staub und Erde; und andere Materialien wie Tinte, Tee und Farbe. Es gibt verschiedene Arten von Schmutz.
Verschiedene Schmutzarten lassen sich üblicherweise in drei Kategorien einteilen: fester Schmutz, flüssiger Schmutz und Spezialschmutz.
① Zu den üblichen festen Schmutzpartikeln zählen Asche, Schlamm, Erde, Rost und Ruß. Die meisten dieser Partikel haben eine meist negative Oberflächenladung und haften leicht an faserigen Gegenständen. Fester Schmutz löst sich im Allgemeinen nur schwer in Wasser, kann aber durch Waschmittellösungen dispergiert und suspendiert werden. Fester Schmutz mit kleinen Partikeln lässt sich nur schwer entfernen.
② Flüssiger Schmutz ist meist öllöslich und umfasst tierische und pflanzliche Öle, Fettsäuren, Fettalkohole, Mineralöle und deren Oxide. Tierische und pflanzliche Öle sowie Fettsäuren können mit Alkali verseift werden, während Fettalkohole und Mineralöle nicht mit Alkali verseift werden, sich aber in Alkoholen, Ethern und organischen Kohlenwasserstofflösungsmitteln lösen und in wässrigen Waschmittellösungen emulgiert und dispergiert werden können. Öllöslicher flüssiger Schmutz hat im Allgemeinen eine starke Wechselwirkungskraft mit faserigen Objekten und haftet fest an Fasern.
3. Zu den besonderen Verschmutzungen zählen Eiweiß, Stärke, Blut, menschliche Ausscheidungen wie Schweiß, Talg, Urin sowie Fruchtsäfte, Teesaft usw. Die meisten dieser Schmutzarten können durch chemische Reaktionen stark an faserigen Gegenständen adsorbieren. Daher ist das Waschen dieser Verschmutzungen recht schwierig.
Verschiedene Schmutzarten kommen selten allein vor, sondern sind oft miteinander vermischt und an Gegenständen adsorbiert. Schmutz kann unter äußeren Einflüssen oxidieren, sich zersetzen oder verrotten, wodurch neuer Schmutz entsteht.
(2) Die Adhäsionswirkung von Schmutz
Der Grund, warum Kleidung, Hände usw. schmutzig werden können, liegt in der Wechselwirkung zwischen Gegenständen und Schmutz. Es gibt verschiedene Haftungseffekte von Schmutz auf Gegenständen, hauptsächlich handelt es sich jedoch um physikalische und chemische Haftung.
① Die physikalische Haftung von Zigarettenasche, Staub, Sediment, Ruß und anderen Substanzen an der Kleidung. Im Allgemeinen ist die Wechselwirkung zwischen dem anhaftenden Schmutz und dem kontaminierten Objekt relativ schwach, und auch die Entfernung des Schmutzes ist relativ einfach. Je nach Krafteinwirkung kann die physikalische Haftung von Schmutz in mechanische und elektrostatische Haftung unterteilt werden.
A: Mechanische Adhäsion bezieht sich hauptsächlich auf die Anhaftung von festem Schmutz wie Staub und Sedimenten. Mechanische Adhäsion ist eine schwache Haftmethode für Schmutz, der mit einfachen mechanischen Methoden fast vollständig entfernt werden kann. Bei kleinen Schmutzpartikeln (<0,1 µm) ist die Entfernung jedoch schwieriger.
B: Elektrostatische Haftung entsteht hauptsächlich durch die Einwirkung geladener Schmutzpartikel auf gegensätzlich geladene Objekte. Die meisten faserigen Objekte sind in Wasser negativ geladen und können leicht von positiv geladenem Schmutz wie Kalk angegriffen werden. Mancher Schmutz, wie z. B. Rußpartikel in wässrigen Lösungen, kann trotz negativer Ladung über Ionenbrücken, die von positiven Ionen (wie Ca2+, Mg2+ usw.) im Wasser gebildet werden, an Fasern haften (Ionen wirken zwischen mehreren gegensätzlichen Ladungen zusammen und wirken wie Brücken).
Statische Elektrizität ist stärker als einfache mechanische Einwirkungen, sodass sich Schmutz relativ schwer entfernen lässt.
③ Entfernung von Spezialschmutz
Eiweiß, Stärke, menschliche Ausscheidungen, Fruchtsaft, Teesaft und andere Arten von Schmutz lassen sich mit herkömmlichen Tensiden nur schwer entfernen und erfordern spezielle Behandlungsmethoden.
Proteinflecken wie Sahne, Eier, Blut, Milch und Hautausscheidungen neigen zur Gerinnung und Denaturierung auf Fasern und haften fester. Bei Proteinverschmutzungen kann Protease eingesetzt werden, um diese zu entfernen. Die Protease kann Proteine im Schmutz in wasserlösliche Aminosäuren oder Oligopeptide zerlegen.
Stärkeflecken entstehen hauptsächlich durch Lebensmittel, aber auch durch Fleischsaft, Paste usw. Stärkeenzyme haben eine katalytische Wirkung auf die Hydrolyse von Stärkeflecken, indem sie Stärke in Zucker zerlegen.
Lipase kann den Abbau einiger Triglyceride katalysieren, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu entfernen sind, wie z. B. vom menschlichen Körper abgesondertes Talg, Speiseöle usw., um Triglyceride in lösliches Glycerin und Fettsäuren zu zerlegen.
Manche Farbflecken von Fruchtsäften, Teesaft, Tinte, Lippenstift usw. lassen sich selbst nach mehrmaligem Waschen oft nur schwer gründlich entfernen. Diese Art von Flecken kann durch Oxidations-Reduktions-Reaktionen mit Oxidations- oder Reduktionsmitteln wie Bleichmitteln entfernt werden, die die Struktur des Chromophors oder der Chromophorgruppen aufbrechen und diese in kleinere wasserlösliche Bestandteile zerlegen.
Aus Sicht der chemischen Reinigung gibt es grob drei Arten von Schmutz.
① Zu öllöslichem Schmutz zählen verschiedene Öle und Fette, die flüssig oder fettig sind und sich in Trockenreinigungslösungen lösen.
2. Wasserlöslicher Schmutz ist in wässriger Lösung löslich, in Trockenreinigungsmitteln jedoch unlöslich. Er adsorbiert in Form einer wässrigen Lösung an der Kleidung, und nachdem das Wasser verdunstet ist, werden körnige Feststoffe wie anorganische Salze, Stärke, Proteine usw. ausgefällt.
3. Öl- und wasserunlöslicher Schmutz ist weder in Wasser noch in Trockenreinigungslösungsmitteln wie Ruß, verschiedenen Metallsilikaten und Oxiden löslich.
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Schmutzarten gibt es verschiedene Möglichkeiten, Schmutz im Trockenreinigungsprozess zu entfernen. Öllöslicher Schmutz, wie tierische und pflanzliche Öle, Mineralöle und Fette, löst sich gut in organischen Lösungsmitteln und kann im Trockenreinigungsprozess problemlos entfernt werden. Die hervorragende Löslichkeit von Trockenreinigungsmitteln für Öl und Fett beruht im Wesentlichen auf Van-der-Waals-Kräften zwischen den Molekülen.
Um wasserlöslichen Schmutz wie anorganische Salze, Zucker, Proteine, Schweiß usw. zu entfernen, muss dem Trockenreinigungsmittel außerdem eine angemessene Menge Wasser zugesetzt werden, da sich wasserlöslicher Schmutz sonst nur schwer aus der Kleidung entfernen lässt. Da sich Wasser in Trockenreinigungsmitteln jedoch nur schwer löst, müssen zur Erhöhung der Wassermenge Tenside zugesetzt werden. Das in Trockenreinigungsmitteln enthaltene Wasser kann Schmutz und die Oberfläche der Kleidung hydratisieren und so die Wechselwirkung mit den polaren Gruppen der Tenside erleichtern, was die Adsorption der Tenside an der Oberfläche begünstigt. Wenn Tenside Mizellen bilden, können wasserlöslicher Schmutz und Wasser in den Mizellen gelöst werden. Tenside können nicht nur den Wassergehalt in Trockenreinigungslösungen erhöhen, sondern auch die erneute Schmutzablagerung verhindern und so die Reinigungswirkung verbessern.
Zum Entfernen wasserlöslichen Schmutzes ist eine kleine Menge Wasser erforderlich. Zu viel Wasser kann jedoch dazu führen, dass sich manche Kleidungsstücke verformen, knittern usw., daher muss der Wassergehalt im Trockenwaschmittel moderat sein.
Feste Partikel wie Asche, Schlamm, Erde und Ruß, die weder wasser- noch öllöslich sind, haften in der Regel durch elektrostatische Adsorption oder durch Verbindung mit Ölflecken an der Kleidung. Bei der Trockenreinigung können der Fluss und die Einwirkung von Lösungsmitteln dazu führen, dass durch elektrostatische Kräfte adsorbierter Schmutz abfällt, während Trockenreinigungsmittel Ölflecken auflösen können. Dadurch lösen sich feste Partikel, die sich mit den Ölflecken verbinden und an der Kleidung haften, vom Trockenreinigungsmittel. Die geringe Menge an Wasser und Tensiden im Trockenreinigungsmittel kann die abgefallenen festen Schmutzpartikel stabil suspendieren und dispergieren und so verhindern, dass sie sich erneut auf der Kleidung ablagern.
(5) Faktoren, die den Wascheffekt beeinflussen
Die gerichtete Adsorption von Tensiden an der Grenzfläche und die Verringerung der Oberflächenspannung sind die Hauptfaktoren für die Entfernung von flüssigen oder festen Verschmutzungen. Der Waschvorgang ist jedoch relativ komplex, und selbst die Waschwirkung desselben Waschmitteltyps wird von vielen weiteren Faktoren beeinflusst. Zu diesen Faktoren gehören die Waschmittelkonzentration, die Temperatur, die Art des Schmutzes, die Faserart und die Gewebestruktur.
① Konzentration der Tenside
Die Tensidmizellen in der Lösung spielen eine wichtige Rolle im Waschprozess. Sobald die Konzentration die kritische Mizellenkonzentration (CMC) erreicht, steigt die Waschwirkung stark an. Daher sollte die Waschmittelkonzentration im Lösungsmittel höher als der CMC-Wert sein, um eine gute Waschwirkung zu erzielen. Übersteigt die Tensidkonzentration jedoch den CMC-Wert, nimmt die Waschwirkung ab, und eine übermäßige Erhöhung der Tensidkonzentration ist nicht mehr erforderlich.
Bei der Entfernung von Ölflecken durch Solubilisierung nimmt der Solubilisierungseffekt mit zunehmender Tensidkonzentration zu, auch wenn die Konzentration über dem CMC-Wert liegt. In diesem Fall empfiehlt es sich, das Waschmittel lokal zu verwenden, beispielsweise an stark verschmutzten Manschetten und Kragen von Kleidungsstücken. Beim Waschen kann zunächst eine Schicht Waschmittel aufgetragen werden, um die Solubilisierungswirkung der Tenside auf Ölflecken zu verbessern.
② Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Reinigungswirkung. Insgesamt ist eine Erhöhung der Temperatur vorteilhaft für die Entfernung von Schmutz, manchmal kann jedoch eine zu hohe Temperatur auch nachteilige Faktoren verursachen.
Eine erhöhte Temperatur fördert die Schmutzdiffusion. Feste Ölflecken lassen sich leicht emulgieren, wenn die Temperatur über ihrem Schmelzpunkt liegt, und Fasern dehnen sich durch die erhöhte Temperatur zusätzlich aus. All diese Faktoren tragen zur Schmutzentfernung bei. Bei dichten Textilien verringern sich jedoch die Mikrospalten zwischen den Fasern nach der Faserausdehnung, was der Schmutzentfernung nicht förderlich ist.
Temperaturschwankungen beeinflussen auch die Löslichkeit, den CMC-Wert und die Mizellengröße von Tensiden und damit auch die Waschwirkung. Tenside mit langen Kohlenstoffketten sind bei niedrigen Temperaturen weniger löslich, manchmal sogar weniger löslich als der CMC-Wert. In diesem Fall sollte die Waschtemperatur entsprechend erhöht werden. Der Einfluss der Temperatur auf den CMC-Wert und die Mizellengröße ist bei ionischen und nichtionischen Tensiden unterschiedlich. Bei ionischen Tensiden führt eine Temperaturerhöhung im Allgemeinen zu einer Erhöhung des CMC-Werts und einer Verringerung der Mizellengröße. Das bedeutet, dass die Tensidkonzentration in der Waschlösung erhöht werden sollte. Bei nichtionischen Tensiden führt eine Temperaturerhöhung zu einer Verringerung ihres CMC-Werts und einer deutlichen Erhöhung ihrer Mizellengröße. Man sieht, dass eine entsprechend erhöhte Temperatur nichtionischen Tensiden dabei helfen kann, ihre Oberflächenaktivität zu entfalten. Die Temperatur sollte jedoch ihren Trübungspunkt nicht überschreiten.
Kurz gesagt, die am besten geeignete Waschtemperatur hängt von der Formel des Waschmittels und dem zu waschenden Objekt ab. Einige Waschmittel haben bei Raumtemperatur eine gute Reinigungswirkung, während andere Waschmittel beim Kalt- und Warmwaschen deutlich unterschiedliche Reinigungswirkungen aufweisen.
③ Schaum
Oft wird Schaumbildung mit Waschwirkung verwechselt, da man glaubt, dass stark schäumende Waschmittel eine bessere Waschwirkung haben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Waschwirkung nicht direkt mit der Schaummenge zusammenhängt. So hat beispielsweise ein schwach schäumendes Waschmittel keine schlechtere Waschwirkung als ein stark schäumendes Waschmittel.
Obwohl Schaum nicht direkt mit dem Waschen zusammenhängt, kann er in manchen Situationen dennoch hilfreich sein, um Schmutz zu entfernen. Beispielsweise kann der Schaum des Spülmittels beim Handspülen Öltropfen entfernen. Beim Schrubben des Teppichs kann Schaum auch feste Schmutzpartikel wie Staub entfernen. Staub macht einen großen Teil des Teppichschmutzes aus, daher sollte ein Teppichreiniger über eine gewisse Schaumbildung verfügen.
Auch die Schaumkraft ist bei Shampoos wichtig. Der feine Schaum, der beim Haarewaschen oder Baden entsteht, sorgt für ein angenehmes Gefühl.
④ Faserarten und physikalische Eigenschaften von Textilien
Neben der chemischen Struktur der Fasern, die die Haftung und Entfernung von Schmutz beeinflusst, wirken sich auch das Aussehen der Fasern und die Organisationsstruktur von Garnen und Geweben auf die Schwierigkeit der Schmutzentfernung aus.
Die Schuppen von Wollfasern und die flache, streifenartige Struktur von Baumwollfasern neigen eher zur Schmutzansammlung als glatte Fasern. Beispielsweise lässt sich Ruß, der auf Zellulosefolie (Klebefolie) haftet, leicht entfernen, während Ruß, der auf Baumwollgewebe haftet, schwer auszuwaschen ist. Beispielsweise neigen Polyester-Kurzfasergewebe eher zur Ansammlung von Ölflecken als Langfasergewebe, und Ölflecken auf Kurzfasergeweben sind auch schwieriger zu entfernen als auf Langfasergeweben.
Eng gedrehte Garne und dichte Gewebe können aufgrund der kleinen Mikrolücken zwischen den Fasern dem Eindringen von Schmutz widerstehen, verhindern aber auch, dass die Reinigungslösung inneren Schmutz entfernt. Daher sind dichte Gewebe zunächst gut schmutzabweisend, lassen sich aber nach der Verschmutzung nur schwer reinigen.
⑤ Die Wasserhärte
Die Konzentration von Metallionen wie Ca2+ und Mg2+ im Wasser hat einen erheblichen Einfluss auf die Waschwirkung. Insbesondere wenn anionische Tenside auf Ca2+- und Mg2+-Ionen treffen, bilden sie schlecht lösliche Calcium- und Magnesiumsalze, die ihre Reinigungsleistung beeinträchtigen können. Selbst bei hoher Tensidkonzentration in hartem Wasser ist ihre Reinigungswirkung deutlich schlechter als bei der Destillation. Um die beste Waschwirkung der Tenside zu erzielen, sollte die Ca2+-Ionenkonzentration im Wasser auf unter 1 × 10-6 mol/l (CaCO3 sollte auf 0,1 mg/l reduziert werden) gesenkt werden. Dies erfordert die Zugabe verschiedener Weichmacher zum Waschmittel.
Veröffentlichungszeit: 16. August 2024