表面活性剂洗涤作用原理

表面活性剂的洗涤去污作用

1 洗涤过程
   去污过程包括复杂的表面现象、机械流体力学和化学或生物学等作用。去污过程大致为液体油污的去除,这是借润湿、卷离、乳化、增溶等作用,辅以机械力使,其悬浮于介质中而除去;固体污垢的去除则通过润湿、界面电荷分散使污垢除去。
   在洗涤过程中,洗涤剂是不可缺少的。洗涤剂在洗涤过程中具有以下作用:一是降低水的表面张力改善水对洗涤物表面的润湿性。洗涤液对洗涤物品的润湿是洗涤过程是否可以完成的先决条件,洗涤液对洗涤物品必须具备较好润湿性,否则洗涤液的洗涤作用不易发挥。对于人造纤维(如聚丙烯、聚酯、聚丙烯腈等)、未经脱脂的天然纤维等因其具有的临界表面张力低于水的表面张力,因而水在其上的润湿性就不能达到令人满意的裎度。加入了洗涤剂后一般可使水的表面张力降低至30mN/m。因此除聚四氟乙烯外,洗涤剂的水溶液在其物品的表面都会有很好的润湿性,促使污垢脱离其物品表面,而产生洗涤效果。另一种作用是使已经从固体表面脱离下来的污垢能很好的分散和悬浮在洗涤介质中,使其不再沉积在固体表面。洗涤过程可以表示为:固体表面污垢+洗涤剂+介质=固体表面·洗涤剂·介质+污垢·洗涤剂·介质。
   在洗涤过程中,影响洗涤效率的因素有固体与污垢的黏附强度、固体表面与洗涤剂的黏附强度以及洗涤剂与污垢间的黏附强度。固体表面与洗涤剂间的黏附作用强,有利于污垢从固体表面的去除,而洗涤剂与污垢的黏附作用强,有利于阻止污垢的再沉积。此外不同性质的表面与不同性质的污垢之间有不同性质的结合力。因此三者间有不同的黏附强度。在水介质中,非极性污垢由于其疏水性不易被水洗净。在非极性表面的非极性污垢,由于可通过范德华力吸附于非极性物品表面上,三者间有较高的黏附强度,因此比在亲水的物品表面难于去除。极性的污垢在疏水的非极性表面上比在极性强的亲水表面上容易去除。
2 表面活性剂的结构与洗涤作用的关系
   因受污垢和表面活性剂之间发生复杂作用的影响,表面活性剂的冼涤力与其化学结构之间的关系非常复杂。对于液体油性污垢的去污来说,由于油性污垢的去除过程主要服从增溶作用机理,所以可以说,凡是有利于提高增溶空间结构的表面活性剂都能很好地增溶油污并将其除去。同样如果污垢的去除过程主要服从乳化机理,对乳化作用有适宜HLB值的表面活性剂,较其他表面活性剂乳化去污能力强。非离子表面活性剂在低浓度下,去除油污和防止油污再沉积能力高于阴离子具有类似结构的表面活性剂,其原因是非离子表面活性剂的cmc很低。
   如前所述,处于固-液界面上被吸附的表面活性剂分子的方向性对洗涤起重要作用。在洗涤过程中,表面活性剂发生定向排列,其亲水基朝向水相,否则就不能除去污垢和防止再沉积。因此洗涤液中表面活性剂的洗涤行为与固体表面的极性及表面活性剂的离子性质有密切关系。例如无论是阴离子表面活性剂,还是非离子表面活性剂,都能在非极性固体表面(如聚酯或尼龙)上有良好的性能。在棉或纤维素这类亲水性大的物体上,阴离子表面活性剂比非离子表面活性剂的性能要好,这是因为固体表面亲水性大,与表面活性剂的聚氧乙烯单元产生极性吸引和氢键作用,从而迫使其定向排列,使更多的疏水基暴露在水相中,或使表面活性剂分子沿固体表面平行排列。这种定向排列能增高或至少不降低污垢-水和固体-水界面的自由能从而阻止污垢的去除。一般很少采用阳离子表面活性剂作洗涤剂,因为它在固体表面上能反向排列形成拒水型表面,当固体表面带负电时,尤为容易形成拒水膜。
   显然表面活性剂分子在固体表面上的吸附程度和定向排列方式对于表面活性剂在洗涤过程中的行为影响非常大。因此可以通过改变表面活性剂的结构来改善洗涤力。如前所述,碳氢链长的增大将会提高表面活性剂的去污能力。具有支链和亲水基团处于碳链中间的表面活性剂,其洗涤能力较低。对于给定碳原子数和端基的表面活性剂,当碳链为直链结构、而亲水基团处于端基位置时,它们具有最大的洗涤能力。通常随着亲水基长度增大和从链中间向端基移动,表面活性剂的洗涤能力增高。但如果链长过大,表面活性剂的溶解性降低,洗涤效果反而下降。
   虽然端基具有亲水基团结构的直链表面活性剂在理想条件下表现出最佳的洗涤能力,但当洗涤液中存在电解质和高价阳离子时,使表面活性剂的溶解度降低,从而影响洗涤能力,达不到最佳洗涤效果。在这种情况下,亲水基团位于链内的表面活性剂具有较高的洗涤能力。
   表面活性剂亲水基的属性对洗涤能力也有很大的影响。如饱和碳链被包围时,影响吸附的定向排列,从而影响洗涤能力。对聚氧乙烯型非离子表面活性剂来说,聚氧乙烯链增大,在固体表面上的吸附效应减小,导致洗涤能力下降,甚至消失。当聚氧乙烯链插入到疏水基和阴离子基团之间时(如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐),这种表面活性剂的洗涤特性优于没有嵌入聚氧乙烯链的硫酸盐。
   综上所述可归纳如下。
   ①在溶解度允许的限度内,表面活性剂的洗涤能力随疏水链增大而增高。
   ②疏水链的碳原子数给定后,直链的表面活性剂比支链的有更大的洗涤能力。
③亲水基团在端基上的表面活性剂较亲水基团在链内的洗涤效果好。    
④对于非离子表面活性剂来说,当表面活性剂的浊点稍高于溶液的使用温度时,可达到最佳的洗涤效果。
   ⑤对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂来说,聚氧乙烯链长度增大(只要达到足够的溶解度),常导致洗涤能力下降。
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