Teoría básica de los tensioactivos (3)
El lavado, en su sentido habitual, se refiere al proceso de eliminar la suciedad de la superficie de un soporte. En el lavado, la interacción entre la suciedad y el soporte se debilita o elimina mediante la acción de algunas sustancias químicas (como los tensioactivos, por ejemplo, los detergentes), de modo que la combinación de suciedad y soporte se transforma en una combinación de suciedad y detergente, y finalmente la suciedad se separa del soporte. El proceso básico del lavado puede expresarse mediante una relación simple: soporte – suciedad + detergente = soporte + suciedad – detergente.
El proceso de lavado suele dividirse en dos etapas: en primer lugar, bajo la acción del detergente, la suciedad se separa del soporte; en segundo lugar, la suciedad desprendida se dispersa y se suspende en el medio. El proceso de lavado es un proceso reversible, ya que la suciedad dispersa y suspendida en el medio también puede volver a precipitarse del medio al objeto lavado. Por lo tanto, un buen detergente, además de la capacidad de separar la suciedad del soporte, también debe tener una mejor capacidad para dispersar y suspender la suciedad, a fin de evitar su redeposición.
A. Adhesión de la suciedad. La ropa, las manos, etc. pueden ensuciarse porque existe algún tipo de interacción entre el objeto y la suciedad. La suciedad en el objeto de la adhesión tiene diversas funciones, pero no más que la adhesión física y la adhesión química. El hollín, el polvo, el barro, la arena, el negro de carbón y otras sustancias que se adhieren a la ropa son adhesiones físicas. En términos generales, gracias a esta adhesión de la suciedad y al papel relativamente débil del objeto manchado, la eliminación de la suciedad también es relativamente fácil. Según las diferentes fuerzas, la adhesión física de la suciedad se puede dividir en adhesión mecánica y adhesión por fuerza electrostática.
1. La adhesión mecánica se refiere a la adhesión de algunos tipos de suciedad sólida (como el polvo o la arena). La adhesión mecánica es una adhesión relativamente débil de la suciedad, que casi siempre se puede eliminar con métodos puramente mecánicos, pero cuando la suciedad es relativamente pequeña (<0,1 um), es más difícil de eliminar; la adhesión por fuerza electrostática se produce principalmente por la acción de partículas de suciedad cargadas sobre objetos con carga opuesta. La mayoría de los artículos fibrosos tienen carga negativa en agua y se adhieren fácilmente a algunas partículas de suciedad con carga positiva, como las de tipo cal. Algunas suciedades, aunque tienen carga negativa, como las partículas de negro de carbón en soluciones acuosas, pueden adherirse a las fibras mediante puentes iónicos (iones entre múltiples cargas anisotrópicas, que actúan conjuntamente con ellas a modo de puente) formados por iones positivos en el agua (como Ca2+ ﹑ Mg2+, etc.). El efecto electrostático es más fuerte que la simple acción mecánica, por lo que la eliminación de la suciedad es relativamente difícil.
2、Adhesión química. La adhesión química se refiere al fenómeno por el cual la suciedad actúa sobre el objeto a través de enlaces químicos o de hidrógeno. Como la suciedad sólida polar, las proteínas, el óxido y otras adhesiones en artículos de fibra, las fibras contienen carboxilo, hidroxilo, amida y otros grupos, estos grupos y la suciedad aceitosa, los ácidos grasos y los alcoholes grasos son fáciles de formar enlaces de hidrógeno. La fuerza química es generalmente más fuerte y, por lo tanto, la suciedad se adhiere más firmemente al objeto. Este tipo de suciedad es difícil de eliminar con métodos normales y se necesitan métodos especiales para tratarla. El grado de adhesión de la suciedad está relacionado con la naturaleza de la propia suciedad y con la naturaleza del objeto al que se adhiere. Por lo general, las partículas se adhieren fácilmente a los artículos fibrosos. Cuanto más pequeña es la suciedad sólida, más fuerte es la adhesión. Los objetos hidrófilos, como el algodón, el vidrio y otros, atraen la suciedad polar a su superficie, que se adhiere con más fuerza que la suciedad no polar. La fuerza de adhesión de la suciedad no polar es mayor que la de la suciedad polar, como la grasa polar, el polvo, la arcilla, etc., que no es fácil de eliminar y limpiar.
En segundo lugar, el mecanismo de eliminación de la suciedad. El objetivo del lavado es eliminar la suciedad. En un medio a una temperatura determinada (principalmente agua como medio), el uso de detergentes producidos por diversos efectos físicos y químicos debilita o elimina la función de la suciedad y los artículos lavados, bajo la acción de ciertas fuerzas mecánicas (como el frotamiento con las manos, la agitación de la lavadora, el impacto del agua), de modo que la suciedad y los artículos lavados se descontaminan.
1、El mecanismo de eliminación de la suciedad líquida. La mayor parte de la suciedad líquida es suciedad aceitosa, el aceite puede mojar la mayoría de los artículos de fibra, extendiéndose en mayor o menor medida en una capa de película de aceite sobre la superficie del material fibroso. El primer paso de la acción de lavado es la humectación de la superficie por la solución de lavado, que puede verse como una superficie sólida y lisa de la fibra. La eliminación de la suciedad líquida se consigue mediante una especie de convolución. La suciedad líquida existe originalmente en la superficie en forma de una película de aceite extendida y, bajo la acción de humectación preferencial del líquido de lavado sobre la superficie sólida, es decir, la superficie de la fibra (la acción del agente humectante), se enrolla poco a poco en gotas de aceite, es sustituida por el líquido de lavado y, finalmente, abandona la superficie bajo la acción de cierta fuerza externa.
2、El mecanismo de eliminación de la suciedad sólida. Se trata principalmente de la humectación de la masa de suciedad y su superficie portadora por el líquido de lavado. Debido a la adsorción del tensioactivo en la superficie de la suciedad sólida y su portador, se reduce la interacción entre la suciedad y la superficie, y se reduce la fuerza de adhesión de la masa de suciedad a la superficie, por lo que la masa de suciedad se elimina fácilmente de la superficie del portador. No solo eso, la adsorción de tensioactivos, especialmente tensioactivos iónicos, en la superficie de la suciedad sólida y su soporte tiende a aumentar el potencial superficial de la suciedad sólida y la superficie del soporte, lo que favorece la eliminación de la suciedad. Las superficies sólidas o de fibra en general suelen tener carga negativa en medios acuosos, por lo que se puede formar una doble capa eléctrica difusa sobre la masa de suciedad o la superficie sólida. Dado que las cargas del mismo sexo se repelen entre sí, la fuerza de adhesión de los plasmas de suciedad en las superficies sólidas en agua se debilita. Cuando se añade un tensioactivo aniónico, este puede aumentar simultáneamente el potencial negativo de la superficie de los plasmas de suciedad y de las superficies sólidas, lo que aumenta la fuerza de repulsión entre ellos y, por lo tanto, se reduce aún más la fuerza de adhesión de los plasmas y la suciedad se puede eliminar más fácilmente.
Los tensioactivos no iónicos pueden producir adsorción en la superficie sólida cargada en general y, aunque no pueden cambiar significativamente el potencial interfacial, los tensioactivos no iónicos adsorbidos tienden a formar una capa de adsorción de cierto espesor en la superficie, lo que ayuda a prevenir la redeposición de la suciedad. En el caso de los tensioactivos catiónicos, su adsorción reduce o elimina el potencial negativo de la superficie de la masa de suciedad y de la superficie que la transporta, lo que disminuye la repulsión entre la suciedad y la superficie, lo que no favorece la eliminación de la suciedad; además, tras la adsorción de los tensioactivos catiónicos en la superficie sólida, esta suele volverse hidrofóbica, lo que no favorece la humectación de la superficie y, por lo tanto, el lavado.
3. Eliminación de suciedad especial. Las proteínas, el almidón, las secreciones humanas, los jugos, el té y otras suciedades similares son difíciles de eliminar con tensioactivos generales, por lo que se necesitan métodos de tratamiento especiales.
En tercer lugar, el mecanismo de descontaminación de la limpieza en seco. La introducción anterior se refiere al efecto de lavado del agua como medio, mientras que la llamada limpieza en seco se refiere generalmente al método de lavado en disolventes orgánicos, especialmente en disolventes no polares. En comparación con el lavado con agua, la limpieza en seco es una forma más suave de lavar. Dado que la limpieza en seco no requiere mucha acción mecánica, la ropa no sufre daños, arrugas ni deformaciones, mientras que el agente de limpieza en seco, a diferencia del agua, rara vez produce efectos de expansión y contracción. Siempre que la tecnología se maneje correctamente, se puede limpiar en seco la ropa para lograr excelentes resultados sin deformaciones ni decoloración y prolongar su vida útil.
Debido a la diferente naturaleza de los distintos tipos de suciedad, existen diferentes formas de actuar para eliminar la suciedad en el proceso de limpieza en seco. La suciedad soluble en aceite, como los aceites animales y vegetales, los aceites minerales y la grasa, etc., es fácilmente soluble en disolventes orgánicos y más fácil de eliminar en la limpieza en seco. La excelente solubilidad de los disolventes de limpieza en seco para el aceite y la grasa proviene esencialmente de las fuerzas de van der Waals entre las moléculas. Para eliminar la suciedad soluble en agua, como sales inorgánicas, azúcares, proteínas, sudor y otros, también se debe añadir al agente de limpieza en seco la cantidad adecuada de agua, ya que, de lo contrario, la suciedad soluble en agua es difícil de eliminar de la ropa. Sin embargo, el agua es más difícil de disolver en el agente de limpieza en seco, por lo que, para aumentar la cantidad de agua, también es necesario añadir tensioactivos. La presencia de agua en el agente de limpieza en seco puede hidratar la superficie de la suciedad y la ropa, facilitando la interacción con los grupos polares de los tensioactivos, lo que favorece la adsorción de estos en la superficie. Además, cuando los tensioactivos forman micelas, la suciedad soluble en agua y el agua pueden solubilizarse en las micelas. Además de aumentar el contenido de agua en el disolvente de limpieza en seco, los tensioactivos también pueden desempeñar un papel en la prevención de la redeposición de la suciedad para mejorar el efecto de descontaminación. La presencia de una pequeña cantidad de agua es necesaria para eliminar la suciedad soluble en agua, pero el exceso de agua provocará la deformación de algunas prendas, arrugas, etc., por lo que el contenido de agua en los agentes de limpieza en seco debe ser moderado.
La suciedad que no es soluble ni en agua ni en aceite, como la ceniza, el barro, la tierra y el negro de carbón, y otras partículas sólidas, generalmente se adsorbe por electricidad estática o se combina con el aceite y la suciedad adheridos a la ropa. En la limpieza en seco, el flujo y el impacto del disolvente pueden hacer que la fuerza electrostática que adsorbe la suciedad se desprenda, y el agente de limpieza en seco puede disolver el aceite, de modo que la combinación de aceite y suciedad y las partículas sólidas adheridas a la ropa se desprendan en el agente de limpieza en seco, que contiene una pequeña cantidad de agua y tensioactivos, de modo que las partículas sólidas de suciedad desprendidas puedan quedar en suspensión y dispersión estables, para evitar que se vuelvan a depositar en la ropa.
En cuarto lugar, los factores que afectan al papel del lavado.
1. La concentración de tensioactivos. Las micelas de los tensioactivos en la solución desempeñan un papel importante en el proceso de lavado. Cuando la concentración alcanza la concentración micelar crítica (cmc), el efecto de lavado aumenta considerablemente. Por lo tanto, la concentración de detergente en el disolvente debe ser superior al valor cmc para obtener un buen efecto de lavado. Sin embargo, cuando la concentración de tensioactivo es superior al valor cmc, el incremento del efecto de lavado no es evidente, por lo que no es necesario aumentar demasiado la concentración de tensioactivo. Al eliminar las manchas de aceite por solubilización, el efecto de solubilización aumenta con la concentración de tensioactivo, incluso si la concentración es superior al valor cmc. Por ejemplo, si hay más suciedad en los puños y cuellos de la ropa, se puede aplicar una capa de detergente al lavar para mejorar el efecto de solubilización del tensioactivo sobre el aceite.
2、La temperatura tiene una influencia muy importante en el efecto de descontaminación. En general, elevar la temperatura es bueno para eliminar la suciedad, pero a veces una temperatura demasiado alta también puede provocar factores desfavorables. El aumento de la temperatura favorece la difusión de la suciedad, las incrustaciones de aceite sólido se emulsionan fácilmente cuando la temperatura es superior a su punto de fusión y la fibra también aumenta su grado de expansión debido al aumento de la temperatura, todos estos factores son beneficiosos para la eliminación de la suciedad. Sin embargo, en los tejidos compactos, el microespacio entre las fibras disminuye tras la expansión de estas, lo que es desfavorable para la eliminación de la suciedad.
El cambio de temperatura también afecta a la solubilidad de los tensioactivos, al valor cmc, al tamaño de las micelas, etc., lo que influye en el efecto de lavado. La solubilidad de los tensioactivos con cadenas de carbono largas es menor cuando la temperatura es baja y, en ocasiones, la solubilidad es incluso inferior al valor cmc, por lo que la temperatura de lavado debe aumentarse adecuadamente. El efecto de la temperatura sobre el valor cmc y el tamaño de las micelas es diferente para los tensioactivos iónicos y no iónicos. En el caso de los tensioactivos iónicos, un aumento de la temperatura generalmente aumenta el valor cmc y disminuye el tamaño de las micelas, lo que significa que se debe aumentar la concentración de tensioactivo en la solución de lavado. En el caso de los tensioactivos no iónicos, un aumento de la temperatura provoca una disminución de su valor cmc y un aumento significativo del volumen de las micelas, lo que demuestra que un aumento adecuado de la temperatura puede ayudar a los tensioactivos no iónicos a ejercer su efecto tensioactivo. Sin embargo, la temperatura no debe superar su punto de enturbiamiento. La temperatura de lavado más adecuada depende de la formulación del detergente y del objeto que se vaya a lavar. Algunos detergentes tienen un buen efecto de lavado a temperatura ambiente, mientras que otros tienen un efecto de descontaminación muy diferente entre el lavado en frío y en caliente.
3, espuma. Las personas suelen estar acostumbradas a la capacidad de espuma y al efecto de lavado, por lo que consideran que el poder espumante del detergente es bueno. De hecho, el efecto de lavado y la cantidad de espuma no están directamente relacionados, ya que con detergentes de baja espuma el efecto de lavado no es peor que con detergentes de alta espuma.
Aunque la espuma no está directamente relacionada con el lavado, en algunas ocasiones puede ayudar a eliminar la suciedad. Por ejemplo, al lavar los platos a mano, la espuma del detergente puede arrastrar las gotas de aceite. Al fregar alfombras, la espuma también puede eliminar el polvo y otras partículas sólidas de suciedad, que constituyen una gran parte del polvo de las alfombras, por lo que los productos de limpieza para alfombras deben tener cierta capacidad espumante. El poder espumante también es importante para los champús, ya que cuando el líquido produce una espuma fina, proporciona una sensación de lubricación y comodidad.
4. La variedad de fibras y las propiedades físicas de los tejidos. Además de la estructura química de la fibra, que afecta a la adhesión y eliminación de la suciedad, el aspecto de la forma de la fibra y la organización del hilo y el tejido influyen en la facilidad de eliminación de la suciedad.
5, la dureza del agua. La concentración de Ca2+, Mg2+ y otros iones metálicos en el agua tiene una gran influencia en el efecto de lavado, especialmente cuando el tensioactivo aniónico entra en contacto con iones Ca2+ y Mg2+, formando sales de calcio y magnesio, que son menos solubles y reducen su capacidad de descontaminación. En agua dura, incluso si la concentración de tensioactivo es mayor, el efecto de descontaminación sigue siendo mucho peor que en la destilación. Para que el tensioactivo tenga el mejor efecto de lavado, la concentración de iones Ca2+ en el agua debe reducirse a 1×10-6mol/L (el CaCO3 debe reducirse a 0,1 mg/L) o menos. Esto requiere la adición de diversos ablandadores de agua al detergente.
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