Према табели, сурфактанти погодни за употребу као емулгатори уље у води имају HLB вредност од 3,5 до 6, док се оне за емулгаторе вода у уљу крећу између 8 и 18.

② Одређивање HLB вредности (изостављено).

07 Емулгирање и солубилизација

Емулзија је систем који се формира када се једна немешљива течност диспергује у другој у облику финих честица (капљица или течних кристала). Емулгатор, који је врста сурфактанта, неопходан је за стабилизацију овог термодинамички нестабилног система смањењем међуповршинске енергије. Фаза која постоји у облику капљица у емулзији назива се диспергована фаза (или унутрашња фаза), док се фаза која формира континуирани слој назива дисперзиона средина (или спољашња фаза).

① Емулгатори и емулзије

Уобичајене емулзије често се састоје од једне фазе као воде или воденог раствора, а друге као органске супстанце, као што су уља или воскови. У зависности од њихове дисперзије, емулзије се могу класификовати као вода у уљу (В/У) где је уље дисперговано у води, или уље у води (У/В) где је вода диспергована у уљу. Штавише, могу постојати и сложене емулзије попут В/У/В или У/В/У. Емулгатори стабилизују емулзије смањењем међуповршинске напетости и формирањем мономолекуларних мембрана. Емулгатор мора да се адсорбује или акумулира на граници да би смањио међуповршинску напетост и пренео наелектрисање капљицама, генеришући електростатичко одбијање, или да формира заштитни филм високе вискозности око честица. Сходно томе, супстанце које се користе као емулгатори морају поседовати амфифилне групе, које сурфактанти могу да обезбеде.

② Методе припреме емулзије и фактори који утичу на стабилност

Постоје две главне методе за припрему емулзија: механичке методе диспергују течности у ситне честице у другој течности, док друга метода укључује растварање течности у молекуларном облику у другој течности и изазивање њихове одговарајуће агрегације. Стабилност емулзије односи се на њену способност да се одупре агрегацији честица која доводи до раздвајања фаза. Емулзије су термодинамички нестабилни системи са вишом слободном енергијом, стога њихова стабилност одражава време потребно за постизање равнотеже, тј. време које је потребно да се течност одвоји од емулзије. Када су масни алкохоли, масне киселине и масни амини присутни у међуповршинском филму, чврстоћа мембране значајно се повећава јер поларни органски молекули формирају комплексе у адсорбованом слоју, ојачавајући међуповршинску мембрану.

Емулгатори састављени од два или више сурфактаната називају се мешовити емулгатори. Мешовити емулгатори се адсорбују на граници вода-уље, а молекуларне интеракције могу формирати комплексе који значајно смањују међуповршинску напетост, повећавајући количину адсорбата и формирајући гушће, јаче међуповршинске мембране.

Електрично наелектрисане капљице значајно утичу на стабилност емулзија. У стабилним емулзијама, капљице обично носе електрично наелектрисање. Када се користе јонски емулгатори, хидрофобни крај јонских сурфактаната се уграђује у уљану фазу, док хидрофилни крај остаје у воденој фази, дајући наелектрисање капљицама. Слична наелектрисања између капљица изазивају одбијање и спречавају коалесценцију, што побољшава стабилност. Дакле, што је већа концентрација јона емулгатора адсорбованих на капљицама, то је њихово наелектрисање веће и већа је стабилност емулзије.

Вискозност дисперзионог медијума такође утиче на стабилност емулзије. Генерално, медијуми веће вискозности побољшавају стабилност јер јаче ометају Брауново кретање капљица, успоравајући вероватноћу судара. Супстанце високе молекулске тежине које се растварају у емулзији могу повећати вискозност и стабилност медијума. Поред тога, супстанце високе молекулске тежине могу формирати робусне међуповршинске мембране, додатно стабилизујући емулзију. У неким случајевима, додавање чврстих прахова може слично стабилизовати емулзије. Ако су чврсте честице потпуно натопљене водом и могу се натопити уљем, оне ће се задржати на граници вода-уље. Чврсти прахови стабилизују емулзију побољшавајући филм док се групишу на граници, слично као адсорбовани сурфактанти.

Сурфактанти могу значајно побољшати растворљивост органских једињења која су нерастворљива или слабо растворљива у води након што се мицеле формирају у раствору. У овом тренутку, раствор изгледа бистро, а та способност се назива солубилизација. Сурфактанти који могу да подстакну солубилизацију називају се солубилизатори, док се органска једињења која се растварају називају солубилати.

08 Пена

Пена игра кључну улогу у процесима прања. Пена се односи на дисперзивни систем гаса диспергованог у течности или чврстој материји, са гасом као диспергованом фазом и течношћу или чврстом материјом као дисперзионим медијумом, познатим као течна пена или чврста пена, као што су пенасте пластике, пенасто стакло и пенасти бетон.

(1) Формирање пене

Термин пена се односи на скуп ваздушних мехурића раздвојених течним филмовима. Због значајне разлике у густини између гаса (дисперзоване фазе) и течности (дисперзионог медијума) и ниске вискозности течности, гасни мехурићи брзо излазе на површину. Формирање пене подразумева уградњу велике количине гаса у течност; мехурићи се затим брзо враћају на површину, стварајући агрегат ваздушних мехурића раздвојених минималним течним филмом. Пена има две карактеристичне морфолошке карактеристике: прво, гасни мехурићи често попримају полиедарски облик јер танки течни филм на пресеку мехурића тежи да постане тањи, што на крају доводи до пуцања мехурића. Друго, чисте течности не могу да формирају стабилну пену; морају бити присутне најмање две компоненте да би се створила пена. Раствор сурфактанта је типичан систем за формирање пене чији је капацитет пењења повезан са његовим другим својствима. Сурфактанти са добром способношћу пењења називају се средства за пењење. Иако средства за пењење показују добре способности пењења, пена коју стварају можда неће дуго трајати, што значи да њихова стабилност није загарантована. Да би се побољшала стабилност пене, могу се додати супстанце које побољшавају стабилност; Ово се назива стабилизаторима, а уобичајени стабилизатори укључују лаурил диетаноламин и оксиде додецил диметил амина.

(2) Стабилност пене

Пена је термодинамички нестабилан систем; њено природно напредовање доводи до пуцања, чиме се смањује укупна површина течности и смањује слободна енергија. Процес уклањања пене подразумева постепено стањивање течног филма који одваја гас док не дође до пуцања. Степен стабилности пене првенствено је под утицајем брзине одводњавања течности и чврстоће течног филма. Утицајни фактори укључују:

① Површински напон: Са енергетске перспективе, нижи површински напон погодује стварању пене, али не гарантује стабилност пене. Низак површински напон указује на мањи диференцијал притиска, што доводи до споријег одводњавања течности и згушњавања течног филма, што обоје погодује стабилности.

② Површински вискозитет: Кључни фактор стабилности пене је чврстоћа течног филма, првенствено одређена робусношћу површинског адсорпционог филма, мерено површинским вискозитетом. Експериментални резултати показују да раствори са високим површинским вискозитетом производе дуготрајнију пену због побољшаних молекуларних интеракција у адсорбованом филму које значајно повећавају чврстоћу мембране.

③ Вискозитет раствора: Већи вискозитет саме течности успорава одводњавање течности са мембране, чиме се продужава век трајања течног филма пре него што дође до пуцања, побољшавајући стабилност пене.

④ Дејство „поправке“ површинске напетости: Сурфактанти адсорбовани на мембрану могу да се супротставе ширењу или скупљању површине филма; ово се назива дејство поправке. Када се сурфактанти адсорбују на течни филм и проширују његову површину, то смањује концентрацију сурфактанта на површини и повећава површинску напетост; обрнуто, контракција доводи до повећане концентрације сурфактанта на површини и последично смањује површинску напетост.

⑤ Дифузија гаса кроз течни филм: Због капиларног притиска, мањи мехурићи имају тенденцију да имају већи унутрашњи притисак у поређењу са већим мехурићима, што доводи до дифузије гаса из малих мехурића у веће, узрокујући да се мали мехурићи скупљају, а већи расту, што на крају резултира колапсом пене. Доследна примена сурфактаната ствара уједначене, фино распоређене мехуриће и спречава стварање пене. Када су сурфактанти чврсто збијени у течном филму, дифузија гаса је отежана, чиме се побољшава стабилност пене.

⑥ Утицај површинског наелектрисања: Ако филм пене и течности носи исто наелектрисање, две површине ће се одбијати, спречавајући истањивање или ломљење филма. Јонски сурфактанти могу пружити овај стабилизујући ефекат. Укратко, чврстоћа течног филма је кључни фактор који одређује стабилност пене. Сурфактанти који делују као средства за пењење и стабилизатори морају да чине чврсто збијене молекуле апсорбоване на површини, јер то значајно утиче на међуповршинску молекуларну интеракцију, повећавајући чврстоћу самог површинског филма и тиме спречавајући течност да отиче од суседног филма, чинећи стабилност пене лакшом.

(3) Уништавање пене

Основни принцип уништавања пене подразумева промену услова који производе пену или елиминисање стабилизационих фактора пене, што доводи до физичких и хемијских метода уклањања пене. Физичко уклањање пене одржава хемијски састав пенастог раствора док мења услове попут спољашњих поремећаја, промена температуре или притиска, као и ултразвучне обраде, све ефикасне методе за уклањање пене. Хемијско уклањање пене односи се на додавање одређених супстанци које интерагују са средствима за стварање пене како би смањиле чврстоћу течног филма унутар пене, смањујући стабилност пене и постижући уклањање пене. Такве супстанце се називају средства за уклањање пене, од којих су већина сурфактанти. Средства за уклањање пене обично поседују значајну способност смањења површинске напетости и могу се лако адсорбовати на површине, са слабијом интеракцијом између саставних молекула, стварајући тако лабаво распоређену молекуларну структуру. Врсте средстава за уклањање пене су различите, али су генерално нејонски сурфактанти, са разгранатим алкохолима, масним киселинама, естрима масних киселина, полиамидима, фосфатима и силиконским уљима који се обично користе као одлична средства за уклањање пене.

(4) Пена и чишћење

Количина пене није директно у корелацији са ефикасношћу чишћења; више пене не значи боље чишћење. На пример, нејонски сурфактанти могу произвести мање пене од сапуна, али могу имати супериорне могућности чишћења. Међутим, у одређеним условима, пена може помоћи у уклањању прљавштине; на пример, пена од прања посуђа помаже у одвођењу масноће, док чишћење тепиха омогућава пени да уклони прљавштину и чврсте загађиваче. Штавише, пена може сигнализирати ефикасност детерџента; прекомерна масноћа често инхибира стварање мехурића, узрокујући или недостатак пене или смањење постојеће пене, што указује на ниску ефикасност детерџента. Поред тога, пена може послужити као индикатор чистоће испирања, јер се нивои пене у води за испирање често смањују са нижим концентрацијама детерџента.

09 Процес прања

Уопштено говорећи, прање је процес уклањања нежељених компоненти са предмета који се чисти како би се постигао одређени циљ. Уобичајено речено, прање се односи на уклањање прљавштине са површине носача. Током прања, одређене хемијске супстанце (као што су детерџенти) делују тако што ослабљују или елиминишу интеракцију између прљавштине и носача, трансформишући везу између прљавштине и носача у везу између прљавштине и детерџента, омогућавајући њихово раздвајање. С обзиром на то да се предмети који се чисте и прљавштина коју треба уклонити могу значајно разликовати, прање је компликован процес, који се може поједноставити у следећи однос:

Носач • Прљавштина + Детерџент = Носач + Прљавштина • Детерџент. Процес прања се генерално може поделити у две фазе:

1. Прљавштина се одваја од носача под дејством детерџента;

2. Одвојена прљавштина се диспергује и суспендује у медијуму. Процес прања је реверзибилан, што значи да се диспергована или суспендована прљавштина може потенцијално поново таложити на очишћеном предмету. Стога, ефикасни детерџенти не само да морају имати способност да одвоје прљавштину од носача, већ и да је диспергују и суспендују, спречавајући њено поновно таложење.

(1) Врсте прљавштине

Чак и један предмет може да акумулира различите врсте, саставе и количине прљавштине у зависности од контекста употребе. Масна прљавштина се углавном састоји од разних животињских и биљних уља и минералних уља (као што су сирова нафта, лож уље, катран итд.); чврста прљавштина укључује честице попут чађи, прашине, рђе и угљеничне чађи. Што се тиче прљавштине на одећи, она може потицати од људских секрета попут зноја, себума и крви; мрља од хране попут мрља од воћа или уља и зачина; остатака козметике попут кармина и лака за нокте; атмосферских загађивача попут дима, прашине и земље; и додатних мрља попут мастила, чаја и боје. Ова врста прљавштине се генерално може категорисати у чврсте, течне и посебне типове.

① Чврста прљавштина: Уобичајени примери укључују чађ, блато и честице прашине, од којих већина има тенденцију да има наелектрисање – често негативно наелектрисано – које се лако пријања за влакнасте материјале. Чврста прљавштина је генерално мање растворљива у води, али се може дисперговати и суспендовати у детерџентима. Честице мање од 0,1 μm могу бити посебно тешке за уклањање.

② Течна прљавштина: Ово укључује уљане супстанце које су растворљиве у уљу, укључујући животињска уља, масне киселине, масне алкохоле, минерална уља и њихове оксиде. Док животињска и биљна уља и масне киселине могу реаговати са алкалијама и формирати сапуне, масни алкохоли и минерална уља не подлежу сапонификацији, али се могу растворити алкохолима, етрима и органским угљоводоницима, и могу се емулговати и дисперговати растворима детерџената. Течна уљана прљавштина се обично чврсто везује за влакнасте материјале због јаких интеракција.

③ Посебна прљавштина: Ова категорија се састоји од протеина, скроба, крви и људских секрета попут зноја и урина, као и воћних и чајних сокова. Ови материјали се често чврсто везују за влакна путем хемијских интеракција, што их отежава испирању. Различите врсте прљавштине ретко постоје независно, већ се мешају и заједно лепе за површине. Често, под спољним утицајима, прљавштина може оксидирати, разложити се или истрошити, стварајући нове облике прљавштине.

(2) Приањање прљавштине

Прљавштина се лепи за материјале попут одеће и коже због одређених интеракција између предмета и прљавштине. Сила лепљења између прљавштине и предмета може бити резултат физичке или хемијске адхезије.

① Физичко пријањање: Пријањање прљавштине попут чађи, прашине и блата углавном подразумева слабе физичке интеракције. Генерално, ове врсте прљавштине се могу релативно лако уклонити због њиховог слабијег пријањања, које углавном настаје услед механичких или електростатичких сила.

A: Механичко приањање**: Ово се обично односи на чврсту прљавштину попут прашине или песка која се приања механичким средствима, што је релативно лако уклонити, иако је мање честице испод 0,1 μm прилично тешко очистити.

Б: Електростатичка адхезија**: Ово подразумева интеракцију наелектрисаних честица прљавштине са супротно наелектрисаним материјалима; обично влакнасти материјали носе негативно наелектрисање, што им омогућава да привлаче позитивно наелектрисане материјале попут одређених соли. Неке негативно наелектрисане честице се и даље могу акумулирати на овим влакнима путем јонских мостова које формирају позитивни јони у раствору.

② Хемијска адхезија: Ово се односи на прљавштину која се лепи за предмет путем хемијских веза. На пример, поларна чврста прљавштина или материјали попут рђе имају тенденцију да се чврсто лепе због хемијских веза формираних са функционалним групама као што су карбоксилне, хидроксилне или аминске групе присутне у влакнастим материјалима. Ове везе стварају јаче интеракције, што отежава уклањање такве прљавштине; могу бити потребни посебни третмани за ефикасно чишћење. Степен лепљења прљавштине зависи и од својстава саме прљавштине и од својстава површине на коју се лепи.

(3) Механизми уклањања прљавштине

Циљ прања је уклањање прљавштине. То подразумева коришћење различитих физичких и хемијских дејстава детерџената како би се ослабила или елиминисала адхезија између прљавштине и опраних предмета, уз помоћ механичких сила (као што су ручно рибање, трљање у машини за прање веша или удар воде), што на крају доводи до одвајања прљавштине.

① Механизам уклањања течне прљавштине

A: Влажност: Већина течне прљавштине је масна и тежи да кваси разне влакнасте предмете, формирајући масни филм на њиховим површинама. Први корак у прању је деловање детерџента које узрокује влажење површине.
Б: Механизам намотавања за уклањање уља: Други корак уклањања течне прљавштине одвија се поступком намотавања. Течна прљавштина која се шири као филм на површини прогресивно се увија у капљице због преференцијалног влажења влакнасте површине течношћу за прање, да би је на крају заменила течност за прање.

② Механизам уклањања чврсте прљавштине

За разлику од течне прљавштине, уклањање чврсте прљавштине ослања се на способност течности за прање да покваси и честице прљавштине и површину материјала носача. Адсорпција сурфактанта на површинама чврсте прљавштине и носача смањује њихове силе интеракције, чиме се смањује чврстоћа адхезије честица прљавштине, што их чини лакшим за уклањање. Штавише, сурфактанти, посебно јонски сурфактанти, могу повећати електрични потенцијал чврсте прљавштине и површинског материјала, олакшавајући даље уклањање.

Нејонски сурфактанти имају тенденцију да се адсорбују на генерално наелектрисаним чврстим површинама и могу формирати значајан адсорбовани слој, што доводи до смањеног поновног таложења прљавштине. Катјонски сурфактанти, међутим, могу смањити електрични потенцијал прљавштине и површине носача, што доводи до смањеног одбијања и отежава уклањање прљавштине.

③ Уклањање посебне прљавштине

Типични детерџенти могу имати проблема са тврдокорним мрљама од протеина, скроба, крви и телесних секрета. Ензими попут протеазе могу ефикасно уклонити мрље од протеина разлагањем протеина на растворљиве аминокиселине или пептиде. Слично томе, скробови се могу разложити на шећере помоћу амилазе. Липазе могу помоћи у разградњи нечистоћа триацилглицерола које је често тешко уклонити конвенционалним средствима. Мрље од воћних сокова, чаја или мастила понекад захтевају оксидансе или редуктансе, који реагују са групама које стварају боју како би их разградили на фрагменте растворљивије у води.

(4) Механизам хемијског чишћења

Горе наведене тачке се првенствено односе на прање водом. Међутим, због разноликости тканина, неки материјали можда неће добро реаговати на прање водом, што доводи до деформације, блеђења боје итд. Многа природна влакна се шире када су мокра и лако се скупљају, што доводи до нежељених структурних промена. Стога се за ове текстилне производе често преферира хемијско чишћење, обично употребом органских растварача.

Хемијско чишћење је блаже у поређењу са мокрим прањем, јер минимизира механичко дејство које би могло оштетити одећу. За ефикасно уклањање прљавштине у хемијском чишћењу, прљавштина се категорише у три главне врсте:

① Прљавштина растворљива у уљу: Ово укључује уља и масти, које се лако растварају у растварачима за хемијско чишћење.

② Прљавштина растворљива у води: Ова врста се може растворити у води, али не у растварачима за хемијско чишћење, а садржи неорганске соли, скробове и протеине, који могу кристалисати када вода испари.

③ Прљавштина која није растворљива ни у уљу ни у води: Ово укључује супстанце попут угљеничне чађи и металних силиката који се не растварају ни у једној ни у другој средини.

Свака врста прљавштине захтева различите стратегије за ефикасно уклањање током хемијског чишћења. Прљавштина растворљива у уљу се методолошки уклања употребом органских растварача због њихове одличне растворљивости у неполарним растварачима. За мрље растворљиве у води, довољно воде мора бити присутно у средству за хемијско чишћење, јер је вода кључна за ефикасно уклањање прљавштине. Нажалост, пошто вода има минималну растворљивост у средствима за хемијско чишћење, често се додају сурфактанти како би се помогло у интеграцији воде.

Сурфактанти повећавају капацитет средства за чишћење за воду и помажу у обезбеђивању растварања нечистоћа растворљивих у води унутар мицела. Поред тога, сурфактанти могу спречити стварање нових наслага прљавштине након прања, побољшавајући ефикасност чишћења. Мало додавање воде је неопходно за уклањање ових нечистоћа, али прекомерне количине могу довести до деформације тканине, што захтева уравнотежен садржај воде у растворима за хемијско чишћење.

(5) Фактори који утичу на процес прања

Адсорпција сурфактаната на површинским површинама и резултирајуће смањење међуповршинске напетости кључни су за уклањање течне или чврсте прљавштине. Међутим, прање је инхерентно сложен процес, на који утичу бројни фактори чак и код сличних врста детерџената. Ови фактори укључују концентрацију детерџента, температуру, својства прљавштине, врсте влакана и структуру тканине.

① Концентрација сурфактаната: Мицеле које формирају сурфактанти играју кључну улогу у прању. Ефикасност прања драматично се повећава када концентрација пређе критичну концентрацију мицела (КМЦ), стога детерџенте треба користити у концентрацијама вишим од КМЦ за ефикасно прање. Међутим, концентрације детерџената изнад КМЦ дају смањене приносе, што чини прекомерну концентрацију непотребном.

② Утицај температуре: Температура има значајан утицај на ефикасност чишћења. Генерално, више температуре олакшавају уклањање прљавштине; међутим, прекомерна топлота може имати негативне ефекте. Повећање температуре тежи да помогне распршивању прљавштине и такође може проузроковати да се масна прљавштина лакше емулгује. Међутим, код густо тканих тканина, повећана температура која узрокује бубрење влакана може ненамерно смањити ефикасност уклањања.

Температурне флуктуације такође утичу на растворљивост сурфактаната, карбометарну метаболички активну супстанцу (CMC) и број мицела, што утиче на ефикасност чишћења. За многе дуголанчане сурфактанце, ниже температуре смањују растворљивост, понекад испод њихове сопствене CMC; стога, одговарајуће загревање може бити неопходно за оптимално функционисање. Утицаји температуре на CMC и мицеле разликују се за јонске у односу на нејонске сурфактанце: повећање температуре обично повећава CMC јонских сурфактаната, што захтева подешавање концентрације.

③ Пена: Постоји уобичајена заблуда која повезује способност пењења са ефикасношћу прања — више пене не значи и боље прање. Емпиријски докази указују на то да детерџенти са мало пене могу бити подједнако ефикасни. Међутим, пена може помоћи у уклањању прљавштине у одређеним применама, као што је прање посуђа, где пена помаже у истискивању масноће или чишћење тепиха, где подиже прљавштину. Штавише, присуство пене може указати на то да ли детерџенти делују; вишак масноће може инхибирати стварање пене, док смањење пене указује на смањену концентрацију детерџента.

④ Врста влакана и својства текстила: Поред хемијске структуре, изглед и организација влакана утичу на приањање и тешкоће уклањања прљавштине. Влакна са грубом или равном структуром, попут вуне или памука, имају тенденцију да лакше хватају прљавштину од глатких влакана. Густо ткане тканине могу у почетку бити отпорне на накупљање прљавштине, али могу ометати ефикасно прање због ограниченог приступа заробљеној прљавштини.

⑤ Тврдоћа воде: Концентрације Ca²⁺, Mg²⁺ и других металних јона значајно утичу на резултате прања, посебно ањонских сурфактаната, који могу формирати нерастворљиве соли које смањују ефикасност чишћења. У тврдој води, чак и са одговарајућом концентрацијом сурфактаната, ефикасност чишћења је мања у поређењу са дестилованом водом. За оптималне перформансе сурфактаната, концентрација Ca²⁺ мора бити минимизирана на испод 1×10⁻⁶ mol/L (CaCO₃ испод 0,1 mg/L), што често захтева укључивање средстава за омекшавање воде у формулације детерџената.