洗涤剂的去污原理与成分

第二章洗涤剂的去污原理与成分表面活性剂的分子结构特点、作用及洗涤剂去垢作用原理。洗涤剂洗涤剂是人们日常生活和工作中的必需品，长期以来在保护人类健康、清洁环境方面及工业生产中起着十分重要的作用。洗涤剂种类繁多，各成系列。主要分为民用洗涤剂和工业用洗涤剂。民用洗涤剂包括个人卫生清洁剂、衣物用洗涤剂和家庭日用清洁剂。第一节洗涤剂的去污原理一、洗涤原理1.污垢的来源2.污垢在物体表面的存在方式3.去污原理污垢的来源污垢来自人们的生存环境诸如人体分泌、空气传播以及生活工作需要的接触三方面。污垢的分类根据污垢的特性分油质污垢固体污垢水溶性污垢按结合力分化学结合力物理结合力织物·污垢+洗涤剂→织物+污垢·洗涤剂洗涤原理影响去污作用的因素1.表面活性剂结构2.水的硬度3.机械作用4.织物类型5.温度6.泡沫洗涤剂的主要成分洗涤剂是按一定的配方配制的产品，配方的目的是提高去污力。洗涤剂配方的必要组分是表面活性剂，其辅助成分包括助剂、泡沫促进剂、配料、填料等。洗涤剂中表面活性剂在洗涤剂中，表面活性剂一般作为洗涤成分，但在某些配方中也用作辅助原料，起乳化、润湿、增溶、保湿、润滑、杀菌、柔软、抗静电、发泡、消泡等作用。按用量和品种，用的最多的是阴离子表面活性剂，其次是非离子表面活性剂，两性表面活性剂很少使用。阳离子表面活性剂，由于它在纤维上的吸附大、洗涤力小，且价格昂贵，不适合用于洗涤剂，有时在洗涤剂中加入阳离子表面活性剂主要是为了使洗涤剂具有杀菌消毒能力或起柔软作用。表面活性剂定义：表面活性剂是指在加入少量时就能显著降低溶液表面张力并改变体系界面状态的物质。表面活性剂达到一定浓度后可缔合形成胶团，从而具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。表面活性剂的分子结构特点分子的一端是由一个较长的烃链组成的，它是憎水性，能溶于油但不能溶于水中，因此称为憎水基或亲油基；分子的另一端是较短的极性基团，它能溶于水中而不能溶于油中，称为憎油基或亲水基。表面活性剂的性质和作用表面张力液体的表面张力来源于物质的分子或原子间的范德华力。表面张力是由于表面分子和液体内部分子所处的环境不一样形成的。σlgσsgθσsl图2-1液体的接触角S－固相；L－液相；G－气相；－接触角；x－三相接触线上任一点；－固-气界面张力；－液体表面张力－固－液界面张力θσlgσsgσsl表面活性剂的有关概念表面活性剂在分子结构上的特点，是兼含有很强的亲水性和疏水性（或称憎水性、亲油性）基团。界面吸附临界胶束浓度亲水亲油平衡值HLB临界胶束浓度表面活性剂开始形成胶束的浓度为临界胶束浓度，简称CMC。当溶液浓度低于CMC时，由于表面活性剂分子的界面吸附和在界面上定向排列，溶液的表面张力随浓度的增高而迅速降低，其使用性能亦相应地提高。直至达到CMC时，表面活性剂已在溶液的界面上排列成单分子膜，此时表面张力降至最低点。此后活性物浓度的增高对于表面张力和使用性能的影响不大。因此CMC是反映表面活性剂的一个重要指标。表面张力渗透力CMC表面活性剂浓度去污力起泡力溶液性质图2-3表面活性剂浓度与溶液性质的关系亲水亲油平衡值HLB表面活性剂的应用性能取决于分子中亲水和亲油两部分的组成和结构，这两部分的亲水和亲油能力的不同，就使它的应用范围和应用性能有差别。表面活性剂分子中亲水基的强度与亲油基的强度之比值，就称为亲水亲油平衡值，简称HLB值。表面活性剂的分类和应用性能一、表面活性剂的分类通常按离子类型分类：在水中能电离而生成离子的叫离子表面活性剂；不能电离的叫非离子表面活性剂。在离子表面活性剂中，亲水基团带有负电荷的叫阴离子表面活性剂；亲水基团带有正电荷的叫阳离子表面活性剂。视溶液酸碱度不同而离解成阴离子或阳离子的则称为两性表面活性剂。表面活性剂的应用性能表面活性剂因能对两相界面性质产生影响，在实际应用中能显示出各种优异的性能，如乳化、洗涤、分散、湿润、渗透、起泡、消泡、增溶、去污、柔软、抗静电等。阴离子表面活性剂一、烷基磺酸盐1、烷基苯磺酸盐CCH2CH2CHCH3CHCHCH3CH3CH3CH3CH3SO3NaTPSSO3NaCH(CH2)CH2(CH2)yCH3CH3xLASx+y=6~92、仲烷烃磺酸盐（SAS）SAS有与LAS类似的发泡性和洗涤效果，且水溶性好。其主要用途是复配成液体洗涤剂，如液体家用餐具洗涤剂。SAS的缺点是，用它作为主要成分的洗衣粉发粘、不松散。因此只用于液体配方中。RCH2R1SO3Na用于制造洗涤剂的烷基苯中烷链长度一般为C10~C13。链较短者溶解度大，可用于配置液体洗涤剂，用于洗衣粉时，多为C12~C13烷基苯。烷基苯磺酸钠亲水基团为磺酸基与疏水基团烷基苯间连接是C-S键，因而它的耐水解稳定性很好，在热的酸或碱中很稳定。3、α-烯烃磺酸盐（AOS）AOS与LAS的性能相似。但对皮肤的刺激性稍弱，生化降解的速度也稍快。由于它的生成工艺简便，原料成本低廉，因此，AOS一直有很大的吸引力。AOS的主要用途是配制液体洗涤剂和化妆品。二、硫酸盐1、脂肪醇硫酸盐（FAS）又叫烷基硫酸盐。这类活性剂中最重要的品种是基于椰子油的C12~C14和基于牛油的C16~C18烷基硫酸盐，如十二烷基硫酸盐（月桂醇硫酸盐）。它们的抗硬水性较好，但耐水解能力较差，尤其在酸性介质中，易水解成脂肪醇与硫酸盐。FAS的主要用途是配制液状洗涤剂、餐具洗涤剂、各种香波、牙膏、纺织用润湿和洗净剂以及化学工业中的乳化聚合。此外，粉状的FAS可用于配制粉状清洗剂、农药用润湿粉剂。2、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐（AES）脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐又称脂肪醇硫酸盐。由于分子中加入了乙氧基使其具有很多优点，如抗硬水性强，泡沫适中而稳定，溶解性好。缺点是在酸性和强碱性条件下不稳定，易于水解。AES采用C12～C14的椰油醇为原料，有时也用C12～C16醇，与2～4分子环氧乙烷缩合。再进一步进行硫酸化，中和可用氢氧化钠、氨或乙醇胺。阳离子表面活性剂所有工业上的阳离子表面活性剂都是有机胺的衍生物。它们大致可分为两类：一类是胺盐型阳离子表面活性剂；另一类则是季铵盐型阳离子表面活性剂，在化合物本身的分子中带有正电荷。阳离子表面活性剂很少作清洗用。主要用作抗静电剂，织物的柔软剂。此外，阳离子表面活性剂也可用于防霉和杀菌。两性表面活性剂两性表面活性剂基本不刺激皮肤和眼睛；在相当宽的pH值范围内都有良好的表面活性作用；它们与阴离子、阳离子、非离子型表面活性剂都可以兼容。由于以上特性，可用作洗涤剂、乳化剂、润湿剂、发泡剂、柔软剂和抗静电剂。主要品种：甜菜碱衍生物、氨基酸衍生物。非离子表面活性剂非离子表面活性剂因在水中不电离以及能够精细地改变分子结构而具有独特的性质。非离子表面活性剂去除油性污垢的能力很强，而且具有防止污垢在合成纤维表面再沉积的能力。它们的临界胶束浓度也比离子型表面活性剂低一到二个数量级。1、聚氧乙烯醚（1）脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）脂肪醇聚氧乙烯醚是近代非离子型表面活性剂中最重要的一类产品。目前几乎在各类洗涤剂中，都或多或少用到这类表面活性剂。++C14H29OHC14H29(OCH2CH2)OHCH2CH2OnnC7H15CHC6H13OHCH2CH2OnC7H15CHC6H13(OCH2CH2)OHn（2）烷基酚聚氧乙烯醚烷基酚聚氧乙烯醚在非离子型表面活性剂中仅次于AEO，占第二位。其中最重要的是壬基酚聚氧乙烯醚，商品牌号为乳化剂OP系列产品。它具有优良的洗涤性能，价格较低。缺点是生物降解性差，对鱼类有毒性。2、酰胺型这是由脂肪酸和乙醇胺缩合制得的一类非离子表面活性剂。最常用的品种是月桂酸单乙醇酰胺和月桂酸二乙醇酰胺。前者的水溶性较差，主要在液体类产品中用作增稠剂；后者常用作稳泡剂和助洗剂。3、多元醇型第三节洗涤助剂助剂与表面活性剂配合，能够发挥各组分互相协调，互相补偿的作用，进一步提高产品的洗净力，使其综合性能更趋完善，成本更为低廉。洗涤助剂分为无机和有机助剂两类。洗涤助剂种类很多，大部分为专用产品，其在洗涤剂中的使用频率和重要性不亚于主表面活性剂。洗涤助剂有以下的一些作用：（1）增强表面活性，增加污垢的分散、乳化、增溶，防止污垢再沉积。（2）软化硬水，防止表面活性剂水解，提高洗涤液碱性，并有碱性缓冲作用。（3）改善泡沫性能，增加物料溶解度，提高产品粘度。（4）降低皮肤的刺激性，并对纺织品起柔软、抑菌、杀菌、抗静电、整饰等作用。（5）改善产品外观，赋予产品美观的色彩和优雅的香气，从而使消费者喜爱选用，提高商品的商业价值。1.无机助剂（1）磷酸盐常用的磷酸盐有磷酸三钠、三聚磷酸钠、焦磷酸四钾。合成洗涤剂中最常用也是性能最好的螯合剂是三聚磷酸钠。磷酸盐的污染及其代用品传统的合成洗衣剂都含有三聚磷酸盐(STTP)的成分，其含量在15%～30%之间。然而，“磷”是造成水体富营养化的罪魁祸首，因为磷是一种营养物质，它可以造成水中藻类的疯长。而大量藻类又会消耗水中的氧分，造成水中微生物缺氧死亡、腐败，水体失去自净功能从而破坏水质。作为有磷洗涤剂中的“磷”造成水体富营养化已被国内外环保专家所公认。含磷洗衣粉的污染问题已经引起了世界各国的普遍重视。很多国家提出了禁磷和限磷措施，并在不断地研究和开发三聚磷酸盐的替代品，取得了不少成果，其中比较有效的助剂有：有机螯合助剂，如二乙胺四醋酸(EDTA)、氮川三醋酸(NTA)、酒石酸钠、柠檬酸盐、葡萄糖酸盐等；高分子电解质助剂，如聚丙烯酸盐以及人造沸石等。目前普遍认为，人造沸石是比较有发展前途的洗涤助剂。（2）硅酸钠硅酸钠（Na2O·nSiO2）通常称为水玻璃或泡花碱，水玻璃的水溶液相当于由硅酸钠与硅酸组成的缓冲溶液。水玻璃在溶液中能控制pH值、贮存碱性物质，起到减少洗涤剂消耗和保护织物的作用。此外，水玻璃还具有悬浮力、乳化力和泡沫稳定作用，起到阻止污垢在被洗物上再沉积的作用，并对金属（如铁、铝、铜、锌等）具有防腐蚀作用。制造粉状洗涤剂时，加入水玻璃能使产品保持疏松，防止结块，增加颗粒的强度、流动性和均匀性。（3）漂白剂洗涤剂中加入的漂白剂主要是次氯酸盐和过酸盐两大类。次氯酸盐主要用次氯酸钠，分子式NaClO，为白色粉末，稳定性差，易受光、热与重金属和pH值的影响。次氯酸钠易溶于水，生成氢氧化钠和新生态氧，氧化力很强，具有刺激性。过酸盐主要是过硼酸钠和过碳酸钠，常在粉状洗涤剂生产的后配料工序加入，用量一般占粉质量的10%～30%。2.有机助剂（1）羧甲基纤维素钠（CMC）羧甲基纤维素钠最重要的作用是携污作用。如果在洗涤剂中加入1%～2%的CMC，则在洗涤时CMC被吸附在被洗物表面，同时也被吸附在污垢粒子的表面上，使二者都带上负电荷。在同性电的相互排斥作用下，污垢就难以重新沉积到被洗物的表面上。另一方面，CMC还具有增稠、分散、乳化、悬浮和稳定泡沫的作用。这些作用能使污垢稳定地悬浮于洗涤液中，更不容易再发生沉积。（2）泡沫稳定剂与泡沫调节剂高泡洗涤剂在配方中常加入少量泡沫稳定剂，使洗涤液的泡沫稳定而持久。烷醇酰胺又称脂肪醇酰胺，属非离子型表面活性剂。在洗涤剂的配方中，它的主要作用是增稠和稳定泡沫，兼有悬浮污垢防止其再沉积的作用。在与主要活性物间的互相配合下，其脱脂力（乳化动植物油脂及矿物油的能力）有显著的提高。较常使用的烷醇酰胺品种是月桂醇二乙醇胺以及椰子油二乙醇胺。低泡洗涤剂在配方中需加入少量泡沫调节剂，常用的有二十二烷酸皂或硅氧烷，使水液消泡或低泡。（3）酶酶是一种生物制品，无毒并能完全生物降解。酶作为洗涤剂的助剂具有专一性，洗涤剂中的复合酶能将污垢中的脂肪、蛋白质、淀粉等较难去除的成分分解为易溶于水的化合物，因而提高了洗涤剂的洗涤效果。因此，在洗涤剂中添加酶制剂可以降低表面活性剂和三聚磷酸钠的用量，使洗涤剂朝低磷或无磷的方向发展，减少对环境的污染。已商品化