洗涤原理及配方

我们在每天的生活中，都要在厨房和卫生间里接触大量的日常生活用品。早上起来洗脸刷牙要用香皂和牙膏；午饭过后收拾餐具要用洗涤剂；晚上冲凉洗衣服要用肥皂和洗衣粉等。那这和化学有什么联系？这其中的联系大着呢。只要生活中留心，就会发现日用品中有好多化学知识，化学就在我们身边。一、洗涤原理洗涤机制包括润湿作用和洗涤过程。1．润湿作用如果没有润湿作用，想把物体洗净是不可能的。润湿作用涉及有关表面的性质。通常吸附在衣物和皮肤上的污物如尘埃、煤烟、油渍、汗分泌物等，大都是疏水物质。丝、毛、棉、麻等动植物及人造纤维，虽然有的本身亲水（含多个羟基），但大都有一层油膜，故表面也多是疏水的。若要使被吸附的污垢与衣物表面分离，就要求洗涤剂分子一方面能“挤入”织物和污垢之间，在其界面形成一亲水的吸附层，使界面张力降低，因而削弱其粘附力。另一方面，洗涤剂分子又会渗进原来粘在一起的污垢的间隙和裂缝中把他们分散成更小的颗粒。这一作用就是润湿。液体对固体表面的润湿能力可用接触角θ来表示。所谓接触角就是指液滴在固体表面形成的角度。当θ＝0o时为完全润湿，θ＝90o为润湿，90～180o不润湿，180o完全不润湿。如水对几种面的接触角分别为：石蜡108o，羊毛哗叽141o，雨衣156±9o。可见水对这些物质都不润湿。2．洗涤过程（介质）洗涤的基本过程为：被洗物一污垢＋洗涤剂======被洗物＋洗涤剂－污垢此处的介质决定于是水洗还是干洗，水洗介质为水，干洗介质为有机溶剂。当然，关键是洗涤剂。除上述润湿作用外，还有：①机械作用。通常与起泡沫有关，借助揉搓及泡沫的活动，使污垢从纤维上脱落；②乳化作用。使污垢分散，不再回附于纤维；③增溶作用。污垢可能进入洗涤分子的胶束，最终脱离被洗物。洗涤剂的去污作用就是上述由降低界面张力而产生的润湿、渗透、起泡、乳化、增溶等多种作用的综合结果。也可以制备标准人工污布，测定其反光率，作为洗涤剂或一定洗涤过程去污能力的标度。二、洗涤剂的化学结构1．洗涤剂的一般组成洗涤剂是按专门配方配制的具有去污性能的产品。洗涤剂种类繁多，用途各异，其主要成分不外乎由表面活性剂和洗涤助剂两部分构成。表面活性剂是一种用量尽管很少但对体系的表面行为有显著效应的物质。它们能降低水的表面张力，起到润湿、增溶、乳化、分散等作用，使污垢从被洗物表面脱离分散到水中，然后再用清水把污物漂洗干净。洗涤助剂是能使表面活性剂充分发挥活性作用，从而提高洗涤效果的物质。2．表面活性剂的结构与种类迄今为止，表面活性剂已有2000多种。但它们的分子在结构上的共同特点是分子中同时带有双亲基团，即既带有亲水的极性基团（如羟基、羧基等），又带有疏水的非极性基团（如碳原子数≥8的烃基）。洗涤剂中常用的表面活性剂有脂肪酸盐、烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、脂肪醇硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚（平平加）等。它们分为离子型和非离子型两大类。①离子型。离子型又分为阴离子型、阳离子型和两性型三种。如作为普通肥皂的脂肪酸盐、大部分民用洗衣粉的烷基苯磺酸钠、用作化妆品原料的脂肪醇硫酸钠都是阴离子型；一些用作杀菌剂的铵盐如季铵盐（新洁尔灭）、叔胺（萨帕明A）为阳离子型；如可用作乳化剂、柔软剂的氨基酸盐（十二烷基氨基丙酸钠），它们在水中可离解成阴、阳两类离子，故称为两性型；②非离子型。这一类活性剂在水中并不离解出离子，而是以分子状态存在，比如一些山梨醇的脂肪衍生物大多制成液态洗净剂或洗涤精（如斯盘、吐温）；一些酰胺（主要有烷醇酰胺，又名尼诺尔）制为液体合成洗涤剂，去污力强，多作泡沫稳定剂；还有一些聚醚类如丙二醇与环氧乙烷加成聚合而得的低泡沫洗涤剂（如上海美加净）等。3．洗涤助剂助剂的选择、配比必须与表面活性剂的性能相适应。选择适当的助剂可大大影响洗涤剂的效果。主要助剂及作用如下：①三聚磷酸钠（Na5P3O10）。俗称五钠，为洗涤剂中最常用的助剂，配合水中的钙、镁离子，造成碱性介质有利油污分解，防止制品结块（形成水合物而防潮），使粉剂成空心状；②硅酸钠。俗称水玻璃，除有碱性缓冲能力外，还有稳泡、乳化、抗蚀等功能，亦可使粉状成品保持疏松、均匀和增加喷雾颗粒的强度；③硫酸钠。其无水物俗称元明粉，十水物俗称芒硝；在洗衣粉用量甚大（约40％），是主要填料，有利于配料成型；④羧甲基纤维素钠。简称CMC，可防止污垢再沉积，由于它带有多量负电荷，吸附在污垢上，静电斥力增加；⑤月桂酸二乙醇酰胺。有促泡和稳泡沫作用；⑥荧光增白剂。如二苯乙烯三嗪类化合物，配入量约0.1％；⑦过硼酸钠。水解后可释出过氧化氢，起漂白和化学去污作用，多用作器皿的洗涤剂；⑧其它。如磷酸盐的代用品等。三、牙膏牙膏问世前，人们用牙粉刷牙。牙粉是碳酸钙和肥皂粉的混合物，其功能只是保持牙齿清洁，除去污渍。牙粉pH值高，会引起口腔组织发炎。第二次世界大战以后，有治疗作用的牙膏才纷纷上市。尤以合成去垢剂代替肥皂的牙膏深受大众青睐。这种清洗剂不仅能明显减少口腔炎症，还使牙膏气味清香，更有抑制引起蛀牙的菌斑酸的作用。l．防治龋齿20世纪50年代初，一些流行病学研究指出，氟化物具有阻止龋齿的作用。于是，1955年出现了添加氟化亚锡的牙膏。后来，一氟磷酸钠代替了氟化亚锡，成为世界上研究最广泛的氟化物。如今被添入牙膏预防龋齿的氟化物还有氟化钠和氟化胺类。专家们普遍地认为，当提供的氟离子的浓度相等时，所有这些氟化物防治龋齿的作用是相同的。龋齿是由于发生在牙釉质上．也可能是局部地发生在牙釉下面的牙本质里的去矿化作用引起的。去矿化作用就是有机酸穿透牙釉质表面使牙齿的矿物质一羟（基）磷灰石溶解。这些酸是由口腔细菌在糖代谢或可酵解的碳水化合物代谢过程中释放出来的。由于细菌在牙齿表面形成一层粘附着的膜——齿斑（或称菌斑），细菌制造的酸能够长时间地跟牙齿表面密切接触，因此，羟磷灰石被酸溶解，生成磷酸氢根离子和钙离子向齿外扩散，被唾液冲走。不过，即使去矿化作用的酸存在于牙齿表面的齿斑里，却有证据表明，龋齿是在牙齿的釉表质下面开始的。饮水、食物和牙膏里的氟离子会跟羟磷灰石反应生成氟磷灰石。溶解度研究证实，磷灰石比羟磷灰石更能够抵抗酸的侵蚀。据研究，牙釉质表层60微米厚度里，氟磷灰石的含量是釉内层10倍，细菌分泌的酸通过微小的孔洞进入牙齿的釉质，从而引起含氟磷灰石较少的内层牙质的矿化。临床观察表明，含氟牙膏能通过沉积氟磷灰石使白斑再矿化。氟离子也能减少蛀牙，因为它比起较大的氢氧根离子在磷灰石晶体结构里更匹配，还因为它能抑制口腔细菌产酸。含氟牙膏已经使全世界千千万万的人减少龋齿，使大家的牙齿保持得更长久。然而不幸的是老年人会发生牙龈萎缩，使牙根暴露，从而使牙根表面的蛀洞增多。这种龋齿可使用含氟牙膏后再请医生涂抹一种含氟胶来制止。2.预防齿质过敏牙膏化学的第二个进展是预防牙质过敏引起的酸痛。牙质过敏是因暴露的牙质（羟磷灰石和胶原）表面受到热、渗透、碰击或者吸入的空气的刺激引起的酸痛。通常牙根被牙龈覆盖。但当牙龈萎缩，牙根表面覆盖着的牙骨质的外表层就会暴露出来。食物和口腔细菌的酸可以使牙本质的微孔或小管在牙骨质表面开口，从而导致过敏。牙骨质小管里面充满着液体，冷热的刺激会使液体热涨冷缩，刺激底下的牙髓神经并引起酸痛。含钾盐和锶盐的牙膏可以起到预防性治疗的作用。锶盐会封闭开口的孔道从而阻止酸痛。据研究，硝酸钾等药剂可以变更牙髓神经的受激阈来减弱神经活性。在一支牙膏里，既含硝酸钾又含一种能够很好地附着牙表性能的含氟共聚物，就可以起到这种作用。从电子显微镜照片上可以看到，用这种牙膏做的体外试验确实把开口的牙质小管道封闭起来了。这种方法的不足之处是需要在2～4星期后才会有显著效果。因此，仍需要寻找一种速效材料来防治牙质过敏。3．消除牙垢含氟牙膏防治龋齿的成功，使药物牙膏的研究焦点向其他问题转移，例如开始研究如何防治在牙齿表面形成牙垢的问题。牙垢又叫牙石，主要成分是二水合磷酸钙。据美国国立牙病防治研究所统计，34％的学龄儿童和20％—30％的成年人在牙眼线以上有牙垢，而60％—65％的成年人在牙龈线以下有牙垢。如今除去牙垢的惟一方法仍然是机械刮除，这种方法既费时又难免痛苦。令人惊奇的是磷酸钙沉积只发生在口腔内，尽管人的许多体液如血液、唾液及其他分泌物都是被钙和磷酸盐饱和的，推测其原因，可能是人体的其他体液里含有一种天然的阻抑剂，可以防止磷酸钙沉积，不过这种天然的阻抑剂人们还尚未了解。近期的研究则指出，除非碱金属磷酸酶被抑制，否则将形成牙垢。酶的活性越高，形成牙垢的倾向越强。直到近年，才开发出一种有效的碱金属磷酸酶抑制剂——乙烯甲醚和马来酸的共聚物。这一聚合物还有如下优良性质：安全，因为它曾被用作牙科粘结剂；在口腔里的存留时间与焦磷酸盐相同甚至更长；聚合物能够很好地附着在湿的牙面上。临床研究表明，焦磷酸盐、聚合物和氟化物的结合是人的牙垢的有效抑制剂，使用3个月后能够减少30％～50％的牙垢。这种混合物为什么能够抑制牙垢的生成呢？这是由于唾液是钙和磷酸盐的来源，当这些离子到达牙的菌斑或牙表时就会生成一个牙垢的晶种，牙垢的化学组成和牙齿是相似的，因此，用化学方法是不能把它溶解的。牙膏里加进焦磷酸盐、共聚物和氟化钠后，它们会攻击牙垢的生成并使它溶解，将磷酸钙回收，现在全世界都在牙膏里加进这种混合物来预防牙垢的生成。此外，在牙膏里添加锌盐也能防治牙垢，它们可以置换磷酸钙里的钙从而抑制牙垢的晶体的生长。4．杀菌剂牙膏化学的第四个方面是杀菌剂问题。口腔细菌形成的齿斑具有高度有序的结构，虽然细菌通常并不危害牙床组织，但其产物会引起组织的病理变化。添进牙膏的杀菌剂的品种曾有抗菌素、防腐剂和抗炎药等，但是效果不好，且有明显的副作用，概括地说，它们会扰乱口腔微生物的正常生态环境。事实上，如果每天刷两次牙，99％的细菌就会被杀死，但抑制菌斑生成的作用则仅6小时。菌斑的生成是一个持续不断的过程，饮食，甚至接吻总会招致重新感染的机会。因此，杀菌作用不是仅仅为了防止菌斑的生成。有效的抗菌剂应当具有活性，能够存留在口腔里和牙齿上，味道纯正，低毒并且不扰乱口腔的正常微生物的生态环境。现已发现一类非离子型化合物，杀灭口腔细菌的效果很好。它不会污染牙齿，也不会影响味觉。但该药物在口中的存留时间尚不够长。为改善存留时间，开发了一种特殊聚合物，它能够在12小时内渐渐地释放出上面所说的活性非离子型化合物。含这种聚合物的牙膏已经做过许许多多临床试验，现已进人80多个国家的市场。四、肥皂1．肥皂的历史衣服穿久了会变脏，带有油污的衣服是滋生细菌的温床，脏东西还会毁坏衣物纤维。所以衣服要勤洗勤换，正如我们要天天洗脸一样。古时候，人们在河边青石板上，将衣服折叠好，反复用木棒捶打，靠清水的力量洗去污垢。这样效果不够好，还很费力。后来有人发现有一种天然碱矿石，溶化在水里滑腻腻的，去油污还挺有效。皂英树结的皂英果，泡在水里也可用来洗衣服。如果当地既无天然碱，又不长皂英树，烧一把稻草、麦秆或桨禾，把草木灰浸到水里，用布过滤出水来。这种草木灰里含有碳酸钾，和天然碱的水溶液一样，也能洗掉油污。古时候的高卢人（即现在法国）用草木灰、山羊油和水制成一种粗肥皂。稍后一些时候，人们将猪油拌合天然碱，反复揉搓挤压，得到跟今天肥皂差不多的“猪胰子皂”。说不定，现在的老年人还用过这种猪胰子皂呢！难怪有些地方至今仍称肥皂为“胰子”。我们现在用的肥皂是从工厂的大锅里熬出来的。制皂工厂的大锅里盛着混合油脂（以硬化油为主，混合一定比例的牛油、猪油或椰子油），然后加进烧碱（氢氧化钠）用火熬煮。油脂和氢氧化钠发生化学反应，生成肥皂和甘油。因为肥皂在浓盐水中不溶解，而甘油在盐水中溶解度很大，所以当熬煮一段时间后，倒进去一些食盐细粉，大锅里便浮出厚厚一层黏黏的膏状物。用刮板把它刮到肥皂模型盒中，加入一定量的水玻璃、松香等填料，冷却以后就结成一块块的肥皂了。2.多种多样的肥皂我们常见到的肥皂种类多种多样，有黄色的洗衣皂、红色的药皂、五颜六色的香皂。它们都是肥皂，从制造的原料和生产的原理来看是相同的，都是利用动物油、植物油和碱为原料经皂化反应制成的。不同点是它们对原料的要求不尽相同，生产洗衣皂是各种动、植物油和