شیمی مواد شوینده

شیمی مواد شوینده

در فرمولاسیون مواد شوینده معمولاً از موادی مثل سدیم لوریل اترسولفات ٬ تری اتانول آمین ٬ کوکامیدو پروپیل بتائین ٬ صابون ٬ پاک کننده های سنتزی مثل آلکیل سولفات ها ٬ آلکان سولفونات ها ٬ آلکیل آریل سولفونات ها ٬ سدیم لوریل سولفات ٬ سدیم دودسیل بنزن سولفونات به عنوان سورفکتانت یا شوینده اصلی استفاده می شوند. پربورات ها برای ویژگی سفیدکنندگی و رنگ بری اضافه می شوند. سیلیکات ها عامل قلیایی کننده هستند.

ایمنی مواد شوینده :

تماس مواد شوینده با پوست مخصوصاً پوست دست می تواند منجر به خشکی و همچنین عارضه اگزمای پوست دست یا اگزمای خانم های خانه دار شود. بخارات برخی از مواد شوینده ٬ تحریک کننده چشم می باشد. جذب پوستی و وارد شدن مواد شوینده به داخل معده می تواند منجر به ایجاد بیماری هایی مثل سرطان شود. در هنگام کار با مواد شوینده ٬ استفاده از نکات ایمنی درج شده روی بسته بندی محصولات ٬ حائز اهمیت است.

دو نکته مهم را در هنگام کار با مواد شوینده در نظر داشته باشید:

  1. ازدستکش استفاده کنید.
  2. موادشوینده را روی یکدیگر نریزید و با یکدیگر قاطی نکنید. بسیاری از این مواد با یکدیگر سازگاری ندارند. برخی خانم های خانه دار برای تمیز شدن بیش از حد کف حمام و توالت ٬ یک بار از مایع اسیدی توالت شو استفاده می کند که نام دیگر آن جوهر نمک است و یک بار روی آن وایتکس یا بلیج می ریزند. توجه داشته باشید که در اثر واکنش مواد داخل وایتکس و جوهر نمک ٬ گاز کلر تشکیل می شود که در بسیاری از مواقع موجب خفگی شده است.

تئوری شوینده ها:

چکیده: اگرچه مواد شوینده معمولاً با روش های آزمون و خطا فرمول بندی می شوند و با استفاده از تئوری نمی توان بسیاری از مشکلات را حل کرد ٬ اما با این حال برای درک بهتر عملکرد شوینده ها ٬ دانستن تئوری شوینده ها کمک زیادی می کند. پدیده جذب ٬ کشش سطحی ٬ پدیده میسل ٬ خیس کنندگی شوینده ٬ پراکنده سازی ٬ کف کنندگی و امولسیون کنندگی شوینده ها از خواصی هستند که رفتار یک شوینده را توجیه می کنند.

فرمولاسیونهای دارای مواد شوینده و به خصوص شوینده های ترکیبی ٬ به وسیله آزمون و خطا ساخته شده اند و تئوری ٬ تنها نتایج مشاهده شده را تفسیر می کند. استفاده از تئوری یک راه سریع و آسان برای حل مشکلات نیست ولی با این حال نیاز به موارد تئوری جهت درک بهتر عمل مواد شوینده کاملاً ملموس است. بدین وسیله می توان خیلی سریع تر و دقیق تر شوینده صحیح و ترکیبات دیگر را جهت ایجاد یک فرمولاسیون انتخاب کرد.

در ادامه جهت توضیح مبانی تئوری شوینده ها ٬ از فرم های تصویری بیش از فرمول های ریاضی استفاده می شود. زیرا درک و تجسم در این شرایط بهتر صورت می گیرد. خواص کلی مشخص کنندۀ یک شوینده به شرح زیر می باشد:

✓ جذب

✓ کشش سطحی

✓ میسل ها

✓ رطوب کردن ذرات جامد

✓پراکنده سازی/ متراکم سازی ذرات جامد

✓ کف کنندگی/ کف زدایی

✓ امولسیون کنندگی/ امولسیون زدایی

مطالعات بسیار زیادی در زمینه ارتباط بین ساختار مولکولی شوینده ها و خواص آن ها صورت گرفته است. در این فصل هدف نشان دادن این مطلب است که هر ساختار شیمیایی خاصی دارای خواص ویژه ای می باشد. در فصول دیگر ارتباط تجربی بین ساختار و خواص ٬ مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

یک فرمولاتور خوب یک تصویر ذهنی از این ارتباط که در اثر آزمون و خطاهای انجام داده به وجود آمده ٬ در ذهن خود ایجاد می کند. نگرش تئوری ٬ توانایی درک و استفاده از چنین ارتباطهایی را به شکل قانونمندتر به شخص می دهد. اما این نگرش توانایی حل هر مشکلی را نداشته و به معنای عدم نیاز به تجربه های عملی نخواهد بود. اکنون تئوری رفتار مواد شوینده یکی از شاخه های وسیع در شیمی فیزیک بوده و در ۳۰ سال اخیر به عنوان یکی از زمینه های تحقیقات بنیادی مورد توجه قرار گرفته است. دلیل عمده این امر امکان کوتاه کردن طول زنجیره های روغنی در دهه ۱۹۷۰ بود که منجر به استفاده از شوینده ها جهت افزایش راندمان بازیافت روغن شد. در این حین مشخص گردید اطلاعات تئوری موجود جوابگوی توجیه رفتار پیچیده مولکولهای شوینده در مقیاس میکروامولسیون ها نیست. به علاوه امروزه اهمیت رفتارهای شیمی فیزیکی شوینده ها در زمینه های بیوشیمیایی و مطالعات رفتارهای سلولی افزایش قابل توجهی داشته است. با این حال ایده های بنیادی ذکر شده در این فصل ٬ برای استفاده کننده های عملی و فرمولاتورها مناسب خواهد بود.

دو مفهوم بنیادی وجود دارد که لازم است جهت توجیه اکثر پدیده های مشاهده شده به خوبی درک شوند:

  • جذب یک شوینده بر روی یک سطح
  • تشکیل میسل ها در محلول

این دو پدیده ٬ شوینده ها را از بقیه ترکیبات شیمیایی مجزا می کند. جذب بر روی سطوح است که به مولکول های شوینده ٬ اثراتی همچون کف کنندگی ٬ مرطوب کنندگی ٬ امولسیون کنندگی ٬ پخش کنندگی (دیسپرس کنندگی) ذرات جامد و شویندگی را می دهد و خواص میسل است که خواص محلول و توده ایی مولکول های شوینده نظیر ویسکوزیته و حلالیت را ایجاد میکند.

میسل چیست؟

چکیده: میسل ها توده های کروی هستند که قسمت درونی آن ها هیدروکربنی است.

غلظتی از شوینده که در آن اولین میسل ها تشکیل می شوند ٬ غلظت بحرانی میسل نام دارد.

اندازه میسل با کمیتی به نام عدد تجمع اندازه گیری می شود.

غلظت کمی از مولکول های یک شوینده را در یک محلول رقیق تجسم کنید که بیشتر آن ها در سطح بین هوامایع جذب می شوند. اگر شروع به افزودن ماده شوینده به این محلول بکنیم ٬ غلظت آن تا حد اشباع شدن سطح مذکور افزایش خواهد یافت و کشش سطحی ثابت خواهد شد (به نزدیکی یک حد ثابت می­رسد.) اگر باز هم شوینده زیادتری اضافه کنیم ٬ مولکول های شوینده درون محلول باقی خواهند ماند ولی باز هم سرهای آبگریز آن ها از محیط آبکی دفع می شود. آن ها می توانند توده هایی کروی به نام میسل ایجاد کنند که قسمت درونی این میسل ها به یک فاز مجزای هیدروکربنی شباهت دارد.

غلظتی که در آن اولین میسل ها تشکیل می شوند غلظت بحرانی میسل نام دارد (CMC) . این میسل ها به عنوان مولکول های بزرگی عمل کرده و بر دو خصوصیت مهم اثر می گذارند:

۱. حلالیت روغن ها و هیدروکربن های آبی در محلول های آبکی.

۲. ویسکوزیته اندازه میسل به وسیله عدد تجمع اندازه گیری می شود که این عدد بیانگر تعداد مولکولهای ماده شوینده شرکت کرده در یک میسل است . چندین نکته جالب اول از همه اینکه بر خلاف انوع آنیونی و کاتیونی ٬ شوینده های غیریونی میسل های بسیار بزرگتری

تشکیل می دهند. ممکن است تصور کنید خواصی مانند ویسکوزیته یا حلالیت که به اندازه میسل وابسته است ٬ دلیلی بر وجود این میسل های بزرگ شوینده های غیرینی باشد. در عمل نیز همین طور است زیرا شوینده های غیریونی در حل کردن روغن های هیدروکربنی بسیار کارآمد هستند. دومین نکته قابل توجه رفتار غیرعادی شوینده های غیریونی با تغییرات دمایی می باشد. در شوینده های قطبی ٬ افزایش دما به دلیل افزایش دادن انرژی جنبشی مولکول ها ٬ تمایل آن ها جهت تجمع و متراکم شدن را کاهش می دهد. برای انواع غیر یونی نیز این قانون صادق است ولی از طرفی افزایش دما باعث شده که گروه اتوکسیدی (EO) مولکول های آب اطراف خود را از دست بدهد که نتیجه آن کاهش قطبیت مولکول و تمایل بیشتر آن برای تجمع کردن خواهد بود. غیر یونی ها این انباشتگی را تا زمانی که به صورت نامحلول درآیند ٬ ادامه می دهند.

چرا میسل به شکل یک کره ایجاد می شود؟

به نظر می رسد برای اکثر مولکول های شوینده ٬ این حالت از نظر ترمودینامیکی بهترین فرم است ٬

البته این امر بستگی به اندازه نسبی قسمت آبدوست و آبگریز مولکول دارد. کره شکل متداول میسل برای اکثر شوینده ها در غلظت هایی بیش از غلظت بحرانی میسل (CMC) می باشد که مقدار آن برای بیشتر شوینده ها زیر ۱% است ٬ بنابرین میسل کروی فقط در نزدیکی نقطه CMC یک شکل صحیح برای مولکول های شوینده خواهد بود.

هنگامی که غلظت از این حد افزایش یابد (که بسیاری از شوینده ها نیز در این غلظت های بالا تولید و فروخته می شوند)

مثلاً ۲۵% برای مایعات شوینده فعال و ۱۵% برای شامپوها ٬ محلول حاصل رفتارهای عجیبی از نظر حلالیت و ویسکوزیته از خود نشان می دهد. علت تغییر شکل میسل ها به دلیل کاهش فضای آزاد برای آن ها است.

اولین تغییر شکل تغییر میسل های کروی به میسل های لایه ای است که می تواند به صورت فصحاتی لایه لایه و یا استوانه هایی بلند باشد. اشکال استوانه ایی غیرکروی مشابهی نیز در محلول های رقیق تر تشکیل می شوند که مختص شوینده های خاصی با زنجیره آبگریز بلند و یا مولکول هاییی که کانتر یون ( یون بار مخالف ) آن ها پیوند محکمی با خود مولکول شوینده دارد ٬ می باشند.

محلول شوینده ها با مسیل های کروی همانند سیالات نیوتونی رفتار می کنند؛ ویسکوزیته آن ها مستقل از درجه برش (SHEAR RATE) بوده و تفاوت زیادی با اب ندارند. تغییر نوع میسل از کروی به صفحه ایی یا استوانه ایی باعث افزایش شدید ویسکوزیه و تغییر ماهیت این محلول ها به سیالات غیرنیوتونی می شود ٬ که به درجه برش بستگی دارد. در یک غلظت خاص محلول به حدی ویسکوز شده که به ژل تبدیل می شود. معمولاً مسیل های استوانه ایی در غلظت های متوسط شکل گرفته و بیشترین ویسکوزیته را ایجاد می کنند. در غلظت های بالاتر مسیل های لایه ایی ایجاد شده که مولکول های آب در بین لایه های دولایه ای مولکول های شوینده به دام افتاده اند. بنابراین در محلول های آبی ٬ بسیری از شوینده ها در غلظت های پایین قابلیت انحلال دارند ( کمتر از ۲۵ تا ۳۵ درصد) و محلول های شدیداً ویسکوز و ژل مانندی در غلظت های نسبتاً بالا ( ۶۰ تا ۸۰ درصد) ایجاد کرده که این روند تا غلظت های ۷۰ الی ۹۰ درصد به همین صورت می باشد.

مولکول های درون مسیل ثابت نیستند بلکه در یک تعادل پویا قرار دارند. تشکیل و یا ادغام مسیل های کروی در محلول های رقیق ٬ می تواند در ظرف کسری از ثانیه اتفاق بیفتد ولی تشکیل مسیل های لایه ایی و استوانه ایی ٬ بسیار آرام تر بوده و گاهی در طول چند ساعت یا چند روز صورت می گیرد.

مثال های زیادی از فرمولاسیون هایی وجود دارد که مخلوطی از دو یا چند ماده شوینده مختلف بوده و در این حالت بسیار مؤثرتر از یک نوع شوینده تنها عمل می کنند. توضیح ایده میسل های ترکیبی (هنگامی که دو یا چند نوع شوینده مختلف یک نوع میسل می سازند) نیاز به توضیح برخی از پدیده های مربوط به این دسته مولکول ها داشته که در بخش های بعدی مورد بررسی قرار می گیرد.

CMC و ساختار شیمیایی:

گروه آبگریز

  • CMC با افزایش تعداد کربن های زنجیره هیدروکربنی کاهش می یابد.
  • هرچه سر قطبی مولکول از انتهای شاخه هیدروکربنی به سمت وسط حرکت کند ٬ CMC افزایش می­یابد.
  • اگر قسمت آبگریز مولکول حاوی اتم هایی قطبی ( مانند N یا O ) باشد ٬ باعث افزایش CMC می­شود.

گروه آبدوست

  • گروه های آبدوست حای بار الکتریکی ٬ CMC هایی به مراتب بیشتر از گروه های غیریونی اتوکسیله شده دارند.
  • افزودن یک واحد اکسید اتیلن به یک شوینده غیرقطبی ، CMC آن را افزایش می دهد.
  • افزودن یک واحد اکسید اتیلن به یک اترسولفات ٬ باعث کاهش CMC آن می شود . (واحد اکسید اتیلن EO در اینجا به عنوان یک واحد آبگریز عمل می کند نه آبدوست).
  • اگر یک گروه آبدوست اضافی به مولکول اضافه گردد ، CMC را افزایش می دهد ( اما نه گروه EO ، قسمت ۳ را ببینید)

اثر افزودن الکترولیت

  • با افزودن الکترولیت به شوینده های آنیونی CMC کاهش می یابد.
  • CMC شوینده های غیریونی و آمفوتری با افزایش الکترولیت به آن ها ٬ چندان تغییر نمی کند. ( اثر افزودن ترکیبات آلی بستگی به میزان حلالیت آن ها دارد). میسل ها می توانند در محلول های غیرآبی نیز تشکیل شوند. تحقیقات چندان زیادی در زمینه انجام نشده است ولی این طور به نظر می رسد که اندازه میسل ها در حلال های هیدروکربنی و آروماتیک ٬ کوچکتر از میسل های محیط های آبی است.

 

پدیده جذب

بسیاری از ترکیبات شیمیایی ٬ کف و سطوح مرطوب ایجاد می کنند ولی جزء ترکیبات شوینده دسته بندی نمی شوند ٬ مانند متیل الکل در محلول آبی. خصلت اصلی یک شوینده این است که تجمع آن در سطح مایع بیشتر از درون مایع است. این پدیده جذب نام دارد و در سطوح مابین مایع–جامد ٬ مایع–مایع هوا–مایع ایجاد می شود که در شکل نشان داده شده است.

در شکل مولکول شوینده به صورت یک شاخه آب گریز بلند و یک سر کوچک آبدوست مشخص گردیده که در جهت های مختلفی می تواند قرار گیرد. در نظر گرفتن ساختار مولکول شوینده به شکل مذکور ٬ در واقع یک نوع ساده سازی است که متناسب با شکل ها و اندازه های این نوع مولکول ها در نظر گرفته شده و بیانگر بسیاری از خواص آن ها می باشد. بنابراین فعلاً از این اشکال ساده استفاده می کنیم. جذب مواد شوینده در سطح بین مایع هوا

تغییراتی فیزیکی در مایع ایجاد می کند که هرچه مقدار این مولکول ها (تا حد پوشیده شدن کامل سطح) افزایش یابد ٬ میزان این تغییرات نیز زیادتر خواهد شد.

از اثر کشش سطحی برای مطالعه و اندازه گیری جذب استفاده می شود.

از آن جایی که جذب به معنای مقدار ماده در سطح مایع نسبت به مقدار آن در خود مایع است ٬ به نظر می رسد اندازه گیری آن به راحتی صورت می گیرد. متأسفانه در حالت مایع–مایع و مایع–هوا این اندازه گیری بسیار مشکل بوده و باید به صورت غیرمستقیم مشخص گردد.

در مورد جذب ما بین فازهای مایع–جامد ٬ غلظت ماده شوینده قبل و بعد از اضافه شدن به سطح مورد نظر قابل اندازه گیری بوده و از اینرو مقدار جذب شده قابل سنش است. تشخیص دقیق قسمت هایی از سطح جامد که رون مایع قرار دارد مشکل است. بنابراین تعیین مقدار ماده شوینده جذب شده بر واحد سطح به آسانی قابل اندازه گیری نخواهد بود. جذب دقیق و میزان سطح به ازاء مولکول جذب شده را می توان از طریق معادله هم دمای گیبس محاسبه کرد ولی این معادلات در غلظت های بیشتر از CMC صادق نیستند. این معادله تغییرات کشش سطحی رابه غلظت ماده شوینده مرتبط می سازد.

جذب شوینده ها در سطح با تغییر ساختار مولکول شوینده ٬ تغییر می کند. گروه های آبدوست متمایل به انحلال در فاز آبی بوده در حالی که قسمت آبگیز آن تمایل کمتری برای انحلال در این فاز دارد. مولکول های آب با یکدیگر قدیت و تمایل زیادتری برای انحلال قسمت قطبی مولکول شوینده دارند. بنابراین کل مولکول توسط قسمت آبگریز شوینده ٬ بستگی به خواص سطحی دارد که در تماس با آن می باشد. اگر این سطح هوا باشد ٬ دم غیر قطبی به سمت خارج از آب جهت گیری پیدا می کنند اگر یک جامد آبگریز باشد به سمت جامد و اگر جامد بسیار قطبی باشد به سمت آب قرار خواهد گرفت.

جذب ماده شوینده بر روی سطوح جامد بستگی به نوع آن ( قطبی یا غیرقطبی) دارد. مکانیسم جذب کاملاً مشخص نشده است ولی جهت مشخص کردن جزئیات پیچیده آن ٬ میتوان به خلاصه زیر دسته بندی کرد.

شوینده های قطبی یا آبدوست:

  • ماهیت شیمیایی سطح می تواند نقش مهمی ایفاد کند. برای مثال اکسیدهای فلزی می توانند با شوینده های آنیونی در سطح تولید نمک کنند ( جذب شیمیایی )
  • با شوینده های قطبی میزان جذب می تواند افزایش یابد؛ گروه قطبی به طرف سطح قرار گرفته و زنجیره آبگریز ٬ قسمت آبگریز را ایجاد می کنند. یک لایه دوم نیز می تواند با گروه های آبدوست به سمت بیرون تشکیل شود.

شوینده های غیرقطبی یا آب گریز:

  • میزان جذب با شوینده های یونی بی نهایت کم است ۱۰۴ mol/gr بر روی کربن فعال در محلول۰۵ درصدی سدیم دودسیل سولفات.
  • میزان جذب شوینده های یونی با افزودن الکترولیت ها قابل افزایش است زیرا لایه های دوتایی الکتریکی را کاهش می دهند.
  • انواع غیریونی به مراتب بیش از انواع یونی جذب می شوند.
  • افزودن الکترولیتها اثر قابل توجهی بر روی میزان جذب انواع غیریونی ندارد.
  • اثر دما: جذب انواع یونی با افزایش دما کاهش می یابد. جذب اتوکسیلات ها با افزایش دما افزایش می یابد ۰زیرا آن ها با افزایش دما کمتر آبپوشی شده و در نتیه آبگریزتر می شوند).
  • افزایش طول زنجیره هیدروکربنی میزان جذب را افزایش می دهد.
  • شاخه دار شدن زنجیره هیدروکربنی میزان جذب را کاهش می دهد.

مولکولهای جذب شده ثابت نیستند بلکه با مولکول های مجاور خود در یک تعادل پویا قرار دارند. همچنین آنها نیازمند یک زمان مشخصی جهت جذب شدن بوده که این امر بستگی به شکل و اندازه ملکول شوینده و مکانیسم جذب دارد.

اکثر کاربردهای عملی شوینده ها مانند شویندگی ٬ مرطوب کنندگی ٬ کف کنندگی و … یک فرآیند پویا بوده و سیستم به صورت تعادلی نمی باشد. اگر یک فیلم نازک از یک مایع حاوی شوینده را روی یک سطح پهن کنیم ٬ یک سطح جدید ایجاد می گردد.

مولکول های ماده شوینده نمی توانند به سرعت سسطح در حال تشکیل شدن حرکت کنند و بنابراین میزان جذب در واحد سطح کاهش می یابد. جذب شدن کمتر شوینده باعث افزایش کشش سطحی می شود. لذا نیرویی در زاویه های سمت راست ٬ به سطح اعمال شده که به تجدید دوباره تعادل ذکر شده کمک ی کند. این حالت به الاستیسیتۀ فیلم گیبس و اثر مارانگونی معروف است و از آن برای توجیه پایداری کف استفاده می شود.

خیس کنندگی شوینده ها

چکیده: وقتی قطره آب روی سطحی قرار می گیرد دو حالت پیش می آید: یا روی آن سطح پخش می شود و یا این که شکل قطره محفوظ می ماند. اگر پخش شود ٬ می گوییم سطح خیس شده و اگر شکل قطره محفوظ بماند ٬ آن سطح خیس نشده است. کاهش کشش سطحی آب در اثر افزودن یک ماده شوینده یا سورفکتانت می تواند یک محلول غیرمرطوب کننده را به یک محلول مرطوب کننده تبدیل کند. بین ساختار شیمیایی و مرطوب کنندگی ارتباطاتی وجود دارد که در این قسمت توضیح داده شده است.

یکی از عملکردهای ماده شوینده ٬ سوسپانسیون کردن ذرات جامد در یک مایع مثل آب است. به این فرآیند disperse کردن می گویند. تئوری DLVO پایداری سوسپانسیون ها را توجیه می کند.

هنگامی که یک قطره آب بر روی یک سطح قرار می گیرد ٬ دو حالت ممکن است رخ دهد؛ این قطره می توانند بر روی سطح گسترده و آن را مرطوب کند و یا به فرم پایدار شکل قطره باقی بمان که در این حالت آن سطح را مرطوب نکرده است.

کاهش کشش سطحی آب در اثر افزودن یک ترکیب شویند ٬ می تواند یک محلول غیرمرطوب کننده را به یک محلول مرطوب کننده تبدیل کند. توانایی مرطوب کنندگی بستگی به کشش سطحی محلول و کشش بحرانی ماده جامد (Critical Solid tension = CST ) دارد.

CST کشش سطحی مایعی است که زاویه ایی تماسی ٬ از صفر درجه (زاویه بین سطح قطره ٬ مایع و سطح جامد ) با جامدی که بر روی آن قرار گرفته است ایجاد می کند.

شیشه با CST بیش از ۷۰ dyn/cm۲  می تواند با آب مرطوب شود. پلی پروپیلن با CST 28 آب مرطوب شود ولی با محلول های آبکی شوینده ها این قابلیت را بدست می آورد. تفلون با CST 18 حتی با محلول شوینده های معمول نیز مرطوب نمی شود گرچه که امروزه شوینده های سیلیکونی و فلوتوره شده چنین کشش های سطحی اندکی را قابل دسترسی کرده اند.

عمل مرطوب کردن عموماً بوسیله ثابت های پخش شدگی (Spreading Coefficient ) تشریح می شود ٬ ولی چنین روابط ریاضیاتی فقط در یک تعادل صحت خواهند داشت. در بیشتر کاربردهای عملی مرطوب کنندگی مثلاً برای یک دترجنت و یا حذف آب از سطح یک فلز ٬ فرآیند تنها در یک جهت بوده و این سینتیک های فرآیند مرطوب کنندگی است که بیشترین اهمیت را دارند. به علاوه تعداد کمی از مواد هستند که سطوحی نرم و لطیف دارند مثل پارچه ها ٬ پودرها و گچ که دارای اثرات مویینگی قابل توجهی نیز می باشند. اکثر تست های عملی ( مثلاً تست مرطوب کنندگی Draves برای پارچه ها) بیشتر تست هایی دینامیکی هستند تا تعادلی.

یک مفهوم در این رابطه ٬ نرخ کاهش کشش سطحی است. تصور کنید یک قطره با زاویه تماس صفر درجه بر روی یک سطح قرار می گیرد. در طی عمل چهن شدن ٬ سطح قطره و کشش سطحی افزایش ولی فشار پهن شدن کاهش می یابد.

در این شرایط مولکول های شینده از قسمت درونی به سطح منتشر خواهند شد تا کشش سطحی را کاهش دهند. بنابراین اگر سرعت انتشار کم باشد. سرعت مرطوب کنندگی هم ضعیف خواهد بود. این یک پدیده ساده و قابل درک است که هر چه مولکول های شوینده سریعتر به سطح جدید ایجاد شده برسند ٬ مرطوب کنندگی نیز سریع تر رخ می دهد. در عمل به صورت یک قانون کلی مشاهده شده است که شوینده های کوچکتر مرطوب کننده های بهتری نسبت به انواع بزرگتر هستند.

ارتباط بین ساختار شیمیایی و مرطوب کنندگی (که عملاً اندازه گیری شده است؛ مثل تست Draves ) را می توان به شکل زیر مشخص کرد:

  • زنجیر هیدروکربنی کوتاهتر مرطوب کنندگی بیشتری ایجاد می کند.
  • خصلت ایده آل مرطوب کنندگی ٬ برای زنجیره هایی در حدود ۱۲ کربن تأیید شده است.
  • قرار گرفتن سر قطبی داخلی مولکل به صورت متقارن و استخلاف آلکیل بنزن سولفونات های استخلاف شده در موقعیت اورتو ٬ مرطوب کننده های بهتری نسبت به حالت های زنجیره صاف و استخلاف شده های موقعیت پارا ایجاد می کنند.
  • افزودن گروه های قطبی به مولکول ها (استر ٬ آمید ٬ اتوکسی) معمولا باعث از بین رفتن قدرت مرطوب کنندگی آن شوینده می شود.
  • زمان مرطوب کنندگی Draves با افزوده شدن گروه EO در اترسولفات ها ٬ افزایش می یابد.
  • شوینده های غیرقطبی اتوکسیله شده در اثر افزایش تعداد EO ها از یک حداقل قابلیت مرطوب کنندگی عبور می کنند؛ این مقدار حداقل ٬ جایی است که نقطه ابری شدن دقیقاً بالای دمای آزمون باشد.
  • الکل های چرب اتوکسیله شده ٬ مرطوب کننده های بهتری نسبت به اسیدهای چرب اتوکسیله شده مشابه می باشند. شرایطی که بر روی عمل مرطوب کردن اثر گذارند به شرح ذیل می باشد:
  • افزایش دما ٬ قدرت مرطوب کنندگی را کاهش می دهد. زیرا حلالیت افزایش یافته و جذب را کاهش می دهد. اما این مورد برای انواع غیرقطبی اتوکسیله شده صادق نیست.
  • اضافه کردن یک الکترولیت در صورتی که باعث کاهش کشش سطحی شود ٬ خصلت مرطوب کنندگی را افزایش می دهد.
  • افزودن الکل های زنجیره بلند و شوینده های کمکی غیرقطبی ٬ خصلت مرطوب کنندگی شوینده های آنیونی را افزایش می دهد.
  • در صورت حضور یک اسید و یا باز ضعیف فاکتور pH حائز اهمیت است؛ سولفوکربوکسیلیک اسیدها در pH های پایین خصلت مرطوب کنندگی بهتری از خود نشان می دهند ٬ البته در صورتی که گروه کربوکسیل یونیزه نشود.

پراکنش شوینده ها

سوسپانسیون کردن ذرات جامد در یک مایع خصوصاً آب ٬ یک فرآیند تکنیکی مهم است. شوینده نقش مهمی در ایجاد سوسپانسیون هایی با ذرات مشخص داشته که تا مدت زیادی پایدار می مانند. روش معمول تهیه سوسپانسیون بدین صورت است که ابتدا جامد مورد نظر را در مقدار کمی مایع ریخته ٬ آن را تا رسیدن به اندازه لازم خرد کرده و سپس ترکیب حاصل را در حجم بیشتری از مایع دیسپرس می کنند همچنین شوینده ها نقش مهمی در مرطوب کردن ذرات جامد دارند.

در فرآیندهای دیسپرس کردن ٬ سطوح تماس جدیدی بین جامد و مایع ایجاد می شود که ماده شوینده انرژی این تماس را کاهش داده و ایجاد آن را تسهیل می کند. عملاً مشخص شده است شوینده هایی که این عمل را انجام می دهند با انواعی که مرطوب کننده های خوبی هستند ٬ بسیار متفاوتند. شوینده هایی که سوسپانسیون های پایدار ایجاد می کنند ٬ مولکول های بزرگی هستند. بهترین تئوری که این پایداری را توجیه می کند ٬ تئوری (Derjaguin Landau, Verwy and Overbeek )  DLVO است که تنها جامدهای حلال گریز را پوشش می دهد. هرچند که این تئوری نقصان هایی دارد ولی در حال حاضر تئوری ساده دیگری وجود ندارد که پایداری جامدهای حلال دوست را توجیح کند. مکانیسم اولیه ٬ جذب مولکل های شوینده بر روی سطح ذرات جامد است پس از اینکه این عمل جذب انجام شد ٬ ماده شوینده از تراکم دوباره ذرات جامد جلوگیری می کند. نوع شوینده ایی که خصلت دیسپرس شدن مؤثری را ایجاد کند ٬ بستگی به خواص جامدی دارد که برای دیسپرس شدن استفاده شده است.

جامدهای غیرقطبی در آب

جذب دم غیرقطبی شوینده یونی بر روی سطح جامد ٬ باعث خواهد شد که ذرات جامد ٬ همان بار سر قطبی مولکول شوینده را پیدا کرده و یک دیگر را دفع کنند.

جامدهای قطبی در آب

این دسته تماماً دارای بار هستند. اگر از یک شوینده با بار مخالف استفاده شود ممکن است فرآیند لخته شدن اتفاق بیفتد. اگر از شوینده ایی با بار موافق استفاده شود ٬ هیچ پیشرفتی در فرآیند دیسپرس کردن اتفاق نمی افتد تا زمانی که مقادیر نسبتاً زیادتری از شوینده اضافه گردد. در این حالت عمل چذب به صورت مؤثری صورت گرفته که باعث پایداری ذرات می شود. از آن جایی که اکثر ذرات دارای بار منفی هستند ٬ ممکن است تصور شود شوینده های آنیونی بهترین انواع پایدارکننده ها باشند. چنین شوینده هایی دارای وزن مولکولی بالا و پندین گروه یونی هستند؛ امروزه این محصولات با نام شوینده های پلیمری شناخته می شوند. گروه های یونی چندتایی ٬ تعدادی از اهداف را پوشش می دهند. آن ها می توانند عمل جذب را انجام داده و در عین حال یک سد الکتریکی با ذرات بار مخالف ایجاد کنند. همچنین می توانند با ایجاد ممانعت فضایی ٬ از به هم پیوستگی ذرات و انعقاد جلوگیری نمایند. مثال هایی از ترکیبات دیسپرس کننده عبارتند از نفتالین سولفوناتهای کندانس شده با فرمالدهید و پلی اکریلیک اسیدهای دارای وزن مولکولی کم.

کف کنندگی شوینده ها

چکیده:

کف از حباب های گاز با دیوارهای نازک از مایع ساخته شده که ساختاری سه بعدی دارد. مایع از دیواره ها به وسیله نیروی گرانش به محل اتصال کشیده می شود. شوینده ها با اثر بر خواص الکترواستاتیکی ٬ ویسکوزیته سطح ٬ ویسکوزیته کل و الاستیسیته فیلم می توانند موجب افزایش میزان کف شوند. روابط بین کف کنندگی و ساختار شیمیایی یک ماده شوینده در این مبحث توضیح داده شده است.

بیشتر شوینده ها باعث افزایش میزان کف می شوند که بسته به شرایط ٬ ممکن است این امر مطلوب یا نامطلوب باشد. به دلیل نیاز به کف زیاد ٬ کم و یا حالت بدون کف ٬ مصرف کننده خواهان کنترل میزان کف و دانستن آن است که چه عوامل خارجی بر روی آن اثرگذار هستند. مثلاً تحت چه شرایطی کف افزایش یافته و یا فرو می نشیند. به عنوان یک قانون کلی ٬ کف در یک فاز مایع خالص ایجا نمی شود. شوینده هایی که به شدت در سطح تماس با هوا جذب می شوند ٬ جهت ایجاد کف در محلول های آبکی مورد نیاز هستند.

کف ها از حباب های گاز ٬ با دیواره هایی از فیلم های نازک مایع که ساختارهایی سه بعدی ایجاد می کنند ، تشکیل شده اند. یک اتصال در محل تلاقی حباب های گاز وجود دارد مایع از دیواره ها به وسیله نیروی گرانش به محل اتصال کشیده می شود.

در بسیاری از فیلم های نازکف فشار در دیواره ها بیش از فشار در محل های اتصال ضخیمی است که جریانی از مایع را از سمت دیواره های نازک به سمت محل اتصال روانه می کنند. اگر این کشش و جریان ادامه یابد ٬ دیواره ها شروع به جمع شدن و چروک خوردن کرده و در نهایت کف فرو می ریزد. اگر از این جریان به سمت اتصالات بین کف ها جلوگیری شود ٬ کف پایدار خواهد بود مگر اینکه یک گسیختگی به وسیله یک عامل مکانیکی یا فیزیکوشیمیایی در آن ایجاد شود؛ مانند یک عامل ضد کف.

اثراتی که شوینده ها جهت جلوگیری از جریان مایع ایجاد می کنند به شرح زیر می باشد:

۱. اثرات الکترواستاتیکی: این مورد برای شوینده های آنیونی هنگامی که ضخامت فیلم کمتر از ۱۰۰۰ A۰  باشد، کاربرد دارد. تک لایه های باردار یکدیگر را دفع کرده و باعث پایداری کف می شوند. این دسته از کف ها بسیار نازک بوده و ظاهری شفاف دارند. بنابراین تمایل کمی برای به کار بردن آن ها در جاهایی است که ظاهر کف حائز اهمیت باشد؛ مانند شامپوها.

۲. ویسکوزیته سطح: مولکول های شوینده در لایه های چندتایی به یکدیگر می چسبند که این امر می تواند ویسکوزیته ایی متفاوت و زیاد در سطح تماس بین هوا و مایع ایجاد کند. حدس زده می شود برهمکنش بین الکانول آمیدها و انواع آنیونی ٬ توجیهی برای پایداری کف های شوینده های آنیونی و ظاهر متفاوت آن ها باشد.

۳. ویسکوزیته کل: افزودنی های پلیمری به وسیله افزایش ویسکوزیته کل محلول و کاهش سرعت جذب آب ٬ باعث افزایش پایداری کف می شوند.

۴. فاز دومی از یک جامد یا مایع دیگر: در حضور یک فاز غیر قابل امتزاج ٬ پایداری کف به طور محسوس تغییر می کند (باعث کاهش یا افزایش آن می شود). احتمالاً مهم ترین اثر آن تغییر توزیع مولکول های شوینده پایدارکننده است که می توانند در سطح تماس جدید بین فازهای مایع مایع یا جامدمایع قرار گرفته و سطح تماس بین هواآب را از دست بدهند. خاک از جمله همین جامدات است. به همین دلیل است که در حین شستشوی لباس های آغشته به خاک ٬ قسمتی از مولکول های شوینده جذب خاک شده و کف ناپایدار می شود. به علاوه ٬ اثر ذرات اضافه شده به وسیله اثر مارانگونی (Marangoni) می تواند کاهش یابد.

۵. الاستیسیته فیلم: در تمامی تغییراتی که در بالا ذکر شد ٬ غلظت ماده شوینده می تواند در سطح تماس بین دو فاز تغییراتی ایجاد کند. این امر می تواند منجر به تغییراتی در الاستیسیته بین سطوح شود که به الاستیسیته گیبس و الاستیسیته دینامیک مارانگونی مشهور است. گیبس مفهوم الاستیسیته فیلم را از این گونه معرفی کرد: جایی که کشش فیلم ٬ باعث کاهش تعداد مولکول های جذب شده ماده شوینده در واحد سطح شود و بنابراین کشش سطحی زیادتری در منطقه نازک شده ایجاد کند ٬ اثر الاستیسیته ایجاد کرده است که این اثر فقط مربوط به لایه ها می باشد.

اثر مارانگونی زمانی رخ می دهد که کشش سطحی فیلمی که تازه ایجاد شده است بیش از سطوح تغییر نیافته باشد که نیروی حاصله ٬ ماده شوینده و مایع را به درون سطح جددید انتقال می دهد. اثر مارانگونی نیز تنها بر روی سطح ایجاد می شود. اثر تلفیقی از یک نازک شدن ناگهانی در یک قسمت از فیلم ٬ باعث انتقال مایع و ماده شوینده به این قسمت نازک می شود.

برخی از قوانین کلی در مورد ارتباط بین خصلت کف کنندگی و ساختار شیمیایی بدین شرح است:

۱هیچ گونه ارتباط مستقیمی بین قدرت کف کنندگی و توانایی پایدارکنندگی کف وجود ندارد.

۲حجم کف ایجاد شده با افزایش غلظت ماده شوینده تا رسیدن به نقطه CMC افزایش می یابد. پس از آن میزان کف نسبتاً ثابت است. هیچ قانون مشابهی با توجه به پایداری کف در این زمینه وجود ندارد.

۳شوینده های یونی دارای کف زیادتر و پایدارتری نسبت به انواع غیریونی هستند.

۴زنجیره های هیدروکربنی بدون شاخه صلت کف کنندگی زیادتری را نسبت به انواع شاخه دار با

همان طول زنجیره نشان می دهند (در قسمت آبگریز مولکول شوینده).

۵افزایش یافتن طول زنیره آبگریز در یک سری همولوگ ٬ باعث افزایش میزان کف تا یک مقدار حداکثر می شود. زنجیره آبگریز بلندتر باعث کاهش بیشتر کشش سطحی و در نتیجه افزایش میزان کف خواهد شد. این امر در شرایطی است که با افزایش طول این زنجیر ٬ حلالیت مولکول مربوطه به سرعت کاهش می یابد.

۶اگر گروه آبدوست مولکول از قسمت های انتهایی زنجیره به قسمت های میانی انتقال یابد ٬ به عنوان یک قانون کلی ٬ میزان کف افزایش و پایداری آن کاهش می یابد (در غلظت هایی بیش از CMC) .

۷اثر دما بر روی قابلیت کف کنندگی همانند اثر دما بر روی حلالیت مولکول شوینده است. بنابراین شوینده های آنیونی با افزایش دما بیشتر کف می کنند. در حالی که میزان کف کنندگی انواع غیریونی کاهش می یابد.

۸افزودنی ههای آلی قطبی (شوینده های دیگر) که CMC شوینده مورد نر را کاهش می دهند ٬ می توانند باعث افزایش پایداری کف شوند. مؤثرترین حالتف استفاده از ترکیباتی است که از نظر طول زنجیر مشابه با ان شوینده باشند. به عنوان مثال می توان از آلکیل الکل ها و فتی آلکانول آمیدها نام برد.

امولسیون کنندگی شوینده ها

چکیده: وقتی یک ماده نامحلول مثل روغن به آب حاوی شوینده اضافه می شود ٬ احتمال تشکیل امولسیون وجود دارد. این امولسیون می تواند روغن در آب یا آب در روغن باشد. دو حالت دیگر هم ممکن است به وجود آید که یکی انحلال روغن در آب و یا تشکیل میکروامولسیون ها است. پارامتر HLB ارتباط منطقی بین ساختار شوینده و امولسیون کنندگی آن را نشان می دهد.

یکی از گسترده ترین موارد استفاده از شوینده ها حل کردن و یا دیسپرس کردن مواد نامحلول در آب (عموماً ترکیبات آلی) در محیط های آبی است.

مواردی مانند رنگ ٬ چسب ها ٬ مواد تکمیل کننده در نساجی ٬ پوشش های کاغذ ٬ مواد تکمیل کننده در ساخت چرم ٬ پاک کننده های دست و غیره که با ترکیبات آلی فرموله شده و قابل انحلال در آب نمی باشند. در سال های اخیر تمایل برای جایگزینی کلی و یا جزئی حلال ها با اب زیادتر شده است. دلیل اصلی این امر افزایش پراکنده شدن حلال های سمی بکار برده می باشد. به علاوه محصولات بر پایه آب به دلیل استفاده و قابلیت تمیز شدنف راحت تر ٬ بیشتر مورد توجه مصرف کنندگان قرار دارند. ولی دلیل اصلی که تولیدکنندگان را بدین سمت سوق می دهد ٬ رزان تر بودن این حلال است. از سوی دیگر نوسان قیمت و موجودی در بازار معاملات نیز جزء معضلات این حلال نمی باشد. تمامی این دلیال باعث شده است تا درخواست های زیادی جهت استفاده از مواد محلول و قابل دیسپرس در آب به وجود آید.