1. מתח פנים
כוח ההתכווצות ליחידת אורך על פני השטח של נוזל נקרא מתח פנים, ונמדד ב-N • m-1.
2. פעילות פני השטח וחומר פעיל שטח
התכונה שיכולה להפחית את מתח הפנים של ממסים נקראת פעילות שטח, וחומרים בעלי פעילות שטח נקראים חומרים פעילי שטח.
חומר פעיל שטח מתייחס לחומרים פעילי שטח שיכולים ליצור מיצלות ואגרגטים אחרים בתמיסות מימיות, בעלי פעילות שטח גבוהה, ובעלי פונקציות הרטבה, מתחלבות, הקצפה, שטיפה ואחרות.
3. מאפיינים מבניים מולקולריים של חומר פעיל שטח
חומרים פעילי שטח הם תרכובות אורגניות בעלות מבנים ותכונות מיוחדות שיכולות לשנות באופן משמעותי את מתח הפנים בין שתי פאזות או את מתח הפנים של נוזלים (בדרך כלל מים), ויש להן תכונות כגון הרטבה, הקצפה, אמולסיה ושטיפה.
מבחינה מבנית, לחומרים פעילי שטח מאפיין משותף של שתי קבוצות פונקציונליות שונות במולקולות שלהם. קצה אחד הוא קבוצה לא קוטבית ארוכת שרשרת, מסיסה בשמן אך אינה מסיסה במים, המכונה קבוצה הידרופובית או קבוצה הידרופובית. קבוצות הידרופוביות אלו הן בדרך כלל פחמימנים ארוכי שרשרת, לפעמים גם פלואור אורגני, סיליקון אורגני, זרחן אורגני, שרשראות אורגנו-בדיל וכו'. הקצה השני הוא קבוצה פונקציונלית מסיסה במים, כלומר קבוצה הידרופילית או קבוצה הידרופילית. הקבוצה ההידרופילית חייבת להיות הידרופיליות מספיקה כדי להבטיח שכל החומר הפעיל שטח יהיה מסיס במים ובעל המסיסות הנדרשת. בשל נוכחותן של קבוצות הידרופיליות והידרופוביות בחומרים פעילי שטח, הם יכולים להתמוסס לפחות בפזה אחת של הפאזה הנוזלית. התכונות ההידרופיליות והאולאופיליות של חומרים פעילי שטח נקראות אמפיפיליות.
4. סוגי חומרים פעילי שטח
חומרים פעילי שטח הם מולקולות אמפיפיליות בעלות קבוצות הידרופוביות והידרופיליות כאחד. הקבוצות ההידרופוביות של חומרים פעילי שטח מורכבות בדרך כלל מפחמימנים ארוכי שרשרת, כגון אלקיל C8-C20 בעל שרשרת ישרה, אלקיל C8-C20 בעל שרשרת מסועפת, אלקילפניל (עם 8-16 אטומי פחמן אלקיליים) וכו'. ההבדל בקבוצות ההידרופוביות טמון בעיקר בשינויים המבניים של שרשראות פחמן ומימן, עם הבדלים קטנים יחסית, בעוד שישנם סוגים רבים יותר של קבוצות הידרופיליות. לכן, תכונותיהם של חומרים פעילי שטח קשורות בעיקר לקבוצות הידרופיליות בנוסף לגודל ולצורה של הקבוצות ההידרופוביות. השינויים המבניים של קבוצות הידרופיליות גדולים יותר מאלה של קבוצות הידרופוביות, ולכן סיווג החומרים הפעילי שטח מבוסס בדרך כלל על מבנה הקבוצות ההידרופיליות. סיווג זה מבוסס בעיקר על האם הקבוצות ההידרופיליות הן יוניות, ומחלק אותן לאניוניות, קטיוניות, לא יוניות, זוויטריוניות וסוגים מיוחדים אחרים של חומרים פעילי שטח.
5. מאפייני תמיסה מימית של חומר פעיל שטח
① ספיחה של חומרים פעילי שטח בממשקים
למולקולות חומר פעיל שטח יש קבוצות ליפופיליות והידרופיליות, מה שהופך אותן למולקולות אמפיפיליות. מים הם נוזל קוטבי חזק. כאשר חומרים פעילי שטח מתמוססים במים, על פי עקרון דמיון הקוטביות ודחיית הפרש הקוטביות, הקבוצות ההידרופיליות שלהם נמשכות לפאזה המים ומתמוססות במים, בעוד שהקבוצות הליפופיליות שלהם דוחות מים ועוזבות את המים. כתוצאה מכך, מולקולות (או יונים) של חומר פעיל שטח נספחות בממשק בין שתי הפאזות, מה שמפחית את מתח הבין-פנים ביניהן. ככל שיותר מולקולות (או יונים) של חומר פעיל שטח נספחות בממשק, כך גדלה הירידה במתח הבין-פנים.
② כמה תכונות של קרום ספיחה
לחץ פני השטח של קרום הספיחה: חומרים פעילי שטח נספחים בממשק גז-נוזל ויוצרים קרום ספיחה. אם ממוקמת פלטה צפה ניידת ללא חיכוך על הממשק והפלטה הצפה דוחפת את קרום הספיחה לאורך פני התמיסה, הממברנה מפעילה לחץ על הפלטה הצפה, הנקרא לחץ פני השטח.
צמיגות פני השטח: בדומה ללחץ פני השטח, צמיגות פני השטח היא תכונה המוצגת על ידי שכבות מולקולריות בלתי מסיסות. תלינו טבעת פלטינה עם חוט מתכת דק, ודאו שהמישור שלה יבוא במגע עם פני המים של הכיור, סובבו את טבעת הפלטינה, טבעת הפלטינה נפגעת על ידי צמיגות המים, והמשרעת יורדת בהדרגה, לפיה ניתן למדוד את צמיגות פני השטח. השיטה היא: ראשית ערכו ניסויים על פני המים הטהורים, מדדו את הניחות האמפליטודה, לאחר מכן מדדו את הניחות לאחר היווצרות מסכת הפנים פני השטח, וחישבו את צמיגות מסכת הפנים פני השטח מההפרש בין השניים.
צמיגות פני השטח קשורה קשר הדוק לקשיחות של מסכת הפנים. מכיוון שלסרט הספיחה יש לחץ פני השטח וצמיגות, הוא חייב להיות אלסטי. ככל שלחץ פני השטח וצמיגות קרום הספיחה גבוהים יותר, כך מודול האלסטיות שלו גדול יותר. מודול האלסטיות של סרט הספיחה פני השטח הוא בעל משמעות רבה בתהליך ייצוב הקצף.
③ היווצרות מיצלות
תמיסה מדוללת של חומרים פעילי שטח פועלת לפי חוקי התמיסות האידיאליות. כמות הספיחה של חומרים פעילי שטח על פני התמיסה עולה עם ריכוז התמיסה. כאשר הריכוז מגיע או עולה על ערך מסוים, כמות הספיחה אינה עולה עוד. מולקולות חומרים פעילי שטח עודפות אלו בתמיסה אינן מסודרות או קיימות באופן קבוע. הן בפועל והן בתיאוריה הראו שהן יוצרות אגרגטים בתמיסה, הנקראים מיצלות.
ריכוז מיצלות קריטי: הריכוז המינימלי שבו חומרים פעילי שטח יוצרים מיצלות בתמיסה נקרא ריכוז מיצלות קריטי.
④ ערך ה-CMC של חומר פעיל שטח נפוץ.
6. ערך שיווי משקל הידרופילי ואולאופילי
HLB הוא ראשי תיבות של hydrophilic lipophilic balance, המייצג את ערכי שיווי המשקל ההידרופילי והליפופילי של הקבוצות ההידרופיליות והליפופיליות של חומר פעיל שטח, כלומר ערך HLB של החומר פעיל השטח. ערך HLB גבוה מצביע על הידרופיליות חזקה וליפופיליות חלשה של המולקולה; להיפך, יש לו ליפופיליות חזקה והידרופיליות חלשה.
① תקנות לגבי ערך HLB
ערך ה-HLB הוא ערך יחסי, לכן בעת ניסוח ערך ה-HLB, כסטנדרט, ערך ה-HLB של פרפין ללא תכונות הידרופיליות נקבע ל-0, בעוד שערך ה-HLB של נתרן דודציל סולפט בעל מסיסות חזקה במים נקבע ל-40. לכן, ערך ה-HLB של חומרים פעילי שטח הוא בדרך כלל בטווח של 1-40. באופן כללי, מתחלבים עם ערכי HLB נמוכים מ-10 הם ליפופיליים, בעוד מתחלבים עם ערכי HLB גדולים מ-10 הם הידרופיליים. לכן, נקודת המפנה מליפופיליות להידרופיליות היא בערך 10.
7. השפעות אמולסיה ומסיסות
שני נוזלים שאינם ניתנים לערבוב, האחד נוצר על ידי פיזור חלקיקים (טיפות או גבישים נוזליים) בשני, נקראים אמולסיות. בעת יצירת אמולסיה, שטח הפנים-פני בין שני הנוזלים גדל, מה שהופך את המערכת לבלתי יציבה מבחינה תרמודינמית. כדי לייצב את האמולסיה, יש להוסיף רכיב שלישי - מתחלב - כדי להפחית את אנרגיית הפנים-פני של המערכת. מתחלבים שייכים לחומרים פעילי שטח, ותפקידם העיקרי הוא לפעול כמתחלבים. הפאזה שבה קיימות טיפות באמולסיה נקראת פאזה מפוזרת (או פאזה פנימית, פאזה לא רציפה), והפאזה השנייה המחוברת יחד נקראת תווך מפוזר (או פאזה חיצונית, פאזה רציפה).
① מתחלבים ואמולסיות
אמולסיות נפוצות מורכבות מפאזה אחת של מים או תמיסה מימית, והפאזה השנייה של תרכובות אורגניות שאינן מתערבבות במים, כגון שמנים, שעוות וכו'. ניתן לחלק את האמולסיה הנוצרת על ידי מים ושמן לשני סוגים על סמך פיזורם: שמן המפוזר במים יוצר אמולסיה של מים בשמן, המיוצגת על ידי O/W (שמן/מים); מים המפוזרים בשמן יוצרים אמולסיה של מים בשמן, המיוצגת על ידי W/O (מים/שמן). בנוסף, עשויות להיווצר גם אמולסיות מורכבות של מים בשמן במים W/O/W ושמן במים בשמן O/W/O.
החומר המחולל מייצב את האמולסיה על ידי הפחתת המתח הבין-פנים ויצירת מסכת פנים חד-שכבתית.
דרישות לחומרים מתחלבים בתהליך אמולסיפיקציה: א: חומרים מתחלבים חייבים להיות מסוגלים לספוח או להעשיר בממשק שבין שתי הפאזות, ובכך להפחית את מתח הפנים; ב: חומרים מתחלבים חייבים לתת לחלקיקים מטען חשמלי, ולגרום לדחייה אלקטרוסטטית בין החלקיקים או ליצור שכבת מגן יציבה וצמיגה מאוד סביב החלקיקים. לכן, חומרים המשמשים כמתחלבים חייבים להיות בעלי קבוצות אמפיפיליות כדי שיהיו להם השפעות מתחלבות, וחומרים פעילי שטח יכולים לעמוד בדרישה זו.
② שיטות הכנה של אמולסיות וגורמים המשפיעים על יציבות האמולסיה
ישנן שתי שיטות להכנת אמולסיות: האחת היא להשתמש בשיטות מכניות לפיזור הנוזל לחלקיקים קטנים בנוזל אחר, דבר הנפוץ בתעשייה להכנת אמולסיות; שיטה נוספת היא להמיס נוזל במצב מולקולרי בנוזל אחר ולאחר מכן לאפשר לו להתגבש כראוי ליצירת אמולסיה.
יציבותן של אמולסיות מתייחסת ליכולתן להתנגד להצטברות חלקיקים ולגרום להפרדת פאזות. אמולסיות הן מערכות לא יציבות מבחינה תרמודינמית בעלות אנרגיה חופשית משמעותית. לכן, יציבות האמולסיה מתייחסת למעשה לזמן הנדרש למערכת להגיע לשיווי משקל, כלומר, הזמן הנדרש לנוזל במערכת להיפרד.
כאשר ישנן מולקולות אורגניות קוטביות כגון אלכוהול שומני, חומצות שומן ואמינים שומניים במסכת הפנים, חוזק הממברנה עולה משמעותית. הסיבה לכך היא שמולקולות האמולסיפייר בשכבת הספיחה בממשק מקיימות אינטראקציה עם מולקולות קוטביות כגון אלכוהול, חומצה ואמין ויוצרות "קומפלקס", מה שמגביר את חוזק מסכת הפנים בממשק.
מתחלבים המורכבים משני חומרים פעילי שטח או יותר נקראים מתחלבים מעורבים. מתחלבים מעורבים נספחים בממשק מים/שמן, ואינטראקציות בין-מולקולריות יכולות ליצור קומפלקסים. עקב אינטראקציה בין-מולקולרית חזקה, מתח הבין-פנימי מצטמצם משמעותית, כמות המתחלב הנספגת בממשק גדלה משמעותית, וצפיפות וחוזק מסכת הפנים הבין-פנימית שנוצרת גדלים.
למטען הטיפות יש השפעה משמעותית על יציבותן של אמולסיות. אמולסיות יציבות מכילות בדרך כלל טיפות עם מטענים חשמליים. בעת שימוש באמולסיפיירים יוניים, יוני האמולסיפייר הנספחים על פני השטח מכניסים את הקבוצות הליפופיליות שלהם לפאזה השמנית, בעוד שהקבוצות ההידרופיליות נמצאות בפאזה המים, ובכך הופכים את הטיפות לטעונות. בשל העובדה שטיפות האמולסיה נושאות את אותו מטען, הן דוחות זו את זו ואינן מתקבצות בקלות, וכתוצאה מכך יציבותן מוגברת. ניתן לראות שככל שיותר יוני אמולסיפייר נספחים על הטיפות, כך המטען שלהם גדול יותר, ויכולתם למנוע התלכדות טיפות גדולה יותר, מה שהופך את מערכת האמולסיה ליציבה יותר.
לצמיגות של מדיום הפיזור באמולסיה יש השפעה מסוימת על יציבות האמולסיה. באופן כללי, ככל שצמיגות מדיום הפיזור גבוהה יותר, כך יציבות האמולסיה גבוהה יותר. הסיבה לכך היא שצמיגות מדיום הפיזור גבוהה, מה שמעכב מאוד את התנועה הבראונית של טיפות הנוזל, מאט את ההתנגשות ביניהן ושומר על יציבות המערכת. חומרים פולימריים שבדרך כלל מסיסים באמולסיות יכולים להגביר את צמיגות המערכת ולשפר את יציבות האמולסיה. בנוסף, הפולימר יכול גם ליצור מסכת פנים מוצקה, מה שהופך את מערכת האמולסיה ליציבה יותר.
במקרים מסוימים, הוספת אבקה מוצקה יכולה גם לייצב את האמולסיה. האבקה המוצקה אינה במים, בשמן או בממשק, תלוי ביכולת ההרטבה של שמן ומים על האבקה המוצקה. אם האבקה המוצקה אינה רטובה לחלוטין על ידי מים ויכולה להירטב על ידי שמן, היא תישאר בממשק המים-שמן.
הסיבה לכך שהאבקה המוצקה אינה מייצבת את האמולסיה היא שהאבקה הנאספת בממשק אינה מחזקת את מסכת הפנים בממשק, בדומה למולקולות האמולסיפיור הספיחה בממשק. לכן, ככל שחלקיקי האבקה המוצקה מסודרים קרוב יותר בממשק, כך האמולסיה תהיה יציבה יותר.
לחומרים פעילי שטח יש את היכולת להגביר משמעותית את המסיסות של תרכובות אורגניות שאינן מסיסות או מסיסות במים במקצת לאחר יצירת מיצלות בתמיסה מימית, והתמיסה שקופה בשלב זה. אפקט זה של מיצלות נקרא מסיסות. חומרים פעילי שטח שיכולים לייצר אפקטים מסיסים נקראים מסיסים, ותרכובות אורגניות שעברו מסיסות נקראות תרכובות מסיסות.
8. קצף
לקצף תפקיד חשוב בתהליך הכביסה. קצף מתייחס למערכת פיזור שבה גז מתפזר בנוזל או במוצק. גז הוא שלב הפיזור, ונוזל או מוצק הוא מצע הפיזור. הראשון נקרא קצף נוזלי, בעוד שהשני נקרא קצף מוצק, כגון קצף פלסטיק, קצף זכוכית, קצף צמנט וכו'.
(1) היווצרות קצף
המונח "קצף" כאן מתייחס לצבירת בועות המופרדות על ידי שכבה נוזלית. בשל ההבדל הגדול בצפיפות בין הפאזה המפוזרת (גז) לבין התווך המפוזר (נוזל), והצמיגות הנמוכה של הנוזל, הקצף תמיד יכול לעלות במהירות לגובה הנוזל.
תהליך יצירת הקצף הוא להביא כמות גדולה של גז לתוך הנוזל, והבועות בנוזל חוזרות במהירות אל פני הנוזל, ויוצרות צבירה של בועות המופרדת על ידי כמות קטנה של נוזל וגז.
לקצף שני מאפיינים בולטים במורפולוגיה: האחד הוא שבועות, כפאזה מפוזרת, הן לרוב רב-אדריות, מכיוון שבצומת הבועות, יש נטייה לשכבת הנוזל להפוך דקה יותר, מה שהופך את הבועות לרב-אדריות. כאשר שכבת הנוזל הופכת דקה יותר במידה מסוימת, הבועות נשברות; שנית, הנוזל הטהור אינו יכול ליצור קצף יציב, אך הנוזל שיכול ליצור קצף מורכב משני רכיבים לפחות. תמיסה מימית של חומר פעיל שטח היא מערכת טיפוסית שקל לייצר קצף, ויכולתה לייצר קצף קשורה גם לתכונות אחרות.
חומרים פעילי שטח בעלי יכולת הקצפה טובה נקראים חומרי הקצפה. למרות שלחומר ההקצפה יכולת הקצפה טובה, הקצף שנוצר עלול לא להיות מסוגל לשמור עליו לאורך זמן, כלומר, יציבותו עשויה לא להיות טובה. על מנת לשמור על יציבות הקצף, מוסיפים לעתים קרובות לחומר ההקצפה חומר שיכול להגביר את יציבות הקצף, הנקרא מייצב קצף. מייצבי הקצף הנפוצים הם לאוריל דיאתנולמין ודודציל דימתיל אמין אוקסיד.
(2) יציבות הקצף
קצף הוא מערכת לא יציבה מבחינה תרמודינמית, והמגמה הסופית היא ששטח הפנים הכולל של הנוזל במערכת יורד והאנרגיה החופשית יורדת לאחר שבירת הבועה. תהליך הסרת הקצף הוא התהליך שבו שכבת הנוזל המפרידה את הגז משנה את עוביה עד שהיא נקרעת. לכן, יציבות הקצף נקבעת בעיקר על ידי מהירות פריקת הנוזל וחוזק שכבת הנוזל. ישנם מספר גורמים משפיעים נוספים.
① מתח פנים
מנקודת מבט אנרגטית, מתח פנים נמוך עדיף יותר להיווצרות קצף, אך הוא אינו יכול להבטיח את יציבות הקצף. מתח פנים נמוך, הפרש לחצים נמוך, מהירות פריקה איטית של הנוזל ודילול איטי של שכבת הנוזל תורמים ליציבות הקצף.
② צמיגות פני השטח
הגורם המרכזי הקובע את יציבות הקצף הוא חוזק שכבת הנוזל, אשר נקבע בעיקר על ידי קשיחות שכבת הספיחה על פני השטח, הנמדדת על ידי צמיגות פני השטח. ניסויים מראים כי לקצף המיוצר על ידי תמיסה בעלת צמיגות פני שטח גבוהה יותר יש אורך חיים ארוך יותר. הסיבה לכך היא שהאינטראקציה בין המולקולות הספוחות על פני השטח מובילה לעלייה בחוזק הממברנה, ובכך משפרת את חיי הקצף.
③ צמיגות תמיסה
כאשר צמיגות הנוזל עצמו עולה, הנוזל בשכבת הנוזל אינו קל לשחרור, ומהירות דילול עובי שכבת הנוזל איטית, מה שמעכב את זמן קריעת שכבת הנוזל ומגביר את יציבות הקצף.
④ האפקט ה"מתקן" של מתח פנים
לחומרים פעילי שטח הנספחים על פני השטח של שכבת הנוזלים יש את היכולת להתנגד להתפשטות או להתכווצות של פני השטח של שכבת הנוזלים, מה שאנו מכנים אפקט תיקון. הסיבה לכך היא שיש שכבה נוזלית של חומרים פעילי שטח הנספחים על פני השטח, והרחבת שטח הפנים שלה תפחית את ריכוז המולקולות הנספחות על פני השטח ותגביר את מתח הפנים. הרחבה נוספת של פני השטח תדרוש מאמץ גדול יותר. לעומת זאת, הצטמקות שטח הפנים תגביר את ריכוז המולקולות הנספחות על פני השטח, תפחית את מתח הפנים ותמנע הצטמקות נוספת.
⑤ דיפוזיה של גז דרך שכבה נוזלית
בשל קיומו של לחץ נימי, לחץ הבועות הקטנות בקצף גבוה יותר מזה של הבועות הגדולות, מה שיגרום לגז בבועות הקטנות להתפזר לתוך הבועות הגדולות בלחץ נמוך דרך שכבת הנוזל, וכתוצאה מכך הבועות הקטנות הופכות קטנות יותר, הבועות הגדולות הופכות לגדולות יותר, ולבסוף הקצף נשבר. אם מוסיפים חומר פעיל שטח, הקצף יהיה אחיד וצפוף בעת הקצפה, ולא קל להסיר את הקצף. מכיוון שהחומר הפעיל שטח מסודר בצפיפות על שכבת הנוזל, קשה לאוורר אותו, מה שהופך את הקצף ליציב יותר.
⑥ השפעת מטען פני השטח
אם סרט הנוזל הקצף טעון באותו סמל, שני המשטחים של סרט הנוזל ידחו זה את זה, וימנעו מהסרט הנוזלי להידלדל או אפילו להיהרס. חומרים פעילי שטח יוניים יכולים לספק אפקט ייצוב זה.
לסיכום, חוזק שכבת הנוזל הוא הגורם המרכזי לקביעת יציבות הקצף. כחומר פעיל שטח עבור חומרי הקצפה ומייצבי קצף, האיטיות והיציבות של המולקולות הנספחות על פני השטח הן הגורמים החשובים ביותר. כאשר האינטראקציה בין המולקולות הנספחות על פני השטח חזקה, המולקולות הנספחות מסודרות בצפיפות, מה שלא רק הופך את מסכת הפנים עצמה לחוזק גבוה, אלא גם מקשה על התמיסה הסמוכה למסכת הפנים לזרום עקב צמיגות פני השטח הגבוהה, כך שקשה יחסית לשכבת הנוזל להתנקז, ועובי שכבת הנוזל קל לתחזוקה. בנוסף, מולקולות פני השטח המסודרות בצפיפות יכולות גם להפחית את החדירות של מולקולות גז ובכך להגביר את יציבות הקצף.
(3) הרס קצף
העיקרון הבסיסי של השמדת קצף הוא שינוי התנאים לייצור קצף או ביטול גורמי היציבות של הקצף, ולכן ישנן שתי שיטות להפחתת הקצפה, פיזיקלית וכימית.
הסרת קצף פיזיקלית היא שינוי התנאים שבהם נוצר קצף תוך שמירה על הרכב כימי של תמיסת הקצף ללא שינוי. לדוגמה, הפרעה של כוח חיצוני, שינוי טמפרטורה או לחץ וטיפול באולטרסאונד הן כולן שיטות פיזיקליות יעילות להסרת קצף.
שיטת הסרת הקצף הכימית היא הוספת חומרים מסוימים היוצרים אינטראקציה עם חומר הקצף, הפחתת חוזק שכבת הנוזל בקצף, ולאחר מכן הפחתת יציבות הקצף כדי להשיג את מטרת הסרת הקצף. חומרים כאלה נקראים מסירי קצף. רוב מסירי הקצף הם חומרים פעילי שטח. לכן, על פי מנגנון הסרת הקצף, למסירי הקצף צריכה להיות יכולת חזקה להפחית את מתח הפנים, להיספג בקלות על פני השטח, ולקיים אינטראקציות חלשות בין המולקולות הנספחות על פני השטח, וכתוצאה מכך מבנה סידור רופף יחסית של המולקולות הנספחות.
ישנם סוגים שונים של נוגדי קצף, אך לרוב הם חומרים פעילי שטח לא-יוניים. לחומרים פעילי שטח לא-יוניים יש תכונות נוגדות הקצפה קרוב או מעל נקודת העכירות שלהם והם משמשים בדרך כלל כנוגדי קצף. אלכוהולים, במיוחד כאלה בעלי מבנים מסתעפים, חומצות שומן ואסטרים, פוליאמידים, פוספטים, שמני סיליקון וכו', משמשים גם הם בדרך כלל כנוגדי קצף מצוינים.
(4) קצף וכביסה
אין קשר ישיר בין קצף לאפקט הכביסה, וכמות הקצף אינה מעידה על כך שאפקט הכביסה טוב או רע. לדוגמה, ביצועי ההקצפה של חומרים פעילי שטח לא יוניים נמוכים בהרבה מסבון, אך כוח הניקוי שלהם טוב בהרבה מסבון.
במקרים מסוימים, קצף מסייע בהסרת לכלוך. לדוגמה, בעת שטיפת כלי שולחן בבית, קצף חומר הניקוי יכול להסיר את טיפות השמן שנשטפו; בעת קרצוף שטיחים, קצף מסייע להסיר לכלוך מוצק כמו אבק ואבקה. בנוסף, קצף יכול לפעמים לשמש כאינדיקטור ליעילות חומר הניקוי, מכיוון שכתמי שמן שומניים יכולים לעכב את קצף חומר הניקוי. כאשר יש יותר מדי כתמי שמן ופחות מדי חומר ניקוי, לא יהיה קצף או שהקצף המקורי ייעלם. לפעמים, קצף יכול לשמש גם כאינדיקטור לניקיון השטיפה. מכיוון שכמות הקצף בתמיסת השטיפה נוטה לרדת עם הירידה בתכולת חומר הניקוי, ניתן להעריך את מידת השטיפה לפי כמות הקצף.
9. תהליך כביסה
במובן הרחב, כביסה היא תהליך של הסרת רכיבים לא רצויים מהחפץ הנשטף והשגת מטרה מסוימת. כביסה במובן הרגיל מתייחסת לתהליך של הסרת לכלוך מפני השטח של חומר נשיאה. במהלך הכביסה, האינטראקציה בין הלכלוך לסוג הנשא נחלשת או מתבטלת באמצעות פעולתם של חומרים כימיים מסוימים (כגון חומרי ניקוי), מה שהופך את השילוב של לכלוך וסוג הנשא לשילוב של לכלוך ודטרגנט, ובסופו של דבר גורם ללכלוך ולסוג הנשא להתנתק. מכיוון שהחפצים שיש לשטוף והלכלוך שיש להסיר מגוונים, כביסה היא תהליך מורכב מאוד, וניתן לייצג את תהליך הכביסה הבסיסי על ידי הקשר הפשוט הבא.
נשא • לכלוך+חומר ניקוי = נשא+לכלוך • חומר ניקוי
תהליך הכביסה ניתן בדרך כלל לחלק לשני שלבים: האחד הוא הפרדת הלכלוך מהנשא שלו תחת פעולת חומר הניקוי; השני הוא שהלכלוך המותש מתפזר ומרחף בתווך. תהליך הכביסה הוא תהליך הפיך, ולכלוך שמתפזר או מרחף בתווך עשוי גם הוא לשקוע שוב מהתווך אל הכביסה. לכן, חומר ניקוי מצוין צריך לא רק להיות בעל יכולת לנתק לכלוך מהנשא, אלא גם בעל יכולת טובה לפזר ולהרחיף לכלוך, ולמנוע הצטברות חוזרת של לכלוך.
(1) סוגי לכלוך
אפילו עבור אותו פריט, סוג, הרכב וכמות הלכלוך ישתנו בהתאם לסביבת השימוש. לכלוך שמן גוף כולל בעיקר שמנים מן החי והצמח, כמו גם שמנים מינרליים (כגון נפט גולמי, דלק, זפת פחם וכו'), בעוד שלכלוך מוצק כולל בעיקר עשן, אבק, חלודה, פחמן שחור וכו'. מבחינת לכלוך מבגדים, יש לכלוך מגוף האדם, כגון זיעה, סבום, דם וכו'; לכלוך ממזון, כגון כתמי פירות, כתמי שמן מאכל, כתמי תבלינים, עמילן וכו'; לכלוך שמגיע מקוסמטיקה, כגון שפתון ולק; לכלוך מהאטמוספרה, כגון עשן, אבק, אדמה וכו'; חומרים אחרים כגון דיו, תה, צבע וכו'. ניתן לומר שישנם סוגים שונים ומגוונים.
ניתן לחלק בדרך כלל סוגי לכלוך שונים לשלוש קטגוריות: לכלוך מוצק, לכלוך נוזלי ולכלוך מיוחד.
① לכלוך מוצק נפוץ כולל חלקיקים כגון אפר, בוץ, אדמה, חלודה ופחמן שחור. לרוב החלקיקים הללו יש מטען שטחי, לרוב שלילי, והם נספגים בקלות על עצמים סיביים. באופן כללי, לכלוך מוצק קשה להתמוסס במים, אך ניתן לפזר אותו ולהשעיה באמצעות תמיסות דטרגנט. לכלוך מוצק עם חלקיקים קטנים קשה להסרה.
② לכלוך נוזלי הוא בעיקר מסיס בשמן, כולל שמנים מן החי ומצמחים, חומצות שומן, אלכוהולים שומניים, שמנים מינרליים ותחמוצותיהם. ביניהם, שמנים מן החי ומצמחים וחומצות שומן יכולים לעבור ספוניפיקציה עם אלקלי, בעוד שאלכוהולים שומניים ושמנים מינרליים אינם מסתבנים על ידי אלקלי, אך יכולים להתמוסס באלכוהולים, אתרים וממסים אורגניים פחמימניים, ולהיות אמולסיים ומפזרים על ידי תמיסות מימיות של דטרגנטים. לכלוך נוזלי מסיס בשמן בדרך כלל משפיע בצורה חזקה על עצמים סיביים והוא נספג היטב על הסיבים.
③ לכלוך מיוחד כולל חלבון, עמילן, דם, הפרשות אנושיות כגון זיעה, סבום, שתן, כמו גם מיץ פירות, מיץ תה וכו'. רוב סוגי הלכלוך הללו יכולים להיספג חזק על עצמים סיביים באמצעות תגובות כימיות. לכן, שטיפתם קשה למדי.
סוגים שונים של לכלוך כמעט ולא קיימים לבד, לעתים קרובות מעורבבים יחד ונספחים יחד על עצמים. לכלוך יכול לפעמים להתחמצן, להתפרק או להירקב תחת השפעות חיצוניות, וכתוצאה מכך להיווצרות לכלוך חדש.
(2) אפקט ההידבקות של לכלוך
הסיבה שבגדים, ידיים וכו' יכולים להתלכלך היא בגלל שיש איזושהי אינטראקציה בין חפצים ללכלוך. ישנן השפעות הידבקות שונות של לכלוך על חפצים, אך הן בעיקר הידבקות פיזיקלית והידבקות כימית.
① ההידבקות הפיזית של אפר סיגריות, אבק, משקעים, פחמן שחור וחומרים אחרים לבגדים. באופן כללי, האינטראקציה בין הלכלוך הנדבק לאובייקט המזוהם חלשה יחסית, והסרת הלכלוך גם היא קלה יחסית. בהתאם לכוחות שונים, ניתן לחלק את ההידבקות הפיזית של הלכלוך להידבקות מכנית והידבקות אלקטרוסטטית.
א: הידבקות מכנית מתייחסת בעיקר להידבקות של לכלוך מוצק כגון אבק ומשקעים. הידבקות מכנית היא שיטת הידבקות חלשה ללכלוך, שכמעט ניתן להסיר בשיטות מכניות פשוטות. עם זאת, כאשר גודל החלקיקים של הלכלוך קטן (<0.1 מיקרון), קשה יותר להסירו.
ב: הידבקות אלקטרוסטטית מתבטאת בעיקר בפעולתם של חלקיקי לכלוך טעונים על עצמים בעלי מטענים מנוגדים. רוב העצמים הסיבים נושאים מטען שלילי במים ונדבקים אליהם בקלות על ידי לכלוך טעון חיובי כמו סיד. חלק מהלכלוך, למרות שהוא טעון שלילי, כמו חלקיקי פחמן שחור בתמיסות מימיות, יכול להידבק לסיבים דרך גשרי יונים הנוצרים על ידי יונים חיוביים (כגון Ca2+, Mg2+ וכו') במים (יונים פועלים יחד בין מטענים מנוגדים מרובים, ופועלים כמו גשרים).
חשמל סטטי חזק יותר מפעולה מכנית פשוטה, מה שמקשה יחסית על הסרת לכלוך.
③ הסרת לכלוך מיוחד
קשה להסיר חלבון, עמילן, הפרשות אנושיות, מיץ פירות, מיץ תה וסוגים אחרים של לכלוך בעזרת חומרים פעילי שטח כלליים ודורשים שיטות טיפול מיוחדות.
כתמי חלבון כגון שמנת, ביצים, דם, חלב והפרשות עור נוטים לקרישה ולדנטורציה על הסיבים, ונדבקים בצורה חזקה יותר. ניתן להשתמש בפרוטאז כדי להסיר את הכתמי החלבון. הפרוטאז יכול לפרק חלבונים בלכלוך לחומצות אמינו מסיסות במים או אוליגופפטידים.
כתמי עמילן מגיעים בעיקר ממזון, בעוד שאחרים כמו מיצי בשר, משחה וכו'. אנזימי עמילן משפיעים על הידרוליזה של כתמי עמילן, ומפרקים עמילן לסוכרים.
ליפאז יכול לזרז את הפירוק של טריגליצרידים מסוימים שקשה להסיר בשיטות קונבנציונליות, כגון סבום המופרש על ידי גוף האדם, שמנים אכילים וכו', כדי לפרק טריגליצרידים לגליצרול מסיס וחומצות שומן.
כתמים צבעוניים מסוימים ממיץ פירות, מיץ תה, דיו, שפתון וכו' קשים לניקוי יסודי אפילו לאחר כביסה חוזרת ונשנית. ניתן להסיר כתם מסוג זה באמצעות תגובות חמצון-חיזור באמצעות חומרים מחמצנים או חומרים מחזרים כמו אקונומיקה, אשר מפרקים את מבנה הכרומופור או קבוצות הכרומופור ומפרקים אותם לרכיבים קטנים יותר המסיסים במים.
מנקודת מבט של ניקוי יבש, ישנם בערך שלושה סוגים של לכלוך.
① לכלוך מסיס בשמן כולל מגוון שמנים ושומנים, שהם נוזליים או שומניים ומסיסים בממיסים לניקוי יבש.
② לכלוך מסיס במים מסיס בתמיסה מימית, אך אינו מסיס בחומרי ניקוי יבש. הוא נספג על הבגדים בצורת תמיסה מימית, ולאחר שהמים מתאדים, נוצרים מוצקים גרגיריים כגון מלחים אנאורגניים, עמילן, חלבונים וכו'.
③ לכלוך בלתי מסיס במים בשמן אינו מסיס הן במים והן בממסים לניקוי יבש, כגון פחמן שחור, סיליקטים מתכתיים שונים ותחמוצות.
בשל התכונות השונות של סוגי לכלוך שונים, ישנן דרכים שונות להסרת לכלוך במהלך תהליך הניקוי היבש. לכלוך מסיס בשמן, כגון שמנים מן החי ומצמחים, שמנים מינרליים ושומנים, מסיסים בקלות בממסים אורגניים וניתנים להסרה בקלות במהלך ניקוי יבש. המסיסות המצוינת של ממסי ניקוי יבש עבור שמן וגריז נובעת בעיקרה מכוחות ואן דר ואלס בין המולקולות.
להסרת לכלוך מסיס במים כגון מלחים אנאורגניים, סוכרים, חלבונים, זיעה וכו', יש צורך גם להוסיף כמות מתאימה של מים לחומר הניקוי היבש, אחרת קשה להסיר לכלוך מסיס במים מהבגדים. אבל מים קשים להמסה בחומרי ניקוי יבש, לכן כדי להגדיל את כמות המים, יש להוסיף חומרים פעילי שטח. המים הקיימים בחומרי ניקוי יבש יכולים להרטיב את הלכלוך ואת פני השטח של הבגדים, מה שמקל על האינטראקציה עם הקבוצות הקוטביות של חומרים פעילי שטח, דבר מועיל לספיחת חומרים פעילי שטח על פני השטח. בנוסף, כאשר חומרים פעילי שטח יוצרים מיצלות, לכלוך מסיס במים ומים יכולים להתמוסס לתוך המיצלות. חומרים פעילי שטח יכולים לא רק להגדיל את תכולת המים בממיסים לניקוי יבש, אלא גם למנוע את הצטברות הלכלוך מחדש כדי לשפר את אפקט הניקוי.
נוכחות של כמות קטנה של מים נחוצה להסרת לכלוך מסיס במים, אך עודף מים עלול לגרום לעיוות, קמטים וכו' של בגדים מסוימים, לכן תכולת המים בחומר הניקוי היבש חייבת להיות בינונית.
חלקיקים מוצקים כמו אפר, בוץ, אדמה ופחמן שחור, שאינם מסיסים במים ואינם מסיסים בשמן, נדבקים בדרך כלל לבגדים באמצעות ספיחה אלקטרוסטטית או על ידי שילוב עם כתמי שמן. בניקוי יבש, הזרימה וההשפעה של ממסים עלולים לגרום לנשירת לכלוך שנספג על ידי כוחות אלקטרוסטטיים, בעוד שחומרי ניקוי יבש יכולים להמיס כתמי שמן, מה שגורם לחלקיקים מוצקים שמתאחדים עם כתמי השמן ונדבקים לבגדים ליפול מחומר הניקוי היבש. הכמות הקטנה של מים וחומרים פעילי שטח בחומר הניקוי היבש יכולה להשעות ולפזר ביציבות את חלקיקי הלכלוך המוצקים הנושרים, ולמנוע מהם להצטבר שוב על הבגדים.
(5) גורמים המשפיעים על אפקט הכביסה
הספיחה הכיוונית של חומרים פעילי שטח בממשק והפחתת מתח פני השטח (בין-פנים) הם הגורמים העיקריים להסרת לכלוך נוזלי או מוצק. אך תהליך הכביסה מורכב יחסית, ואפילו אפקט הכביסה של אותו סוג של חומר ניקוי מושפע מגורמים רבים אחרים. גורמים אלה כוללים את ריכוז חומר הניקוי, הטמפרטורה, אופי הלכלוך, סוג הסיבים ומבנה הבד.
① ריכוז של חומרים פעילי שטח
למיצלות של חומרים פעילי שטח בתמיסה יש תפקיד חשוב בתהליך השטיפה. כאשר הריכוז מגיע לריכוז המיצלות הקריטי (cmc), אפקט השטיפה עולה בחדות. לכן, ריכוז חומר הניקוי בממס צריך להיות גבוה מערך ה-CMC על מנת להשיג אפקט שטיפה טוב. עם זאת, כאשר ריכוז החומרים הפעילי שטח עולה על ערך ה-CMC, אפקט השטיפה המוגבר הופך פחות משמעותי, ועלייה מוגזמת בריכוז החומר הפעיל שטח אינה הכרחית.
בעת שימוש בסולוביליזציה להסרת כתמי שמן, גם אם הריכוז גבוה מערך ה-CMC, אפקט הסולוביליזציה עדיין עולה עם עליית ריכוז החומר הפעיל שטח. בשלב זה, מומלץ להשתמש בדטרגנט באופן מקומי, כגון על שרוולים וצווארונים של בגדים בהם יש הרבה לכלוך. בעת הכביסה, ניתן למרוח שכבה של דטרגנט תחילה כדי לשפר את אפקט הסולוביליזציה של חומרים פעילי שטח על כתמי שמן.
② לטמפרטורה יש השפעה משמעותית על אפקט הניקוי. בסך הכל, העלאת הטמפרטורה מועילה להסרת לכלוך, אך לעיתים טמפרטורה מוגזמת יכולה גם לגרום לגורמים שליליים.
עלייה בטמפרטורה מועילה לפיזור הלכלוך. כתמי שמן מוצקים מתחלבים בקלות כאשר הטמפרטורה מעל נקודת ההיתוך שלהם, וגם סיבים מגבירים את דרגת ההתפשטות שלהם עקב עליית הטמפרטורה. גורמים אלה כולם מועילים להסרת לכלוך. עם זאת, עבור בדים צפופים, הפערים המיקרו בין הסיבים מצטמצמים לאחר התפשטות הסיבים, דבר שאינו תורם להסרת הלכלוך.
שינויי טמפרטורה משפיעים גם על המסיסות, ערך ה-CMC וגודל המיצלות של חומרים פעילי שטח, ובכך משפיעים על אפקט השטיפה. לחומרים פעילי שטח בעלי שרשרת פחמן ארוכה יש מסיסות נמוכה יותר בטמפרטורות נמוכות, ולעיתים אף מסיסות נמוכה יותר מערך ה-CMC. במקרה זה, יש להעלות את טמפרטורת השטיפה בהתאם. השפעת הטמפרטורה על ערך ה-CMC וגודל המיצלות שונה עבור חומרים פעילי שטח יוניים ולא-יוניים. עבור חומרים פעילי שטח יוניים, עלייה בטמפרטורה מובילה בדרך כלל לעלייה בערך ה-CMC ולירידה בגודל המיצלות. משמעות הדבר היא שיש להגדיל את ריכוז החומרים הפעילי שטח בתמיסת השטיפה. עבור חומרים פעילי שטח לא-יוניים, העלאת הטמפרטורה מובילה לירידה בערך ה-CMC שלהם ולעלייה משמעותית בגודל המיצלות שלהם. ניתן לראות כי העלאת הטמפרטורה בצורה מתאימה יכולה לעזור לחומרים פעילי שטח לא-יוניים להפעיל את פעילות השטח שלהם. אך הטמפרטורה לא צריכה לחרוג מנקודת העכירות שלה.
בקיצור, טמפרטורת הכביסה המתאימה ביותר קשורה לנוסחת חומר הניקוי ולחפץ הנשטף. לחלק מחומרי הניקוי יש השפעות ניקוי טובות בטמפרטורת החדר, בעוד שלחלק מחומרי הניקוי יש השפעות ניקוי שונות משמעותית לכביסה קרה וחמה.
③ קצף
אנשים נוטים לבלבל בין יכולת הקצפה לבין אפקט כביסה, מתוך אמונה שלדטרגנטים בעלי יכולת הקצפה חזקה יש אפקט כביסה טוב יותר. התוצאות מראות שאפקט הכביסה אינו קשור ישירות לכמות הקצף. לדוגמה, שימוש בדטרגנט בעל קצף נמוך לכביסה אינו גורם לאפקט כביסה גרוע יותר מאשר דטרגנט בעל קצף גבוה.
למרות שקצף אינו קשור ישירות לכביסה, קצף עדיין מועיל להסרת לכלוך במצבים מסוימים. לדוגמה, קצף נוזל הכביסה יכול לסחוב את טיפות השמן בעת שטיפת כלים ביד. בעת קרצוף השטיח, קצף יכול גם לסלק חלקיקי לכלוך מוצקים כמו אבק. אבק מהווה חלק גדול מלכלוך השטיח, ולכן לניקוי שטיחים צריך להיות יכולת הקצפה מסוימת.
כוח ההקצפה חשוב גם לשמפו. הקצף הדק שנוצר מהנוזל בעת חפיפת שיער או רחצה גורם לאנשים להרגיש בנוח.
④ סוגי סיבים ותכונות פיזיקליות של טקסטיל
בנוסף למבנה הכימי של הסיבים המשפיע על ההידבקות והסרת הלכלוך, גם מראה הסיבים והמבנה הארגוני של חוטים ובדים משפיעים על הקושי בהסרת הלכלוך.
קשקשים של סיבי צמר והמבנה השטוח דמוי הפס של סיבי כותנה נוטים יותר לצבור לכלוך מאשר סיבים חלקים. לדוגמה, פחמן שחור הדבוק לסרט תאית (סרט דביק) קל להסרה, בעוד שפחמן שחור הדבוק לבד כותנה קשה לשטיפה. לדוגמה, בדי פוליאסטר קצרים נוטים יותר לצבור כתמי שמן מאשר בדי סיבים ארוכים, וכתמי שמן מבדי סיבים קצרים גם קשים יותר להסרה מאשר אלו מבדי סיבים ארוכים.
חוטים שזורים היטב ובדים הדוקים, בשל הפערים הקטנים בין הסיבים, יכולים לעמוד בפני חדירת לכלוך, אך גם למנוע מתמיסת הניקוי להסיר לכלוך פנימי. לכן, לבדים הדוקים יש עמידות טובה בפני לכלוך בהתחלה, אך גם קשה לנקות אותם לאחר שהם מזוהמים.
⑤ קשיות המים
לריכוז יוני המתכת כמו Ca2+ ו-Mg2+ במים יש השפעה משמעותית על אפקט השטיפה, במיוחד כאשר חומרים פעילי שטח אניוניים פוגשים יוני Ca2+ ו-Mg2+ ויוצרים מלחי סידן ומגנזיום בעלי מסיסות נמוכה, מה שעלול להפחית את יכולת הניקוי שלהם. גם אם ריכוז החומרים הפעילי שטח גבוה במים קשים, אפקט הניקוי שלהם עדיין גרוע בהרבה מאשר בזיקוק. כדי להשיג את אפקט השטיפה הטוב ביותר של חומרים פעילי שטח, יש להפחית את ריכוז יוני ה-Ca2+ במים מתחת ל-1 × 10-6 מול/ליטר (יש להפחית את ה-CaCO3 ל-0.1 מ"ג/ליטר). זה דורש הוספת מרככים שונים לחומר הניקוי.
זמן פרסום: 16 באוגוסט 2024