Физико-химические основы моющего действия

Молекулярная масса  продукта составляет 690 г/моль.

Физико-химические свойства:

Lutensol AO 11 представляет   собой    пасту   белого    цвета, растворяется как в воде, так и в органических растворителях. Плотность Lutensol AO 11 составляет 0,99 г/см³ при 60 ⁰C, температура затвердевания 20 ⁰С, гидрофильно-липофильный баланс равен 14.

Применение:

Используется в качестве моющего агента в различных СМС, в том числе жидких.

4. Дистиллированная вода – используется в качестве растворителя синтетических моющих средств. ГОСТ 2874-82

5. Стандартно-загрязненная ткань EMPA (Eldgenossich Materials Prufungs Anstant) 106 – хлопок, загрязненный сажей и минеральным маслом.

3.2 Методы исследования

3.2.1 Определение поверхностного  натяжения водных растворов ПАВ на границе с воздухом

Поверхностное натяжение  растворов неионных ПАВ на границе  вода - воздух измеряли тензиометрическим методом [25].

Метод заключается в  измерении силы, необходимой для  отрыва проволочного кольца вместе со смачивающей его жидкостью от поверхности жидкости. Необходимое условие - полное смачивание кольца жидкостью. Поверхностное натяжение раствора рассчитывали по формуле:

             (6)

где σ₀ - поверхностное натяжение растворителя (вода).

φ_х - угол отрыва (число капель) исследуемой жидкости;

φ₀ - угол отрыва растворителя.

Измерения начинают с  дистиллированной воды и далее по возрастанию концентраций. Ошибка опыта 5% при доверительной вероятности 0,95.

3.2.2 Определение критической концентрации мицеллообразования

Определение ККМ проводили методом измерения статического поверхностного натяжения, что позволяет установить связь между мицеллообразованием в объеме раствора и процессом образования адсорбционного слоя на межфазной границе раздела. ККМ определяли по точке перегиба на изотерме σ₁₂ = f(lnС) [25].

3.2.3 Определение адсорбции НПАВ на пигментных загрязнениях

Пигментные загрязнения подразделяются на глинистые и сажевые. Поэтому определение адсорбции НПАВ велось на саже П-803 и на бентоните азербайджанского происхождения.

Из исходного раствора приготавливают в мерных колбах несколько растворов таких концентраций, чтобы каждый последующий раствор был вдвое разбавленнее предыдущего.

Из приготовленных растворов, включая и исходный, отбирают пипеткой по 50 мл, переносят в конические колбы и прибавляют в каждую колбу по 0,5 г сажи или 30 мг бентонита. Колбы закрывают пробками и оставляют на 1,5 часа, изредка взбалтывая содержимое колб для установления адсорбционного равновесия. По истечении времени измеряют поверхностное натяжение растворов, измерения ведут от меньших концентраций к большим. Поверхностное натяжение исходных растворов определяют во времени установления адсорбционного равновесия в растворах с сажей.

Используя графики поверхностного натяжения  σ = f(c) до и σ' = f(c) после адсорбции, по увеличению поверхностного натяжения после адсорбции определяют адсорбцию НПАВ из растворов разных исходных концентраций. Для этого на кривой σ' = f(c) выбирают ряд точек, соответствующих разным значениям поверхностного натяжения σ' после адсорбции при данной исходной концентрации с, и, проведя через эти точки прямые, параллельные оси абсцисс, до пересечения с кривой σ = f(c), находят разность между исходной и равновесной концентрациями С_исх-С_равн.

Адсорбцию А (в молях  адсорбтива на 1 г адсорбента) вычисляют по формуле (4).

По изотерме адсорбции  А=f(С_равн) находят максимальное значение адсорбции А_мкас.

3.2.4 Определение концентрации неонола методом УФ - спектроскопии

Электронный спектр поглощения (ЭСП) и определение концентрации вещества до и после адсорбции, производились на спектрофотометре СФ – 103 (ЗАО «НПК Аквилон) в диапазоне записи УФ спектра 190-400 нм с разрешением 0,2 нм.

Произведена калибровка и спектрофотометрическое определение  концентрации ПАВ в кюветах из кварца 10 образцов на длине волны 220 нм с длиной оптического пути 10 мм (табл. 2). Поглощение воды, кюветы и потеря поглощения на рассеивание учтены. В качестве стандарта используют дистиллированную воду.

 

Таблица 2. Калибровка по неонолу АФ 9-12

Концентрация, г/л	АВS
0,25	2,620
0,125	1,407
0,063	0,721
0,0315	0,290
0,00157	0,126
0 (дист.вода)	-0,254

 

По полученным данным строим калибровочную кривую, которая  соответствует уравнению y=0,089x-0,0146 с достоверностью аппроксимации R² = 0,9896 (рис. 5).

Рис. 5. Калибровка по неонолу АФ 9-12

Далее определяем концентрацию растворов неонола до и после адсорбции. По разности концентраций по уравнению (2) находим величину адсорбции на ткани, которая соответствует данным, полученным при определении адсорбции, рассчитанной по изменению поверхностного натяжения.

3.2.5 Определение кинетики адсорбции НПАВ на саже

Из исходного раствора приготавливают в мерных колбах несколько растворов постоянной концентрации.

Из приготовленных растворов  отбирают пипеткой по 50 мл, переносят  в конические колбы и прибавляют в каждую колбу по 0,5 г сажи, фиксируют время начала адсорбции и включают механическую мешалку. По истечении 5, 10, 15 и 20 мин процесса определяют величину адсорбции по изменению концентрации раствора в каждой колбе за указанное время [25].

Величину адсорбции  А (моль/г) рассчитывают по формуле (4).

3.2.6 Определение динамической адсорбции ПАВ на ткани EMPA 106

Из ткани вырезали образцы размером 1,5x15 см. Затем один его конец закрепляли в зажиме на планке, а другим концом опускали в воду или раствор ПАВ.

Подъем жидкости по образцу  ткани определяли по масштабной линейке, закрепленной рядом. Высоту подъема  замеряли в течение получаса каждые 5 мин.

По экспериментальным данным был построен график зависимости t/l (мин/мм) от времени. 

После построения  кинетической зависимости в координатах уравнения 

     (7)

были рассчитаны значения предела подъема воды по образцу  ткани l_m и t₀.

Наименьший размер капилляров рассчитываем исходя из предпосылки, что погрешность эксперимента составляет 0,5%. Тогда из уравнения

         (8)

рассчитываем время, необходимое  для подъема на высоту l=0,995l_m

         (9)

Расчет по уравнению 

        (10)

позволяет найти минимальный  размер капилляров.

Косинус краевого угла смачивания рассчитываем по уравнению Жюрена:

           (11)

Строим график зависимости  напряжения смачивания от концентрации растворов и рассчитываем адсорбцию ПАВ на поверхности волокон из растворов по уравнению Гиббса:

          (12),

где σ_ж – поверхностное натяжение растворов ПАВ.

3.2.7 Определение массовой доли суспендированного загрязнения

В стаканчик  для взвешивания помещают от 5,0 до 10,0 г полученного раствора, взвешивают и результат записывают до четвертого десятичного знака. Стаканчик с содержимым помещают в сушильный шкаф и высушивают при температуре (103±2)°С в течение 3 ч. По окончании высушивания стаканчик охлаждают и выдерживают в эксикаторе с осушителем в течение 30 мин, затем взвешивают. Высушивание повторяют до тех пор, пока расхождение между двумя последовательными взвешиваниями не будет превышать 0,002 г.

Массовую долю сухого вещества в процентах вычисляют по формуле:

X = (m₃-m₁)/(m₂-m₁)·100%                                    (13),

где m₁ – масса стаканчика, г;

m₂ – масса стаканчика с раствором для высушивания, г;

m₃ – масса стаканчика и остатком после высушивания, г.

3.2.8 Определение размера частиц загрязнения турбидиметрическим методом

В растворах ПАВ, отобранных из стиральной машины через определенные интервалы времени, определяли размеры  частиц сажи. Для этого на фотоэлектроколориметре  типа КФК-3 измеряли оптическую плотность растворов ПАВ, содержащих частицы загрязнения. Радиус частиц рассчитывали по уравнению Рэлея:

                (14)

где I_р – интенсивность рассеянного света; I₀ – интенсивность падающего света; λ – длина волны света; n₁ и n₂ – показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, ν – численная концентрация.

По экспериментальным  результатам вычисляют:

1) Величину массовых концентраций (С_масс) и объемных концентраций (С_об) по известному содержанию сухого остатка и плотности сажи;

2) Величину τ по  формуле  при l = 1;

3) Значение τ/С_об;

4) Величину k по формуле , подставив в нее значение (λ_приб = 470 нм);

5) Объем частиц сажи  по уравнению 

6) Радиус частиц сажи по формуле

3.2.9 Определение моющей способности (ГОСТ 22567.15-95)

Моющая способность  является основным показателем эффективности  любого синтетического моющего средства. Моющую способность оценивали на стандартно загрязненной ткани (хлопок, загрязненный пигментно-масляным загрязнителем). Испытание раствора средства проводят при концентрации 2,5-10,0 г/дм³ и температуре 25-90°С в зависимости от назначения средства и вида средства (жидкость, порошок, паста и другие формы: концентрированное или обычное моющее средство).

Подготовка образна  ткани. Из полосы загрязненной ткани вырезают ножницами образцы размером 50x50 мм с допустимой линейной погрешностью: 1:5мм, метят их шариковой ручкой с синей или фиолетовой пастой или вышивкой и измеряют коэффициент отражения каждого образца с двух сторон. Из полученных значений берут среднее арифметическое. Коэффициенты отражения образцов ткани измеряют на слое, состоящем не менее чем из восьми образцов.

Приготовление раствора испытуемого средства. Навеску испытуемого моющего средства массой 10,00±0,02 г помещают в стакан, растворяют в 150 - 200 см³ дистиллированной воды, количественно переносят в мерную колбу или цилиндр, вместимостью 1000 см³, доводят объем раствора до 1000 см³ и перемешивают.

Проведение испытания. В бак лабораторной стиральной машины наливают дистиллированную воду до указанной отметки, устанавливают нужную температуру на терморегуляторе и включают нагревательную систему.

В каждую банку помещают по пять фторопластовых шариков по ГОСТ 10007 весом 1,4±0,2 г каждый, наливают по 100 см³ раствора испытуемого средства и средства сравнения и быстро один за другим опускают по четыре нумерованных и фотометрированных образца ткани. Начальная температура растворов в банках перед стиркой должна быть 20±2° С.

Банки    закрывают    крышками,    закрепляют   в    гнездах   ротора,    включают электродвигатель и отмечают время начала стирки. Продолжительность  стирки 20±1 мин.

Для определения моющей способности при температурах 25, 60 и 90°С воду в лабораторной стиральной машине нагревают до (25±2)°С, (50±2)°С, (90±5)°С соответственно. Испытания моющих средств, содержащих энзимы, проводят при температуре (40±2)°С.

После окончания стирки отработанный раствор сливают, оставляя образцы ткани в банках. Полоскание проводят в этих же банках. Для этого в каждую банку наливают по 200 см³ жесткой воды температурой (50±2)°С, закрывают крышками, устанавливают в гнезда ротора, включают мотор и проводит полоскание в течение 2 мин при температуре воды в стиральной машине (50±2)°С. По окончании полоскания мотор выключают, банки открывают, воду сливают. Второе полоскание проводят в тех же банках при температуре воды в банках и баке стиральной машины (25±2)°С или в таком же количестве водопроводной воды в банках вручную. Продолжительность полоскания - 2 мин.

Образцы ткани после  окончания полоскания просушивают  на листе фильтровальной бумаги и  проглаживают утюгом между двумя  листами фильтровальной бумаги. Измеряют коэффициенты отражения каждого образца ткани в тех же участках, что и до стирки.

Условия стирки (концентрация моющего средства, продолжительность  и температура замачивания и  стирки) могут быть другими (с учетом способа применения конкретного  моющего средства), что также должно быть зафиксировано в протоколе испытаний.

Обработка результатов.

Моющую способность  испытуемого моющего средства Хп %, вычисляют по формуле:

Хп = (R2 - R1)/(R3 - R1)*100             (15)

где R2 - среднее арифметическое восьми измерений коэффициентов отражения образцов определенного вида ткани, полученных после стирки образцов раствором испытуемого средства (N) в банке с четырьмя образцами;

R1 - среднее арифметическое восьми измерений коэффициентов отражения образцов определенного вида ткани до стирки;

R3 - коэффициент, отражения исходной белой ткани определенного вида. За результат испытаний принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между наиболее отличающимися значениями которых не превышает значения расхождения равного ±5,6%.

Пределы допустимого значения погрешности результата испытаний ±4% при доверительной вероятности Р=0,95.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

4.1 Физико-химические свойства НПАВ на различных границах раздела фаз

В моющем процессе поверхностно-активные вещества взаимодействуют с различными поверхностями: с тканью, с загрязнителями (жидкими и твердыми), поэтому нами были изучены некоторые физико-химические характеристики НПАВ на различных границах раздела фаз.

4. 1 .1 Адсорбционные характеристики водных растворов НПАВ на границе с воздухом