1.4.4. Моющее действие
Механизм моющего действия мыльных растворов (а также синтетических моющих средств) связан с поверхностной активностью растворов таких веществ, а главное, со способностью мыла адсорбироваться на поверхности, отделяющей его растворы от субстрата (от воздуха, жидких или твердых тел).
В 1930–1932 годах, в СССР, академиком П.А. Ребиндером была разработана теория моющего действия мыльных растворов, основанная на поверхностно активных свойств мыл.
Основными факторами моющего действия, в данном случае, являются поверхностная активность и поверхностная прочность мыльных растворов. На границе раздела фаз образуются ориентированные слои мыла, в которых происходит его коагуляция, благодаря чему эти слои приобретают значительную механическую прочность, гидрофилизируют поверхность смачиваемого субстрата, ослабляют прилипание к ней загрязнения и этим способствует более легкому отмыванию их. В случае маслообразных загрязнений, они эмульгируются в мыльном растворе.
Дальнейшее развитие этой теории получило в работах советского профессора Б.М. Тютюнникова. Он показал, что в механизме моющего действия мыльных растворов, помимо поверхностно активных свойств мыльных растворов, большая роль принадлежит и электрическим зарядам, особенно в процессе отмывания твердых частиц. Заряды, сообщаемые поверхности субстрата и загрязнений (обычно одноименные) за счет адсорбции на них компонентов мыльных растворов, способствуют, за счет сил отталкивания, ослаблению связи между поверхностями очищаемой ткани и твердых частиц загрязнений, в том числе, и з счет расклинивающего действия тончайших адсорбированных слоев водных мыльных растворов.
Несколько позже, П.А. Ребиндер сформулировал еще одно дополнение, заключающееся в том, что кроме поверхностно-активных свойств мыльных растворов, в моющем действии большая роль принадлежит и объемным свойствам – способности к солюбилизации, т.е. способности пластинчатых мицелл мыла растворять маслообразные (жировые) загрязнения.
Учитывая результат выполненных исследований в данном направлении – механизм моющего действия мыльных водных растворов описывают следующим образом.
Чтобы понять этот механизм, необходимо охарактеризовать загрязнения, которые требуется удалять при стирке или мытье. Основная масса из них, это адсорбирующиеся и оседающие на теле человека и его одежде. По происхождению и характеру сцепления с тканью, они весьма различны (минеральная и органическая пыль (сажа), минеральные масла, различные жиры, потовыделения и т.д.).
В потовыделениях человека, наряду с влагой имеется мочевина, органические кислоты, соли, жировые и жироподобные вещества. Липкая смесь таких веществ, в процессе «дыхания кожи», оседает на ней. Часть, за счет трения об одежду, снимается с кожи. Однако большая часть (соли, жировые и другие органические вещества) оседает на волокнах ткани, прилипая к ним. Влага же постепенно испаряется, уходит. Отложившиеся на ткани загрязнения, за счет сорбции, сцепляются как с тканью, так и между собой.
Мыло, растворяясь в воде, резко снижает поверхностное натяжение его раствора (для чистой воды поверхностное натяжение на границе воды с воздухом составляет 73 эрг/см2; 0,1%-ный водный раствор олеиновой кислоты дает поверхностное натяжение на уровне 25 эрг/см2, т.е. почти в три раза ниже).
Вещества, понижающие поверхностное натяжение воды называют «поверхностно активными». Естественно, что строение мыла, его природа оказывают основное влияние на его поверхностно-активные свойства и моющую способность.
При растворении мыла в воде его карбоксильная группа, как более полярная, остается в воде, а углеводородная – гидрофобная выталкивается из водного раствора.
Если в водный раствор мыла попадают капельки жира, масла или другого неполярного вещества, то торчащая из водной среды углеводородная часть молекулы мыла проникает в жировое вещество, растворяя его а себе.
При этом, мыло связывает водный раствор с нерастворимыми в нем жировыми загрязнениями. Так как в водном растворе мыла имеется большое количество молекул мыла, то они группируются вокруг капельки жирового загрязнения в виде сплошного частокола, переплетаясь и создают прочную упругую пленку, удерживающую эту капельку жира в водном растворе (рис. 4).
Рис. 4. Удерживание капелек масла в мыльном растворе
Аналогично происходит и с твердыми частицами, подлежащими удалению с отмываемой поверхности ткани (рис. 5).
Рис. 5. Схематическое изображение моющего процесса: а – I стадия (смачивание ткани и загрязнения); б – II стадия (отрыв загрязнения от ткани); в – III стадия (удержание загрязнения в моющем растворе)
Водный раствор мыла, обладающий высокой смачивающей способностью при погружении ткани в него, растекается по ее поверхности и впитывается ею.
М
олекулы
мыла, при этом, погружаются в ткань своей
неполярной частью, а короткая полярная
как бы торчит наружу, в водной среде.
Между тканью и прилипшими к ней загрязнениями образуются тончайшие пленочки, ослабляющие силы сцепления ткани с загрязнением и облегчающие их отрыв от ткани.
Одновременно, молекулы мыла прилипают и к твердой поверхности загрязнения своей неполярной частью, а полярная часть остается свободной.
Поскольку полярная часть молекулы мыла в водных растворах, особенно разбавленных, диссоциируют по схеме:
,
то в результате, вокруг диссоциированных молекул образуется электрическое поле. Электрический заряд молекул мыла, адсорбированных на ткани и на частице загрязнений – одинаков. За счет сил взаимоотталкивания, отрыв загрязнений от ткани облегчается и его частица переходит в моющий раствор (рис. 1.5,б).
Благодаря одноименному заряду как на поверхности ткани, так и на частицах загрязнений, становится невозможной вновь обратная адсорбция загрязнений на выстиранную ткань.
Кроме того, мыльный раствор, проникая в тончайшие щели, трещинки в самом загрязнении, расклинивает (разрывает) их на еще более мелкие частиці, которые легче затем удерживаются в моющем растворе.
В процессе механического перемешивания мыльного раствора и выстируемого материала, пузырьки воздуха, попадающие в мыльный раствор, оказываются заключенными в оболочку из молекул мыла, длинный углеводородный гидрофобный радикал, которых обращен внутрь воздушного пузырька, а короткий полярный – в воду (рис. 6).
Рис. 6. Схема образования пены в мыльном растворе
Пена не только облегчает удерживание загрязнений, прилипающих к поверхности тончайших мыльных пленок, но и выносит их на поверхность моющего раствора, а так же является свидетельством того, что в моющем растворе еще достаточен запас неизрасходованного мыла.
Обычно наилучшая моющая способность мыл реализуется при его концентрации на уровне 0,1–0,2% мас. в пересчете на жирные кислоты.
Следует подчеркнуть, что мыла, адсорбированные на поверхности субстрата, обычно вытесняют ранее адсорбированные на нем вещества (масла, парафинистые углеводороды и т.д.).
Адсорбируясь, из моющего водного раствора на границе мыльного раствора и загрязнений, смеси молекул мыла и анионов жирных кислот образуют ориентированный слой из этих двух компонентов. В результате поверхность отмываемого субстрата и поверхность загрязнения приобретают электрические заряды одного знака (обычно отрицательные). В результате взаимоотталкивания одноименных зарядов, связь между субстратом и твердым загрязнениям ослабляется и разрушается.
В это время, обладающие большей смачивающей способностью, растворы мыла легко проникают даже в очень узкие пространства – щели, по которым осуществляется контакт между субстратом и загрязнением. При этом, они испытывают на себе расклинивающее действие – давление очень тонких слоев воды.
Благодаря расклинивающему действию, толщина и поверхности щелей между загрязнением и субстратом увеличиваются, что ускоряет смывание загрязнений.
В сочетании с электростатическим отталкиванием одноименно заряженных частиц загрязнения и субстрата, эффект моющего действия резко усиливается.
В тоже время, наличие на загрязнении и субстрате одноименного знака заряда препятствует осаждению загрязнений обратно на субстрат.
Мыло, адсорбированное на поверхность субстрата, обычно вытесняет ранее адсорбированные на ней, но менее прочно связанные вещества (парафинистые углеводы, масла и т. д.).
Из-за образующейся на адсорбируемой поверхности таких веществ адсорбционной поверхности мыльной пленки, большие капли загрязнений стабилизируются в мыльном растворе в виде эмульсий.
Такая же пленка образуется и на поверхности раздела мыльного раствора с газом и твердыми веществами загрязнений (рис. 4).
Образующийся в момент адсорбции монослой состоит, главным образом из молекул мыла и анионов.
Благодаря ориентационному эффекту, на нем сразу же формируется второй слой из тех же компонентов, но обратно ориентированный (рис. 4 «б»). В зависимости от состава моющего средства, концентрации его раствора и температуры, этот диффузный, адсорбционный слой может иметь разную толщину, но его структура аналогична структуре пластинчатых мицелл.
Такие мицеллы способны включать в свой состав (солюбилизировать) молекулы углеводородов, которые размещаются между углеводородными радикалами жирных кислот (рис. 4 «в»).
Растворение маслоподобных загрязнений в мыльных водных растворах происходит, как в эмульгированных каплях, так и в процессе контакта мыльного раствора на поверхности очищаемого субстрата. Такое растворение протекает тем быстрее, чем выше концентрация мицелл мыла (концентрация раствора). Эти процессы наблюдаются как при мойке, загрязненных жирами рук, при намыливании их куском мыла, так и в слабых растворах мыл, но более медленно.
В последнем случае, важную роль играет механическое перемешивание, ускоряющее очистку субстрата, за счет усиления нарушения диффузного слоя. При этом, из-за разрушения пластинчатых мицелл, частицы углеводородов (жиры) могут освободиться. Но тут же будут заэмульгированы другими группами молекул мыла.