洗涤剂的工作原理与原料选择

洗涤剂的工作原理与原料选择

摘要：洗涤作用可以简单地定义为，自浸在某种液体介质（一般为水）中的固体表面去除污垢的过程。在此过程中，借助于某些化学物质（洗涤剂）以减弱污物与固体表面的粘附作用，并施以机械力搅动，使污垢与固体表面分离而悬浮于液体介质中，最后将污物洗净、冲去。

（一）洗涤作用的基本过程

在洗涤过程中，洗涤剂是必不可少的。当今，合成表面活性剂如烷基苯磺酸钠LAS、烷基硫酸钠AES、脂肪醇聚氧乙烯链AEO以及迅速发展的脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE等非离子表面活性剂，作为洗涤剂的重要组分，大量地代替了肥皂。洗涤剂的一种作用，是去除物品表面上的污垢，另外一种作用则是对污垢的悬浮、分散作用，使之不易在物品表面上再沉积，整个过程是在介质（一般是水）中进行的。整个过程是平衡可逆的。若洗涤剂性能甚差（一是使污垢与物品表面分离的能力差，二是分散、悬浮污垢的能力差，易于再沉积），则洗涤过程不能很好的完成。对于洗涤过程，很难发展一个同一普遍的机理，这是由于洗涤过程中的物品（基底、作用物）和污垢几乎有无限多的品种，而性质上千差万别之故。

一般污垢可分为液体污垢及固体污垢。前者包括一般的动、植物油及矿物油（如原油、燃料油、煤焦油等），后者主要为尘土、泥、灰、铁锈及炭黑等。液体污垢和固体污垢经常一起构成混合污垢，往往是液体包住固体微粒，粘附于物品表面。因此这种混合污垢与物品表面粘附的本质，基本上与液体油类污垢的情形相似。液体污垢与固体污垢在物理及化学性质上存在较大差异，故二者自表面上去除的机理亦不相同。两类污垢与表面的粘附主要是通过范德华引力；在水介质中，静电引力一般要弱得多。污垢与表面一般无氢键形成，但若形成时，则污斑难以去除。

不同性质的表面与不同性质的污垢有不同的粘附强度，在水为介质的洗涤过程中，非极性污垢（如炭黑与石油等非极性油污）比极性污垢（如极性脂肪物质、粉尘、粘土）不容易洗净。在疏水表面（如聚丙烯、聚酯等塑料）上的非极性污垢，比在亲水表面（如棉花、玻璃）上者更不易去除；而在亲水表面上的极性污垢则比在疏水表面上者不易洗涤。如果从纯粹机械作用考虑，则固体在纤维性物品表面上较易粘附，固体污垢质点越小，则越不容易冲洗去除。

（二）污垢的去除

污垢与物品的附着是通过不同的相互作用来

实现的，因而污垢的去除机理也不相同。下面讨论的是关于表面活性剂起主要作用的污垢去除，并不包括机械作用、化学试剂作用如漂白剂、还原剂及酶等作用。应用表面活性剂去除的污垢一般是通过物理吸附（范德华力，偶极相互作用）或是静电作用二附着于基底上的。去除污垢一般即涉及表面活性剂自介质中吸附于污垢及基底表面的效应。吸附改变了污垢/介质界面及基底/介质界面的界面张力和电势，可促进污垢的去除。根据不同的去除污垢机理，污垢的去除可分为液体和固体污垢的去除。（三）影响洗涤作用的一些因素

1．表面张力

表面张力是表面活性剂水溶液的一种重要的物理化学性质，而表面活性剂又是洗涤液中的主要成分（必需成分），故表面张力与洗涤作用的关系必然有一定的规律。

2．加溶作用

表面活性剂胶团对油污的加溶，可能是自固体表面去除少量液体污垢的最重要的机理。不溶于水的种种有机物质，因其性质各异而加溶于胶团的不同部位，形成透明、稳定的溶液。非极性油污加溶于胶团的非极性内核中，极性油污则根据其极性大小及分子结构形式不同而加溶于胶团外壳的极性基团区域，或者油污分子的极性基锚于胶团表面，而非极性碳氢链插入胶团内核中。因此，去除油污的加溶作用，实际上就是油污溶解于洗涤液中，使得油污不可能再沉积于物件表面，大大提高了洗涤效果。

3．吸附作用

表面活性剂在污垢及洗涤物品表面上（自溶液中）的吸附，对洗涤作用有重要影响。这一影响主要是由于吸附使得界面及表面在各种性质（如机械性质、电性质及化学性质）上均有变化而产生的。4．表面活性剂疏水链长

表面活性剂同系物中，碳氢链长与物理化学性质，如表面活性、润湿性、乳化作用等，有密切关系，在洗涤性能的表现上也不例外。一般而论，碳氢链较长者，洗涤性能较好,比如脂肪酸甲酯乙氧基化物这类长碳链大分子的表面活性剂，其洗涤性能则是出众的。但是也有缺陷，长链的表面活性剂往往渗透性能会稍差。

5．表面活性剂亲水基的影响

非离子表面活性剂聚氧乙烯链中氧乙烯数的增加会降低表面活性剂在大多数材料表面上的吸附作用，当EO数超过10-12，便会导致乳化净洗性能大幅度下降，所以可用作净洗的非离子环氧乙烷类表面活性剂EO数不超过10。如30℃壬基酚聚氧乙烯醚溶液的洗涤作用随氧乙烯基的增加（自9到15）而下降，当EO数超过20后，净洗性能最低。6．乳化与起泡

对于少量油污，表面活性剂胶团的加溶作用在洗涤过程中可能有重要的影响，也有不少事实与此论述不符。但无论如何，表面活性剂的乳化作用，不管油污多少，在洗涤过程红棕总是相当重要的。要使乳化作用顺利进行，必须加入有高表面活性的表面活性剂，以最大限度地降低界面张力。这样，只需用最小的机械功（略做搅拌）即可乳化。在降低界面张力的同时，界面吸附伴随发生，形成有一

定强度的界面膜，防止油珠聚结，有利于乳状液的稳定，油污质点也一步再沉积于固体表面，然而很明显，仅仅是油污的乳化、分散，尚不足以有效地完成洗涤过程，还需要根据具体情况，考虑前面讨论过的各种因素的影响。

至于起泡作用与洗涤作用的关系，则不像乳化作用和洗涤作用的关系那样清楚，在过去习惯于把起泡作用与洗涤作用混为一谈。往往认为一种洗涤液的好坏决定于其起泡作用，实际上并非如此，二者之间并无直接相应的联系。在很多场合中，采用低泡型的表面活性剂水溶液极性洗涤有很好的效果，但在某些场合，泡沫还是有助于去除污垢的。另外泡沫的存在，有时的确可以作为洗涤液尚有效的标志，因为脂肪性油污往往对洗涤剂的起泡力有抑制作用。总括而言，在工业洗涤过程或家庭洗涤过程中，很难看出泡沫对洗涤作用有直接的帮助。（四）助洗剂

在一般洗涤剂配方中，除了作为主要成分的表面活性剂外，还有较大量的无机物（主要是无机盐）及少量的有机添加剂。这些物质在洗涤过程中各有其特殊作用，但总的共同之处是提高洗涤效果，故称之为助洗剂。

洗涤剂中，表面活性剂占10～35%，助洗剂占15～80%；一般液体洗涤剂中，助洗剂的含量较少。助洗剂中，主要是无机盐类，如磷酸钠类、碳酸钠、硅酸钠及硫酸钠等，以及近年来代替磷酸钠类的沸石；还有少量的有机助洗剂，如羧甲基纤维素钠盐及脂肪酸单乙醇酰胺、氧化胺（后两物可归于表面活性剂中）。

磷酸钠盐有两类，一是正磷酸盐，另一是缩合磷酸盐。正磷酸盐有Na3PO4及Na2HPO4，在洗涤剂配方中很少应用缩合磷酸盐中有焦磷酸钠Na4P2O7、三聚磷酸钠Na5P3O10、四磷酸钠Na6P4O13及六偏磷酸钠(NaPO3)6。后两者易于吸湿，不宜配入干粉剂；前两者应用较多。(NaPO3)6实际上是玻璃状的多聚偏磷酸钠(NaPO3)n。磷酸盐助洗剂的主要作用是，与水中的多价金属离子鳌合，以避免金属离子与阴离子表面活性剂作用而生成不溶的污垢，沉积于洗涤物表面；本身也有一定的去污作用及质点悬浮作用，而且与表面活性剂在洗涤力上有协同效应，可提高表面活性剂的洗涤力。磷酸钠盐容易吸附于质点及洗涤物表面，大大增加其表面电荷量（多、聚磷酸根的负电荷数较多），有利于质点分散体的稳定，防止其聚沉、再沉积，故对洗涤有利。

但洗涤剂中的磷酸盐因对内陆湖泊和池沼造成“过肥”现象而受到非议，于是一些代替（或部分代替）磷酸盐的助洗剂，特别是沸石、硅酸盐类助洗剂就应运而生。

沸石是一种硅铝酸钠结晶，特别是沸石A，已被广泛用作磷酸盐的代替物，它通过离子交换以除去洗涤液中的钙离子。沸石能软化水，但不能维持pH，不能提供碱性，也不能阻止污垢的再沉积，因此为使洗涤剂具有最佳去污作用，其他洗涤剂助洗剂还是必须的。

硅酸钠用于洗涤剂助洗剂已有数十年历史，水玻璃是一种无定型硅酸钠，与其他助洗剂合用有协调作用，起到更好助洗效果；与碳酸钠一样，可提供碱性，维持高pH值，高pH值可增教表面负电荷，