Công thức hoá học của chúng là [13]:
1.3.2.1Tẩy các vết bẩn có chất béo
* Thuyết nhiệt động Ph– ơng thức Lanza
Xét một chất béo H(dầu) và bề mặt rắn (F). Việc vấy bẩn F do H có thể đợc biểu diễn qua hình 1.2:
Không khí γHA Không khí γHA γFA γFA H γHF F F Hình 1.2: Vết bẩn có chứa chất béo.
Khi giọt dầu H (thể I) tiếp xúc với bề mặt F (thể II) thì giọt dầu trải ra cho đến khi đạt thế cân bằng với một góc tiếp giáp, đợc xác định bởi bề mặt F và tiếp tuyến của giao diện dầu/khí. Năng lợng tự do của thể II có thể đợc viết theo phơng trình sau :
θ cos . HA FH FA E E E = + (1) Trong đó : EFA:Năng lợng tự do bề mặt/khí EFH:Năng lợng tự do bề mặt/dầu EHA:Năng lợng tự do dầu/khí
Năng lợng tự do tính trên một đơn vị diện tích bằng sức căng giao diện hay bề mặt. Phơng trình (1) trở thành :
θ γ
γ
Mặt khác, công gắn với chất lỏng H vào bề mặt F đợc biểu diễn theo ph- ơng trình Dupre: FH HA FA FH W =γ +γ −γ Ư (3)
Theo phơng trình này, thì thấy rằng gây bẩn càng dễ bao nhiêu thì công gắn chặt chất lỏng càng nhỏ bấy nhiêu.
Để đợc nh thế chỉ cần sức căng bề mặt F (γFA) hay sức căng bề mặt H γHA yếu đi. Các bề mặt không cực (dầu polyeste..) có sức căng bề mặt yếu cho nên các chất béo bám chặt vào sợi polyeste rất dễ dàng. Trái lại, bông sợi có cực, có sức căng bề mặt lớn hơn cho nên nó bị vấy bẩn khó khăn hơn. Gột vết bẩn có chất béo H khỏi bề mặt F, đợc biểu diễn theo sơ đồ hình 1.3.
Gột tẩy vết bẩn bao hàm đi từ thể II sang thể III.
ở ban đầu thể II, năng lợng tự do đợc biểu diễn bằng :
HEHF HF II
E =γ +γ
Nớc
H Dung dịch chất tẩy rửa
(F) (F)
II III
Hình 1.3: Gột tẩy chất bẩn có chất béo
Khi vết bẩn tách khỏi bề mặt F, trong thể III năng lợng tự do có thể biểu diễn bằng :EIII =γHF +2γHE( Ta có 2γHE bởi vì trong thể III ngời ta rạo thêm một phân giới H/E phụ thêm).
Công cần thiết đi từ II sang III:
Hay WA =γFE +γHE −γFH (4)
Theo phơng trình này ngời ta thấy rằng, công càng yếu (tẩy rửa càng dễ hơn) thì hai số hạng đầu γFEvà γHE càng yếu hơn và số hạng thứ 3 lại lớn hơn. Sự thêm tác nhân bề mặt có tác dụng chính là giảm sức căng bề mặt (tức là giảm
γFEvà γHE) và gia tăng sức căng giao diện γHF nhờ sự hấp phụ tác nhân bề mặt đó ở các giao diện F/E và H/E.
Mặt khác, trong trờng hợp sợi polyeste (không cực) bị vấy bẩn bởi một chất béo (không cực), thì sức căng giao diện γHF yếu: việc tẩy vết bẩn này, do đó khó khăn hơn trong trờng hợp bông sợi, trong đó γHF lớn hơn bởi vì bông sợi gồm các phân tử có cực.
Dựa vào những dữ kiện nhiệt động học, ngời ta có thể xác định diều kiện cần thiết để “gột rửa tự phát” vết bẩn có chất béo. Để vết bẩn tự tẩy thì năng l- ợng tự do ở giai đoạn cuối (đã tẩy sạch) cần kém hơn giai đoạn đầu (bị vết bẩn) , nghĩa là:
EIII < EII
Hay γFE + 2.γHE < γHF + γHE Hay γFE + γHE < γHF
Vậy nếu tác nhân bề mặt, do sự hấp phụ của nó trên bề mặt và vết bẩn làm giảm sức căng giao diện của chúng (so với nớc), đến mức mà tổng của chúng trở nên kém hơn sức căng giao diện bề mặt/ chất bẩn, lúc đó vết bẩn sẽ tự tẩy đi.
* Cơ chế Rolling up (cuốn đi) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc tẩy các vết bẩn béo cũng có thể giải thích bằng thuyết “Rolling up” Đợc Stevenson nhắc đến năm 1953
Nớc H γFE θ H γHE F F γHF I II Dung dịch γFE H tẩy rửa
θ Dung dịch tẩy rửa
(F) γHF (F)
III IV
Hình 1.4: Phơng thức Rolling up“ ”
Việc tẩy đi các vết bẩn đợc chuyển từ thể II sang thể IV, qua thể trung gian III. Khi cân bằng, hợp lực của ba vectơ γHE, γHF, γFE đợc biểu diễn bằng ph- ơng trình sau đây:
γFE = γHF + γHE.cosθ (5) HE HF FE Cos γ γ γ − = (6)
Để tẩy đi các vết bẩn, θ = 180O hay Cosθ = -1. Trong điều kiện này, ph- ơng trình (6) thành: -1 = HE HF FE γ γ γ − hay γFE = γHF + γHE (7)
Chất HĐBM, do chúng đợc hút trên bề mặt và vết bẩn, làm giảm đi các sức căng giao diện γHE và γFE theo phơng trình (6). Lúc đó , màng dầu (vết bẩn béo) sẽ cuốn lại và tách khỏi bề mặt do có tác động cơ học. Đó là cơ chế “Rolling up”.
* Hoà tan hoá
Cơ chế Rolling chỉ liên quan đến các vết bẩn ở thể lỏng có chất béo và chủ yếu nhờ các chất HĐBM làm giảm sức căng giao diện. Sau khi có đợc CMC thì không giảm sức căng giao diện nữa, cho nên hiệu ứng “Rolling up” không tăng khi có nồng độ này. Tuy nhiên, vì ngời ta thấy sự giặt tẩy gia tăng khi vợt quá CMC, ta cần phải nhờ đến một cơ chế khác đó là sự hoà tan hoá. Lý thuyết này đã đợc đa ra trớc hết bởi Mc Bam vào năm 1942, rồi lại đợc Ginn, Brown, Harris khẳng định năm 1961. Các phân tử của các chất HĐBM kết hợp với nhau trong các dung dịch loãng để hình thành các micelle ở một nồng độ nào đó đợc gọi là “nồng độ micelle tới hạn”. Trong các micelle, phần kị nớc của phân tử chất HĐBM quay về phía trong , trong khi phần a nớc lại hớng về nớc. Rất nhiều các chất không hoà tan trong nớc nh các axit béo, rợu béo, glyxerit, hydrocacbon lại hòa tan trong các micelle. Nếu các phân tử đợc hoà tan có cực (chẳng hạn hydroxyl hay cacboxyl), thì các phân tử đó, nói chung đợc tìm thấy ở phần a nớc của micelle. Một điều cần chú ý là sự hoà tan chỉ diễn ra khi nồng độ chất HĐBM cao hơn so với nồng độ micelle tới hạn.
Một đặc tính hấp dẫn của những dung dịch HĐBM là khả năng làm tăng độ hoà tan một vài chất hữu cơ, thực tế không hoà tan trong nớc (nh chất hydrocacbon). Hiện tợng này gọi là hoà tan hoá, diễn ra do việc hội nhập các chất hữu cơ này vào trong các micelle của chất HĐBM.
Các phân tử đã bị hoà tan đợc hội nhập vào trong các micelle theo ba cách khác nhau (Hình 1.5).
Phân tử không cực Phân tử bán phân cực Phân tử có cực
Hình 1.5: Sự hoà tan hoá trong các Micelle
Các phân tử không cực, chẳng hạn nh heptan, ở bên trong micelle, không hề tiếp xúc với nớc. Các phân tử có cực nh heptanol đợc hội nhập vào trong micelle cùng một cách thức nh các phân tử của những tác nhân bề mặt. Các phân tử có cực lại ở trên lớp bề ngoài của micelle.
Việc hoà tan là một ví dụ về sự hình thành các micelle hỗn hợp. Sự hình thành này có thể xem nh là một trờng hợp riêng biệt của hiện tợng hoà tan, đợc gọi là “tính hớng nớc”. Hiện tợng này bao gồm việc hoà tan một chất nào đó (chẳng hạn ABS) trong một dung môi, ví dụ nh nớc, đợc gia tăng một cách mạnh mẽ bằng cách thêm vào những hợp chất khác (Toluen Sulfonat Na). Sự hoà tan khác hẳn với tính hớng nớc, bởi sự kiện một lợng các tác nhân gây tan rất nhỏ cũng đủ hoà tan các chất hữu cơ.
Sự hoà tan phụ thuộc vào số lợng và cỡ các micelle. Càng có nhiều micelle trong dung dịch thì sự hoà tan hoá càng quan trọng. Ngời ta giả thiết rằng, các micelle cỡ lớn có khả năng hoà tan các chất hữu cơ tốt hơn. Điểm đục của những chất HĐBM NI có thể xem nh sự hình thành các micelle cỡ siêu lớn. Điều này có thể giải thích tại sao sự hoà tan hoá quan trọng xung quanh điểm đục đối với các chất NI.
Vậy để có sự tẩy rửa tốt, không những cần giảm sức căng bề mặt (phơng thức Lanza, cơ chế Rolling up), mà còn phải tăng nồng độ các chất HĐBM để hình thành các micelle (hoà tan hoá) và có một số micelle đủ tuỳ theo lợng vết bẩn béo có trong chất tẩy rửa.