1.6.1. Khả năng tạo nhũ
Nhũ tƣơng là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu đƣợc hệ bền vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa.
Để cho nhũ tƣơng bền, thƣờng sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt. Trong cả hệ có nƣớc và không có nƣớc, các hiện tƣợng xảy ra cũng nhƣ vại trò của chất hoạt động bề mặt trong việc bền hóa hệ gần giống nhau. Ví dụ : huyền phù gồm các hạt rắn ƣa nƣớc . Trong môi trƣờng nƣớc chúng sẽ tự hình thành lớp vỏ hydrat hóa bảo vệ nên rẻ bền. Khi đƣa vào môi trƣờng kỵ nƣớc, có chất hoạt động bề mặt, các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ hình thành lớp vỏ bảo vệ bằng cách định hƣớng ra ngoài, phần ái nƣớc hấp phụ lên hạt rắn.
Nhũ tƣơng có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp. Ví dụ: huyền phù không nƣớc: sơn dầu, verni, mực in, hệ có nƣớc: sơn nƣớc, mực viết, dung dịch thuốc nhuộm phân tán….Các hệ này đều có sử dụng chất hoạt động bề mặt .
Để đánh giá khả năng tạo huyền phù của chất hoạt động bề mặt , có nhiều phƣơng pháp, đơn giản nhất là phƣơng pháp đo độ đục hổn hợp than hoặc CaCO3 phân tán trong dung dịch chất hoạt động bề mặt, hoặc đo thời gian lắng tủa của huyền phù để đánh giá.
1.6.2 Khả năng tẩy rửa
Sự tẩy rửa đƣợc định nghĩa là “ làm sạch mặt của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt- chất tẩy rửa- theo một tiến trình lý hóa khác hẳn việc hòa tan đơn thuần”
Trong trƣờng hợp này, tẩy rửa bao gồm:
Lấy đi các vết bẩn khỏi vải vóc
Giữ cho các vết bẩn này lơ lửng để tránh cho chúng bám lại trên bề mặt vải vóc. Trên quần áo thông thƣờng, ngƣời ta thƣờng thấy những vết bẩn có chất béo ( dầu,mỡ) và các vết bẩn dạng hạt (hạt mịn). Các vết bẩn này có thể tồn tại độc lập
hay hòa lẫn vào nhau với các tỷ lệ khác nhau.
tính chất sau:
Khi có chất hoạt động bề mặt trong nƣớc thì sức căng bề mặt dung dịch giảm làm tăng tính thấm ƣớt đối với vải sợi.
Các phân tử chất hoạt động bề mặt hấp phụ lên bề mặt sợi và lên các hạt chất bẩn rắn hay lỏng và khi đó, dƣới ảnh hƣởng của sức căng bề mặt không đổi trên ranh giới chất bẩn – vải, chất bẩn se lại thành giọt và dễ dàng tách ra khỏi bề mặt sợi dƣới tác dụng cơ học.
Chất hoạt động bề mặt tạo các màng hấp phụ trên bề mặt các hạt chất bẩn làm cho chúng có độ bền vững tập hợp cao và ngăn ngừa chúng liên kết trở lại lên bề mặt sợi.
Bọt đƣợc hình thành từ chất hoạt động bề mặt làm tăng thêm sự tách cơ học của các chất bẩn hay sự nổi của chúng ( do các hạt chất bẩn liên kết vào các bóng khí)
a) Tẩy vết bẩn có chất béo
Xét một chất béo H ( dầu) và một bề mặt rắn F ( sợi). Việc tẩy bẩn F bởi H đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Các tác nhân bề mặt hấp phụ lên sợi và vết bẩn làm giảm sức căng giao diện của chúng so với nƣớc đến mức nhỏ hơn sức căng giao diện sợi- vết bẩn lúc đó vết bẩn sẽ tự tẩy đi.
b) Tẩy vết bẩn dạng hạt
điện và thuyết hấp phụ.
Xét một bề mặt F và một hạt P. ở một khoảng cách δ, F và P đều chịu tác động của lực hút Van der Waals và lực đẩy tĩnh điện. Khi P và F tiếp xúc với nhau ( δ=0), chúng sẽ gắn liền nhau do lực hút. Việc tách hạt P ra khỏi bề mặt F có thể đƣợc biểu diễn bằng sơ đồ sau:
Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt F đi từ I đến II rồi đến III. Trong giai đoạn I, ta phải cung cấp một công để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách. Trong giai đoạn II, dung dịch tẩy len vào giữa hạt P và bề mặt F và tách hạt P ra khỏi bề mặt F.
Chúng ta có thể vận dụng các lý thuyết khác nhau cho các loại vết bẩn cụ thể khác nhau nhƣ thuyết “ Rolling up” tẩy vết bẩn thể lỏng có chất béo hay thuyết nhiệt động học để tẩy vết bẩn có chất béo hay dạng hạt hay hỗn hợp của cả hai…
c) Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng tẩy rửa:
Khả năng tẩy rửa chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố: bản chất chất hoạt động bề mặt sử dụng, pH, phụ gia, nhiệt độ….Ở đây chỉ đề cập về ảnh hƣởng của pH, cịn ảnh hƣởng của cc yếu tố khc sẽ đƣợc trình by ở cc chƣơng tiếp theo.
Ảnh hƣởng của pH:
Từ lâu ngƣời ta nhận thấy rằng thêm các chất kiềm nhẹ nhƣ soda sẽ làm tăng khả năng tẩy rửa của xà phòng, bởi vì xà phòng sẽ bị thủy phân thành acid béo ngay cả ở pH trung tính, các acid béo tạo thành có khả năng tẩy rửa kém, sự thủy phân của xà phòng làm giảm lƣợng chất hoạt động bề mặt làm giảm khả năng tẩy rửa. Thêm kềm làm giảm sự thủy phân xà phòng. Kiềm là phụ gia quan trọng trong xà phòng cũng nhƣ các sản phẩm tẩy rửa khác, giúp duy trì pH thích hợp. Thực nghiệm cho thấy xà phòng cho khả năng tẩy rửa khi pH 10,5-11.
pH không chỉ ảnh hƣởng đến khả năng tẩy rửa xà phòng mà còn ảnh hƣởng đến chất tẩy rửa tổng hợp khác. PH tối ƣu cho chất tẩy rửa tổng hợp là 9,0-11,5. Để duy trì pH thích hợp cần sử dụng các chất dự trữ kiềm nhƣ soda, tripolyphosphát, silicat… vì trong quá trình tẩy rửa , pH có xu hƣớng giảm do các vết bẩn acid (acid béo) hay do sự giải phóng H+
Ảnh hƣởng của nhiệt độ:
Nhiệt độ càng cao, độ hòa tan của các chất hoạt động bề mặt càng tốt, độ nhớt của các chất bẩn dạng lỏng càng giảm, độ hòa tan của chất bẩn càng lớn, phản ứng trung hòa chất bẩn có tính axit và phản ứng xà phòng hóa chất béo xảy ra càng dễ dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy.
Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt động bề mặt dễ hòa tan, giảm độ bền của hệ nhũ. Một số loại vải không thể chịu đƣợc nhiệt độ dung dịch cao.
Đối với các chất hoạt động bề mặt NI, sự hấp phụ tăng theo nhiệt độ và sau điểm đục, sức căng bề mặt và giao diện của các chất NI có thay đổi.
Ảnh hƣởng của chất điện ly:
Sự hấp phụ: thêm chất điện ly sẽ làm giảm độ hòa tan của các tác nhân bề mặt dẫn đến làm tăng sự hấp phụ ở các giao diện.
Các chất điện ly sẽ làm giảm CMC vì các chất điện ly trong dung dich chất tẩy rửa sẽ ngăn cản khả năng hình thành các Micell.
Việc nghiên cứu đánh giá quá trình tẩy rửa là một vấn đề phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố. Không thể kết luận một chất hoạt động bề mặt là có khả năng tẩy rửa là tốt hay xấu nếu không nói đến điều kiện thực nghiệm. Có nhiều chất đánh giá khả năng tẩy rửa , Ở đây chỉ trình bày những nguyên tắc tiêu biểu nhất:
- Làm bẩn vải bằng các chất bẩn thƣờng gặp nhƣ dầu mở, màu. Sau đó giặt vải, phần chất bẩn còn lại sẽ đƣợc trích ra bằng các dung môi thích hợp. Đo độ màu . So sánh giửa mẫu thí nghiệm và mẫu chuẩn ( giặt bằng các hổn hợp tẩy rửa chuẩn).
- Khả năng tẩy rửa còn đƣợc đánh giá bằng phƣơng pháp đo chỉ số phản xạ của vải bẩn, vải mới và vải bẩn đƣợc giặt. Tính theo công thức.
Khả năng tẩy rửa = (RW – RS)/(RO –RS) * 100 (%)
Rw: Chỉ số phản xạ của vải bẩn đã đƣợc tẩy rửa Rs: Chỉ số phản xạ của vải bẩn trƣớc khi tẩy rửa
Ro: Chỉ số phản xạ của vải mới ban đầu ( vải kiểm chứng).
Việc đánh giá phải dựa trên các tiêu chuẩn đã đƣợc đề ra đối với sản phẩm tẩy rửa và phải đúng theo nguyên tắc xác suất thống kê thì kết quả mới có ý nghĩa.
1.6.3. Khả năng tạo bọt
Bọt đƣợc hình thành do sự phân tán khí trong môi trƣờng lỏng. Hiện tƣợng này làm cho bề mặt dung dịch chất tẩy rửa tăng lên.
Khả năng tạo bọt và độ bền bọt phụ thuộc vào cấu tạo của chính chất đó, nồng độ, nhiệt độ của dung dịch, độ pH và hàm lƣợng ion Ca2+
, Mg2+ trong dung dịch chất tẩy rửa.
Độ bền vững cực đại của bọt ứng với chất hoạt động bề mặt có gốc hydrocarbon trung bình và với dung dịch có nồng độ trung bình. Những chất thấp hơn trong dãy đồng đẳng có tính hoạt động bề mặt kém, những chất cao hơn có độ hòa tan thấp.
Bên cạnh bản chất và nồng độ của chất tạo bọt , thời gian tồn tại của bọt còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhớt của dung dịch…..Tốc độ phá vở bọt thƣờng tăng theo nhiệt độ do sự giải hấp phụ chất tạo bọt trên bề mặt phân chia pha và do sự bong trƣơng chất lỏng, làm cho màng bị mỏng đi dần dần phá vỡ. Sự tăng độ nhớt của dung dịch làm tăng độ bền cho bọt.
Các tác nhân làm tăng bọt ( foam bootster):
Để làm tăng bọt cho dung dịch chất tẩy rửa có thể đi theo hai hƣớng sau: - Chọn chất hoạt động bề mặt tạo bọt hay không tạo bọt.
- Sử dụng các phụ gia làm tăng bọt.
a) Chọn lựa chất hoạt động bề mặt:
Một chất hoạt động bề mặt hay hỗn hợp chất hoạt động bề mặt có thể làm thành hệ thống tạo bọt. Thông thƣờng, số lƣợng bọt tăng với nồng độ đạt tối đa quanh CMC. Nhƣ vậy về mặt lý thuyết có thể tiên đoán khả năng tạo bọt của một chất hoạt động bề mặt dựa trên CMC của nó. Tuy nhiên điều này không có liên quan đến tính chất ổn định của bọt.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến CMC có thể tăng hoặc giảm bọt là:
- Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt anionic tăng làm khả năng tạo bọt tăng.Ngƣợc lại đối với NI, độ hòa tan ( do đó khả năng tạo bọt) giảm với nhiệt độ sau điểm đục.
- Sự có mặt của chất điện ly: làm giảm trị số CMC của chất hoạt động bề mặt làm thay đổi khả năng tạo bọt của chất hoạt động bề mặt đó
- Cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt : Theo lý thuyết khả năng tạo bọt tùy theo cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt . Tuy nhiên trên thực tế rất phức tạp vì không có sự tƣơng quan trực tiếp giữa khả năng tạo bọt và sự ổn định bọt. Tuy nhiên có những nguyện tắc tổng quát nhƣ sau:
+ Chất hoạt động bề mặt NI ít tạo bọt hơn chất hoạt động bề mặt ion trong dung dịch nƣớc.
+ Đối với cùng một họ chất hoạt động bề mặt , CMC càng kém thì khả năng tạo bọt càng cao. Ví dụ nhƣ đối với alkyl sulfate, khi chiều dài mạch C tăng khả năng tạo bọt tăng.
+ Cation đối của chất hoạt động bề mặt anion có liên quan đến sự ổn định ( độ bền) của bọt. Theo Kondon và Co sự ổn định bọt của dodecyl sulfate giảm theo thứ tự sau:
NH4+ > (CH3)4N+ > (C2H5)4N+> (C4H9)4N+
b) Các chất phụ gia làm tăng bọt:
Theo Schick và Fowker , việc thêm vào một số hợp chất đối cực ( ion đối) có thể làm giảm CMC của chất hoạt động bề mặt . Khi hợp chất có cùng mạch C với chất hoạt động bề mặt thì khả năng tạo bọt và ổn định bọt tăng:
Ether glycerol < Ether sulfonyl < Amide < Amide thay thế
Trong thực tế ngƣời ta sử dụng mono hay diethanol amide làm những chất tăng bọt trong bột giặt tạo bọt, nƣớc rửa chén hoặc dầu gội đầu.
Các chất chống bọt (antifoamer):
Để giảm bớt bọt trong dung dịch chất tẩy rửa ngƣời ta dùng các chất chống bọt (antifoamer):
Các chất chống bọt tác động theo hai cách:
- Ngăn cản sự tạo bọt: thƣờng là các ion vô cơ nhƣ canxi có ảnh hƣởng đến sự ổn định tĩnh điện hoặc giảm nồng độ aniion bằng kết tủa.
- Hoặc tăng tốc độ phân hủy bọt: là các chất vô cơ hay hữu cơ sẽ đến thay thế các phân tử các chất hoạt động bề mặt của màng bọt làm màng bọt ít ổn định (không bền).
Khi thêm chất hoạt động bề mặt NI vào chất hoạt động bề mặt anion làm giảm bọt đáng kể. Tuy nhiên hệ thống anionic/ NI này vẫn còn quá nhiều bọt.
1.6.4. Các chỉ tiêu đánh giá khác a) Khả năng thấm ƣớt a) Khả năng thấm ƣớt
Hiện tƣợng thấm ƣớt bề mặt xảy ra khi góc thấm ƣớt, không thấm ƣớt > 90o. Tuy nhiên trong thực tế khó xác định đƣợc góc thấm ƣớt. Ngƣời ta đƣa ra một số phƣơng pháp đánh giá khả năng thấm ƣớt, chủ yếu xác định khả năng thấm ƣớt cho nguyên liệu vải, chẳng hạn đánh giá khả năng thấm ƣớt dựa vào thời gian chìm của cuộn chỉ trong dung dịch chất hoạt động bề mặt.
Hiện tƣợng thấm ƣớt nhờ chất hoạt động bề mặt có nhiều ứng dụng để giải quyết các vấn đề thực tế trong kỹ thuật sơn, nhuộm, tẩy trắng, trung hòa các chất diệt
côn trùng, sâu bọ. Các bề mặt rắn ở đây thƣờng không thấm ƣớt, việc thêm chất hoạt động bề mặt thích hợp sẽ làm giãm sức căng bề mặt của nƣớc, giúp cho việc thấm ƣớt dể dàng hơn.
b) Chỉ số canxi chấp nhận
Chỉ số này đo độ cứng tối đa của nƣớc mà chất hoạt động bề mặt vẫn còn hiệu lực trong chức năng tẩy rửa. Chỉ số này càng lớn, chất hoạt động bề mặt càng có khả năng tẩy rửa trong nƣớc cứng.
Chỉ số canxi chấp nhận đƣợc xác định bằng cách chuẩn độ dung dịch chất hoạt động bề mặt bằng dung dịch canxi acetat 1 %. Tiến hành chuẩn độ dung dịch trên cho đến khi nào dung dịch đục . Lúc này lƣợng ion canxi trong dung dịch là chỉ số canxi chấp nhận đƣợc.
CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1: Sức căng bề mặt là gì? Có những yếu tố các yếu tố ảnh hƣởng tới sức căng bề mặt?
Câu 2: Định nghĩa và phân loại chất hoạt động bề mặt?
Câu 3: Trình bày và giải thích trạng thái của chất hđbm trên bề mặt giới hạn lỏng khí? Câu 4: Trình bày và giải thích trạng thái của chất hđbm trong lòng chất lỏng?
Câu 5: Định nghĩa nồng độ micell tới hạn? trình bày các yếu tố ảnh hƣởng đến CMC? Câu 6: Định nghĩa điểm Kraft và điểm đục? Các yếu tố ảnh hƣởng?
Câu 7: Phân loại vết bẩn? Trình bày cơ chế tẩy rửa vết bẩn là chất béo theo thuyết nhiệt động ?
Câu 8: Trình bày cơ chế tẩy rửa vết bẩn dầu mỡ nói chung bằng dung dịch chất tẩy rửa?
Câu 9: Trình bày và giải thích các tiêu chí đánh giá chất hoạt động bề mặt?
CHƢƠNG 2: THÀNH PHẦN CỦA CÁC CHẤT TẨY RỬA TỔNG HỢP 2.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tẩy rửa
Quá trình tẩy rửa là một quá trình khá phức tạp với sự tham gia của nhiều tác nhân về hóa học, vật lý cũng nhƣ cơ học. Có thể kể đến một số yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình tẩy rửa là:
pH.
Nhiệt độ giặt.
Thời gian giặt.
Thói quen giặt của từng địa phƣơng, cộng đồng.
Điều kiện giặt của từng quốc gia, khu vực, cá nhân… Tuy nhiên quan trọng nhất vẫn là các yếu tố sau:
2.1.1 Nƣớc
Nƣớc là một chất không thể thiếu của quá trình giặt giũ. Nƣớc đóng những vai trò quan trọng nhƣ sau:
Nƣớc có thể hòa tan một số chất.
Nƣớc có thể dẫn nhiệt.
Nƣớc giúp tạo ra các phản ứng hóa học.
Nƣớc thấm ƣớt vải sợi.
Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm trên, nƣớc cũng gây một vấn đề khá khó chịu. Đó là do trong nƣớc lúc nào cũng tồn tại các kim loại và khoáng chất, đặc biệt là các ion Canxi, Mange ( nƣớc cứng). Các ion này tạo tủa với chất hoạt động bề