1. التوتر السطحي
تسمى قوة الانكماش لكل وحدة طول على سطح السائل بالتوتر السطحي، ويتم قياسها بـ N • m-1.
2. النشاط السطحي والمواد الخافضة للتوتر السطحي
تسمى الخاصية التي يمكنها تقليل التوتر السطحي للمذيبات بالنشاط السطحي، والمواد التي لها نشاط سطحي تسمى المواد النشطة سطحيًا.
تشير المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى المواد النشطة على السطح والتي يمكن أن تشكل ميسيلات وتجمعات أخرى في المحاليل المائية، ولها نشاط سطحي مرتفع، ولها أيضًا وظائف الترطيب والاستحلاب والرغوة والغسيل وغيرها من الوظائف.
3. الخصائص البنيوية الجزيئية للمواد الخافضة للتوتر السطحي
المواد الخافضة للتوتر السطحي هي مركبات عضوية ذات هياكل وخصائص خاصة يمكنها تغيير التوتر السطحي بين مرحلتين أو التوتر السطحي للسوائل (عادة الماء) بشكل كبير، ولها خصائص مثل الترطيب، والرغوة، والاستحلاب، والغسيل.
من الناحية البنيوية، تشترك المواد الخافضة للتوتر السطحي في سمة مشتركة تتمثل في احتوائها على مجموعتين وظيفيتين مختلفتين في جزيئاتها. أحد طرفيها مجموعة غير قطبية طويلة السلسلة قابلة للذوبان في الزيت ولكنها غير قابلة للذوبان في الماء، تُعرف باسم المجموعة الكارهة للماء أو المجموعة الكارهة للماء. تكون هذه المجموعات الكارهة للماء عادةً هيدروكربونات طويلة السلسلة، وأحيانًا أيضًا سلاسل فلور عضوي، وسيليكون عضوي، وفوسفور عضوي، وقصدير عضوي، إلخ. الطرف الآخر هو مجموعة وظيفية قابلة للذوبان في الماء، وهي مجموعة محبة للماء أو مجموعة محبة للماء. يجب أن تتمتع المجموعة المحبة للماء بقدر كافٍ من المحبة للماء لضمان ذوبان المادة الخافضة للتوتر السطحي بأكملها في الماء وامتلاكها للذوبان اللازم. ونظرًا لوجود المجموعات المحبة للماء والكارهة للماء في المواد الخافضة للتوتر السطحي، فإنها يمكن أن تذوب في طور واحد على الأقل من الطور السائل. وتسمى الخواص المحبة للماء والمحبة للزيت للمواد الخافضة للتوتر السطحي باللامحبة للماء.
4. أنواع المواد الخافضة للتوتر السطحي
المواد الخافضة للتوتر السطحي هي جزيئات محبة للماء، تحتوي على مجموعات كارهة للماء وأخرى محبة للماء. تتكون المجموعات الكارهة للماء في المواد الخافضة للتوتر السطحي عادةً من هيدروكربونات طويلة السلسلة، مثل ألكيل السلسلة المستقيمة C8-C20، وألكيل السلسلة المتفرعة C8-C20، وألكيل فينيل (مع 8-16 ذرة كربون ألكيل)، إلخ. يكمن الفرق في المجموعات الكارهة للماء بشكل رئيسي في التغيرات الهيكلية لسلاسل الكربون والهيدروجين، مع اختلافات طفيفة نسبيًا، بينما توجد أنواع أكثر من المجموعات المحبة للماء. لذلك، ترتبط خصائص المواد الخافضة للتوتر السطحي بشكل رئيسي بالمجموعات المحبة للماء، بالإضافة إلى حجم وشكل المجموعات الكارهة للماء. تكون التغيرات الهيكلية للمجموعات المحبة للماء أكبر من تلك الخاصة بالمجموعات الكارهة للماء، لذا يعتمد تصنيف المواد الخافضة للتوتر السطحي بشكل عام على بنية المجموعات المحبة للماء. يعتمد هذا التصنيف بشكل أساسي على ما إذا كانت المجموعات المحبة للماء أيونية، وتقسيمها إلى أنيونية، وكاتيونية، وغير أيونية، وثنائية الأيونية، وأنواع خاصة أخرى من المواد الخافضة للتوتر السطحي.
5. خصائص المحلول المائي للمواد الخافضة للتوتر السطحي
① امتصاص المواد الخافضة للتوتر السطحي عند الواجهات
تحتوي جزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي على مجموعات محبة للدهون ومحبة للماء، مما يجعلها جزيئات محبة للماء. الماء سائل ذو قطبية قوية. عندما تذوب المواد الخافضة للتوتر السطحي في الماء، ووفقًا لمبدأ تشابه القطبية وتنافر اختلاف القطبية، تنجذب مجموعاتها المحبة للماء إلى الطور المائي وتذوب فيه، بينما تتنافر مجموعاتها المحبة للدهون وتتركه. نتيجةً لذلك، تُمتَز جزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي (أو الأيونات) عند السطح الفاصل بين الطورين، مما يُقلل من التوتر السطحي بينهما. كلما زاد امتزاز جزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي (أو الأيونات) على السطح الفاصل، زاد انخفاض التوتر السطحي.
② بعض خصائص غشاء الامتزاز
الضغط السطحي لغشاء الامتزاز: تُمتَزّ المواد الخافضة للتوتر السطحي عند السطح الفاصل بين الغاز والسائل لتكوين غشاء امتزاز. إذا وُضعت صفيحة عائمة متحركة بدون احتكاك على السطح الفاصل، ودفعت الصفيحة العائمة غشاء الامتزاز على طول سطح المحلول، فإن الغشاء يمارس ضغطًا على الصفيحة العائمة، وهو ما يُسمى الضغط السطحي.
اللزوجة السطحية: كما هو الحال مع ضغط السطح، تُعدّ اللزوجة السطحية خاصيةً تُميّز الأغشية الجزيئية غير القابلة للذوبان. علق حلقة بلاتينية بسلك معدني رفيع، ثمّ لامست سطحها سطح الماء في الحوض، ثمّ أدِر الحلقة. تُعيق اللزوجة حلقة البلاتين بفعل اللزوجة، فتتضاءل السعة تدريجيًا، ويمكن قياس اللزوجة السطحية بناءً عليها. الطريقة هي: إجراء تجارب على سطح الماء النقي، وقياس التوهين، ثمّ قياس التوهين بعد تكوين قناع الوجه السطحي، وحساب لزوجة قناع الوجه السطحي من خلال الفرق بينهما.
ترتبط اللزوجة السطحية ارتباطًا وثيقًا بصلابة قناع الوجه السطحي. ولأن غشاء الامتزاز يتميز بضغط سطحي ولزوجة، يجب أن يكون مرنًا. كلما ارتفع ضغط سطح غشاء الامتزاز ولزوجته، زادت معامل مرونته. لمعامل مرونة غشاء الامتزاز السطحي أهمية كبيرة في عملية تثبيت الرغوة.
③ تكوين الميسيلات
يخضع محلول المواد الخافضة للتوتر السطحي المخفف لقوانين المحاليل المثالية. تزداد كمية امتزاز المواد الخافضة للتوتر السطحي على سطح المحلول بازدياد تركيزه. وعندما يصل التركيز إلى قيمة معينة أو يتجاوزها، يتوقف الامتزاز. تكون جزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي الزائدة في المحلول غير منظمة أو موجودة بشكل منتظم. وقد أظهرت الممارسة والنظرية أنها تُشكل تجمعات في المحلول، تُسمى المذيلات.
تركيز الميسيل الحرج: الحد الأدنى للتركيز الذي تشكل عنده المواد الخافضة للتوتر السطحي الميسيلات في المحلول يسمى تركيز الميسيل الحرج.
④ قيمة CMC للمادة الفعالة بالسطح الشائعة.
6. قيمة التوازن المحبة للماء والمحبة للزيت
يرمز HLB إلى التوازن المحب للماء والمحب للدهون، والذي يمثل قيم التوازن المحب للماء والمحب للدهون للمجموعات المحبة للماء والمحبة للدهون في المادة الخافضة للتوتر السطحي، أي قيمة HLB للمادة الخافضة للتوتر السطحي. تشير قيمة HLB العالية إلى قوة محبة للماء وضعيفة محبة للدهون للجزيء؛ على العكس من ذلك، تتميز المادة الخافضة للتوتر السطحي بقوة محبة للدهون وضعيفة محبة للماء.
① اللوائح المتعلقة بقيمة HLB
قيمة HLB هي قيمة نسبية، لذلك عند صياغتها كمعيار، تُضبط قيمة HLB للبارافينات عديمة الخواص المحبة للماء على 0، بينما تُضبط قيمة HLB لكبريتات دوديسيل الصوديوم ذات الذوبان العالي في الماء على 40. لذلك، تتراوح قيمة HLB للمواد الخافضة للتوتر السطحي عادةً بين 1 و40. بشكل عام، تُعتبر المستحلبات ذات قيم HLB الأقل من 10 محبة للدهون، بينما تُعتبر المستحلبات ذات قيم HLB الأعلى من 10 محبة للماء. لذلك، تكون نقطة التحول من المحبة للدهون إلى المحبة للماء حوالي 10.
7. تأثيرات الاستحلاب والذوبان
يُطلق على سائلين غير قابلين للامتزاج، يتكون أحدهما بتشتت الجسيمات (قطرات أو بلورات سائلة) في الآخر، اسم المستحلبات. عند تكوين مستحلب، تزداد مساحة السطح البيني بين السائلين، مما يجعل النظام غير مستقر حراريًا. لتثبيت المستحلب، يجب إضافة مكون ثالث - مستحلب - لتقليل طاقة السطح البيني للنظام. تنتمي المستحلبات إلى المواد الخافضة للتوتر السطحي، ووظيفتها الرئيسية هي العمل كمستحلبات. يُطلق على الطور الذي توجد فيه القطرات في المستحلب اسم الطور المشتت (أو الطور الداخلي، الطور المتقطع)، ويُطلق على الطور الآخر المتصل معًا اسم الوسط المشتت (أو الطور الخارجي، الطور المستمر).
① المستحلبات والمستحلبات
تتكون المستحلبات الشائعة من طور واحد من الماء أو محلول مائي، والطور الآخر من مركبات عضوية غير قابلة للامتزاج بالماء، مثل الزيوت والشمع، إلخ. يمكن تقسيم المستحلب المتكون من الماء والزيت إلى نوعين بناءً على تشتتهما: يُشكل الزيت المشتت في الماء مستحلب ماء في الزيت، ويُمثل بـ O/W (زيت/ماء)؛ ويُشكل الماء المشتت في الزيت مستحلب ماء في الزيت، ويُمثل بـ W/O (ماء/زيت). بالإضافة إلى ذلك، قد تتكون أيضًا مستحلبات معقدة من الماء في الزيت في الماء W/O/W، وزيت في الماء في الزيت O/W/O.
يعمل المستحلب على تثبيت المستحلب عن طريق تقليل التوتر السطحي وتشكيل قناع وجه أحادي الطبقة.
متطلبات المستحلبات في عملية الاستحلاب: أ: يجب أن تكون المستحلبات قادرة على الامتزاز أو الإثراء عند السطح الفاصل بين الطورين، مما يُقلل من التوتر السطحي؛ ب: يجب أن تُعطي المستحلبات الجسيمات شحنة كهربائية، مما يُسبب تنافرًا كهروستاتيكيًا بينها أو يُشكل طبقة واقية مستقرة وعالية اللزوجة حولها. لذلك، يجب أن تحتوي المواد المستخدمة كمستحلبات على مجموعات محبة للماء لتحقيق تأثيرات استحلابية، ويمكن للمواد الخافضة للتوتر السطحي تلبية هذا الشرط.
② طرق تحضير المستحلبات والعوامل المؤثرة على استقرار المستحلب
هناك طريقتان لإعداد المستحلبات: الأولى هي استخدام الطرق الميكانيكية لتفريق السائل إلى جزيئات صغيرة في سائل آخر، وهو ما يستخدم عادة في الصناعة لإعداد المستحلبات؛ والطريقة الأخرى هي إذابة سائل في حالة جزيئية في سائل آخر ثم السماح له بالتجمع بشكل مناسب لتشكيل مستحلب.
يشير استقرار المستحلبات إلى قدرتها على مقاومة تجمع الجسيمات والتسبب في انفصال الطور. المستحلبات أنظمة غير مستقرة ترموديناميكيًا ذات طاقة حرة كبيرة. لذلك، يشير استقرار المستحلب في الواقع إلى الوقت اللازم لوصول النظام إلى حالة التوازن، أي الوقت اللازم لانفصال السائل في النظام.
عند وجود جزيئات عضوية قطبية، مثل الكحول الدهني والأحماض الدهنية والأمينات الدهنية، في قناع الوجه، تزداد قوة الغشاء بشكل ملحوظ. ويرجع ذلك إلى تفاعل جزيئات المستحلب في طبقة الامتصاص السطحية مع الجزيئات القطبية، مثل الكحول والأحماض والأمينات، لتكوين "مركب"، مما يزيد من قوة قناع الوجه السطحي.
تُسمى المستحلبات المُكوّنة من مادتين أو أكثر من المواد الخافضة للتوتر السطحي بالمستحلبات المختلطة. تُمتَزّ المستحلبات المختلطة على سطح الماء/الزيت، ويمكن أن تُشكّل التفاعلات بين الجزيئات مُركّبات. بفضل التفاعل الجزيئي القوي، ينخفض توتر السطح بشكل ملحوظ، وتزداد كمية المستحلب الممتصة على السطح بشكل ملحوظ، وتزداد كثافة ومتانة قناع الوجه المُشكّل.
لشحنة القطرات تأثير كبير على استقرار المستحلبات. عادةً ما تحتوي المستحلبات المستقرة على قطرات ذات شحنات كهربائية. عند استخدام المستحلبات الأيونية، تُدخل أيونات المستحلب الممتصة على السطح البيني مجموعاتها المحبة للدهون في الطور الزيتي، بينما تكون المجموعات المحبة للماء في الطور المائي، مما يجعل القطرات مشحونة. ولأن قطرات المستحلب تحمل الشحنة نفسها، فإنها تتنافر ويصعب تكتلها، مما يزيد من استقرارها. يتضح أنه كلما زادت أيونات المستحلب الممتصة على القطرات، زادت شحنتها، وزادت قدرتها على منع اندماج القطرات، مما يزيد من استقرار نظام المستحلب.
تؤثر لزوجة وسط تشتت المستحلب بشكل ملحوظ على استقراره. فكلما زادت لزوجة وسط التشتت، زاد استقراره. ويرجع ذلك إلى أن اللزوجة العالية لوسط التشتت تعيق بشدة الحركة البراونية لقطرات السائل، وتُبطئ تصادمها، وتُحافظ على استقرار النظام. ويمكن للمواد البوليمرية القابلة للذوبان عادةً في المستحلبات أن تزيد من لزوجة النظام وتُعزز استقراره. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن للبوليمر أيضًا أن يُشكل طبقة صلبة على السطح البيني، مما يزيد من استقرار نظام المستحلب.
في بعض الحالات، يُمكن أيضًا إضافة مسحوق صلب لتثبيت المستحلب. لا يكون المسحوق الصلب في الماء أو الزيت أو عند السطح الفاصل، وذلك حسب قدرة الزيت والماء على ترطيبه. إذا لم يُبلل المسحوق الصلب تمامًا بالماء، وكان من الممكن ترطيبه بالزيت، فسيبقى عند السطح الفاصل بين الماء والزيت.
السبب في عدم استقرار المستحلب بالمسحوق الصلب هو أن المسحوق المُتجمع عند نقطة التقاء الوجه لا يُعزز قناع الوجه، وهو ما يُشبه جزيئات مستحلب الامتصاص. لذلك، كلما اقتربت جزيئات المسحوق الصلب من نقطة التقاء الوجه، زاد استقرار المستحلب.
تتمتع المواد الخافضة للتوتر السطحي بالقدرة على زيادة ذوبان المركبات العضوية غير القابلة للذوبان أو قليلة الذوبان في الماء بشكل ملحوظ بعد تكوين الميسيلات في محلول مائي، ويكون المحلول شفافًا في هذه الحالة. يُطلق على تأثير الميسيلات هذا اسم الإذابة. تُسمى المواد الخافضة للتوتر السطحي التي تُحدث تأثيرات الإذابة مُذيبات، وتُسمى المركبات العضوية القابلة للإذابة مركبات قابلة للإذابة.
8. الرغوة
تلعب الرغوة دورًا هامًا في عملية الغسيل. تشير الرغوة إلى نظام التشتيت الذي يُشتت فيه الغاز في سائل أو صلب. يُمثل الغاز مرحلة التشتيت، بينما يُمثل السائل أو الصلب وسط التشتيت. يُسمى الغاز رغوة سائلة، بينما يُسمى السائل رغوة صلبة، مثل البلاستيك الرغوي، والزجاج الرغوي، والأسمنت الرغوي، إلخ.
(1) تكوين الرغوة
الرغوة هنا عبارة عن تجمع فقاعات مفصولة بغشاء سائل. ونظرًا للاختلاف الكبير في الكثافة بين الطور المشتت (الغاز) والوسط المشتت (السائل)، ولزوجة السائل المنخفضة، يمكن للرغوة أن ترتفع إلى مستوى السائل بسرعة.
عملية تكوين الرغوة هي جلب كمية كبيرة من الغاز إلى السائل، وتعود الفقاعات الموجودة في السائل إلى سطح السائل بسرعة، مما يشكل تجمعًا فقاعيًا مفصولًا بكمية صغيرة من السائل والغاز
تتميز الرغوة بخاصيتين بارزتين في مورفولوجيا المادة: الأولى هي أن الفقاعات، كطور مشتت، غالبًا ما تكون متعددة السطوح، لأنه عند تقاطعها، يميل غشاء السائل إلى أن يصبح أرق، مما يجعلها متعددة السطوح. عندما يصبح غشاء السائل أرق إلى حد ما، تتكسر الفقاعات؛ والثانية هي أن السائل النقي لا يستطيع تكوين رغوة مستقرة، ولكن السائل الذي يمكنه تكوين رغوة يتكون من مكونين أو أكثر على الأقل. يُعد المحلول المائي للعامل الخافض للتوتر السطحي نظامًا نموذجيًا سهلًا لإنتاج الرغوة، وترتبط قدرته على إنتاج الرغوة أيضًا بخصائص أخرى.
تُسمى المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات القدرة الجيدة على الرغوة بعوامل الرغوة. على الرغم من أن عامل الرغوة يتمتع بقدرة جيدة على الرغوة، إلا أن الرغوة المتكونة قد لا تدوم طويلًا، أي أنها قد لا تتمتع بثبات جيد. للحفاظ على ثبات الرغوة، غالبًا ما تُضاف مادة تزيد من ثباتها، تُسمى مُثبِّت الرغوة. من مُثبِّتات الرغوة الشائعة الاستخدام: لورويل ثنائي إيثانولامين وأكسيد دوديسيل ثنائي ميثيل أمين.
(2) استقرار الرغوة
الرغوة نظام غير مستقر حراريًا، والاتجاه السائد هو أن المساحة السطحية الكلية للسائل في النظام تتناقص، وتنخفض الطاقة الحرة بعد انكسار الفقاعات. عملية إزالة الرغوة هي العملية التي يتغير فيها سمك الغشاء السائل الفاصل بين الغاز حتى يتمزق. لذلك، يتحدد استقرار الرغوة بشكل رئيسي بسرعة تفريغ السائل ومتانته. وهناك العديد من العوامل المؤثرة الأخرى.
① التوتر السطحي
من منظور الطاقة، يُعدّ انخفاض التوتر السطحي أكثر ملاءمةً لتكوين الرغوة، ولكنه لا يضمن استقرارها. فالتوتر السطحي المنخفض، وفرق الضغط المنخفض، وسرعة تصريف السائل البطيئة، وبطء ترقق غشاء السائل، كلها عوامل تُسهم في استقرار الرغوة.
② اللزوجة السطحية
العامل الرئيسي الذي يحدد استقرار الرغوة هو قوة الغشاء السائل، والتي تُحدد أساسًا بمتانة غشاء الامتصاص السطحي، المُقاس بلزوجة السطح. تُظهر التجارب أن الرغوة الناتجة عن محلول ذي لزوجة سطحية أعلى تتمتع بعمر أطول، وذلك لأن التفاعل بين الجزيئات الممتصة على السطح يؤدي إلى زيادة قوة الغشاء، مما يُطيل عمر الرغوة.
③ لزوجة المحلول
عندما تزيد لزوجة السائل نفسه، لا يمكن تفريغ السائل الموجود في الفيلم السائل بسهولة، وتكون سرعة ترقق سماكة الفيلم السائل بطيئة، مما يؤخر وقت تمزق الفيلم السائل ويزيد من استقرار الرغوة.
④ تأثير "الإصلاح" للتوتر السطحي
تتمتع المواد الخافضة للتوتر السطحي الممتصة على سطح الغشاء السائل بالقدرة على مقاومة تمدده أو انكماشه، وهو ما يُسمى بتأثير الإصلاح. ويرجع ذلك إلى وجود غشاء سائل من المواد الخافضة للتوتر السطحي الممتص على السطح، وتمدد مساحته السطحية سيقلل من تركيز الجزيئات الممتصة على السطح ويزيد من التوتر السطحي. ويتطلب تمدد السطح جهدًا أكبر. وفي المقابل، سيزيد انكماش مساحة السطح من تركيز الجزيئات الممتصة على السطح، مما يقلل من التوتر السطحي ويمنع المزيد من الانكماش.
⑤ انتشار الغاز من خلال فيلم سائل
بسبب وجود الضغط الشعري، يكون ضغط الفقاعات الصغيرة في الرغوة أعلى من ضغط الفقاعات الكبيرة، مما يؤدي إلى انتشار الغازات الموجودة فيها إلى الفقاعات الكبيرة منخفضة الضغط عبر الغشاء السائل، مما يؤدي إلى انكماش الفقاعات الصغيرة، ثم تضخمها، وفي النهاية تتفتت الرغوة. عند إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي، تصبح الرغوة موحدة وكثيفة عند الرغوة، ويصعب إزالة الرغوة منها. ولأن المادة خافضة للتوتر السطحي ملتصقة بالغشاء السائل، يصعب تهويتها، مما يزيد من استقرار الرغوة.
⑥ تأثير الشحنة السطحية
إذا شُحن غشاء السائل الرغوي بنفس الرمز، فإن سطحي الغشاء السائل سيتنافران، مما يمنع ترقق الغشاء السائل أو حتى تلفه. يمكن للمواد الخافضة للتوتر السطحي الأيونية توفير هذا التأثير المستقر.
في الختام، تُعدّ قوة الغشاء السائل العامل الرئيسي في تحديد استقرار الرغوة. وباعتبارها مادة خافضة للتوتر السطحي لعوامل الرغوة ومثبتات الرغوة، فإنّ إحكام وصلابة الجزيئات الممتصة على السطح يُعدّان من أهم العوامل. عندما يكون التفاعل بين الجزيئات الممتصة على السطح قويًا، تكون الجزيئات الممتصة متقاربة، مما لا يمنح قناع الوجه السطحي نفسه قوة عالية فحسب، بل يُصعّب أيضًا تدفق المحلول المجاور له بسبب اللزوجة السطحية العالية، مما يُصعّب تصريف الغشاء السائل نسبيًا، ويسهل الحفاظ على سمكه. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لجزيئات السطح المتقاربة أن تُقلّل من نفاذية جزيئات الغاز، وبالتالي تزيد من استقرار الرغوة.
(3) تدمير الرغوة
المبدأ الأساسي لتدمير الرغوة هو تغيير ظروف إنتاج الرغوة أو القضاء على عوامل استقرار الرغوة، لذلك هناك طريقتان لإزالة الرغوة، فيزيائية وكيميائية.
إزالة الرغوة فيزيائيًا هي تغيير ظروف تكوّن الرغوة مع الحفاظ على التركيب الكيميائي لمحلول الرغوة دون تغيير. على سبيل المثال، يُعدّ اضطراب القوة الخارجية، وتغير درجة الحرارة أو الضغط، والمعالجة بالموجات فوق الصوتية، جميعها طرقًا فيزيائية فعالة لإزالة الرغوة.
طريقة إزالة الرغوة الكيميائية هي إضافة مواد تتفاعل مع عامل الرغوة، مما يقلل من قوة الغشاء السائل في الرغوة، ومن ثم يقلل من ثباتها لتحقيق الغرض من إزالة الرغوة. تُسمى هذه المواد مزيلات الرغوة. معظم مزيلات الرغوة مواد فعالة سطحية. لذلك، وفقًا لآلية إزالة الرغوة، يجب أن تتمتع مزيلات الرغوة بقدرة عالية على تقليل التوتر السطحي، وأن تكون سهلة الامتزاز على السطح، وأن يكون تفاعل الجزيئات الممتصة على السطح ضعيفًا، مما ينتج عنه بنية ترتيب فضفاضة نسبيًا للجزيئات الممتصة.
هناك أنواع مختلفة من مزيلات الرغوة، ولكنها في الغالب مواد خافضة للتوتر السطحي غير أيونية. تتميز هذه المواد بخصائص مضادة للرغوة عند نقطة تغيمها أو أعلى منها، وتُستخدم عادةً كمزيلات رغوة. كما تُستخدم الكحولات، وخاصةً تلك ذات البنية المتفرعة، والأحماض الدهنية والإسترات، والبولي أميدات، والفوسفات، وزيوت السيليكون، وغيرها، كمزيلات رغوة ممتازة.
(4) الرغوة والغسيل
لا توجد علاقة مباشرة بين الرغوة وتأثير الغسيل، وكمية الرغوة لا تعني بالضرورة جودة أو سوء تأثير الغسيل. على سبيل المثال، أداء رغوة المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية أدنى بكثير من الصابون، لكن قدرتها على التنظيف أفضل بكثير منه.
في بعض الحالات، تُساعد الرغوة في إزالة الأوساخ. على سبيل المثال، عند غسل أدوات المائدة في المنزل، تُزيل رغوة المنظف قطرات الزيت المتساقطة؛ وعند فرك السجاد، تُساعد الرغوة على إزالة الأوساخ الصلبة كالغبار والبودرة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام الرغوة أحيانًا كمؤشر على فعالية المنظف، لأن بقع الزيت الدهنية قد تُعيق رغوة المنظف. عند وجود الكثير من بقع الزيت وقليل من المنظف، لن تكون هناك رغوة أو ستختفي الرغوة الأصلية. في بعض الأحيان، يُمكن استخدام الرغوة أيضًا كمؤشر على نظافة الشطف. ولأن كمية الرغوة في محلول الشطف تميل إلى الانخفاض مع انخفاض محتوى المنظف، يُمكن تقييم درجة الشطف بكمية الرغوة.
9. عملية الغسيل
بالمعنى الواسع، الغسل هو عملية إزالة المكونات غير المرغوب فيها من الشيء المراد غسله وتحقيق غرض معين. يشير الغسل، بمعناه التقليدي، إلى إزالة الأوساخ من سطح المادة الحاملة. أثناء الغسل، يُضعف التفاعل بين الأوساخ والالمادة الحاملة أو يُزال بفعل بعض المواد الكيميائية (مثل المنظفات)، مما يُحوّل مزيج الأوساخ والالمادة الحاملة إلى مزيج من الأوساخ والمنظف، مما يؤدي في النهاية إلى انفصال الأوساخ والالمادة الحاملة. ونظرًا لتنوع الأشياء المراد غسلها والأوساخ المراد إزالتها، فإن الغسل عملية معقدة للغاية، ويمكن تمثيل عملية الغسل الأساسية بالعلاقة البسيطة التالية.
الناقل • الأوساخ + المنظف = الناقل + الأوساخ • المنظف
يمكن تقسيم عملية الغسيل عادةً إلى مرحلتين: الأولى هي فصل الأوساخ عن حاملها بتأثير المنظف؛ والثانية هي تشتت الأوساخ المنفصلة وتعليقها في الوسط. عملية الغسيل عملية عكسية، والأوساخ المشتتة أو المعلقة في الوسط قد تترسب أيضًا من الوسط إلى الغسيل. لذلك، يجب ألا يقتصر دور المنظف الممتاز على فصل الأوساخ عن حاملها فحسب، بل يجب أن يتمتع أيضًا بقدرة جيدة على تشتيت الأوساخ وتعليقها، ومنع تراكمها مرة أخرى.
(1) أنواع الأوساخ
حتى بالنسبة لنفس المنتج، يختلف نوع وتركيب وكمية الأوساخ حسب بيئة الاستخدام. تشمل أوساخ الجسم الزيتي بشكل أساسي الزيوت الحيوانية والنباتية، بالإضافة إلى الزيوت المعدنية (مثل النفط الخام وزيت الوقود وقطران الفحم وما إلى ذلك)، بينما تشمل الأوساخ الصلبة بشكل أساسي الدخان والغبار والصدأ والكربون الأسود وما إلى ذلك. فيما يتعلق بأوساخ الملابس، فهناك أوساخ من جسم الإنسان، مثل العرق والزهم والدم وما إلى ذلك؛ وأوساخ من الطعام، مثل بقع الفاكهة وبقع الزيوت الصالحة للأكل وبقع التوابل والنشا وما إلى ذلك؛ وأوساخ من مستحضرات التجميل، مثل أحمر الشفاه وطلاء الأظافر؛ وأوساخ من الغلاف الجوي، مثل الدخان والغبار والتربة وما إلى ذلك؛ ومواد أخرى مثل الحبر والشاي والطلاء وما إلى ذلك. ويمكن القول أن هناك أنواعًا مختلفة ومتنوعة.
يمكن عادةً تقسيم أنواع الأوساخ المختلفة إلى ثلاث فئات: الأوساخ الصلبة، والأوساخ السائلة، والأوساخ الخاصة.
① تشمل الأوساخ الصلبة الشائعة جسيمات مثل الرماد والطين والتربة والصدأ وأسود الكربون. تحمل معظم هذه الجسيمات شحنة سطحية، غالبًا ما تكون سالبة، وتمتص بسهولة على الأجسام الليفية. بشكل عام، يصعب إذابة الأوساخ الصلبة في الماء، ولكن يمكن تشتيتها وتعليقها بمحاليل المنظفات. أما الأوساخ الصلبة ذات الجسيمات الصغيرة، فتصعب إزالتها.
② الأوساخ السائلة قابلة للذوبان في الزيت بشكل رئيسي، بما في ذلك الزيوت الحيوانية والنباتية، والأحماض الدهنية، والكحولات الدهنية، والزيوت المعدنية، وأكاسيدها. من بينها، يمكن للزيوت الحيوانية والنباتية والأحماض الدهنية أن تتصبن بالقلويات، بينما لا تتصبن الكحولات الدهنية والزيوت المعدنية بالقلويات، بل تذوب في الكحولات، والإيثرات، والمذيبات العضوية الهيدروكربونية، وتستحلب وتتشتت بالمحاليل المائية للمنظفات. تتميز الأوساخ السائلة القابلة للذوبان في الزيت عادةً بقوة تفاعل قوية مع الأجسام الليفية، وتمتص بقوة على الألياف.
③ تشمل الأوساخ الخاصة البروتين والنشا والدم وإفرازات الإنسان كالعرق والزهم والبول، بالإضافة إلى عصائر الفاكهة والشاي وغيرها. معظم هذه الأوساخ قابلة للامتصاص بقوة على الأجسام الليفية من خلال التفاعلات الكيميائية، مما يجعل غسلها صعبًا للغاية.
نادرًا ما توجد أنواع مختلفة من الأوساخ منفردة، بل غالبًا ما تكون مختلطة وممتزّة على الأجسام. قد تتأكسد الأوساخ أحيانًا أو تتحلل أو تتحلل تحت تأثير عوامل خارجية، مما يؤدي إلى تكوين أوساخ جديدة.
(2) تأثير التصاق الأوساخ
سبب اتساخ الملابس والأيدي وما إلى ذلك هو تفاعل الأشياء مع الأوساخ. هناك تأثيرات التصاق مختلفة للأوساخ بالأشياء، لكنها في الغالب التصاق فيزيائي وكيميائي.
① الالتصاق الفيزيائي لرماد السجائر والغبار والرواسب وأسود الكربون وغيرها من المواد بالملابس. بشكل عام، يكون تفاعل الأوساخ الملتصقة بالجسم الملوث ضعيفًا نسبيًا، كما أن إزالتها سهلة نسبيًا. وفقًا لاختلاف القوى، يمكن تقسيم الالتصاق الفيزيائي للأوساخ إلى التصاق ميكانيكي والتصاق كهروستاتيكي.
ج: يشير الالتصاق الميكانيكي بشكل رئيسي إلى التصاق الأوساخ الصلبة كالغبار والرواسب. يُعد الالتصاق الميكانيكي طريقة التصاق ضعيفة للأوساخ، ويمكن إزالتها بسهولة تقريبًا باستخدام طرق ميكانيكية بسيطة. ومع ذلك، عندما يكون حجم جزيئات الأوساخ صغيرًا (<0.1 ميكرومتر)، تكون إزالتها أكثر صعوبة.
ب: يتجلى الالتصاق الكهروستاتيكي بشكل رئيسي من خلال تأثير جزيئات الأوساخ المشحونة على الأجسام ذات الشحنات المعاكسة. تحمل معظم الأجسام الليفية شحنة سالبة في الماء، ويسهل التصاقها بالأوساخ الموجبة الشحنة، مثل الجير. بعض الأوساخ، على الرغم من شحنتها السالبة، مثل جزيئات الكربون الأسود في المحاليل المائية، يمكنها الالتصاق بالألياف من خلال جسور أيونية تتشكل من أيونات موجبة (مثل Ca2+ وMg2+، إلخ) في الماء (تعمل الأيونات معًا بين عدة شحنات متقابلة، كجسور).
تعتبر الكهرباء الساكنة أقوى من الفعل الميكانيكي البسيط، مما يجعل إزالة الأوساخ أمرًا صعبًا نسبيًا.
③ إزالة الأوساخ الخاصة
من الصعب إزالة البروتين والنشا والإفرازات البشرية وعصائر الفاكهة وعصير الشاي وأنواع أخرى من الأوساخ باستخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي العامة وتتطلب طرق معالجة خاصة.
بقع البروتين، مثل الكريمة والبيض والدم والحليب وفضلات الجلد، عرضة للتخثر والتحلل على الألياف، وتلتصق بقوة أكبر. لإزالة البقع البروتينية، يمكن استخدام إنزيم البروتياز. يُحلل هذا الإنزيم البروتينات الموجودة في الأوساخ إلى أحماض أمينية قابلة للذوبان في الماء أو قليلات الببتيد.
تأتي بقع النشا بشكل رئيسي من الطعام، في حين تأتي بقع أخرى مثل عصائر اللحوم، والمعكرونة، وما إلى ذلك. تتمتع إنزيمات النشا بتأثير محفز على تحلل بقع النشا، وتفتيت النشا إلى سكريات.
يمكن للليباز تحفيز تحلل بعض الدهون الثلاثية التي يصعب إزالتها بالطرق التقليدية، مثل الدهون التي يفرزها جسم الإنسان، والزيوت الصالحة للأكل، وما إلى ذلك، لتفكيك الدهون الثلاثية إلى جلسرين قابل للذوبان وأحماض دهنية.
غالبًا ما يصعب تنظيف بعض البقع الملونة الناتجة عن عصير الفاكهة، وعصير الشاي، والحبر، وأحمر الشفاه، وغيرها، تنظيفًا كاملًا حتى بعد الغسيل المتكرر. يمكن إزالة هذا النوع من البقع بتفاعلات الأكسدة والاختزال باستخدام مؤكسدات أو عوامل اختزال، مثل المبيض، والتي تُحلل بنية الكروموفور أو مجموعات الكروموفور وتُحللها إلى مكونات أصغر قابلة للذوبان في الماء.
من منظور التنظيف الجاف، هناك ما يقرب من ثلاثة أنواع من الأوساخ.
① الأوساخ القابلة للذوبان في الزيت تشمل الزيوت والدهون المختلفة، والتي تكون سائلة أو دهنية وقابلة للذوبان في مذيبات التنظيف الجاف.
② الأوساخ القابلة للذوبان في الماء تذوب في المحاليل المائية، لكنها غير قابلة للذوبان في مواد التنظيف الجاف. تمتصها الملابس على شكل محلول مائي، وبعد تبخر الماء، تترسب مواد صلبة حبيبية، مثل الأملاح غير العضوية والنشا والبروتينات، وغيرها.
③ الأوساخ غير القابلة للذوبان في الماء والزيت غير قابلة للذوبان في الماء ومذيبات التنظيف الجاف، مثل الكربون الأسود، ومختلف سيليكات المعادن، وأكاسيد.
نظراً لاختلاف خصائص أنواع الأوساخ المختلفة، تتعدد طرق إزالتها أثناء عملية التنظيف الجاف. الأوساخ القابلة للذوبان في الزيت، مثل الزيوت الحيوانية والنباتية، والزيوت المعدنية، والدهون، تذوب بسهولة في المذيبات العضوية، ويمكن إزالتها بسهولة أثناء التنظيف الجاف. وتعود قابلية ذوبان مذيبات التنظيف الجاف الممتازة للزيوت والشحوم أساساً إلى قوى فان دير فالس بين الجزيئات.
لإزالة الأوساخ القابلة للذوبان في الماء، مثل الأملاح غير العضوية والسكريات والبروتينات والعرق، وغيرها، من الضروري إضافة كمية مناسبة من الماء إلى سائل التنظيف الجاف، وإلا يصعب إزالتها من الملابس. وبما أن الماء يذوب في مواد التنظيف الجاف، فلا بد من إضافة مواد خافضة للتوتر السطحي لزيادة كمية الماء. يُرطب الماء الموجود في مواد التنظيف الجاف الأوساخ وسطح الملابس، مما يُسهّل تفاعله مع المجموعات القطبية للمواد الخافضة للتوتر السطحي، مما يُعزز امتصاصها. بالإضافة إلى ذلك، عندما تُشكّل المواد الخافضة للتوتر السطحي مُذيلات، يُمكن إذابة الأوساخ القابلة للذوبان في الماء والماء في المُذيلات. لا تقتصر فائدة المواد الخافضة للتوتر السطحي على زيادة محتوى الماء في مُذيبات التنظيف الجاف، بل تمنع أيضًا إعادة ترسب الأوساخ، مما يُعزز فعالية التنظيف.
إن وجود كمية صغيرة من الماء ضروري لإزالة الأوساخ القابلة للذوبان في الماء، ولكن الماء الزائد يمكن أن يسبب تشوه بعض الملابس أو تجعدها وما إلى ذلك، لذلك يجب أن يكون محتوى الماء في المنظف الجاف معتدلاً.
تلتصق الجسيمات الصلبة، مثل الرماد والطين والتربة وأسود الكربون، والتي لا تذوب في الماء ولا في الزيت، بالملابس عادةً عن طريق الامتزاز الكهروستاتيكي أو عن طريق امتزاجها ببقع الزيت. في التنظيف الجاف، قد يؤدي تدفق المذيبات وتأثيرها إلى تساقط الأوساخ الممتصة بالقوى الكهروستاتيكية، بينما قد تُذيب مواد التنظيف الجاف بقع الزيت، مما يؤدي إلى تساقط الجسيمات الصلبة التي تلتصق بالملابس من مادة التنظيف الجاف. تعمل الكمية القليلة من الماء والمواد الخافضة للتوتر السطحي في مادة التنظيف الجاف على تعليق جزيئات الأوساخ الصلبة المتساقطة وتشتيتها بثبات، مما يمنعها من الترسب على الملابس مرة أخرى.
(5) العوامل المؤثرة على تأثير الغسيل
يُعدّ الامتصاص الاتجاهي للمواد الخافضة للتوتر السطحي عند السطح البيني، وانخفاض توتر السطح البيني، من العوامل الرئيسية لإزالة الأوساخ السائلة أو الصلبة. إلا أن عملية الغسيل معقدة نسبيًا، وحتى تأثير الغسيل لنفس نوع المنظف يتأثر بعوامل أخرى عديدة. تشمل هذه العوامل تركيز المنظف، ودرجة الحرارة، وطبيعة الأوساخ، ونوع الألياف، وبنية القماش.
① تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي
تلعب ميسيلات المواد الخافضة للتوتر السطحي في المحلول دورًا هامًا في عملية الغسيل. عندما يصل التركيز إلى تركيز الميسيل الحرج (cmc)، يزداد تأثير الغسيل بشكل حاد. لذلك، يجب أن يكون تركيز المنظف في المذيب أعلى من قيمة CMC لتحقيق تأثير غسيل جيد. ومع ذلك، عندما يتجاوز تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي قيمة CMC، يصبح تأثير الغسيل المتزايد أقل أهمية، وتصبح الزيادة المفرطة في تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي غير ضرورية.
عند استخدام المذيب لإزالة بقع الزيت، حتى لو كان التركيز أعلى من قيمة CMC، يزداد تأثير المذيب مع زيادة تركيز المادة الخافضة للتوتر السطحي. في هذه الحالة، يُنصح باستخدام المنظف موضعيًا، مثلًا على أكمام وياقات الملابس المتسخة. عند الغسيل، يمكن وضع طبقة من المنظف أولًا لتحسين تأثير المذيب على بقع الزيت.
٢- تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على فعالية التنظيف. عمومًا، يُعدّ رفع درجة الحرارة مفيدًا لإزالة الأوساخ، ولكن في بعض الأحيان، قد تُسبب درجة الحرارة المرتفعة آثارًا سلبية.
تُعدّ زيادة درجة الحرارة مفيدةً لتشتيت الأوساخ. تُستحلب بقع الزيت الصلبة بسهولة عندما تكون درجة الحرارة أعلى من نقطة انصهارها، كما تزيد الألياف من درجة تمددها نتيجةً لارتفاع درجة الحرارة. جميع هذه العوامل مفيدةٌ لإزالة الأوساخ. مع ذلك، في الأقمشة الضيقة، تقلّ الفجوات الدقيقة بين الألياف بعد تمددها، مما لا يُساعد على إزالة الأوساخ.
تؤثر التغيرات في درجة الحرارة أيضًا على قابلية الذوبان وقيمة CMC وحجم الميسيل للمواد الخافضة للتوتر السطحي، مما يؤثر على تأثير الغسيل. تتمتع المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات السلسلة الكربونية الطويلة بقابلية ذوبان أقل في درجات الحرارة المنخفضة، وأحيانًا تكون قابلية ذوبانها أقل من قيمة CMC. في هذه الحالة، يجب زيادة درجة حرارة الغسيل بشكل مناسب. يختلف تأثير درجة الحرارة على قيمة CMC وحجم الميسيل بالنسبة للمواد الخافضة للتوتر السطحي الأيونية وغير الأيونية. بالنسبة للمواد الخافضة للتوتر السطحي الأيونية، تؤدي زيادة درجة الحرارة عمومًا إلى زيادة قيمة CMC وانخفاض حجم الميسيل. وهذا يعني أنه يجب زيادة تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي في محلول الغسيل. بالنسبة للمواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية، تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى انخفاض قيمة CMC وزيادة كبيرة في حجم الميسيل. يمكن ملاحظة أن زيادة درجة الحرارة بشكل مناسب يمكن أن تساعد المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية على ممارسة نشاطها السطحي. ولكن يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة نقطة السحب.
باختصار، ترتبط درجة حرارة الغسيل الأنسب بتركيبة المنظف ونوع الملابس المراد غسلها. بعض المنظفات تُعطي نتائج تنظيف جيدة في درجة حرارة الغرفة، بينما تختلف نتائج بعضها الآخر اختلافًا كبيرًا عند الغسيل بالماء البارد والساخن.
③ رغوة
كثيرًا ما يخلط الناس بين القدرة على الرغوة وتأثير الغسيل، معتقدين أن المنظفات ذات القدرة الرغوية العالية لها تأثير غسيل أفضل. تُظهر النتائج أن تأثير الغسيل لا يرتبط مباشرةً بكمية الرغوة. على سبيل المثال، استخدام منظف منخفض الرغوة للغسيل لا يُسبب تأثير غسيل أسوأ من منظف عالي الرغوة.
مع أن الرغوة لا ترتبط مباشرةً بالغسيل، إلا أنها تُساعد في إزالة الأوساخ في بعض الحالات. على سبيل المثال، يُمكن لرغوة سائل الغسيل أن تُزيل قطرات الزيت عند غسل الأطباق يدويًا. وعند فرك السجاد، يُمكن للرغوة أيضًا إزالة جزيئات الأوساخ الصلبة كالغبار. يُشكل الغبار نسبة كبيرة من أوساخ السجاد، لذا يجب أن يتمتع مُنظف السجاد بقدرة رغوة مُعينة.
قوة الرغوة مهمة أيضًا للشامبو. الرغوة الناعمة التي يُنتجها السائل عند غسل الشعر أو الاستحمام تُشعرك بالراحة.
④ أنواع الألياف والخصائص الفيزيائية للمنسوجات
بالإضافة إلى التركيب الكيميائي للألياف الذي يؤثر على الالتصاق وإزالة الأوساخ، فإن مظهر الألياف والتركيب التنظيمي للخيوط والأقمشة يؤثر أيضًا على صعوبة إزالة الأوساخ.
قشور ألياف الصوف والبنية المسطحة الشبيهة بالشرائط في ألياف القطن أكثر عرضة لتراكم الأوساخ من الألياف الناعمة. على سبيل المثال، يسهل إزالة أسود الكربون الملتصق بغشاء السليلوز (الغشاء اللاصق)، بينما يصعب غسله. على سبيل المثال، تُعد أقمشة البوليستر قصيرة الألياف أكثر عرضة لتراكم بقع الزيت من أقمشة الألياف الطويلة، كما أن إزالة بقع الزيت من أقمشة الألياف القصيرة أصعب من تلك الموجودة على أقمشة الألياف الطويلة.
بفضل الفجوات الدقيقة بين الألياف، تستطيع الخيوط الملتوية بإحكام والأقمشة الضيقة مقاومة الأوساخ، لكنها تمنع أيضًا محلول التنظيف من إزالة الأوساخ الداخلية. لذلك، تتمتع الأقمشة الضيقة بمقاومة جيدة للأوساخ في البداية، ولكن يصعب تنظيفها بعد تلوثها.
⑤ صلابة الماء
يؤثر تركيز أيونات المعادن، مثل Ca2+ وMg2+، في الماء بشكل كبير على فعالية الغسيل، خاصةً عندما تلتقي المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية بأيونات Ca2+ وMg2+ لتكوين أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم ذات الذوبان الضعيف، مما قد يقلل من قدرتها على التنظيف. حتى مع ارتفاع تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي في الماء العسر، فإن فعالية التنظيف الخاصة بها تظل أسوأ بكثير من فعالية التقطير. لتحقيق أفضل فعالية غسيل للمواد الخافضة للتوتر السطحي، يجب خفض تركيز أيونات Ca2+ في الماء إلى أقل من 1 × 10-6 مول/لتر (يجب خفض تركيز كربونات الكالسيوم Ca3 إلى 0.1 ملغ/لتر). يتطلب هذا إضافة أنواع مختلفة من المُنعمات إلى المنظف.
وقت النشر: ١٦ أغسطس ٢٠٢٤