表面活性剂去污原理分析及研究

孙会宁， 张 建， 石建屏

(绵阳职业技术学院， 四川 绵阳 621000)

1 概述

在日常生活中每天都会接触到不同类型的洗涤用品，洗涤用品中最常用的就是肥皂和合成洗涤剂。合成洗涤剂由于使用方便目前占据了洗涤用品的主要市场，合成洗涤之所以能够去除污垢的主要原因是其含有表面活性剂。本文将从表面活性的结构及污垢的特点进行分析，探索其去污主要原理。

2 污垢特点分析

2.1 污垢来源分析

日常生活中所选用洗涤剂洗涤的目的就是去除衣物及其他基材等被洗物质上存在的污垢，污垢的来源很多，但其主要还是来源于被洗基材所存在的环境，主要包括空气传播、人体自身分泌液以及生活工作需要接触及其他周围环境的影响。

2.2 污垢分类分析

日常环境所存在的污垢按其所存在的状态将其分为：油性污垢、固体污垢、水溶性污垢。

油性污垢：主要包括各类动植物的油脂、合成的脂肪酸以及日常中常用的矿物油等，其主要特点是对被洗的衣物及基材黏附比较牢固，而且难溶于或不溶于水，造成洗涤难度大。

固体污垢：日常生活中常见的固体污垢主要有：灰尘、泥土、建筑固体粉尘、纺织领域的棉绒、头发中残存的皮屑等，固体污垢的特点是颗粒较大、直径大致在1 μm～20 μm之间，这些污垢不是单独存在，就是与其他组分中油水混合在一起，其表面通常带负电、当然也有少量带正电的，在水中溶解度较低，甚至不溶于水，水溶性较差[1]。

水溶性污垢：日常所见的水溶性污垢主要包括各类碳酸饮料、酒水、奶液、淀粉溶液、有机酸、无机盐等，有时并不是单独存在，而是和其他油性或者固体污垢混存，但究其水溶性污垢的特点是易溶于水，或者与水或其他液体溶剂混合形成胶态溶液。

2.3 污垢特点分析

根据上述污垢来源分析及污垢分类分析，对比起存在状态及存在环境，污垢的的特点大体可归纳为以下几点。

1) 不论是哪一类污垢一般情况下都不会单独存在，而是两两或者更多状态混合存在，形成一个复杂的混合体，伴随时间的推移或者受周围环境的变化或者迁移等诸多因素的影响而氧化分解，甚至可能有些油性混合体污垢受周围微生物的影响发生复杂的化学或者物理变化而腐败，往往会产生更加复杂的化合物，给洗涤带来更大难度。

2) 污垢和被洗涤衣物或者基材的黏附情况复杂。从二者之间的结合力来说，主要有化学结合力和物理结合力两大类[2]。化学结合力是污垢与基材产生化学反应而形成化学键的结合；物理结合力是污垢微粒质点间的静电结合和物质间的分子间作用力，即范德华力[3]所引起的吸附作用。

通过分析污垢的来源、种类及所存在的环境及结合状况特点，要实现污垢与被洗涤衣物和污染基材的有效分离，关键就是破坏二者之间的结合状态，消除两者间的结合力，使两者发生松脱，便于洗涤去除。

3 表面活性剂在洗涤中的主要作用

表面活性剂是洗涤用品中的主要活性成分，是一种在较低浓度下显著降低溶液表面张力的物质，肥皂和合成洗涤剂都有降低水溶液表面张力的性能，同样也有降低水-油、水-固之间表面张力的性能，这与其分子结构特点有关。

3.1 表面活性剂分子结构分析

表面活性剂分子的一端是由一个较长的烃链组成的，这一端的基团具有憎水性，且能溶于油而不能溶于水，通常将其称之为憎水基或亲油基；分子另一端是较短的极性基团，其特点是主要溶于水而不溶于油，通常被称为亲水基或憎油基[4]。表面活性剂水溶液结构，如图1所示。

图1 表面活性剂水溶液结构示意图

3.2 表面活性剂在合成洗涤中的主要作用分析

根据表面活性剂结构的两亲性特点，使其在相界面上产生定向排列，形成吸附膜，从而使表面张力或界面张力的降低。在水溶液中，表面活性剂分子聚集而规则定向排列，形成胶束，其在水溶液中形成胶束过程，如图2所示。由于表面活性剂的表面活性和胶束性能，才使其水溶液具有润湿、渗透、分散、乳化、增溶、泡沫等作用的产生，为良好洗涤效果打下基础。

图2 表面活性剂在水溶液中形成胶束示意图

3.2.1 润湿渗透作用

表面活性剂降低了水(liquid液相)-固(solid-固相)之间的界面张力，使液相的水更加容易吸附扩展到固体表面，并渗透到物体中。洗涤液能否润湿污垢微粒和固体表面，可从洗涤液在固体表面的铺展情况来考虑。铺展系数Sws由式(1)表示。

Sws=γs-γsw-γw

(1)

当Sws>0时，洗涤液能在固体污垢微粒和固体表面上铺展，由于能够铺展，则必然浸湿。一般已被沾污的物体如器皿、纺织品等，不易被纯水润湿，这是因为同体的表面张力γs相当低，而水一固界面的界面张力γsw和水的表面张力γw相对高得多的缘故，根据上式可知此时Sws<0，即难以润湿。如果在纯水中加入表面活性剂，由于表面活性剂在固一液界面稆液体表面发生吸附，于是使γsw和γw显著下降，这时Sws可能从<0变成>0，即洗涤液能很好地润湿污垢微粒和固体的表面。合成洗涤液正是利用表面活性剂的润湿渗透作用破坏了被洗基材和污垢之间的吸引力，同时也破坏了污垢微粒之间的相互吸引力，当施加适当外力揉搓时，就会破换原有结构力存在状态使污垢变成细碎颗粒。

3.2.2 分散乳化作用

分散作用主要是表面活性剂降低了水和固体微小粒子间的界面张力，并在固体微小粒子的周围形成了一层亲水的吸附膜，使固体粒子均匀地分散于水中形成分散液。乳化作用[5]主要使表面活性剂在洗涤时降低水-油之间的微小粒子间的界面张力，同样在油的微小粒子周围形成一层亲水的吸附膜，使油粒子能均匀分散在水中形成乳浊液，这一点对洗涤起到非常重要的作用，很多油污的去除都是离不开分散乳化作用。

3.2.3 增溶作用

当洗涤剂中表面活性剂的水溶液中的胶束把油脂溶解在自己的憎水基部分中，这种因胶束的存在而使物质在溶剂中溶解度增加从而提高洗涤效果达到增溶效应[6]，不管是何种污垢，只有污垢的溶解度增加，才能提升洗涤的效果，从而在其他综合作用下达到完美的洗涤效果。

3.2.4 泡沫作用

表面活性剂在水溶液中洗涤时，除了上述作用，还有一种就是其降低了水-空气之间的表面张力[7]，使空气适度的分散在水中而形成适量的泡沫，同时又会在所产生的气泡表面吸附一层大量定向排列的表面活性分子，促使气泡壁就变成一层坚固的膜，从而形成了稳定的泡沫。泡沫在整个洗涤过程中虽然和洗涤作用没有太大的直接关系，但是它能吸附已分散的污垢使其聚集在泡沫中，并把污垢带到溶液表面，起到一定的辅助效应，所以泡沫作用在洗涤中也是人们直观感觉洗涤洁净程度不可缺少的评断标准。

4 洗涤去垢作用原理分析

通过分析表面活性剂的作用和污垢的特点分析，表面活性剂去除污垢的原理可用一“置换”方程式表示：

织物(基材)·污垢+洗涤剂→污垢·洗涤剂 +织物(基材)

在这一式中我们可以清楚看出相当于发生了置换反应，洗涤剂置换出织物(基材)，而引力使污垢携带在洗涤剂中予以去除，污垢去除前后、如图3所示。

图3 表面活性剂与污垢作用图

在实际生活中，通常污垢是牢固地吸附在被污染基材上的，由于二者之间的相互吸引给洗涤剂去污带来较大阻力，洗涤中表面活性剂协同其他洗涤助剂通过降低和消弱二者之间的引力，洗涤剂的润湿渗透作用恰恰可以使污垢与被污染物之间的引力松脱，也使污垢粉碎成细小的粒子。同时，引力松脱的污垢粒子仍吸附在被污染物的表面，如果通过机械的搅拌作用或者揉搓的摩擦作用或者受热作用，吸附在被污染物表面上的污垢就能大量卷离到水中，此时固体微粒在洗涤表面活性剂的分散作用下，油脂污垢在其乳化增溶作用下，加上洗涤中的抗再沉积剂[8]的作用下，就不再沉积于被污染物的表面，加速了洗涤去污效应。

5 结论

洗涤剂中表面活性剂主要通过润湿、渗透、乳化、分散、增溶等基本作用的综合效应达到洗涤去污效果。显然，洗涤剂中表面活性剂仅仅具有某一作用是不够的，而是要求具有较好的总体协同效应[9]，再加上其他洗剂助剂的配合作用，达到更理想的最佳洗涤效果。