1. Tegangan permukaan
Gaya kontraksi per satuan panjang pada permukaan cairan disebut tegangan permukaan, diukur dalam N • m-1.
2. Aktivitas permukaan dan surfaktan
Sifat yang dapat menurunkan tegangan permukaan pelarut disebut aktivitas permukaan, sedangkan zat yang memiliki aktivitas permukaan disebut zat aktif permukaan.
Surfaktan merujuk pada zat aktif permukaan yang dapat membentuk misel dan agregat lain dalam larutan berair, memiliki aktivitas permukaan tinggi, dan juga memiliki fungsi membasahi, mengemulsi, berbusa, mencuci, dan fungsi lainnya.
3. Karakteristik struktur molekul surfaktan
Surfaktan adalah senyawa organik dengan struktur dan sifat khusus yang secara signifikan dapat mengubah tegangan antarmuka antara dua fase atau tegangan permukaan cairan (biasanya air), dan memiliki sifat seperti membasahi, berbusa, mengemulsi, dan mencuci.
Secara struktural, surfaktan memiliki karakteristik umum yang mengandung dua gugus fungsi berbeda dalam molekulnya. Salah satu ujungnya adalah gugus non-polar rantai panjang yang larut dalam minyak tetapi tidak larut dalam air, yang dikenal sebagai gugus hidrofobik atau gugus hidrofobik. Gugus hidrofobik ini umumnya berupa hidrokarbon rantai panjang, terkadang juga fluor organik, organosilikon, organofosfor, rantai organotin, dll. Ujung lainnya adalah gugus fungsi yang larut dalam air, yaitu gugus hidrofilik atau gugus hidrofilik. Gugus hidrofilik harus memiliki hidrofilisitas yang cukup untuk memastikan bahwa seluruh surfaktan larut dalam air dan memiliki kelarutan yang diperlukan. Karena adanya gugus hidrofilik dan hidrofobik dalam surfaktan, mereka dapat larut dalam setidaknya satu fase fase cair. Sifat hidrofilik dan oleofilik surfaktan disebut amfifilisitas.
4. Jenis-jenis surfaktan
Surfaktan adalah molekul amfifilik yang memiliki gugus hidrofobik dan hidrofilik. Gugus hidrofobik surfaktan umumnya terdiri dari hidrokarbon rantai panjang, seperti alkil rantai lurus C8-C20, alkil rantai bercabang C8-C20, alkilfenil (dengan 8-16 atom karbon alkil), dll. Perbedaan gugus hidrofobik terutama terletak pada perubahan struktur rantai karbon hidrogen, dengan perbedaan yang relatif kecil, sementara ada lebih banyak jenis gugus hidrofilik. Oleh karena itu, sifat surfaktan terutama terkait dengan gugus hidrofilik di samping ukuran dan bentuk gugus hidrofobik. Perubahan struktur gugus hidrofilik lebih besar daripada gugus hidrofobik, sehingga klasifikasi surfaktan umumnya didasarkan pada struktur gugus hidrofilik. Klasifikasi ini terutama didasarkan pada apakah gugus hidrofilik bersifat ionik, membaginya menjadi anionik, kationik, nonionik, zwitterionik, dan jenis surfaktan khusus lainnya.
5. Karakteristik larutan air surfaktan
① Adsorpsi surfaktan di antarmuka
Molekul surfaktan memiliki gugus lipofilik dan hidrofilik, sehingga menjadikannya molekul amfifilik. Air merupakan cairan yang sangat polar. Ketika surfaktan larut dalam air, berdasarkan prinsip kesamaan polaritas dan tolakan perbedaan polaritas, gugus hidrofiliknya tertarik ke fase air dan larut dalam air, sementara gugus lipofiliknya menolak air dan meninggalkan air. Akibatnya, molekul surfaktan (atau ion) teradsorpsi pada antarmuka antara kedua fase, sehingga mengurangi tegangan antarmuka antara kedua fase. Semakin banyak molekul surfaktan (atau ion) yang teradsorpsi pada antarmuka, semakin besar penurunan tegangan antarmuka.
② Beberapa sifat membran adsorpsi
Tekanan permukaan membran adsorpsi: Surfaktan teradsorpsi pada antarmuka gas-cair untuk membentuk membran adsorpsi. Jika pelat apung bergerak tanpa gesekan ditempatkan pada antarmuka dan pelat apung mendorong membran adsorpsi di sepanjang permukaan larutan, membran memberikan tekanan pada pelat apung, yang disebut tekanan permukaan.
Viskositas permukaan: Seperti halnya tekanan permukaan, viskositas permukaan merupakan sifat yang ditunjukkan oleh lapisan molekul yang tidak larut. Gantungkan cincin platinum dengan kawat logam tipis, buat bidangnya menyentuh permukaan air wastafel, putar cincin platinum tersebut. Cincin platinum akan terhambat oleh viskositas air, dan amplitudonya akan melemah secara bertahap, sehingga viskositas permukaan dapat diukur. Metodenya adalah: pertama-tama lakukan eksperimen pada permukaan air murni, ukur atenuasi amplitudonya, kemudian ukur atenuasi setelah pembentukan masker permukaan, dan hitung viskositas masker permukaan dari selisih keduanya.
Viskositas permukaan berkaitan erat dengan kekencangan masker wajah. Karena film adsorpsi memiliki tekanan dan viskositas permukaan, film tersebut harus elastis. Semakin tinggi tekanan dan viskositas permukaan membran adsorpsi, semakin besar modulus elastisitasnya. Modulus elastisitas film adsorpsi permukaan sangat penting dalam proses stabilisasi busa.
③ Pembentukan misel
Larutan surfaktan encer mengikuti hukum larutan ideal. Jumlah adsorpsi surfaktan pada permukaan larutan meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan. Ketika konsentrasi mencapai atau melebihi nilai tertentu, jumlah adsorpsi tidak lagi meningkat. Molekul-molekul surfaktan yang berlebih dalam larutan ini tidak teratur atau terdapat secara teratur. Baik praktik maupun teori telah menunjukkan bahwa mereka membentuk agregat dalam larutan, yang disebut misel.
Konsentrasi misel kritis: Konsentrasi minimum di mana surfaktan membentuk misel dalam suatu larutan disebut konsentrasi misel kritis.
④ Nilai CMC surfaktan umum.
6. Nilai keseimbangan hidrofilik dan oleofilik
HLB adalah singkatan dari keseimbangan lipofilik hidrofilik, yang mewakili nilai keseimbangan hidrofilik dan lipofilik dari gugus hidrofilik dan lipofilik suatu surfaktan, yaitu nilai HLB surfaktan tersebut. Nilai HLB yang tinggi menunjukkan sifat hidrofilisitas yang kuat dan sifat lipofilisitas yang lemah dari molekul tersebut; sebaliknya, sifat lipofilisitasnya kuat dan sifat hidrofilisitasnya lemah.
① Peraturan tentang Nilai HLB
Nilai HLB merupakan nilai relatif, sehingga dalam formulasi nilai HLB, sebagai standar, nilai HLB parafin tanpa sifat hidrofilik ditetapkan sebesar 0, sedangkan nilai HLB natrium dodesil sulfat dengan kelarutan air yang kuat ditetapkan sebesar 40. Oleh karena itu, nilai HLB surfaktan umumnya berada dalam rentang 1-40. Secara umum, pengemulsi dengan nilai HLB kurang dari 10 bersifat lipofilik, sedangkan pengemulsi dengan nilai HLB lebih dari 10 bersifat hidrofilik. Oleh karena itu, titik balik dari sifat lipofilik menjadi sifat hidrofilisitas adalah sekitar 10.
7. Efek emulsifikasi dan solubilisasi
Dua cairan yang tidak bercampur, yang satu terbentuk dengan mendispersikan partikel (tetesan atau kristal cair) ke dalam cairan lainnya, disebut emulsi. Ketika membentuk emulsi, luas antarmuka antara kedua cairan meningkat, sehingga sistem menjadi tidak stabil secara termodinamika. Untuk menstabilkan emulsi, komponen ketiga—pengemulsi—perlu ditambahkan untuk mengurangi energi antarmuka sistem. Pengemulsi termasuk dalam surfaktan, dan fungsi utamanya adalah bertindak sebagai pengemulsi. Fase tempat tetesan berada dalam emulsi disebut fase terdispersi (atau fase internal, fase diskontinu), dan fase lainnya yang terhubung bersama disebut medium terdispersi (atau fase eksternal, fase kontinyu).
① Pengemulsi dan emulsi
Emulsi umum terdiri dari satu fase air atau larutan berair, dan fase lainnya berupa senyawa organik yang tidak bercampur dengan air, seperti minyak, lilin, dll. Emulsi yang terbentuk dari air dan minyak dapat dibagi menjadi dua jenis berdasarkan dispersinya: minyak yang terdispersi dalam air membentuk emulsi air dalam minyak, yang direpresentasikan sebagai O/W (minyak/air); air yang terdispersi dalam minyak membentuk emulsi air dalam minyak, yang direpresentasikan sebagai W/O (air/minyak). Selain itu, emulsi kompleks air dalam minyak dalam air W/O/W dan minyak dalam air dalam minyak O/W/O juga dapat terbentuk.
Pengemulsi menstabilkan emulsi dengan mengurangi ketegangan antarmuka dan membentuk masker wajah satu lapis.
Persyaratan pengemulsi dalam emulsifikasi: a: pengemulsi harus mampu mengadsorpsi atau memperkaya pada antarmuka antara dua fase, sehingga mengurangi tegangan antarmuka; b: Pengemulsi harus memberikan muatan listrik pada partikel, sehingga menyebabkan tolakan elektrostatik antar partikel atau membentuk lapisan pelindung yang stabil dan sangat viskos di sekitar partikel. Oleh karena itu, zat yang digunakan sebagai pengemulsi harus memiliki gugus amfifilik agar memiliki efek pengemulsi, dan surfaktan dapat memenuhi persyaratan ini.
2. Metode pembuatan emulsi dan faktor-faktor yang mempengaruhi stabilitas emulsi
Terdapat dua metode untuk menyiapkan emulsi: yang pertama adalah menggunakan metode mekanis untuk mendispersikan cairan menjadi partikel-partikel kecil dalam cairan lain, yang umum digunakan dalam industri untuk menyiapkan emulsi; Metode lainnya adalah melarutkan cairan dalam keadaan molekuler dalam cairan lain dan kemudian membiarkannya berkumpul dengan tepat untuk membentuk emulsi.
Stabilitas emulsi mengacu pada kemampuannya untuk menahan agregasi partikel dan menyebabkan pemisahan fase. Emulsi adalah sistem yang secara termodinamika tidak stabil dengan energi bebas yang signifikan. Oleh karena itu, stabilitas emulsi sebenarnya mengacu pada waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai kesetimbangan, yaitu waktu yang dibutuhkan cairan dalam sistem untuk terpisah.
Ketika terdapat molekul organik polar seperti alkohol lemak, asam lemak, dan amina lemak dalam masker wajah, kekuatan membran meningkat secara signifikan. Hal ini disebabkan oleh interaksi molekul pengemulsi pada lapisan adsorpsi antarmuka dengan molekul polar seperti alkohol, asam, dan amina untuk membentuk "kompleks", yang meningkatkan kekuatan masker wajah antarmuka.
Pengemulsi yang terdiri dari dua atau lebih surfaktan disebut pengemulsi campuran. Pengemulsi campuran teradsorpsi pada antarmuka air/minyak, dan interaksi antarmolekul dapat membentuk kompleks. Berkat interaksi antarmolekul yang kuat, tegangan antarmuka berkurang secara signifikan, jumlah pengemulsi yang teradsorpsi pada antarmuka meningkat secara signifikan, dan densitas serta kekuatan masker wajah antarmuka yang terbentuk meningkat.
Muatan droplet memiliki dampak yang signifikan terhadap stabilitas emulsi. Emulsi yang stabil biasanya memiliki droplet bermuatan listrik. Ketika menggunakan pengemulsi ionik, ion pengemulsi yang teradsorpsi pada antarmuka memasukkan gugus lipofiliknya ke dalam fase minyak, sementara gugus hidrofilik berada di fase air, sehingga membuat droplet bermuatan. Karena droplet emulsi membawa muatan yang sama, mereka saling tolak dan tidak mudah menggumpal, sehingga meningkatkan stabilitas. Dapat dilihat bahwa semakin banyak ion pengemulsi yang teradsorpsi pada droplet, semakin besar muatannya, dan semakin besar pula kemampuannya untuk mencegah koalesensi droplet, sehingga sistem emulsi menjadi lebih stabil.
Viskositas medium dispersi emulsi memiliki pengaruh tertentu terhadap stabilitas emulsi. Umumnya, semakin tinggi viskositas medium pendispersi, semakin tinggi pula stabilitas emulsi. Hal ini disebabkan oleh viskositas medium pendispersi yang tinggi, yang sangat menghambat gerak Brown tetesan cairan, memperlambat tumbukan antar tetesan, dan menjaga kestabilan sistem. Zat polimer yang umumnya larut dalam emulsi dapat meningkatkan viskositas sistem dan meningkatkan stabilitas emulsi. Selain itu, polimer juga dapat membentuk lapisan antarmuka padat, sehingga sistem emulsi menjadi lebih stabil.
Dalam beberapa kasus, penambahan bubuk padat juga dapat menstabilkan emulsi. Bubuk padat tidak berada di dalam air, minyak, atau pada antarmuka, tergantung pada kemampuan pembasahan minyak dan air pada bubuk padat. Jika bubuk padat tidak sepenuhnya terbasahi oleh air dan dapat dibasahi oleh minyak, bubuk tersebut akan tetap berada pada antarmuka air-minyak.
Alasan mengapa bubuk padat tidak menstabilkan emulsi adalah karena bubuk yang terkumpul di antarmuka tidak memperkuat masker wajah antarmuka, yang serupa dengan molekul pengemulsi adsorpsi antarmuka. Oleh karena itu, semakin rapat partikel bubuk padat di antarmuka, semakin stabil emulsi tersebut.
Surfaktan memiliki kemampuan untuk meningkatkan kelarutan senyawa organik yang tidak larut atau sedikit larut dalam air secara signifikan setelah membentuk misel dalam larutan berair, dan larutan menjadi transparan pada saat tersebut. Efek misel ini disebut solubilisasi. Surfaktan yang dapat menghasilkan efek solubilisasi disebut solubilizer, dan senyawa organik yang terlarut disebut senyawa terlarut.
8. Busa
Busa memainkan peran penting dalam proses pencucian. Busa mengacu pada sistem dispersi di mana gas terdispersi dalam cairan atau padatan. Gas adalah fase dispersi, dan cairan atau padatan adalah medium dispersi. Cairan atau padatan disebut busa cair, sedangkan busa padat disebut busa padat, seperti busa plastik, busa kaca, busa semen, dll.
(1) Pembentukan busa
Busa di sini mengacu pada agregasi gelembung-gelembung yang dipisahkan oleh lapisan tipis cairan. Karena perbedaan densitas yang besar antara fase terdispersi (gas) dan medium terdispersi (cair), serta viskositas cairan yang rendah, busa selalu dapat naik ke permukaan cairan dengan cepat.
Proses pembentukan busa adalah memasukkan sejumlah besar gas ke dalam cairan, dan gelembung-gelembung dalam cairan kembali ke permukaan cairan dengan cepat, membentuk agregat gelembung yang dipisahkan oleh sejumlah kecil cairan dan gas.
Busa memiliki dua karakteristik morfologi yang luar biasa: pertama, gelembung sebagai fase terdispersi seringkali berbentuk polihedral, karena pada perpotongan gelembung, terdapat kecenderungan lapisan cairan menjadi lebih tipis, sehingga gelembung menjadi polihedral. Ketika lapisan cairan menjadi lebih tipis hingga batas tertentu, gelembung akan pecah; Kedua, cairan murni tidak dapat membentuk busa yang stabil, tetapi cairan yang dapat membentuk busa setidaknya terdiri dari dua komponen atau lebih. Larutan surfaktan dalam air merupakan sistem yang mudah menghasilkan busa, dan kemampuannya untuk menghasilkan busa juga berkaitan dengan sifat-sifat lainnya.
Surfaktan dengan kemampuan berbusa yang baik disebut agen pembusa. Meskipun agen pembusa memiliki kemampuan berbusa yang baik, busa yang terbentuk mungkin tidak dapat bertahan lama, sehingga stabilitasnya mungkin kurang baik. Untuk menjaga stabilitas busa, zat yang dapat meningkatkan stabilitas busa sering ditambahkan ke dalam agen pembusa, yang disebut penstabil busa. Penstabil busa yang umum digunakan adalah lauroil dietanolamina dan dodesil dimetil amina oksida.
(2) Stabilitas busa
Busa merupakan sistem yang tidak stabil secara termodinamika, dan tren akhirnya adalah luas permukaan total cairan dalam sistem berkurang dan energi bebas berkurang setelah gelembung pecah. Proses penghilangan busa adalah proses di mana lapisan film cairan yang memisahkan gas berubah ketebalannya hingga pecah. Oleh karena itu, stabilitas busa terutama ditentukan oleh kecepatan pelepasan cairan dan kekuatan lapisan film cairan. Ada beberapa faktor lain yang memengaruhi.
① Tegangan permukaan
Dari sudut pandang energi, tegangan permukaan yang rendah lebih mendukung pembentukan busa, tetapi tidak dapat menjamin stabilitas busa. Tegangan permukaan yang rendah, perbedaan tekanan yang rendah, kecepatan pelepasan cairan yang lambat, dan penipisan lapisan cairan yang lambat merupakan faktor-faktor yang mendukung stabilitas busa.
② Viskositas permukaan
Faktor kunci yang menentukan stabilitas busa adalah kekuatan lapisan cairan, yang terutama ditentukan oleh kekencangan lapisan adsorpsi permukaan, yang diukur berdasarkan viskositas permukaan. Eksperimen menunjukkan bahwa busa yang dihasilkan oleh larutan dengan viskositas permukaan yang lebih tinggi memiliki masa pakai yang lebih lama. Hal ini disebabkan oleh interaksi antar molekul yang teradsorpsi di permukaan yang meningkatkan kekuatan membran, sehingga memperpanjang masa pakai busa.
③ Viskositas larutan
Bila viskositas cairan itu sendiri meningkat, cairan dalam lapisan film cair tidak mudah dikeluarkan, dan kecepatan penipisan ketebalan lapisan film cair menjadi lambat, yang menunda waktu pecahnya lapisan film cair dan meningkatkan stabilitas busa.
④ Efek 'perbaikan' dari tegangan permukaan
Surfaktan yang teradsorpsi pada permukaan film cair memiliki kemampuan untuk menahan pemuaian atau penyusutan permukaan film cair, yang kami sebut sebagai efek perbaikan. Hal ini disebabkan oleh adanya lapisan cair surfaktan yang teradsorpsi pada permukaan, dan perluasan luas permukaannya akan mengurangi konsentrasi molekul yang teradsorpsi dan meningkatkan tegangan permukaan. Perluasan permukaan yang lebih lanjut akan membutuhkan upaya yang lebih besar. Sebaliknya, penyusutan luas permukaan akan meningkatkan konsentrasi molekul yang teradsorpsi pada permukaan, sehingga mengurangi tegangan permukaan dan menghambat penyusutan lebih lanjut.
⑤ Difusi gas melalui lapisan cairan
Akibat adanya tekanan kapiler, tekanan gelembung-gelembung kecil dalam busa lebih tinggi daripada gelembung-gelembung besar. Hal ini menyebabkan gas dalam gelembung-gelembung kecil berdifusi ke dalam gelembung-gelembung besar bertekanan rendah melalui lapisan cairan. Akibatnya, gelembung-gelembung kecil mengecil, gelembung-gelembung besar membesar, dan akhirnya busa pecah. Dengan penambahan surfaktan, busa akan seragam dan padat saat berbusa, serta tidak mudah dihilangkan busanya. Karena surfaktan tersusun rapat pada lapisan cairan, busa sulit untuk berventilasi, sehingga busa lebih stabil.
⑥ Pengaruh muatan permukaan
Jika lapisan cairan busa diisi dengan simbol yang sama, kedua permukaan lapisan cairan akan saling tolak, sehingga mencegah lapisan cairan menipis atau bahkan hancur. Surfaktan ionik dapat memberikan efek stabilisasi ini.
Kesimpulannya, kekuatan lapisan film cair merupakan faktor kunci dalam menentukan stabilitas busa. Sebagai surfaktan untuk agen pembusa dan penstabil busa, kekencangan dan kekencangan molekul yang teradsorpsi di permukaan merupakan faktor terpenting. Ketika interaksi antar molekul yang teradsorpsi di permukaan kuat, molekul-molekul yang teradsorpsi akan tersusun rapat. Hal ini tidak hanya membuat masker wajah permukaan itu sendiri memiliki kekuatan yang tinggi, tetapi juga membuat larutan di sekitar masker wajah permukaan sulit mengalir karena viskositas permukaan yang tinggi. Akibatnya, lapisan film cair relatif sulit untuk mengalir, dan ketebalan lapisan film cair mudah dipertahankan. Selain itu, molekul permukaan yang tersusun rapat juga dapat mengurangi permeabilitas molekul gas, sehingga meningkatkan stabilitas busa.
(3) Penghancuran busa
Prinsip dasar penghancuran busa adalah mengubah kondisi produksi busa atau menghilangkan faktor stabilitas busa, jadi ada dua metode penghilangan busa, yaitu fisik dan kimia.
Penghilangan busa secara fisik dilakukan dengan mengubah kondisi pembentukan busa sambil mempertahankan komposisi kimia larutan busa. Misalnya, gangguan gaya eksternal, perubahan suhu atau tekanan, dan perlakuan ultrasonik merupakan metode fisik yang efektif untuk menghilangkan busa.
Metode penghilang busa secara kimia adalah dengan menambahkan beberapa zat untuk berinteraksi dengan agen pembusa, mengurangi kekuatan lapisan film cair dalam busa, dan kemudian mengurangi stabilitas busa untuk mencapai tujuan penghilang busa. Zat-zat tersebut disebut penghilang busa. Kebanyakan penghilang busa adalah surfaktan. Oleh karena itu, berdasarkan mekanisme penghilang busa, penghilang busa harus memiliki kemampuan yang kuat untuk mengurangi tegangan permukaan, mudah diserap di permukaan, dan memiliki interaksi yang lemah antar molekul yang diserap di permukaan, sehingga menghasilkan struktur susunan molekul yang relatif longgar.
Terdapat berbagai jenis pencegah busa, tetapi sebagian besar merupakan surfaktan non-ionik. Surfaktan non-ionik memiliki sifat anti-busa di dekat atau di atas titik kekeruhannya dan umumnya digunakan sebagai pencegah busa. Alkohol, terutama yang memiliki struktur bercabang, asam lemak dan ester, poliamida, fosfat, minyak silikon, dll., juga umumnya digunakan sebagai pencegah busa yang sangat baik.
(4) Busa dan pencucian
Tidak ada hubungan langsung antara busa dan efek pencucian, dan jumlah busa tidak menentukan baik atau buruknya efek pencucian. Misalnya, kinerja pembusaan surfaktan non-ionik jauh lebih rendah daripada sabun, tetapi daya bersihnya jauh lebih baik daripada sabun.
Dalam beberapa kasus, busa membantu menghilangkan kotoran. Misalnya, saat mencuci peralatan makan di rumah, busa deterjen dapat menghilangkan tetesan minyak yang terbawa; Saat menggosok karpet, busa membantu menghilangkan kotoran padat seperti debu dan bubuk. Selain itu, busa terkadang dapat digunakan sebagai tanda apakah deterjen tersebut efektif, karena noda minyak berlemak dapat menghambat busa deterjen. Ketika noda minyak terlalu banyak dan deterjen terlalu sedikit, tidak akan ada busa atau busa asli akan hilang. Terkadang, busa juga dapat digunakan sebagai indikator apakah pembilasan bersih. Karena jumlah busa dalam larutan pembilas cenderung berkurang dengan berkurangnya kandungan deterjen, tingkat pembilasan dapat dievaluasi dengan jumlah busa.
9. Proses pencucian
Secara umum, pencucian adalah proses menghilangkan komponen yang tidak diinginkan dari benda yang dicuci dan mencapai tujuan tertentu. Pencucian dalam arti umum mengacu pada proses menghilangkan kotoran dari permukaan suatu media. Selama pencucian, interaksi antara kotoran dan media diperlemah atau dihilangkan melalui aksi beberapa zat kimia (seperti deterjen), mengubah kombinasi kotoran dan media menjadi kombinasi kotoran dan deterjen, yang pada akhirnya menyebabkan kotoran dan media terlepas. Karena benda yang akan dicuci dan kotoran yang akan dihilangkan berbeda-beda, pencucian merupakan proses yang sangat kompleks, dan proses dasar pencucian dapat direpresentasikan dengan hubungan sederhana berikut.
Pembawa • Kotoran+Deterjen=Pembawa+Kotoran • Deterjen
Proses pencucian biasanya dapat dibagi menjadi dua tahap: pertama, pemisahan kotoran dan pembawanya di bawah pengaruh deterjen; kedua, pemisahan kotoran yang terlepas dan pensuspensinya di dalam media. Proses pencucian bersifat reversibel, dan kotoran yang terdispersi atau tersuspensi di dalam media juga dapat mengendap kembali dari media ke cucian. Oleh karena itu, deterjen yang baik tidak hanya harus mampu memisahkan kotoran dari pembawanya, tetapi juga memiliki kemampuan yang baik untuk mendispersikan dan menangguhkan kotoran, serta mencegah kotoran mengendap kembali.
(1) Jenis-jenis kotoran
Bahkan untuk barang yang sama, jenis, komposisi, dan jumlah kotoran akan bervariasi tergantung pada lingkungan penggunaan. Kotoran tubuh berminyak terutama mencakup minyak hewani dan nabati, serta minyak mineral (seperti minyak mentah, bahan bakar minyak, tar batubara, dll.), sedangkan kotoran padat terutama mencakup asap, debu, karat, karbon hitam, dll. Dalam hal kotoran pakaian, ada kotoran dari tubuh manusia, seperti keringat, sebum, darah, dll; Kotoran dari makanan, seperti noda buah, noda minyak goreng, noda bumbu, pati, dll; Kotoran yang dibawa oleh kosmetik, seperti lipstik dan cat kuku; Kotoran dari atmosfer, seperti asap, debu, tanah, dll; Bahan lain seperti tinta, teh, cat, dll. Dapat dikatakan bahwa ada berbagai jenis dan beragam.
Berbagai jenis kotoran biasanya dapat dibagi menjadi tiga kategori: kotoran padat, kotoran cair, dan kotoran khusus.
① Kotoran padat yang umum meliputi partikel seperti abu, lumpur, tanah, karat, dan karbon hitam. Sebagian besar partikel ini memiliki muatan permukaan, sebagian besar negatif, dan mudah teradsorpsi pada benda berserat. Umumnya, kotoran padat sulit larut dalam air, tetapi dapat terdispersi dan tersuspensi oleh larutan deterjen. Kotoran padat dengan partikel kecil sulit dihilangkan.
2. Kotoran cair sebagian besar larut dalam minyak, termasuk minyak hewani dan nabati, asam lemak, alkohol lemak, minyak mineral, dan oksidanya. Di antara mereka, minyak hewani dan nabati serta asam lemak dapat mengalami saponifikasi dengan alkali, sementara alkohol lemak dan minyak mineral tidak tersaponifikasi oleh alkali, tetapi dapat larut dalam alkohol, eter, dan pelarut organik hidrokarbon, serta teremulsi dan terdispersi dalam larutan deterjen. Kotoran cair yang larut dalam minyak umumnya memiliki gaya interaksi yang kuat dengan benda berserat dan teradsorpsi dengan kuat pada serat.
3. Kotoran khusus meliputi protein, pati, darah, sekresi manusia seperti keringat, sebum, urine, serta jus buah, jus teh, dll. Sebagian besar jenis kotoran ini dapat teradsorpsi kuat pada benda berserat melalui reaksi kimia. Oleh karena itu, cukup sulit untuk mencucinya.
Berbagai jenis kotoran jarang muncul sendiri, seringkali tercampur dan teradsorpsi pada benda. Kotoran terkadang dapat teroksidasi, terurai, atau membusuk akibat pengaruh eksternal, sehingga menghasilkan kotoran baru.
(2) Efek adhesi kotoran
Alasan mengapa pakaian, tangan, dll. bisa kotor adalah karena adanya interaksi antara benda dan kotoran. Ada berbagai efek adhesi kotoran pada benda, tetapi yang terutama adalah adhesi fisik dan adhesi kimia.
① Adhesi fisik abu rokok, debu, endapan, karbon hitam, dan zat lainnya pada pakaian. Secara umum, interaksi antara kotoran yang menempel dan benda yang terkontaminasi relatif lemah, dan penghilangan kotoran juga relatif mudah. Berdasarkan gaya yang berbeda, adhesi fisik kotoran dapat dibagi menjadi adhesi mekanis dan adhesi elektrostatik.
A: Adhesi mekanis terutama mengacu pada adhesi kotoran padat seperti debu dan sedimen. Adhesi mekanis merupakan metode adhesi yang lemah terhadap kotoran, yang hampir dapat dihilangkan dengan metode mekanis sederhana. Namun, ketika ukuran partikel kotoran kecil (<0,1 um), kotoran tersebut lebih sulit dihilangkan.
B: Adhesi elektrostatik terutama terwujud melalui aksi partikel kotoran bermuatan pada benda-benda dengan muatan berlawanan. Sebagian besar benda berserat bermuatan negatif di dalam air dan mudah melekat pada kotoran bermuatan positif seperti kapur. Beberapa kotoran, meskipun bermuatan negatif, seperti partikel karbon hitam dalam larutan air, dapat melekat pada serat melalui jembatan ion yang dibentuk oleh ion positif (seperti Ca2+, Mg2+, dll.) di dalam air (ion-ion berinteraksi di antara beberapa muatan berlawanan, bertindak seperti jembatan).
Listrik statis lebih kuat daripada tindakan mekanis sederhana, membuatnya relatif sulit menghilangkan kotoran.
③ Penghapusan kotoran khusus
Protein, pati, sekresi manusia, jus buah, jus teh dan jenis kotoran lainnya sulit dihilangkan dengan surfaktan umum dan memerlukan metode perawatan khusus.
Noda protein seperti krim, telur, darah, susu, dan kotoran kulit rentan terhadap koagulasi dan denaturasi pada serat, serta melekat lebih kuat. Untuk pengotoran protein, protease dapat digunakan untuk menghilangkannya. Protease dapat memecah protein dalam kotoran menjadi asam amino yang larut dalam air atau oligopeptida.
Noda pati terutama berasal dari makanan, sementara yang lain seperti sari daging, pasta, dan sebagainya. Enzim pati memiliki efek katalitik pada hidrolisis noda pati, memecah pati menjadi gula.
Lipase dapat mengkatalisis penguraian beberapa trigliserida yang sulit dihilangkan dengan metode konvensional, seperti sebum yang disekresikan oleh tubuh manusia, minyak nabati, dll., untuk memecah trigliserida menjadi gliserol larut dan asam lemak.
Beberapa noda berwarna dari jus buah, jus teh, tinta, lipstik, dll. seringkali sulit dibersihkan secara menyeluruh bahkan setelah dicuci berulang kali. Noda jenis ini dapat dihilangkan melalui reaksi oksidasi-reduksi menggunakan oksidator atau agen pereduksi seperti pemutih, yang memecah struktur kromofor atau gugus kromofor dan memecahnya menjadi komponen-komponen yang lebih kecil dan larut dalam air.
Dari sudut pandang pembersihan kering, secara kasar ada tiga jenis kotoran.
① Kotoran yang larut dalam minyak meliputi berbagai minyak dan lemak, yang berbentuk cair atau berminyak dan larut dalam pelarut pembersih kering.
2. Kotoran yang larut dalam air larut dalam larutan air, tetapi tidak larut dalam bahan pembersih kering. Kotoran ini teradsorpsi ke pakaian dalam bentuk larutan air, dan setelah air menguap, padatan granular seperti garam anorganik, pati, protein, dll. akan mengendap.
③ Kotoran yang tidak larut dalam air dan minyak tidak larut dalam air maupun pelarut pembersih kering, seperti karbon hitam, berbagai silikat logam, dan oksida.
Karena sifat yang berbeda dari berbagai jenis kotoran, terdapat berbagai cara untuk menghilangkan kotoran selama proses dry cleaning. Kotoran yang larut dalam minyak, seperti minyak hewani dan nabati, minyak mineral, dan lemak, mudah larut dalam pelarut organik dan dapat dengan mudah dihilangkan selama dry cleaning. Kelarutan pelarut dry cleaning yang sangat baik untuk minyak dan lemak pada dasarnya disebabkan oleh gaya van der Waals antar molekul.
Untuk menghilangkan kotoran yang larut dalam air seperti garam anorganik, gula, protein, keringat, dll., perlu juga menambahkan jumlah air yang sesuai ke agen pembersih kering, jika tidak, kotoran yang larut dalam air sulit dihilangkan dari pakaian. Namun air sulit larut dalam agen pembersih kering, sehingga untuk meningkatkan jumlah air, surfaktan perlu ditambahkan. Air yang ada dalam agen pembersih kering dapat menghidrasi kotoran dan permukaan pakaian, membuatnya mudah berinteraksi dengan kelompok polar surfaktan, yang bermanfaat untuk adsorpsi surfaktan di permukaan. Selain itu, ketika surfaktan membentuk misel, kotoran yang larut dalam air dan air dapat dilarutkan ke dalam misel. Surfaktan tidak hanya dapat meningkatkan kadar air dalam pelarut pembersih kering, tetapi juga mencegah pengendapan kembali kotoran untuk meningkatkan efek pembersihan.
Kehadiran sedikit air diperlukan untuk menghilangkan kotoran yang larut dalam air, namun kelebihan air dapat menyebabkan beberapa pakaian berubah bentuk, kusut, dan sebagainya. Oleh karena itu, kadar air dalam deterjen kering haruslah sedang.
Partikel padat seperti abu, lumpur, tanah, dan karbon hitam, yang tidak larut dalam air maupun minyak, umumnya menempel pada pakaian melalui penyerapan elektrostatik atau dengan bergabung dengan noda minyak. Dalam dry cleaning, aliran dan tumbukan pelarut dapat menyebabkan kotoran yang diserap oleh gaya elektrostatik terlepas, sementara agen dry cleaning dapat melarutkan noda minyak, menyebabkan partikel padat yang bergabung dengan noda minyak dan menempel pada pakaian terlepas dari agen dry cleaning. Sejumlah kecil air dan surfaktan dalam agen dry cleaning dapat secara stabil menangguhkan dan melarutkan partikel kotoran padat yang terlepas, mencegahnya menempel kembali pada pakaian.
(5) Faktor yang mempengaruhi efek pencucian
Adsorpsi surfaktan secara terarah pada antarmuka dan pengurangan tegangan permukaan (antarmuka) merupakan faktor utama dalam menghilangkan pengotoran cair maupun padat. Namun, proses pencucian relatif rumit, dan bahkan efek pencucian dari jenis deterjen yang sama pun dipengaruhi oleh banyak faktor lain. Faktor-faktor ini meliputi konsentrasi deterjen, suhu, sifat kotoran, jenis serat, dan struktur kain.
① Konsentrasi surfaktan
Misel surfaktan dalam larutan berperan penting dalam proses pencucian. Ketika konsentrasi mencapai konsentrasi misel kritis (cmc), efek pencucian meningkat tajam. Oleh karena itu, konsentrasi deterjen dalam pelarut harus lebih tinggi daripada nilai CMC untuk mencapai efek pencucian yang baik. Namun, ketika konsentrasi surfaktan melebihi nilai CMC, peningkatan efek pencucian menjadi kurang signifikan, dan peningkatan konsentrasi surfaktan yang berlebihan tidak diperlukan.
Saat menggunakan solubilisasi untuk menghilangkan noda minyak, meskipun konsentrasinya di atas nilai CMC, efek solubilisasi tetap meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi surfaktan. Pada saat ini, disarankan untuk menggunakan deterjen secara lokal, misalnya pada manset dan kerah pakaian yang banyak kotorannya. Saat mencuci, lapisan deterjen dapat dioleskan terlebih dahulu untuk meningkatkan efek solubilisasi surfaktan pada noda minyak.
2. Suhu memiliki pengaruh yang signifikan terhadap hasil pembersihan. Secara keseluruhan, meningkatkan suhu memang bermanfaat untuk menghilangkan kotoran, tetapi terkadang suhu yang berlebihan juga dapat menyebabkan faktor negatif.
Peningkatan suhu bermanfaat untuk penyebaran kotoran. Noda minyak padat mudah teremulsi ketika suhu di atas titik lelehnya, dan serat juga meningkatkan derajat pemuaiannya karena peningkatan suhu. Semua faktor ini bermanfaat untuk menghilangkan kotoran. Namun, untuk kain yang ketat, celah mikro antar serat berkurang setelah pemuaian serat, yang tidak kondusif untuk menghilangkan kotoran.
Perubahan suhu juga memengaruhi kelarutan, nilai CMC, dan ukuran misel surfaktan, sehingga memengaruhi efek pencucian. Surfaktan rantai karbon panjang memiliki kelarutan lebih rendah pada suhu rendah, dan terkadang bahkan lebih rendah daripada nilai CMC. Dalam hal ini, suhu pencucian harus ditingkatkan dengan tepat. Efek suhu pada nilai CMC dan ukuran misel berbeda untuk surfaktan ionik dan non-ionik. Untuk surfaktan ionik, peningkatan suhu umumnya menyebabkan peningkatan nilai CMC dan penurunan ukuran misel. Ini berarti bahwa konsentrasi surfaktan harus ditingkatkan dalam larutan pencuci. Untuk surfaktan non-ionik, peningkatan suhu menyebabkan penurunan nilai CMC dan peningkatan signifikan dalam ukuran miselnya. Dapat dilihat bahwa peningkatan suhu yang tepat dapat membantu surfaktan non-ionik mengerahkan aktivitas permukaannya. Tetapi suhu tidak boleh melebihi titik awannya.
Singkatnya, suhu pencucian yang paling tepat berkaitan dengan formula deterjen dan benda yang dicuci. Beberapa deterjen memiliki efek pembersihan yang baik pada suhu ruangan, sementara beberapa deterjen memiliki efek pembersihan yang jauh berbeda untuk pencucian dingin dan panas.
③ Busa
Orang sering kali menyamakan kemampuan berbusa dengan efek mencuci, karena menganggap deterjen dengan kemampuan berbusa tinggi memiliki efek mencuci yang lebih baik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efek mencuci tidak berhubungan langsung dengan jumlah busa. Misalnya, menggunakan deterjen berbusa rendah untuk mencuci tidak memberikan efek mencuci yang lebih buruk daripada deterjen berbusa tinggi.
Meskipun busa tidak berhubungan langsung dengan pencucian, busa tetap berguna untuk menghilangkan kotoran dalam beberapa situasi. Misalnya, busa sabun cuci piring dapat mengangkat tetesan minyak saat mencuci piring dengan tangan. Saat menggosok karpet, busa juga dapat mengangkat partikel kotoran padat seperti debu. Debu merupakan penyebab utama kotoran karpet, sehingga pembersih karpet harus memiliki kemampuan berbusa tertentu.
Daya berbusa juga penting untuk sampo. Busa halus yang dihasilkan sampo saat keramas atau mandi membuat orang merasa nyaman.
④ Jenis serat dan sifat fisik tekstil
Selain struktur kimia serat yang memengaruhi daya rekat dan penghilangan kotoran, tampilan serat dan struktur organisasi benang dan kain juga berdampak pada kesulitan penghilangan kotoran.
Sisik serat wol dan struktur serat katun yang seperti pita pipih lebih rentan menumpuk kotoran dibandingkan serat halus. Misalnya, karbon hitam yang menempel pada lapisan selulosa (lapisan perekat) mudah dihilangkan, sementara karbon hitam yang menempel pada kain katun sulit dibersihkan. Misalnya, kain poliester serat pendek lebih rentan menumpuk noda minyak dibandingkan kain serat panjang, dan noda minyak pada kain serat pendek juga lebih sulit dihilangkan dibandingkan kain serat panjang.
Benang yang dipilin rapat dan kain yang rapat, berkat celah mikro kecil di antara seratnya, dapat menahan masuknya kotoran, tetapi juga mencegah larutan pembersih menghilangkan kotoran di dalamnya. Oleh karena itu, kain yang rapat memiliki ketahanan yang baik terhadap kotoran di awal, tetapi juga sulit dibersihkan setelah terkontaminasi.
⑤ Kekerasan air
Konsentrasi ion logam seperti Ca2+ dan Mg2+ dalam air memiliki dampak yang signifikan terhadap efek pencucian, terutama ketika surfaktan anionik bertemu dengan ion Ca2+ dan Mg2+ untuk membentuk garam kalsium dan magnesium dengan kelarutan yang rendah, yang dapat mengurangi kemampuan pembersihannya. Meskipun konsentrasi surfaktan tinggi dalam air sadah, efek pembersihannya masih jauh lebih buruk daripada dalam distilasi. Untuk mencapai efek pencucian surfaktan terbaik, konsentrasi ion Ca2+ dalam air harus dikurangi hingga di bawah 1 × 10-6 mol/L (CaCO3 harus dikurangi hingga 0,1 mg/L). Hal ini memerlukan penambahan berbagai pelembut ke dalam deterjen.
Waktu posting: 16-Agu-2024