1. Yüzey gerilimi
Bir sıvının yüzeyinde birim uzunluk başına düşen büzülme kuvvetine yüzey gerilimi denir ve N•m-1 cinsinden ölçülür.
2. Yüzey aktivitesi ve yüzey aktif madde
Çözücülerin yüzey gerilimini azaltabilen özelliğe yüzey aktivitesi, yüzey aktivitesi gösteren maddelere ise yüzey aktif maddeler denir.
Yüzey aktif maddeler, sulu çözeltilerde misel ve diğer agregalar oluşturabilen, yüksek yüzey aktivitesine sahip olan ve ayrıca ıslatma, emülsifiye etme, köpürtme, yıkama ve diğer işlevlere sahip olan yüzey aktif maddeleri ifade eder.
3. Yüzey aktif maddenin moleküler yapısal özellikleri
Yüzey aktif maddeler, iki faz arasındaki arayüz gerilimini veya sıvıların (genellikle su) yüzey gerilimini önemli ölçüde değiştirebilen, ıslatma, köpürme, emülsifikasyon ve yıkama gibi özelliklere sahip, özel yapı ve özelliklere sahip organik bileşiklerdir.
Yapısal olarak, yüzey aktif maddeler moleküllerinde iki farklı fonksiyonel grup içerme ortak özelliğini paylaşırlar. Bir uç, yağda çözünür ancak suda çözünmeyen, hidrofobik grup veya hidrofobik grup olarak bilinen uzun zincirli polar olmayan bir gruptur. Bu hidrofobik gruplar genellikle uzun zincirli hidrokarbonlardır, bazen de organik flor, organosilisyum, organofosfor, organotin zincirleri vb.'dir. Diğer uç, suda çözünür bir fonksiyonel grup, yani hidrofilik grup veya hidrofilik gruptur. Hidrofilik grup, tüm yüzey aktif maddenin suda çözünür olmasını ve gerekli çözünürlüğe sahip olmasını sağlamak için yeterli hidrofilisiteye sahip olmalıdır. Yüzey aktif maddelerdeki hidrofilik ve hidrofobik grupların varlığı nedeniyle, sıvı fazın en az bir fazında çözünebilirler. Yüzey aktif maddelerin hidrofilik ve oleofilik özelliklerine amfifiliklik denir.
4.Yüzey aktif madde türleri
Yüzey aktif maddeler, hem hidrofobik hem de hidrofilik gruplara sahip amfifilik moleküllerdir. Yüzey aktif maddelerin hidrofobik grupları genellikle düz zincirli alkil C8-C20, dallı zincirli alkil C8-C20, alkilfenil (8-16 alkil karbon atomlu) vb. gibi uzun zincirli hidrokarbonlardan oluşur. Hidrofobik gruplar arasındaki fark, esas olarak karbon-hidrojen zincirlerinin yapısal değişimlerinden kaynaklanır ve nispeten küçük farklar bulunurken, daha fazla hidrofilik grup türü vardır. Bu nedenle, yüzey aktif maddelerin özellikleri, hidrofobik grupların boyut ve şekline ek olarak esas olarak hidrofilik gruplarla ilgilidir. Hidrofilik grupların yapısal değişimleri hidrofobik gruplara göre daha fazladır, bu nedenle yüzey aktif maddelerin sınıflandırılması genellikle hidrofilik grupların yapısına dayanır. Bu sınıflandırma esas olarak hidrofilik grupların iyonik olup olmamasına dayanarak bunları anyonik, katyonik, noniyonik, zwitteriyonik ve diğer özel yüzey aktif madde türleri olarak ayırır.
5. Yüzey aktif madde sulu çözeltisinin özellikleri
① Yüzey aktif maddelerin arayüzlerde adsorpsiyonu
Yüzey aktif madde molekülleri lipofilik ve hidrofilik gruplara sahip olduğundan amfifilik moleküllerdir. Su, güçlü bir polariteye sahip bir sıvıdır. Yüzey aktif maddeler suda çözündüğünde, polarite benzerliği ve polarite farkı itmesi ilkesine göre, hidrofilik grupları su fazına çekilir ve suda çözünürken, lipofilik grupları suyu iterek suyu terk eder. Sonuç olarak, yüzey aktif madde molekülleri (veya iyonları) iki faz arasındaki arayüzde adsorpsiyon yaparak iki faz arasındaki arayüz gerilimini azaltır. Arayüzde ne kadar çok yüzey aktif madde molekülü (veya iyonu) adsorplanırsa, arayüz gerilimindeki azalma o kadar büyük olur.
② Adsorpsiyon membranının bazı özellikleri
Adsorpsiyon membranının yüzey basıncı: Yüzey aktif maddeler, gaz-sıvı ara yüzeyinde adsorpsiyon yaparak bir adsorpsiyon membranı oluşturur. Sürtünmesiz, hareketli bir yüzer plaka ara yüze yerleştirilir ve yüzer plaka adsorpsiyon membranını çözelti yüzeyi boyunca iterse, membran yüzer plaka üzerinde yüzey basıncı adı verilen bir basınç uygular.
Yüzey viskozitesi: Yüzey basıncı gibi, yüzey viskozitesi de çözünmeyen moleküler filmlerin sergilediği bir özelliktir. İnce bir metal telle bir platin halka asın, düzleminin lavabonun su yüzeyine temas etmesini sağlayın, platin halkayı döndürün; platin halka suyun viskozitesi tarafından engellenir ve genlik kademeli olarak azalır, buna göre yüzey viskozitesi ölçülebilir. Yöntem şu şekildedir: önce saf su yüzeyinde deneyler yapın, genlik azalmasını ölçün, ardından yüzey yüz maskesi oluştuktan sonra azalmayı ölçün ve ikisi arasındaki farktan yüzey yüz maskesinin viskozitesini hesaplayın.
Yüzey viskozitesi, yüzey yüz maskesinin sertliğiyle yakından ilişkilidir. Adsorpsiyon filmi yüzey basıncına ve viskozitesine sahip olduğundan elastik olmalıdır. Adsorpsiyon membranının yüzey basıncı ve viskozitesi ne kadar yüksekse, elastik modülü de o kadar yüksek olur. Yüzey adsorpsiyon filminin elastik modülü, köpük stabilizasyonu sürecinde büyük önem taşır.
③ Misel oluşumu
Yüzey aktif maddelerin seyreltik çözeltisi, ideal çözelti yasalarına uyar. Bir çözeltinin yüzeyindeki yüzey aktif maddelerin adsorpsiyon miktarı, çözeltinin konsantrasyonuyla artar. Konsantrasyon belirli bir değere ulaştığında veya aştığında, adsorpsiyon miktarı artık artmaz. Çözeltideki bu aşırı yüzey aktif madde molekülleri düzensizdir veya düzenli bir şekilde bulunur. Hem uygulama hem de teori, çözeltide misel adı verilen kümeler oluşturduklarını göstermiştir.
Kritik misel konsantrasyonu: Yüzey aktif maddelerin bir çözeltide misel oluşturduğu minimum konsantrasyona kritik misel konsantrasyonu denir.
④ Yaygın yüzey aktif maddelerin CMC değeri.
6. Hidrofilik ve oleofilik denge değeri
HLB, bir yüzey aktif maddenin hidrofilik ve lipofilik gruplarının hidrofilik ve lipofilik denge değerlerini, yani yüzey aktif maddenin HLB değerini temsil eden hidrofilik lipofilik denge anlamına gelir. Yüksek bir HLB değeri, molekülün güçlü hidrofilikliğini ve zayıf lipofilikliğini gösterir; aksine, güçlü lipofilikliğe ve zayıf hidrofilikliğe sahiptir.
① HLB Değerine İlişkin Yönetmelikler
HLB değeri göreceli bir değerdir, bu nedenle HLB değeri formüle edilirken, standart olarak hidrofilik özelliği olmayan parafinin HLB değeri 0, suda çözünürlüğü yüksek sodyum dodesil sülfatın HLB değeri ise 40 olarak ayarlanır. Bu nedenle, yüzey aktif maddelerin HLB değeri genellikle 1-40 aralığındadır. Genel olarak, HLB değeri 10'dan düşük olan emülgatörler lipofilik, 10'dan yüksek olan emülgatörler ise hidrofiliktir. Dolayısıyla, lipofiliklikten hidrofilikliğe geçiş noktası yaklaşık 10'dur.
7. Emülsifikasyon ve çözündürme etkileri
Birbirine karışmayan iki sıvıdan biri, diğerinin içinde parçacıkların (damlacıklar veya sıvı kristaller) dağılmasıyla oluşan emülsiyon olarak adlandırılır. Bir emülsiyon oluşurken, iki sıvı arasındaki arayüz alanı artar ve bu da sistemi termodinamik olarak kararsız hale getirir. Emülsiyonu stabilize etmek için, sistemin arayüz enerjisini azaltmak amacıyla üçüncü bir bileşen - emülgatör - eklenmesi gerekir. Emülgatörler, yüzey aktif maddeler grubuna aittir ve temel işlevleri emülgatör görevi görmektir. Bir emülsiyonda damlacıkların bulunduğu faza dağılmış faz (veya iç faz, süreksiz faz) ve birbirine bağlı diğer faza dağılmış ortam (veya dış faz, sürekli faz) denir.
① Emülgatörler ve emülsiyonlar
Yaygın emülsiyonlar, bir faz su veya sulu çözeltiden, diğer faz ise suyla karışmayan yağlar, mumlar vb. gibi organik bileşiklerden oluşur. Su ve yağın oluşturduğu emülsiyonlar, dağılımlarına göre iki türe ayrılabilir: Suda dağılan yağ, yağ içinde su emülsiyonu oluşturur ve bu da Y/S (yağ/su) ile gösterilir; yağda dağılan su, yağ içinde su emülsiyonu oluşturur ve bu da Y/Y (su/yağ) ile gösterilir. Ayrıca, kompleks su içinde yağ içinde su içinde su/Y/S ve yağ içinde su içinde yağ içinde Y/S/Y emülsiyonları da oluşabilir.
Emülgatör, arayüz gerilimini azaltarak emülsiyonu stabilize eder ve tek katmanlı bir yüz maskesi oluşturur.
Emülsifikasyonda emülgatörler için gereklilikler: a: Emülgatörler, iki faz arasındaki arayüzde adsorpsiyon veya zenginleştirme yapabilmeli, böylece arayüz gerilimini azaltabilmelidir; b: Emülgatörler, parçacıklara elektrik yükü vererek parçacıklar arasında elektrostatik itme kuvveti oluşturmalı veya parçacıkların etrafında kararlı, yüksek viskoziteli bir koruyucu film oluşturmalıdır. Dolayısıyla, emülgatör olarak kullanılan maddelerin emülsifiye edici etki gösterebilmesi için amfifilik gruplara sahip olması gerekir ve yüzey aktif maddeler bu gereksinimi karşılayabilir.
② Emülsiyonların hazırlanma yöntemleri ve emülsiyon stabilitesini etkileyen faktörler
Emülsiyon hazırlamanın iki yöntemi vardır: Birincisi, endüstride emülsiyon hazırlamak için yaygın olarak kullanılan, sıvıyı başka bir sıvı içinde küçük parçacıklar halinde dağıtmak için mekanik yöntemler kullanmaktır; diğeri ise moleküler haldeki bir sıvıyı başka bir sıvı içinde çözmek ve daha sonra emülsiyon oluşturmak için uygun şekilde kümelenmesini sağlamaktır.
Emülsiyonların kararlılığı, partikül agregasyonuna direnme ve faz ayrımına neden olma kabiliyetlerini ifade eder. Emülsiyonlar, önemli miktarda serbest enerjiye sahip termodinamik olarak kararsız sistemlerdir. Bu nedenle, bir emülsiyonun kararlılığı aslında sistemin dengeye ulaşması için gereken süreyi, yani sistemdeki bir sıvının ayrılması için gereken süreyi ifade eder.
Yüz maskesinde yağ alkolü, yağ asidi ve yağ amini gibi polar organik moleküller bulunduğunda, membranın dayanıklılığı önemli ölçüde artar. Bunun nedeni, arayüz adsorpsiyon tabakasındaki emülgatör moleküllerinin alkol, asit ve amin gibi polar moleküllerle etkileşime girerek bir "kompleks" oluşturması ve bu da arayüz yüz maskesinin dayanıklılığını artırmasıdır.
İki veya daha fazla yüzey aktif maddeden oluşan emülgatörlere karma emülgatörler denir. Karma emülgatörler su/yağ ara yüzeyine tutunur ve moleküller arası etkileşimler kompleksler oluşturabilir. Güçlü moleküller arası etkileşim sayesinde, ara yüzey gerilimi önemli ölçüde azalır, ara yüzeye tutunan emülgatör miktarı önemli ölçüde artar ve oluşan ara yüzey yüz maskesinin yoğunluğu ve mukavemeti artar.
Damlacıkların yükü, emülsiyonların kararlılığı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Kararlı emülsiyonlar genellikle elektrik yüklü damlacıklara sahiptir. İyonik emülgatörler kullanıldığında, ara yüze adsorbe edilen emülgatör iyonları lipofilik gruplarını yağ fazına yerleştirirken, hidrofilik gruplar su fazında kalır ve böylece damlacıklar yüklü hale gelir. Emülsiyon damlacıkları aynı yükü taşıdığından birbirlerini iterler ve kolayca topaklanmazlar, bu da kararlılığın artmasına neden olur. Damlacıklara adsorbe edilen emülgatör iyon sayısı arttıkça, yükleri ve damlacık birleşmesini önleme kabiliyetleri de artar ve bu da emülsiyon sistemini daha kararlı hale getirir.
Emülsiyon dispersiyon ortamının viskozitesi, emülsiyonun stabilitesi üzerinde belirli bir etkiye sahiptir. Genellikle, dispersiyon ortamının viskozitesi ne kadar yüksekse, emülsiyonun stabilitesi de o kadar yüksek olur. Bunun nedeni, dispersiyon ortamının viskozitesinin yüksek olması ve bu durumun sıvı damlacıklarının Brown hareketini önemli ölçüde engellemesi, damlacıklar arasındaki çarpışmayı yavaşlatması ve sistemi stabil tutmasıdır. Genellikle emülsiyonlarda çözünen polimer maddeler, sistemin viskozitesini artırabilir ve emülsiyonun stabilitesini artırabilir. Ayrıca, polimer katı bir arayüz yüz maskesi oluşturarak emülsiyon sistemini daha stabil hale getirebilir.
Bazı durumlarda, katı toz eklemek de emülsiyonu stabilize edebilir. Katı toz, yağ ve suyun katı toz üzerindeki ıslatma kabiliyetine bağlı olarak, su, yağ veya arayüzde bulunmaz. Katı toz suyla tamamen ıslatılmamışsa ve yağla ıslatılabiliyorsa, su-yağ arayüzünde kalacaktır.
Katı tozun emülsiyonu stabilize etmemesinin nedeni, arayüzde toplanan tozun, arayüz adsorpsiyon emülgatör moleküllerine benzer şekilde arayüz yüz maskesini güçlendirmemesidir. Bu nedenle, katı toz parçacıkları arayüzde ne kadar yakın dizilirse, emülsiyon o kadar stabil olacaktır.
Yüzey aktif maddeler, sulu çözeltide misel oluşturduktan sonra suda çözünmeyen veya az çözünen organik bileşiklerin çözünürlüğünü önemli ölçüde artırma yeteneğine sahiptir ve bu sırada çözelti şeffaftır. Misellerin bu etkisine çözünürleştirme denir. Çözündürücü etki üretebilen yüzey aktif maddelere çözünürleştirici, çözünen organik bileşiklere ise çözünürleştirilmiş bileşikler denir.
8. Köpük
Köpük, yıkama sürecinde önemli bir rol oynar. Köpük, gazın sıvı veya katı içinde dağıldığı dispersiyon sistemini ifade eder. Gaz dispersiyon fazıdır ve sıvı veya katı dispersiyon ortamıdır. İlkine sıvı köpük, ikincisine ise köpük plastik, köpük cam, köpük çimento vb. gibi katı köpük denir.
(1) Köpüğün oluşumu
Buradaki köpük, sıvı filmle ayrılmış kabarcıkların kümelenmesini ifade eder. Dağıtılmış faz (gaz) ile dağıtılmış ortam (sıvı) arasındaki büyük yoğunluk farkı ve sıvının düşük viskozitesi nedeniyle, köpük her zaman sıvı seviyesine hızla yükselebilir.
Köpük oluşturma süreci, sıvıya büyük miktarda gaz getirmek ve sıvıdaki kabarcıkların sıvı yüzeyine hızla geri dönerek az miktarda sıvı ve gazla ayrılmış bir kabarcık kümesi oluşturmaktır.
Köpüğün morfolojik olarak iki dikkat çekici özelliği vardır: Birincisi, dağılmış fazdaki kabarcıklar genellikle çok yüzlüdür, çünkü kabarcıkların kesiştiği noktada sıvı filmi incelme eğilimi gösterir ve bu da kabarcıkları çok yüzlü hale getirir. Sıvı filmi belirli bir ölçüde inceldiğinde kabarcıklar kırılır; ikincisi, saf sıvı kararlı köpük oluşturamaz, ancak köpük oluşturabilen sıvı en az iki veya daha fazla bileşenden oluşur. Yüzey aktif maddenin sulu çözeltisi, köpük oluşturması kolay tipik bir sistemdir ve köpük oluşturma yeteneği diğer özelliklerle de ilişkilidir.
İyi köpürme kabiliyetine sahip yüzey aktif maddelere köpük ajanları denir. Köpük ajanı iyi köpürme kabiliyetine sahip olsa da, oluşan köpük uzun süre korunamayabilir, yani kararlılığı iyi olmayabilir. Köpüğün kararlılığını korumak için, köpük ajanına genellikle köpük stabilizatörü adı verilen, köpüğün kararlılığını artırabilen bir madde eklenir. Yaygın olarak kullanılan köpük stabilizatörleri lauroyl diethanolamine ve dodecyl dimethylamine oksittir.
(2) Köpüğün kararlılığı
Köpük, termodinamik olarak kararsız bir sistemdir ve son eğilim, sistemdeki sıvının toplam yüzey alanının ve kabarcık patladıktan sonra serbest enerjinin azalmasıdır. Köpük giderme işlemi, gazı ayıran sıvı filminin kopana kadar kalınlık değiştirmesidir. Bu nedenle, köpüğün kararlılığı esas olarak sıvının deşarj hızı ve sıvı filminin mukavemeti tarafından belirlenir. Etki eden başka faktörler de vardır.
① Yüzey gerilimi
Enerji açısından bakıldığında, düşük yüzey gerilimi köpük oluşumu için daha elverişlidir, ancak köpüğün kararlılığını garanti edemez. Düşük yüzey gerilimi, düşük basınç farkı, yavaş sıvı deşarj hızı ve yavaş sıvı filmi incelmesi köpüğün kararlılığına katkıda bulunur.
② Yüzey viskozitesi
Köpüğün kararlılığını belirleyen temel faktör, esas olarak yüzey viskozitesiyle ölçülen yüzey adsorpsiyon filminin sertliği tarafından belirlenen sıvı filminin mukavemetidir. Deneyler, daha yüksek yüzey viskozitesine sahip çözeltiyle üretilen köpüğün daha uzun ömürlü olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni, yüzeydeki adsorplanan moleküller arasındaki etkileşimin membran mukavemetini artırarak köpüğün ömrünü uzatmasıdır.
③ Çözelti viskozitesi
Sıvının viskozitesi arttığında, sıvı filmindeki sıvının boşaltılması kolay olmaz ve sıvı film kalınlığının incelme hızı yavaş olur, bu da sıvı filminin kopma süresini geciktirir ve köpüğün stabilitesini artırır.
④ Yüzey geriliminin 'onarım' etkisi
Sıvı filminin yüzeyine adsorbe edilen yüzey aktif maddeler, sıvı film yüzeyinin genleşmesine veya büzülmesine direnç gösterme özelliğine sahiptir; bu duruma onarım etkisi denir. Bunun nedeni, yüzeyde adsorbe edilmiş bir yüzey aktif madde sıvı filmi olması ve bu filmin yüzey alanının genişletilmesinin, yüzeyde adsorbe edilen moleküllerin konsantrasyonunu azaltarak yüzey gerilimini artırmasıdır. Yüzeyin daha fazla genişletilmesi daha fazla çaba gerektirir. Tersine, yüzey alanının daralması, yüzeydeki adsorbe edilen moleküllerin konsantrasyonunu artırarak yüzey gerilimini azaltacak ve daha fazla büzülmeyi engelleyecektir.
⑤ Bir sıvı film içerisinde gazın difüzyonu
Kılcal basıncın varlığı nedeniyle, köpükteki küçük kabarcıkların basıncı büyük kabarcıkların basıncından daha yüksektir ve bu da küçük kabarcıklardaki gazın sıvı filmi boyunca düşük basınçlı büyük kabarcıklara yayılmasına neden olur. Bu da küçük kabarcıkların küçülmesine, büyük kabarcıkların büyümesine ve sonunda köpüğün kırılmasına yol açar. Yüzey aktif madde eklenirse, köpük köpürme sırasında homojen ve yoğun olur ve köpük giderme işlemi kolay olmaz. Yüzey aktif madde sıvı film üzerinde sıkı bir şekilde yer aldığından, havalandırılması zorlaşır ve bu da köpüğü daha kararlı hale getirir.
⑥ Yüzey yükünün etkisi
Köpük sıvı filmi aynı sembolle yüklenirse, sıvı filminin iki yüzeyi birbirini iterek sıvı filminin incelmesini, hatta parçalanmasını önler. İyonik yüzey aktif maddeler bu dengeleyici etkiyi sağlayabilir.
Sonuç olarak, sıvı filmin mukavemeti, köpüğün stabilitesini belirleyen temel faktördür. Köpürtücü ajanlar ve köpük stabilizatörleri için bir yüzey aktif madde olarak, yüzeye adsorbe edilen moleküllerin sıkılığı ve sertliği en önemli faktörlerdir. Yüzeydeki adsorbe edilen moleküller arasındaki etkileşim güçlü olduğunda, adsorbe edilen moleküller birbirine yakın bir şekilde yerleşir ve bu durum yalnızca yüzey yüz maskesinin kendisinin yüksek mukavemete sahip olmasını sağlamakla kalmaz, aynı zamanda yüksek yüzey viskozitesi nedeniyle yüzey yüz maskesine bitişik çözeltinin akmasını da zorlaştırır, bu nedenle sıvı filminin akması nispeten zorlaşır ve sıvı filmin kalınlığının korunması kolaydır. Ayrıca, birbirine yakın yerleşmiş yüzey molekülleri gaz moleküllerinin geçirgenliğini azaltabilir ve böylece köpüğün stabilitesini artırabilir.
(3) Köpüğün imhası
Köpüğün yok edilmesinin temel prensibi, köpük üretim koşullarını değiştirmek veya köpüğün kararlılık faktörlerini ortadan kaldırmaktır, bu nedenle fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki köpük giderme yöntemi vardır.
Fiziksel köpük giderme, köpük çözeltisinin kimyasal bileşimini değiştirmeden köpüğün oluştuğu koşulları değiştirmektir. Örneğin, dış kuvvet etkisi, sıcaklık veya basınç değişikliği ve ultrasonik işlem, köpüğü gidermek için etkili fiziksel yöntemlerdir.
Kimyasal köpük giderme yöntemi, köpük oluşturucu maddeyle etkileşime girecek bazı maddeler ekleyerek köpükteki sıvı filmin mukavemetini ve ardından köpüğün kararlılığını azaltarak köpük giderme amacına ulaşmaktır. Bu maddelere köpük gidericiler denir. Köpük gidericilerin çoğu yüzey aktif maddelerdir. Bu nedenle, köpük giderme mekanizmasına göre, köpük gidericiler yüzey gerilimini azaltma konusunda güçlü bir kabiliyete sahip olmalı, yüzeye kolayca adsorbe olmalı ve yüzeydeki adsorbe edilen moleküller arasında zayıf etkileşimlere sahip olmalı, bu da adsorbe edilen moleküllerin nispeten gevşek bir yapıda düzenlenmesini sağlamalıdır.
Çeşitli köpük giderici türleri vardır, ancak bunlar çoğunlukla iyonik olmayan yüzey aktif maddelerdir. İyonik olmayan yüzey aktif maddeler, bulutlanma noktalarına yakın veya üzerinde köpük önleyici özelliklere sahiptir ve genellikle köpük giderici olarak kullanılırlar. Özellikle dallı yapıya sahip alkoller, yağ asitleri ve esterleri, poliamitler, fosfatlar, silikon yağları vb. de mükemmel köpük gidericiler olarak yaygın olarak kullanılır.
(4) Köpük ve yıkama
Köpük ile yıkama etkisi arasında doğrudan bir ilişki yoktur ve köpük miktarı, yıkama etkisinin iyi veya kötü olduğu anlamına gelmez. Örneğin, iyonik olmayan yüzey aktif maddelerin köpürme performansı sabundan çok daha düşüktür, ancak temizleme güçleri sabundan çok daha iyidir.
Bazı durumlarda köpük, kirleri çıkarmada yardımcı olur. Örneğin, evde bulaşık yıkarken, deterjanın köpüğü, yıkanan yağ damlalarını giderebilir; halı ovmada ise köpük, toz ve pudra gibi katı kirleri gidermeye yardımcı olur. Ayrıca, köpük bazen deterjanın etkili olup olmadığının bir göstergesi olarak da kullanılabilir, çünkü yağlı yağ lekeleri deterjanın köpüğünü engelleyebilir. Çok fazla yağ lekesi ve çok az deterjan olduğunda, köpük oluşmaz veya orijinal köpük kaybolur. Bazen köpük, durulamanın temiz olup olmadığının bir göstergesi olarak da kullanılabilir. Durulama solüsyonundaki köpük miktarı, deterjan içeriği azaldıkça azalma eğiliminde olduğundan, durulama derecesi köpük miktarına göre değerlendirilebilir.
9. Yıkama işlemi
Geniş anlamda yıkama, yıkanan nesneden istenmeyen bileşenleri uzaklaştırarak belirli bir amaca ulaşma sürecidir. Genel anlamda yıkama, bir taşıyıcının yüzeyindeki kirin çıkarılması sürecini ifade eder. Yıkama sırasında, kir ve taşıyıcı arasındaki etkileşim, bazı kimyasal maddelerin (deterjanlar gibi) etkisiyle zayıflatılır veya ortadan kaldırılır. Bu etkileşim, kir ve taşıyıcının birleşimini kir ve deterjan birleşimine dönüştürerek kir ve taşıyıcının ayrılmasına neden olur. Yıkanacak nesneler ve çıkarılacak kirler çeşitli olduğundan, yıkama oldukça karmaşık bir süreçtir ve temel yıkama süreci aşağıdaki basit ilişkiyle gösterilebilir:
Taşıyıcı • Kir + Deterjan=Taşıyıcı + Kir • Deterjan
Yıkama işlemi genellikle iki aşamaya ayrılabilir: Birincisi, kirin ve taşıyıcısının deterjanın etkisi altında ayrılmasıdır; ikincisi ise, ayrılan kirin ortamda dağıtılması ve askıda kalmasıdır. Yıkama işlemi tersine çevrilebilir bir işlemdir ve ortamda dağıtılan veya askıda kalan kir, ortamdan çamaşırlara tekrar çökebilir. Bu nedenle, iyi bir deterjan yalnızca kiri taşıyıcıdan ayırma özelliğine sahip olmakla kalmamalı, aynı zamanda kiri dağıtma ve askıda tutma ve kirin tekrar birikmesini önleme konusunda da iyi bir özelliğe sahip olmalıdır.
(1) Kir türleri
Aynı ürün için bile, kirin türü, bileşimi ve miktarı kullanım ortamına bağlı olarak değişiklik gösterir. Yağlı vücut kirleri çoğunlukla hayvansal ve bitkisel yağları, ayrıca mineral yağları (ham petrol, fuel oil, kömür katranı vb.) içerirken, katı kirler çoğunlukla duman, toz, pas, karbon siyahı vb. içerir. Giysi kirleri açısından, ter, sebum, kan vb. gibi insan vücudundan gelen kirler; meyve lekeleri, yenilebilir yağ lekeleri, baharat lekeleri, nişasta vb. gibi yiyeceklerden gelen kirler; ruj ve oje gibi kozmetiklerin getirdiği kirler; duman, toz, toprak vb. gibi atmosferden gelen kirler; mürekkep, çay, boya vb. gibi diğer maddeler. Çeşitli ve farklı türleri olduğu söylenebilir.
Çeşitli kir türleri genellikle üç kategoriye ayrılabilir: katı kir, sıvı kir ve özel kir.
① Yaygın katı kirler kül, çamur, toprak, pas ve karbon siyahı gibi parçacıkları içerir. Bu parçacıkların çoğu, çoğunlukla negatif bir yüzey yüküne sahiptir ve lifli nesnelere kolayca tutunur. Katı kirlerin suda çözünmesi genellikle zordur, ancak deterjan çözeltileriyle dağılabilir ve askıda kalabilir. Küçük parçacıklar içeren katı kirlerin çıkarılması zordur.
② Sıvı kirler çoğunlukla yağda çözünür; hayvansal ve bitkisel yağlar, yağ asitleri, yağ alkolleri, mineral yağlar ve bunların oksitleri de buna dahildir. Bunlar arasında hayvansal ve bitkisel yağlar ve yağ asitleri alkali ile sabunlaşabilirken, yağ alkolleri ve mineral yağlar alkali ile sabunlaşmaz, ancak alkollerde, eterlerde ve hidrokarbon organik çözücülerde çözünebilir ve deterjan sulu çözeltileri ile emülsifiye edilip dağıtılabilir. Yağda çözünür sıvı kirler genellikle lifli nesnelerle güçlü bir etkileşim kuvvetine sahiptir ve liflere sıkıca tutunur.
③ Özel kirler arasında protein, nişasta, kan, ter, sebum, idrar gibi insan salgıları, meyve suyu, çay suyu vb. bulunur. Bu kir türlerinin çoğu, kimyasal reaksiyonlar yoluyla lifli nesnelere güçlü bir şekilde tutunabilir. Bu nedenle yıkanması oldukça zordur.
Çeşitli kir türleri nadiren tek başına bulunur, genellikle birbirine karışır ve nesnelere emilir. Kir bazen dış etkenler altında oksitlenebilir, ayrışabilir veya bozulabilir ve bu da yeni kir oluşumuna neden olabilir.
(2) Kirin yapışma etkisi
Giysilerin, ellerin vb. kirlenmesinin nedeni, nesneler ve kir arasında bir tür etkileşim olmasıdır. Kirin nesneler üzerinde çeşitli yapışma etkileri vardır, ancak bunlar çoğunlukla fiziksel yapışma ve kimyasal yapışmadır.
① Sigara külü, toz, tortu, karbon siyahı ve diğer maddelerin giysilere fiziksel yapışması. Genel olarak, yapışan kir ile kirlenmiş nesne arasındaki etkileşim nispeten zayıftır ve kirin çıkarılması da nispeten kolaydır. Farklı kuvvetlere göre, kirin fiziksel yapışması mekanik yapışma ve elektrostatik yapışma olarak ikiye ayrılabilir.
C: Mekanik yapışma, esas olarak toz ve tortu gibi katı kirlerin yapışmasını ifade eder. Mekanik yapışma, basit mekanik yöntemlerle neredeyse tamamen temizlenebilen kirler için zayıf bir yapışma yöntemidir. Ancak kirin parçacık boyutu küçükse (<0,1 µm), çıkarılması daha zordur.
B: Elektrostatik yapışma, esas olarak yüklü kir parçacıklarının zıt yüklü nesneler üzerindeki etkisiyle ortaya çıkar. Lifli nesnelerin çoğu suda negatif yük taşır ve kireç gibi pozitif yüklü kir parçacıklarına kolayca yapışır. Sulu çözeltilerdeki karbon siyahı parçacıkları gibi bazı kir parçacıkları, negatif yüklü olsalar da, suda pozitif iyonların (Ca2+, Mg2+ vb.) oluşturduğu iyon köprüleri aracılığıyla liflere yapışabilir (iyonlar, birden fazla zıt yük arasında birlikte hareket ederek köprü görevi görür).
Statik elektrik, basit mekanik hareketten daha güçlüdür ve bu da kirin temizlenmesini nispeten zorlaştırır.
③ Özel kirlerin giderilmesi
Protein, nişasta, insan salgıları, meyve suyu, çay suyu ve diğer kir çeşitleri genel yüzey aktif maddelerle çıkarılması zor olan ve özel işlem yöntemleri gerektiren kirlerdir.
Krema, yumurta, kan, süt ve deri dışkısı gibi protein lekeleri, liflerde pıhtılaşma ve denatürasyona eğilimlidir ve daha sıkı yapışır. Protein kirlenmesini gidermek için proteaz kullanılabilir. Proteaz, kirdeki proteinleri suda çözünür amino asitlere veya oligopeptitlere parçalayabilir.
Nişasta lekeleri çoğunlukla yiyeceklerden kaynaklanırken, et suyu, salça vb. gibi diğerleri de nişasta lekelerinin hidrolizinde katalitik etkiye sahiptir ve nişastayı şekerlere parçalar.
Lipaz, insan vücudunun salgıladığı sebum, yenilebilir yağlar vb. gibi geleneksel yöntemlerle uzaklaştırılması zor olan bazı trigliseritlerin parçalanmasını katalize ederek trigliseritleri çözünür gliserol ve yağ asitlerine ayırır.
Meyve suyu, çay suyu, mürekkep, ruj vb. gibi bazı renkli lekelerin, tekrar tekrar yıkansa bile tamamen temizlenmesi genellikle zordur. Bu tür lekeler, kromofor veya kromofor gruplarının yapısını parçalayan ve bunları daha küçük, suda çözünen bileşenlere dönüştüren oksidanlar veya ağartıcı gibi indirgeyici maddeler kullanılarak oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları ile çıkarılabilir.
Kuru temizleme açısından bakıldığında kabaca üç tip kir vardır.
① Yağda çözünen kirler, sıvı veya yağlı olup kuru temizleme çözücülerinde çözünen çeşitli yağları ve katı yağları içerir.
② Suda çözünen kir, sulu çözeltide çözünür, ancak kuru temizleme ürünlerinde çözünmez. Sulu çözelti halinde giysilere tutunur ve su buharlaştıktan sonra inorganik tuzlar, nişasta, proteinler vb. gibi granül katılar çökelir.
③ Yağda çözünmeyen kirler, hem suda hem de karbon siyahı, çeşitli metal silikatlar ve oksitler gibi kuru temizleme çözücülerinde çözünmez.
Çeşitli kir türlerinin farklı özellikleri nedeniyle, kuru temizleme işlemi sırasında kirleri çıkarmanın farklı yolları vardır. Hayvansal ve bitkisel yağlar, mineral yağlar ve katı yağlar gibi yağda çözünen kirler, organik çözücülerde kolayca çözünür ve kuru temizleme sırasında kolayca çıkarılabilir. Kuru temizleme çözücülerinin yağ ve gres için mükemmel çözünürlüğü, esasen moleküller arasındaki van der Waals kuvvetlerinden kaynaklanmaktadır.
İnorganik tuzlar, şekerler, proteinler, ter vb. gibi suda çözünen kirlerin çıkarılması için kuru temizleme maddesine uygun miktarda su eklemek de gerekir; aksi takdirde suda çözünen kirlerin giysilerden çıkarılması zor olur. Ancak suyun kuru temizleme maddelerinde çözünmesi zor olduğundan, su miktarını artırmak için yüzey aktif maddeler eklemek gerekir. Kuru temizleme maddelerinde bulunan su, kiri ve giysilerin yüzeyini nemlendirerek yüzey aktif maddelerin polar gruplarıyla etkileşime girmesini kolaylaştırır ve bu da yüzey aktif maddelerin yüzeye tutunması için faydalıdır. Ayrıca, yüzey aktif maddeler misel oluşturduğunda, suda çözünen kir ve su misellerin içinde çözünebilir. Yüzey aktif maddeler, kuru temizleme çözücülerindeki su içeriğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda kirin tekrar birikmesini önleyerek temizleme etkisini artırır.
Suda çözünen kirlerin çıkarılması için az miktarda suyun varlığı gereklidir, ancak aşırı su bazı giysilerin deforme olmasına, kırışmasına vb. neden olabileceğinden kuru deterjandaki su oranının orta düzeyde olması gerekir.
Kül, çamur, toprak ve karbon siyahı gibi suda veya yağda çözünmeyen katı parçacıklar genellikle elektrostatik adsorpsiyon yoluyla veya yağ lekeleriyle birleşerek giysilere yapışır. Kuru temizlemede, çözücülerin akışı ve etkisi, elektrostatik kuvvetlerle emilen kirin düşmesine neden olabilirken, kuru temizleme maddeleri yağ lekelerini çözerek yağ lekeleriyle birleşip giysilere yapışan katı parçacıkların kuru temizleme maddesinden düşmesine neden olabilir. Kuru temizleme maddesindeki az miktardaki su ve yüzey aktif maddeler, düşen katı kir parçacıklarını kalıcı olarak askıya alıp dağıtarak tekrar giysilere yerleşmelerini önleyebilir.
(5) Yıkama etkisini etkileyen faktörler
Yüzey aktif maddelerin arayüzde yönlendirilmiş adsorpsiyonu ve yüzey (arayüzey) geriliminin azaltılması, sıvı veya katı kirlenmenin giderilmesinde temel faktörlerdir. Ancak yıkama işlemi nispeten karmaşıktır ve aynı tür deterjanın yıkama etkisi bile birçok başka faktörden etkilenir. Bu faktörler arasında deterjan konsantrasyonu, sıcaklık, kirin niteliği, elyaf türü ve kumaş yapısı bulunur.
① Yüzey aktif maddelerin konsantrasyonu
Çözeltideki yüzey aktif madde miselleri yıkama sürecinde önemli bir rol oynar. Konsantrasyon kritik misel konsantrasyonuna (cmc) ulaştığında, yıkama etkisi önemli ölçüde artar. Bu nedenle, iyi bir yıkama etkisi elde etmek için çözücüdeki deterjan konsantrasyonunun CMC değerinden yüksek olması gerekir. Ancak, yüzey aktif madde konsantrasyonu CMC değerini aştığında, artan yıkama etkisi daha az belirgin hale gelir ve yüzey aktif madde konsantrasyonunda aşırı artışa gerek kalmaz.
Yağ lekelerini çıkarmak için çözündürme yöntemi kullanıldığında, konsantrasyon CMC değerinin üzerinde olsa bile, çözündürme etkisi yüzey aktif madde konsantrasyonu arttıkça artar. Bu durumda, giysilerin manşet ve yaka kısımları gibi çok kirli olan yerlerde lokal olarak deterjan kullanılması önerilir. Yıkarken, yüzey aktif maddelerin yağ lekeleri üzerindeki çözündürme etkisini artırmak için önce bir kat deterjan uygulanabilir.
② Sıcaklığın temizleme etkisi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Genel olarak, sıcaklığın artırılması kirleri gidermek için faydalıdır, ancak bazen aşırı sıcaklık olumsuz etkilere de neden olabilir.
Sıcaklık artışı, kirin difüzyonu için faydalıdır. Katı yağ lekeleri, sıcaklık erime noktalarının üzerinde olduğunda kolayca emülsifiye olur ve lifler de sıcaklık artışına bağlı olarak genleşme derecelerini artırır. Bu faktörlerin tümü kirin çıkarılması için faydalıdır. Ancak, sıkı kumaşlarda, lif genleşmesinden sonra lifler arasındaki mikro boşluklar azalır ve bu da kirin çıkarılmasına elverişli değildir.
Sıcaklık değişimleri ayrıca yüzey aktif maddelerin çözünürlüğünü, CMC değerini ve misel boyutunu etkileyerek yıkama etkisini etkiler. Uzun karbon zincirli yüzey aktif maddeler düşük sıcaklıklarda daha düşük çözünürlüğe, hatta bazen CMC değerinden daha düşük çözünürlüğe sahiptir. Bu durumda yıkama sıcaklığı uygun şekilde artırılmalıdır. Sıcaklığın CMC değeri ve misel boyutu üzerindeki etkisi iyonik ve non-iyonik yüzey aktif maddeler için farklıdır. İyonik yüzey aktif maddeler için, sıcaklıktaki bir artış genellikle CMC değerinde bir artışa ve misel boyutunda bir azalmaya yol açar. Bu, yıkama çözeltisindeki yüzey aktif madde konsantrasyonunun artırılması gerektiği anlamına gelir. Non-iyonik yüzey aktif maddeler için, sıcaklığın artırılması CMC değerlerinde bir azalmaya ve misel boyutlarında önemli bir artışa yol açar. Sıcaklığın uygun şekilde artırılmasının, non-iyonik yüzey aktif maddelerin yüzey aktivitelerini göstermelerine yardımcı olabileceği görülebilir. Ancak sıcaklık bulutlanma noktasını aşmamalıdır.
Kısacası, en uygun yıkama sıcaklığı, deterjanın formülüne ve yıkanan nesneye bağlıdır. Bazı deterjanlar oda sıcaklığında iyi temizleme etkisine sahipken, bazı deterjanlar soğuk ve sıcak yıkamada önemli ölçüde farklı temizleme etkilerine sahiptir.
③ Köpük
İnsanlar genellikle köpürme kabiliyetini yıkama etkisiyle karıştırır ve güçlü köpürme kabiliyetine sahip deterjanların daha iyi yıkama etkisine sahip olduğuna inanırlar. Sonuçlar, yıkama etkisinin köpük miktarıyla doğrudan ilişkili olmadığını göstermektedir. Örneğin, yıkamada düşük köpüren deterjan kullanmak, yüksek köpüren deterjan kullanmaktan daha kötü bir yıkama etkisine sahip değildir.
Köpük, yıkamayla doğrudan ilgili olmasa da, bazı durumlarda kiri temizlemede faydalıdır. Örneğin, bulaşıkları elde yıkarken deterjanın köpüğü yağ damlalarını uzaklaştırabilir. Halıyı fırçalarken ise köpük, toz gibi katı kir parçacıklarını da uzaklaştırabilir. Toz, halı kirinin büyük bir kısmını oluşturur, bu nedenle halı temizleyicisinin belirli bir köpürme yeteneğine sahip olması gerekir.
Şampuanın köpürme gücü de önemlidir. Saç yıkarken veya banyo yaparken sıvının ürettiği ince köpük, kişiye rahatlık hissi verir.
④ Elyaf türleri ve tekstillerin fiziksel özellikleri
Kirin tutunmasını ve çıkarılmasını etkileyen liflerin kimyasal yapısının yanı sıra, liflerin görünümü ve iplik ve kumaşların organizasyon yapısı da kirin çıkarılmasının zorluğu üzerinde etkilidir.
Yün liflerinin pulları ve pamuk liflerinin düz şerit benzeri yapısı, pürüzsüz liflere göre kir tutmaya daha yatkındır. Örneğin, selüloz filme (yapışkan film) yapışan karbon siyahının çıkarılması kolayken, pamuklu kumaşa yapışan karbon siyahının yıkanması zordur. Örneğin, polyester kısa lifli kumaşlar, uzun lifli kumaşlara göre yağ lekelerinin birikmesine daha yatkındır ve kısa lifli kumaşlardaki yağ lekelerinin çıkarılması da uzun lifli kumaşlara göre daha zordur.
Sıkıca bükülmüş iplikler ve sıkı kumaşlar, lifler arasındaki küçük mikro boşluklar sayesinde kirin nüfuzuna karşı direnç gösterebilir, ancak aynı zamanda temizleme solüsyonunun içerideki kiri çıkarmasını da engelleyebilir. Bu nedenle, sıkı kumaşlar başlangıçta kire karşı iyi bir dirence sahiptir, ancak kirlendikten sonra temizlenmesi de zordur.
⑤ Suyun sertliği
Sudaki Ca2+ ve Mg2+ gibi metal iyonlarının konsantrasyonu, özellikle anyonik yüzey aktif maddeler Ca2+ ve Mg2+ iyonlarıyla karşılaşarak düşük çözünürlüğe sahip kalsiyum ve magnezyum tuzları oluşturduğunda, yıkama etkisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve bu da temizleme yeteneklerini azaltabilir. Yüzey aktif maddelerin sert suda konsantrasyonu yüksek olsa bile, temizleme etkileri damıtma işlemine göre çok daha kötüdür. Yüzey aktif maddelerin en iyi yıkama etkisini elde etmek için, sudaki Ca2+ iyonlarının konsantrasyonu 1 × 10-6mol/L'nin (CaCO3 0,1 mg/L'nin) altına düşürülmelidir. Bu, deterjana çeşitli yumuşatıcılar eklenmesini gerektirir.
Gönderi zamanı: 16 Ağustos 2024