低溫洗滌用表面活性劑的研究

閆菡，鄭利強(qiáng)

（山東大學(xué)膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250100）

低溫洗滌用表面活性劑的研究

閆菡，鄭利強(qiáng)

（山東大學(xué)膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250100）

表面活性劑是一類具有兩親結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、國(guó)防及日常生活中都有廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為“工業(yè)味精”[1]。普通洗滌用表面活性劑需較高溫度才能發(fā)揮出最佳洗滌效果，洗滌過程要消耗較多能源，因此應(yīng)用于低溫洗滌的表面活性劑的開發(fā)和應(yīng)用越來越受到業(yè)界關(guān)注。本文簡(jiǎn)要總結(jié)了廚房、毛毯、衣物、金屬制品等領(lǐng)域使用的低溫洗滌用表面活性劑的研究現(xiàn)狀。

表面活性劑；低溫；洗滌

由于季節(jié)、地域、洗滌方式、洗滌工具等不同，各國(guó)的實(shí)際洗衣溫度存在顯著差異。歐洲的洗衣溫度總體上比較高，其中70℃以上占7%，50℃～60℃占29%，40℃約占38%，小于40℃占26%。美國(guó)則趨于溫水洗滌，日本則普遍采用冷水洗滌。

與日本一樣，我國(guó)普遍采用冷水洗滌，但因?yàn)榧竟?jié)變化和南北差距，水溫差異較大。以長(zhǎng)江中、下游地區(qū)為例，采用波輪式洗衣機(jī)時(shí)冬天與夏天的洗滌液溫度可相差25℃左右。因此，開發(fā)適合國(guó)人洗滌習(xí)慣、在低溫下具有良好去污能力的洗滌劑十分必要。

1 溫度對(duì)洗滌效能的影響[2]

溫度是影響洗滌效能最重要的因素之一：1) 溫度對(duì)表面活性劑的臨界膠束濃度無明顯影響；2) 溫度對(duì)表面活性劑、洗滌劑的表面張力、潤(rùn)濕力及螯合劑的螯合能力均有一定的影響；3) 溫度對(duì)表面活性劑、洗滌劑的去污力有極為顯著的影響，但溫度對(duì)陰/非離子復(fù)配型洗滌劑的性能的影響小于陰離子型洗滌劑；4) 溫度對(duì)含酶洗衣粉的去污力有一定的

影響，但沒有表面活性劑和洗滌劑基礎(chǔ)粉影響顯著。與表面活性劑相比，酶更能有效地提高洗滌劑在低溫時(shí)的去污力；5) 表面活性劑之間的復(fù)配、螯合劑之間的復(fù)配以及洗滌劑與酶復(fù)配的體系均能有效地提高洗滌劑的低溫洗滌性能，其中洗滌劑與酶的復(fù)配最為有效。

2 用于不同領(lǐng)域的低溫洗滌劑

根據(jù)所要清洗的具體對(duì)象和使用要求，低溫洗滌用表面活性劑的性能有所差異。以下分別簡(jiǎn)單介紹四類適用于常用洗滌劑的低溫用表面活性劑。

2.1 廚房清潔用表面活性劑[3]

廚房污垢主要由高級(jí)脂肪酸甘油酯構(gòu)成，因此廚房清洗劑的主要成分是陰離子表面活性劑、磺酸鹽、硫酸鹽或鹽酸鹽。在低溫下，單一表面活性劑往往不能得到良好的廚房清洗效果，因此常通過多種表面活性劑復(fù)配以提高低溫去污能力。

2.1.1 單一表面活性劑對(duì)油污的去除

表1比較了幾種常用的表面活性劑對(duì)油污的去除能力。實(shí)驗(yàn)中選用SDS、LAS、AES、AEO9、OP-10，分別配成0.2（重量比）的溶液。

由表1可以看出，非離子表面活性劑去除油污的能力強(qiáng)于陰離子表面活性劑，而陰離子表面活性劑中去污力較好的是AES。油污的去除過程主要是通過“卷縮”來實(shí)現(xiàn)的，增溶和乳化也是重要的機(jī)制。非離子表面活性劑的表面張力低，油污易發(fā)生卷縮而被除去。AES的聚氧乙烯鏈有利于極性油污的增溶，使之對(duì)油污的除去能力優(yōu)于SDS、LAS。

2.1.2 表面活性劑的混合體系對(duì)油污的去除

兩種陰離子表面活性劑L A S與A E S的混合體系（總濃度為0.2%）在8∶2時(shí)去污力最大，這與此時(shí)的油/水界面張力很低有關(guān)。陰離子表面活性劑與非離子表面活性劑混合體系（如L A S/AEO9、LAS/OP-10和AES/AEO9，總濃度為0.2%）的去污力明顯高于單一表面活性劑，并且與其中一種表面活性劑份額的變化相對(duì)應(yīng)。研究表明，在陰離子表面活性劑中加入一定量的非離子表面活性劑有利于油污的除去，在非極性油污（如礦物油）的洗滌中也存在類似情況。這是由于陰離子表面活性劑的加入使油/水界面張力升高，影響去污力。兩種以上的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配時(shí)情況比較復(fù)雜，例如將LAS∶AES＝8∶2的體系與AEO9配成混合溶液，此三元混合體系（總濃度為0.2%）對(duì)油污的去污力反而產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

表1 單一表面活性劑對(duì)油污的去除

2.1.3 幾種助劑對(duì)油污的去除能力

將STPP、Na2SiO3、Na2CO3、Na2SO4、單乙醇胺、三乙醇胺配成0.1%的溶液，比較其去油污力，結(jié)果見表2。

上述助劑的去污力依次為：STPP＞Na2SiO3＞Na2CO3＞Na2SO4＞單乙醇胺＞三乙醇胺。幾種助劑對(duì)于油污的去除機(jī)理是其溶液均呈堿性，去污力隨濃度增大而增強(qiáng)且趨于平緩，大于一定濃度時(shí)其去污力增加不多。此外，STPP對(duì)油污有一定的乳化、分散等作用。

配制廚房油污清洗劑時(shí)，其表面活性劑以LAS為主配入一定的AES，也可以在陰離子表面活性劑（如 LAS、AES）中配入一定量的非離子表面活性劑（如AEO9、0P-10）也有好的效果，而多種表面活性劑混用不一定能獲得更理想的效果。

2.2 毛毯低溫洗滌用表面活性劑

表2 幾種助劑去油污力比較

一般在堿性條件下洗滌毛織物效果最佳，中性效果較差，因此毛毯洗滌劑常選用純堿或氨水作助洗劑，目前廣泛采用的是非離子型和陰離子型表面活性劑。因?yàn)檠蛎诘入婞c(diǎn)時(shí)呈中性，小于等電點(diǎn)時(shí)呈陽性，電荷大于等電點(diǎn)帶負(fù)電荷。所以，堿性或中性毛毯洗滌劑應(yīng)選用陰離子表面活性劑，酸性或中性洗滌劑則應(yīng)選用陽離子，非離子可適用于酸性、堿性或中性洗滌劑。

在用于毛毯洗滌的表面活性劑中，低溫洗滌效果好且已被廣泛使用的有凈洗劑105、209洗滌劑、雷米邦A(yù)等。其洗滌工藝和洗滌要求有所不同：凈洗劑105耐酸、耐堿、耐硬水，并且具有良好的潤(rùn)濕、擴(kuò)散、乳化、滲透、起泡、去油污等性能，低溫洗毯時(shí)配入少量純堿，調(diào)節(jié)洗液pH值為8～9時(shí)效果較好；209洗滌劑耐酸、耐堿、抗硬水、耐金屬鹽類、泡沫穩(wěn)定性較好，具有良好的洗滌、勻染、滲透及乳化作用，在低溫洗毯時(shí)需加入少量純堿，要求洗液pH值8～9；雷米邦表面活性較差，洗毯時(shí)去污能力不夠理想，應(yīng)加入少量純堿使洗液pH為9～10，此時(shí)起泡效果較好。

毛毯類產(chǎn)品的清洗通常采用熱洗工藝，需要消耗大量的蒸汽。低溫洗滌用表面活性劑的使用改變了毛毯的常規(guī)洗滌方式，使得操作簡(jiǎn)便、易行，不但可以節(jié)約能源、利于后續(xù)養(yǎng)護(hù)，而且可減少羊毛纖維的損傷，使織物手感柔軟、豐厚。

2.3 衣物低溫洗滌用表面活性劑[4]

眾所周知，洗衣粉(包括無磷洗衣粉)中含有大量無洗滌作用的填充劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%，在資源和能源方面造成了極大的浪費(fèi)，生產(chǎn)中還會(huì)造成粉塵污染，不利于環(huán)保。而洗衣液以資源豐富且價(jià)廉的水代替元明粉，采用可生物降解的表面活性劑作為主要成分并輔助無磷助劑復(fù)配而成。由于具有設(shè)備投資少、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、性能溫和無刺激、易溶解、使用方便、低溫下洗滌效果良好等特點(diǎn)，洗衣液已逐漸被廣大國(guó)內(nèi)消費(fèi)者所接受。

洗衣液以陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑為主要原料，輔以助劑復(fù)配而成。洗衣液是一個(gè)混合復(fù)配體系，各組分間不是機(jī)械的組合，而是存在著復(fù)雜的物理化學(xué)作用。復(fù)配得當(dāng)可以產(chǎn)生協(xié)同作用，有利于提高洗滌力和抗硬水能力；否則，各個(gè)組分作用會(huì)相互抵消，進(jìn)而降低洗滌力。陰離子與非離子表面活性劑的配比是影響去污能力的主要因素。以常用于洗衣液配方的脂肪醇聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽為例，優(yōu)化兩者的組合比例可以確定出低溫洗滌效果最好的配方。據(jù)報(bào)道，陰離子表面活性劑與非離子表面活性劑配比為2∶1（質(zhì)量比）時(shí)復(fù)配體系去污力最強(qiáng)、低溫洗滌效果最好。在最佳復(fù)配體系中，非離子表面活性劑以2∶1的比例插入陰離子表面活性劑膠團(tuán)中，使陰離子表面活性劑離子頭間的斥力減弱，再利用表面活性劑疏水鏈間的相互作用而形成膠團(tuán)，使混合溶液的cmc下降幅度最大。

此外，在普通洗衣粉中加入低溫洗滌用酶，洗滌效果也可以有很大提高[5]。例如，諾維信公司推出的諾維信波力低溫蛋白酶可以使普通洗衣粉的低溫洗滌能力提升一倍以上，尤其對(duì)蛋白類污漬的清洗效能顯著提高，并且其提高幅度隨著溫度的升高而增強(qiáng)。

2.4 金屬低溫洗滌用表面活性劑[6]

在金屬加工、機(jī)械、汽車等行業(yè)，對(duì)金屬外表面進(jìn)行清洗是必不可少的。目前一般使用洗滌劑以噴洗或刷洗等方式達(dá)到較高的清潔度，具體方法有常規(guī)高溫化學(xué)去油、有機(jī)溶劑去油、電化學(xué)去油等。常規(guī)高溫化學(xué)去油主要是利用熱的堿溶液去除零件表面的油污，其原理是皂化油污，反應(yīng)式為(C17H35COO)3C3H5+3NaOH→3C17H35COONa+C3H5(OH)3。礦物油不與堿作用，但能在表面活性劑作用下形成乳液，并被從制品表面清洗掉。此外，國(guó)外較多采用低溫或稱常溫快速去油法，國(guó)內(nèi)也正在逐步推廣應(yīng)用這一技術(shù)。

2.4.1 低溫化學(xué)除油的原理

低溫化學(xué)除油作業(yè)以乳化除油為主，其使用的表面活性劑要求在低溫條件下能降低表面張力、產(chǎn)生定向吸附、潤(rùn)濕、乳化、分散等作用，然后借助一定的機(jī)械力噴射作用除去污垢。工作表面上的污垢多屬于極性污垢，因?yàn)楸砻婊钚詣┚哂袧?rùn)濕性，其分子的親油端容易吸附在油污工作面上，而親水極性的一端則不容易吸附。因此金屬清洗劑能夠滲透到污垢與工件之間，加速乳化速度和油污剝離速度，使除油效果大大提高。圖1為清洗工作表面污物的示意圖。

圖1 清洗工件表面污物示意圖

2.4.2 低溫長(zhǎng)效清洗劑

實(shí)驗(yàn)考察了以下三種樣品的低溫清洗能力：Na2CO3堿性清洗液；低溫乳化劑Wx-1y型；聚氧乙烯基酚醚（EO=10）非離子表面活性劑。表3列出了不同溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、25℃下的表面張力值。

從表3和圖2可以看出：1) 不同溶質(zhì)的水溶液有不同的表面張力；2) Na2CO3清洗液表面張力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加上升；3) Tx-10非離子表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)能大大降低表面張力，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)表面張力降到一定值后便不再下降；4) Wx-1y乳化液加入少量，表面張力就大大降低。

在實(shí)際應(yīng)用中，各種清洗劑達(dá)到最佳清洗效果時(shí)所需要的溫度各有不同。如表4所示。

采用新型低溫清洗劑后有效起點(diǎn)溫度降低，在10℃時(shí)也具有除油能力，使用方便。

表3 不同溶質(zhì)水溶液的表面張力（25℃）

圖2 不同溶質(zhì)水溶液的表面張力（25℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表4 不同溶質(zhì)的去油率

3 結(jié)語

今后5～10年洗滌劑的全球性發(fā)展趨勢(shì)是低溫、節(jié)水洗滌[7]。美國(guó)從1975年到2000年熱水洗滌的比例下降了50%，美國(guó)能源部已經(jīng)要求將洗滌溫度從15℃～40℃進(jìn)一步降低到10℃～25℃。一般而言，冷水是指18℃/648/，溫水是指約31℃/888/，這就要求洗滌劑除了在低溫下有好的溶解度和分散性外，還要有良好的洗滌力。

低溫洗滌可以節(jié)省大量的能源與水資源，有利用環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。目前，在國(guó)家相關(guān)部門的大力推廣和科研人員的共同努力下，低溫洗滌已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)領(lǐng)域有了初步應(yīng)用。順應(yīng)全球洗滌劑的綠色發(fā)展趨勢(shì)，低溫洗滌用表面活性劑的商業(yè)價(jià)值和應(yīng)用空間將得到充分發(fā)掘。

[1] 白金泉，包余泉. 表面活性劑在洗滌工業(yè)中的應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2] 蔣惠亮, 胡堅(jiān), 劉勇, 等. 洗滌劑及其主要組分效能與溫度之關(guān)系的研究[J]. 日用化學(xué)工業(yè), 2001(4).

[3] 陳小泉, 李珊, 金岳國(guó).廚房油污的低溫洗滌[J]. 中國(guó)工學(xué)院科技通訊, 1997,13(1).

[4] 許英梅, 優(yōu)麗吐孜, 張樹彪. 高效洗衣液的研究[J]. 日用化學(xué)品科學(xué), 2003,26(6).

[5] 趙媛媛, 李浩東. 諾維信波力低溫蛋白酶低溫洗滌性能研究[J]. 日用化學(xué)品科學(xué), 2008,28(8).

[6] 張魁蘭, 黃明文, 張慶云. 低溫長(zhǎng)效洗滌劑的研制[J]. 化工科技,2002,10(2).

[7] 劉云, 張軍, 孫玉娥. 21世紀(jì)洗滌劑的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn). 日用化學(xué)品科學(xué), 2000,23.