Chất hoạt động bề mặt (1)

Chia sẻ: Thanh Duong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

262
lượt xem 56
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung tài liệu trình bày các khi niệm cơ bản, tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt, phân loại chất hoạt động bề mặt, ứng dụng của chất hoạt động bề mặt, cơ chế tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chất hoạt động bề mặt (1)

Chất HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1.1. Các khi niệm cơ bản Các quá trình dị thể bất kỳ ( như hình thành hay phân hủy các chất rắn, hòa tan các chất rắn, lỏng và khí, bay hơi, thăng hoa, tẩy rửa , tạo nhũ tương, bọt ….) đều là những quá trình xảy ra trên bề mặt phân chia pha. Trạng thái các chất ở bề mặt phân chia pha rất khác với vật chất trong lòng các pha vì có sự khác biệt về tương tác giữa các phân tử với nhau. Sự khác biệt đó làm sản sinh các hiện tượng đặc biệt trên bề mặt phân chia pha. Viêc nghiên cứu hiện tượng bề mặt có sức lôi cuốn lớn vì nó có tầm quan trọng lý thuyết và thực tế. Nghiên cứu các hiện tượng bề mặt có thể đánh giá được năng lượng và hiểu rõ được bản chất tương tác phân tử. ý nghĩa thực tế của các hiện tượng bề mặt là ở chổ, vật chất có bề mặt lớn rất phổ biến trong tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Vì vậy việc tìm hiểu về sức căng bề mặt đóng một vai trò rất quan trọng. 1.1.1. Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Trong hệ đo lường quốc tế, sức căng bề mặt được đo bằng Newton trên mét (N∙m1). Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích. Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này. Như vậy, trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt tương đương Jul trên mét vuông. Nhiều khi sức căng bề mặt của một chất lỏng được xác định tại một điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, ...) khi bề mặt tiếp xúc với chân không. Sức căng bề mặt của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ; đối với nhiều chất lỏng, sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng. Khi bề mặt là tiếp giáp giữa hai chất lỏng khác nhau, sức căng bề mặt tổng cộng bằng hiệu (cộng véctơ) của sức căng bề mặt từng chất lỏng. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt: • Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc ( bảng 1.1) Bảng 1.1. Sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí ( I) ở 20oC ( dyn/cm) và của chất lỏng tiếp xúc với nước (dyn/cm) 1
Chất lỏng I Chất lỏng I Nước 72,75 Ethanol 22,30 Benzen 28,88 35,00 noctanol 27,50 8,50 Acid acetic 27,60 nhexan 18,40 51,10 CCl4 26,80 45,10 noctan 21,80 50,80 Glycerin 66,00 Anilin 42,90 • Chất lỏng càng phân cực, tương tác phân tử càng lớn, nội áp càng lớn, do đó sức căng bề mặt càng lớn. • Sự có mặt trên lớp chất lỏng thứ nhất lớp chất lỏng thứ hai không trộn lẩn với nó luôn luôn làm sức căng bề mặt giảm. Sự giảm sức căng bề mặt càng nhiều nếu sự khác biệt về độ phân cực của hai chất lỏng càng bé. Các chất lỏng có độ phân cực càng gần nhau sẽ tan lẩn với nhau càng nhiều và do đó sức căng bề mặt giữa chúng sẽ bằng không. • Nếu hai chất lỏng chỉ hòa tan một phần vào nhau thì sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng lỏng gần bằng hiệu số giữa sức căng bề mặt của mỗi chất ( đã bảo hòa chất kia) so với không khí. • Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, thể tích khối chất lỏng sẽ hướng tới dạng hình cầu ( nếu không có ngoại lực) vì bề mặt hình cầu là bề mặt bé nhất giới hạn một thể tích chất lỏng đã cho. Ngoài yếu tố bản chất của các pha tiếp xúc có ý nghĩa quyết định đến giá trị sức căng bề mặt, sức căng bề mặt còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, độ cong của bề mặt và đặc biệt là sự có mặt của chất thứ hai trong chất lỏng. Trong phần này chỉ đề cập đến mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ,  Sức căng bề mặt của đa số chất lỏng giảm gần như tuyến tính khi nhiệt độ tăng ( trừ các kim loại nóng chảy) theo phương trình củaa W. Ramsay và J. Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R. Eotvos: 2
1.1.2. Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt và chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt của dung môi. a) Chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Phân tử chất hoạt động bề mặt thường được cấu tạo bởi hai phần: Phần có cực: đó là các nhóm chức có cực: COOH, CONH2, C6H4SO3, SO32.... các nhóm này liên kết mạnh với các dung môi có cực như (H 2O...) nên phần có cực này được gọi là đầu ưa cực (với dung môi là nước được gọi là đầu ưa nước). Phần không cực: đó là các gốc hydrocacbon. Các gốc này liên kết tốt với dung môi không cực nên được gọi là đuôi không cực, hoặc đuôi ưa dầu (kỵ nước). Một chất hoạt động bề mặt gồm hai nhóm ưa nước và ưa dầu kết hợp với nhau trong phân tử nên được gọi là chất hoạt động bề mặt lưỡng chức. Người ta thường ký hiệu các chất hoạt động bề mặt theo các kiểu sau: Đuôi kỵ nước Đầu ưa nước (không cực) (có cực) Ngoaøi ra ngöôøi ta coù theå ñaùnh daáu theâm baèng caùc kyù hieäu: Chất hoạt động bề mặt anion Chất hoạt động bề mặt cation Chất hoạt động bề mặt lưỡng ion Chất hoạt động bề mặt không ion 3
1.2 Tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt 1.2.1 Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng khí: Ở nồng độ nhỏ, trên cùng một đơn vị diện tích bề mặt, số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt là khác nhau khi chiều dài phần kỵ nước khác nhau. Ở nồng độ đủ lớn, một đơn vị bề mặt sẽ chứa cùng một số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt có chiều dài phần kỵ nước khác nhau, người ta giải thích điều này như sau: Khi bị hấp phụ, nhóm phân cực của chất hoạt động bề mặt bị nước kéo mạnh vào lòng dung dịch, phần không phân cực thì bị đẩy ra phía pha không phân cực là không khí), các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ được phân bố thành một lớp phân tử. Khi nồng độ C nhỏ, mạch hydrocarbon sẽ bị đẩy về phía không khí, có thể bị ngã nghiêng do mạch hydrocarbon linh động và có khối lượng riêng bé, phần phân cực ở trong nước. Khi nồng độ C lớn, số phân tử chất hoạt động bề mặt tăng lên, mạch hydrocarbon dựng đứng lên, song song với nhau, vuông góc với mặt nước, tạo thành một màng sít chặt gọi là màng ngưng tụ. Các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ chiếm cùng diện tích dù cho chúng có chiều dài khác nhau K K L L Hình 1.1: Cấu tạo lớp bề mặt chất hoạt động bề mặt trên giới hạn lỏng khí 1.2.2 Trạng thái phân tử chất hoạt động bề mặt trong dung dịch: Trong dung dịch, ở nồng độ nhỏ, các phân tử chất hoạt động bề mặt hoà tan riêng biệt. Khi nồng độ chất họat động bề mặt tăng lên một giá trị nào đó, các phân tử hòa tan riêng biệt liên kết với nhau tạo thành các micell. 4
Các micell có dạng hình cầu trong đó trong đó các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau bằng đầu hydrocarbon và hướng nhóm phân cực ra dung dịch nước. Hình 1.2: Caáu taïo micell Ở các nồng độ cao hơn, các micell có kích thước tăng lên và các gốc hydrocarbon mỗi lúc mỗi thêm song song với nhau hình thành các micell tấm: Hình 1.3: Micell taám Cần lưu ý rằng các micell có thể được tạo thành không chỉ trong các dung dịch nước mà còn ở dung dịch xà phòng trong dung môi. Khi đó các phân tử xà phòng trong micell sẽ hướng các nhóm phân cực vào phía trong micell còn phần kỵ nước sẽ quay ra ngoài. Lúc này xà phòng không điện ly, dung dịch xà phòng là dung dịch phân tử chứ không là dung dịch của các ion. Các micelles làm cho dung dịch CHĐBM có dạng tự nhiên là dạng keo, điều này rất quan trọng đối với những tính chất của chất tẩy rửa, vì: • Cung cấp lượng CHĐBM dự trữ ở bề mặt chất lỏng để giữ cho dung dịch bãohòa và làm cho ứng suất bề mặt của dung dịch luôn luôn nhỏ nhất, điều này giúp việc thấm ướt các thớ vải dễ dàng hơn. • Có thể hòa tan các chất dầu: bên trong các micelle gần như là một dung môi 5
hydrocarbon có thể chứa các chất bẩn dạng dầu và mang nó theo để thải cùng nước giặt. 1.2.3 Nồng độ micell tới hạn Điểm KraftĐiểm đụcHLB và các yếu tố ảnh hưởng a) Nồng độ micell tới hạn (crictical micelle concentration:CMC): Khi nồng chất hoạt động bề mặt tăng lên đên một giá trị nào đó, từ các phân tư riêng lẻ sẽ có sự hình thành các micell. Nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt mà ở đó sự hình thành micell trở nên đáng kể gọi là nồng độ micell tới hạn. Khi nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt đạt đến giá trị CMC, sẽ có sự thay đổi rõ rệt tính chất vật lý của dung dịch như sự thay đổi độ đục, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu….. Dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý đột ngột như vậy người ta xác định được CMC.  Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC: Chiều dài mạch cacbon: Khi tăng chiều dài của phần kỵ nước trong phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành micell, tức là giảm CMC. Trong môi trường nước cất, CMC của các chất hoạt động bề mặt ion giảm đi ½ lần khi mạch cacbon tăng thêm 1nhóm –CH 2 . Đối với chất hoạt động bề mặt không ion, sự khác biệt này còn rõ ràng hơn. Điều này đúng đến C16. Khi mạch C 18 thì CMC hầu như không đổi. Ví dụ: CMC của chất họat động bề mặt alkyl sulfate Natri trong nước ở 40oC Số nguyên tử C 8 10 12 14 16 18 CMC x 103 mol/L 140 33 8,6 2,2 0,58 0,23 Ap suất thẩm thấu Độ đục Sức căng bề mặt Độ dẫn điện 6 CMC Nồng độ
Hình 1.4: Sự thay đổi tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề măt tại nồng độ micell tới hạn Nhiệt độ: Khi hạ nhiệt độ dung dịch, sẽ xúc tiến cho sự hình thành của các micell vì khi đó cường độ chuyển động nhiệt của các phân tử giảm, làm tăng khả năng kết hợp của các phân tử tức làm giảm CMC. Chất điệ ly: Khi thêm chất điện ly vào dung dịch chất hoạt động bề mặt, chúng liên kết với nước do sự hydrat hóa, điều này tương tự như việc tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt lên. Mặc khác, khi có mặt chất điện ly, sự ion hóa của chất hoạt động bề mặt giảm ( giảm độ tan), xúc tiến cho sự liên kết các phân tử lại với nhau, do đó CMC giảm. Ví dụ: CMC của lauryl sulfate natri trong dung dịch NaCl ở 25oC Nồng độ NaCl (mol/L) 0 0,01 0,03 0,1 0,3 CMC x 103 mol/L 8,1 5,6 3,1 1,5 0,7 Chất hữu cơ: Việc thêm các chất hữu cơ vào dung dịch chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến CMC theo những hướng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của chất thêm vào. Một số rượu mạch trung bình có thể làm giảm CMC, thêm urea hay formalmid lại làm tăng CMC. Dung dịch chứa nhiều chất hoạt động bề mặt có CMC nhỏ hơn CMC của các dung dịch chứa từng chất hoạt động bề mặt riêng biệt. b) Điểm KraftĐiểm đục:  Điểm Kraft: Các chất hoạt động bề mặt ion có một đặc điểm là khả năng hòa tan của chúng tăng theo nhiệt độ. Điểm Kraft là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt có 7
độ hòa tan bằng CMC. Khi đạt đến nhiệt độ này một lượng lớn chất hoạt động bề mặt sẽ được phân tán trong dung dịch dưới dạng micelle. Như vậy ở nhiệt độ thấp hơn điểm Kraft, độ tan của chất hoạt động bề mặt ion không đủ lớn để hình thành micelle. Khi nhiệt độ tăng, độ tan tăng, khi đạt đến nhiệt độ Kraft, micelle hình thành. Đối với chất hoạt động bề mặt anion, khi chiều dài mạch C tăng, điểm Kraft cũng tăng. Ví dụ: Điểm Kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước như sau: Số nguyên tử C 10 12 14 16 18 Điểm Kraft (oC) 8 16 30 45 56 Lưu ý rằng các giá trị này có thể thay đổi khi có mặt của các thành phần khác  Điểm đục: Đối với các chất hoạt động bề mặt không ion, độ tan của chúng là do liên kết hydrô giữa nước và phần phân cực ( chuổi polyoxyethylene). Khi nhiệt độ tăngđến một mức nào đó, liên kết hydro bị phá vỡ, xảy ra sự mất nước, làm độ tan của chất hoạt động bề mặt không ion giảm. Điểm đục là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt không ion không thể hòa tan, tách ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục. Đối với chất hoạt động bề mặt không ion trên cơ sở ethylen oxýt, điểm đục sẽ giảm khi độ dài gốc alkyl tănghoặc khi lượng oxýt ethylene trong phân tử giảm xuống.  HLB (HydrophileLipophile Balance): Các tính chất của các chất hoạt động bề mặt liên quan đến mối tương quan giữa phần ái nước và phần kỵ nước. Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kỵ nước thì chất họat động bề mặt dễ hòa tan trong nước hơn, ngước lại nếu phần kỵ nước tác dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất họat động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn. Từ đó dựa vào mối tương quan giữa phần kỵ nước và ái nước mà chất họat động bề mặt được sử dụng vào các mục đích khác nhau. Mối tương quan giữa phần ái nước và kỵ nước được đặc trưng bằng giá trị HLB ( cân bằng phần ái nướcái dầu). HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước, được biểu thị bằng thang đo có giá trị từ 140. Các chất hoạt động bề mặt có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các chất họat động bề mặt có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn. Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái nước. 8
Có thể ước lượng sơ bộ giá trị HLB dựa trên tính chất hòa tan trong nước hay tính phân tán của chất hoạt động bề mặt trong nước. Ứng với độ phân tán khác nhau thì giá trị HLB khác nhau. Bảng 1.2: Giá trị HLB trong một số môi trường phân tán Mức độ phân tán HLB Không phân tán trong nước 14 Phân tán kém 36 Phân tán như sữa sau khi lắc 68 Phân tán như sữa bền 810 Phân tán trong mờ đến trong 1013 Dung dịch trong > 13 + Davies đã chuyển cấu trúc chất họat động bề mặt thành các nhóm thành phần để xác định HLB. Giá trị HLB của các nhóm cho trong bảng dưới đây: Bảng 1.3: Giá trị HLB đối với một số nhóm ưa nước và kị nước Nhóm ái nước HLB Nhóm kỵ HLB nước SO4Na 38,7 COOK 21,1 CH
N< 9,4 ester ( vòng sorbitol) 6,8 ester (tự do) 2,4 COOH 2,1 OH ( tự do) 1,9 O 1,3 OH ( vòng sorbitol) 0,5 CH2CH2O 0,33 CH2CH2CH2O 0,15 Từ cấu trúc đã cho giá trị HLB được tính theo biểu thức sau: HLB = 7 + HLB nhóm ái nước HLB nhóm kỵ nước + Công thức của Kawakami: HLB = 7 + 11,7 log ( Mn/Md) Mn : Khối lượng phần tử ưa nước trong phân tử Md : Khối lướng phần tử ưa dầu trong phân tử + Công thức tính ester của acid béo và rượu đa chức: HLB = 20 ( 1 – S/A) S: Chỉ số xá phòng hóa của ester A: Chỉ số acid của acid béo Nếu ester không đo được chỉ số xà phòng thì có công thức sau: HLB = (E + P) / 5 E, P là phần trăm khối lượng của EO và rượu đa chức trong phân tử. +Theo Griffin, nếu hỗn hợp có nhiều chất hoạt động bề mặt thì HLB hh = xi HLBi Với xi là phần khối lượng trong tổng lượng chất họat động bề mặt. Hiếm có trường hợp mà ái lực của phần kỵ nước đối với dầu lại bằng ái lực của đầu ưa nước đối với nước. Có thể thấy rằng tỉ lệ giữa các lực này là yếu tố 10
quan trọng để quyết định tính năng chất nhũ hóa trong hệ nhũ, vì vậy cần có sự đánh giá mức độ cân bằng này. 1.3. Phân loại chất hoạt động bề mặt Có nhiều cách phân loại chất hoạt động bề mặt nhưng cách phân loại theo cấu tạo hóa học là được sử dụng nhiều nhất. Phân loại theo cấu tạo hóa học chia chất hoạt động bề mặt ra làm 2 loại: chất sinh ra ion và chất không sinh ra ion. Chất sinh ra ion được chia làm ba loại: hoạt tính anion, hoạt tính caction và lưỡng tính. 1.3.1 Chất hoạt động bề mặt không sinh ion (NI) Các chất tẩy rửa khi hòa tan vào trong nước không phân ly thành ion gọi là chất hoạt động bề mặt không sinh ion. NI có khả năng hoạt động bề mặt không cao. Êm dịu với da, lấy dầu ít. Làm bền bọt, tạo nhũ tốt. Có khả năng phân giải sinh học. Ít chịu ảnh hưởng của nước cứng và pH của môi trường, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nước.... Hiện nay để tổng hợp chúng, phương pháp được dùng phổ biến nhất là quá trình etoxy hóa từ rượu béo với oxyt etylen. Công thức chung: RO(CH2CH2O)nH. Các rượu béo này có nguồn gốc thiên nhiên như dầu thực vật, mỡ động vật thông qua phản ứng H2 hóa các axit béo tương ứng. Hoặc bằng con đường từ rượu tổng hợp: bằng cách cho olefin1 phản ứng với H2SO4, rồi thủy phân (thu được rượu bậc 2). Trong thương mại, loại này có tên gọi: tecitol 15s7, union caride 15s9... Chất hoạt động bề mặt không sinh ion được phân loại thành các dạng cơ bản sau: Copolimer có công thức chung: HO(OE)n(OP)m(OE)nH, hoặc HO(OP)n (OE)m(EP)nH. Tỷ số PO/OE có thể thay đổi: 4 1 hoặc 9 1. Trọng lượng phân tử thấp nhất: 2000đvC, thông dụng nhất hiện nay là loại n=2 và m=30, chúng tạo bọt kém nên dùng phổ biến trong các sản phẩm tẩy rửa chuyên dùng cho máy: máy rửa chén, máy giặt, không gây hại cho môi trường, độc tính yếu. Tuy nhiên dùng lượng không lớn vì khả năng phân hủy sinh học chậm. Các oxit amin, ankyl amin, rượu amit, polyglycerol ete, polyglucosit (APG)... Nhóm này có tính chất nổi trội là rất ổn định với chất tẩy có clo, nước javel, chất 11
oxy hóa... thường dùng làm tác nhân nền, tăng tính ổn định bọt, làm sệt, tạo ánh ánh xà cừ cho sản phẩm ... đặc biệt dễ bị phân hủy sinh học, đó là oxit amin, ankyl amin, ankylmonoetanolamit, polyglycerol ete, ankyl polyglucosit (APG), sunfonat Betain, ankylaminopropylsunfo betain, betain etoxy hóa. Một số non ionic tiêu biểu là: Các rượu béo ethoxy hóa R O (CH2-CH2O)n H Các copolymer oxít ethylen (OE) và oxít propylen (OP) Các amide H (O-CH2-CH2)m O (CH2-CH-O)n (O-CH2-CH2)m-H H CH2-CH2-OH R C N R C N O CH2-CH2-OH O CH2-CH2-OH Alkyl monoethanol amide Alkyl diethanol amide Polyglycerol ester R (OCH2-CH)n - OH R CHOH-CH2-(OCH2-CHOH-CH2)n -OH CH2OH Các alkylpolyglucosit (APG) CH2OH O OH O O R n = 13 và R = C9C13 OH n 1.3.2 Chất hoạt động bề mặt anion Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động bề mặt âm, chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử hay chính là mạch Hidrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt. Đó là chất hoạt động bề mặt anion 12
Có khả năng hoạt động bề mặt mạnh nhất so với các loại khác. Làm tác động tẩy rửa chính trong khi phối liệu. Khả năng lấy dầu cao. Tạo bọt to nhưng kém bền... Bị thụ động hóa hay mất khả năng tẩy rửa trong nước cứng, cứng tạm thời, các ion kim loại nặng (Fe3+, Cu2+...) Chất hoạt động bề mặt anion rất đa dạng và từ rất lâu con người đã biết sử dụng trong công việc giặt giũ. Chia làm hai loại chính. Có nguồn gốc thiên nhiên: Đó chính là sản phẩm từ phản ứng xà phòng hóa của các estec axit béo với glyxerin (dầu cọ, dầu dừa, dầu nành, dầu lạc, dầu cao su... mỡ heo, mỡ cừu, mỡ bò, mỡ hải cẩu, mỡ cá voi...) Có nguồn gốc từ dầu mỏ: Thông qua phản ứng ankyl hóa, sunfo hóa các dẫn xuất anlkyl, aryl, ankylbenzen sunfonic. Các chất hoạt động bề mặt anion thường dùng trong chất tẩy rửa là: Akyl benzen sulfonat (ABS) ABS nhánh CH3 CH3 CH3 H3C C CH2 C CH2 C CH3 CH3 CH3 - SO3 ABS thẳng (LAS: Linear Alkylbenzene sulffonate) - H3C (CH2)n SO3 Parafin sulfonate ( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate) H H3C (CH2)n C (CH2)m CH3 Sulfat rượu bậc một ( PAS: Primery - Alcohol Sulfate) SO3 - R O SO3 13
Axít Olefin Sulfonic (AOS) - CH3 (CH2)m CH CH (CH2)n SO3 m + n = 9 15 Alkyl Ether Sulfate ( LES: Lauryl Ether Sulfate) - R O (CH2-CH2-O)n SO3 Xà bông O R C O 1.3.3 Chất hoạt động bề mặt cation Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động bề mặt dương, chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử hay chính là mạch Hidrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt. Có khả năng hoạt động bề mặt không cao. Chất hoạt động bề mặt cation có nhóm ái nước là ion dương, ion dương thông thường là các dẫn xuất của muối amin bậc bốn của clo. Các chất hoạt động bề mặt cation êm dịu với da, tẩy dầu ít, không dùng với mục đích tạo bọt. Làm bền bọt, tạo nhũ tốt... Có khả năng phân giải sinh học kém, hiện nay người ta dùng clorua ditearyl diamin amoni bậc bốn vì khả năng phân giải sinh học tốt hơn. Tương lai trên thị trường, sẽ có các cation dạng nhóm chức este dễ phân giải sinh học hơn cho môi trường, và giảm khả năng gây dị ứng khi sử dụng. Chủ yếu làm triệt tiêu tĩnh điện cho tóc, vải sợi... nên lượng dùng rất ít. Công thức hóa học chung của chúng là: R1 R3 + N X R2 R4 Các cationic thường dùng là: Các hợp chất chỉ có một dây alkyl 14
R-CH2 CH3 + N Cl H3C CH3 Các hợp chất có hai dây alkyl R CH3 + N Cl R CH3 Các imidazolin bậc bốn + N N (CH2)2NH C R H3C O R O R C O-CH2-CH2 CH3 + CH3SO4- O N R C O-CH2-CH2 CH2-CH2OH Các ester amoni thế bốn lần Dialkyl este thế bốn lần của methosulfate triethanolamin 1.3.4 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính Những chất hoạt động bề mặt mà tùy theo môi trường là axit hay bazơ mà có hoạt tính cation với axit hay anion với bazơ, hay nói cách khác là chất hoạt động bề mặt có các nhóm lưỡng cực vừa tích điện âm vừa tích điện dương (amin, este). Có khả năng hoạt động bề mặt không cao, Ở pH thấp chúng là chất hoạt động bề mặt cationic và là anionic ở pH cao. Có khả năng phân hủy sinh học. Lượng dùng khoảng 0,2% 1% trong các sản phẩm tẩy rửa. Phân loại: Trong nhóm các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, hiện nay các dẫn xuất từ betain được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng gồm các nhóm chính sau: Ankylamino propyl betain. 15
Khi R là gốc lauryl thì có tính tẩy rửa rất tốt, khả năng tạo bọt mạnh, không là khô da, dịu cho da... hiện nay trên thị trường thường thấy phối trong: dầu gội, sữa tắm, nước rửa chén... với tên gọi: cocoamino propyl betain (CAPB). Các chất hoạt đông bề mặt lưỡng tính thường dùng là: Alkyl amido propyl betain O CH3 + R C NH (CH2)3 N CH2 C O CH3 O Sulfonate betain CH3 + - R N CH2 CH CH2 SO3 CH3 OH Alkyl amidopropyl sulfobetain O CH3 R C NH + - CH2-CH2-CH2 N CH2 CH CH2 SO3 CH3 OH Betain ethoxy C2H4OH + O R N CH2 C C2H4OH O 1.4. Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt có rất nhiều ứng dụng, các ứng dụng tiêu biểu được nêu ra trong bảng 1.4. Baûng 1.4. Moät soá öùng duïng tieâu bieåu cuûa chaát hoaït ñoäng beà maët 16
Lĩnh vực sử dụng Chức năng Sản phẩm chăm sóc cá nhân Tẩy rửa, nhũ hóa, bôi trơn, chống tĩnh điện ( Personal care product) (antistatic) Sản phẩm tẩy rửa gia đình và công Tẩy rửa, thấm ướt, kiểm soát bọt, nhũ hóa và nghiệp ( Household & Industrial chống tĩnh điện Laudry & Cleaning product) Hoá chất nông nghiệp Nhũ hóa, thấm ướt, performance enhancement ( Agrochemicals) Kỹ thuật (cơ khí) Tẩy rửa, nhũ hóa và bôi trơn. Gia công sợi ( Fibre Processing) Bôi trơn và chống tĩnh điện Phụ gia thực phẩm Nhũ hóa và bền hóa (ổn định) Chế biến thực phẩm Tẩy rửa, thấm ướt, kiểm soát bọt Dầu mỏ Nhũ hóa/phá nhũ, tẩy, thu hồi dầu trầm tích Sơn và latex Nhũ hóa, ổn định và phân tán pigment Polymer Chất trợ gia công/sản xuất, chất chống tĩnh điện Dệt Tẩy giặt, thấm ướt và đều màu, trợ phân tán. 1.5 Cơ chế tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt Sự tẩy rửa được định nghĩa là “làm sạch bề mặt của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt, chất tẩy rửa, theo một tiến trình hóa lý khác hẳn với việc hòa tan đơn thuần”. Sự tẩy rửa bao gồm: Lấy đi các vết bẩn khỏi các bề mặt rắn ( vật dụng, vải vóc) Giữ các vết bẩn đã lấy đi đang lơ lửng để tránh cho chúng khỏi bám lại trên các quần áo ( hiện tượng chống tái bám ). Vết bẩn được khảo sát bao gồm vết bẩn không phân cực (vết bẩn dầu mỡ) và vết bẩn dạng hạt (các hạt mịn). Các vết bẩn chất béo và dạng hạt này có thể tồn tại độc lập hay hòa lẫn với nhau. 17
Vết bẩn chất béo có thể do từ bã nhờn của con người xúc với các chất béo ởmôi trường (thức ăn, mỹ phẩm , dầu máy.....). Các vết bẩn dạng hạt gồm oxit kim loại, đất hay hợp chất carbon như lọ nồi.... Để giải thích quá trình tẩy rửa đơn giản hơn người ta xét hai loại vết bẩn này riêng biệt. 1.5.1 Tẩy rửa các chất bẩn là chất béo a) Thuyết nhiệt động – phương pháp Lanza xét một chất béo H (dầu) và một bề mặt rắn F (sợi). Việc vấy bẩn F do H có thể dược biểu diễn qua sơ đồ hình 1.5 Hình 1.5: Vấy bẩn do một vết bẩn chất béo Khi giọt dầu H (thể I) tiếp xúc với sợi F (thể II), thì giọt dầu trải ra cho đến khi đạt một thế cân bằng với một góc tiếp xúc, được xác định bởi bề mặt của sợi và đường tiếp tiyến của giao diện dầu/khí. Năng lượng tự do của thể II có thể được viết theo phương trình sau đây: EFA = EFH + EHA.cos (1) Trong đó: EFA: năng lượng tự do sợi/khí EFH: năng lượng tự do sợi/dầu EHA: năng lượng tự do dầu/khí Năng lượng tự do tính trên một đơn vị diện tích thì bằng sức căng giao diện hay bề mặt. Phương trình (1) được viết thành: γFA = γFH + γHA.cos (2) Bên cạnh đó, công gắn chặt chất lỏng H vào chất nền F được biểu diễn bằng phương trình: WFH = γFA + γHA γFH (3) 18
Theo phương trình này, người ta thấy rằng gây bẩn càng dễ dàng bao nhiêu thì công gắn chặt chất lỏng WFH càng yếu đi bấy nhiêu. Để được như vậy chỉ cần sức căng bề mặt F (γFA) hay sức căng bề mặt của H (γHA) yếu đi. Các bề mặt không cực (dầu, polyeste,…) có sức căng bề mặt yếu nên các chất béo bám chặt vào các sợi polyeste rất dễ dàng. Trái lại, bông sợi có cực, có sức căng bề mặt lớn hơn và vì vậy nó bị dây bẩn dầu khó khăn hơn. Gột tẩy vết bẩn có chất béo H khỏi một bề mặt F , được biểu diễn bởi sơ đồ hình 1.6. Hình 1.6: Gột tẩy vết bẩn có chất béo Trước khi tẩy ( vấy bẩn) năng lượng tự do của hệ được biểu diễn là: EII = γHF + γHE Sau khi tách khỏi bề mặt sợi (F) (sau khi tẩy sạch), trong thể III, năng lượng tự do được biểu diễn bằng: EIII = γFE + 2γHE (ta có 2γHE vì trong thể III, người ta đã tạo nên một phân giới H/E phụ thêm). Công cần thiết để tẩy là: W = EIII –EII = γFE + 2γHE –( γHF + γHE) = γFE + γHE – γHF Theo phương trình này, người ta thấy rằng công càng yếu hơn (do đó gột tẩy dễ hơn) thì hai giá trị γFE và γHE cũng yếu hơn và giá trị γHF lại lớn hơn. Theo những dữ kiện nhiệt động học, điều kiện cần thiết cho quá trình tẩy rửa tự xảy là : W
b) Cơ chế rolling up ( cuốn đi) Thuyết Rolling up của Stevenson đề nghị vào năm 1953 như sau: Hình 1.7: Cơ chế cuốn đi Việc tẩy đi các vết bẩn tử thể II sang thể IV qua thể trung gian III. Khi cân bằng, hợp lực của ba vectơ γFE, γHE , γHF được biểu diễn bằng phương trình: γFE = γHE + γHF cos Để tẩy đi vết bẩn phải bằng 180o hay cos = 1 hay γHF = γFE + γHE Chất hoạt động bề mặt do chúng hấp phụ lên sợi và vết bẩn làm giảm các sức căng giao diện sợi/nước và bẩn/nước, lúc đó màng dầu sẽ cuốn lại và tách khỏi sợi do lực cơ học như chà xát ( giặt bằng tay hay bằng máy). c) Cơ chế hòa tan hóa Cơ chế rolling up chỉ liên quan đến vết bẩn dạng lỏng có chất béo và nhờ chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng giao diện. Sau khi nồng độ chất hoạt động bề mặt vượt quá trị số CMC thì hiệu ứng rolling up không tăng nhưng thực nghiệm cũng cho thấy quá trình tẩy giặt vẫn tăng. Cần có cơ chế giải thích khác. Cơ chế hòa tan được đề nghị bởi Mc Bam vào năm 1942 và phát triển bởi Ginn, Brown và Harris năm 1961. Các phân tử chất hoạt động bề mặt kết hợp với nhau trong các dung dịch để hình thành micell ở nồng độ CMC. Rất nhiều hợp chất không tan trong nước như acid béo, rượu béo, triglyceride, hydrocarbon được hòa tan bên trong các micell và sự hòa tan này xảy ra khhi nồng độ chất hoạt động bề mặt cao hơn CMC. 20