ตามตาราง สารลดแรงตึงผิวที่เหมาะสำหรับใช้เป็นอิมัลซิไฟเออร์แบบน้ำมันในน้ำจะมีค่า HLB อยู่ที่ 3.5 ถึง 6 ในขณะที่สารลดแรงตึงผิวที่เหมาะสำหรับใช้เป็นอิมัลซิไฟเออร์แบบน้ำในน้ำมันจะมีค่าอยู่ระหว่าง 8 ถึง 18

② การกำหนดค่า HLB (ละเว้น)

07 การทำให้เป็นอิมัลชันและการละลาย

อิมัลชันคือระบบที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวที่ไม่สามารถผสมกันได้กระจายตัวอยู่ในอีกของเหลวหนึ่งในรูปของอนุภาคขนาดเล็ก (หยดของเหลวหรือผลึกเหลว) อิมัลซิไฟเออร์ ซึ่งเป็นสารลดแรงตึงผิวชนิดหนึ่ง มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาเสถียรภาพของระบบที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์นี้ โดยการลดพลังงานระหว่างชั้น เฟสที่มีอยู่ในรูปหยดของเหลวในอิมัลชันเรียกว่า เฟสกระจายตัว (หรือเฟสภายใน) ในขณะที่เฟสที่ก่อตัวเป็นชั้นต่อเนื่องเรียกว่า ตัวกลางกระจายตัว (หรือเฟสภายนอก)

① อิมัลซิไฟเออร์และอิมัลชัน

อิมัลชันทั่วไปมักประกอบด้วยเฟสหนึ่งเป็นน้ำหรือสารละลายในน้ำ และอีกเฟสหนึ่งเป็นสารอินทรีย์ เช่น น้ำมันหรือขี้ผึ้ง ขึ้นอยู่กับการกระจายตัว อิมัลชันสามารถจำแนกได้เป็นน้ำในน้ำมัน (W/O) ซึ่งน้ำมันจะกระจายตัวในน้ำ หรือน้ำมันในน้ำ (O/W) ซึ่งน้ำจะกระจายตัวในน้ำมัน นอกจากนี้ อิมัลชันเชิงซ้อน เช่น W/O/W หรือ O/W/O ก็สามารถมีอยู่ได้ อิมัลซิไฟเออร์ทำให้อิมัลชันคงตัวโดยการลดแรงตึงผิวและสร้างเยื่อโมโนโมเลกุล อิมัลซิไฟเออร์ต้องดูดซับหรือสะสมที่ส่วนต่อประสานเพื่อลดแรงตึงผิวและถ่ายเทประจุให้กับหยดของเหลว ทำให้เกิดแรงผลักไฟฟ้าสถิต หรือสร้างฟิล์มป้องกันความหนืดสูงรอบอนุภาค ดังนั้น สารที่ใช้เป็นอิมัลซิไฟเออร์จึงต้องมีหมู่แอมฟิฟิลิก ซึ่งเป็นสารลดแรงตึงผิว

② วิธีการเตรียมอิมัลชันและปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อเสถียรภาพ

การเตรียมอิมัลชันมีสองวิธีหลักๆ คือ วิธีเชิงกล (mechanical method) กระจายของเหลวให้เป็นอนุภาคขนาดเล็กในของเหลวอีกชนิดหนึ่ง ในขณะที่วิธีที่สอง (second method) คือการละลายของเหลวในรูปโมเลกุลในของเหลวอีกชนิดหนึ่งและทำให้ของเหลวรวมตัวกันอย่างเหมาะสม ความเสถียรของอิมัลชันหมายถึงความสามารถในการต้านทานการรวมตัวของอนุภาคซึ่งนำไปสู่การแยกเฟส อิมัลชันเป็นระบบที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์และมีพลังงานอิสระสูงกว่า ดังนั้นความเสถียรของอิมัลชันจึงสะท้อนถึงเวลาที่ใช้ในการเข้าสู่ภาวะสมดุล นั่นคือเวลาที่ของเหลวใช้ในการแยกตัวออกจากอิมัลชัน เมื่อมีแอลกอฮอล์ไขมัน กรดไขมัน และเอมีนไขมันอยู่ในฟิล์มส่วนต่อประสาน ความแข็งแรงของเมมเบรนจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากโมเลกุลอินทรีย์ที่มีขั้วจะก่อตัวเป็นสารเชิงซ้อนในชั้นที่ถูกดูดซับ ซึ่งช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับเมมเบรนส่วนต่อประสาน

อิมัลซิไฟเออร์ที่ประกอบด้วยสารลดแรงตึงผิวตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป เรียกว่า อิมัลซิไฟเออร์แบบผสม อิมัลซิไฟเออร์แบบผสมจะดูดซับที่บริเวณรอยต่อระหว่างน้ำกับน้ำมัน และปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลสามารถก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่ลดแรงตึงผิวระหว่างชั้นได้อย่างมีนัยสำคัญ เพิ่มปริมาณสารดูดซับและสร้างเยื่อระหว่างชั้นที่หนาแน่นและแข็งแรงขึ้น

หยดของเหลวที่มีประจุไฟฟ้ามีอิทธิพลอย่างมากต่อเสถียรภาพของอิมัลชัน ในอิมัลชันที่เสถียร หยดของเหลวมักจะมีประจุไฟฟ้า เมื่อใช้อิมัลซิไฟเออร์แบบไอออนิก ปลายด้านที่ไม่ชอบน้ำของสารลดแรงตึงผิวไอออนิกจะถูกรวมเข้ากับเฟสน้ำมัน ในขณะที่ปลายด้านที่ชอบน้ำจะยังคงอยู่ในเฟสน้ำ ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าแก่หยดของเหลว ประจุไฟฟ้าที่เหมือนกันระหว่างหยดของเหลวจะทำให้เกิดแรงผลักและป้องกันการรวมตัว ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพ ดังนั้น ยิ่งความเข้มข้นของไอออนอิมัลซิไฟเออร์ที่ดูดซับบนหยดของเหลวมากเท่าใด ประจุไฟฟ้าของไอออนอิมัลซิไฟเออร์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และความเสถียรของอิมัลชันก็จะสูงขึ้นเท่านั้น

ความหนืดของตัวกลางแบบกระจายตัวยังส่งผลต่อเสถียรภาพของอิมัลชัน โดยทั่วไป ตัวกลางที่มีความหนืดสูงจะช่วยเพิ่มเสถียรภาพเนื่องจากสามารถยับยั้งการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของหยดของเหลวได้ดีกว่า จึงช่วยลดโอกาสการชนกัน สารที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงที่ละลายในอิมัลชันสามารถเพิ่มความหนืดและเสถียรภาพของสารได้ นอกจากนี้ สารที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงยังสามารถสร้างเมมเบรนที่แข็งแรงซึ่งจะช่วยเสริมความเสถียรของอิมัลชัน ในบางกรณี การเติมผงของแข็งก็สามารถทำให้อิมัลชันเสถียรได้เช่นกัน หากอนุภาคของแข็งเปียกน้ำทั้งหมดและสามารถเปียกน้ำมันได้ อนุภาคเหล่านั้นจะถูกกักเก็บไว้ที่รอยต่อระหว่างน้ำและน้ำมัน ผงของแข็งจะช่วยรักษาเสถียรภาพของอิมัลชันโดยการเพิ่มฟิล์มเมื่อรวมตัวกันที่รอยต่อระหว่างน้ำและน้ำมัน เช่นเดียวกับสารลดแรงตึงผิวที่ถูกดูดซับ

สารลดแรงตึงผิวสามารถเพิ่มความสามารถในการละลายของสารประกอบอินทรีย์ที่ไม่ละลายน้ำหรือละลายได้เล็กน้อยในน้ำได้อย่างมีนัยสำคัญหลังจากเกิดไมเซลล์ในสารละลาย ณ เวลานี้ สารละลายจะปรากฏใส และความสามารถนี้เรียกว่า การละลาย (solubilization) สารลดแรงตึงผิวที่สามารถส่งเสริมการละลายเรียกว่า สารทำให้ละลาย (solubilizers) ในขณะที่สารประกอบอินทรีย์ที่ถูกทำให้ละลายเรียกว่า สารทำให้ละลาย (solubilates)

08 โฟม

โฟมมีบทบาทสำคัญในกระบวนการซักล้าง โฟมหมายถึงระบบการกระจายตัวของก๊าซที่กระจายตัวอยู่ในของเหลวหรือของแข็ง โดยมีก๊าซเป็นเฟสกระจายตัว และของเหลวหรือของแข็งเป็นตัวกลางกระจายตัว เรียกว่าโฟมเหลวหรือโฟมแข็ง เช่น โฟมพลาสติก โฟมแก้ว และโฟมคอนกรีต

(1) การก่อตัวของโฟม

คำว่าโฟมหมายถึงกลุ่มของฟองอากาศที่แยกออกจากกันด้วยฟิล์มของเหลว เนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างก๊าซ (เฟสกระจายตัว) และของเหลว (ตัวกลางกระจายตัว) ค่อนข้างมาก และความหนืดต่ำของของเหลว ฟองอากาศจึงลอยขึ้นสู่ผิวน้ำอย่างรวดเร็ว การเกิดโฟมเกี่ยวข้องกับการเติมก๊าซจำนวนมากลงในของเหลว จากนั้นฟองอากาศจะกลับขึ้นสู่ผิวน้ำอย่างรวดเร็ว ก่อให้เกิดกลุ่มฟองอากาศที่แยกออกจากกันด้วยฟิล์มของเหลวขนาดเล็ก โฟมมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่โดดเด่นสองประการ ประการแรก ฟองอากาศมักมีรูปร่างหลายเหลี่ยม เนื่องจากฟิล์มของเหลวบางๆ ที่จุดตัดของฟองอากาศมีแนวโน้มที่จะบางลง ซึ่งในที่สุดนำไปสู่การแตกของฟอง ประการที่สอง ของเหลวบริสุทธิ์ไม่สามารถสร้างโฟมที่เสถียรได้ ต้องมีองค์ประกอบอย่างน้อยสองอย่างจึงจะสร้างโฟมได้ สารละลายสารลดแรงตึงผิวเป็นระบบการสร้างโฟมโดยทั่วไป ซึ่งความสามารถในการสร้างโฟมเชื่อมโยงกับคุณสมบัติอื่นๆ สารลดแรงตึงผิวที่มีความสามารถในการสร้างโฟมที่ดีเรียกว่าสารสร้างโฟม แม้ว่าสารสร้างโฟมจะมีความสามารถในการสร้างโฟมที่ดี แต่โฟมที่เกิดขึ้นอาจอยู่ได้ไม่นาน ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถรับประกันความเสถียรของโฟมได้ เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของโฟม อาจมีการเติมสารที่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพเข้าไป ซึ่งเรียกว่าสารทำให้คงตัว โดยสารทำให้คงตัวทั่วไปได้แก่ ลอริลไดเอทาโนลามีนและออกไซด์ของโดเดซิลไดเมทิลเอมีน

(2) ความเสถียรของโฟม

โฟมเป็นระบบที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ การเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของโฟมนำไปสู่การแตกร้าว ส่งผลให้พื้นที่ผิวของเหลวโดยรวมลดลงและพลังงานอิสระลดลง กระบวนการลดฟองเกี่ยวข้องกับการทำให้ฟิล์มของเหลวบางลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปเพื่อแยกก๊าซออกจากกันจนกระทั่งเกิดการแตกร้าว ระดับความเสถียรของโฟมได้รับอิทธิพลหลักจากอัตราการระบายของเหลวและความแข็งแรงของฟิล์มของเหลว ปัจจัยที่มีอิทธิพลประกอบด้วย:

① แรงตึงผิว: จากมุมมองของพลังงาน แรงตึงผิวที่ต่ำเอื้อต่อการเกิดโฟม แต่ไม่ได้รับประกันความเสถียรของโฟม แรงตึงผิวที่ต่ำบ่งชี้ถึงความแตกต่างของแรงดันที่น้อยกว่า ส่งผลให้ของเหลวไหลออกช้าลงและฟิล์มของเหลวหนาขึ้น ซึ่งทั้งสองอย่างนี้เอื้อต่อความเสถียร

② ความหนืดพื้นผิว: ปัจจัยสำคัญต่อเสถียรภาพของโฟมคือความแข็งแรงของฟิล์มของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่พิจารณาจากความทนทานของฟิล์มดูดซับพื้นผิว ซึ่งวัดจากความหนืดพื้นผิว ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าสารละลายที่มีความหนืดพื้นผิวสูงจะผลิตโฟมที่คงทนยาวนานขึ้น เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่เพิ่มขึ้นในฟิล์มดูดซับ ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงของเมมเบรนได้อย่างมีนัยสำคัญ

③ ความหนืดของสารละลาย: ความหนืดที่สูงขึ้นในของเหลวเองจะทำให้การระบายของเหลวออกจากเมมเบรนช้าลง จึงยืดอายุการใช้งานของฟิล์มของเหลวก่อนที่จะเกิดการแตกออก ส่งผลให้โฟมมีเสถียรภาพมากขึ้น

④ ปฏิกิริยา “ซ่อมแซม” แรงตึงผิว: สารลดแรงตึงผิวที่ดูดซับเข้าสู่เมมเบรนสามารถต้านการขยายตัวหรือการหดตัวของพื้นผิวฟิล์มได้ ซึ่งเรียกว่าปฏิกิริยาซ่อมแซม เมื่อสารลดแรงตึงผิวดูดซับเข้าสู่ฟิล์มของเหลวและขยายพื้นที่ผิว ความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวที่พื้นผิวจะลดลงและเพิ่มแรงตึงผิว ในทางกลับกัน การหดตัวจะนำไปสู่ความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวและส่งผลให้แรงตึงผิวลดลง

⑤ การแพร่กระจายของก๊าซผ่านฟิล์มของเหลว: เนื่องจากความดันแคปิลลารี ฟองอากาศขนาดเล็กมักจะมีความดันภายในสูงกว่าฟองอากาศขนาดใหญ่ ทำให้เกิดการแพร่กระจายของก๊าซจากฟองอากาศขนาดเล็กไปยังฟองอากาศขนาดใหญ่ ทำให้ฟองอากาศขนาดเล็กหดตัวและฟองอากาศขนาดใหญ่ขยายตัว ส่งผลให้โฟมยุบตัวในที่สุด การใช้สารลดแรงตึงผิวอย่างสม่ำเสมอจะทำให้เกิดฟองอากาศที่กระจายตัวสม่ำเสมอและละเอียด และยับยั้งการเกิดฟองอากาศ เมื่อสารลดแรงตึงผิวอัดแน่นอยู่ในฟิล์มของเหลว การแพร่กระจายของก๊าซจะถูกขัดขวาง ส่งผลให้โฟมมีเสถียรภาพมากขึ้น

6. ผลของประจุพื้นผิว: หากฟิล์มของเหลวโฟมมีประจุเท่ากัน พื้นผิวทั้งสองจะผลักกัน ป้องกันไม่ให้ฟิล์มบางลงหรือแตกออก สารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิกสามารถให้ผลการรักษาเสถียรภาพนี้ได้ สรุปได้ว่า ความแข็งแรงของฟิล์มของเหลวเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดเสถียรภาพของโฟม สารลดแรงตึงผิวที่ทำหน้าที่เป็นสารสร้างฟองและสารคงตัวจะต้องสร้างโมเลกุลที่ดูดซับบนพื้นผิวที่อัดแน่น เนื่องจากสิ่งนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลระหว่างส่วนต่อประสาน ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของฟิล์มพื้นผิว และป้องกันไม่ให้ของเหลวไหลออกจากฟิล์มข้างเคียง ทำให้โฟมมีเสถียรภาพมากขึ้น

(3) การทำลายโฟม

หลักการพื้นฐานของการทำลายโฟมเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสภาวะที่ก่อให้เกิดโฟม หรือการกำจัดปัจจัยที่ทำให้โฟมคงตัว ซึ่งนำไปสู่วิธีการกำจัดโฟมทางกายภาพและทางเคมี การกำจัดโฟมทางกายภาพจะรักษาองค์ประกอบทางเคมีของสารละลายโฟมไว้ พร้อมกับเปลี่ยนแปลงสภาวะต่างๆ เช่น การรบกวนจากภายนอก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ หรือความดัน รวมถึงการใช้คลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งล้วนเป็นวิธีการกำจัดโฟมที่มีประสิทธิภาพ การกำจัดโฟมทางเคมีหมายถึงการเติมสารบางชนิดที่ทำปฏิกิริยากับสารก่อโฟมเพื่อลดความแข็งแรงของฟิล์มของเหลวภายในโฟม ลดความเสถียรของโฟม และทำให้เกิดการกำจัดโฟม สารเหล่านี้เรียกว่าสารลดฟอง (defoamers) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารลดแรงตึงผิว โดยทั่วไปแล้วสารลดฟองจะมีคุณสมบัติเด่นในการลดแรงตึงผิว และสามารถดูดซับลงสู่พื้นผิวได้ง่าย โดยมีปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสารที่น้อยกว่า ทำให้เกิดโครงสร้างโมเลกุลที่จัดเรียงอย่างหลวมๆ ประเภทของสารลดฟองมีหลากหลาย แต่โดยทั่วไปแล้วจะเป็นสารลดแรงตึงผิวที่ไม่ใช่ไอออนิก โดยมีแอลกอฮอล์แบบกิ่ง กรดไขมัน เอสเทอร์ของกรดไขมัน โพลีเอไมด์ ฟอสเฟต และน้ำมันซิลิโคน ซึ่งมักใช้เป็นสารลดฟองที่ดีเยี่ยม

(4) โฟมและการทำความสะอาด

ปริมาณโฟมไม่ได้สัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพในการทำความสะอาด ยิ่งมีโฟมมากเท่าไหร่ก็ไม่ได้หมายความว่าจะทำความสะอาดได้ดีขึ้นเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น สารลดแรงตึงผิวแบบไม่มีประจุอาจผลิตโฟมน้อยกว่าสบู่ แต่อาจมีความสามารถในการทำความสะอาดที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม ในบางสถานการณ์ โฟมสามารถช่วยขจัดสิ่งสกปรกได้ เช่น โฟมจากจานล้างช่วยขจัดคราบไขมัน ในขณะที่การทำความสะอาดพรมช่วยให้โฟมสามารถขจัดสิ่งสกปรกและสิ่งปนเปื้อนที่เป็นของแข็งได้ นอกจากนี้ โฟมยังสามารถบ่งบอกถึงประสิทธิภาพของผงซักฟอกได้ ไขมันส่วนเกินที่มากเกินไปมักจะยับยั้งการเกิดฟอง ทำให้ไม่มีฟองหรือทำให้โฟมที่มีอยู่เดิมลดลง ซึ่งบ่งชี้ว่าประสิทธิภาพของผงซักฟอกต่ำ นอกจากนี้ โฟมยังสามารถเป็นตัวบ่งชี้ความสะอาดของการล้าง เนื่องจากระดับโฟมในน้ำล้างมักจะลดลงเมื่อความเข้มข้นของผงซักฟอกลดลง

09 กระบวนการซัก

โดยทั่วไปแล้ว การล้างคือกระบวนการกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ต้องการออกจากวัตถุที่ต้องการทำความสะอาดเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้ว การล้างหมายถึงการกำจัดสิ่งสกปรกออกจากพื้นผิวของตัวพา ในระหว่างการล้าง สารเคมีบางชนิด (เช่น ผงซักฟอก) จะทำหน้าที่ลดหรือขจัดปฏิกิริยาระหว่างสิ่งสกปรกและตัวพา โดยเปลี่ยนพันธะระหว่างสิ่งสกปรกและตัวพาให้กลายเป็นพันธะระหว่างสิ่งสกปรกและผงซักฟอก ทำให้สามารถแยกออกจากกันได้ เนื่องจากวัตถุที่ต้องการทำความสะอาดและสิ่งสกปรกที่ต้องการกำจัดอาจแตกต่างกันอย่างมาก การล้างจึงเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถสรุปความสัมพันธ์ได้ดังนี้:

สารตกค้าง • สิ่งสกปรก + ผงซักฟอก = สารตกค้าง + สิ่งสกปรก • ผงซักฟอก โดยทั่วไปกระบวนการซักสามารถแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน:

1. สิ่งสกปรกจะถูกแยกออกจากตัวพาภายใต้การทำงานของผงซักฟอก

2. สิ่งสกปรกที่แยกออกมาจะกระจายตัวและแขวนลอยอยู่ในตัวกลาง กระบวนการซักสามารถย้อนกลับได้ หมายความว่าสิ่งสกปรกที่กระจายตัวหรือแขวนลอยอาจตกตะกอนลงบนผ้าที่ทำความสะอาดแล้วได้ ดังนั้น ผงซักฟอกที่มีประสิทธิภาพจึงไม่เพียงแต่ต้องสามารถแยกสิ่งสกปรกออกจากตัวพา แต่ยังต้องสามารถกระจายตัวและแขวนลอยสิ่งสกปรก เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกตกตะกอนซ้ำ

(1) ประเภทของสิ่งสกปรก

แม้แต่สิ่งของเพียงชิ้นเดียวก็สามารถสะสมสิ่งสกปรกได้หลากหลายประเภท ส่วนประกอบ และปริมาณ ขึ้นอยู่กับบริบทการใช้งาน สิ่งสกปรกประเภทน้ำมันประกอบด้วยน้ำมันจากสัตว์และพืชหลายชนิด รวมถึงน้ำมันแร่ (เช่น น้ำมันดิบ น้ำมันเชื้อเพลิง น้ำมันดินถ่านหิน เป็นต้น) สิ่งสกปรกที่เป็นของแข็งประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก เช่น เขม่า ฝุ่น สนิม และคาร์บอนแบล็ก สำหรับสิ่งสกปรกจากเสื้อผ้า อาจเกิดจากสารคัดหลั่งของมนุษย์ เช่น เหงื่อ ไขมัน และเลือด คราบอาหาร เช่น คราบผลไม้หรือคราบน้ำมันและเครื่องปรุงรส คราบตกค้างจากเครื่องสำอาง เช่น ลิปสติกและยาทาเล็บ มลพิษในอากาศ เช่น ควัน ฝุ่น และดิน และคราบอื่นๆ เช่น หมึก ชา และสี โดยทั่วไปสิ่งสกปรกประเภทนี้สามารถจำแนกได้เป็นของแข็ง ของเหลว และชนิดพิเศษ

① สิ่งสกปรกที่เป็นของแข็ง: ตัวอย่างที่พบบ่อย ได้แก่ เขม่า โคลน และฝุ่นละออง ซึ่งส่วนใหญ่มักจะมีประจุไฟฟ้า ซึ่งมักมีประจุลบ ซึ่งสามารถเกาะติดกับวัสดุที่มีเส้นใยได้ง่าย โดยทั่วไปสิ่งสกปรกที่เป็นของแข็งจะละลายน้ำได้น้อยกว่า แต่สามารถกระจายตัวและแขวนลอยอยู่ในผงซักฟอกได้ อนุภาคขนาดเล็กกว่า 0.1 ไมโครเมตรอาจกำจัดออกได้ยากเป็นพิเศษ

② คราบน้ำมัน: ได้แก่ สารที่มีน้ำมันซึ่งละลายในน้ำมันได้ ประกอบด้วยน้ำมันจากสัตว์ กรดไขมัน แอลกอฮอล์ไขมัน น้ำมันแร่ และออกไซด์ของน้ำมันเหล่านั้น แม้ว่าน้ำมันจากสัตว์และพืช รวมถึงกรดไขมันจะทำปฏิกิริยากับด่างเพื่อสร้างสบู่ได้ แต่แอลกอฮอล์ไขมันและน้ำมันแร่จะไม่เกิดปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชัน แต่สามารถละลายได้ด้วยแอลกอฮอล์ อีเทอร์ และไฮโดรคาร์บอนอินทรีย์ และสามารถทำให้เป็นอิมัลชันและกระจายตัวได้ด้วยสารละลายผงซักฟอก คราบน้ำมันที่เป็นของเหลวมักจะเกาะติดแน่นกับวัสดุเส้นใยเนื่องจากปฏิกิริยาที่รุนแรง

③ สิ่งสกปรกพิเศษ: สิ่งสกปรกประเภทนี้ประกอบด้วยโปรตีน แป้ง เลือด และสารคัดหลั่งจากร่างกาย เช่น เหงื่อและปัสสาวะ รวมถึงน้ำผลไม้และน้ำชา สารเหล่านี้มักเกาะติดกับเส้นใยอย่างแน่นหนาผ่านปฏิกิริยาทางเคมี ทำให้ล้างออกยากขึ้น สิ่งสกปรกแต่ละประเภทมักแยกกันไม่ออก แต่จะผสมรวมกันและเกาะติดกับพื้นผิว บ่อยครั้งภายใต้อิทธิพลภายนอก สิ่งสกปรกสามารถเกิดออกซิเดชัน สลายตัว หรือสลายตัว ก่อให้เกิดสิ่งสกปรกรูปแบบใหม่

(2) การยึดเกาะของสิ่งสกปรก

สิ่งสกปรกเกาะติดกับวัสดุต่างๆ เช่น เสื้อผ้าและผิวหนัง เนื่องจากปฏิกิริยาบางอย่างระหว่างวัตถุกับสิ่งสกปรก แรงยึดเกาะระหว่างสิ่งสกปรกกับวัตถุอาจเกิดจากการยึดติดทางกายภาพหรือทางเคมี

① การยึดเกาะทางกายภาพ: การยึดเกาะของสิ่งสกปรก เช่น เขม่า ฝุ่น และโคลน ส่วนใหญ่มักมีปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพที่อ่อนแอ โดยทั่วไปแล้ว สิ่งสกปรกประเภทนี้สามารถกำจัดออกได้ค่อนข้างง่ายเนื่องจากมีการยึดเกาะที่อ่อนแอกว่า ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากแรงทางกลหรือแรงไฟฟ้าสถิต

A: การยึดเกาะทางกล**: โดยทั่วไปจะหมายถึงสิ่งสกปรกที่เป็นของแข็ง เช่น ฝุ่นหรือทราย ที่ยึดเกาะด้วยกลไก ซึ่งขจัดออกได้ค่อนข้างง่าย แม้ว่าอนุภาคขนาดเล็กกว่า 0.1μm จะทำความสะอาดออกได้ค่อนข้างยากก็ตาม

B: การยึดเกาะด้วยไฟฟ้าสถิต**: เกี่ยวข้องกับอนุภาคสิ่งสกปรกที่มีประจุทำปฏิกิริยากับวัสดุที่มีประจุตรงข้าม โดยทั่วไปวัสดุเส้นใยจะมีประจุลบ ซึ่งทำให้ดึงดูดสารยึดเกาะที่มีประจุบวก เช่น เกลือบางชนิด อนุภาคที่มีประจุลบบางชนิดยังคงสะสมอยู่บนเส้นใยเหล่านี้ผ่านสะพานไอออนที่เกิดจากไอออนบวกในสารละลาย

② การยึดเกาะทางเคมี: หมายถึงสิ่งสกปรกที่เกาะติดกับวัตถุด้วยพันธะเคมี ตัวอย่างเช่น สิ่งสกปรกที่มีขั้วหรือวัสดุแข็งอย่างสนิมมีแนวโน้มที่จะเกาะติดแน่นเนื่องจากพันธะเคมีที่เกิดขึ้นกับหมู่ฟังก์ชัน เช่น หมู่คาร์บอกซิล ไฮดรอกซิล หรือเอมีน ที่มีอยู่ในวัสดุเส้นใย พันธะเหล่านี้ก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่รุนแรงขึ้น ทำให้การกำจัดสิ่งสกปรกออกยากขึ้น อาจจำเป็นต้องมีการบำบัดพิเศษเพื่อทำความสะอาดอย่างมีประสิทธิภาพ ระดับการยึดเกาะของสิ่งสกปรกขึ้นอยู่กับทั้งคุณสมบัติของสิ่งสกปรกเองและคุณสมบัติของพื้นผิวที่สิ่งสกปรกเกาะติด

(3) กลไกการกำจัดสิ่งสกปรก

วัตถุประสงค์ของการซักคือการกำจัดสิ่งสกปรก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้กลไกทางกายภาพและทางเคมีที่หลากหลายของผงซักฟอกเพื่อลดการยึดเกาะระหว่างสิ่งสกปรกและผ้าที่ซัก โดยอาศัยแรงทางกลไก (เช่น การขัดด้วยมือ การกวนของเครื่องซักผ้า หรือแรงกระแทกของน้ำ) ซึ่งท้ายที่สุดแล้วนำไปสู่การแยกตัวของสิ่งสกปรก

① กลไกการกำจัดสิ่งสกปรกที่เป็นของเหลว

A: ความเปียก: คราบสกปรกที่เป็นของเหลวส่วนใหญ่มักมีลักษณะเป็นน้ำมันและมีแนวโน้มที่จะทำให้ผ้าที่มีเส้นใยต่างๆ เปียกชื้น ก่อให้เกิดฟิล์มน้ำมันปกคลุมพื้นผิว ขั้นตอนแรกในการซักคือการทำงานของผงซักฟอกที่ทำให้พื้นผิวเปียกชื้น
B: กลไกการม้วนเก็บเพื่อขจัดคราบน้ำมัน: ขั้นตอนที่สองของการกำจัดคราบน้ำมันเกิดขึ้นผ่านกระบวนการม้วนเก็บ คราบน้ำมันที่กระจายตัวเป็นฟิล์มบนพื้นผิวจะค่อยๆ ม้วนตัวเป็นหยดเนื่องจากน้ำยาทำความสะอาดจะซึมซับพื้นผิวที่เป็นเส้นใยได้ดี และสุดท้ายจะถูกแทนที่ด้วยน้ำยาทำความสะอาด

② กลไกการกำจัดสิ่งสกปรกที่เป็นของแข็ง

ต่างจากคราบสกปรกที่เป็นของเหลว การกำจัดคราบสกปรกที่เป็นของแข็งอาศัยความสามารถของน้ำยาทำความสะอาดในการทำให้ทั้งอนุภาคสิ่งสกปรกและพื้นผิวของวัสดุพาหะเปียก การดูดซับสารลดแรงตึงผิวบนพื้นผิวของสิ่งสกปรกที่เป็นของแข็งและตัวพาจะช่วยลดแรงกระทำระหว่างกัน ส่งผลให้ความแข็งแรงในการยึดเกาะของอนุภาคสิ่งสกปรกลดลง ทำให้กำจัดออกได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ สารลดแรงตึงผิว โดยเฉพาะสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิก สามารถเพิ่มศักย์ไฟฟ้าของสิ่งสกปรกที่เป็นของแข็งและวัสดุพื้นผิว ทำให้สามารถกำจัดออกได้มากขึ้น

สารลดแรงตึงผิวชนิดไม่มีประจุมีแนวโน้มที่จะดูดซับบนพื้นผิวของแข็งที่มีประจุโดยทั่วไป และสามารถก่อตัวเป็นชั้นดูดซับขนาดใหญ่ ส่งผลให้การตกตะกอนของสิ่งสกปรกลดลง อย่างไรก็ตาม สารลดแรงตึงผิวชนิดประจุบวกอาจลดศักย์ไฟฟ้าของสิ่งสกปรกและพื้นผิวตัวพา ซึ่งนำไปสู่การผลักกันที่ลดลงและขัดขวางการกำจัดสิ่งสกปรก

③ การกำจัดสิ่งสกปรกพิเศษ

ผงซักฟอกทั่วไปอาจขจัดคราบฝังแน่นจากโปรตีน แป้ง เลือด และสารคัดหลั่งจากร่างกายได้ยาก เอนไซม์อย่างโปรตีเอสสามารถขจัดคราบโปรตีนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการย่อยโปรตีนให้เป็นกรดอะมิโนที่ละลายน้ำได้หรือเปปไทด์ ในทำนองเดียวกัน แป้งสามารถย่อยสลายเป็นน้ำตาลได้โดยอะไมเลส ไลเปสสามารถช่วยย่อยสลายสารปนเปื้อนไตรอะซิลกลีเซอรอล ซึ่งมักกำจัดออกได้ยากด้วยวิธีการทั่วไป คราบจากน้ำผลไม้ ชา หรือหมึกพิมพ์บางครั้งจำเป็นต้องใช้สารออกซิไดซ์หรือสารรีดิวซ์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับหมู่สร้างสีเพื่อย่อยสลายให้กลายเป็นเศษผ้าที่ละลายน้ำได้มากขึ้น

(4) กลไกการซักแห้ง

ประเด็นที่กล่าวมาข้างต้นเกี่ยวข้องกับการซักด้วยน้ำเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหลากหลายของเนื้อผ้า วัสดุบางชนิดอาจไม่ตอบสนองต่อการซักด้วยน้ำ ทำให้เกิดการเสียรูป สีซีดจาง เป็นต้น เส้นใยธรรมชาติหลายชนิดขยายตัวเมื่อเปียกและหดตัวได้ง่าย นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้น การซักแห้ง ซึ่งโดยทั่วไปใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ จึงมักเป็นที่นิยมสำหรับสิ่งทอเหล่านี้

การซักแห้งนั้นอ่อนโยนกว่าการซักแบบเปียก เพราะช่วยลดแรงสั่นสะเทือนทางกลที่อาจสร้างความเสียหายให้กับเสื้อผ้า เพื่อขจัดคราบสกปรกอย่างมีประสิทธิภาพในการซักแห้ง คราบสกปรกจะถูกแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก:

① สิ่งสกปรกที่ละลายในน้ำมัน: ได้แก่ น้ำมันและไขมัน ซึ่งละลายได้ง่ายในตัวทำละลายในการซักแห้ง

② สิ่งสกปรกที่ละลายน้ำได้: ประเภทนี้สามารถละลายในน้ำได้แต่ไม่สามารถละลายในตัวทำละลายในการซักแห้ง ซึ่งประกอบด้วยเกลืออนินทรีย์ แป้ง และโปรตีน ซึ่งอาจตกผลึกเมื่อน้ำระเหยไป

③ สิ่งสกปรกที่ไม่ละลายน้ำหรือน้ำมัน ได้แก่ สารเช่น คาร์บอนแบล็กและซิลิเกตโลหะที่ไม่ละลายในทั้งสองตัวกลาง

สิ่งสกปรกแต่ละประเภทต้องการวิธีการที่แตกต่างกันเพื่อขจัดออกอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างการซักแห้ง สิ่งสกปรกที่ละลายในน้ำมันจะถูกกำจัดออกโดยใช้ตัวทำละลายอินทรีย์เนื่องจากมีความสามารถในการละลายที่ดีเยี่ยมในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว สำหรับคราบที่ละลายในน้ำ จำเป็นต้องมีน้ำในปริมาณที่เพียงพอในน้ำยาซักแห้ง เนื่องจากน้ำเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการขจัดคราบสกปรกอย่างมีประสิทธิภาพ น่าเสียดายที่เนื่องจากน้ำมีความสามารถในการละลายได้ต่ำในน้ำยาซักแห้ง จึงมักมีการเติมสารลดแรงตึงผิวเพื่อช่วยให้น้ำเกาะติด

สารลดแรงตึงผิวช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดซับน้ำของสารทำความสะอาดและช่วยให้มั่นใจว่าสิ่งสกปรกที่ละลายน้ำได้ภายในไมเซลล์จะละลายได้ นอกจากนี้ สารลดแรงตึงผิวยังสามารถยับยั้งการก่อตัวของคราบสกปรกใหม่หลังการซัก ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำความสะอาด การเติมน้ำเพียงเล็กน้อยเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกำจัดสิ่งสกปรกเหล่านี้ แต่การเติมน้ำมากเกินไปอาจทำให้เนื้อผ้าเสียรูป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีปริมาณน้ำที่สมดุลในน้ำยาซักแห้ง

(5) ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการซัก

การดูดซับสารลดแรงตึงผิวบนส่วนต่อประสานและการลดแรงตึงผิวที่เกิดขึ้นนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกำจัดคราบสกปรกทั้งที่เป็นของเหลวและของแข็ง อย่างไรก็ตาม การซักมีความซับซ้อนโดยเนื้อแท้ ซึ่งได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการ แม้กระทั่งผงซักฟอกชนิดเดียวกัน ปัจจัยเหล่านี้ประกอบด้วยความเข้มข้นของผงซักฟอก อุณหภูมิ คุณสมบัติของคราบสกปรก ประเภทของเส้นใย และโครงสร้างผ้า

① ความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว: ไมเซลล์ที่เกิดจากสารลดแรงตึงผิวมีบทบาทสำคัญในการซัก ประสิทธิภาพในการซักจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อความเข้มข้นสูงกว่าค่าความเข้มข้นไมเซลล์วิกฤต (CMC) ดังนั้นควรใช้ผงซักฟอกที่ความเข้มข้นสูงกว่า CMC เพื่อการซักที่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ความเข้มข้นของผงซักฟอกที่สูงกว่า CMC จะให้ผลตอบแทนที่ลดลง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ความเข้มข้นที่มากเกินไป

② ผลของอุณหภูมิ: อุณหภูมิมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพในการทำความสะอาด โดยทั่วไป อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะช่วยให้ขจัดคราบสกปรกได้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม ความร้อนที่มากเกินไปอาจส่งผลเสียได้ การเพิ่มอุณหภูมิมีแนวโน้มที่จะช่วยให้คราบสกปรกกระจายตัวและอาจทำให้คราบมันผสมตัวเป็นอิมัลชันได้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม ในผ้าที่ทอแน่น อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้เส้นใยพองตัวอาจลดประสิทธิภาพในการขจัดคราบโดยไม่ตั้งใจ

ความผันผวนของอุณหภูมิยังส่งผลต่อความสามารถในการละลายของสารลดแรงตึงผิว ปริมาณ CMC และไมเซลล์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพในการทำความสะอาด สำหรับสารลดแรงตึงผิวสายยาวหลายชนิด อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะลดความสามารถในการละลาย บางครั้งอาจต่ำกว่า CMC ของตัวมันเอง ดังนั้นอาจจำเป็นต้องอุ่นเครื่องให้ร้อนอย่างเหมาะสมเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด ผลกระทบของอุณหภูมิต่อ CMC และไมเซลล์จะแตกต่างกันสำหรับสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิกและแบบไม่มีไอออนิก โดยทั่วไปการเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ค่า CMC ของสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิกสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องปรับความเข้มข้น

③ โฟม: มีความเข้าใจผิดกันโดยทั่วไปเกี่ยวกับการเชื่อมโยงความสามารถในการเกิดฟองกับประสิทธิภาพในการซัก กล่าวคือ การมีโฟมมากขึ้นไม่ได้หมายความว่าการซักจะมีประสิทธิภาพมากขึ้น หลักฐานเชิงประจักษ์ชี้ให้เห็นว่าผงซักฟอกที่มีฟองน้อยก็มีประสิทธิภาพเท่าเทียมกัน อย่างไรก็ตาม โฟมอาจช่วยขจัดสิ่งสกปรกได้ในบางการใช้งาน เช่น การล้างจาน ซึ่งโฟมจะช่วยขจัดคราบไขมัน หรือการทำความสะอาดพรม ซึ่งจะช่วยยกคราบสกปรก นอกจากนี้ การมีโฟมสามารถบ่งชี้ว่าผงซักฟอกทำงานอยู่หรือไม่ คราบไขมันส่วนเกินสามารถยับยั้งการเกิดฟองได้ ในขณะที่การมีโฟมน้อยลงบ่งชี้ว่าความเข้มข้นของผงซักฟอกลดลง

④ ประเภทของเส้นใยและคุณสมบัติของสิ่งทอ: นอกเหนือจากโครงสร้างทางเคมีแล้ว ลักษณะภายนอกและการจัดเรียงตัวของเส้นใยยังส่งผลต่อการยึดเกาะและขจัดคราบสกปรกได้ยาก เส้นใยที่มีโครงสร้างหยาบหรือแบนราบ เช่น ขนสัตว์หรือฝ้าย มักจะดักจับสิ่งสกปรกได้ง่ายกว่าเส้นใยเรียบ ผ้าที่ทอแน่นอาจต้านทานการสะสมของคราบสกปรกในระยะแรก แต่อาจขัดขวางประสิทธิภาพการซักเนื่องจากเข้าถึงคราบสกปรกที่ดักจับได้จำกัด

5) ความกระด้างของน้ำ: ความเข้มข้นของ Ca²⁺, Mg²⁺ และไอออนโลหะอื่นๆ ส่งผลอย่างมากต่อผลลัพธ์การซัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสารลดแรงตึงผิวประจุลบ ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นเกลือที่ไม่ละลายน้ำซึ่งลดประสิทธิภาพการทำความสะอาด ในน้ำกระด้าง แม้จะมีความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวเพียงพอ ประสิทธิภาพการทำความสะอาดก็ยังต่ำกว่าน้ำกลั่น เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดของสารลดแรงตึงผิว ความเข้มข้นของ Ca²⁺ ต้องลดลงให้ต่ำกว่า 1×10⁻⁶ โมล/ลิตร (CaCO₃ ต่ำกว่า 0.1 มก./ลิตร) ซึ่งมักจำเป็นต้องใช้สารปรับสภาพน้ำในสูตรผงซักฟอก