1.1. Các khái 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 chỗ, 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·m-1).

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)

Chất lỏng càng phân cực, tương tác phân tử càng lớn, nội áp càng lớn, do đó sức căng bề mặt càng lớn.

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)

Chất lỏng  I Chất lỏng  I

Nước 72,75 - Ethanol 22,30 -

Benzen 28,88 35,00 n-octanol 27,50 8,50

Acid acetic 27,60 - n-hexan 18,40 51,10

CCl4 26,80 45,10 n-octan 21,80 50,80

Glycerin 66,00 - Anilin 42,90 -

• 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.

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 (H2O...) 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:  

Ngoài ra người ta có thể đánh dấu thêm bằng các ký hiệu:

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

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.

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: Cấu tạo 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 tấm

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

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 Kraft-Điểm đục-HLB 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 –CH2- . 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

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 Kraft-Điểm 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 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 (Hydrophile-Lipophile 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 nước-ái 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 1-40. 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.

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 1-4

- Phân tán kém 3-6

- Phân tán như sữa sau khi lắc 6-8

- Phân tán như sữa bền 8-10

- Phân tán trong mờ đến trong 10-13

- 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 nước HLB

- SO4Na 38,7

-COOK 21,1 -CH<,-CH2-, -CH3, =CH- 0,475

- COONa 19,1

-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

-CH2-CH2-O- 0,33

-CH2-CH2-CH2-O- 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 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: R-O-(CH2-CH2-O-)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 olefin-1 phản ứng với H2SO4, rồi thủy phân (thu được rượu bậc 2). Trong thương mại, loại  này có tên gọi: tecitol 15-s-7, union caride 15-s-9...

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)n-H, hoặc HO-(OP)n-(OE)m-(EP)n-H. 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 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

• Các copolymer oxít ethylen (OE) và oxít propylen (OP)

• Các amide

          Alkyl monoethanol amide        Alkyl diethanol amide

• Polyglycerol ester

• Các alkylpolyglucosit (APG)

n = 1-3 và R = C9-C13

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

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

ABS thẳng (LAS: Linear Alkylbenzene sulffonate)

• Parafin sulfonate ( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate)

• Sulfat rượu bậc một ( PAS: Primery Alcohol Sulfate)

• Axít Olefin Sulfonic (AOS)

m + n = 9 -15

• Alkyl Ether Sulfate ( LES: Lauryl Ether Sulfate)

•

• Xà bông 

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: 

Các cationic thường dùng là: 

• Các hợp chất chỉ có một dây alkyl

• Các hợp chất có hai dây alkyl

• Các imidazolin bậc bốn

• 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.

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

• Sulfonate betain

• Alkyl amidopropyl sulfobetain

• Betain ethoxy

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.

Bảng 1.4. Một số ứng dụng tiêu biểu của chất hoạt động bề mặt

Lĩnh vực sử dụng Chức năng

Sản phẩm chăm sóc cá nhân

 ( Personal care product) Tẩy rửa, nhũ hóa, bôi trơn, chống tĩnh điện (antistatic)

Sản phẩm tẩy rửa gia đình và công nghiệp ( Household & Industrial Laudry & Cleaning product) Tẩy rửa, thấm ướt, kiểm soát bọt, nhũ hóa và chống tĩnh điện

Hoá chất nông nghiệp

 ( Agrochemicals) Nhũ hóa, thấm ướt, performance enhancement

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.

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)

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 < 0 hay EIII <EII hay γFE + γHE  < γHF

Có nghĩa là khi thêm chất hoạt động bề mặt vào nước, do sự hấp phụ của nó trên sợi và vết bẩn làm giảm được sức căng bề mặt của chúng ( so với nước) cho đến khi tổng của chúng trở nên nhỏ hơn sức săng bề mặt của giao diện sợi/vết bẩn lúc đó vết bẩn tự tẩy đi . Cơ chế này được gọi là cơ chế Lanza.

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.

Tóm lại để có sự tẩy rửa tốt, không những cần giảm sức căng bề mặt mà còn phải tăng nồng độ hoạt chất để hình thành các micell và có được một số micelle đủ, tùy theo lượng vết bẩn béo hiện diện trong dung dịch giặt rửa.

Kết luận:

Cơ chế tẩy rửa các vết bẩn dầu mở nói chung bằng các dung dịch tẩy rửa bao gồm các bước sau:

+ Khi cho các chất hoạt động bề mặt vào dung dịch tẩy rửa , sức căng bề mặt giảm, vì vậy dung dịch tẩy rửa sẽ dể thấm ướt vải sợi cũng như các bề mặt rắn khác, dể thấm vào mao quản của vải sợi bẩn. Trong khi đó nước không có chất hoạt động bề mặt sẽ không thể thấm vào những mao quản đó đước vì nước có sức căng bề mặt khá cao. Lúc chưa có chất hoạt động bề mặt , góc thấm ướt > 90 o, việc thêm các chất tẩy rửa vào sẽ làm giảm góc thấm ướt về không, làm cho sư thấm ướt hoàn toàn xảy ra.

+ Khi dung dịch đã ngấm vào vải , phần kỵ nước của chất hoạt động bề mặt sẽ hấp phụ trên các hạt dầu mở , phần ái nước của chất hoạt động bề mặt sẽ hướng ra ngoài dung dịch nước. Chinh sự định hướng của phân tử chât hoạt động bề mặt như vậy  tạo ra áp suất tách các vết bẩn dầu mở ra khỏi vải đi vào dung dich tẩy rửa .

+ Các chất hoạt động bề mặt sẽ giúp cho việc phân tán các vết bẩn dầu mở dưới dạng nhũ tương, ngăn không cho vết bẩn bám trở lại trên bề mặt đã đươc tẩy rửa. Viêc ngăn ngừa tái bám là do các hạt dầu mỡ được hấp phụ một lớp chất hoạt động bề mặt ( thường là anion), mặt khác các phân tử chất hoạt động bề mặt cũng sẽ hấp phụ trên bề mặt vải, đầu ái nước hướng ra ngoài, hạt bẩn và bề mặt vải sẽ tích điện cùng dấu sẽ đẩy nhau. Hơn nữa, đầu phân cực của chất hoạt động bề mặt có khả năng hydrat hóa mạnh, chính vì vậy, hạt bẩn đã tách ra khỏi vải sẽ không thể tái bám trở lại bề mặt vải đã sạch. Lưu ý, bề mặt vải và hạt thường tích điện âm nên chất hoạt động bề mặt anion và khong ion hiệu quả hơn chất hoạt động bề mặt cation.

+ Các dung dịch chất tẩy rửa có khả năng tạo bọt cao, một phần chất bẩn sẽ tách vào bọt, nhất là những hạt bẩn ít thấm ướt, chúng sẽ dính vào bọt giống như quá trình tuyển nổi làm giàu quặng.

1.5.2 Tẩy rửa các vết bẩn dạng hạt

a) Thuyết nhiệt động học và điện học ( Duiaguin-Landau-Vervey và Overbeck 

Xét một bề mặt F và một hạt P. Ở một khoảng cách δ cho sẵn, F và P đều chịu các lực hút (Van đec Van ) hay đẩy (tĩnh điện) . Các đường biểu diễn hình 1.8 cho thấy các lực đẩy hay hút của F và P tùy thuộc theo khoảng cách giữa chúng.

Lực hút và lực đẩy Hợp lực giữa lực hút và lực đẩy

Hình 1.8: Lực hút và đẩy phụ thuộc khoảng cách

Khi P và F tiếp xúc với nhau (δ=0), thì có sự gắn liền nhau do lực hút. Việc tách hạt P ra khỏi bề mặt F có thể được biểu diễn bằng sơ đồ hình 1.9.

Hình 1.9: Cơ chế tẩy rửa theo thuyết nhiệt động học và điện học

Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt F là đi từ I đến II rồi đến III. Trong giai đoạn I, ta phải cung cấp một công W1 để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách. Trong giai đoan 2, dung dịch tẩy len vào giữa hạt P và bề mặt F, ta có tổng số công bằng J. Toàn bộ công được biểu diễn là:

Aw = W1 – J  (*)

Nhưng J = γFP – γFE – γPE

γFP: Sức căng bề mặt giữa F và P trong thể I

  γFE, γPE: Sức căng bề mặt của F và P với dung dịch tẩy trong thể III.

Sự thêm các chất hoạt động bề mặt làm giảm γFE, γPE  do đó làm tăng J . Trong trường hợp này Aw giảm và công để tẩy P thì dễ dàng ( nhiệt động học trong quá trình tẩy vết bẩn dạng hạt).

Khi giải thích về điện học trong phương trình (*) Aw yếu khi W1 yếu, điều này sẽ xảy ra khi lực đẩy lớn  hay lực hút yếu. Nói cách khác thế năng lực hút là yếu nhất. Công cung cấp để tách hạt P ra khỏi bề mặt S một khoảng cách  yếu hơn bởi vì lực đẩy quan trọng hơn, tức là hạt P và bề mặt S cùng phân cực cùng dấu ( tích điện giống nhau). Khi chất hoạt động bề mặt bị hấp phụ trên các hạt và bề mặt làm cho gia tăng lực đẩy và do đó làm cho quá trình tẩy dể dàng hơn.

Hình 1.10: Biểu diễn các lực đẩy yếu và lực đẩy mạnh

Hình 1.10 cho thấy, trong trường hợpd dầu tiên, công cung cấp để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách δ thì yếu hơn bởi lực đẩy quan trọng hơn: đó là trường hợp của một hạt và một bề mặt có cực. Chất hoạt động bề mặt trong dung dịch bị hút trên các hạt và cac bề mặt, điều này có thể tác dụng gia tăng lực đẩy của chúng và do đó làm cho việc tẩy sạch  dễ dàng hơn.

b) Cơ chế Lanza:

Cũng áp dụng được với hệ hạt rắn P lên bề mặt F trong dung dịch tẩy rửa nư đối với vết bẩn chất béo

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa:

Khả năng tẩy rửa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bản chất chất hoạt động bề mặt sử dụng, pH, phụ gia, nhiệt độ….Ở đây chỉ đề cập về ảnh hưởng của pH, còn ảnh hưởng của các yếu tố khác sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.

• Ảnh hưởng của pH:

Từ lâu người ta nhận thấy rằng thêm các chất kiềm nhẹ như soda sẽ làm tăng khả năng tẩy rửa của xà phòng, bởi vì xà phòng sẽ bị thủy phân thành acid béo ngay cả ở pH trung tính, các acid béo tạo thành có khả năng tẩy rửa kém, sự thủy phân của xà phòng làm giảm lượng chất hoạt động bề mặt làm giảm khả năng tẩy rửa. Thêm kềm làm giảm sự thủy phân xà phòng. Kiềm là phụ gia quan trọng trong xà phòng cũng như các sản phẩm tẩy rửa khác, giúp duy trì pH thích hợp. Thưc nghiệm cho thấy xà phòng cho khả năng tẩy rửa khi pH 10,5-11.

PH không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa xà phòng mà còn ảnh hưởng đến chất tẩy rửa tổng hợp (syndet) khác. PH tối ưu cho chất tẩy rửa tổng hợp là 9,0-11,5. Để duy trì pH thích hợp cần sử dụng các chất dự trử kiềm như soda, tripolyphosphát, silicat… vì trong quá trình tẩy rửa , pH có xu hường giảm do các vết bẩn acid ( acid béo) hay do sự giải phóng H+ do quá trình tạo phức.

• Ảnh hưởng của nhiệt độ:

• Ảnh hưởng của chất điện ly:

1.6. Đánh giá kỹ thuật chất hoạt động bề mặt

1.6.1. Khả năng tạo nhũ

Nhũ tương là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu được hệ bền vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa.

Để cho nhũ tương bền, thường sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt. Trong cả hệ có nước và không có nước, các hiện tượng xảy ra cũng như vại trò của chất hoạt động bề mặt trong việc bền hóa hệ gần giống nhau. Ví dụ : huyền phù gồm các hạt rắn ưa nước . Trong môi trường nước chúng sẽ tự hình thành lớp vỏ hydrat hóa bảo vệ nên rẻ bền. Khi đưa vào môi trường kỵ nước, có chất hoạt động bề mặt, các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ hình thành lớp vỏ bảo vệ bằng cách định hướng ra ngoài, phần ái nước hấp phụ lên hạt rắn.

Nhũ tương có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp. Ví dụ: huyền phù không nước: sơn dầu, verni, mực in, hệ có nước: sơn nước, mực viết, dung dịch thuốc nhuộm phân tán….Các hệ này đều có sử dụng chất hoạt động bề mặt .

Để đánh giá khả năng tạo huyền phù của chất hoạt động bề mặt , có nhiều phương pháp, đơn giản nhất là phương pháp đo độ đục hổn hợp than hoặc CaCO3 phân tán trong dung dịch chất hoạt động bề mặt, hoặc đo thời gian lắng tủa của huyền phù để đánh giá.

1.6.2 Khả năng tẩy rửa

Sự tẩy rửa được định nghĩa là “ làm sạch mặt của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt- chất tẩy rửa- theo một tiến trình lý hóa khác hẳn việc hòa tan đơn thuần”

Trong trường hợp này, tẩy rửa bao gồm:

• Lấy đi các vết bẩn khỏi vải vóc

• Giữ cho các vết bẩn này lơ lửng để tránh cho chúng bám lại trên bề mặt vải vóc. Trên quần áo thông thường, người ta thường thấy những vết bẩn có chất béo ( dầu,mỡ) và các vết bẩn dạng hạt (hạt mịn). Các vết bẩn này có thể tồn tại độc lập hay hòa lẫn vào nhau với các tỷ lệ khác nhau.

Chất hoạt động bề mặt trong là tác nhân chính cho quá trình tẩy rửa do một số tính chất sau:

• Khi có chất hoạt động bề mặt trong nước thì sức căng bề mặt dung dịch giảm làm tăng tính thấm ướt đối với vải sợi.

 Các phân tử chất hoạt động bề mặt hấp phụ lên bề mặt sợi và lên các hạt chất bẩn rắn hay lỏng và khi đó, dưới ảnh hưởng của sức căng bề mặt không đổi trên ranh giới chất bẩn – vải, chất bẩn se lại thành giọt và dễ dàng tách ra khỏi bề mặt sợi dưới tác dụng cơ học.

 Chất hoạt động bề mặt tạo các màng hấp phụ trên bề mặt các hạt chất bẩn làm cho chúng có độ bền vững tập hợp cao và ngăn ngừa chúng liên kết trở lại lên bề mặt sợi.

 Bọt được hình thành từ chất hoạt động bề mặt làm tăng thêm sự tách cơ học của các chất bẩn hay sự nổi của chúng ( do các hạt chất bẩn liên kết vào các bóng khí)

a) Tẩy vết bẩn có chất béo

Xét một chất béo H ( dầu) và một bề mặt rắn F ( sợi). Việc tẩy bẩn F bởi H được biểu diễn như sau:

Các tác nhân bề mặt hấp phụ lên sợi và vết bẩn làm giảm sức căng giao diện của chúng so với nước đến mức nhỏ hơn sức căng giao diện sợi- vết bẩn lúc đó vết bẩn sẽ tự tẩy đi.

b) Tẩy vết bẩn dạng hạt

Các  hiện  tượng  bám  và  tẩy  các  vết  bẩn  dạng  hạt  dựa  trên  lý  thuyết  về  điện  và thuyết hấp phụ.

Xét một bề mặt F và một hạt P. ở một khoảng cách δ, F và P đều chịu tác động của lực hút Van der Waals và lực đẩy tĩnh điện. Khi P và F tiếp xúc với nhau ( δ=0), chúng sẽ gắn liền nhau do lực hút. Việc tách hạt P ra khỏi bề mặt F có thể được biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt F đi từ I đến II rồi đến III. Trong giai đoạn I, ta phải cung cấp một công để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách. Trong giai đoạn II, dung dịch tẩy len vào giữa hạt P và bề mặt F và tách hạt P ra khỏi bề mặt F.

 Chúng ta có thể vận dụng các lý thuyết khác nhau cho các loại vết bẩn cụ thể khác nhau như thuyết “ Rolling up” tẩy vết bẩn thể lỏng có chất béo hay thuyết nhiệt động học để tẩy vết bẩn có chất béo hay dạng hạt hay hỗn hợp của cả hai…

c) Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa:

• Khả năng tẩy rửa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bản chất chất hoạt động bề mặt sử dụng, pH, phụ gia, nhiệt độ….Ở đây chỉ đề cập về ảnh hưởng của pH, cịn ảnh hưởng của cc yếu tố khc sẽ được trình by ở cc chương tiếp theo.

• Ảnh hưởng của pH:

Từ lâu người ta nhận thấy rằng thêm các chất kiềm nhẹ như soda sẽ làm tăng khả năng tẩy rửa của xà phòng, bởi vì xà phòng sẽ bị thủy phân thành acid béo ngay cả ở pH trung tính, các acid béo tạo thành có khả năng tẩy rửa kém, sự thủy phân của xà phòng làm giảm lượng chất hoạt động bề mặt làm giảm khả năng tẩy rửa. Thêm kềm làm giảm sự thủy phân xà phòng. Kiềm là phụ gia quan trọng trong xà phòng cũng như các sản phẩm tẩy rửa khác, giúp duy trì pH thích hợp. Thực nghiệm cho thấy xà phòng cho khả năng tẩy rửa khi pH 10,5-11.

pH không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa xà phòng mà còn ảnh hưởng đến chất tẩy rửa tổng hợp khác. PH tối ưu cho chất tẩy rửa tổng hợp là 9,0-11,5. Để duy trì pH thích hợp cần sử dụng các chất dự trữ kiềm như soda, tripolyphosphát, silicat… vì trong quá trình tẩy rửa , pH có xu hướng giảm do các vết bẩn acid (acid béo) hay do sự giải phóng H+ do quá trình tạo phức.

 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

 Nhiệt độ càng cao, độ hòa tan của các chất hoạt động bề mặt càng tốt, độ nhớt của các chất bẩn dạng lỏng càng giảm, độ hòa tan của chất bẩn càng lớn, phản ứng trung hòa chất bẩn có tính axit và phản ứng xà phòng hóa chất béo xảy ra càng dễ dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy.

Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt động bề mặt dễ hòa tan, giảm độ bền của hệ nhũ. Một số loại vải không thể chịu được nhiệt độ dung dịch cao.

Đối với các chất hoạt động bề mặt NI, sự hấp phụ tăng theo nhiệt độ và sau điểm đục, sức căng bề mặt và giao diện của các chất NI có thay đổi.

 Ảnh hưởng của chất điện ly: 

Sự hấp phụ: thêm chất điện ly sẽ làm giảm độ hòa tan của các tác nhân bề mặt dẫn đến làm tăng sự hấp phụ ở các giao diện.

Các chất điện ly sẽ làm giảm CMC vì các chất điện ly trong dung dich chất tẩy rửa sẽ ngăn cản khả năng hình thành các Micell.

Việc nghiên cứu đánh giá quá trình tẩy rửa là một vấn đề phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố. Không thể kết luận một chất hoạt động bề mặt là có khả năng tẩy rửa là tốt hay xấu nếu không nói đến điều kiện thực nghiệm. Có nhiều chất đánh giá khả năng tẩy rửa , Ở đây chỉ trình bày những nguyên tắc tiêu biểu nhất:

- Làm bẩn vải bằng các chất bẩn thường gặp như dầu mở, màu. Sau đó giặt vải, phần chất bẩn còn lại sẽ được trích ra bằng các dung môi thích hợp. Đo độ màu . So sánh giửa mẫu thí nghiệm và mẫu chuẩn ( giặt bằng các hổn hợp tẩy rửa chuẩn).

- Khả năng tẩy rửa còn được đánh giá bằng phương pháp đo chỉ số phản xạ của vải bẩn, vải mới và vải bẩn được giặt. Tính theo công thức.

Khả năng tẩy rửa = (RW – RS)/(RO –RS) * 100    (%)

Rw: Chỉ số phản xạ của vải bẩn đã được tẩy rửa 

Rs: Chỉ số phản xạ của vải bẩn trước khi tẩy rửa

Ro: Chỉ số phản xạ của vải mới ban đầu ( vải kiểm chứng).

Việc đánh giá phải dựa trên các tiêu chuẩn đã được đề ra đối với sản phẩm tẩy rửa và phải đúng theo nguyên tắc xác suất thống kê thì kết quả mới có ý nghĩa.

1.6.3. Khả năng tạo bọt

Bọt được hình thành do sự phân tán khí trong môi trường lỏng. Hiện tượng này làm cho bề mặt dung dịch chất tẩy rửa tăng lên.

Khả năng tạo bọt và độ bền bọt phụ thuộc vào cấu tạo của chính chất đó, nồng độ, nhiệt độ của dung dịch, độ pH và hàm lượng ion Ca2+, Mg2+ trong dung dịch chất tẩy rửa.

Độ bền vững cực đại của bọt ứng với chất hoạt động bề mặt có gốc hydrocarbon trung bình và với dung dịch có nồng độ trung bình. Những chất thấp hơn trong dãy đồng đẳng có tính hoạt động bề mặt kém, những chất cao hơn có độ hòa tan thấp.

Bên cạnh bản chất và nồng độ của chất tạo bọt , thời gian tồn tại của bọt còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhớt của dung dịch…..Tốc độ phá vở bọt thường tăng theo nhiệt độ do sự giải hấp phụ chất tạo bọt trên bề mặt phân chia pha và do sự bong trương chất lỏng, làm cho màng bị mỏng đi dần dần phá vỡ. Sự tăng độ nhớt của dung dịch làm tăng độ bền cho bọt.

 Các tác nhân làm tăng bọt ( foam bootster): 

Để làm tăng bọt cho dung dịch chất tẩy rửa có thể đi theo hai hướng sau:

- Chọn chất hoạt động bề mặt tạo bọt hay không tạo bọt.

- Sử dụng các phụ gia làm tăng bọt.

a) Chọn lựa chất hoạt động bề mặt:

Một chất hoạt động bề mặt hay hỗn hợp chất hoạt động bề mặt có thể làm thành hệ thống tạo bọt. Thông thường, số lượng bọt tăng với nồng độ đạt tối đa quanh CMC. Như vậy về mặt lý thuyết có thể tiên đoán khả năng tạo bọt của một chất hoạt động bề mặt dựa trên CMC của nó. Tuy nhiên điều này không có liên quan đến tính chất ổn định của bọt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC có thể tăng hoặc giảm bọt là:

- Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt anionic tăng làm khả năng tạo bọt tăng.Ngược lại đối với NI, độ hòa tan ( do đó khả năng tạo bọt) giảm với nhiệt độ sau điểm đục.

- Sự có mặt của chất điện ly: làm giảm trị số CMC của chất hoạt động bề mặt làm thay đổi khả năng tạo bọt của chất hoạt động bề mặt đó

- Cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt : Theo lý thuyết khả năng tạo bọt tùy theo cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt . Tuy nhiên trên thực tế rất phức tạp vì không có sự tương quan trực tiếp giữa khả năng tạo bọt và sự ổn định bọt. Tuy nhiên có những nguyện tắc tổng quát như sau:

+  Chất hoạt động bề mặt NI ít tạo bọt hơn chất hoạt động bề mặt ion trong dung dịch nước.

+ Đối với cùng một họ chất hoạt động bề mặt , CMC càng kém thì khả năng tạo bọt càng cao. Ví dụ như đối với alkyl sulfate, khi chiều dài mạch C tăng khả năng tạo bọt tăng.

+ Cation đối của chất hoạt động bề mặt anion có liên quan đến sự ổn định ( độ bền) của bọt. Theo Kondon và Co sự ổn định bọt của dodecyl sulfate giảm theo thứ tự sau:

NH4+ > (CH3)4N+ > (C2H5)4N+> (C4H9)4N+  

b) Các chất phụ gia làm tăng bọt:

Theo Schick và Fowker , việc thêm vào một số hợp chất đối cực ( ion đối) có thể làm giảm CMC của chất hoạt động bề mặt . Khi hợp chất có cùng mạch C với chất hoạt động bề mặt thì khả năng tạo bọt và ổn định bọt tăng:

Ether glycerol < Ether sulfonyl < Amide < Amide thay thế

Trong thực tế người ta sử dụng mono hay diethanol amide làm những chất tăng bọt trong bột giặt tạo bọt, nước rửa chén hoặc dầu gội đầu.

 Các chất chống bọt (antifoamer):

Để giảm bớt bọt trong dung dịch chất tẩy rửa người ta dùng các chất chống bọt (antifoamer):

Các chất chống bọt tác động theo hai cách:

- Ngăn cản sự tạo bọt: thường là các ion vô cơ như canxi có ảnh hưởng đến sự ổn định tĩnh điện hoặc giảm nồng độ aniion bằng kết tủa.

- Hoặc tăng tốc độ phân hủy bọt: là các chất vô cơ hay hữu cơ sẽ đến thay thế các phân tử các chất hoạt động bề mặt của màng bọt làm màng bọt ít ổn định (không bền).

Khi thêm chất hoạt động bề mặt NI vào chất hoạt động bề mặt anion làm giảm bọt đáng kể. Tuy nhiên hệ thống anionic/ NI này vẫn còn quá nhiều bọt.

1.6.4. Các chỉ tiêu đánh giá khác 

a)  Khả năng thấm ướt

Hiện tượng thấm ướt bề mặt  xảy ra khi góc  thấm ướt, không thấm ướt  > 90o. Tuy nhiên trong thực tế khó xác định được góc thấm ướt. Người ta đưa ra một số phương pháp đánh giá khả năng thấm ướt, chủ yếu xác định khả năng thấm ướt cho nguyên liệu vải, chẳng hạn đánh giá khả năng thấm ướt dựa vào thời gian chìm của cuộn chỉ trong dung dịch chất hoạt động bề mặt.

Hiện tượng thấm ướt nhờ chất hoạt động bề mặt có nhiều ứng dụng để giải quyết các vấn đề thực tế trong kỹ thuật sơn, nhuộm, tẩy trắng, trung hòa các chất diệt côn trùng, sâu bọ. Các bề mặt rắn ở đây thường không thấm ướt, việc thêm chất hoạt động bề mặt thích hợp sẽ làm giãm sức căng bề mặt của nước, giúp cho việc thấm ướt dể dàng hơn. 

b)  Chỉ số canxi chấp nhận

   Chỉ số này đo độ cứng tối đa của nước mà chất hoạt động bề mặt vẫn còn hiệu lực trong chức năng tẩy rửa. Chỉ số này càng lớn, chất hoạt động bề mặt càng có khả năng tẩy rửa trong nước cứng.

   Chỉ số canxi chấp nhận được xác định bằng cách chuẩn độ dung dịch chất hoạt động bề mặt bằng dung dịch canxi acetat 1 %. Tiến hành chuẩn độ dung dịch trên cho đến khi nào dung dịch đục . Lúc này lượng ion canxi trong dung dịch là chỉ số canxi chấp nhận được.