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Vistas:12265 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2025-10-16 Origen:Sitio
La fuerza de contracción por unidad de longitud que actúa sobre la superficie de un líquido se llama tensión superficial y se expresa en unidades de N·m⁻¹.
La capacidad de una sustancia para reducir la tensión superficial de un disolvente se denomina actividad superficial, y las sustancias que exhiben esta propiedad se denominan sustancias tensioactivas.
Las sustancias que pueden asociarse en solución acuosa para formar micelas o agregados similares, poseen una alta actividad superficial y exhiben funciones tales como humectantes, emulsionantes, espumantes y limpiadoras se conocen como tensioactivos.
Los tensioactivos son una clase de compuestos orgánicos con estructuras y propiedades únicas. Pueden alterar significativamente la tensión interfacial entre dos fases o la tensión superficial de un líquido (generalmente agua) y poseen funciones como humedecer, formar espuma, emulsionar y limpiar..
Estructuralmente, todos los tensioactivos comparten una característica común: sus moléculas contienen dos partes con diferentes afinidades..
Un extremo es un grupo no polar de cadena larga que es soluble en aceite pero insoluble en agua , conocido como grupo hidrofóbico (o cola lipófila) . Esta parte hidrofóbica suele ser un hidrocarburo de cadena larga, pero también puede consistir en cadenas fluoradas, a base de siloxano, que contienen fósforo u organoestaño..
El otro extremo es un grupo soluble en agua , conocido como grupo hidrófilo (o cabeza hidrófila) , que debe tener suficiente hidrofilicidad para garantizar que el tensioactivo en su conjunto sea soluble en agua y mantenga la solubilidad requerida.
Debido a que las moléculas de surfactante contienen grupos hidrofílicos e hidrofóbicos, pueden disolverse al menos en una fase de un sistema líquido. Esta doble afinidad (ser amante del agua y del petróleo) se conoce como anfifilicidad..
Los tensioactivos son moléculas anfifílicas que contienen grupos tanto hidrofóbicos como hidrofílicos. El grupo hidrófobo generalmente está compuesto por hidrocarburos de cadena larga, como alquilos lineales (C ₈ –C ₂₀), alquilos ramificados (C ₈ –C ₂₀) o grupos alquilfenilo (con cadenas alquilo de 8 a 16 átomos de carbono). Las diferencias en los grupos hidrofóbicos surgen principalmente de variaciones en la estructura de la cadena de hidrocarburos y son relativamente menores, mientras que los grupos hidrofílicos varían mucho en tipo y estructura.
Por lo tanto, las propiedades de un tensioactivo dependen no sólo del tamaño y la forma del grupo hidrofóbico sino, más importante aún, de la naturaleza del grupo hidrofílico . Dado que el grupo hidrófilo exhibe una mayor diversidad estructural, la clasificación de los tensioactivos generalmente se basa en la estructura y el carácter iónico del grupo hidrófilo.
En consecuencia, los tensioactivos se clasifican en las siguientes categorías principales:
Tensioactivos aniónicos
Tensioactivos catiónicos
Tensioactivos no iónicos
Tensioactivos anfóteros (zwitteriónicos)
Otros tipos especiales de tensioactivos
Las moléculas de surfactante son anfifílicas y contienen grupos tanto hidrófilos como lipófilos. El agua es un líquido altamente polar. Cuando un tensioactivo se disuelve en agua, basándose en el principio de que lo similar se disuelve en lo similar (los grupos polares atraen sustancias polares y repelen las no polares), el grupo hidrofílico interactúa con el agua y se disuelve en ella, mientras que el grupo hidrofóbico es repelido y se aleja de la fase acuosa.
Como resultado, las moléculas (o iones) de surfactante se adsorben en la interfaz entre dos fases, lo que reduce la tensión interfacial. Cuanto mayor sea el número de moléculas (o iones) de tensioactivo adsorbidas en la interfaz, mayor será la reducción de la tensión interfacial.
Presión superficial:
Cuando las moléculas de surfactante se adsorben en la interfaz aire-líquido, forman una película adsorbida. Si se coloca una placa móvil sin fricción sobre la superficie y se empuja a través de la solución, la película ejerce una fuerza sobre la placa; esta fuerza se llama presión superficial.
Viscosidad superficial:
Al igual que la presión superficial, la viscosidad superficial es una propiedad que exhiben las películas moleculares insolubles. Se puede medir suspendiendo un alambre metálico fino que sostiene un anillo de platino que toca la superficie de un líquido. A medida que el anillo de platino oscila, la amortiguación de la amplitud causada por la resistencia viscosa se puede utilizar para determinar la viscosidad de la superficie. Primero, la prueba se realiza en agua pura para medir la amortiguación natural; luego, la amortiguación se mide nuevamente después de que se forma una película superficial. La diferencia entre los dos resultados representa la viscosidad de la película superficial.
La viscosidad superficial está estrechamente relacionada con la estabilidad y resistencia de la película superficial. Debido a que la película adsorbida posee presión superficial y viscosidad, también exhibe elasticidad. Cuanto mayor sea la presión superficial y la viscosidad, mayor será el módulo elástico de la película. Esta elasticidad juega un papel importante en la estabilidad de la espuma.
En soluciones diluidas, los tensioactivos siguen las leyes de las soluciones ideales. A medida que aumenta la concentración de surfactante, también aumenta la cantidad adsorbida en la superficie. Cuando la concentración alcanza o supera un cierto umbral, la adsorción ya no aumenta. El exceso de moléculas de tensioactivo en la solución no permanece dispersada aleatoriamente sino que se asocia de manera ordenada para formar agregados conocidos como micelas.
Concentración micelar crítica (CMC):
La concentración más baja de tensioactivo en solución a la que comienzan a formarse las micelas se llama concentración micelar crítica (CMC).
La CMC varía según el tipo de tensioactivo, la estructura molecular y las condiciones de la solución (temperatura, contenido de electrolitos, etc.). En general, los tensioactivos iónicos tienen valores de CMC más bajos que los no iónicos, lo que indica una formación de micelas más fácil.
HLB es la abreviatura de Equilibrio hidrófilo-lipófilo y representa el equilibrio relativo entre las porciones hidrófila y lipófila de una molécula de tensioactivo. En otras palabras, el valor HLB indica el grado en que un tensioactivo es hidrófilo o lipófilo.
Un valor alto de HLB significa que la molécula es más hidrófila y menos lipófila , mientras que un valor bajo de HLB indica una lipofilicidad más fuerte y una hidrofilicidad más débil..
El valor HLB es una escala relativa . Para establecer esta escala, a la parafina (que no tiene carácter hidrófilo) se le asigna un valor HLB de 0, mientras que al dodecilsulfato de sodio (que es altamente soluble en agua) se le asigna un valor HLB de 40. Por lo tanto, los tensioactivos generalmente tienen valores de HLB en el rango de 1 a 40..
Típicamente:
Los tensioactivos con HLB < 10 se consideran lipófilos y adecuados para sistemas W/O (agua en aceite) .
Los tensioactivos con HLB > 10 son hidrófilos , adecuados para sistemas O/W (aceite en agua) .
El punto de transición entre el comportamiento lipófilo e hidrófilo se produce alrededor de HLB = 10.
Según el valor HLB, las posibles aplicaciones de los tensioactivos se pueden estimar de forma aproximada, como se muestra a continuación.
Tabla 1-3 Gama HLB y aplicaciones correspondientes
Rango de valores HLB | Aplicación típica | Rango de valores HLB | Aplicación típica |
1,5–3 | Antiespumante tipo W/O | 8–18 | Emulsionante tipo O/W |
3,5–6 | Emulsionante tipo W/O | 13-15 | Detergente |
7–9 | agente humectante | 15-18 | solubilizante |
En la tabla se puede ver que los tensioactivos adecuados para emulsionantes de agua en aceite (W/O) tienen valores de HLB de 3,5 a 6 , mientras que aquellos para emulsionantes de aceite en agua (O/W) tienen valores de HLB de 8 a 18..
(Aquí se omiten los métodos para determinar los valores de HLB).
Cuando se mezclan dos líquidos inmiscibles y uno se dispersa en el otro en forma de finas gotas o cristales líquidos, el sistema resultante se llama emulsión .
. Debido a que el área interfacial entre los dos líquidos aumenta significativamente durante la emulsificación, dicho sistema es termodinámicamente inestable . Para estabilizarlo, se debe agregar un tercer componente, un emulsionante , para reducir la energía interfacial.
Los emulsionantes son una clase de tensioactivos y su función principal es promover y estabilizar la emulsificación. En una emulsión, la fase dispersa (o fase interna/discontinua) es el líquido presente en forma de gotas, mientras que el medio de dispersión (o fase externa/continua) es el líquido que forma el medio circundante.
Las emulsiones comunes están compuestas por una fase acuosa (agua o solución acuosa) y otra fase de sustancias orgánicas que son inmiscibles con agua, como aceites o ceras. .
Dependiendo del patrón de dispersión, las emulsiones se pueden clasificar en:
Emulsiones de aceite en agua (O/W): Las gotas de aceite se dispersan en agua.
Emulsiones de agua en aceite (W/O): Las gotas de agua se dispersan en aceite.
Emulsiones múltiples: También se pueden formar sistemas más complejos como W/O/W (agua-en-aceite-en-agua) u O/W/O (aceite-en-agua-en-aceite) .
Los emulsionantes estabilizan las emulsiones reduciendo la tensión interfacial y formando una película interfacial monomolecular entre las dos fases.
Requisitos para emulsionantes eficaces
Para una emulsificación exitosa, un emulsionante debe cumplir las siguientes condiciones:
a. Adsorción en la interfaz: el emulsionante debe poder adsorberse o concentrarse en la interfaz entre las dos fases, reduciendo así la tensión interfacial.
b. Estabilización de gotitas: el emulsionante debe impartir cargas eléctricas a las gotitas para generar repulsión electrostática entre partículas, o formar una película protectora de alta viscosidad alrededor de cada gotita para evitar la coalescencia.
Por lo tanto, sólo las sustancias que contienen grupos hidrófilos e hidrófobos (es decir, moléculas anfifílicas ) pueden servir como emulsionantes eficaces. Los tensioactivos satisfacen este requisito estructural y son los agentes emulsionantes más comunes y eficaces.
Existen dos métodos principales para preparar emulsiones:
Método de dispersión mecánica:
implica el uso de fuerza mecánica para dispersar un líquido en otro en forma de partículas finas. Este es el método más utilizado en aplicaciones industriales.
Método de solución molecular:
en este enfoque, primero se disuelve un líquido en otro a nivel molecular y luego se induce su agregación en condiciones apropiadas para formar una emulsión.
Estabilidad de las emulsiones
La estabilidad de una emulsión se refiere a su capacidad para resistir la agregación de gotas y la separación de fases.
Dado que las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables con energía libre relativamente alta, la llamada 'estabilidad' en realidad describe el tiempo necesario para que el sistema alcance el equilibrio , es decir, el tiempo antes de que se produzca la separación de fases.
Cuando moléculas orgánicas polares como alcoholes grasos, ácidos grasos o aminas grasas están presentes en la película interfacial, la resistencia de la película aumenta significativamente. .
Esto ocurre porque las moléculas tensioactivas interactúan con estos compuestos polares para formar complejos en la interfaz, lo que mejora la resistencia de la película interfacial.
Emulsionantes mixtos
Cuando un emulsionante consta de dos o más tensioactivos , se denomina emulsionante mixto . .
En la interfaz aceite-agua, las diferentes moléculas de tensioactivo interactúan para formar estructuras complejas , que reducen en gran medida la tensión interfacial, aumentan la adsorción de tensioactivos en la interfaz y crean una película interfacial más densa y fuerte , mejorando así la estabilidad.
Efecto de la carga de gotas
La carga eléctrica de las gotas de emulsión tiene una influencia significativa sobre la estabilidad.
En las emulsiones estables, las gotas suelen llevar una carga eléctrica. Cuando se utilizan tensioactivos iónicos , sus grupos hidrófobos se incrustan en la fase oleosa mientras que sus grupos hidrófilos permanecen en la fase acuosa, lo que hace que las gotas se carguen.
Dado que todas las gotas llevan la misma carga , se repelen electrostáticamente , evitando la coalescencia y mejorando la estabilidad.
Cuanto mayor sea el número de iones tensioactivos adsorbidos en la superficie de la gota, mayor será la densidad de carga y mayor será la resistencia a la coalescencia, lo que da como resultado un sistema de emulsión más estable.
Efecto de la viscosidad del medio dispersante
La viscosidad de la fase continua también afecta la estabilidad de la emulsión.
Generalmente, una mayor viscosidad del medio de dispersión conduce a una mayor estabilidad, ya que suprime el movimiento browniano de las gotas y reduce sus colisiones.
Los polímeros que se disuelven en la emulsión pueden aumentar la viscosidad y así mejorar la estabilidad. Además, los polímeros pueden formar películas interfaciales fuertes , que estabilizan aún más el sistema.
Efecto de las partículas sólidas
En algunos casos, agregar polvos sólidos también puede ayudar a estabilizar las emulsiones.
El hecho de que estas partículas residan en la fase acuosa, en la fase oleosa o en la interfaz depende de su humectabilidad por el aceite y el agua.
Si las partículas sólidas son humedecidas tanto por agua como por petróleo en un grado apropiado, se acumularán en la interfaz petróleo-agua , mejorando la estabilidad.
El mecanismo estabilizador de las partículas sólidas es similar al de las moléculas de tensioactivos: al formar una capa interfacial sólida y compacta , fortalecen la película interfacial.
Cuanto más densamente estén empaquetadas las partículas en la interfaz, más estable se vuelve la emulsión.
solubilización
Después de formar micelas en solución acuosa, los tensioactivos exhiben la notable capacidad de aumentar la solubilidad de sustancias orgánicas que de otro modo serían insolubles o sólo ligeramente solubles en agua.
En esta etapa, la solución se vuelve transparente y este fenómeno se conoce como solubilización..
Los tensioactivos capaces de producir este efecto se denominan agentes solubilizantes , mientras que los compuestos orgánicos disueltos dentro de las micelas se denominan sustancias solubilizadas..
La espuma juega un papel importante en el proceso de limpieza y lavado.
La espuma es un sistema disperso en el que el gas se dispersa en un medio líquido o sólido. El gas es la fase dispersa , mientras que el líquido o sólido es el medio de dispersión . Cuando el medio es líquido, el sistema se denomina espuma líquida ; cuando es sólida, se llama espuma sólida , ejemplos de los cuales incluyen plásticos de espuma, vidrio de espuma y hormigón celular..
El tipo de espuma que se analiza aquí se refiere a una agregación de burbujas de gas separadas por películas líquidas delgadas. .
Debido a que la fase dispersa (gas) y el medio de dispersión (líquido) difieren mucho en densidad, y el líquido generalmente tiene baja viscosidad, las burbujas de gas se elevan rápidamente a la superficie del líquido.
El proceso de formación de espuma implica introducir una gran cantidad de gas en un líquido. Si bien la mayoría de las burbujas escapan rápidamente a la superficie, una porción del gas permanece temporalmente atrapada, formando un grupo de burbujas separadas por finas películas líquidas..
La espuma presenta dos características estructurales notables:
Forma de burbuja poliédrica:
las burbujas de gas en la espuma suelen adoptar formas poliédricas. Esto ocurre porque en los puntos donde las burbujas se cruzan, las películas líquidas tienden a adelgazarse, lo que obliga a las burbujas a volverse poliédricas. Cuando la película líquida se vuelve demasiado fina, las burbujas estallan.
Necesidad de múltiples componentes:
Los líquidos puros no pueden formar una espuma estable. La formación de espuma requiere un sistema con dos o más componentes. .
Las soluciones acuosas de tensioactivos son sistemas de formación de espuma típicos y su capacidad de formación de espuma está estrechamente relacionada con otras propiedades como la tensión superficial y la viscosidad.
Agentes espumantes y estabilizadores de espuma
Los tensioactivos que tienen una fuerte capacidad de formación de espuma se denominan agentes espumantes. .
Aunque los agentes espumantes pueden generar espuma fácilmente, la espuma resultante puede no ser necesariamente estable o duradera.
Para mantener la estabilidad de la espuma, a menudo se añaden Estas sustancias ayudan estabilizadores de espuma . a aumentar la viscosidad y la fuerza de la película líquida que rodea las burbujas, evitando así que colapsen.
Los estabilizadores de espuma comunes incluyen:
Dietanolamida de aceite de coco (dietanolamida láurica)
Óxido de laurildimetilamina
La espuma es un sistema termodinámicamente inestable . Con el tiempo, su tendencia natural es que las burbujas colapsen, reduciendo la superficie total del líquido y disminuyendo así la energía libre del sistema.
El proceso antiespumante implica el adelgazamiento y eventual ruptura de la película líquida que separa las burbujas de gas. Por lo tanto, la estabilidad de la espuma depende principalmente de la velocidad de drenaje del líquido y de la resistencia de la película líquida . Otros factores también influyen en la estabilidad de la espuma, como se describe a continuación.
① Tensión superficial
Desde una perspectiva energética, la baja tensión superficial favorece la formación de espuma porque facilita la creación de burbujas; sin embargo, no garantiza la estabilidad de la espuma.
Cuando la tensión superficial es baja, la diferencia de presión a través de la película es pequeña, lo que ralentiza el drenaje del líquido y reduce la velocidad de adelgazamiento de la película, lo que contribuye a la estabilidad de la espuma.
② Viscosidad superficial
El factor clave que determina la estabilidad de la espuma es la resistencia de la película , que se rige principalmente por la rigidez de la capa de adsorción de la superficie , medida por la viscosidad de la superficie. .
Los experimentos muestran que las soluciones con mayor viscosidad superficial producen una espuma más duradera. .
Esto se debe a que las interacciones intermoleculares más fuertes entre las moléculas de surfactante en la película de adsorción aumentan la resistencia de la película, extendiendo así la vida útil de la espuma.
③ Viscosidad de la solución
Cuando aumenta la viscosidad aparente del líquido, el drenaje del líquido de la película se vuelve más difícil.
Como resultado, la película se adelgaza más lentamente, retrasando la ruptura y mejorando la estabilidad de la espuma.
④ Efecto 'restaurador' de la tensión superficial
Las moléculas de surfactante adsorbidas en la superficie de la película líquida pueden resistir los cambios en el área de la superficie de la película, una propiedad conocida como efecto restaurador ..
Cuando la película se expande, la concentración superficial de moléculas de tensioactivo disminuye, provocando un aumento de la tensión superficial ; Por lo tanto, una mayor expansión requiere más trabajo.
Por el contrario, cuando la superficie se contrae, la concentración superficial de moléculas de tensioactivo aumenta, lo que reduce la tensión superficial , que resiste una mayor contracción.
Este equilibrio dinámico ayuda a mantener la elasticidad y la integridad de la película de espuma.
⑤ Difusión de gas a través de la película
Debido a la presión capilar , la presión interna de las burbujas pequeñas es mayor que la de las burbujas grandes.
Esto hace que el gas de las burbujas más pequeñas se difunda a través de la película líquida hacia las más grandes , lo que provoca el crecimiento de burbujas grandes y la desaparición de las pequeñas, lo que eventualmente provoca el colapso de la espuma.
Cuando hay tensioactivos presentes, la espuma se vuelve más fina y uniforme y se suprime la desespumante.
Esto se debe a que las moléculas de surfactante forman una capa densa y compacta en la superficie de la película, lo que dificulta la difusión del gas y, por lo tanto, mejora la estabilidad de la espuma..
⑥ Efecto de la carga superficial
Si las películas de espuma llevan cargas similares , las dos superficies de la película se repelen , evitando que se adelgace y se rompa.
Los tensioactivos iónicos pueden proporcionar este efecto de estabilización electrostática.
Resumen
En conclusión, la resistencia de la película es el factor clave que determina la estabilidad de la espuma.
Para los tensioactivos que actúan como agentes espumantes y estabilizadores de espuma , la compacidad y firmeza de la capa molecular adsorbida son fundamentales.
Cuando las interacciones entre las moléculas adsorbidas son fuertes, la disposición molecular es estrecha, lo que resulta en:
Una película superficial más fuerte con mayor resistencia mecánica;
Mayor viscosidad superficial , que ralentiza el drenaje del líquido y mantiene el espesor de la película;
Reducción de la permeabilidad al gas , lo que mejora aún más la estabilidad de la espuma.
Por lo tanto, una película de adsorción de tensioactivo elástica y apretada proporciona una espuma estable y duradera , una propiedad esencial en muchas formulaciones industriales y de limpieza.
El principio básico de la destrucción de la espuma es alterar las condiciones bajo las cuales se produce la espuma o eliminar los factores que la estabilizan. .
En consecuencia, existen dos métodos antiespumantes principales : físico y químico..
① Antiespumante físico
El desespumado físico implica cambiar las condiciones que favorecen la formación de espuma sin alterar la composición química de la solución espumante.
Los métodos físicos efectivos incluyen:
Alteración mecánica o agitación.
Variación de temperatura
Ajuste de presión
Tratamiento ultrasónico
Estas técnicas alteran la estructura de la espuma, acelerando la coalescencia y ruptura de las burbujas, eliminando así la espuma.
② Antiespumante químico
El desespumante químico implica agregar ciertas sustancias que interactúan con los agentes espumantes , debilitando la película líquida y reduciendo la estabilidad de la espuma.
Estas sustancias se conocen como antiespumantes (agentes antiespumantes)..
La mayoría de los antiespumantes son tensioactivos que pueden extenderse rápidamente sobre la superficie de la espuma, reducir la tensión superficial y desestabilizar la película.
Según el mecanismo antiespumante, los antiespumantes eficaces deberían tener:
Una gran capacidad para reducir la tensión superficial.,
Alta actividad superficial con fácil adsorción en la interfaz, y
Interacciones intermoleculares débiles entre moléculas adsorbidas, lo que da lugar a una capa molecular poco empaquetada.
Tipos comunes de antiespumantes
Aunque muchas sustancias pueden funcionar como antiespumantes, la mayoría son tensioactivos no iónicos. .
Los tensioactivos no iónicos exhiben propiedades antiespumantes cerca o por encima de su punto de turbidez y, por lo tanto, se usan comúnmente como antiespumantes.
Los agentes antiespumantes típicos incluyen:
Alcoholes , especialmente alcoholes de cadena ramificada.
Ácidos grasos y ésteres de ácidos grasos.
Poliamidas
Ésteres de fosfato
Aceites de silicona (siliconas)
Estos compuestos reducen eficazmente la tensión superficial, alteran la elasticidad de la película y promueven el rápido colapso de las burbujas, logrando un rendimiento antiespumante eficiente y duradero.
La espuma y la eficacia del lavado no están directamente relacionadas : la cantidad de espuma no indica necesariamente la eficacia de la limpieza.
Por ejemplo, los tensioactivos no iónicos producen mucha menos espuma que el jabón, pero su detergencia (poder de limpieza) suele ser superior.
Sin embargo, bajo ciertas condiciones, la espuma puede ayudar a eliminar la suciedad .
. Por ejemplo:
Durante el lavado de platos domésticos , la espuma ayuda a arrastrar las gotas de aceite que se desprenden de la superficie.
Al limpiar alfombras , la espuma ayuda a eliminar el polvo y otros contaminantes sólidos..
Además, a veces la espuma puede servir como indicador visual del progreso de la limpieza:
Supresión de espuma por suelo aceitoso: los contaminantes grasosos inhiben la formación de espuma. Cuando hay exceso de aceite o detergente insuficiente, se forma poca o ninguna espuma, o la espuma existente colapsa, lo que indica que se necesita más detergente.
Espuma como indicador de aclarado: Durante el aclarado, la cantidad de espuma disminuye a medida que se eliminan los restos de detergente. Por lo tanto, la cantidad de espuma se puede utilizar para estimar cuán minuciosamente se ha completado el proceso de lavado o enjuague..
En resumen, si bien la espuma en sí no mejora directamente la detergencia, puede ayudar a la limpieza mecánicamente y servir como un indicador práctico de la efectividad del lavado y enjuague.
En un sentido amplio, el lavado se refiere al proceso de eliminar componentes no deseados de un objeto para lograr un propósito específico.
En el sentido habitual, significa eliminar la suciedad o tierra de la superficie de un sustrato (el material que se está limpiando)..
Durante el lavado, sustancias químicas como los detergentes actúan para debilitar o eliminar las interacciones entre la tierra y el sustrato. Esto transforma la unión entre tierra y sustrato en una unión entre tierra y detergente , permitiendo que la tierra se desprenda del sustrato.
Debido a que tanto los sustratos como los tipos de suelos varían ampliamente, el lavado es un proceso fisicoquímico complejo. .
El mecanismo básico del lavado se puede representar mediante la siguiente relación simple:
Esto muestra que el detergente reemplaza al sustrato como socio adherente del suelo, eliminándolo efectivamente.
Etapas del proceso de lavado
El proceso de lavado se produce generalmente en dos etapas principales :
Separación:
Bajo la acción del detergente, la tierra se separa del sustrato.
Dispersión y suspensión:
la suciedad desprendida se dispersa y suspende en el medio de lavado (generalmente agua).
Sin embargo, el lavado es un proceso reversible. .
Las partículas de tierra dispersas o suspendidas a veces pueden volver a depositarse sobre la superficie limpia.
Por lo tanto, un detergente eficaz no sólo debe tener una gran capacidad para eliminar la suciedad del sustrato, sino también poseer una buena suspensión , de dispersión y propiedades anti-redeposición para evitar que la suciedad regrese a la superficie limpia.
Incluso para el mismo tipo de objeto, el tipo, la composición y la cantidad de tierra pueden variar mucho según el entorno de uso.
Los suelos aceitosos incluyen principalmente aceites animales y vegetales y aceites minerales (como petróleo crudo, fueloil y alquitrán de hulla).
Los suelos sólidos se componen principalmente de hollín, polvo, óxido y negro de humo..
En el caso de los textiles o la ropa , la suciedad puede tener su origen en muchas fuentes diferentes:
Cuerpo humano: sudor, sebo y sangre.
Alimentos: manchas de frutas, aceite de cocina, salsas y residuos de almidón.
Cosméticos: pintalabios, esmaltes de uñas, etc.
Fuentes atmosféricas: humo, polvo y barro.
Otros: tinta, té, pintura y más.
En resumen, los suelos son diversos en tipo y composición..
Generalmente, los suelos se pueden dividir en tres categorías principales : suelos sólidos , , suelos líquidos y suelos especiales..
① Suelos Sólidos
Los suelos sólidos comunes incluyen polvo, barro, arcilla, óxido y partículas de negro de carbón.
La mayoría de estas partículas llevan cargas eléctricas , generalmente negativas , lo que hace que se absorban fácilmente en fibras o superficies. .
Las suciedades sólidas suelen ser insolubles en agua , pero pueden dispersarse y suspenderse mediante soluciones detergentes.
Cuanto más pequeñas sean las partículas del suelo, más difícil será eliminarlas.
② Suelos líquidos
Los suelos líquidos son generalmente solubles en aceite , incluidos aceites animales y vegetales, ácidos grasos, alcoholes grasos, aceites minerales y sus derivados oxidados ..
Los aceites animales y vegetales, así como los ácidos grasos, pueden sufrir reacciones de saponificación con los álcalis.
Los alcoholes grasos y los aceites minerales, sin embargo, no se saponifican , pero pueden disolverse en disolventes orgánicos como alcoholes, éteres e hidrocarburos, y pueden emulsionarse y dispersarse mediante soluciones detergentes acuosas.
Las manchas líquidas solubles en aceite tienden a tener una fuerte adhesión a las fibras y, por lo tanto, son más difíciles de eliminar..
③ Suelos especiales
Las suciedades especiales incluyen proteínas, almidón, sangre, secreciones humanas (como sudor, sebo y orina), así como jugo de frutas, manchas de té , etc.
Estas suciedades a menudo se unen firmemente a las fibras a través de interacciones químicas , lo que las hace más difíciles de limpiar..
En realidad, los diferentes suelos rara vez existen de forma aislada: a menudo se mezclan y se adsorben simultáneamente en la superficie de un objeto.
Además, bajo influencias ambientales, los suelos pueden sufrir oxidación, descomposición o descomposición , lo que lleva a la formación de nuevos contaminantes que son aún más difíciles de eliminar.
La ropa, la piel y otras superficies se ensucian porque hay interacciones entre el suelo y el sustrato. .
La adhesión de la tierra se puede dividir en términos generales en adhesión física y adhesión química..
① Adhesión física
La adhesión física se produce cuando partículas como hollín, polvo, barro y negro de carbón se adhieren a telas o superficies.
En general, este tipo de adhesión implica fuerzas relativamente débiles , lo que hace que sea más fácil de eliminar en comparación con la adhesión química.
Dependiendo de la naturaleza de las fuerzas involucradas, la adhesión física se puede clasificar en adhesión mecánica y adhesión electrostática..
A. Adhesión mecánica
Este tipo se refiere principalmente a la adhesión de partículas sólidas (como polvo y arena) a una superficie.
Es la forma más débil de adhesión y, a menudo, esta suciedad se puede eliminar mediante medios mecánicos simples (por ejemplo, agitación o cepillado).
Sin embargo, cuando las partículas del suelo son muy pequeñas (menos de 0,1 μm), son mucho más difíciles de eliminar debido a su gran superficie y su mayor atracción física.
B. Adhesión electrostática
La adhesión electrostática ocurre cuando las partículas cargadas del suelo son atraídas hacia superficies de carga opuesta .
. La mayoría de los materiales fibrosos quedan cargados negativamente en el agua y, por lo tanto, atraen fácilmente partículas cargadas positivamente , como la cal (CaO, CaCO₃).
Algunos suelos con carga negativa, como las partículas de negro de humo en solución acuosa, aún pueden adherirse a las fibras a través de puentes iónicos , donde los iones positivos (p. ej., Ca² ⁺, Mg ² ⁺) unen sitios con carga opuesta en el suelo y el sustrato.
La adhesión electrostática es más fuerte que la simple adhesión mecánica y, por lo tanto, dicha suciedad es más difícil de eliminar..
② Adhesión química
La adhesión química se refiere a la unión del suelo a una superficie a través de enlaces químicos o enlaces de hidrógeno. .
Los ejemplos incluyen suelos polares, proteínas y óxido , que se adhieren fuertemente a materiales fibrosos.
Las fibras suelen contener grupos carboxilo, hidroxilo y amida , que pueden formar enlaces de hidrógeno con los ácidos grasos y alcoholes grasos presentes en los suelos aceitosos.
Dado que las fuerzas de unión química son relativamente fuertes, la suciedad que se adhiere de esta manera queda firmemente adherida y es difícil de eliminar mediante un lavado normal. .
A menudo se requieren métodos de limpieza especiales o tratamientos químicos.
Factores que afectan la fuerza de adhesión del suelo
El grado de adherencia depende tanto de la naturaleza del suelo como de las características de la superficie a la que se adhiere.
Tamaño de partícula: Las partículas sólidas más pequeñas se adhieren con más fuerza a las superficies.
Tipo de superficie: Los suelos particulados tienden a adherirse más fácilmente a materiales fibrosos..
Polaridad: En superficies hidrófilas (p. ej., algodón, vidrio), los suelos polares se adhieren con más fuerza que los suelos no polares.
Suelos a base de aceite: los suelos no polares (p. ej., sustancias aceitosas o grasosas) generalmente muestran una adhesión más fuerte que los suelos polares como el polvo o la arcilla y, por lo tanto, son más difíciles de eliminar..
El objetivo principal del lavado es eliminar la suciedad y los contaminantes. .
En un medio a una determinada temperatura (normalmente agua ), las acciones fisicoquímicas de los detergentes se utilizan para debilitar o eliminar las interacciones entre la suciedad y el sustrato (el material sucio).
Bajo la influencia de fuerzas mecánicas —como el frotamiento de las manos, la agitación en una lavadora o el flujo de agua— la suciedad se desprende de la superficie, logrando el propósito de limpieza.
A. Humectación
La mayoría de las manchas líquidas son contaminantes aceitosos. El aceite puede .
mojarse y extenderse fácilmente sobre la mayoría de las superficies textiles, formando una fina película de aceite sobre las fibras.
Por lo tanto, el primer paso del proceso de lavado es humedecer la superficie con la solución detergente. .
Para simplificar, la superficie de la fibra puede considerarse una superficie sólida lisa , donde el detergente reduce la tensión superficial del agua, permitiendo que el líquido de lavado se extienda y penetre más eficazmente.
B. Mecanismo de desprendimiento y enrollamiento
El segundo paso es la eliminación de la película aceitosa , lo que ocurre a través del mecanismo de enrollamiento. .
Inicialmente, el aceite existe como una película delgada y continua que se extiende sobre la superficie sólida.
A medida que la solución detergente humedece preferentemente la superficie sólida (fibra) , la película de aceite se contrae gradualmente en gotas. .
Estas gotas de aceite luego son desplazadas por el líquido de lavado y, bajo agitación mecánica o fuerzas de corte, se desprenden completamente de la superficie y son arrastradas por el medio de lavado.
② Mecanismo de eliminación de suelos sólidos
A diferencia de la eliminación de suciedad líquida (aceitosa), que depende principalmente de la humectación preferencial de la superficie del sustrato por el líquido de lavado, la eliminación de suciedad sólida sigue un mecanismo algo diferente.
Durante el lavado, el proceso clave implica humedecer tanto las partículas de tierra como la superficie del sustrato con la solución detergente.
Los surfactantes se adsorben en las superficies tanto de las partículas sólidas del suelo como del sustrato , reduciendo así la interacción interfacial entre ellas.
Esta adsorción reduce la fuerza de adhesión de las partículas del suelo sobre el sustrato, facilitando el desprendimiento y eliminación de la tierra.
Papel de los efectos electrostáticos
Además, los tensioactivos, especialmente los iónicos , pueden influir significativamente en el potencial superficial tanto de las partículas sólidas del suelo como del sustrato.
En medios acuosos, la mayoría de los sólidos y superficies fibrosas llevan cargas negativas , formando dobles capas difusas alrededor de sus superficies.
Dado que cargas similares se repelen, esta repulsión electrostática debilita la adhesión entre las partículas del suelo y la superficie.
Cuando se agregan tensioactivos aniónicos , aumentan aún más el potencial superficial negativo tanto de las partículas del suelo como del sustrato.
Como resultado, la fuerza repulsiva entre ellos aumenta, la fuerza de adhesión disminuye y la suciedad se elimina más fácilmente..
Tensioactivos no iónicos
Los tensioactivos no iónicos también pueden adsorberse en superficies sólidas cargadas, aunque no alteran significativamente el potencial de la superficie.
Sin embargo, la capa no iónica adsorbida puede formar una película protectora de espesor mensurable, que ayuda a prevenir la redeposición de suciedad desprendida sobre la superficie limpia.
Tensioactivos catiónicos
Por el contrario, los tensioactivos catiónicos tienden a reducir o neutralizar el potencial superficial negativo tanto de las partículas del suelo como del sustrato.
Esto disminuye la repulsión electrostática y aumenta la probabilidad de una nueva adhesión , lo que es desfavorable para la eliminación de la suciedad. .
Además, una vez que se adsorben los tensioactivos catiónicos, pueden hacer que la superficie sea hidrófoba , lo que reduce la humectabilidad y, por lo tanto, perjudica la eficiencia del lavado..
③ Eliminación de suelos especiales
Manchas como proteínas, almidones, secreciones humanas, jugos de frutas y manchas de té son difíciles de eliminar usando solo tensioactivos comunes y, por lo tanto, requieren métodos de tratamiento especiales..
Suelos proteicos
Los suelos a base de proteínas, como crema, huevos, sangre, leche y secreciones de la piel , tienden a coagularse y desnaturalizarse al entrar en contacto con las fibras, formando depósitos fuertemente adherentes . .
Estos pueden eliminarse eficazmente utilizando enzimas proteolíticas (proteasas) , que catalizan la hidrólisis de las proteínas del suelo en aminoácidos solubles en agua o pequeños péptidos , lo que permite que se eliminen.
Suelos de almidón
Las manchas de almidón se originan principalmente en fuentes alimenticias, como salsas, pastas o salsas. .
Las enzimas amilasas pueden catalizar la hidrólisis del almidón en moléculas de azúcar más pequeñas , facilitando así su eliminación durante el lavado.
Suelos grasos
Las enzimas lipasas se utilizan para catalizar la descomposición de suciedades de tipo triglicérido , que suelen ser difíciles de eliminar mediante métodos convencionales.
Estos incluyen sebo, aceites comestibles y grasas. .
La lipasa descompone los triglicéridos en glicerol y ácidos grasos , los cuales son más solubles y pueden eliminarse fácilmente con detergentes.
Tintes coloreados y pigmentados
Ciertas manchas de color , como las del jugo de frutas, el té, la tinta o el lápiz labial , suelen ser resistentes a la eliminación completa, incluso después de lavados repetidos.
Estas manchas se pueden tratar con agentes oxidantes o reductores (p. ej., polvo blanqueador, peróxido de hidrógeno o ditionito de sodio), que provocan reacciones redox que destruyen los grupos cromófóricos y auxocrómicos de las moléculas de color.
Esta reacción degrada los pigmentos en compuestos más pequeños y solubles en agua , lo que permite su eliminación.
Los mecanismos de lavado discutidos anteriormente se refieren principalmente al lavado acuoso , donde el agua sirve como medio de limpieza. .
Sin embargo, debido a las diferencias en los tipos y estructuras de las telas , el lavado con agua no siempre es adecuado o efectivo para todas las prendas.
En algunos casos, el lavado con agua puede incluso provocar deformaciones en la tela, pérdida de color o cambios de textura..
Por ejemplo:
La mayoría de las fibras naturales absorben agua y se hinchan fácilmente, y luego se encogen durante el secado, lo que provoca distorsión o deformación..
Las telas de lana tienden a encogerse y apelmazarse después del lavado con agua.
Algunas mezclas de lana pueden formar bolitas o perder color..
Las telas de seda suelen volverse más ásperas y menos brillantes después del lavado con agua.
Por estos motivos, estas prendas suelen limpiarse mediante el método de limpieza en seco..
Principios de la limpieza en seco
La limpieza en seco se refiere a un proceso de lavado que utiliza solventes orgánicos , particularmente solventes no polares , en lugar de agua como medio.
En comparación con el lavado con agua, la limpieza en seco es un proceso de limpieza más suave..
Debido a que requiere menos agitación mecánica , la limpieza en seco causa mínimos daños, arrugas o deformaciones a las prendas.
Además, los disolventes de limpieza en seco, a diferencia del agua, no inducen el hinchamiento ni el encogimiento de la fibra , preservando la forma, el color y la textura originales de la tela.
Cuando se maneja correctamente, la limpieza en seco puede lograr excelentes resultados de limpieza y al mismo tiempo garantizar que las prendas permanezcan dimensionalmente estables, no destiñan y sean duraderas..
Tipos de suciedad en tintorería y sus mecanismos de eliminación
Desde la perspectiva de la limpieza en seco , la suciedad generalmente se puede clasificar en tres categorías según sus características de solubilidad:
① Suelos solubles en aceite
Las manchas solubles en aceite incluyen diversos aceites y grasas , ya sea en forma líquida o semisólida (grasosa), que son fácilmente solubles en solventes de limpieza en seco. .
Estos incluyen aceites animales y vegetales, aceites minerales y grasas. .
La excelente solvencia de los solventes de limpieza en seco para aceites y grasas surge principalmente de las fuerzas intermoleculares de van der Waals , que permiten la disolución y eliminación eficiente de dichas manchas.
② Suelos solubles en agua
La suciedad soluble en agua se puede disolver en agua, pero no en disolventes de limpieza en seco. .
Por lo general, se absorben en las telas en forma acuosa y, después de la evaporación del agua, precipitan como residuos sólidos como sales inorgánicas, almidón y proteínas..
Para eliminar esta suciedad durante la limpieza en seco, se debe agregar una pequeña cantidad de agua al solvente de limpieza en seco; de lo contrario, los contaminantes solubles en agua no podrán eliminarse eficazmente.
Sin embargo, debido a que el agua es sólo ligeramente miscible con disolventes de limpieza en seco no polares, , se deben agregar tensioactivos para mejorar la compatibilidad.
La presencia de agua en el disolvente de limpieza en seco permite la hidratación tanto de la suciedad como de la superficie del tejido, facilitando la interacción entre los grupos polares del tensioactivo y la superficie. .
Además, cuando se forman micelas de tensioactivo , tanto la suciedad soluble en agua como el agua pueden solubilizarse dentro de las micelas , permitiendo que el disolvente las arrastre.
Además de mejorar el contenido de agua, los tensioactivos también previenen la redeposición de suciedad desprendida, mejorando así la eficiencia general de la limpieza.
Por lo tanto, una pequeña cantidad de agua es esencial para eliminar la suciedad soluble en agua, pero el exceso de agua puede causar deformaciones o arrugas en la tela. .
Por lo tanto, el contenido de agua en las formulaciones de limpieza en seco debe controlarse cuidadosamente..
③ Suelos no solubles (insolubles tanto en agua como en solvente)
Algunas suciedades, como el polvo, el barro, la arcilla y el negro de humo , son insolubles tanto en agua como en disolventes de limpieza en seco. .
Estas partículas sólidas generalmente se adhieren a las telas por atracción electrostática o al quedar unidas a residuos aceitosos..
En la limpieza en seco, la acción mecánica del flujo y la turbulencia del solvente ayuda a desalojar la suciedad retenida por fuerzas electrostáticas.
Al mismo tiempo, el disolvente disuelve los componentes oleosos , liberando las partículas sólidas atrapadas en ellos.
La pequeña cantidad de agua y tensioactivo presente en el disolvente de limpieza en seco ayuda a dispersar y suspender estas partículas desprendidas, evitando su redeposición en la superficie de la tela.
En resumen, una limpieza en seco eficaz depende de una interacción equilibrada entre la solvencia del disolvente, la humedad controlada y la actividad tensioactiva para eliminar una amplia gama de suciedades, ya sean solubles en aceite, solubles en agua o insolubles.
La adsorción orientada de moléculas de surfactante en las interfaces y la reducción de la tensión superficial o interfacial son los mecanismos principales para eliminar suciedades líquidas y sólidas.
Sin embargo, el proceso de lavado es bastante complejo e incluso para el mismo tipo de detergente, el rendimiento de limpieza puede verse influenciado por muchos factores adicionales, incluida la concentración del detergente, la temperatura, la naturaleza de la suciedad, el tipo de fibra y la estructura del tejido..
① Concentración de tensioactivos
Las micelas formadas por tensioactivos en solución juegan un papel crucial durante el proceso de lavado.
Cuando la concentración de tensioactivo alcanza la concentración micelar crítica (CMC) , la eficiencia del lavado aumenta drásticamente. .
Por lo tanto, para lograr un buen rendimiento de limpieza, la concentración de detergente debe estar por encima de la CMC..
Sin embargo, una vez que la concentración excede la CMC, aumentos adicionales en la concentración de tensioactivo dan como resultado sólo mejoras menores en la eficiencia del lavado.
Por tanto, la adición excesiva de tensioactivo más allá del nivel óptimo es innecesaria y antieconómica..
Cuando se eliminan manchas aceitosas mediante solubilización , incluso por encima de la CMC, la capacidad solubilizante del tensioactivo continúa aumentando con la concentración.
Por lo tanto, a veces es beneficioso aplicar detergente localmente en áreas muy sucias (por ejemplo, cuellos y puños), donde concentraciones localizadas más altas pueden mejorar la solubilización y eliminación de contaminantes aceitosos.
② Efecto de la temperatura
La temperatura tiene una influencia significativa en el proceso de lavado.
En general, el aumento de la temperatura favorece la eliminación de la suciedad , pero en ocasiones las temperaturas excesivamente altas pueden tener efectos adversos.
El aumento de la temperatura mejora la difusión de la suciedad , y la suciedad sólida o grasosa se puede emulsionar más fácilmente una vez que la temperatura excede su punto de fusión. .
Las temperaturas más altas también causan hinchazón de las fibras , lo que puede ayudar a desprender la suciedad de la superficie de la fibra.
Estos factores contribuyen colectivamente a mejorar la eficiencia de la limpieza.
Sin embargo, en el caso de las telas de tejido apretado , el hinchamiento excesivo de las fibras puede reducir los microespacios entre las fibras , lo que dificulta que la solución detergente penetre y elimine la suciedad.
La temperatura también afecta la solubilidad de los tensioactivos , su concentración micelar crítica (CMC) y el tamaño y número de micelas , influyendo así en el efecto de lavado general.
Para los tensioactivos de cadena larga , la solubilidad es relativamente baja a temperaturas más bajas, a veces incluso por debajo de su valor CMC . En tales casos, la temperatura de lavado debe aumentarse adecuadamente..
Para los tensioactivos iónicos , un aumento de la temperatura normalmente hace que la CMC aumente y el número de micelas disminuya , lo que significa que se requiere una mayor concentración de tensioactivo para mantener el rendimiento de limpieza.
Para los tensioactivos no iónicos , el aumento de la temperatura tiende a disminuir la CMC y aumentar la formación de micelas , mejorando así la actividad superficial . Sin embargo, la temperatura no debe exceder el punto de turbidez , más allá del cual la solubilidad del surfactante disminuye y el rendimiento se deteriora.
En resumen, la temperatura de lavado óptima depende tanto de la formulación del detergente como de la naturaleza del tejido que se limpia.
Algunos detergentes funcionan eficazmente a temperatura ambiente , mientras que otros presentan diferencias significativas en el poder de limpieza entre condiciones de lavado en frío y en caliente..
③ Espuma
La gente suele asociar erróneamente la capacidad de formar espuma con el rendimiento de limpieza , asumiendo que un detergente que produce más espuma debe limpiar mejor.
Sin embargo, los estudios han demostrado que la eficiencia del lavado no está directamente relacionada con el volumen de espuma. .
Por ejemplo, los detergentes con poca espuma pueden limpiar tan eficazmente como los que tienen mucha espuma..
Aunque la espuma en sí no contribuye directamente a la limpieza, en ciertos casos puede ayudar a eliminar la suciedad. .
Por ejemplo:
Al lavar los platos a mano , la espuma de la solución detergente puede arrastrar las gotas de aceite que se han desprendido de la superficie.
Al limpiar alfombras , la espuma puede atrapar y eliminar el polvo y las partículas sólidas de suciedad. .
Dado que el polvo constituye una gran parte de la suciedad de las alfombras , los limpiadores de alfombras generalmente están formulados para tener una capacidad moderada de formación de espuma..
La capacidad de formación de espuma también es un factor importante en los champús y jabones corporales. .
Durante el lavado o el baño, la espuma fina y cremosa proporciona una sensación agradable, suave y confortable , mejorando la experiencia del usuario.
④ Tipo de fibra y propiedades físicas de los tejidos
Además de la composición química de las fibras, la morfología de la superficie , , la torsión del hilo y la estructura del tejido también influyen en la facilidad con la que la suciedad se adhiere y se elimina de los textiles.
Las fibras de lana , con su superficie escamosa , y las fibras de algodón , con su forma plana y retorcida en forma de cinta , tienden a atrapar más tierra que las fibras lisas.
Por ejemplo, el negro de humo adherido a una película de celulosa (película de viscosa) se puede quitar fácilmente, mientras que el negro de humo de la tela de algodón es mucho más difícil de eliminar con lavado.
Los tejidos de poliéster de fibra corta acumulan más suciedad aceitosa que los de fibra larga , y la suciedad aceitosa de los tejidos de fibra corta también es más difícil de eliminar..
Los hilos fuertemente retorcidos y las telas densamente tejidas resisten la suciedad inicial porque los espacios microscópicos entre las fibras son más pequeños , lo que dificulta la penetración de la suciedad.
Sin embargo, una vez que se ensucian, estas estructuras apretadas también dificultan la penetración de la solución de lavado , lo que dificulta la eliminación de la suciedad..
Por tanto, la estructura y textura de los tejidos pueden mejorar la resistencia a la suciedad y complicar la limpieza , dependiendo de cómo interactúan las fibras con la suciedad y el detergente.
⑤ Dureza del agua
La concentración de iones metálicos como Ca² ⁺ y Mg² ⁺ en el agua tiene un impacto significativo en el rendimiento del lavado.
En particular, los tensioactivos aniónicos tienden a formar sales insolubles de calcio y magnesio al reaccionar con estos iones, lo que reduce en gran medida su detergencia..
Incluso cuando la concentración de tensioactivo en agua dura es relativamente alta, la eficiencia de limpieza sigue siendo mucho menor que la del agua destilada o blanda..
Para lograr un rendimiento de lavado óptimo , la concentración de iones Ca² ⁺ en el agua debe ser inferior a 1 × 10 ⁻⁶ mol/L (equivalente a menos de 0,1 mg/L como CaCO ₃ ).
Por lo tanto, es necesario agregar agentes suavizantes de agua a las formulaciones de detergentes para eliminar o secuestrar iones Ca²⁺ y Mg²⁺.
