1. 表面張力
液体の表面における単位長さあたりの収縮力は表面張力と呼ばれ、N • m-1 で測定されます。
2. 表面活性と界面活性剤
溶媒の表面張力を低下させる性質を界面活性といい、界面活性を持つ物質を界面活性物質といいます。
界面活性剤とは、水溶液中でミセルなどの集合体を形成し、高い界面活性を持ち、湿潤、乳化、発泡、洗浄などの機能も持つ表面活性物質を指します。
3. 界面活性剤の分子構造特性
界面活性剤は、2 つの相間の界面張力や液体 (通常は水) の表面張力を大幅に変えることができる特殊な構造と特性を持つ有機化合物であり、濡れ、発泡、乳化、洗浄などの特性を持っています。
構造的に言えば、界面活性剤は分子内に 2 つの異なる官能基を含むという共通の特徴を持っています。一方の端は、油に溶けますが水には溶けない長鎖の非極性基で、疎水基または疎水基として知られています。これらの疎水基は、一般的に長鎖炭化水素であり、有機フッ素、有機ケイ素、有機リン、有機スズ鎖などの場合もあります。もう一方の端は水溶性の官能基、つまり親水基または親水基です。親水基は、界面活性剤全体が水に溶け、必要な溶解度を持つように十分な親水性を持っている必要があります。界面活性剤には親水基と疎水基が存在するため、液相の少なくとも 1 つの相に溶解できます。界面活性剤の親水性と親油性の特性は両親媒性と呼ばれます。
4.界面活性剤の種類
界面活性剤は、疎水基と親水基の両方を持つ両親媒性分子です。界面活性剤の疎水基は、一般的に直鎖アルキルC8-C20、分岐鎖アルキルC8-C20、アルキルフェニル(アルキル炭素原子数8-16)などの長鎖炭化水素で構成されています。疎水基の違いは主に炭素水素鎖の構造変化にあり、その差は比較的小さいですが、親水基の種類は多くあります。そのため、界面活性剤の特性は、疎水基の大きさや形状に加えて、主に親水基に関係しています。親水基の構造変化は疎水基よりも大きいため、界面活性剤の分類は一般的に親水基の構造に基づいています。この分類は、主に親水基がイオン性であるかどうかに基づいており、アニオン性、カチオン性、ノニオン性、両性イオン性、その他の特殊な界面活性剤に分類されます。
5.界面活性剤水溶液の特性
① 界面における界面活性剤の吸着
界面活性剤分子は親油基と親水基を持ち、両親媒性分子となっています。水は極性の強い液体です。界面活性剤が水に溶解すると、極性同質性と極性異質性反発の原理により、親水基は水相に引き寄せられて溶解し、親油基は水を反発して水から離脱します。その結果、界面活性剤分子(またはイオン)が二相界面に吸着し、二相間の界面張力を低下させます。界面に吸着する界面活性剤分子(またはイオン)の数が多いほど、界面張力の低下量は大きくなります。
②吸着膜のいくつかの性質
吸着膜の表面圧:界面活性剤は気液界面に吸着して吸着膜を形成します。界面に摩擦のない可動浮上板を置き、浮上板が吸着膜を溶液表面に沿って押し付けると、膜は浮上板に圧力をかけます。この圧力を表面圧と呼びます。
表面粘性:表面圧力と同様に、表面粘性は不溶性分子膜が示す性質です。白金リングを細い金属線で吊り下げ、その平面を流し台の水面に接触させ、白金リングを回転させます。白金リングは水の粘性によって妨げられ、振幅が徐々に減衰します。これを利用して表面粘性を測定します。方法は、まず純水表面で実験を行い、振幅の減衰を測定し、次に表面マスク形成後の減衰を測定し、両者の差から表面マスクの粘性を計算します。
表面粘度は、フェイスマスクの表面硬度と密接に関連しています。吸着膜は表面圧と粘度を持つため、弾性が必要です。吸着膜の表面圧と粘度が高いほど、弾性率は高くなります。表面吸着膜の弾性率は、泡の安定化プロセスにおいて非常に重要です。
③ミセルの形成
界面活性剤の希薄溶液は理想溶液の法則に従います。溶液表面への界面活性剤の吸着量は溶液の濃度とともに増加します。濃度が一定値に達するかそれを超えると、吸着量の増加は止まります。溶液中の過剰な界面活性剤分子は、無秩序に存在したり、規則的に存在したりします。実験と理論の両方から、それらは溶液中でミセルと呼ばれる凝集体を形成することが示されています。
臨界ミセル濃度: 界面活性剤が溶液中でミセルを形成する最小濃度を臨界ミセル濃度と呼びます。
④ 一般的な界面活性剤のCMC値。
6. 親水性および親油性の平衡値
HLBは親水性親油性バランスの略で、界面活性剤の親水基と親油基の親水性と親油性の平衡値、すなわち界面活性剤のHLB値を表します。HLB値が高いほど、分子の親水性が強く、親油性が弱いことを示します。逆に、親油性が強く、親水性が弱いことを示します。
① HLB値に関する規制
HLB値は相対値であるため、HLB値を策定する際には、親水性のないパラフィンのHLB値を0、水溶性の強いドデシル硫酸ナトリウムのHLB値を40を基準とします。そのため、界面活性剤のHLB値は一般的に1~40の範囲となります。一般的に、HLB値が10未満の乳化剤は親油性、10を超える乳化剤は親水性です。したがって、親油性から親水性への転換点は、おおよそHLB値が10です。
7. 乳化・可溶化効果
粒子(液滴または液晶)が一方の液体中に他方の液体中に分散して形成される、互いに混ざり合わない2つの液体をエマルジョンと呼びます。エマルジョンが形成されると、2つの液体間の界面積が増加し、系は熱力学的に不安定になります。エマルジョンを安定化させるには、系の界面エネルギーを低下させる第3の成分である乳化剤を添加する必要があります。乳化剤は界面活性剤に属し、主な機能は乳化剤として作用することです。エマルジョン中の液滴が存在する相は分散相(または内相、不連続相)と呼ばれ、もう一方の相は分散媒(または外相、連続相)と呼ばれます。
① 乳化剤とエマルジョン
一般的なエマルジョンは、水または水溶液の相と、油やワックスなどの水と混ざらない有機化合物の相から構成されます。水と油によって形成されるエマルジョンは、その分散性に基づいて2つのタイプに分けられます。油が水中に分散するとO/W(油/水)で表される油中水型エマルジョンを形成します。一方、水が油に分散するとW/O(水/油)で表される油中水型エマルジョンを形成します。さらに、油中水(W/O/W)や油中水(O/W/O)といった複雑なエマルジョンも形成されることがあります。
乳化剤は界面張力を低下させ、単層のフェイシャルマスクを形成することで乳化物を安定化します。
乳化における乳化剤の要件:a:乳化剤は二相界面に吸着または濃縮し、界面張力を低下させる必要があります。b:乳化剤は粒子に電荷を与え、粒子間に静電反発を引き起こすか、粒子の周囲に安定した高粘性保護膜を形成する必要があります。したがって、乳化剤として使用される物質は、乳化効果を発揮するために両親媒性基を持つ必要があり、界面活性剤はこの要件を満たすことができます。
② エマルジョンの調製方法とエマルジョン安定性に影響を与える要因
エマルジョンを調製する方法は 2 つあります。1 つは、機械的な方法を使用して液体を別の液体に小さな粒子として分散させる方法です。これは、業界ではエマルジョンを調製するために一般的に使用されています。もう 1 つの方法は、液体を分子状態で別の液体に溶解し、その後適切に凝集させてエマルジョンを形成する方法です。
エマルジョンの安定性とは、粒子の凝集を防ぎ、相分離を引き起こす能力を指します。エマルジョンは熱力学的に不安定な系であり、大きな自由エネルギーを有しています。したがって、エマルジョンの安定性とは、実際には系が平衡状態に達するのに必要な時間、つまり系内の液体が分離するのに必要な時間を指します。
フェイシャルマスクに脂肪アルコール、脂肪酸、脂肪アミンなどの極性有機分子が含まれていると、膜の強度が著しく向上します。これは、界面吸着層中の乳化剤分子がアルコール、酸、アミンなどの極性分子と相互作用して「複合体」を形成し、界面フェイシャルマスクの強度を高めるためです。
2種類以上の界面活性剤からなる乳化剤は混合乳化剤と呼ばれます。混合乳化剤は水/油界面に吸着し、分子間相互作用により複合体を形成します。強い分子間相互作用により、界面張力が大幅に低下し、界面に吸着する乳化剤の量が大幅に増加し、形成される界面マスクの密度と強度が向上します。
液滴の電荷はエマルジョンの安定性に大きな影響を与えます。安定したエマルジョンは、通常、電荷を帯びた液滴を有します。イオン性乳化剤を使用すると、界面に吸着した乳化剤イオンが親油基を油相に、親水基を水相に導入することで、液滴は帯電します。エマルジョンの液滴は互いに同じ電荷を帯びているため、互いに反発し合い、凝集しにくくなり、安定性が向上します。液滴に吸着する乳化剤イオンの数が多いほど、その電荷は大きくなり、液滴の凝集を防ぐ能力が高まり、エマルジョン系の安定性が向上することがわかります。
エマルジョン分散媒の粘度は、エマルジョンの安定性に一定の影響を与えます。一般的に、分散媒の粘度が高いほど、エマルジョンの安定性は高くなります。これは、分散媒の粘度が高いため、液滴のブラウン運動が強く阻害され、液滴間の衝突が遅くなり、系の安定性が維持されるためです。エマルジョンに溶解しやすいポリマー物質は、系の粘度を高め、エマルジョンの安定性を高めることができます。さらに、ポリマーは固体界面マスクを形成することで、エマルジョン系の安定性を高めることができます。
場合によっては、固体粉末を添加することでエマルジョンを安定化させることもできます。固体粉末は、水、油、または界面のいずれかに存在せず、固体粉末に対する油と水の濡れ性に依存します。固体粉末が水に完全に濡れず、油に濡れる場合、水と油の界面に留まります。
固体粉末がエマルジョンを安定化させない理由は、界面に集まった粉末が界面のマスクを強化しないためであり、これは界面吸着乳化剤分子と類似しています。したがって、固体粉末粒子が界面で密に配列するほど、エマルジョンはより安定します。
界面活性剤は、水溶液中でミセルを形成した後、水に不溶性または難溶性の有機化合物の溶解度を著しく高める作用を有し、このとき溶液は透明になります。このミセルの作用を可溶化作用といいます。可溶化作用を発揮できる界面活性剤を可溶化剤と呼び、可溶化された有機化合物を可溶化化合物と呼びます。
8. フォーム
泡は洗浄プロセスにおいて重要な役割を果たします。泡とは、気体が液体または固体中に分散した分散系を指します。気体は分散相であり、液体または固体は分散媒です。前者は液体泡と呼ばれ、後者は固体泡と呼ばれ、発泡プラスチック、発泡ガラス、発泡セメントなどがこれにあたります。
(1)泡の形成
ここで泡とは、液膜によって分離された気泡の集合体を指します。分散相(気体)と分散媒(液体)の密度差が大きく、液体の粘度が低いため、泡は常に液面まで速やかに上昇します。
泡を形成するプロセスは、大量のガスを液体に持ち込み、液体中の泡がすぐに液体表面に戻り、少量の液体とガスによって分離された泡集合体を形成することです。
泡は形態学的に2つの顕著な特徴を持つ。1つは、分散相としての泡が多面体となることが多いことである。これは、泡の交点において液膜が薄くなる傾向があり、泡が多面体となるためである。液膜がある程度薄くなると、泡は破裂する。2つ目は、純粋な液体では安定した泡を形成できないが、泡を形成できる液体は少なくとも2つ以上の成分から構成されることである。界面活性剤の水溶液は泡を生成しやすい典型的な系であり、その泡生成能力は他の特性とも関連している。
泡立ちの良い界面活性剤は発泡剤と呼ばれます。発泡剤は泡立ちが良いものの、形成された泡が長時間持続しない、つまり泡の安定性が悪い場合があります。泡の安定性を維持するために、泡の安定性を高める物質が発泡剤に添加されることが多く、これを整泡剤と呼びます。一般的に使用される整泡剤としては、ラウロイルジエタノールアミンとドデシルジメチルアミンオキシドがあります。
(2)泡の安定性
泡は熱力学的に不安定な系であり、最終的には泡が破裂した後に系内の液体の総表面積が減少し、自由エネルギーが減少する傾向があります。脱泡過程とは、気体を隔てる液膜の厚さが変化し、最終的に破裂する過程です。したがって、泡の安定性は主に液体の排出速度と液膜の強度によって決まります。他にも影響する要因がいくつかあります。
① 表面張力
エネルギーの観点から見ると、表面張力が低いほど泡の形成に有利ですが、泡の安定性を保証するものではありません。表面張力が低いこと、圧力差が小さいこと、液体の吐出速度が遅いこと、そして液膜の薄化が遅いことが、泡の安定性に寄与します。
②表面粘度
泡の安定性を決定する重要な要素は液膜の強度であり、これは主に表面吸着膜の硬さ、つまり表面粘度によって決まります。実験では、表面粘度の高い溶液から生成された泡は寿命が長いことが示されています。これは、表面に吸着した分子間の相互作用によって膜強度が高まり、泡の寿命が向上するためです。
③ 溶液粘度
液体自体の粘度が高くなると、液膜中の液体が排出されにくくなり、液膜の厚さが薄くなる速度が遅くなり、液膜が破裂する時間が遅くなり、泡の安定性が高まります。
④表面張力の「修復」効果
液膜表面に吸着した界面活性剤は、液膜表面の膨張や収縮に抵抗する性質があり、これを修復効果と呼びます。これは、表面に吸着した界面活性剤の液膜が存在し、その表面積を拡大すると、表面に吸着した分子の濃度が低下し、表面張力が増加するためです。さらに表面を拡大するには、より大きな労力が必要です。逆に、表面積が縮小すると、表面に吸着した分子の濃度が増加し、表面張力が低下し、それ以上の収縮が妨げられます。
⑤ 液膜を通したガスの拡散
毛細管圧力の存在により、泡内の小気泡の圧力は大気泡の圧力よりも高く、小気泡内のガスが液膜を通して低圧の大気泡に拡散し、小気泡は小さくなり、大気泡は大きくなり、最終的に泡が破裂するという現象が発生します。界面活性剤を添加すると、発泡時に泡が均一で緻密になり、消泡しにくくなります。界面活性剤は液膜上に密に配置されるため、通気性が悪くなり、泡がより安定します。
⑥表面電荷の影響
泡状の液膜に同じ電荷が帯電すると、液膜の両面が反発し合い、液膜の薄化や破壊を防ぎます。イオン性界面活性剤は、この安定化効果をもたらします。
結論として、液膜の強度は泡の安定性を決定する重要な要素です。発泡剤や泡安定剤の界面活性剤として、表面に吸着した分子の密着性と硬さは最も重要な要素です。表面の吸着分子間の相互作用が強い場合、吸着分子が密接に配列し、表面マスク自体の強度が高くなるだけでなく、表面粘性が高いため表面マスクに隣接する溶液が流れにくくなり、液膜が比較的排水されにくくなり、液膜の厚さが維持されやすくなります。さらに、表面分子が密接に配列すると、ガス分子の透過性が低下し、泡の安定性が向上します。
(3)泡の破壊
泡を破壊する基本原理は、泡を生成する条件を変えるか、泡の安定要因を排除することであるため、物理的および化学的2つの消泡方法があります。
物理的脱泡とは、泡溶液の化学組成を変えずに泡の発生条件を変えることです。例えば、外力による撹乱、温度や圧力の変化、超音波処理などは、いずれも泡を除去する効果的な物理的方法です。
化学的消泡法は、発泡剤と相互作用する物質を添加し、泡内の液膜強度を低下させ、泡の安定性を低下させることで消泡の目的を達成する方法です。このような物質は消泡剤と呼ばれます。消泡剤の多くは界面活性剤です。したがって、消泡のメカニズムから判断すると、消泡剤は表面張力を低下させる能力が強く、表面に吸着しやすく、表面に吸着した分子間の相互作用が弱く、吸着分子の配列構造が比較的緩いことが求められます。
消泡剤には様々な種類がありますが、そのほとんどは非イオン界面活性剤です。非イオン界面活性剤は、曇点付近またはそれ以上の高温域で消泡性を示すため、消泡剤として広く使用されています。また、分岐構造を持つアルコール、脂肪酸やエステル、ポリアミド、リン酸塩、シリコーンオイルなども優れた消泡剤として広く使用されています。
(4)泡と洗浄
泡立ちと洗浄効果の間には直接的な関係はなく、泡の量によって洗浄効果の良し悪しが決まるわけではありません。例えば、非イオン界面活性剤の泡立ち性能は石鹸に比べてはるかに劣りますが、洗浄力は石鹸よりもはるかに優れています。
泡は汚れを落とすのに役立つ場合があります。例えば、家庭で食器を洗うとき、洗剤の泡は洗い流された油滴を取り除くことができます。カーペットをこすり洗いするとき、泡はほこりや粉などの固形の汚れを取り除くのに役立ちます。さらに、油脂汚れは洗剤の泡立ちを阻害することがあるため、泡は洗剤が効果的であるかどうかの指標として使用されることがあります。油汚れが多すぎて洗剤が少なすぎると、泡が出ないか、元の泡が消えてしまいます。また、泡はすすぎがきれいかどうかの指標として使用されることもあります。すすぎ溶液中の泡の量は洗剤含有量の減少に伴って減少する傾向があるため、すすぎの程度は泡の量によって評価できます。
9. 洗浄工程
洗浄とは、広義には、洗浄対象物から不要な成分を除去し、一定の目的を達成するプロセスです。通常の意味での洗浄は、キャリアの表面から汚れを除去するプロセスを指します。洗浄中、汚れとキャリアの相互作用は、いくつかの化学物質(洗剤など)の作用によって弱められたり、除去されたりし、汚れとキャリアの組み合わせが汚れと洗剤の組み合わせに変換され、最終的に汚れとキャリアが分離します。洗浄対象物と除去される汚れは多様であるため、洗浄は非常に複雑なプロセスであり、洗浄の基本的なプロセスは次の単純な関係で表すことができます。
キャリア・汚れ+洗剤=キャリア+汚れ・洗剤
洗濯工程は通常、2つの段階に分けられます。1つは洗剤の作用によって汚れとそのキャリアが分離される段階です。2つ目は、分離した汚れが媒体中に分散・懸濁される段階です。洗濯工程は可逆的なプロセスであり、媒体中に分散・懸濁した汚れは、媒体から洗濯物に再沈殿する可能性があります。したがって、優れた洗剤は、汚れをキャリアから分離する能力だけでなく、汚れを分散・懸濁させ、汚れの再付着を防ぐ能力も備えている必要があります。
(1)汚れの種類
同じアイテムでも、使用環境によって汚れの種類、成分、量は異なります。油性の汚れには、主に動植物油、鉱物油(原油、重油、コールタールなど)が含まれ、固形の汚れには、主に煙、ホコリ、サビ、カーボンブラックなどが含まれます。衣類の汚れには、汗、皮脂、血液などの人体由来の汚れ、果物のシミ、食用油のシミ、調味料のシミ、デンプンなどの食品由来の汚れ、口紅やマニキュアなどの化粧品による汚れ、煙、ホコリ、土などの大気由来の汚れ、インク、お茶、ペンキなどのその他物質による汚れなど、多種多様であると言えます。
汚れの種類は通常、固体汚れ、液体汚れ、特殊汚れの 3 つのカテゴリに分類できます。
① 一般的な固形汚れには、灰、泥、土、錆、カーボンブラックなどの粒子が含まれます。これらの粒子の多くは表面電荷(主に負電荷)を持ち、繊維状の物体に吸着しやすい性質があります。一般的に、固形汚れは水に溶けにくいですが、洗剤溶液によって分散・懸濁させることができます。粒子が小さい固形汚れは除去が困難です。
② 液状汚れは主に油溶性で、動植物油、脂肪酸、脂肪族アルコール、鉱油、およびそれらの酸化物が含まれます。これらのうち、動植物油と脂肪酸はアルカリによって鹸化しますが、脂肪族アルコールと鉱油はアルカリによって鹸化されませんが、アルコール、エーテル、炭化水素系有機溶剤に溶解し、洗剤水溶液によって乳化分散します。油溶性の液状汚れは、一般的に繊維質物体との相互作用力が強く、繊維にしっかりと吸着します。
③ 特殊な汚れには、タンパク質、デンプン、血液、汗、皮脂、尿などの人体分泌物、果汁、茶渋などが含まれます。これらの汚れの多くは、化学反応によって繊維質の物体に強く吸着するため、洗浄が非常に困難です。
様々な種類の汚れは単独で存在することは稀で、多くの場合、互いに混ざり合って物体に吸着しています。汚れは外部の影響を受けて酸化、分解、または腐敗し、新たな汚れを形成することがあります。
(2)汚れの付着効果
衣服や手などが汚れるのは、物体と汚れの間に何らかの相互作用があるためです。汚れが物体に付着する現象には様々なものがありますが、主に物理的付着と化学的付着です。
① タバコの灰、埃、堆積物、カーボンブラックなどの物質が衣類に物理的に付着します。一般的に、付着した汚れと汚染物質との相互作用は比較的弱く、汚れの除去も比較的容易です。汚れの物理的付着は、付着する力の違いによって、機械的付着と静電的付着に分けられます。
A: 機械的付着とは、主に埃や堆積物などの固体汚れの付着を指します。機械的付着は汚れに対する付着力が弱いため、簡単な機械的方法でほぼ除去できます。ただし、汚れの粒子径が小さい場合(0.1μm未満)、除去はより困難になります。
B:静電気による付着は、主に帯電した汚れ粒子が反対電荷を持つ物体に作用することで発生します。ほとんどの繊維状物体は水中で負電荷を帯びており、石灰などの正電荷を持つ汚れが付着しやすいです。水溶液中のカーボンブラック粒子のように負電荷を持つ汚れでも、水中の正イオン(Ca₂+、Mg₂+など)によって形成されるイオンブリッジ(複数の反対電荷間でイオンが相互作用し、橋渡しのように作用する)を介して繊維に付着することがあります。
静電気は単純な機械的作用よりも強力であるため、汚れを除去するのが比較的困難です。
③ 特殊な汚れの除去
タンパク質、デンプン、人体分泌物、果汁、茶汁などの汚れは、一般的な界面活性剤では除去が難しく、特別な処理方法が必要です。
クリーム、卵、血液、牛乳、皮膚の排泄物などのタンパク質汚れは、繊維上で凝固・変性しやすく、より強固に付着します。タンパク質汚れには、プロテアーゼが効果的です。プロテアーゼは汚れに含まれるタンパク質を水溶性アミノ酸やオリゴペプチドに分解します。
デンプンの汚れは主に食べ物から発生しますが、肉汁やペーストなど他のものからも発生します。デンプン酵素はデンプン汚れの加水分解に触媒作用を及ぼし、デンプンを糖に分解します。
リパーゼは、人体から分泌される皮脂や食用油など、従来の方法では除去が難しい一部のトリグリセリドの分解を触媒し、トリグリセリドを可溶性のグリセロールと脂肪酸に分解します。
果汁、お茶の絞り汁、インク、口紅などによる着色汚れは、繰り返し洗っても完全に落ちにくい場合があります。このような汚れは、酸化剤や漂白剤などの還元剤を用いた酸化還元反応によって除去できます。酸化還元反応は、色素分子または色素基の構造を分解し、水溶性の小さな成分へと分解します。
ドライクリーニングの観点から見ると、汚れの種類は大きく分けて3つあります。
①油溶性汚れには、ドライクリーニング溶剤に溶ける液状または油状の各種油脂が含まれます。
②水溶性汚れは水溶液には溶けますが、ドライクリーニング剤には溶けません。水溶液の状態で衣類に吸着し、水分が蒸発すると、無機塩、デンプン、タンパク質などの粒状の固形物が沈殿します。
③油水不溶性汚れは、カーボンブラック、各種金属ケイ酸塩、酸化物など、水にもドライクリーニング溶剤にも溶けない汚れです。
汚れの種類によって性質が異なるため、ドライクリーニング工程では様々な方法で汚れを除去します。動植物油、鉱物油、脂肪などの油溶性汚れは有機溶剤に溶けやすく、ドライクリーニングで容易に除去できます。ドライクリーニング溶剤が油脂に対して優れた溶解性を示すのは、主に分子間のファンデルワールス力によるものです。
無機塩、糖分、タンパク質、汗などの水溶性汚れを除去するためには、ドライクリーニング剤に適切な量の水を加えることも必要です。そうしないと、水溶性汚れを衣類から除去することが難しくなります。しかし、ドライクリーニング剤に水が溶けにくいため、水の量を増やすために界面活性剤を添加する必要があります。ドライクリーニング剤に含まれる水は、汚れと衣類の表面を水和させ、界面活性剤の極性基と相互作用しやすくし、表面への界面活性剤の吸着に有利です。さらに、界面活性剤がミセルを形成すると、水溶性の汚れと水がミセルに溶解します。界面活性剤は、ドライクリーニング溶剤の水分量を増やすだけでなく、汚れの再付着を防ぎ、洗浄効果を高めます。
水溶性の汚れを落とすには少量の水分が必要ですが、水分が多すぎると衣類が変形したり、シワになったりする原因となるため、ドライ洗剤の水分量は適度でなければなりません。
灰、泥、土、カーボンブラックなど、水溶性でも油溶性でもない固体粒子は、一般的に静電気吸着や油汚れとの結合によって衣類に付着します。ドライクリーニングでは、溶剤の流れや衝撃によって静電気力で吸着した汚れが脱落するほか、ドライクリーニング剤が油汚れを溶解し、油汚れと結合して衣類に付着した固体粒子がドライクリーニング剤から脱落します。ドライクリーニング剤に含まれる少量の水と界面活性剤は、脱落した固体汚れ粒子を安定的に懸濁・分散させ、衣類への再付着を防ぎます。
(5)洗浄効果に影響を与える要因
界面活性剤の界面における方向性吸着と表面(界面)張力の低下は、液体または固体の汚れを除去する主な要因です。しかし、洗濯プロセスは比較的複雑であり、同じ種類の洗剤であっても、洗浄効果は他の多くの要因の影響を受けます。これらの要因には、洗剤の濃度、温度、汚れの性質、繊維の種類、布地の構造などがあります。
①界面活性剤の濃度
溶液中の界面活性剤のミセルは洗浄プロセスにおいて重要な役割を果たします。濃度が臨界ミセル濃度(CMC)に達すると、洗浄効果が急激に増加します。したがって、良好な洗浄効果を得るには、溶媒中の洗剤濃度をCMC値よりも高くする必要があります。しかし、界面活性剤の濃度がCMC値を超えると、洗浄効果の増加は顕著ではなくなるため、界面活性剤濃度を過度に増加させる必要はありません。
油汚れを可溶化処理で除去する場合、濃度がCMC値を超えていても、界面活性剤濃度の上昇に伴い可溶化効果は高まります。この際、衣類の袖口や襟など、汚れがひどい部分に洗剤を局所的に塗布することをお勧めします。洗濯時に洗剤を塗布することで、界面活性剤による油汚れの可溶化効果を高めることができます。
② 温度は洗浄効果に大きな影響を与えます。一般的に、温度を上げることは汚れの除去に効果的ですが、温度が高すぎると逆効果になることもあります。
温度の上昇は汚れの拡散に有利です。固形の油汚れは融点を超えると乳化しやすくなります。また、繊維も温度上昇によって膨張度が増します。これらの要因はすべて汚れの除去に有利です。しかし、目の詰まった生地の場合、繊維が膨張すると繊維間の微細な隙間が狭くなり、汚れの除去には不利になります。
温度変化は界面活性剤の溶解性、CMC値、ミセルサイズにも影響を及ぼし、洗浄効果にも影響します。長炭素鎖界面活性剤は低温では溶解性が低く、場合によってはCMC値よりも溶解性が低いことがあります。この場合、洗浄温度を適切に上げる必要があります。CMC値とミセルサイズに対する温度の影響は、イオン性界面活性剤と非イオン性界面活性剤で異なります。イオン性界面活性剤の場合、温度の上昇は通常、CMC値の増加とミセルサイズの減少につながります。つまり、洗浄溶液中の界面活性剤の濃度を高める必要があります。非イオン性界面活性剤の場合、温度の上昇はCMC値の低下とミセルサイズの増加を大幅に招きます。温度を適切に上げることで、非イオン性界面活性剤が表面活性を発揮するのに役立つことがわかります。ただし、温度は曇点を超えてはなりません。
つまり、最適な洗濯温度は洗剤の配合と洗濯物によって決まります。洗剤によっては室温でも洗浄効果が高いものもあれば、冷水と温水で洗浄効果が大きく異なるものもあります。
③ フォーム
泡立ちの良さと洗浄効果を混同している人は少なくありません。泡立ちの強い洗剤の方が洗浄効果が高いと誤解されているのです。しかし、研究結果によると、洗浄効果は泡の量と直接関係しているわけではありません。例えば、泡立ちの弱い洗剤を使っても、泡立ちの強い洗剤を使っても洗浄効果は劣るというわけではありません。
泡は洗浄に直接関係ありませんが、場合によっては汚れを落とすのに役立ちます。例えば、食器を手洗いする際、洗剤の泡が油滴を洗い流します。カーペットをこすり洗いする際にも、泡はホコリなどの固形の汚れを取り除くことができます。カーペットの汚れの大部分はホコリによるものなので、カーペットクリーナーにはある程度の泡立ちが必要です。
シャンプーは泡立ちも重要です。洗髪時や入浴時に、きめ細やかな泡が立つことで、心地よさを感じられます。
④ 繊維の種類と織物の物理的性質
繊維の化学構造が汚れの付着や除去に影響を与えるだけでなく、繊維の外観や糸や生地の組織構造も汚れの除去の難しさに影響を与えます。
ウール繊維の鱗状構造や綿繊維の平たい帯状の構造は、滑らかな繊維に比べて汚れが付着しやすいです。例えば、セルロースフィルム(接着膜)に付着したカーボンブラックは除去しやすいのに対し、綿布に付着したカーボンブラックは洗浄によって除去しにくいです。例えば、ポリエステル短繊維は長繊維よりも油汚れが付着しやすく、短繊維に付着した油汚れは長繊維よりも除去しにくいです。
強く撚られた糸や目の詰まった生地は、繊維間の微細な隙間により汚れの侵入を防ぐ一方で、洗浄液が内部の汚れを落としにくくなります。そのため、目が詰まった生地は、最初は汚れに強いものの、一度汚れが付着すると洗浄が困難になります。
⑤ 水の硬度
水中のCa2+やMg2+などの金属イオン濃度は洗浄効果に大きな影響を与えます。特に、陰イオン界面活性剤はCa2+やMg2+イオンと接触して溶解度の低いカルシウム塩やマグネシウム塩を形成し、洗浄力を低下させる可能性があります。硬水中では界面活性剤濃度が高くても、洗浄効果は蒸留法に比べてはるかに低くなります。界面活性剤の洗浄効果を最大限に引き出すには、水中のCa2+イオン濃度を1×10-6mol/L未満(CaCO3は0.1mg/L未満)に下げる必要があります。そのためには、洗剤に様々な柔軟剤を添加する必要があります。
投稿日時: 2024年8月16日
