表によると、水中油型乳化剤として適した界面活性剤の HLB 値は 3.5 ～ 6 ですが、油中水型乳化剤に適した界面活性剤の HLB 値は 8 ～ 18 です。

②HLB値の測定（省略）

07 乳化と可溶化

エマルジョンとは、混ざり合わない液体が微粒子（液滴または液晶）の形で別の液体中に分散することによって形成される系です。界面活性剤の一種である乳化剤は、界面エネルギーを低下させることで、この熱力学的に不安定な系を安定化させるために不可欠です。エマルジョン中で液滴状に存在する相は分散相（または内相）、連続層を形成する相は分散媒（または外相）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、多くの場合、一方の相が水または水溶液、もう一方の相が油やワックスなどの有機物から構成されます。分散状態によって、エマルジョンは油が水中に分散している油中水型（W/O）と、水が油に分散している水中油型（O/W）に分類されます。さらに、W/O/WやO/W/Oのような複雑なエマルジョンも存在します。乳化剤は、界面張力を低下させ、単分子膜を形成することでエマルジョンを安定化させます。乳化剤は界面に吸着または蓄積して界面張力を低下させ、液滴に電荷を与えて静電反発力を発生させるか、粒子の周囲に高粘度の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両親媒性基を持っている必要があり、界面活性剤はそれを提供します。

② エマルジョン調製方法と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主に2つあります。1つは機械的方法で、液体を別の液体に微粒子として分散させる方法です。もう1つは、液体を分子状のまま別の液体に溶解し、適切に凝集させる方法です。エマルジョンの安定性とは、相分離につながる粒子の凝集に抵抗する能力を指します。エマルジョンは熱力学的に不安定な系であり、自由エネルギーが高いため、その安定性は平衡に達するまでの時間、つまり液体がエマルジョンから分離するまでの時間を反映します。界面膜に脂肪族アルコール、脂肪酸、脂肪族アミンが存在すると、極性有機分子が吸着層で錯体を形成し、界面膜を強化するため、膜の強度が大幅に向上します。

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。混合乳化剤は水と油の界面に吸着し、分子間相互作用によって複合体を形成して界面張力を大幅に低下させ、吸着量を増加させることで、より密度が高く強固な界面膜を形成します。

電荷を帯びた液滴は、エマルジョンの安定性に顕著な影響を与えます。安定したエマルジョンでは、液滴は通常電荷を帯びています。イオン性乳化剤を使用すると、イオン性界面活性剤の疎水端が油相に取り込まれ、親水端は水相に残るため、液滴に電荷が付与されます。液滴間の同電荷は反発を引き起こし、凝集を防ぐため、安定性が向上します。したがって、液滴に吸着された乳化剤イオンの濃度が高いほど、液滴の電荷は大きくなり、エマルジョンの安定性は高まります。

分散媒の粘度もエマルジョンの安定性に影響を与えます。一般的に、粘度の高い媒質は液滴のブラウン運動を強く阻害し、衝突の可能性を低下させるため、安定性が向上します。エマルジョンに溶解する高分子物質は、媒質の粘度と安定性を高めることができます。さらに、高分子物質は強固な界面膜を形成し、エマルジョンをさらに安定化させます。場合によっては、固体粉末を添加することで同様にエマルジョンを安定化できることがあります。固体粒子が水で完全に濡れ、油でも濡れる場合、それらは水と油の界面に保持されます。固体粉末は、吸着した界面活性剤のように、界面に集まって膜を強化することでエマルジョンを安定化させます。

界面活性剤は、溶液中にミセルを形成した後に、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ことができます。このとき、溶液は透明に見え、この能力は可溶化と呼ばれます。可溶化を促進する界面活性剤は可溶化剤と呼ばれ、可溶化される有機化合物は可溶化物と呼ばれます。

08 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、液体または固体中に気体が分散した分散系を指し、気体が分散相、液体または固体が分散媒として機能します。泡は液体泡または固体泡とも呼ばれ、発泡プラスチック、発泡ガラス、発泡コンクリートなどがこれにあたります。

（１）泡の形成

泡とは、液膜によって隔てられた気泡の集合体を指します。気体（分散相）と液体（分散媒）の密度差が大きく、液体の粘度が低いため、気泡は急速に表面に浮上します。泡の形成には、大量の気体が液体に取り込まれることが必要です。その後、気泡は急速に表面に戻り、最小限の液膜によって隔てられた気泡の集合体を形成します。泡には2つの特徴的な形態学的特性があります。1つ目は、気泡の交差点にある薄い液膜がさらに薄くなり、最終的に破裂につながるため、気泡はしばしば多面体形状をとります。2つ目は、純粋な液体だけでは安定した泡を形成できないことです。泡を形成するには、少なくとも2つの成分が必要です。界面活性剤溶液は、その発泡能力が他の特性と関連している典型的な発泡システムです。優れた発泡能力を持つ界面活性剤は発泡剤と呼ばれます。発泡剤は優れた発泡能力を示しますが、生成した泡は長持ちしないことがあり、安定性が保証されていません。泡の安定性を向上させるために、安定性を高める物質を添加することがあります。これらは安定剤と呼ばれ、一般的な安定剤としてはラウリルジエタノールアミンやドデシルジメチルアミンの酸化物などがあります。

（２）泡安定性

泡は熱力学的に不安定な系であり、その自然な進行は破裂につながり、液体全体の表面積を減少させ、自由エネルギーを低下させます。脱泡プロセスでは、ガスを隔てる液膜が徐々に薄くなり、最終的に破裂します。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左右されます。影響する要因には以下が含まれます。

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は促進されますが、泡の安定性を保証するものではありません。表面張力が低いということは圧力差が小さいことを意味し、液体の排出が遅くなり、液膜が厚くなり、どちらも安定性に有利になります。

② 表面粘度：泡の安定性を左右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堅牢性（表面粘度で測定）によって決まります。実験結果によると、表面粘度の高い溶液は、吸着膜内の分子間相互作用が強化され膜強度が大幅に向上するため、泡の持続時間が長くなります。

③ 溶液粘度：液体自体の粘度が高いほど膜からの液体の排出が遅くなり、破裂するまでの液膜の寿命が長くなり、泡の安定性が向上します。

④ 表面張力「修復」作用：膜に吸着した界面活性剤は、膜表面の膨張または収縮を抑制する作用があり、これを修復作用と呼びます。界面活性剤が液膜に吸着して表面積を拡大すると、表面における界面活性剤濃度が低下し、表面張力が増加します。逆に、膜が収縮すると、表面における界面活性剤濃度が増加し、表面張力が低下します。

⑤ 液膜を通じたガス拡散：毛細管現象により、小さな気泡は大きな気泡に比べて内部圧力が高くなる傾向があります。そのため、小さな気泡から大きな気泡へのガス拡散が起こり、小さな気泡は収縮し、大きな気泡は成長し、最終的には泡の崩壊につながります。界面活性剤を均一に塗布することで、均一で微細に分散した気泡が形成され、消泡が抑制されます。界面活性剤が液膜に密集することでガス拡散が抑制され、泡の安定性が向上します。

⑥ 表面電荷の影響：泡の液膜が同じ電荷を帯びている場合、2つの表面は互いに反発し合い、液膜の薄化や破断を防ぎます。イオン性界面活性剤は、この安定化効果をもたらします。つまり、液膜の強度が泡の安定性を決定づける重要な要素です。起泡剤や安定剤として作用する界面活性剤は、表面に吸着した分子を密集させる必要があります。これは界面分子間相互作用に大きな影響を与え、表面膜自体の強度を高め、隣接する膜からの液の流出を防ぎ、泡の安定性を高めます。

（３）泡の破壊

泡破壊の基本原理は、泡を生成する条件を変えること、あるいは泡の安定因子を除去することであり、物理的および化学的消泡法へと発展します。物理的消泡法は、泡沫溶液の化学組成を維持しながら、外乱、温度、圧力変化、超音波処理などの条件を変化させます。これらはすべて泡を除去する効果的な方法です。化学的消泡法は、発泡剤と相互作用する特定の物質を添加することで、泡内の液膜の強度を低下させ、泡の安定性を低下させ、消泡を達成することを指します。このような物質は消泡剤と呼ばれ、そのほとんどは界面活性剤です。消泡剤は通常、表面張力を低下させる顕著な能力を有し、表面に容易に吸着するため、構成分子間の相互作用が弱くなり、緩い分子構造を形成します。消泡剤の種類は多岐にわたりますが、一般的には非イオン界面活性剤であり、分岐アルコール、脂肪酸、脂肪酸エステル、ポリアミド、リン酸塩、シリコーンオイルが優れた消泡剤として一般的に使用されています。

（4）泡と洗浄

泡の量は洗浄効果と直接相関するわけではありません。泡が多いほど洗浄効果が高くなるわけではありません。例えば、非イオン界面活性剤は石鹸よりも泡立ちが少ないかもしれませんが、洗浄力に優れている可能性があります。ただし、特定の状況では、泡が汚れの除去に役立つことがあります。例えば、食器を洗うときの泡は油脂を落とすのに役立ちますし、カーペットを掃除すると泡で汚れや固形の汚染物質を除去できます。さらに、泡は洗剤の効果を示すこともあります。油脂分が多すぎると泡立ちが悪くなり、泡が不足するか、既存の泡が小さくなって洗剤の効果が低下します。さらに、泡はすすぎの清潔さの指標にもなります。すすぎ水中の泡レベルは洗剤濃度が低いほど低下することが多いためです。

09 洗浄工程

洗浄とは、一般的に、洗浄対象物から不要な成分を除去し、特定の目的を達成するプロセスです。一般的に、洗浄とは、担体の表面から汚れを除去することを指します。洗浄の過程では、特定の化学物質（洗剤など）が汚れと担体との相互作用を弱めたり、除去したりする作用があり、汚れと担体との結合を汚れと洗剤との結合に変換することで、両者を分離させます。洗浄対象物と除去すべき汚れは多種多様であるため、洗浄は複雑なプロセスですが、以下の関係に簡略化できます。

キャリア・汚れ + 洗剤 = キャリア + 汚れ • 洗剤。洗濯プロセスは一般的に2つの段階に分けられます。

1. 洗剤の作用により汚れがキャリアから分離されます。

2. 分離された汚れは媒体中に分散・懸濁します。洗浄プロセスは可逆的であるため、分散または懸濁した汚れは洗浄物に再び付着する可能性があります。したがって、効果的な洗剤には、汚れを媒体から剥離するだけでなく、汚れを分散・懸濁させて再付着を防ぐ能力も必要です。

（1）汚れの種類

同じ衣類でも、使用状況によって蓄積する汚れの種類、組成、量は異なります。油性汚れは主に様々な動植物油や鉱物油（原油、重油、コールタールなど）で構成され、固形汚れには煤、埃、錆、カーボンブラックなどの粒子状物質が含まれます。衣類の汚れは、汗、皮脂、血液などの人体分泌物、果物や油汚れ、調味料などの食品由来の汚れ、口紅やマニキュアなどの化粧品の残留物、煙、埃、土埃などの大気汚染物質、そしてインク、お茶、ペンキなどのその他の汚れが原因となる場合があります。これらの汚れは、一般的に固形汚れ、液体汚れ、特殊汚れに分類されます。

① 固形汚れ：一般的な例としては、すす、泥、塵埃などが挙げられますが、これらの多くは電荷を帯びており、多くの場合マイナスに帯電しているため、繊維質の物質に付着しやすいです。固形汚れは一般的に水に溶けにくいですが、洗剤に分散・懸濁することがあります。0.1μm未満の粒子は特に除去が困難です。

② 液状汚れ：油溶性の油性物質で、動物油、脂肪酸、脂肪族アルコール、鉱油、およびそれらの酸化物から構成されます。動植物油や脂肪酸はアルカリと反応して石鹸を形成しますが、脂肪族アルコールと鉱油は鹸化反応を起こさず、アルコール、エーテル、有機炭化水素によって溶解し、洗剤溶液によって乳化・分散します。液状油性汚れは、通常、繊維質材料との強い相互作用により、しっかりと付着します。

③ 特殊な汚れ：このカテゴリーには、タンパク質、デンプン、血液、汗や尿などの人体分泌物、果物やお茶の汁などが含まれます。これらの物質は化学反応によって繊維にしっかりと付着し、洗い流しにくくなります。様々な種類の汚れが単独で存在することは稀で、むしろ混ざり合って表面に固着しています。多くの場合、外部の影響を受けて汚れは酸化、分解、腐敗し、新たな汚れを生み出します。

（２）汚れの付着

汚れは、衣類や皮膚などの素材と汚れの間に特定の相互作用が生じ、付着します。汚れと素材の間の接着力は、物理的または化学的接着力によって生じます。

① 物理的付着：すす、ほこり、泥などの汚れの付着は、主に弱い物理的相互作用によって起こります。一般的に、これらの汚れは、主に機械的または静電気的な力によって生じる弱い付着力のため、比較的容易に除去できます。

A: 機械的付着**: これは通常、機械的な手段によって付着したほこりや砂などの固形の汚れを指します。これは比較的簡単に除去できますが、0.1μm未満の小さな粒子は除去が非常に困難です。

B: 静電気付着**：これは、帯電した汚れ粒子が反対の電荷を持つ物質と相互作用する現象です。一般的に、繊維状の物質は負に帯電しているため、特定の塩などの正に帯電した付着物を引き寄せます。負に帯電した粒子は、溶液中の正イオンによって形成されるイオン橋を介して、これらの繊維上に蓄積されることがあります。

② 化学付着：汚れが化学結合によって物体に付着することを指します。例えば、極性のある固体汚れや錆などの物質は、繊維質に含まれるカルボキシル基、ヒドロキシル基、アミン基などの官能基との化学結合により、強固に付着する傾向があります。これらの結合はより強い相互作用を生み出すため、汚れの除去が困難になり、効果的な洗浄には特別な処理が必要になる場合があります。汚れの付着の程度は、汚れ自体の性質と付着する表面の性質の両方に依存します。

（３）汚れ除去のメカニズム

洗濯の目的は、汚れを除去することです。洗剤の多様な物理的・化学的作用を利用し、汚れと洗濯物との付着を弱めたり除去したりします。さらに、機械的な力（手作業によるこすり洗い、洗濯機の撹拌、水圧など）も利用することで、最終的に汚れを分離します。

① 液体汚れ除去の仕組み

A: 濡れ：ほとんどの液体汚れは油性で、様々な繊維質の物を濡らし、表面に油膜を形成します。洗濯の最初のステップは、洗剤の作用で表面を濡らすことです。
B: ロールアップ機構による油汚れ除去：液体汚れ除去の2番目のステップは、ロールアッププロセスによって行われます。表面に膜状に広がった液体汚れは、洗浄液が繊維表面を優先的に濡らすため、徐々に液滴へと転がり、最終的には洗浄液に置き換わります。

②固形汚れ除去の仕組み

液体の汚れとは異なり、固体の汚れの除去は、洗浄液が汚れ粒子と担体表面の両方を濡らす能力に依存します。界面活性剤が固体汚れと担体の表面に吸着すると、それらの相互作用力が低下し、汚れ粒子の付着力が弱まり、除去しやすくなります。さらに、界面活性剤、特にイオン性界面活性剤は、固体汚れと担体表面の電位を高め、さらなる除去を促進します。

非イオン界面活性剤は、一般的に帯電している固体表面に吸着する傾向があり、顕著な吸着層を形成することで汚れの再付着を抑制します。一方、陽イオン界面活性剤は、汚れとキャリア表面の電位を低下させる可能性があり、その結果、反発力が弱まり、汚れの除去が阻害されます。

③ 特殊な汚れの除去

一般的な洗剤では、タンパク質、デンプン、血液、体液などの頑固な汚れには効果を発揮しにくい場合があります。プロテアーゼなどの酵素は、タンパク質を可溶性アミノ酸やペプチドに分解することで、タンパク質汚れを効果的に除去します。同様に、デンプンはアミラーゼによって糖に分解されます。リパーゼは、従来の方法では除去が難しいトリアシルグリセロールなどの不純物を分解するのに役立ちます。フルーツジュース、お茶、インクなどの汚れには、酸化剤や還元剤が必要となる場合があります。これらの剤は、色素生成基と反応して、より水溶性の断片に分解します。

（4）ドライクリーニングの仕組み

上記の点は主に水洗いに関するものですが、生地の多様性により、水洗いに適さない素材もあり、変形や色落ちなどが生じる場合があります。多くの天然繊維は濡れると膨張し、収縮しやすいため、望ましくない構造変化を引き起こします。そのため、これらの繊維には、主に有機溶剤を用いたドライクリーニングが好まれることが多いです。

ドライクリーニングは、衣類を傷める可能性のある機械的な作用を最小限に抑えるため、ウェットクリーニングに比べてマイルドな仕上がりとなります。ドライクリーニングで汚れを効果的に除去するために、汚れは主に3つの種類に分類されます。

① 油溶性汚れ：ドライクリーニング溶剤に溶けやすい油脂類です。

②水溶性の汚れ：水には溶けますがドライクリーニング溶剤には溶けない汚れで、無機塩、デンプン、タンパク質などで構成されており、水分が蒸発すると結晶化することがあります。

③油にも水にも溶けない汚れ：カーボンブラックや金属ケイ酸塩など、どちらの媒体にも溶けない物質が含まれます。

ドライクリーニングでは、汚れの種類によって効果的な除去方法が異なるため、それぞれ異なる対策が必要です。油溶性の汚れは、非極性溶剤への溶解性に優れているため、通常は有機溶剤を用いて除去します。水溶性の汚れの場合は、汚れを効果的に除去するために水が不可欠であるため、ドライクリーニング剤に十分な水分が含まれている必要があります。しかし、ドライクリーニング剤への水の溶解度は低いため、水との親和性を高めるために界面活性剤が添加されることがよくあります。

界面活性剤は洗浄剤の保水性を高め、ミセル内の水溶性不純物の可溶化を促進します。さらに、界面活性剤は洗濯後の汚れの新たな付着を抑制し、洗浄効果を高めます。これらの不純物を除去するには少量の水を加えることが不可欠ですが、過剰に水を加えると生地が変形する可能性があるため、ドライクリーニング液にはバランスの取れた水分量が必要です。

（５）洗浄作用に影響を与える要因

界面活性剤の界面への吸着とそれに伴う界面張力の低下は、液体または固体の汚れを除去する上で非常に重要です。しかし、洗濯は本質的に複雑であり、たとえ同じ種類の洗剤であっても、洗剤濃度、温度、汚れの性質、繊維の種類、布地の構造など、多くの要因の影響を受けます。

① 界面活性剤の濃度：界面活性剤によって形成されるミセルは洗浄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）を超えると洗浄効率が飛躍的に向上するため、効果的な洗浄にはCMCよりも高い濃度の洗剤を使用する必要があります。しかし、CMCを超える洗剤濃度では効果は減少するため、過剰な濃度設定は不要です。

② 温度の影響：温度は洗浄効果に大きな影響を与えます。一般的に、温度が高いほど汚れの除去は容易になりますが、過度の温度は逆効果となる場合があります。温度を上げると汚れが分散しやすくなり、油汚れが乳化しやすくなることもあります。しかし、密に織られた生地では、温度上昇によって繊維が膨張し、除去効率が低下する可能性があります。

温度変動は界面活性剤の溶解度、CMC、ミセル数にも影響を与え、洗浄効率にも影響を及ぼします。多くの長鎖界面活性剤では、低温では溶解度が低下し、場合によってはCMCを下回ることもあります。そのため、最適な機能を得るには適切な加温が必要となる場合があります。CMCとミセルへの温度の影響は、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。一般的に、温度を上昇させるとイオン性界面活性剤のCMCは上昇するため、濃度調整が必要になります。

③ 泡立ち：泡立ちの良さと洗浄効果を結びつける誤解がよくありますが、泡立ちが多ければ洗浄力も優れているわけではありません。経験則から、泡立ちの少ない洗剤でも同等の効果が得られることが示唆されています。しかし、泡立ちは汚れの除去を助ける場合があります。例えば、食器洗いでは泡が油汚れを落とすのに役立ち、カーペット洗浄では汚れを浮かせるのに役立ちます。さらに、泡立ちは洗剤の効果を示す指標にもなります。油汚れが多すぎると泡立ちが阻害され、泡立ちが減ると洗剤濃度が低下していることを意味します。

④ 繊維の種類と繊維特性：化学構造に加え、繊維の外観や組織構造も汚れの付着や除去の難しさに影響を与えます。ウールや綿のように、粗いまたは平らな構造の繊維は、滑らかな繊維よりも汚れを吸着しやすい傾向があります。密に織られた生地は、最初は汚れが付着しにくいかもしれませんが、吸着した汚れへのアクセスが制限されるため、効果的な洗浄を妨げる可能性があります。

⑤ 水の硬度：Ca²⁺、Mg²⁺、その他の金属イオンの濃度は、洗浄結果に大きな影響を与えます。特に陰イオン界面活性剤は、不溶性の塩を形成して洗浄効果を低下させる可能性があるため、その影響は顕著です。硬水では、適切な界面活性剤濃度であっても、蒸留水に比べて洗浄効果が低下します。界面活性剤の最適な性能を得るには、Ca²⁺濃度を1×10⁻⁶ mol/L未満（CaCO₃ 0.1 mg/L未満）に抑える必要があり、洗剤配合に軟水化剤を配合する必要がある場合もあります。