Optikai fehérítés, kémia a mosógépben

Bevezetés

Az ember már ősidőktől fogva törekedett arra, hogy testét, ruháját, környezetét tisztán tartsa.

Különböző kultúrák más-más eljárásokat dolgoztak ki ennek céljából.

A sumérok növényi olajokat kálium-karbonáttal főztek, habzó, és tisztító hatású növénykivonatokat, pl. szappangyökért használtak.

Az egyiptomiak már ismerték a szappant, olajok és zsírok lúgos főzetét, és azt gyógyászati és tisztítási célra használták. Mindehhez a szódát, az alkáliát a nátrontavakból nyerték.

A görögök hamut használtak a tisztálkodásra, akárcsak a rómaiak.

Az európaiak növények elégetésével, fahamuból hamuzsírt (K₂CO₃) nyertek.

Kr.u. 8. századtól már Európában is főzték a szappant, de a tömeges elterjedése a csak18. századra tehető. Ezután rohamos fejlődének indult, folyamatos szappanfőzési eljárásokat dolgoztak ki.

A II. világháború alatt nem volt biztosítva a szappangyártáshoz szükséges mennyiségű zsiradék, ezért különböző szintetikus mosószerekkel próbálták a szappanhiányt enyhíteni. Ezek mára már szinte teljesen kiszorították a szappant, bár minden mosóporban megtalálható adalékanyagként a mai napig is. Az első már felületaktív anyagot is tartalmazó mosószer a Persil ( Henkel cég, 1907) volt.

A szintetikus mosószerek hatóanyagát képező felületaktív anyagok önmagukban nem tudják kielégíteni a mosószerekkel szemben jelentkező össze követelményt, ezért kell az adalékanyag hozzá. Mindemellett alkalmazásuk csökkenti a szennyező anyag eltávolításához szükséges mechanikai munkát. A forgódobos mosógépek elterjedése habzáscsökkentők felhasználását is szükségessé tette.

A szintetikus mosószerek felépítése:

- szerves mosóaktív alkotórészek, hatóanyagok

- komplex foszfátok

- hab-stabilizálók

- újra-lerakódást meggátoló szerek

- korrózióellenes anyagok

- optikai fehérítők

- vízlágyító hatású adalékok

Másik csoportosításuk:

- szintetikus tenzidek (felületaktív anyagok)

- vázanyagok (a mosószer vázát képezik)

A mosószerváz főleg szervetlen vegyületekből tevődik össze. A mosószer komponenseit nagyon pontosan össze kell hangolni, hogy erősítsék egymás hatását, és ez által optimális tisztítási fokot érjenek el.

A mosószerváz felépítéséhez az alábbi anyagokat használják:

- alkálikus sókat

- komplex foszfátokat

- szerves pótanyagokat

- fehérítőszereket.

A mosószerben lévő anyagok rövid ismertetése:

· Felületaktív anyagok:

Olyan vegyületek, amelyek egy folyadékban oldva vagy diszpergálva, erősen adszorbeálódnak egy határfelületre. A legtöbb felületaktív anyag lúgos közegben fejt ki jobb mosóhatást, ezért az összetett mosószerek szervetlen adalékanyagainak egy része lúgos tulajdonságú.

Ezen anyagok molekulájában van legalább egy hidrofil csoport, amely a vízben való oldhatóságot segíti, és egy hidrofób csoport, amelynek kis affinitása van a vízhez. A hidrofób résznek a töltése alapján vannak anionaktív, kationaktív, amfoter, és neminonos jellegű felületaktív anyagok.

· Anionaktív anyagok:

Akkor anionaktív a felületaktív anyag, ha a felületaktivitást okozó hidrofób szénhidrogén-csoportot tartalmazó rész anion.

· Kationaktív anyagok:

Azok a felületaktív anyagok, melyek vizes oldatban a hidrofób részt tartalmazó felületaktív kationra, és szervetlen anionra disszociálnak. Ezért a kationaktív anyagokat inverz szappannak is nevezik.

· A neminonos felületaktív anyagok:

Ezek vízben oldva nem disszociálnak. Oldhatóságukat hidroxil-, karbonil-, és amidcsoportok halmozása biztosítja.

· Szappanok:

A legrégebb óta használt felületaktív anyagok. A szappanok nagy molekulájú zsírsavak alkáli, ammónium, vagy amin sói. Természetes zsírokból, olajokból, gyantákból, és szintetikus zsírsavakból állítható elő. Főleg a 12-18 szénatomos zsírsavakból készült szappant alkalmazzák a textiliparban. A szappanok nem környezetszennyezők. Hátrányuk az, hogy a zsírsavak Ca és Mg sói nem vízoldhatók, és ezért a természetes vizekben lévő Ca²⁺, és Mg²⁺ ionok hatására ezek a kalcium- és magnéziumszappanok kicsapódnak.

Ez különösen kemény vizekben nem csak hogy erősen rontja a szappanok mosóhatását, de ezeknek a csapadékoknak emulzióban való hatása további nátrimuszappant is igényel. Különösen ebből a szempontból mutatkozik meg az alkilbenzol-szulfonát- és alkilszulfát-típusú szintetikus mosószer alapanyagok előnye, amelynek Ca és Mg sói vízben oldódnak.

· Enzimek

A lúgos tartományban és kisebb hőmérsékleten is aktív proteáz vagy amiláz enzimekkel a fehérje, vagy keményítő tartalmú szennyeződések távolíthatók el.

· Illatanyagok

Minden mosóporban megtalálható, mert nélkülük a frissen mosott, tiszta ruha jellegzetes lúgszagot árasztana.

Ezeken kívül a mosópor tartalmaz még egyéb adalékokat, mint pl. vízlágyító, pH-beállítók, fehérítők, stb. A mosási segédanyagokat később ismertetjük.

Mosási segédanyagok: ilyenek a szóda (Na₂CO₃), Na-hidrogén-karbonát (NaHCO₃), különféle szilikátok, pl. Na₂SiO₃, és foszfátok. Céljuk, hogy a mosás folyamán optimális értékű legyen a mosóoldat pH-ja, ezért készítik a mosóoldatokat lúgosan hidralizáló sókkal.

· Szóda: Na₂CO₃

A szóda a lúgosság beállításán kívül meggátolja a mosópor csomósodását is, azáltal, hogy magába szívja a nedvességet. E mellet növeli a mosóhatást, is. Az egyik közismert reklámban hallhatjuk, hogy „a szóda erejével hat”, minden mosóporban megtalálható adalékanyag ez is.

· NaHCO₃

Gyengén lúgos kémhatása miatt finom mosószerek előállításához használják, lúgosítás céljából.

· Szilikátok:

Jó lúgosítók. A szilikátok hidrolízisekor kovasav válik ki, és ez a textilre éles kristály formájában rárakódhat, és ezek az éles kristályok később elvágják a textil elemi szálait.

· Foszfátok:

A foszfátokat keverékként adják a mosóporhoz, hogy kedvező tulajdonságaik összeadódjanak. Lúgos kémhatásúak, a víz keménységét okozó Ca és Mg sókat pedig oldhatatlan foszfátok alakjában kicsapja, ezért vízlágyító szerként is használják.

A pirofoszfát oldható komplexet, képez Ca és Mg sókkal, ezáltal lágyítva a vizet, és meggátolja mészszappan és karbonát kicsapódását is. A mosodákban általában lágy vízzel mosnak, ezért az ott használt mosószerek kevesebb polifoszfátot, és több szappant tartalmaznak, mint a háztartási mosószerek.

· Optikai fehérítők:

Textilanyagok vagy papír fehérítéséhez használt olyan anyag, amelynek a színe komplementer a fehérítendő anyag eredeti (többnyire sárgás) színével, vagyis ezzel együtt, fehér színt szolgáltat.

Az ilyen anyagok fluoreszkáló szerves vegyületek, amelyek az ultraibolya sugarak hatására nagyobb hullámhosszúságú, látható, ibolyás, kékes, vagy zöldes árnyalatú fényt sugároznak. A megsárgult, vagy fakó anyagról visszaverődő sárgás sugarak e kékes fénnyel keveredve fehérebb színérzetet keltenek.

· Oxidáló hatású fehérítőanyagok

A ruhák fehérségét kémiai reakciókkal érik el, általában H₂O₂ bomlásából származó ’O’ gyök végzi az oxidációt, és ennek az oxidációs folyamatnak a kordában tartására lúgos közeget alkalmazunk.

A szintetikus mosószeroldat tulajdonságai

A mosás részfolyamatai alapján a mosószernek az alábbi tulajdonságokkal kell rendelkeznie:

- csökkentse a víz felületi feszültségét

- csökkentse a víz, a szennyeződés, és a tisztítandó anyag közötti határfelületi feszültséget

- diszpergáló, és emulgeáló hatása legyen

- tartsa lebegésben a diszpergált anyagot a mosólében.

A tapasztalatok szerint a felsorolt tulajdonságoknak ugyanabban az anyagban kell meglennie. Egyedül a szennyeződések megakadályozását (szennyvivő képesség) lehet más anyagok hozzáadásával eredményesen növelni.

A mosószerek feladata, hogy elősegítse a felületről különböző eredetű és különböző összetételű szennyeződések eltávolítását.

A tisztítandó anyag lehet durva felületű, amelyek nehezebben moshatók, mint a sima felületűek. Durva pl.: a cellulóz rostok (pamut, kender, len, juta), a fehérje rostok (gyapjú, selyem) és néhány kazein rostféleség.

A csaknem teljesen sima felületű szintetikus rostok, pl. nejlon, perlon, orlon, drallon, stb.

A szennyeltávolítás mechanizmusa

A mosás röviden a következő részfolyamatokból áll:

1. a felületaktív anyag molekulái adszorbeálódnak a szenny-mosólé felületen

2. a határfelületi feszültség csökken, a szenny nedvesedik

3. a szenny leválik a felületről

4. a szennyeződés diszpergálódik, és a diszperzió állandósul.

Ezek a lépések bővebben:

A mosás első lépése a fertőtlenítés, a kórokozó táptalajául szolgáló és az őt megvédő szennyeződések eltávolítása. Ezek: zsírok, oldható és főleg oldhatatlan kicsapódott fehérjék, emésztetlen növényi rostok, sók, melyek többsége jól oldódik ugyan, de a felületaktív anyagokat a mosás során zavarják.

Ezért az első technológiai lépés egy bő hideg vizes öblítés, segédanyagok nélkül, lehetőleg lágy vízzel. Az átnedvesedési idő - alapanyagtól és szennyezettségtől függően - 5-7 perc. Ha szükséges, ezt a műveletet meg kell ismételni. Mindaddig, amíg darabos, a textília felületéről viszonylag könnyen eltávolítható szennyeződés van jelen nincs értelme mosószer adagolásának.

Ezt követi az előmosás. Az előmosás során kell a zsírokat és a fehérjéket oldatba vinni. Mivel ezek a szennyeződések hőérzékenyek és részben emberi eredetűek, az előmosás hőmérsékletét a testhőmérséklet közelében kell tartani. Az alkalmazott segédanyagok hatékonysága nem minden esetben optimális ezen a hőmérsékleten, de a szennyeződésekben magasabb hőmérsékleten visszafordíthatatlan folyamatok játszódnak le és ez elkerülendő. Több kísérletben is sikeresnek bizonyult az előmosás hőmérsékletének két lépcsőben történő beállítása, 10 percig 35°C-on, majd a fürdő leeresztése nélkül a hőmérsékletet 55°C-ra emeljük és további 10 percig mosunk.

Az előmosás során alkalmazott segédanyagok: anionos- és nem ionos tenzidek, enzimek.
A lúgosító (anionos) anyagok a zsírokat elszappanosítják és az oldható fehérjéket feloldják, biztosítják az enzimek optimális kémiai környezetét és semlegesítik a savas szennyeződéseket. (Gyakoriak a savas szennyeződések: a zsírok zsírsavat, a gyümölcsök gyümölcssavat, a fehérjék aminosavat tartalmaznak) A javasolt pH tartomány 10-11 között van.
Az enzimek katalitikus úton lebontják a zsírokat (lipáz) és a fehérjéket (proteáz). A proteáz csak a fehérje peptid-láncát bontja el, nincs szennyeltávolító hatása olajokra, színező anyagokra, stb. Mindezek ellenére segíti a zsír eltávolítását azáltal, hogy a szennyeződés fehérje vázát szétroncsolja, így a zsír is könnyebben oldatba vihető. Ez egy időben elnyúló folyamat. Ehhez legalább 15 perc szükséges, igen erősen szennyezett textíliák esetén 25-30 perc, beégett fehérjék esetén többórás áztatásra van szükség. Az enzimek hatása 40 - 55°C között optimális.
A nem ionos tenzidek a szennyeződéseket diszpergálják, majd oldatban tartják.
Köztes öblítés csak erősen szennyezett textíliák (törlőrongyok) esetén szükséges, vagy ha az előmosásban alkalmazott segédanyagok zavarják a főmosást (magas pH, túlzott habzás, stb.).

A főmosás feladata a nehezebben oldódó szennyeződések eltávolítása, a fehérítés és a fertőtlenítés. Találtak olyan kórokozót, amelyik 24 órás forralást is túlélt. Ezért a vegyszeres fertőtlenítés az, amelyik megfelelő biztonságot nyújt. Vegyszerek jelenlétében a kórokozók túlélési valószínűsége nagyon csekély. Vegyszeres fertőtlenítés esetén a főmosás körülményeit a fertőtlenítőszerhez kell igazítani.
A főmosás során alkalmazott segédanyagok: anionos és nem ionos tenzidek, fehérítő és fertőtlenítő szerek, védőkolloidok, optikai fehérítő, stb.
A lúgosító (anionos) anyagok a főmosásban segítik a nehezebben eltávolítható szennyeződések oldatba vitelét. Megduzzasztja a pamutot, ez a jelenség segít abban, hogy a nehezen hozzáférhető részekről is eltávolítható legyen a szennyeződés.

A nem ionos tenzidek szerepe hasonló, mint az előmosásban. Ha alacsony adagolással dolgozunk, az oldatban lévő szennyeződés visszacsapódik a szálra. Ez a szürkülés leggyakoribb oka. Megelőzhető, ha megfelelő alkalitással és lágyított vízzel dolgozunk, de ajánlatos szürkülés gátló védőkolloid adagolása is. Úgy működik, hogy adszorbeálódik a szálakon és az oldatba vitt szennyeződésen is, így megakadályozva a visszacsapódást. Az erősen negatív töltésű ionok megakadályozzák a darabos, szemcsés szennyeződések kicsapódását, de a színezékekkel kapcsolatos problémák megakadályozására nem megfelelők. Az optikai fehérítő az ultraibolya sugarakat teszi láthatóvá, amelyek a látható fény tartományában a kék színhez esnek a legközelebb. Így pótolja a pamutból eredendően hiányzó kék színt. Amíg a kék szín elnyeli az összes színt, és kéket bocsát ki, az optikai fehérítő az ultraibolya sugarakat nyeli el, és kék színt bocsát ki, nem korlátozva ezzel a többi színárnyalatot. Optikai fehérítő nélkül többször mosott pamut nagyobb részt nyel el a kék színből, mint a többi színből. Az optikai fehérítők rendkívül drágák, de viszonylag kis mennyiség (<1%) is elegendő. Hatása csak tiszta textílián jelentkezik. Ha a mosási technológia során optikai fehérítő használata mellett döntünk, akkor az alábbiakra kell tekintettel lenni:
- Különböző anyagokon az optikai fehérítő hatása eltérő. Ez a kevertszálas textíliák esetén jelent problémát. Azonos körülmények között a poliészteren gyengébb az optikai fehérítő hatása, mint a pamuton. Külön probléma, hogy a kikészítés során a textília egy appretúrát kap, és amíg ez az anyag nincs eltávolítva, addig az optikai fehérítő hatása nem érvényesül.
- Az optikai fehérítők erősen hőfokfüggők. Más típust kell alkalmazni 80°C-on, mint 35°C alatt.
- Kémiai stabilitás és tartósság alapján is különböznek. Nem elegendő, hogy adszorbeálnak a textíliára, tartósnak is kell lenniük. Néhány típusa az optikai fehérítőknek nem klórálló, ezért hypo-val alkalmazva nem érünk el optimális hatást.
- Bizonyos színezékek, - főleg a gyengébb minőségűek - színe optikai fehérítő hatására megváltozhat.
A főmosás utolsó fázisa a visszahűtés. Ez főleg kevertszálas textíliáknál és 70°C felett szükséges. Feladata főleg a szennyeződések oldatban tartása.

Az öblítések száma általában 3-5 egy mosás alkalmával. Külön említést érdemel az utolsó öblítés. Feladata: semlegesítés, kondicionálás.
A kondicionálás feladata: puhítani a szálakat, statikus elektromosság csökkentése, szálak közötti dörzshatás csökkentése, vasalás megkönnyítése, kellemes illat.
A kondicionálószer körülveszi a szálakat és "kenést" biztosít. Elősegíti továbbá a szálak rendeződését, és felveszi azok eredeti alakját. Minél nagyobb a szálfelület, annál kedvezőbb ez a hatás. Később vasalásnál is csökkenti a súrlódást.

Olajos komponens eltávolítása:

A víztaszító hatása miatt a mosószereknek olyan komponenst kell tartalmazniuk, amelyek a hidrofóbiát csökkentik. Erre a célra olyan vegyületeket alkalmaznak, amelyek egy szénhidrogén tagból ( pl. egy paraffinláncból) és ahhoz kapcsolódó heteroatomot is tartalmazó gyökből (pl. karboxilgyök, OH^-, NH₂^-, stb.) állnak. A vízbe adagolt adalék az olajcseppekhez képest úgy rendeződik el, hogy annak apoláros része az olajszemcséhez tapad, poláros része pdig a vizes fázis felé mutat.

Felületaktív molekulák elhelyezkedése a vizes és olajos fázisok határán.

A szennyeződés a textíliákhoz vagy más tárgyakhoz főleg olajos film közvetítésével tapad. Az olajos felületeket a víz nem nedvesíti, a felületaktív anyag azonban közvetíteni tud a két fázis között. A lipofil rész jól adszorbeálódik az olajos felületre, az így kialakult új felület pedig – a hidrofil csoportokon keresztül – jól nedvesíti a víz.

A felületaktív molekulák mozgásban lévő víz segítségével fokozatosan behatolnak a szennyezés és a szennyezett anyag közé, majd az így szabaddá vált szennyrészecskéket emulzió formájában a vizes oldatba viszik.

A felületről tehát a detergens nedvesítő hatása választja le a szennyrészecskéket, és emulgeáló hatása tartja azokat emulzió formájában a vizes oldatban. Ezt a kettős hatást nevezzük együttesen detergens hatásnak.

A ruhák fehérítése:

Optikai fehérítőanyagok

Kikészítési eljárás a szálas anyagok sárgás árnyalatának megszüntetésére.

Az eredményes mosás fontos feltétele, hogy a mosott anyag színe élénk, a fehér anyag „vakító fehér” legyen. Ezt a mosószerhez adott, a mosás alkalmával kis mennyiségben a textilre adszorbeáló fehérítő anyagokkal érhetjük el. Olyan fluoreszkáló vegyületek használnak, amelyek az ibolyántúli fényt elnyelik, ezzel nagyobb energiájú gerjesztett állapotba kerülnek, és innen állapotukba visszajutva nagyobb hullámhosszú, a kék hullámhossz tartományba eső fényt bocsát ki. Ez hozzáadódik a textilanyag felületéről visszavert sárgás színéhez, így egyrészt kiegészítve azt a látható fényt fehérhez közelíti, másrészt megnöveli a teljes visszavert fény mennyiségét, fokozva a fényhatást.

Számos típusú fluoreszkáló anyag ismert. Az optikai fehérítők, ma leginkább imidazol, benthiazol, és humarin vegyületek. Az optikai fehérítőszerek színtelen színezékként foghatók fel, a színezékekhez hasonlóan kötődnek meg a szálas anyagokon. Az optikai

fehérítő szinte mindegyik szálas anyag fajtán alkalmazható. Gyakran a kémiai (nátrium-klorittal, nátrium-hipoklorittal, vagy H₂O₂-dal végzett) fehérítés kiegészítésére használják. Világos színű textileknél a szín élénkítését érik el az optikai fehérítéssel, a sötét színeket azonban erősen módosíthatja. Az optikai fehérítőanyag típusától függően a mosóoldatban 0,001-0,1 gramm/liter koncentrációban kell alkalmazni a megfelelő hatás eléréséhez. Az optikai fehérítés tökéletesen szálkímélő, a mai mosóporok általában tartalmazzák.

Oxidáló hatású fehérítőanyagok

Rendszerint olyan kémiai oxidálószereket használunk a szintetikus mosószerekben, melyekből vizes oldatban H₂O₂ szabadul fel. A hidrogén-peroxid színtelen anyaggá oxidálja a textilszálra lerakódott, s annak sárgás vagy sárgásbarna színárnyalatát, okozó anyagokat. Ezek kettős kötéseket tartalmazó vegyületek.

Az oxidációval bizonyos szennyező anyagokat is eltávolítunk a textilről (oxidálódott anyag leoldódik).

A peroxidok alkalmazása a textíliákra veszélyt nem jelene, és mind cellulóz, mind fehérje alapú szálas anyagok fehérítésére alkalmas. A korszerű mosószerekben a jobb fehérítőhatás elérése érdekében oxidáló és optikai fehérítő anyagokat egymás mellett alkalmaznak. Mosószerekben oxidáló anyagként Na-perborátot használnak. A Na-perborát 4 molekula kristályvízzel kristályosodik, összetétele: NaBO₃.4H₂O

Vizes oldatában részben H₂O₂ van, és nátrium-metaborátra bomlik:

NaBO₃ + H₂O = NaBO₂ + H₂O₂

Ha a H₂O₂ atomos ’O’ keletkezése közben bomlik, erősen oxidál, és roncsolja a szálas anyagokat is. A bomlás elkerülhető lúgos közeg és stabilizátorok alkalmazásával.

A H₂O₂ lúgos közegben, stabilizáló jelenlétében peroxid-ionra disszociál, amely a textíliára veszélytelen, fehérítő hatása azonban erős.

Stabilizáló anyagként leggyakrabban Mg-szilikátot alkalmaznak.

A nátrium perborátból 60°C-tól felszabaduló aktív oxigén a gyümölcs vagy vörösbor okozta foltokat kémiailag lebontja. (Erre a célra néhány országban hypokloritot használnak.) A kézi mosáshoz használt mosószerek több tenzidet, és kevesebb perborátot tartalmaznak.

A feladat kapcsán utánanéztünk a mostanság kapható mosóporok összetételének is. Nagyjából ugyanazokat az összetevőket tartalmazzák, annak megfelelően tartalmazva az összetevők arányát, hogy milyen minőségű, színű, szennyezettségű, ruhák tisztításához alkalmazzuk.

A kifejezetten szennyezett ruhákhoz a gyártók magas szóda, szappan, és felületaktív anyag összetételű mosóporokat ajánlanak. A színes ruhákhoz ( színkímélés, színélénkítés) oxidáló fehérítő-mentes, ill. kevesebb optikai fehérítőt tartalmazó összetételt javasolnak.

Kifejezetten sötét, fekete ruhákhoz ajánlott termékeik optikai, ill. oxidáló tulajdonságú fehérítő mentesek.

Felhasznált irodalom:

Vitéz Mihály: Szervetlen sók szerepe a szintetikus mosószerekben - Diplomamunka

Markó László: Szerves kémia II.

A kiegészítéseket az internetről gyűjtöttük össze.