Дисперсія миючих засобів: як справді вимивається пляма

Диспергент повинен подолати бар’єр перед очищенням

Кидання миючого піроксиду в пральну машину не забезпечує контакту з плямою — воно потрапляє у великий об’єм води на одному кінці концентраційного градієнту, а пляма знаходиться десь на іншому боці тканинного волокна. Перехід від дозування порошком або рідиною до поверхні плями є проблемою транспорту, і механізм транспорту, відсутність сильного об’ємного перемішування безпосередньо на поверхні волокння, – це молекулярний дифузії.

Закони Фіка, у формі, яка має значення тут

Закон першого Фіка стверджує, що потік розчиненого миючого засобу пропорційний місцевому градієнту концентрації; Закон другого Фіка перетворює це на рівняння часової еволюції для поля концентрації самого:

J = -D * dC/dx (Закон першого Фіка: потік слідує за градієнтом) dC/dt = D * d2C/dx2 (Закон другого Фіка: поле 2D дифузії) D = коефіцієнт дифузії (м²/с), більший для невеликих молекул поверхнево-активного засобу, ніж для великих молекул ферментів або міцелл C = місцева концентрація миючого засобу у плівці води прання Дві речі випливають безпосередньо з цієї рівняння. По-перше, дифузія швидка на мікроскопічних відстанях і повільна на макроскопічних; характеристичний час для дифузії на відстань L масштабується як L квадрат над D, тому проходження миючого засобу через тонкий плівку, що покриває волокно, займає лише моменти, але якщо машина не перемішує завантаження, досягнення інтер'єру щільно складеного одягу може зайняти набагато більше часу, ніж цикл прання дозволяє. По-друге, більший градієнт (більша місцева різниця концентрації) призводить до швидшого потоку, що є точно тому, чому попереднє оброблення плями концентрованим миючим засобом працює краще, ніж покладатися на розбавлений миючий розчин само по собі.

J = -D * dC/dx              (Fick's first law: flux follows the gradient)
dC/dt = D * d2C/dx2          (Fick's second law: 2D diffusion field)

D  = diffusion coefficient (m2/s), larger for small surfactant
     monomers than for large enzyme molecules or micelles
C  = local detergent concentration in the wash-water film

Поверхневольні речовини розм’якшують пляму, а ферменти її руйнують

Коли молекули миючих засобів досягають інтерфейсу волокна та плями, беруться до дії два окремих механізми. Поверхневольні речовини знижують міжфільарний натяг між тканиною та плямою та згортають жирну землю у видалення підозрілих крапель, той самий механізм, що й у руці, коли ми використовуємо мило. Але багато поширених плям насправді не жирні — це білки (кров, трава, яйце), крохмалі (соус, картопля) або жири, міцно закріплені у волокні – і дії поверхневольних речовин майже нічого з ними не роблять.

Тут беруться на допомогу ферменти. Протеази гідролізують пептидних зв’язки, що тримають білкові плями разом, розрізаючи великі липкі молекули на маленькі воднорозчинні фрагменти, які дифундують замість того, щоб залишатися прикріпленими до волокна. Амілази роблять те саме з крохмальними плямами, а ліпази розкладають жири та олії на розчинні жирні кислоти та гліцерин. Кожен фермент є великою молекулою, яка повинна дифундувати до плями перед тим, як він може діяти, і оскільки ферменти значно більші за мономерні поверхневольні речовини, їх коефіцієнт дифузії також менший — одна з причин того, що довша відбілювальна програма або попереднє замочування помітно покращують видалення плям, залежних від ферментів, навіть коли поверхневольні речовини вже досягли плями.

Чому температура та рухливості мають настільки велике значення

Коефіцієнти дифузії зростають із температурою (приблизно слідуючи за відношенням Стокса-Ейнштейна, де D пропорційний температурі поділеній на в’язкість рідини), тому тепша вода справді прискорює доставку миючого засобу до плями. Однак ферменти мають оптимальний температурний діапазон і втрачають активність, якщо цикл полоскання проходить занадто гаряче, що пояснює, чому формулювання миючих засобів збалансовують дифузійну перевагу при вищій температурі проти штрафу за активність ферментів. Механічне рушійство має ще більший вплив безпосередньо: воно постійно оновлює водний шар проти волокнистої поверхні, замінюючи локально виснажений, низькоконцентраційний граничний шар свіжим шаром, багатим миючим засобом, що підтримує градієнт концентрації — і, отже, дифузійний потік — максимально можливим протягом усього циклу.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Laundry Detergent Diffusion Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.