کاربرد دترجنت ها و انواع تمیز کننده ها

مقدمه
انواع دترجنت ها و كاربرد آنها
مقدمه ای بر سورفكتانتها
سورفكتانت:
كلمه Surfactant مخفف عبارت، AgeNT، ACTive، SURFace می باشد.
ملكول سورفكتانت شامل دو قسمت مجزای ساختمانی است، یك قسمت آبدوست (چربی گریز) و یك قسمت آبگریز (چربی دوست).
قسمت آب گریز (چربی دوست) اكثر سورفكتانتها شامل یك زنجیر هیدروكربنی است كه معمولاً طول متوسط آن از 12 تا 18 اتم كربن است و ممكن است شامل یك حلقه آروماتیك باشد.
در شكل (1-3) چگونگی عمل سورفكتانت در یك محلول نشان داده شده است ملاحظه می شود كه سر آبدوست به سمت آب جهت گیری كرده و سر آب گریز به سمت خارج آب جهت گیری نموده است. به همین سبب است كه سورفكتانها در سطح تجمع پیدا می كنند و آنرا تحت تاثیر خود قرار می دهند.
شكل (1-3): جهت گیری ملكولهای سورفكتانت در سطح تماس هوا با یك محلول

در شكل (2-3) بصورت شماتیك گروه آبدوست و آب گریز نمایش داده شده است. (گروه آبگریز در سمت چپ و گروه آبدوست در سمت راست).
در توده مایع ملكولهای سورفكتانت به فرم: micelle هایی جمع می شوند كه نمایش دیاگرامی فرم كروی یك micelle در شكل (3-3) نشان داده شده است:
استفاده اصلی سورفكتانتها برای ساخت دترجنت ها است، بدون اغراق هزاران تركیب از آن بصورت، پودرها، ژلها، محلولها و خمیرها فرموله شده و فروخته می شوند.
برای اپتیمم كردن قدرت پاك كنندگی قسمت غیرآبدوست كه همان ملكول هیدروكربن است باید در رنج   تركیبات بالای   عموماً حلالیت كم دارند و تركیبات زیر   فرم Micelle موثر ندارند.
ویژگیهای سورفكتانتها:
سورفكتانتها مواد شیمیایی هستند كه شش ویژگی بنیادی زیر را دارا هستند:
1-    جذب بین سطحی:
غلظت تعادلی یك ماده فعال سطحی در سطح تماس دو فاز بیشتر از غلظت آن در كل فضای هر یك از فازهاست. به این دلیل است كه مقادیر كم این مواد می‌تواند كشش سطحی را به مقدار زیادی كاهش دهد.
2-    ساختار دو گونه خواه:
ملكول هر ماده فعال سطحی حاوی گروه های دارای تمایل متضاد در انحلال پذیری است. یعنی برخی گروهها به حل شدن در فاز قطبی متمایل هستند، و گروههای دیگر به انحلال در فازهای غیر قطبی تمایل دارند. این ویژگی را با ضریب موازنه آبخواهی چربی خواهی (HLB) بیانی می كنند.
 
3-انحلال پذیری:
یك ماده فعال سطحی باید حداقل در یك فاز مربوط به یك سیستم مایع انحلال پذیر باشد تا بتوان آنرا ماده فعال سطحی نامید.
4- توانایی تشكیل Micelle:
ملكولها یا یونهای مواد فعال سطحی حل شده، وقتیكه غلظت آنها در محلول یك مایع به یك مقدار حداقل برسد، انبوهه های كوچكی بنام micelle بوجود می آورند.
5- جهت گیری در سطح تماس دو مایع:
ملكولها یا یونهای فعال سطحی در سطح تماس دو فاز مایع و گاز لایه منظمی كه در آن ملكولها بطور منظم جهت گیری كرده اند بوجود می آورند.
6- خواص اصلی:
محلول مواد فعال سطحی باید چند نوع از اینگونه خواص را دارا باشد، این خواص عبارتند از: زدایش (شویندگی)، كف كنندگی خیس كنندگی، امولسیون كنندگی، حل‌كنندگی و پخش كنندگی.
دسته بندی سورفكتانتها:
تعداد ملكولهای سورفكتانت مختلف كه در زمانهای مختلف ساخته شده اند یا ساخته خواهند شد به صدها یا حتی ممكن است به هزارها برسد و این تعداد در تئوری ممكن است به میلیونها ملكول سورفكتانت برسد.
در فهرست و دسته بندی سورفكتانتها كه در ادامه آورده می شود، R ممكن است بصورت 12 تا 18 اتم كربن درنظر گرفته شود.
زنجیرهای هیدروكربنی كه از روغنهای گیاهی یا چربیهای حیوانی بدست می آیند شامل تعداد زوجی از اتمهای كربن می باشند ولی زنجیرهای هیدروكربنی از منابع پتروشیمیایی شامل تعداد زوج و فردی از كربن می باشند.
الف – دترجنت های آنیونی:
دترجنت های آنیونی دسته ای از شوینده ها هستند كه هنگامیكه در آب حل می شوند تولید یك آنیون بزرگ می كنند كه آنیون دارای یكطرف آبدوست و یك طرف چربی دوست می باشد.
شكل (4-3) شماتیك یك دترجنت آنیونی را نشان می دهد.


طرف آبدوست این دترجنت ها عبارتند از: سولفاتها، هیدروكربنهای سولفونه شده، استرهای سولفونه شده، آمیدهای سولفونه شده، كربوكسیلاتها و فسفاتها و بخش غیرآبدوست آنیون می تواند آلیفاتیك، سیكلوآلیفاتیك یا آروماتیك باشد.
كاتیونهایی كه استفاده خواهند شد شاید بیشتر  و   و تری اتانل آمونیوم   می باشند اما یونهای   و   و دیگر آلكانول آمونیومها نیز وجود دارند.
سولفوناتهای پتروشیمیایی ممكن است حتی دارای یونهای   و   نیز باشند.
در ضمن مواد ویژه ای وجود دارند كه دارای كمپلكسهای كاتیونی آلی دیگری نیز می‌باشند.
دترجنت آنیونی ارزان ترین گروه سورفكتانتها هستند و از نظر تجاری بیشترین فروش را دارا می باشند.
انوع دترجنت های آنیونی:
1-    آلكیل آریل سولفوناتها:
اینها اولین و مهمترین و پرمصرف ترین پاك كننده های آنیونی می باشند و نزدیك به 65 درصد كل مواد كه بعنوان پاك كننده مصرف می شوند در این طبقه قرار دارند. البته این اهمیت تنها بدلیل خاصیت پاك كنندگی بسیار خوب آنها نبوده بلكه بیشتر مربوط به این است كه مواد خام آنها آسانتر و ارزانتر بدست آمده و روش تولید آنها آسانتر است. معروفترین تركیبات این دسته دودسیل بنزل سولفونات یا پروپیلن تترامربنزن سولفونات یا دی دی باس و دو دسیل بنزن سولفونات زنجیری یا آلكیل سولفونات خطی (LABS) می باشند.
دلیل اینكه بعضی ممالك هنوز هم دودسیل بنزن را ترجیح می دهند و آنرا تولید می‌كنند، آسانی و ارزانی تولید آن و عدم احتیاج به كلریناسیون است. هسته حلقوی فرمول در این گروه معمولاً بنزن و گاه نفتالن، گزیلن و یا تولوئن است.
وقتی نفتالن به این منظور مورد استفاده قرار می گیرد، ریشه آلیفاتیك می تواند تا حد پروپیل كوچك شود و هنوز تركیب سولفوناته خاصیت مرطوب كنندگی و شویندگی ضعیف را دارا می باشد.
بدین ترتیب هرچه بنیان حلقوی بزرگتر باشد، ریشه آلیفاتیك كوچكتری را نیاز خواهیم داشت.
هنگامیكه صحبت از دو دسیل بنزن می شود، منظور تركیبی است كه در ریشه آلیفاتیك هیدروكربنهایی با تعداد كربنهای بین 10 تا 14 دارد كه قسمت اعظم آن 12 كربنی و وزن ملكولی متوسط آن 246 است.
لازم به ذكر است كه تری دسیل بنزن یا نونیل بنزن نیز در برخی كشورها بعنوان پایه مورد استفاده قرار می گیرد ولی هیچیك، از نظر خواص به حد دودسیل بنزن نمی‌رسند.
برای تبدیل دو دسیل بنزن (DDB) و آلكیل بنزن خطی (LAB) به محصول نهایی آماده مصرف برای سازندگان سه راه وجود دارد:
اول: شروع از DDB – سولفوناته كردن و خنثی كردن و سپس ساخت پودر، خمیر و یا مایعات از آنها.
دوم: شروع از مرحله اسید سولفوریك با پایه دو دسیل نرم یا سخت و صرفه جویی در هزینه های نسبتاً سنگین بر پایی یك واحد سولفوناسیون.
سوم: شروع از خمیر خنثی اسید سولفوریك و تبدیل آن به محصول نهایی بصورت یك خمیر آبكی، و یا با استفاده از روشهای تولید اسپری درایر و درام درایر و تبدیل به پودر، كه البته اجباراً بایستی از سایر مواد نیز در فرمول محصول استفاده نمود.
2- الكهای سولفاته با زنجیر بلند:
اینها در سالهای قبل از جنگ جهانی دوم در حدود سال 1930 بنام تجاری Gradinol در آلمان وارد بازار شدند و به آمریكا و سایر كشورها راه پیدا كردند. در آن زمان الكل چرب لازم از راه هیدروژنه كردن اسیدهای چرب طبیعی بدست می آوردند.
در سالهای اخیر این الكهای چرب را بجای منابع طبیعی از طریق فرآیند Ziegler با استفاده از اتیلن بعنوان ماده خام اولیه و آلومینیوم هیدرید بعنوان كاتالیست تولید می نمایند، كه می توان الكلهایی با كربن زوج و با هر تعداد و هر بلندی زنجیری كه مورد نظر باشد بدست آورد.
بعنوان مثال میریستیك الكل كه در طبیعت منابع بسیار محدودی دارد با این روش بطور نامحدود قابل تهیه است.
3- الفین سولفوناتها و سولفاتها:
اینها شامل موادی هستند با نامهای تجاری: Teepol و Comprox كه مواد خام اولیه آنها از كراكینگ بدست می آید.
خاصیت مرطوب كنندگی بسیار خوبی دارند و شویندگی متوسطی را داشته و نقطه ضعفشان بوی بد و نیز محدودیت در بالا بردن غلظت بالای 40 درصد از آنها می‌باشد.
در سالهای اخیر سولفاته كردن الفینها و یا تولید الفین بنزن سولفوناتها مورد توجه قرار گرفته است.
معمولاً آنها را در راكتور فیلمی با جریان گازی كه 3 درصد   داشته باشد و در حرارتی بین 40-10 درجه تولید می نمایند در حال حاضر الفین سولفوناتها در محصول آرایشی و بهداشتی و نیز در صنعت پاك كننده ها مصرف می شوند و فقط بعلت گرانی قیمت و مشكل فراهم كردن الفینها مصرفشان محدود است.
4- اترسولفاتها (Sulphated Eters):
اگر یك الكل چرب را اتوكسیله نموده و سپس OH انتهایی آنرا سولفاته نمائیم، اثر سولفات بدست می آید. معمولاً الكلهای چرب را با مقدار كمی اكسید اتیلن (حدود 3 تا 4 ملكول) اتوكسیله كرده و قبل از اینكه به نقطه توازن آبدوستی – آبگریزی (HLB) رسیده و تشكیل دترجنت غیر یونی بدهند آنها را به كمك كلروسولفونیك اسید و یا انیدرید سولفوریك سولفاته نموده و با سود سوزآور خنثی می نمایند.
اثر سولفاتهای خنثی شده حاصل، خاصیت مرطوب كنندگی كمتری نسبت به سایر آنیونی ها داشته ولی قدرت كف كنندگی زیادتر دارند، به همین دلیل ماده مطلوب و ایده آلی برای مصرف در شامپوها هستند، البته نه بصورت كل ماده فعال بلكه برای كمك به ماده فعال اصلی كه تا حدود 20 درصد در شامپوها و مایعات ظرفشویی مصرف می شوند.
5-سولفوسوكسیناتها:
این مواد از خاصیت شویندگی فوق العاده ای برخوردارند و از كندانس كردن یك هیدروفوب دارای بنیان هیدروكسیل با مالئیك انیدرید و سپس اثر دادن سولفیت سدیم برروی آن تهیه می شوند. برای شامپوها پاك كننده های بسیار خوبی هستنند.
6- الكین سولفوناتها:
اینها جزء اولین گروه دترجنت ها می باشند كه از طریق كلروسولفونه كردن نرمال پارافینهای حاصل از غربال ملكولی (Molecular sieve) در جریان تصفیه نفت بدست می آمدند.
یكی از روشهای تهیه پارافین سولفونات اینست كه: نرمال پارافین و انیدرید سولفور و اكسیژن تحت تابش اشعه ماوراء بنفش با طول موج 3600-3300 و در حرارت و فشار معمولی تركیب می شوند كه آلكن سولفونات بدست می آید.
در این مرحله بایستی اسید سولفوریك از محیط خارج شود و بهمراه آن نرمال پارافینهای باقی مانده و گازهای   حل شده در آب نیز زدوده شوند. سپس پارافین سولفونات حاصل با سود سوزآور خنثی شده، بصورت 30 تا 60 درصد به بازار عرضه می شود، دترجنتی این مواد شبیه LABS است ولی پایداری آنها در مقابل سختی آب و نیز تجزیه پذیریشان بهتر است.
7- استرهای فسفاته:
اگر   را در اسید فسفریك حل كنیم، اسید پلی فسفریك حاصل می شود كه می‌تواند الكلها را فسفاته نماید:
 
این مواد خاصیت پاك كنندگی بسیار خوبی برروی فلزات داشته، مصارفشان در تمیز كردن فلزات و خشكشویی است.
8- آلكیل ایزوتیوناتها:
این دسته از واكنش اكسید اتیلن با بیوسولفیت سدیم حاصل می شوند:      
عامل OH این ایزوتیونات بعد از خشك شدن با یك اسید چرب استریفیه می شود. چون برروی پوست اثر ملایمی دارند در صابونهای توالت سنتزی و شامپوها مصرف می شوند.
•    از دیگر انواع دترجنت های آنیونی می توان سوكروز استرها و فلوئور و سورفكتانتها را نیز نام برد.
ب- دترجنت های كاتیونی
دترجنتهای كاتیونی سورفكتانتهایی می باشند كه بخش آبدوست آنها حاوی بار مثبت می باشد یا بواقع بخش آبدوست یك كاتیون بزرگ می باشد، شكل (5-3)، لذا هنگامیكه وارد محلول شوند تولید بنیان مثبت می كنند.
این سورفكتانتها نقش پاك كنندگی ضعیفی دارند و خیلی گرانقیمت می باشند.
تقسیم بندی آنها بطور خلاصه چنین است:
1-    تركیبات آلكیل آمونیوم راست زنجیر.
2-    تركیبات آلكیل آمونیوم حلقوی.
دترجنت های كاتیونی بعنوان ضد الكتریسته ساكن، نرم كننده الیاف، در مواد بهداشتی جهت ضد عفونی كردن و گندزدایی بكار می روند و علاوه بر این دارای خواص مرطوب كنندگی، كف كنندگی و امولسیون كنندگی نیز می باشند.
انواع دترجنتهای كاتیونی و كاربرد آنها:
1- آمین استاتها:
آمین استاتها توسط خنثی كردن آمینهای چرب با اسید استیك حاصل می‌شوند كه در آب محلولند. فرمول آنها بقرار زیر است:
(اتم كربن R=8-18)                [R.NH3]O2C.CH3
آمین استاتها برای حذف بار الكتریكی استاتیكی روی رزینها و پلاستیكها و نیز بعنوان جمع كننده (collector) و كف كننده برای انواع مواد مثل میكا، فسفاتها، سنگهای معدنی و … بكار می روند. نیز بعنوان امولسیون كننده، ضد باكتری و سایر اهداف بكار می روند.
2-آلكیل تری متیل آمونیوم كلریدها:
فرمول عمومی این مواد  بقرار زیر می باشد:
(اتم كربن R=8-18)                [R.N(CH3)3] CL
از این مواد بعنوان عامل آنتی استاتیك برای پلاستیكها، نرم كننده برای نساجی، میكروب كشی و غیره استفاده بعمل می آید.
مهمترین ماده این دسته، ستیل – تری متیل – آمونیوم بروماید (CETAB) می باشد، كه بعنوان عاملی برای گندزدایی پوست، تمیز كردن زخمها و بعنوان یك ماده ضد‌عفونی كننده بیمارستانی بكار می رود.
این ماده تحت نام سترماید بعنوان یك ماده موثر در شامپوهای بهداشتی ضد شوره مصرف می شود.
3-دی آلكیل دی متیل آمونیوم كلریدها:
فرمول عمومی این مواد بقرار زیر است:
(اتم كربن R=8-18)                [R.NH(CH3)2] CL
عمده مصارف این مواد علاوه بر آنتی استاتیك برای پلاستیكها و نرم كننده برای نساجی و میكروب كشی دارای خاصیت های امولسیون كنندگی روغنها در آب، جلوگیری از خوردگی و نیز جلوگیری از كپك زدن می باشند.
4- آلكیل پیریدینیوم كلریدها و برمیدها:
فرمول عمومی این مواد بقرار زیر است:
Br یا X = CL
اتم كربن R= 12-18
كه در صنایع نساجی بعنوان آنتی استاتیك، كمك نرم كننده و میكروب كشی و جلوگیری از كپك زدن بكار می روند.
در صنایع چرم برای باكتری كشی و تثبیت رنگ و بعنوان گندزدا در واحدها و تجهیزات تولید و حمل و نقل مواد غذایی و صنایع تخمیری بكار می روند.
در صنایع دارویی و كاغذ برای كنترل كپكها و نیز لعاب و بعنوان كمك رنگ بكار می‌روند.
5- سایر دترجنت های كاتیونی:
سایر سورفكتانتهای كاتیونی كه دارای اهمیت كمتری از انواع ذكر شده قبلی هستند، عبارتند از:
الف) مشتقات آمیدهای چرب مثل:
RCONH CH2NHCH2 CH2OH
ب) مشتقات آمینهای چرب مثل:
C12H25 NHCH2 CH2 NHCH2 CH2NH2
 
ج) آمینهای چرب با زنجیر بلند مثل نرمال – آلكیل دی متیل آمین با فرمول زیر:
        CH3
RN
        CH3
د) اكسید آمینها مثل:
        CH3
R.N         O
        CH3
كه R یك الكیل زنجیری طویل می باشد.
هـ) مشتقات سولفوكسید مثل:
   O   
R.S CH2 CH2 OH
      O
   
یا R S CH2 CH2 OH
      O
كه R یك زنجیر آلكیل C11-C15 می باشد.
ج- دترجنت های غیر یونی:
سورفكتانتهای غیر یونی آندسته از سورفكتانتها هستند كه در محلول یونیزه نمی‌شوند (شكل 6-3) غیریونی ها معمولاً ناشی از كندانس كردن اكسید اتیلن بر روی یك ریشه هیدروفوب می باشند.
بخش هیدروفوب سورفكتانت می تواند آلكیل فنول، الكل یا اسید چرب و آمین یا آمید باشد.
گروه آبدوست در سورفكتانت های غیر یونی یك زنجیر پلی اكسی اتیلن
–(OCH2CH2O)n-CH2CH2OH می باشد.
این تركیبات قدرت پاك كنندكی خوبی دارند و عامل امولسیون كننده ارزانی می باشند اما كف كم می كنند، لذا در لباسشویی اتوماتیك مفید می باشند.
سختی آب روی این نوع سورفكتانتها كمتر است چون در آب یونیزه نشده و رسوب نمی‌ كنند.
بعضی از آنها قابلیت این را دارند كه سولفاته یا سولفوناته شوند و در این صورت بعلت اثر ملایمی كه دارند در مایعات ظرفشویی مصرف می شود.
شكل (6-3) نمایش یك دترجنت غیر یونی
انواع دترجنت های غیر یونی:
1-    آلكیل فنول اتوكسیلاتها (پلی اكسی اتیلن آلكیل فنول):
معروفترین این دسته نونیل فنول اتوكسیلات است. خواص فیزیكی و شیمیایی این دسته مواد مربوط است به هسته حلقوی و زنجیر كناری آن و تعداد اكسید اتیلن در این زنجیره.
فرضاً نویل فنل كه الكیل آن در زنجیره خود 9 كربن دارد، با بالا رفتن تعداد اكسید اتیلن از 5/1 تا 30 افزایش ویسكوزیته پیدا می كند.
مصارف این دسته در فرآیندهای نساجی، فرآیندهایی كه بر روی فلزات انجام می شود و دترجنت ها می باشد.
2- الكلهای چرب اتوكسیله شده (پلی اكسی اتیلن الكها):
الكلهای چرب مورد نیاز را از طبیعت به طریق هیدروژنه كردن اسیدهای چرب حاصل از چربیهای گیاهی یا حیوانی و یا حیوانی و یا به روش صنعتی بدست می آورند، و یا از راه هیدراسیون آلفا الفینها و یا اكسیداسیون پارافین تهیه می كنند.
معروفترین و بهترین الكل، تری دسیل الكل با 13 اتم كربن است كه وقتی مقدار اكسید اتیلن آن بین 1 تا 5 باشد حلالیت خوبی نداشته، و با 8 تا 10 ملكول قابلیت پخش شدن را یافته، با 10 تا 15 ملكول كاملاً محلول و دترجنت خوبی می شود.
كاربردهای این دسته در محصولات پاك كننده، تكمیل كننده های نساجی، بعلاوه در كشاورزی، كاغذسازی، لاستیك سازی، چرمسازی، رنگ سازی و پلاستیك سازی بكار می روند.
3- اسیدهای چرب اتوكسیله شده (پلی اكسی اتیلن الكها):
در این دسته بهترین حلالیت و پاك كنندگی را آن تركیباتی دارند كه تعداد كربن اسید چرب بین 12 تا 16 و تعداد اكسید اتیلن آنها 15 تا 18 باشد.
نقطه ضعف این دسته حساسیت در مقابل اسیدها و قلیائیهاست. گاه در فرمول پودرهای رختشوئی و مایعات شوینده به منظور افزایش قدرت پاك كنندگی، كف‌كردن در محصولات تمیزكننده دیوارها و فلزات و تمیزكننده های كف و صنایع نساجی، كشاورزی و كاغذسازی بكار می روند.
4- آلكانول آمیدها:
آلكانول آمیدها یا آلكیلول آمیدها از تركیب منویادی آلكیلول آمین با یك اسید چرب بوجود آمده و بر اساس اینكه اسید چرب آنها چگونه باشد و با چه آمینی تركیب شود، خواص فیزیكی و شیمیایی و مصارف مختلفی خواهند داشت.
كه معمولاً بعنوان تقویت كننده كف یا پایداركننده آن در محصولات مختلفی مصرف می شوند.
CME یا منواتانل آمید اسید چرب نارگیل با نامهای تجاری مختلف مانند امپیلان – مونامید كامپرلان و غیره بعنوان تقویت كننده كف در پودرهای رختشویی مصرف می شود. CDE یا لوریك اسید دی اتانل آمید با نامهای تجارتی مختلف مانند كامپلان، كامپرلان CD لورامید و غیره در شامپوها بعنوان غلظت دهنده، تقویت كننده كف با ماده پاك كننده مصرف می شود...