کاربرد دترجنت ها و انواع تمیز کننده ها

مقدمه
انواع دترجنت ها و کاربرد آنها
مقدمه ای بر سورفکتانتها
سورفکتانت:
کلمه Surfactant مخفف عبارت، AgeNT، ACTive، SURFace می باشد.
ملکول سورفکتانت شامل دو قسمت مجزای ساختمانی است، یک قسمت آبدوست (چربی گریز) و یک قسمت آبگریز (چربی دوست).
قسمت آب گریز (چربی دوست) اکثر سورفکتانتها شامل یک زنجیر هیدروکربنی است که معمولاً طول متوسط آن از ۱۲ تا ۱۸ اتم کربن است و ممکن است شامل یک حلقه آروماتیک باشد.
در شکل (۱-۳) چگونگی عمل سورفکتانت در یک محلول نشان داده شده است ملاحظه می شود که سر آبدوست به سمت آب جهت گیری کرده و سر آب گریز به سمت خارج آب جهت گیری نموده است. به همین سبب است که سورفکتانها در سطح تجمع پیدا می کنند و آنرا تحت تاثیر خود قرار می دهند.
شکل (۱-۳): جهت گیری ملکولهای سورفکتانت در سطح تماس هوا با یک محلول

در شکل (۲-۳) بصورت شماتیک گروه آبدوست و آب گریز نمایش داده شده است. (گروه آبگریز در سمت چپ و گروه آبدوست در سمت راست).
در توده مایع ملکولهای سورفکتانت به فرم: micelle هایی جمع می شوند که نمایش دیاگرامی فرم کروی یک micelle در شکل (۳-۳) نشان داده شده است:
استفاده اصلی سورفکتانتها برای ساخت دترجنت ها است، بدون اغراق هزاران ترکیب از آن بصورت، پودرها، ژلها، محلولها و خمیرها فرموله شده و فروخته می شوند.
برای اپتیمم کردن قدرت پاک کنندگی قسمت غیرآبدوست که همان ملکول هیدروکربن است باید در رنج   ترکیبات بالای   عموماً حلالیت کم دارند و ترکیبات زیر   فرم Micelle موثر ندارند.
ویژگیهای سورفکتانتها:
سورفکتانتها مواد شیمیایی هستند که شش ویژگی بنیادی زیر را دارا هستند:
۱-    جذب بین سطحی:
غلظت تعادلی یک ماده فعال سطحی در سطح تماس دو فاز بیشتر از غلظت آن در کل فضای هر یک از فازهاست. به این دلیل است که مقادیر کم این مواد می‌تواند کشش سطحی را به مقدار زیادی کاهش دهد.
۲-    ساختار دو گونه خواه:
ملکول 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 کنند.
 
۳-انحلال پذیری:
یک ماده فعال سطحی باید حداقل در یک فاز مربوط به یک سیستم مایع انحلال پذیر باشد تا بتوان آنرا ماده فعال سطحی نامید.
۴- توانایی تشکیل Micelle:
ملکولها یا یونهای مواد فعال سطحی حل شده، وقتیکه غلظت آنها در محلول یک مایع به یک مقدار حداقل برسد، انبوهه های کوچکی بنام micelle بوجود می آورند.
۵- جهت گیری در سطح تماس دو مایع:
ملکولها یا یونهای فعال سطحی در سطح تماس دو فاز مایع و گاز لایه منظمی که در آن ملکولها بطور منظم جهت گیری کرده اند بوجود می آورند.
۶- خواص اصلی:
محلول مواد فعال سطحی باید چند نوع از اینگونه خواص را دارا باشد، این خواص عبارتند از: زدایش (شویندگی)، کف کنندگی خیس کنندگی، امولسیون کنندگی، حل‌کنندگی و پخش کنندگی.
دسته بندی سورفکتانتها:
تعداد ملکولهای سورفکتانت مختلف که در زمانهای مختلف ساخته شده اند یا ساخته خواهند شد به صدها یا حتی ممکن است به هزارها برسد و این تعداد در تئوری ممکن است به میلیونها ملکول سورفکتانت برسد.
در فهرست و دسته بندی سورفکتانتها که در ادامه آورده می شود، R ممکن است بصورت ۱۲ تا ۱۸ اتم کربن درنظر گرفته شود.
زنجیرهای هیدروکربنی که از روغنهای گیاهی یا چربیهای حیوانی بدست می آیند شامل تعداد زوجی از اتمهای کربن می باشند ولی زنجیرهای هیدروکربنی از منابع پتروشیمیایی شامل تعداد زوج و فردی از کربن می باشند.
الف – دترجنت های آنیونی:
دترجنت های آنیونی دسته ای از شوینده ها هستند که هنگامیکه در آب حل می شوند تولید یک آنیون بزرگ می کنند که آنیون دارای یکطرف آبدوست و یک طرف چربی دوست می باشد.
شکل (۴-۳) شماتیک یک دترجنت آنیونی را نشان می دهد.

طرف آبدوست این دترجنت ها عبارتند از: سولفاتها، هیدروکربنهای سولفونه شده، استرهای سولفونه شده، آمیدهای سولفونه شده، کربوکسیلاتها و فسفاتها و بخش غیرآبدوست آنیون می تواند آلیفاتیک، سیکلوآلیفاتیک یا آروماتیک باشد.
کاتیونهایی که استفاده خواهند شد شاید بیشتر  و   و تری اتانل آمونیوم   می باشند اما یونهای   و   و دیگر آلکانول آمونیومها نیز وجود دارند.
سولفوناتهای پتروشیمیایی ممکن است حتی دارای یونهای   و   نیز باشند.
در ضمن مواد ویژه ای وجود دارند که دارای کمپلکسهای کاتیونی آلی دیگری نیز می‌باشند.
دترجنت آنیونی ارزان ترین گروه سورفکتانتها هستند و از نظر تجاری بیشترین فروش را دارا می باشند.
انوع دترجنت های آنیونی:
۱-    آلکیل آریل سولفوناتها:
اینها اولین و مهمترین و پرمصرف ترین پاک کننده های آنیونی می باشند و نزدیک به ۶۵ درصد کل مواد که بعنوان پاک کننده مصرف می شوند در این طبقه قرار دارند. البته این اهمیت تنها بدلیل خاصیت پاک کنندگی بسیار خوب آنها نبوده بلکه بیشتر مربوط به این است که مواد خام آنها آسانتر و ارزانتر بدست آمده و روش تولید آنها آسانتر است. معروفترین ترکیبات این دسته دودسیل بنزل سولفونات یا پروپیلن تترامربنزن سولفونات یا دی دی باس و دو دسیل بنزن سولفونات زنجیری یا آلکیل سولفونات خطی (LABS) می باشند.
دلیل اینکه بعضی ممالک هنوز هم دودسیل بنزن را ترجیح می دهند و آنرا تولید می‌کنند، آسانی و ارزانی تولید آن و عدم احتیاج به کلریناسیون 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 آلیفاتیک می تواند تا حد پروپیل کوچک شود و هنوز ترکیب سولفوناته خاصیت مرطوب کنندگی و شویندگی ضعیف را دارا می باشد.
بدین ترتیب هرچه بنیان حلقوی بزرگتر باشد، ریشه آلیفاتیک کوچکتری را نیاز خواهیم داشت.
هنگامیکه صحبت از دو دسیل بنزن می شود، منظور ترکیبی است که در ریشه آلیفاتیک هیدروکربنهایی با تعداد کربنهای بین ۱۰ تا ۱۴ دارد که قسمت اعظم آن ۱۲ کربنی و وزن ملکولی متوسط آن ۲۴۶ است.
لازم به ذکر است که تری دسیل بنزن یا نونیل بنزن نیز در برخی کشورها بعنوان پایه مورد استفاده قرار می گیرد ولی هیچیک، از نظر خواص به حد دودسیل بنزن نمی‌رسند.
برای تبدیل دو دسیل بنزن (DDB) و آلکیل بنزن خطی (LAB) به محصول نهایی آماده مصرف برای سازندگان سه راه وجود دارد:
اول: شروع از DDB – سولفوناته کردن و خنثی کردن و سپس ساخت پودر، خمیر و یا مایعات از آنها.
دوم: شروع از مرحله اسید سولفوریک با پایه دو دسیل نرم یا سخت و صرفه جویی در هزینه های نسبتاً سنگین بر پایی یک واحد سولفوناسیون.
سوم: شروع از خمیر خنثی اسید سولفوریک و تبدیل آن به محصول نهایی بصورت یک خمیر آبکی، و یا با استفاده از روشهای تولید اسپری درایر و درام درایر و تبدیل به پودر، که البته اجباراً بایستی از سایر مواد نیز در فرمول محصول استفاده نمود.
۲- الکهای سولفاته با زنجیر بلند:
اینها در سالهای قبل از جنگ جهانی دوم در حدود سال ۱۹۳۰ بنام تجاری Gradinol در آلمان وارد بازار شدند و به آمریکا و سایر کشورها راه پیدا کردند. در آن زمان الکل چرب لازم از راه هیدروژنه کردن اسیدهای چرب طبیعی بدست می آوردند.
در سالهای اخیر این الکهای چرب را بجای منابع طبیعی از طریق فرآیند Ziegler با استفاده از اتیلن بعنوان ماده خام اولیه و آلومینیوم هیدرید بعنوان کاتالیست تولید می نمایند، که می توان الکلهایی با کربن زوج و با هر تعداد و هر بلندی زنجیری که مورد نظر باشد بدست آورد.
بعنوان مثال میریستیک الکل که در طبیعت منابع بسیار محدودی دارد با این روش بطور نامحدود قابل تهیه است.
۳- الفین سولفوناتها و سولفاتها:
اینها شامل موادی هستند با نامهای تجاری: Teepol و Comprox که مواد خام اولیه آنها از کراکینگ بدست می آید.
خاصیت مرطوب کنندگی بسیار خوبی دارند و شویندگی متوسطی را داشته و نقطه ضعفشان بوی بد و نیز محدودیت در بالا بردن غلظت بالای ۴۰ درصد از آنها می‌باشد.
در سالهای اخیر سولفاته کردن الفینها و یا تولید الفین بنزن سولفوناتها مورد توجه قرار گرفته است.
معمولاً آنها را در راکتور فیلمی با جریان گازی که ۳ درصد   داشته باشد و در حرارتی بین ۴۰-۱۰ درجه تولید می نمایند در حال حاضر الفین سولفوناتها در محصول آرایشی و بهداشتی و نیز در صنعت پاک کننده ها مصرف می شوند و فقط بعلت گرانی قیمت و مشکل فراهم کردن الفینها مصرفشان محدود است.
۴- اترسولفاتها (Sulphated Eters):
اگر یک الکل چرب را اتوکسیله نموده و سپس OH انتهایی آنرا سولفاته نمائیم، اثر سولفات بدست می آید. معمولاً الکلهای چرب را با مقدار کمی اکسید اتیلن (حدود ۳ تا ۴ ملکول) اتوکسیله کرده و قبل از اینکه به نقطه توازن آبدوستی – آبگریزی (HLB) رسیده و تشکیل دترجنت غیر یونی بدهند آنها را به کمک کلروسولفونیک اسید و یا انیدرید سولفوریک سولفاته نموده و با سود سوزآور خنثی می نمایند.
اثر سولفاتهای خنثی شده حاصل، خاصیت مرطوب کنندگی کمتری نسبت به سایر آنیونی ها داشته ولی قدرت کف کنندگی زیادتر دارند، به همین دلیل ماده مطلوب و ایده آلی برای مصرف در شامپوها هستند، البته نه بصورت کل ماده فعال بلکه برای کمک به ماده فعال اصلی که تا حدود ۲۰ درصد در شامپوها و مایعات ظرفشویی مصرف می شوند.
۵-سولفوسوکسیناتها:
این مواد از خاصیت شویندگی فوق العاده ای برخوردارند و از کندانس کردن یک هیدروفوب دارای بنیان هیدروکسیل با مالئیک انیدرید و سپس اثر دادن سولفیت سدیم برروی آن تهیه می شوند. برای شامپوها پاک کننده های بسیار خوبی هستنند.
۶- الکین سولفوناتها:
اینها جزء اولین گروه دترجنت ها می باشند که از طریق کلروسولفونه کردن نرمال پارافینهای حاصل از غربال ملکولی (Molecular sieve) در جریان تصفیه نفت بدست می آمدند.
یکی از روشهای تهیه پارافین سولفونات اینست که: نرمال پارافین و انیدرید سولفور و اکسیژن تحت تابش اشعه ماوراء بنفش با طول موج ۳۶۰۰-۳۳۰۰ و در حرارت و فشار معمولی ترکیب می شوند که آلکن سولفونات بدست می آید.
در این مرحله بایستی اسید سولفوریک 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 ۳۰ تا ۶۰ 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.
۷- استرهای فسفاته:
اگر   را در اسید فسفریک حل کنیم، اسید پلی فسفریک حاصل می شود که می‌تواند الکلها را فسفاته نماید:
 
این مواد خاصیت پاک کنندگی بسیار خوبی برروی فلزات داشته، مصارفشان در تمیز کردن فلزات و خشکشویی است.
۸- آلکیل ایزوتیوناتها:
این دسته از واکنش اکسید اتیلن با بیوسولفیت سدیم حاصل می شوند:      
عامل OH این ایزوتیونات بعد از خشک شدن با یک 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 سوکروز استرها و فلوئور و سورفکتانتها را نیز نام برد.
ب- دترجنت های کاتیونی
دترجنتهای کاتیونی سورفکتانتهایی می باشند که بخش آبدوست آنها حاوی بار مثبت می باشد یا بواقع بخش آبدوست یک کاتیون بزرگ می باشد، شکل (۵-۳)، لذا هنگامیکه وارد محلول شوند تولید بنیان مثبت می کنند.
این سورفکتانتها نقش پاک کنندگی ضعیفی دارند و خیلی گرانقیمت می باشند.
تقسیم بندی آنها بطور خلاصه چنین است:
۱-    ترکیبات آلکیل آمونیوم راست زنجیر.
۲-    ترکیبات آلکیل آمونیوم حلقوی.
دترجنت های کاتیونی بعنوان ضد الکتریسته ساکن، نرم کننده الیاف، در مواد بهداشتی جهت ضد عفونی کردن و گندزدایی بکار می روند و علاوه بر این دارای خواص مرطوب کنندگی، کف کنندگی و امولسیون کنندگی نیز می باشند.
انواع دترجنتهای کاتیونی و کاربرد آنها:
۱- آمین استاتها:
آمین استاتها توسط خنثی کردن آمینهای چرب با اسید استیک حاصل می‌شوند که در آب محلولند. فرمول آنها بقرار زیر است:
(اتم کربن R=8-18)                [R.NH3]O2C.CH3
آمین استاتها برای حذف بار الکتریکی استاتیکی روی رزینها و پلاستیکها و نیز بعنوان جمع کننده (collector) و کف کننده برای انواع مواد مثل میکا، فسفاتها، سنگهای معدنی و … بکار می روند. نیز بعنوان امولسیون کننده، ضد باکتری و سایر اهداف بکار می روند.
۲-آلکیل تری متیل آمونیوم کلریدها:
فرمول عمومی این مواد  بقرار زیر می باشد:
(اتم کربن R=8-18)                [R.N(CH3)3] CL
از این مواد بعنوان عامل آنتی استاتیک برای پلاستیکها، نرم کننده برای نساجی، میکروب کشی و غیره استفاده بعمل می آید.
مهمترین ماده این دسته، ستیل – تری متیل – آمونیوم بروماید (CETAB) می باشد، که بعنوان عاملی برای گندزدایی پوست، تمیز کردن زخمها و بعنوان یک ماده ضد‌عفونی کننده بیمارستانی بکار می رود.
این ماده تحت نام سترماید بعنوان یک ماده موثر در شامپوهای بهداشتی ضد شوره مصرف می شود.
۳-دی آلکیل دی متیل آمونیوم کلریدها:
فرمول عمومی این مواد بقرار زیر است:
(اتم کربن R=8-18)                [R.NH(CH3)2] CL
عمده مصارف این مواد علاوه بر آنتی استاتیک برای پلاستیکها و نرم کننده برای نساجی و میکروب کشی دارای خاصیت های امولسیون کنندگی روغنها در آب، جلوگیری از خوردگی و نیز جلوگیری از کپک زدن می باشند.
۴- آلکیل پیریدینیوم کلریدها و برمیدها:
فرمول عمومی این مواد بقرار زیر است:
Br یا X = CL
اتم کربن R= 12-18
که در صنایع نساجی بعنوان آنتی استاتیک، کمک نرم کننده و میکروب کشی و جلوگیری از کپک زدن بکار می روند.
در صنایع چرم برای باکتری کشی و تثبیت رنگ و بعنوان گندزدا در واحدها و تجهیزات تولید و حمل و نقل مواد غذایی و صنایع تخمیری بکار می روند.
در صنایع دارویی و کاغذ برای کنترل کپکها و نیز لعاب و بعنوان کمک رنگ بکار می‌روند.
۵- سایر دترجنت های کاتیونی:
سایر سورفکتانتهای کاتیونی که دارای اهمیت کمتری از انواع ذکر 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 – آلکیل دی متیل آمین با فرمول زیر:
        CH3
RN
        CH3
د) اکسید آمینها مثل:
        CH3
R.N         O
        CH3
که R یک الکیل زنجیری طویل می باشد.
هـ) مشتقات سولفوکسید مثل:
   O   
R.S CH2 CH2 OH
      O
   
یا R S CH2 CH2 OH
      O
که R یک زنجیر آلکیل C11-C15 می باشد.
ج- دترجنت های غیر یونی:
سورفکتانتهای غیر یونی آندسته از سورفکتانتها هستند که در محلول یونیزه نمی‌شوند (شکل ۶-۳) غیریونی ها معمولاً ناشی از کندانس کردن اکسید اتیلن بر روی یک ریشه هیدروفوب می باشند.
بخش هیدروفوب سورفکتانت می تواند آلکیل فنول، الکل یا اسید چرب و آمین یا آمید باشد.
گروه آبدوست در سورفکتانت های غیر یونی یک زنجیر پلی اکسی اتیلن
–(OCH2CH2O)n-CH2CH2OH می باشد.
این ترکیبات قدرت پاک کنندکی خوبی دارند و عامل امولسیون کننده ارزانی می باشند اما کف کم می کنند، لذا در لباسشویی اتوماتیک مفید می باشند.
سختی آب روی این نوع سورفکتانتها کمتر است چون در آب یونیزه نشده و رسوب نمی‌ کنند.
بعضی از آنها قابلیت این را دارند که سولفاته یا سولفوناته شوند و در این صورت بعلت اثر ملایمی که دارند در مایعات ظرفشویی مصرف می شود.
شکل (۶-۳) نمایش یک دترجنت غیر یونی
انواع دترجنت های غیر یونی:
۱-    آلکیل فنول اتوکسیلاتها (پلی اکسی اتیلن آلکیل فنول):
معروفترین این دسته نونیل فنول اتوکسیلات است. خواص فیزیکی و شیمیایی این دسته مواد مربوط است به هسته حلقوی و زنجیر کناری آن و تعداد اکسید اتیلن در این زنجیره.
فرضاً نویل فنل که الکیل آن در زنجیره خود ۹ کربن دارد، با بالا رفتن تعداد اکسید اتیلن از ۵/۱ تا ۳۰ افزایش ویسکوزیته پیدا می کند.
مصارف این دسته در فرآیندهای نساجی، فرآیندهایی که بر روی فلزات انجام می شود و دترجنت ها می باشد.
۲- الکلهای چرب اتوکسیله شده (پلی اکسی اتیلن الکها):
الکلهای چرب مورد نیاز را از طبیعت به طریق هیدروژنه کردن 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 اکسیداسیون پارافین تهیه می کنند.
معروفترین و بهترین الکل، تری دسیل الکل با ۱۳ اتم کربن است که وقتی مقدار اکسید اتیلن آن بین ۱ تا ۵ باشد حلالیت خوبی نداشته، و با ۸ تا ۱۰ ملکول قابلیت پخش شدن را یافته، با ۱۰ تا ۱۵ ملکول کاملاً محلول و دترجنت خوبی می شود.
کاربردهای این دسته در محصولات پاک کننده، تکمیل کننده های نساجی، بعلاوه در کشاورزی، کاغذسازی، لاستیک سازی، چرمسازی، رنگ سازی و پلاستیک سازی بکار می روند.
۳- اسیدهای چرب اتوکسیله شده (پلی اکسی اتیلن الکها):
در این دسته بهترین حلالیت و پاک کنندگی را آن ترکیباتی دارند که تعداد کربن اسید چرب بین ۱۲ تا ۱۶ و تعداد اکسید اتیلن آنها ۱۵ تا ۱۸ باشد.
نقطه ضعف این دسته حساسیت در مقابل اسیدها و قلیائیهاست. گاه در فرمول پودرهای رختشوئی و مایعات شوینده به منظور افزایش قدرت پاک کنندگی، کف‌کردن در محصولات تمیزکننده دیوارها و فلزات و تمیزکننده های کف و صنایع نساجی، کشاورزی و کاغذسازی بکار می روند.
۴- آلکانول آمیدها:
آلکانول آمیدها یا آلکیلول آمیدها از ترکیب منویادی آلکیلول آمین با یک اسید چرب بوجود آمده و بر اساس اینکه اسید چرب آنها چگونه باشد و با چه آمینی ترکیب شود، خواص فیزیکی و شیمیایی و مصارف مختلفی خواهند داشت.
که معمولاً بعنوان تقویت کننده کف یا پایدارکننده آن در محصولات مختلفی مصرف می شوند.
CME یا منواتانل آمید اسید چرب نارگیل با نامهای تجاری مختلف مانند امپیلان – مونامید کامپرلان و غیره بعنوان تقویت کننده کف در پودرهای رختشویی مصرف می شود. CDE یا لوریک اسید دی اتانل آمید با نامهای تجارتی مختلف مانند کامپلان، کامپرلان CD لورامید و غیره در شامپوها بعنوان غلظت دهنده، تقویت کننده کف با ماده پاک کننده مصرف می شود…