魏 江，汪 昭，李嘉亮

（常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

洗衣粉是生活中常用的必需品之一。洗衣粉中最重要的成分是表面活性劑和助劑［1－2］，表面活性劑可以降低水的表面張力，在衣物油分子周圍形成一層親水物質(zhì)，通過(guò)揉搓去除織物的污漬；而助劑可以與表面活性劑互相協(xié)作、增加洗滌功效。因此洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)成為洗滌性能的重要指標(biāo)之一［3－4］。洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)越小，洗滌效果越佳。

洗衣粉溶液濃度過(guò)高存在難漂清、傷衣物、費(fèi)財(cái)力等問(wèn)題；而濃度偏低又難以達(dá)到洗滌效果，為了研究洗衣粉溶液最佳使用效果，我們以?shī)W妙凈藍(lán)全效洗衣粉為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，采用FDNST－I型表面張力測(cè)定儀，測(cè)量溶液的表面張力系數(shù)，借助力敏傳感器準(zhǔn)確地測(cè)量微小力的變化量，研究洗衣粉溶液的表面張力大小同溶液的濃度、溫度之間的關(guān)系；同時(shí)用p H計(jì)對(duì)濃度不同的洗衣粉溶液進(jìn)行研究和分析，找到洗衣粉的最優(yōu)化使用條件［5－6］。

1 測(cè)量表面張力的實(shí)驗(yàn)［7］及改進(jìn)

將內(nèi)徑為D1，外徑為D2的金屬環(huán)懸掛在力敏傳感器上，然后把它浸入盛液體的玻璃器皿中。當(dāng)緩慢地向上金屬環(huán)時(shí)，金屬環(huán)就會(huì)拉起一個(gè)與液體相連的水柱。由于表面張力的作用，測(cè)力計(jì)的拉力逐漸達(dá)到拉斷液柱的前一瞬間的值F1，則F1應(yīng)當(dāng)是金屬環(huán)重力G與水柱拉引金屬環(huán)的表面張力f之和，拉斷液柱后傳感器上的拉力就是金屬環(huán)重力G即

式中：α稱為液體的表面張力系數(shù)，單位為N／m。實(shí)驗(yàn)用線性和穩(wěn)定性較好的硅壓阻式力敏傳感器來(lái)測(cè)量微小力，力敏傳感器的受力大小與電壓值的變化量成正比，實(shí)驗(yàn)中以數(shù)字式電壓表輸出顯示。故表面張力系數(shù)為

式中：U1為吊環(huán)拉斷液柱的前一瞬間數(shù)字電壓表的讀數(shù)值，U2為拉斷時(shí)瞬間電壓表的讀數(shù)值，B表示力敏傳感器的靈敏度，單位V／N。

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了幾點(diǎn)改進(jìn)

（1）為保證吊環(huán)的水平入水，在實(shí)驗(yàn)前通過(guò)直徑1.50 c m水準(zhǔn)儀調(diào)節(jié)三根金屬絲的長(zhǎng)度［8］，保證吊環(huán)的水平。

（2）隨洗衣粉溶液表面張力的減小，單獨(dú)調(diào)節(jié)升降臺(tái)高低，液面不足以破裂，可用小吸管沿玻璃器皿邊緣吸出一定量的液體配合升降臺(tái)的下降來(lái)完成測(cè)量［9］。

（3）為使測(cè)量值更接近實(shí)際，本文的溶液均使用自來(lái)水作溶劑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同濃度洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)

對(duì)洗衣粉進(jìn)行了不同濃度水溶液的配置，在10.0℃和25.0℃的溫度時(shí)，用表面張力測(cè)定儀測(cè)量溶液的表面張力系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表1，繪制成圖1。由表2或圖1可知，在相同溫度下，隨溶液濃度的增加，由于表面活性劑的作用，溶液表面張力降低。當(dāng)濃度達(dá)到0.03%時(shí)，表面張力系數(shù)幾乎降到最低，此后隨溶液濃度的增加（如濃度變化從0.05～0.40%），表面張力系數(shù)基本不變，這一濃度稱為臨界膠束濃度［10］。洗衣粉中表面活性劑使溶液中形成膠團(tuán)（白色絲絮狀物），而膠團(tuán)有吸附和包裹微小污物的作用，從而在洗滌過(guò)程中將其除去。臨界膠束濃度越容易形成，說(shuō)明樣品更具有優(yōu)良的洗滌性能。圖1的兩條曲線表明，在溫度為10.0℃和25.0℃時(shí)，溶液的臨界膠束濃度均為0.03%，說(shuō)明溶液的臨界膠束濃度隨溫度變化不大?？紤]到實(shí)際洗滌衣物過(guò)程中有效膠團(tuán)濃度會(huì)有所降低，實(shí)際應(yīng)用中洗衣粉溶液濃度應(yīng)適量增加，其區(qū)間范圍可在0.05%～0.10%之間。

表1 不同濃度洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)（10－3N／m）

圖1 溶液濃度與表面張力系數(shù)的關(guān)系曲線

2.2 洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)隨溫度的變化

考慮到人們的洗滌習(xí)慣，在溫度為10.0～45.0℃的條件下，選擇兩種濃度的溶液，測(cè)量它們表面張力隨溫度的變化。數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2，繪制成圖2，其中純水?dāng)?shù)據(jù)為已知標(biāo)準(zhǔn)值。

由表2和圖2可知，同種濃度下，同種溶液的表面張力系數(shù)隨溫度的增加而減小。這是由于較高溫度下液體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子的平均動(dòng)能增強(qiáng)，液體跟氣體接觸的表面層中分子平均距離增大，分子間引力優(yōu)勢(shì)減小，宏觀上表現(xiàn)為液體表面張力減小。

表2 洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)隨溫度的變化（10－3N／m）

圖2 不同濃度時(shí)表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

由表2和圖2可知，同種濃度下，同種溶液的表面張力系數(shù)隨溫度的增加而減小。這是由于較高溫度下分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，液體內(nèi)分子的平衡距離更大，這樣內(nèi)部分子間引力減小，液體表面張力也減小。

同一溫度下，在溶液濃度為0.003%、0.05%的三條實(shí)驗(yàn)曲線有明顯的間距，這表明隨著液體濃度的增加，其表面張力系數(shù)減小，這個(gè)結(jié)果與圖1的結(jié)果完全一致，特別要注意的是隨著溶液濃度的再進(jìn)一步增加，曲線之間的間距在減小，當(dāng)溶液濃度大于0.05%之后各不同濃度的實(shí)驗(yàn)曲線基本趨于重合，這個(gè)結(jié)論可以圖1中看出，這里沒(méi)有再給出更高濃度的實(shí)驗(yàn)曲線，這個(gè)結(jié)果也清晰地表明濃度再進(jìn)一步的提高并不會(huì)帶來(lái)表面張力系數(shù)的更大的改善，在實(shí)際的洗滌過(guò)程中溶液濃度調(diào)制在0.05%～0.10%之間是科學(xué)合理的，其結(jié)論也與圖1相符。

隨著液體濃度大于臨界膠束濃度時(shí)（如濃度為0.05%的曲線），溫度在30.0～45.0℃間升高時(shí)，液體的表面張力系數(shù)隨溫度的變化幾乎可以忽略。這是由于溶液內(nèi)部飽和膠團(tuán)間距離逐漸減小，因此表面張力隨溫度的變化越來(lái)越不明顯。因此合適濃度的洗衣粉溶液溫度無(wú)須太高，30.0～45.0℃即可。這個(gè)取值范圍從實(shí)用角度而言還有兩個(gè)理由，一是溫度在這一區(qū)間變化時(shí)，洗衣粉中的酶活性較高［11］有利于洗滌效果；二是，洗滌過(guò)程中難免有自然降溫的現(xiàn)象發(fā)生，給一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的溫度區(qū)間可以確保表面張力維持在較小的狀態(tài)。

3 洗衣粉溶液的p H值隨濃度的變化

洗滌溶液的p H值越高，堿性越強(qiáng)，洗滌時(shí)去污力也越強(qiáng)，但同時(shí)對(duì)手和衣物的損傷也越大。實(shí)驗(yàn)采用PHS－3C型p H計(jì)測(cè)量室溫時(shí)溶液的p H值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3或圖3。

由表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：隨溶液濃度的增加，p H值變大，溶液的堿性越強(qiáng)。洗衣粉標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)中“0.1%無(wú)磷粉溶液p H 值小于11.0”［12］，從這一角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)樣品是合格的。但考慮到“接觸皮膚的溶液p H值不超過(guò)10.0為上限”，“絲毛用洗滌劑的p H 值在6.0至8.5之間”［13］，因此合理的洗衣粉溶液濃度應(yīng)小于0.10%。

表3 不同濃度洗衣粉溶液的PH值（25.0℃）

圖3 溶液濃度與p H值的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

洗衣粉溶液的表面張力越小，衣物中的污物越容易溶于洗衣液中，洗滌效果越理想。當(dāng)然，要達(dá)到較好的洗滌效果還要考慮許多方面，如洗衣粉溶液的去污力、抗再沉積能力、酶的活性、污垢的差異、衣物的材質(zhì)等因素，本文僅從洗衣粉溶液的濃度、溫度與表面張力和p H值的關(guān)系入手，分析樣品洗衣粉使用中的合理溶液的濃度。

（1）洗衣粉溶液的濃度達(dá)到0.03%時(shí)，表面張力系數(shù)基本降到最低，此后隨溶液濃度的增加，表面張力系數(shù)基本不變。因此洗衣粉溶液的濃度不應(yīng)低于0.03%，考慮到實(shí)際應(yīng)用，選擇濃度為0.05%～0.10%。

（2）洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)與溫度呈近似線性關(guān)系，溫度越高，表面張力系數(shù)越小。適當(dāng)提高洗滌溫度，有利于提高去污力，但隨著濃度的增加，變化趨于平緩，因此合適的洗衣溫度是30.0～45.0℃。

（3）p H值低于10.0的洗衣粉溶液，性質(zhì)相對(duì)溫和，對(duì)使用者的皮膚及被洗織物都不會(huì)產(chǎn)生損害。對(duì)照?qǐng)D3，洗衣粉溶液濃度應(yīng)小于0.10%才是合理的。

綜合考慮以上結(jié)論，在30.0～45.0℃溫度中，洗衣粉溶液的濃度達(dá)到0.05～0.10%時(shí)，衣物將達(dá)到最佳洗滌效果，能滿足當(dāng)今生活的需求。例如在洗衣機(jī)20升水中，需加10～20克洗衣粉，這與廠家建議的一勺半到兩勺（15～20克）是一致的。

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