Mazgāšanas līdzekļi

Virsmas spraigums ir uz šķidrumu virsmas novērojama parādība, kas nosaka, ka šķidruma virsma tiecas sasniegt vismazāko iespējamo laukumu. Tādēļ šķidruma virsma atgādina nospriegotu, šķietami elastīgu plēvīti. Jo lielāka virsmas spraiguma vērtība,jo nospriegotāka ir šī plēvīte. Virsmas spraigums ir viens no svarīgākajiem šķidrumu raksturlielumiem.

Virsmas spraiguma pamatā ir molekulu savstarpējas pievilkšanās spēki. Šķidruma iekšienē pievilkšanās spēki, kas darbojas uz vienu molekulu, visos virzienos ir vienādi, tādēļ tiekompensējas. Turpretim uz šķidruma virsmas pievilkšanās spēkiem no šķidruma puses praktiski nav pretdarbības, tādēļ kopējais spēks vērsts uz šķidruma iekšieni (1. att.). Tāpēc šķidrumiem piemīt tieksme novietot uz virsmas pēc iespējas mazāku molekulu skaitu un veidot pēc iespējas mazāku virsmu, tātad lodi, ja vien nedarbojas gravitācija vai citi spēki, kas tam traucē.

1.att. Virsmas spraigumarašanās – spēki, kas darbojas uz molekulu šķidrumā un uz molekulu, kas atrodas uz virsmas (sarkanākrāsā – kopējais spēks).

Virsmaktīvas vielas ietekmē šķidrumu virsmas spraigumu. Liela daļa virsmaktīvo vielu ir organiski savienojumi ar hidrofilu daļu un hidrofobu daļu. Molekulas, kurām ir hidrofilas un hidrofobas daļas,šķīdumā novietojas tā, lai to polārās (hidrofilās) un nepolārās (hidrofobās) daļas pretēji entropijas ietekmei pēc iespējas atrastos kopā, vai arī vietās, kur iespējama abu noteikumu ievērošana. Tādas vietas ir virsmas. Ja virsma jau ir aizņemta, bet vielas koncentrācija palielinās, molekulas varsavstarpēji saistīties, veidojot micellas vai vēl lielākas struktūras. Šādai pašorganizācijai ir liela nozīme, un uzskata, ka tā bijusi nepieciešama pirmo šūnu rašanās procesā.

Micellas ir lodveida struktūras, kurās apvienojas no 20 līdz 30000 molekulu. Nātrija dodecilsulfāta C₁₂H₂₅OSO₃Na micellās ūdenī vidēji ir 70 formulvienību. Lodveida micellu rādiuss parasti atbilst tās veidojošo molekulu garumam. Praktiski visas micellas šķīdumā ir vienāda izmēra. Starp micellām un atsevišķām molekulām šķīdumā pastāv dinamisks līdzsvars. To veidošanās un sabrukšanas ātrums mērāms milisekundēs.

2. att. Micellas uzbūve.

Svarīgākās mazgāšanas līdzekļu sastāvdaļas bez šaubām ir virsmaktīvās vielas. Vislielākajos daudzumos tās patērē veļas mazgāšanas līdzekļu iegūšanai. Mazgāšanas gaitā virsmaktīvās vielas darbojas trijos veidos: tās sekmē hidrofobu daļiņu (netīrumu) atdalīšanos no auduma virsmas, tās emulģē hidrofobas daļiņas, un tās šķīdina hidrofobas vielas. Pirmkārt, virsmaktīvās vielas samazina virsmas spraigumu starp hidrofobām vielām un šķīdumu, kā arī starp audumu un šķīdumu,it kā paceļot hidrofobu vielu nosēdumus no auduma virsmas (skat. 3. att.).Otrkārt, samazinot virsmas spraigumu starp hidrofobo vielu un šķīdumu, virsmaktīvās vielas sekmē emulsijas veidošanos – hidrofobā viela tiek izkliedēta šķīdumā sīku daļiņu veidā. Treškārt, virsmaktīvo vielu šķīdumā notiek hidrofobo vielu šķīšana.

Virsmaktīvās vielas arī novērš hidrofobo vielu nosēšanos uz auduma gan elektrostatiskas, gan telpiskas mijiedarbības rezultātā. Anjonaktīvās vielas adsorbējas gan uz hidrofobo daļiņu virsmas, gan uz auduma.Tādēļ hidrofobās daļiņas un audums iegūst negatīvu lādiņu un savstarpēji atgrūžas. Taču, ja mazgāšanai tiek lietots „ciets” ūdens, kalcija un magnijajoni izveido saikni starp audumu un hidrofobo vielu daļiņām. Tas ir viens no iemesliem, kādēļ mazgāšanas līdzekļiem pievieno kompleksveidotājus, kas saista kalcija un magnija jonus. Uz hidrofobo daļiņu virsmas adsorbējas arī nejonu virsmaktīvās vielas, piemēram, polietilēnglikola atvasinājumi. To garās hidrofilās grupas iesniedzas tālu ūdenī un novērš hidrofobo daļiņu apvienošanos vai nosēšanos uz auduma.

Virsmas aktīvu vielu molekulu garās ogļūdeņražu astes šķīst tādās nepolārās vielās kā eļļās, kamēr polārās karboksil- jeb sulfonātu grupas šķīst ūdenī. Tādejādi, koncentrējoties eļļas –ūdens robežvirsmā, šīs molekulas veicina eļļas disperģēšanos ūdenī. Kad virsmasaktīvas vielas koncentrācija sasniedz kritisko veidošanās koncentrāciju, to molekulas izveido agregātus, ko sauc par micellām. Tajās parasti ir apvienotas40-100 molekulas. Šajās micellās, kas piešķir ziepju šķīdumam nedzidru nokrāsu, ogļūdeņražu astes orientētas uz centru, kamēr micellas virsma sastāv nopolārajam ūdeni šķīstajām galviņām [1].

3. att.Virsmas aktīvo vielu iedarbība uz netīrumu traipiem.

Bez virsmaktīvajām vielām veļas mazgāšans līdzekļi satur arī vairākas citassastāvdaļas.

Ūdens mīkstinātāji ir vielas, kas saista katjonus, galvenokārt kalcija jonus un magnija jonus. Ūdens mīkstinātāji paaugstina virsmaktīvo vielu darbības efektivitāti. Kalcija un magnija joni var reaģēt ar mazgāšanas līdzekļu sastāvdaļām, veidojot uz auduma un veļas mašīnā nosēdumus. Ūdens mīkstinātāji paildzina veļas mašīnu kalpošanas laiku. Tiek lietoti dažādi ūdens mīkstinātāji, piemēram, nātrija tripolifosfāts, citrāti, nitrilotrietiķskābe,ceolīti, karbonāti un silikāti.

Pagaidām visefektīvākais ūdens mīkstinātājs ir nātrija tripolifosfāts. Tas veido šķīstošus kompleksus ar kalcija un magnija joniem. Taču tā nonākšana notekūdeņos izraisa ūdenstilpņu aizaugšanu, tādēļ vairākās valstīs, piemēram,Vācijā, tas ir aizliegts. Latvijā nātrija tripolifosfāts ir viena no pamatsastāvdaļām daudzos mazgāšanas līdzekļos [1]. Šķīstošus kompleksus ar kalcija un magnija joni veido arī citrāti un nitrilotrietiķskābe, tomēr šie kompleksi ir ievērojami vājāki.

Ceolīti ir sintētiski nātrija alumosilikāti (sintētiskimāli). Ceolītu struktūru veido savstarpēji saistītu tetraedru slāņi. Mazgāšanas līdzekļos parasti izmantotā ceolīta A struktūra parādīta 4. attēlā. Nātrijajoni ir samērā vāji saistīti ceolītos, un tie viegli apmainās pret kalcija un magnija joniem, kas ar ceolītiem saistās ciešāk. Mazgāšanas līdzekļiem ceolītus pievieno sīku kristālu veidā ar diametru ap 4 mikrometri. Ceolītu masas daļa mazgāšanas līdzekļos ir no 20-34%. Jaunāks ceolītu veids ir ceolīts P, kas noturīgāk saista kalcija jonus un kamir lielāks virsmas laukums nekā ceolītam A.

4. att. Ceolīts

Ceolītudarbību ievērojami veicina polikarboksilāti – ūdenī šķīstoši polimēri, kas spēj saistīt kalcija un magnija jonus no auduma virsmas un pārnest tos šķīdumā, kur ceolīti tos aizstāj ar nātrija joniem. Polikarboksilāti atbrīvojas un var nojauna veikt savu uzdevumu.

Nātrija karbonāts veicina mazgāšanas līdzekļu darbību, paaugstinot šķīduma pH. Bāziskā vidē palielinās gan netīrumu daļiņu, gan auduma negatīvais lādiņš, līdz ar to starp tiem pieaug elektrostatiskā atgrūšanās. Nātrija karbonāts arī samazina ūdens cietību, izgulsnējot kalcija un magnija jonus karbonātu veidā, taču tie veido nogulsnes gan uz auduma, gan veļas mašīnā, tādēļ ūdens mīkstināšanai to praktiski vairs neizmanto.

Pierasta universālo mazgāšanas līdzekļu sastāvdaļa ir balinātāji, kas palīdz atbrīvotiesno traipiem vai tos atkrāsot. Balinātāji oksidē organiskas vielas, sašķeļot tās mazākos fragmentos. Pirmkārt, vielas ar mazākām molekulām mazgāšanas gaitā vieglāk šķīst ūdenī un atdalās no auduma. Otrkārt, parasti tās nav krāsainas. Mazgāšanas līdzekļiem, kas paredzēti krāsainiem audumiem, balinātājus nepievieno.

Mazgāšanai izmanto vairākus balinātājus. Nātrija hipohlorīts vislabāk tiek galā ar traipiem, taču to nevar lietot krāsainiem audumiem. Tas ir efektīvs jau istabas temperatūrā, un tam ir arī dezinficējoša iedarbība. Mazgāšanas līdzekļi nesatur nātrija hipohlorītu – tā šķīdumu pievieno ūdenim tieši pirms mazgāšanas vai arī izmanto atsevišķi.

Viens no parastākajiem balinātājiem ir ūdeņraža peroksīds. Tas neapdraud apkārtējo vidi (sadalās par skābekli un ūdeni), ir bezkrāsains un nav korozīvs. Taču tas ir efektīvs tikai sārmainā vidē temperatūrā ap 50 ^oC.Ūdeņraža peroksīdu satur vairāki šķidrie mazgāšanas līdzekļi. Veļas pulveros izmanto tā reakcijas produktus ar nātrija borātu vai ar nātrija karbonātu. Agrāk visplašāk izmantoja nātrija perborātu, taču sakarā ar bažām par bora nonākšanu apkārtējā vidē to pamazām aizstāj ar nātrija perkarbonātu. Mazgāšanas līdzekļiem, kas satur nātrija perborātu un nātrija perkarbonātu, parasti pievieno tetraacetiletilēndiamīnu (TAED), kas ar tiem reaģē, veidojot peroksietiķskābi. Tā ir efektīvs balinātājs jau istabas temperatūrā.

Vēl viena mazgāšanas līdzekļu sastāvdaļa ir krāsu pārneses inhibitori. Mazgāšanas gaitā tie novērš krāsas pārnesi starp dažādu krāsu audumiem. Krāsu pārneses inhibitori neapgriezeniski saistās ar brīvām krāsvielu molekulām, kas ir nonākušas ūdenī no auduma, un veido ūdenī šķīstošas makromolekulas. Tomēr ne visi krāsu pārneses inhibitori reaģē ar visām krāsvielām. Parasti izmantotie krāsu pārneses inhibitori irpoli(vinilpirolidons) un poli(vinilpiridīna N-oksīds). Mazgāšanas līdzekļi, kas paredzēti krāsainiem audumiem, satur līdz pat 0,5 % krāsu pārneses inhibitoru. Pirmo reizi tie Eiropā tika izmantoti 1991. gadā.

Lielākādaļa mazgāšanas līdzekļu (izņemot tos, kas paredzēti zīdam un vilnai) satur enzīmus, kas katalizē lielu, ūdenī nešķīstošu molekulu šķelšanu mazākos, ūdenī šķīstošos fragmentos. Pretēji balinātājiem pēc vienas molekulas sašķelšanas enzīms nezaudē savu efektivitāti un turpina darboties.

Svarīgākie iemesli enzīmu pievienošanai mazgāšanas līdzekļiem ir šādi:

- šos biokatalizatorus var lietot koncentrācijā, kas ir tikai dažas miljonās daļas, un tie var aizstāt nesalīdzināmi lielāku daudzumu citu mazgāšanas līdzekļos izmantojamu vielu; tas ir pozitīvi vērtējams arī no vides aizsardzības viedokļa;

- tie spēj darboties istabas temperatūrā, kad daudzas citas parasti izmantojamas vielas nav pietiekami efektīvas. Tas ļauj veikt mazgāšanu zemākā temperatūrā un ievērojami ietaupīt elektroenerģiju;

- enzīmi ir pilnīgi biodegradējami.

Vienā mazgāšanas līdzeklī var apvienot vairākus enzīmus – katram no tiem var būt savi uzdevumi.

Enzīmi ir proteīni, kas sastāv no vairākiem simtiem aminoskābju atlikumu, kas sakārtoti noteiktā telpiskā struktūrā. Pat niecīgas izmaiņas aminoskābju secībā var pilnīgi mainīt enzīma struktūru un funkcijas. Ķīmiskās reakcijas katalīzē piedalās tikai neliela enzīma struktūras daļa. Tādēļ enzīmi ir ļoti specifiski – katrs enzīms katalizē tikai vienu noteiktu reakciju. Dzīvajos organismos ir enzīmi, kas spēj sašķelt olbaltumvielas (proteīnus), taukvielas (lipīdus), ogļhidrātus.

Mazgāšanas līdzekļos izmanto dažādus enzīmus.

1. Proteāzes spēj iztīrīt traipus,kas satur olbaltumvielas, piemēram, asins traipus. Proteāzes sašķeļ olbaltumvielas par peptīdiem. Mazgāšanas līdzekļiem, kas paredzēti vilnas vai zīda audumiem, proteāzes nedrīkst pievienot, jo arī vilna un zīds irolbaltumvielas.

2. Amilāzes tīra cietes traipus, sašķeļot cieti par mazākām ogļhidrātu molekulām.

3. Izmantojot lipāzes, var tikt galā ar tauku traipiem.

4. Celulāzes uzlabo kopējo mazgāšanas efektivitāti, it īpaši palīdzot attīrīt audumus no putekļiem un dubļiem, kā arī atjaunojot krāsu un novēršot pūkošanos kokvilnas audumiem. Celulāzes sašķeļ sīkas šķiedras uz kokvilnas audumu virsmas, kas izkliedē gaismu un kuru dēļ audums zaudē krāsu spilgtumu.

Enzīmu molekulas ir pārāk sarežģītas, lai būtu iespējams tās ķīmiski sintezēt, tāpēc enzīmu iegūšanai izmanto dzīvos organismus. Tomēr dabā sastopamie mikroorganismi enzīmus sintezē vien niecīgos daudzumos un kopā ar citām vielām. Šos mikroorganismus dažkārt ir grūti audzēt rūpnieciski, un tie var radīt nevēlamus blakusproduktus. Tādēļ enzīmu iegūšanai lieto proteīnu inženierijas un gēnu inženierijas metodes.

Optiskie balinātāji mazgāšanasgaitā saistās ar audumu un padara baltos audumus spoži baltus, turklāt katrā mazgāšanas reizē tie pamazām uzkrājas auduma šķiedrās. Taču to nosaukums ir maldinošs, un to darbības princips ir pavisam cits nekā parastajiem balinātājiem. Optiskie balinātāji nevar iztīrīt traipus. Saistījušies araudumu, tie absorbē ultravioleto gaismu un izstaro zilo gaismu, kas papildina dzeltenīgu vai pelēcīgu auduma toni, tādēļ audums izskatās spilgti balts. Mazgāšanas līdzekļiem, kas paredzēti krāsainiem audumiem, optiskos balinātājus nepievieno.

Mazgāšanaslīdzekļi satur arī palīgvielas, kas dod iespēju tos bez grūtībām pārliet vai pārbērt, kā arī nodrošina to, ka veļas pulveri nesaķep. Šķidrajos mazgāšanas līdzekļos šāda palīgviela, protams, ir ūdens. Veļas pulveriem var pievienot nātrija sulfātu. Kompaktie mazgāšanas līdzekļi satur mazāk palīgvielu, tādēļ tiem ir zemāki iepakošanas un transportēšanas izdevumi.