摘要 以山东科技版教科书《化学与生活》课题1“关于衣料的学问”中的干洗剂知识为结合点,介绍一个切合中学实际的干洗手剂配方和实验方案,同时提供相关背景知识。
关键词 化学与生活 干洗手剂 十二烷基苯磺酸钠 聚乙烯醇 实验方案
山东科技版高中新课标实验教材《化学与生活》主题四中,课题1“关于衣料的学问”讲解了“服装的洗涤和熨烫”,并简介了干洗剂的相关作用原理与主要成分。事实上干洗具有多种类型(包括无水洗涤、非水溶剂洗涤、无溶剂洗涤等),在生产及日常生活中用途很广。将干洗剂的配制引入中学化学实验室,能够更加充分地实现STS教育理念。
1 干洗手剂知识
洗手需要水这是常识,但在野外作业或旅游时,尤其在水资源极度匮乏的当代,人们往往因为没有水而不能洗手。科研人员开发出干洗手剂,用它涂在手上稍加搓揉,无需用水就可洗去手上的油垢和污垢,非常方便。干洗手剂的出现,解决了洗手不用水的问题,既方便了人们的生活,又为世界的节水、可持续发展做出了贡献。
1.1 干洗手剂的组成
干洗手剂必须具有清除皮肤上污垢的功能,因此它必须含有表面活性剂(活性物),这就需要某些溶剂来溶解活性物。还需要成膜物质,使污垢经搓揉后易于脱落。与织物洗涤剂的一个重要差别是,干洗手剂还应具有保护皮肤的功效,洗后不会使皮肤干燥粗糙和皲裂,这又需要加入皮肤保护剂[1]。这4种物质就是干洗手剂的基本成分。根据需求,可以加入防腐剂、香精等物质,产品可以做成膏状或者液状。
活性物通常为不同表面活性剂的复配物,主要使用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂。常用的阴离子表面活性剂有十二烷基苯磺酸钠(LAS)、硬脂酸钾(K12)、月桂醇(十二醇)硫酸钠。常用的非离子表面活性剂有烷基酚聚氧乙烯醚(TX10)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO9)。溶剂通常为异丙醇和水。成膜物常采用聚乙烯醇,而皮肤保护剂通常就是甘油。最常用的防腐剂是山梨酸钾、苯甲酸和苯甲酸钠。表1列出了干洗手剂中主要成分的结构式和重要性质。
表1 干洗手剂常用成分的化学式及性质[2]
名称分子式/结构式
性质
十二烷基苯磺酸钠
C12H25-C6H4-SO3Na
阴离子表面活性剂,白色粉状物,溶于水。具有去污、润湿、发泡、乳化、分散、凝聚、脱脂脱墨等性能
脂肪醇聚氧乙烯醚CnH2n+1O(CH2CH2O)xH
非离子表面活性剂,室温下为无色透明液体或白色蜡状体,无毒,无刺激。具有优良的润湿、乳化、分散、清洗和去污等性能
异丙醇(CH3)2CH-OH 无色透明液体,有类似乙醇的气味,溶于水、乙醇、乙醚、氯仿,毒性较低。主要用于制药、化妆品、塑料、香料、涂料等
聚乙烯醇(PVA)—[CH2CH(OH)]n— 水溶性高分子聚合物,无味白色粉末。室温下溶于水,有优良的粘胶强度和成膜性
甘油(丙三醇)
CH2OH
CHOH
CH2OH无色无臭而有甜味的粘稠液体,能与水、醇以任何比例混和,微溶于乙醚、乙酸乙酯。常用于医药、食品工业。
1.2 干洗手剂的作用原理
对于互不相溶的2种液体,若一种以极微小的液滴(一般直径为10-6～10-5m)分散在另一种中,所形成的体系称为乳状液。常见乳状液的一种液体是有机液体,极性很弱,常统称为“油”, 另一种液体是水,极性很强。若细小的脂肪微粒(油)分散在水中,所形成的乳状液称为水包油型,以O/W(Oil/Water)表示。牛奶、豆浆、农药乳剂等就是O/W型乳状液。若是小水滴分散在油中,这类乳状液称为油包水型,以W/O表示。原油、人造黄油等属于此类型。常用的干洗手剂是一种O/W体系。
使用干洗手剂时,除了机械擦洗和化学溶解作用外,主要是表面活性剂对油污的物理化学作用来去除附着在手上的污垢,这涉及润湿、渗透、卷缩、加溶、分散、乳化、泡沫等过程。去污过程大体可分为2步:第一步是表面活性剂与污垢作用,使污垢脱离被洗基体表面(如图1所示);第二步是通过乳化或溶解作用,将已脱离被洗基体表面的污垢稳定在洗手剂的水包油体系中,防止污垢重新沉积到已清洗干净的基体表面上[3]。
图1 干洗手剂使油性污垢粒子脱离被洗基体表面的原理示意图[3]
图1中的基体指油污附着的主体,在此就是人手;油污指需要洗去的污垢,在此以液体油污为例。洗手剂的水相由水和溶于水的一系列物质组成。初始状态为液体油污附着在基体上,接触面积较大,油污与基体之间的界面张力σ固油比较小,界面之间的接触角θ接近于0°。加入表面活性剂后,由于活性剂和基体之间的表面张力更小,所以活性剂与基体表面发生接触,从而排斥液体油污,使油污与基体之间的接触角增大,接触面减小,结果洗手剂逐渐取代油污的位置而润湿基体表面。当油污与基体之间的接触角增大到180°时,油污与基体之间不再接触。此时表面活性剂在基体上形成吸附层,该吸附层的电荷与油污双电层的电荷相排斥,或由于吸附层的铺展压,油污最终从基体表面脱离[4]。
2 配制干洗手剂的学生实验方案
2.1 实验目的
通过制作干洗手剂的实验,使学生加深对《化学与生活》课题1“关于衣料的学问”中干洗剂知识的理解,同时提高学生的实践能力和环保节水的意识。
2.2 实验仪器和药品
仪器:烧杯、三口烧瓶、温度计、磁力搅拌器。
药品:十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、异丙醇、聚乙烯醇、甘油、白油(俗称氢化油,主要成分为C16～C31的正异构烷烃的混合物,对石油分馏出的高沸点馏分进行脱蜡、炭化、中和等处理而获得。为无色无味透明油状液体,不溶于乙醇,溶于乙醚、苯、石油醚等,可与多数脂肪油互溶。)
2.3 实验步骤
(1)称取5 g聚乙烯醇于三口烧瓶中,加入30 mL水,浸泡15 min后,于搅拌下加热至80～85 ℃,使之溶解成均匀的黏液。
(2)降温至70℃,加入甘油2 mL,恒温70℃继续搅拌5 min。
(3)加入13 mL异丙醇,恒温70℃搅拌5 min。
(4)将硬脂酸2.5 g、十二烷基苯磺酸钠0.5 g、白油2 mL,加入50 mL小烧杯中,加热至熔化成液状时倒入烧瓶中。继续恒温70℃搅拌10 min后出料,降温冷却。
2.4 对方案的说明
(1)作者调研了大量文献,找不到现成的实验室小量配方,只见到各种大规模工业化生产配方。为了适应中学的实际情况,作者深入分析了作用原理和各种配方,以文献[5~7]所公布的配方和制作工艺为基础,探索用常见药品代替特殊药品(如甘油代替乙酰化羊毛脂),用无色无味药品代替有异味药品(如用白油代替煤油),并对配方进行简化(如用单一表面活性剂代替复合表面活性剂,取消一些添加剂),同时减小药品的用量。经过反复实验,最后摸索出以上仅用最必需成分(活性物、溶剂、皮肤保护剂和成膜物质)的配方及实验方案。
(2)所得产品为米色膏状乳化体。使用时取少许在手上,反复抹揉后擦去,即达到清洁的目的,不需用水。
(3)本实验未加防腐剂,因此产品不能长期存放。
(4)实验注意事项:①实验用品多为易燃的有机物,所以整个实验过程不能有明火。②聚乙烯醇的浸泡溶胀过程不可省略。要是直接升温溶解,会因为有结块而使产品的粒度不均匀。
参 考 文 献
[1] 凌爱莲,桑鸿勋,焦庆影,夏海洲.北京工业大学学报,1994,20(3):5965
[2] 中国医药集团上海化学试剂公司编著.试剂手册.第3版,上海:上海科学技术出版社,2002
[3] 曾宪佑,黄红明,黄畴,赵萱.化学与生物工程,2005,(5):4748
[4] 夏纪鼎,倪永全.表面活性剂和洗涤剂化学与工艺学.北京:中国轻工业出版社,1997:7580,111114
[5] 王涛玉.云南化工,2007,34(1):8485
[6] 刘亚华,王洪钟.化学世界,1997,(5):245247
[7] 陈钟叶.实用技术,1996,(10):12