洗衣粉溶液的实验研究

2013-12-24李嘉亮

大学物理实验 2013年2期

魏江，汪昭，李嘉亮

（常熟理工学院，江苏常熟 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剂和助剂［1－2］，表面活性剂可以降低水的表面张力，在衣物油分子周围形成一层亲水物质，通过揉搓去除织物的污渍；而助剂可以与表面活性剂互相协作、增加洗涤功效。因此洗衣粉溶液的表面张力系数成为洗涤性能的重要指标之一［3－4］。洗衣粉溶液的表面张力系数越小，洗涤效果越佳。

洗衣粉溶液浓度过高存在难漂清、伤衣物、费财力等问题；而浓度偏低又难以达到洗涤效果，为了研究洗衣粉溶液最佳使用效果，我们以奥妙净蓝全效洗衣粉为例，设计了一个实验，采用FDNST－I型表面张力测定仪，测量溶液的表面张力系数，借助力敏传感器准确地测量微小力的变化量，研究洗衣粉溶液的表面张力大小同溶液的浓度、温度之间的关系；同时用p H计对浓度不同的洗衣粉溶液进行研究和分析，找到洗衣粉的最优化使用条件［5－6］。

1 测量表面张力的实验［7］及改进

将内径为D1，外径为D2的金属环悬挂在力敏传感器上，然后把它浸入盛液体的玻璃器皿中。当缓慢地向上金属环时，金属环就会拉起一个与液体相连的水柱。由于表面张力的作用，测力计的拉力逐渐达到拉断液柱的前一瞬间的值F1，则F1应当是金属环重力G与水柱拉引金属环的表面张力f之和，拉断液柱后传感器上的拉力就是金属环重力G即

式中：α称为液体的表面张力系数，单位为N／m。实验用线性和稳定性较好的硅压阻式力敏传感器来测量微小力，力敏传感器的受力大小与电压值的变化量成正比，实验中以数字式电压表输出显示。故表面张力系数为

式中：U1为吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值，U2为拉断时瞬间电压表的读数值，B表示力敏传感器的灵敏度，单位V／N。

为了保证数据的准确性和有效性，对试验进行了几点改进

（1）为保证吊环的水平入水，在实验前通过直径1.50 c m水准仪调节三根金属丝的长度［8］，保证吊环的水平。

（2）随洗衣粉溶液表面张力的减小，单独调节升降台高低，液面不足以破裂，可用小吸管沿玻璃器皿边缘吸出一定量的液体配合升降台的下降来完成测量［9］。

（3）为使测量值更接近实际，本文的溶液均使用自来水作溶剂。

2 实验结果

2.1 不同浓度洗衣粉溶液的表面张力系数

对洗衣粉进行了不同浓度水溶液的配置，在10.0℃和25.0℃的温度时，用表面张力测定仪测量溶液的表面张力系数，其结果见表1，绘制成图1。由表2或图1可知，在相同温度下，随溶液浓度的增加，由于表面活性剂的作用，溶液表面张力降低。当浓度达到0.03%时，表面张力系数几乎降到最低，此后随溶液浓度的增加（如浓度变化从0.05～0.40%），表面张力系数基本不变，这一浓度称为临界胶束浓度［10］。洗衣粉中表面活性剂使溶液中形成胶团（白色丝絮状物），而胶团有吸附和包裹微小污物的作用，从而在洗涤过程中将其除去。临界胶束浓度越容易形成，说明样品更具有优良的洗涤性能。图1的两条曲线表明，在温度为10.0℃和25.0℃时，溶液的临界胶束浓度均为0.03%，说明溶液的临界胶束浓度随温度变化不大。考虑到实际洗涤衣物过程中有效胶团浓度会有所降低，实际应用中洗衣粉溶液浓度应适量增加，其区间范围可在0.05%～0.10%之间。

表1 不同浓度洗衣粉溶液的表面张力系数（10－3N／m）

图1 溶液浓度与表面张力系数的关系曲线

2.2 洗衣粉溶液的表面张力系数随温度的变化

考虑到人们的洗涤习惯，在温度为10.0～45.0℃的条件下，选择两种浓度的溶液，测量它们表面张力随温度的变化。数据记录见表2，绘制成图2，其中纯水数据为已知标准值。

由表2和图2可知，同种浓度下，同种溶液的表面张力系数随温度的增加而减小。这是由于较高温度下液体分子的热运动加剧，分子的平均动能增强，液体跟气体接触的表面层中分子平均距离增大，分子间引力优势减小，宏观上表现为液体表面张力减小。

表2 洗衣粉溶液的表面张力系数随温度的变化（10－3N／m）

图2 不同浓度时表面张力系数与温度的关系曲线

由表2和图2可知，同种浓度下，同种溶液的表面张力系数随温度的增加而减小。这是由于较高温度下分子的热运动加剧，液体内分子的平衡距离更大，这样内部分子间引力减小，液体表面张力也减小。

同一温度下，在溶液浓度为0.003%、0.05%的三条实验曲线有明显的间距，这表明随着液体浓度的增加，其表面张力系数减小，这个结果与图1的结果完全一致，特别要注意的是随着溶液浓度的再进一步增加，曲线之间的间距在减小，当溶液浓度大于0.05%之后各不同浓度的实验曲线基本趋于重合，这个结论可以图1中看出，这里没有再给出更高浓度的实验曲线，这个结果也清晰地表明浓度再进一步的提高并不会带来表面张力系数的更大的改善，在实际的洗涤过程中溶液浓度调制在0.05%～0.10%之间是科学合理的，其结论也与图1相符。

随着液体浓度大于临界胶束浓度时（如浓度为0.05%的曲线），温度在30.0～45.0℃间升高时，液体的表面张力系数随温度的变化几乎可以忽略。这是由于溶液内部饱和胶团间距离逐渐减小，因此表面张力随温度的变化越来越不明显。因此合适浓度的洗衣粉溶液温度无须太高，30.0～45.0℃即可。这个取值范围从实用角度而言还有两个理由，一是温度在这一区间变化时，洗衣粉中的酶活性较高［11］有利于洗涤效果；二是，洗涤过程中难免有自然降温的现象发生，给一个经济合理的温度区间可以确保表面张力维持在较小的状态。

3 洗衣粉溶液的p H值随浓度的变化

洗涤溶液的p H值越高，碱性越强，洗涤时去污力也越强，但同时对手和衣物的损伤也越大。实验采用PHS－3C型p H计测量室温时溶液的p H值，数据见表3或图3。

由表3数据可以发现：随溶液浓度的增加，p H值变大，溶液的碱性越强。洗衣粉标准指标中“0.1%无磷粉溶液p H 值小于11.0”［12］，从这一角度出发，实验样品是合格的。但考虑到“接触皮肤的溶液p H值不超过10.0为上限”，“丝毛用洗涤剂的p H 值在6.0至8.5之间”［13］，因此合理的洗衣粉溶液浓度应小于0.10%。