洗涤去污力测评方法评述

刘 红,包 伟,丁雪梅，2，吴雄英

洗涤去污力测评方法评述

刘 红1,包 伟1,丁雪梅1，2，吴雄英3

（1.东华大学服装与艺术设计学院，上海，200051；2. 东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海，200051；3.上海出入境检验检疫局，上海，200135）

去污力是表征洗涤剂和洗涤设备性能的重要指标。文章介绍了常用去污力测评分析方法，并对比分析了不同测评方法的优点和不足。目前去污力测评方法仍然以不同材质的污染布为主要研究对象，有效表征织物表面及内部污渍残留与分布是研究的重点和热点。最后，指出了测评方法的开发应与去污机理相结合，建立正确的去污模型。

洗涤；去污力；测评方法

去污力是表征洗涤剂和洗涤设备性能的重要指标之一。正确评价洗涤剂及洗涤设备去污效力，需要建立一套评价去污力的有效方法，用以筛选最佳洗涤剂配方和洗涤程序，也为研究去污机理提供行之有效的实验方法。目前，对去污力的研究主要分为两个方面：应用研究和理论研究。前者以模拟日常洗涤效果为主，采用实际污渍进行实验，实验结果全面、直观地反应污渍的去除情况，注重实验结果的直观性和全面性。后者更注重理论模型的科学性和方法的可行性，将洗涤过程中的各种因素简化，抽象为一个数学或物理模型，研究洗涤过程中主要的影响因素。

去污力测评方法已从单纯测定污布污垢去除率发展到将去污与各种影响因素综合考虑，如布基、洗涤剂浓度、洗涤条件对测评方法的准确性和稳定性的影响[1-2]。根据实验手段的不同，去污力评估方法可分为重量分析法、光学分析法、图像分析法和放射化学法等。不同的方法应用背景、可靠性和合理性各有不同。

1 去污力测评方法

1.1 重量分析法

重量分析法是称量洗涤前后污布质量，计算两者差值即可得出污垢去除率。重量分析法简单，易于操作，无需特制仪器。但是重量分析法会因洗涤前后污垢所含水分不同而产生误差，因此，必须使污染布吸附足够的污渍，且实验前后必须烘干至恒重。此外，洗涤机械作用引起织物毛羽脱落，从而影响测量准确度。

1.2 光学分析法

光学分析法是基于物质对光的吸收和激发后光的发射所建立起来的一类方法，如基于发射原理的荧光分析，基于吸收原理的比色分析、比浊分析等，基于其他原理的电子显微镜分析。

（1）光学白度法

光学白度法是出现最早、持续时间最长的方法，也是目前国内和国际标准采用的去污力测试方法[3-4]。该方法主要是用白度计测定标准污染布污染前后及洗涤后的白度[5]，根据公式（1）计算洗涤效率：

式中：

D—洗净率，%；Rw—污染布洗净后反射率，%；RS—污染布洗净前反射率，%；R0—原布反射率，%。

此外，《家用和类似用途电动洗衣机》中规定也可以使用K/S值计算织物的洗净率。K/S值表示织物表观色深或表面色深度，是衡量织物表面颜色深浅的指标。K/S值使用测试配色系统测出式样的CIE L*a*b*数值，技术试样在400～700nm波长内的K/S值，根据公式（2）计算洗净率：

式中，D表示洗净率，(K/S)S表示试样未洗涤沾污时的K/S值，(K/S)W表示试样洗涤后的K/S值，(K/S)0表示试样未沾污时的K/S值。

光学白度法是使用最普遍的方法，原理简单，仪器操作简便，在一定程度上客观地反映了洗涤剂的去污效率。然而，污染布的光吸收和散射数据并不能完全代表污渍含量和脱附量，已污染的污布的反射率和污渍含量并没有直接关系[6]。研究表明，炭黑等深色污垢，洗涤前后白度值差异明显，而某些油性或其他浅色污垢则对光的吸收和散射不敏感，因此，其脱附与否对白度值不会产生显著影响[7]。此外，洗涤过程机械作用引起织物损伤，从而影响洗后织物表面反射率变化，因此，该方法不适用于研究因机械摩擦去污作用[8]。最后，表面反射率不能表征纱线内部污渍分布与残留[9]。

（2）荧光分析法

荧光分析法是一种利用某些物质的荧光光谱特性来进行定性定量的分析方法。荧光分析多以紫外或可见光作为激发光源。Ruben和Serafim[8-10]等人使用具有较高消光系数和荧光量子的亲脂性非水溶性化合物PM546为油脂染色，并用荧光显微镜观察记录污染布荧光强度变化，定量描述摩擦作用对污渍去除以及动态摩擦过程中污渍的分布，研究结果表明，荧光分析法可以定量分析织物表面及纱线间污渍分布与残留（图1）。图1（a）中蓝色斑点为纱线间油脂污渍的分布；图1（b）为摩擦区域及摩擦区域荧光强度分布（油脂残留量），其中，绿色区域表示摩擦区域，橙色区域表示油脂累积区域。

图1 荧光强度分布

荧光分析法能够实现污渍的定量描述，记录不同时刻污渍的分布，便于研究不同洗涤条件和洗涤环境下的去污机理。然而荧光分析法需要制备含有荧光物质的污染布，并配合使用荧光显微镜记录布基荧光强度变化，对设备需求较高。此外，曝光时间和激发光源也会影响污染布荧光强度，实验时需要确定合适的曝光时间，选择合适的激发光源。

（3）电子显微镜分析

电子显微镜能够展示物件内部或表面结构及形态，可获得样品表面的高分辨率图像，且图像呈三维。非饱和油脂是人体分泌皮脂的重要组成部分，可以与四氧化锇反应，生成物可以用作背反射电子显微镜分析的追踪标记（图2）。Obendorf[11]对不同洗涤条件下，三油精、甘油三酸酯、油酸和脂肪酸的分布进行评估，结果发现纤维内部剩余油脂最多，剩余油脂主要分布在纤维细褶皱和内腔中；化纤内部没有油脂残余，但是纤维空隙间残余油脂较多。Arindam[12]等人用能量色散X射线显微镜分析确定油脂在棉织物内的分布，发现油脂污渍主要沉积在纤维的次生细胞壁和纤维内腔中。

电子显微镜能够通过三维图像清晰展示纤维表面及内部污渍分布形态，定性描述污渍去除效果，适用于污渍去除机理研究。但是电镜样品制备技术复杂，通常需要喷镀碳和金属，费用较高，不能定量的表征污垢去除，因此，主要应用于理论分析研究。

图2 扫描电子显微镜不同油脂污渍洗涤前后位置分布

1.3 图像分析法

（1）基于AATCC130的油脂污渍分析

AATCC130-2000：Soil Release: Oily Stain Release Method 是现行织物洗涤去污等级评价标准中最常用标准。该标准将污渍等级分为1～5级。测试评价时，观察者将织物上残留的污渍与标准样照进行比对，在标准光源下对织物污渍残留率进行评级。由于与标准样照对比评级的方法具有主观性，评级结果不稳定（图3）。

1996年，徐步高[13]等人提出了一种基于图像分析的织物洗涤去污等级评价方法，在该方法中，首先采用分割算法检测出织物图像中油污区域并对该区域进行分割。对分割后的区域计算其灰度特征值和油污区域面积，拟合两者及两者比值与去污等级之间的方程。然后采用测试样本检验去污等级方程的精度。结果表明，该方法和构建的系统可以实现织物洗涤等级的评价。

2009年，S. Kamalakannan[14]等人提出了一种基于统计参数Snakes模型的织物去污性能客观评价方法。在其方法中，首先，Snakes 模型的可变轮廓线选择采用压力能（pressure energy）确定。然后，基于织物的统计信息可以实现纹理区域的精确分割，并根据油污残留区域的大小评定洗涤去污等级。在S. Kamalakannan 的研究中，其重点讨论了基于统计参数 Snakes 模型的织物去污性能客观评价方法在并行通用图形处理单元（GPGPU）上的运行速度。

2013年，沈菁[15]等人基于机器视觉的织物洗涤去污等级评价方法。方法一，采用扫描仪采集AATCC130-2000去污等级样照，对5个等级的样照油污区域亮度值与等级关系进行回归分析，拟合得到亮度值-去污等级方程。在此基础上，只需对试样图像进行亮度分析，将亮度值代入方程就可得出评价等级。通过研究发现AATCC130-2000标准的5级制评定存在着评级点对应亮度分布不均匀，在原有的5个等级之间需要增加0.5级、1.5级、3.5级。方法二，首先采用目视方法对洗涤后的750幅织物试样进行评价，确定其洗涤去污等级，接着采用db6小波对该750幅织物试样图像进4层小波分解，提取高频子带小波系数的能量基特征1-范数和2-范数，并将其作为纹理特征，用纹理特征组成的特征向量构成特征矩阵，然后再分别选择不同数量的样本组成训练样本集和测试样本集对BP神经网络进行训练和测试，并计算BP神经网络的正确识别率以衡量其泛化能力。

图3 AATCC 104 油脂污渍标准样照

由于AATCC标准样照仅适用于油脂污渍残留评估，不适合其他污渍如炭黑、蛋白质等，因此应用比较局限，且人工评级周期长，稳定性差，应用范围有限。图像识别技术主要基于AATCC进行研究，能够客观迅速为污渍评级，但受到标准自身限制，图像识别在去污效果中的应用主要以油脂污渍为主。

（2）污渍色彩分析

Muir等人[16]用苏丹红染料标记猪油污渍，借助显微镜记录污染布颜色变化，基于图像分析，实时反映洗净程度。研究中假设散射主要发生在污渍-织物界面，而污渍的去除不会影响纱线的散射，因此，光吸收和反射的路径长度的变化是污染布污渍厚度变化的两倍，通过计算光学路径长度能够预测污染布表面污渍去除效率。

实验时，需要先测量特定厚度污渍的光衰减系数，根据红光区域和蓝光区域衰减系数差异（图4（a）），计算洗涤过程中猪油污渍厚度层变化，公式（3）如下：

式（3）中，l'(t)表示入射光光学路径变化，αR表示红光平均衰减系数，αB表示蓝光衰减系数，C（l,t）表示颜色测量值，C'（l,t）表示颜色测量值的衍生物。其中定义C值为测量平均值与标准差两倍之和，图4（b）展示了不同洗涤水流下污渍厚度层随时间的变化。

基于时间的污渍色彩分析，能够实时反映不同条件下污染布表面污渍去除情况，定量表征污渍去除动力学过程，对开展去污机理研究十分有利。但该方法忽略污渍-水界面光散射，实验精度有待考证。此外，图像分析只能表征表面污渍去除情况，并不能表征纱线和纤维内沉积污渍的去除。

1.4 放射化学法

同位素示踪法评估污垢的去除效果主要有两种方式，一种是配置含有放射性同位素的污染液，利用示踪原子放出的射线强度来决定污垢的去除率；另一种是标记表面活性剂，测定洗涤剂溶液在织物上的吸附量。Harris[17]等人研究了用表面活性剂去除金属表面的14C酰胺的去污率。Lambert[18]用放射性钙作为示踪剂，研究了洗涤过程中钙和棉的吸附和交换，通过测定已吸附的钙含量来得到吸附的洗涤剂含量。

图4 猪油污渍蓝光区域和红光区域衰减系数差异（a）和不同水流污渍厚度随时间变化（b）

示踪原子法操作简单，实验规模小，灵敏度高，可直接测定吸附量和脱附量大小。但是原子示踪法没有克服污布制作不均匀导致的偏差，且示踪法使用的仪器也比较复杂和昂贵，不易普及。

1.5 其他方法

除了上述主要方法外，国外有些研究者也采用电化学分析法和光吸收法测定污渍的去除效率。电化学分析法主要是在洗涤过程中测试污染液的导电性，能够测定去污的动态平衡和去污的动力学过程，适合研究洗涤过程中物质传输效率以及不同洗涤条件对污渍脱附和吸附效率的影响[19-20]，电化学分析法精度高，数据处理简单，但是测试前通常需要用硫酸镁或氯化钾等溶液浸渍陪洗布或污染布，如何保证充分浸润是制约电导法准确性的主要问题。光吸收法测定洗涤前后溶液的光吸收值，绘制标准曲线，再将光吸收值转换成溶液浓度值。但是光吸收法有一定的局限性，对溶液的浓度和吸光性能要求较高。

2 结语

综上所述，目前采用的各种评价去污方法各有优劣，仍有需要改进的地方。

去污方法评价对象以污染布为主，其次为污染液中污渍浓度变化。因此，需要进一步研究污染布的染制方法和工艺，保证污染布染色均匀性和稳定性。

荧光分析法、污渍色彩分析和电导法能够反映污渍去除的动力学过程，对于去污机理的研究非常有利。

光学白度计法是目前最为成熟，应用最为广泛的去污测评方法，但是该方法一方面不能有效监测残留在织物内部的污渍，另一方面洗涤机械作用引起的织物表面损伤也会影响表面反射率，并不能真实反映污渍的残留和分布，对去污机理的解释目前还停留在不同因素对去污效果的影响上，应将去污机理与去污分析方法的研究结合起来。

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A Review on the Measurement Methods of Detergency

Liu Hong1, Bao Wei2, Ding Xuemei1,2, Wu Xiongying3

(1.Donghua University, Shanghai200051; 2. Key Laboratory of Clothing Design & Technology (Donghua University), Ministry of Education, Shanghai200051;3.Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Shanghai200135)

Detergency is still one of the most important indicators representing the performance of surfactants and washing equipments. This paper summarizes the common measurement methods of detergency and evaluates the merits and demerits of diverse methods. Recent researches pay more attention on how to detect stains located in intra-yarn and the surface of the cloth. Finally, the development of new measurements of detergency should be based on the soil removal mechanism to establish anaccurate soil - removing model.

washing; detergency; evaluation methods

TQ649

A

1672-2703（2017）06-53-07

刘红女士，博士研究生，主要研究方向：家庭滚筒洗涤动力学及洗涤机械作用对织物洗后性能的影响。E-mail：liuhong1124@163.com。