新型节能环保型生物和物理洗涤材料研究

2021-12-21郁小兵张志华

海峡科技与产业 2021年6期

关键词：电气石洗衣粉洗涤剂

郁小兵沈军张志华陈瑶

1.江苏安惠生物科技有限公司，江苏南通 226010

2.同济大学纳米材料与技术研究中心，上海 200092

3.广东平易环保科技有限公司，广东汕头 515041

4.上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海 200092

1 研究背景

衣物及各种家居用品的洗涤是人们日常生活中最基本的需求之一，因此，全世界每年要消耗大量的各种各样的洗涤剂，这些洗涤剂的绝大部分最终都通过各种途径流向了地球表面的水体中，给环境造成了很大的污染和危害。虽然无磷洗涤剂已经得到推广，但是磷仅仅是一种主要污染物，洗涤剂中的其他成分，包括各种表面活性剂、辅助剂等对环境均存在不同程度的污染。因此，寻求更加安全环保的洗涤方式是人们的共识。

在我国，大部分人洗衣服还是选用传统的洗衣粉、洗衣液或肥皂等，这些洗涤剂对环境造成的污染程度相对较高。随着人们对环境保护越来越重视，研发一种对环境友好的洗涤用品非常重要。

传统洗涤剂大量使用表面活性剂，其重要作用之一就是减少水的表面张力，增加水的活性，从而增加洗涤效果。天然矿物电气石由于其独特的压电等物理效应，可以明显降低水的表面张力，增加水的活性[1]，因此本文基于电气石及其他矿物，研究其对普通衣物的洗涤效果。

2 研究方法

研究方法分下面3步进行：①调查研究传统洗涤剂的成分、洗涤原理和洗涤效果；②研究分析新型节能环保生物和物理洗涤材料的成分、洗涤效果及洗涤原理；③将两者进行对比分析，同时对矿物新材料在使用过程中出现的问题提出解决思路和方案。

2.1 传统洗涤剂的成分、洗涤原理和洗涤效果

传统洗涤剂无论是洗衣粉还是洗衣液，其主要功效成分基本相同，主要是各种表面活性剂和各种辅助剂。下面列出的是常用洗衣粉的主要成分和作用。

洗衣粉的成分共有五大类：活性成分、助洗成分、缓冲成分、增效成分、辅助成分。

活性成分：阳离子表面活性剂（脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐）；阴离子表面活性剂（羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐）；非离子表面活性剂（如：烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺、聚丙二醇的环氧乙烷加成物、聚氧乙烯化的离子型表面活性剂……）。

助洗成分：部分含磷，部分无磷。

缓冲成分：纯碱（碳酸钠）、水玻璃（硅酸钠）。

增效成分：酶、漂白剂（次氯酸钙、氯化钙）。

辅助成分：香精等。

其主要作用包括：①降低水的表面张力，对硬水起软化作用；②可使污垢悬浮在溶液中而不沉淀在纤维上；③有良好的缓冲作用，在遇到酸性污垢时能保持水的pH值几乎不变；④帮助污垢颗粒成型；⑤有利于去除油性和酸性污垢。

利用这些组分的作用，洗衣粉的洗涤效果就很好。本文采用普通的扇牌洗衣粉，对一块人为弄脏的白毛巾进行了洗涤，洗涤结果见“研究结果与讨论”。洗衣液的洗涤作用和效果与洗衣粉类似，这里不详述。

2.2 新型节能环保生物和物理洗涤材料的成分、洗涤效果及洗涤原理探究

本实验采用的矿物新材料选用电气石粉、石英粉、硅砂、麦饭石、海藻类海底石及利用贝壳制备的羟基磷灰石等天然原料，经高温烧制而成多种高性能非致密陶瓷球（图1），不同颜色系矿物组分有所不同。其中黑色主含电气石，其他颜色分别主含海藻类海底石、贝类羟基磷灰石等，分别起到吸附、离子平衡、释放负离子等作用。

图1 新型节能环保生物和物理洗涤材料

将这些生物和物理洗涤材料放入洗衣机，对采用同样方法弄脏的白毛巾进行洗涤，发现与扇牌洗衣粉无显著差异。

新型节能环保生物和物理洗涤材料（图2）能释放远红外线，增加水的活性和渗透性。

图2 天然电气石原石（上）及粉末（下）

3 研究结果和讨论

3.1 洗衣粉与新材料的洗涤效果对比

图3是扇牌洗衣粉对一块污染毛巾进行2 min洗涤（普通家用洗衣机YOKO小鸭小管家连续工作）前后的对比，可见毛巾干净了许多。

图3 白毛巾经扇牌洗衣粉2分钟洗涤前（上）、后（下）的对比

图4是黑色新材料对同样条件污染的同样品牌毛巾用同样洗衣机洗涤2 min前后的对比，可见黑色新材料也具有很好的洗净效果。其他颜色的新材料也分别进行了同样的洗涤实验，发现其他3种的洗涤效果略差。

图4 黑色新材料2分钟洗涤前（上）、后（下）的对比

3.2 红外光谱测试

进行红外光谱测试（图5、图6），可见黑色陶瓷球含有与电气石原石完全吻合的特征吸收峰A、B、C，说明黑色陶瓷球含有明显的较多电气石成分。其他的棕色球、灰色球、白球（小）也含有不同程度电气石的特征吸收峰A、B、C，说明也含有较明显的电气石成分（棕色、灰色小球），而白球（大）不含电气石成分。

图5 红外光谱，自上而下：1.KBr本底；2.电气石；3.黑色陶瓷球

图6 红外光谱，自上而下：1.棕色球；2.灰色球；3.白球（小）；4.白球（大）

3.3 净衣原理讨论

新材料主要靠的是综合效果。电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、钙、镁的环状硅酸盐晶体矿物，具有压电效应、热释电效应和铁电效应[2-3]，具有发射远红外线能力[4]。在洗衣机工作时，由于运动导致新材料中各矿物硬质小球间相互摩擦、挤压，甚至还有部分细小碎片脱落进入水中。由于摩擦和挤压，小球表面受到力的作用，电气石的压电效应使其表面带电，轻微电解水并释放远红外电磁波。同样由于摩擦会产生热量，热释电效应也会使电气石材料表面带电，轻微电解水并释放远红外电磁波。永久电极性[3]使电气石表面在厚度几十微米的范围内存在高达107 V/m的电场强度，可以把水分子电解，使水呈现弱碱性[5]，从而提高水的界面活性，增强水的渗透力和溶解力[6]。电气石在常温下发射的波长为4～14 μm的远红外线，发射率在0.90以上，能够活化水分子[7-8]。因此，电气石与水相互作用后，可以增强水的洗涤效果。

水分子由2个氢原子和1个氧原子构成，接触到表面带电的电气石就会产生轻微的电解，变成H+和OH-，而H+更易被电气石带电表面吸附，因此水中会出现过量的OH-而呈弱碱性，水的pH值为7.4左右，这种碱性负离子水具有较强的活性和洗涤功能。

另外，电气石对液态水团簇有重要影响[9-10]，可减小水分子团簇，降低水分子缔合度。通常情况下水不会以单独的水分子存在，它会以氢键相互结合，形成分子集团，称为分子束。一般自来水的分子束为12～16个水分子，一旦水含有氯或重金属等不纯物时，这些不纯物会进入分子束中，形成数十个（一般为35～36个）分子的大团簇，抑制水分子的活动，所以受到污染的水惰性比较大，洗涤能力大大下降。这就是为什么在传统洗涤用品中要加入大量表面活性剂的原因。而如果利用电气石发出的4～14 μm的远红外电磁波作用于分子束较高的水，就会打断分子束中的氢键，使大分子团簇分裂成含5～6个水分子的理想小分子束。通常活化的水就是5～6个分子结合的分子束，在此状态下，水分子的活动最旺盛，渗透能力强，与污垢分子容易结合，因此可以方便渗入到织物纤维内部，使污垢从衣物上脱离，从而达到理想的洗涤效果。

那些含电气石少或不含电气石的矿物陶瓷球可以在水中通过摩擦等运动，释放多种矿物质离子，平衡水中的离子浓度，同时部分矿物质（如羟基磷灰石等）对污染物有较强的吸附作用，可以有很好的辅助洗涤效果。因此，将这些矿物质球以合理的比例配比，封装在特别设计的镂空塑料外壳中，可以达到较好的洗衣效果。

3.4 新材料洗涤后水的情况研究

洗衣粉、洗衣液等洗涤完后，水是很脏的，至少含有大量的表面活性剂、增白剂、助洗剂等，对人和环境会造成很大危害。

将用新材料洗涤20 min后的水做一个红外光谱，同时用普通自来水做一个红外光谱进行对比（图7），可见两者没有明显区别。普通自来水经新材料20 min洗涤后，水中不显示明显的其他杂质或污染物的光谱；而用洗衣粉洗涤后的水成分就比较复杂，红外光谱显示多个有机基团的吸收峰。

图7 自来水与新材料洗涤后的水，以及洗衣粉洗涤后的水的红外光谱对比

造成这种结果的原因很简单，新材料在工作时主要通过相互摩擦、挤压等释放电荷和远红外电磁波，没有化学物质释放出来，仅仅有矿物质离子及微量矿物经摩擦进入到水中，因此，新材料本身的损耗是非常小的，这也是为什么新材料可以反复使用200次到500次，有些甚至可以使用1000次的原因。这些掉下的矿物不仅含量很少，而且是一些镁钙的化合物，都是无机物，类似矿泉水中的矿物质，对环境没有不良影响。因此，用新材料洗涤后的水排放是安全环保的。

3.5 新材料的局限及解决办法

洗衣实验表明，对于油性特别大的污渍，单纯使用新材料洗涤效果不是很理想，主要原因是油性污染物大多为非极性分子，而水本身是极性分子，他们之间很难相容，因此很难用水将其洗掉。虽然电气石可以大大增加水的活性，增加水的渗透性，但改变不了水是极性分子的基本特性，因此电气石较难解决纯油性的污渍。解决这个问题可以配备特殊的环保去污膏，对于油性大的顽固污渍，在洗涤前先在污渍表面涂抹一些拥有非极性基团的去污膏，然后再与新材料一起放入洗衣机洗涤，效果就会很好。