کاربرد گلیسیرین در فرمول مایع لباسشویی به عنوان نمونه ای از نوآوری در صنعت مواد شیمیایی خانگی

چکیده:

هدف از مقاله ارائه شده، نشان دادن استفاده ترکیبی از گلیسیرین و سورفکتانت ‌ها در

فرمولاسیون مایع لباسشویی (Liquid Laundry Detergent Formulation) است.

آزمایش ‌هایی برای تعیین ویژگی ‌های استاندارد عملکردی انواع فرمول مایع لباسشویی مدل

با محتوای مختلف گلیسیرین انجام شد. تجزیه و تحلیل بر قدرت کف کردن، خواص رئولوژیکی،

حلالیت، توانایی شستشو و کاهش استحکام پارچه پس از شستشو متمرکز شد.

سودمندترین خواص عملکردی، در محتوای گلیسیرین 20٪ به دست آمد.

مقدمه:

اصلی ترین مواد اولیه در فرمولاسیون مواد شوینده مایع سورفکتانت ها به ویژه از نوع آنیونی

(مانند صابون ها، آلکیل آریل سولفونات ها، آلکیل سولفات ها، آلکیل سولفوسوکسینات ها) هستند.

آنها مسئول اثراتی از جمله خیس شدن و رها شدن خاک از سطوح شسته شده، امولسیون خاک

در حمام شستشو و محافظت در برابر رسوب مجدد خاک هستند. شوینده های مایع معمولاً با

نمک های سدیم سورفکتانت ها فرموله می شوند. دلیل اصلی قیمت پایین آن ها است.

افزون بر این، ترکیبات فوق ظرفیت بالایی در افزایش ویسکوزیته مواد شوینده دارند. اگرچه این خاصیت

در ارزان ترین محصولات حاوی نسبت کم مواد فعال مطلوب است، اما اثر غلیظ کننده نمک های سدیم

در محصولات با کیفیت بالا و غلظت بالای مواد فعال سطحی یک مشکل است. در نتیجه، نمک ‌های سدیم

معمولاً با نمک ‌های آمونیوم، پتاسیم، آمونیوم یا تری اتانول آمین جایگزین می ‌شوند که حتی در غلظت‌ های بالا،

فرمولاسیون ‌هایی با ویسکوزیته پایین‌ تر ارائه می ‌دهند، بنابراین به راحتی در آب محلول هستند.

یکی از موانعی که مانع استفاده گسترده از این نوع مواد خام می شود، قیمت نسبتاً بالای آنها است

که منجر به افزایش قابل توجه قیمت فرمولاسیون مواد شوینده می شود. روش دیگر برای به دست آوردن

محصولات با محتوای بالای سورفکتانت استفاده از حلال های آلی مناسب (مانند اتانول، گلیکول

یا گلیکول اترها) در ترکیبات آنها است. با این حال، حلال ها نیز با هزینه های نسبتاً بالایی همراه هستند

و حتی محتوای حلال چند درصدی به افزایش قابل توجه در قیمت محصول نهایی تبدیل می شود.

یک جایگزین برای حلال های این نوع ممکن است گلیسیرین باشد–به ویژه با توجه به اینکه قیمت

این ماده در بازار پایین است. روند قیمت مشاهده شده به این دلیل است که گلیسیرین در حال حاضر

عمدتاً از فاز به اصطلاح گلیسیرین-یک محصول ضایعات تولید سوخت زیستی-مشتق می شود.

با توجه به ملاحظاتی که در بالا ذکر شد، به نظر می رسد یک راه حل خوب، استفاده از گلیسیرین

ارزان قیمت در فرمول ساخت مایع لباسشویی حاوی نسبت های بالایی از مواد فعال است.

مطالعه حاضر تلاشی است برای تعیین اینکه آیا استفاده از ترکیب گلیسیرین و سورفکتانت‌ ها

به شکل نمک‌ های سدیم به منظور تولید فرمول ‌هایی با پارامترهای عملکردی مناسب، سودمندتر است یا خیر.

فرمول تولید مایع لباسشویی (LLD) با نسبت های متفاوت گلیسیرین:

در مجموع شش فرمول LLD مدل توسعه داده شد. سیستم سورفکتانت شامل ترکیبی از

آلکیل بنزن سولفونات (ABS)، صابون اولئیک و سورفکتانت غیر یونی (Laureth-7) است.

سورفکتانت های آنیونی از آلکیل بنزن سولفونیک و اولئیک اسید به دست آمدند.

سه فرمول مدل اول در نوع هیدروکسید مورد استفاده برای خنثی سازی اسیدها متفاوت بودند.

فرمولاسیون بر اساس نمک پتاسیم (K)، تری اتانول آمین (TEA) و نمک سدیم (Na) به دست آمد.

سه فرمول باقیمانده با افزودن مقادیر مختلف گلیسیرین (به ترتیب 10%، 20% و 30%)

به فرمول پایه تهیه شد. ترکیبات فرمولاسیون در جدول 1 ذکر شده است.

تست های فیزیکو-شیمیایی انجام شده روی ترکیبات مایع لباسشویی مدل

ویسکوزیته فرمول مایع لباسشویی:

تمام فرمول ‌های مدل تحت اندازه ‌گیری ویسکوزیته دینامیکی با استفاده از ویسکومتر بروکفیلد +DV-I قرار گرفتند.

اندازه گیری ویسکوزیته به وسیله ی یک نوک اندازه گیری چرخشی به نام دوک که در مایع آزمایش غوطه ور

می شود انجام گردید. در طول اندازه‌گیری‌ ها، سرعت چرخش اسپیندل 10 دور در دقیقه و دما 22

درجه سانتی‌گراد بود. نمونه ها بلافاصله و چهار ماه پس از آماده سازی مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج آزمایش

در شکل 1-2 نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل ویسکوزیته تعیین شده برای فرمولاسیون های مختلف

بلافاصله پس از تهیه آنها نشان می دهد که فرمول مبتنی بر نمک های آمونیوم تری اتانول کمترین سطح

ویسکوزیته mPas 6349 را دارد. مقادیر بالاتر، در محدوده mPas 7000، برای فرمولاسیون های بر پایه

نمک های سدیم و پتاسیم ذکر شد. افزودن 10 درصد گلیسیرین به فرمول حاوی نمک های سدیم

تأثیری بر افزایش مقدار پارامتر اندازه گیری شده به حدود mPas 7300 داشت. در غلظت های بالاتر

(20٪ و 30٪)، گلیسیرین باعث کاهش در ویسکوزیته به حدود mPas 1600 و 1300 شد. اندازه‌گیری ‌های

ویسکوزیته که چهار ماه پس از آماده ‌سازی نمونه انجام شد، افزایش پارامتر اندازه‌گیری‌ شده

را در همه فرمول ‌ها نشان می‌دهد. واضح است که بالاترین مقادیر ویسکوزیته برای فرمول های

بر پایه نمک سدیم، بدون گلیسیرین یا حاوی 10 درصد گلیسیرین به‌دست آمد.

انحلال فرمول مایع لباسشویی:

انحلال به زمانی گفته می شود که برای حل شدن کامل ماده شوینده در آب لازم است.

آزمایش به شرح زیر انجام شد: 198 گرم آب مقطر و یک همزن مغناطیسی در یک بشر

250 میلی لیتری قرار داده شد. سپس 2 گرم از ماده شوینده را با دقت وارد آب می کنیم.

لیوان روی یک هیتر مغناطیسی تنظیم شد. از زمان شروع اختلاط، زمان لازم برای حل شدن

کامل مواد شوینده در آب متوقف شد. نتیجه نهایی میانگین سه اندازه گیری مستقل و سرعت

اختلاط 200 دور در دقیقه بود. زمان لازم برای انحلال کامل 5 گرم از فرمول مایع لباسشویی

در آب با دمای 22 درجه سانتیگراد در حین هم زدن شدید در 100 دور در دقیقه ارزیابی شد.

نتایج در شکل 2-2 نشان داده شده است.

در میان فرمول های بدون گلیسیرین، کوتاه ترین زمان انحلال در آب برای ترکیبات بر پایه نمک های

آمونیوم تری اتانول (6 ثانیه) و نمک های پتاسیم (56 ثانیه) مشخص شد. فرمولاسیون بر پایه

نمک های سدیم به راحتی در آب محلول نبود، زیرا تقریباً 500 ثانیه طول کشید تا محلول همگن به دست آید.

افزودن گلیسیرین به فرمولاسیون به طور قابل توجهی حلالیت آنها در آب را بهبود بخشید.

برای فرمولاسیون حاوی 10٪، 20٪ و 30٪ گلیسیرین، به ترتیب 29، 20 و 13 ثانیه طول کشید تا در آب حل شوند.

ویژگی های کف فرمول مایع لباسشویی:

خواص کف با استفاده از روش مشخص شده در استاندارد تعیین شد.

اندازه گیری حجم فوم بعد از 10، 60، 180 و 300 ثانیه انجام شد.

غلظت محلول های آزمایش 4 درصد وزنی بود. بر اساس اندازه گیری ها، دو پارامتر تعیین شد:

* قابلیت کف کردن فرمول شیمیایی مایع لباسشویی، FA [cm3] – حجم فوم تولید شده پس از 10 ثانیه.

* پایداری کف، [%] FS:

[%] FS= V10/V1×100 

جایی که:

V10 = حجم فوم اندازه‌گیری شده پس از 10 دقیقه [cm3]

V1 = حجم فوم اندازه گیری شده پس از 1 دقیقه [cm3]

قدرت کف کردن در محلول های آبی 4 درصد انواع فرمولاسیون مایع لباسشویی LLD ارزیابی شد.

نتایج به دست آمده در شکل 3 نشان داده شده است. بیشترین قدرت کف کنندگی برای

محلول های فرمولاسیون بر پایه نمک های آمونیوم تری اتانول و پتاسیم (به ترتیب 622 سانتی متر مکعب

و 470 سانتی متر مکعب) مشاهده شد. کمترین حجم فوم برای فرمول حاوی نمک سدیم

(357 سانتی متر مکعب) به دست آمد. افزودن گلیسیرین به افزایش قدرت کف کردن فرمول

به 460 سانتی متر مکعب کمک می کند. با این حال، با افزایش محتوای گلیسیرین، قدرت کف

اندکی کاهش می یابد و به 401 سانتی متر مکعب و 385 سانتی متر مکعب می رسد. مقادیر شاخص

برای فرمولاسیون های مبتنی بر TEA، K و Na به ترتیب 71، 55.3 و 18.8 درصد بود.

برای فرمولاسیون حاوی 10٪، 20٪ و 30٪ گلیسیرین، مقادیر به ترتیب 46/7٪، 49/5٪ و 37/4٪ گزارش شد.

توانایی شستشو فرمول مایع لباسشویی:

خواص شستشو بر اساس روش تعیین شده در استاندارد پالیش تعیین شد.

این روش شامل شستن تکه های پارچه پنبه ای کثیف در عامل شستشوی آزمایشی

در شرایط کاملاً تعریف شده بود. غلظت مایعات مورد آزمایش 4 درصد وزنی بود.

سه نوع لکه مورد بررسی قرار گرفت که عبارتند از رنگ، چربی و پروتئین. شرایط شستشو:

دمای 40 درجه سانتیگراد، مدت زمان 35 دقیقه. پس از شستشو، تکه های پارچه نخی آبکشی و

اتو شده و درجه سفیدی آنها بررسی شد. بر اساس آزمایشات، توانایی شستشو، [٪] WA، تعیین شد:

[%] WA=X-B/A-B×100 

جایی که:

X = متوسط درجه سفیدی پارچه نخی کثیف پس از شستشو.

B = متوسط درجه سفیدی پارچه نخی کثیف قبل از شستشو.

A = متوسط درجه سفیدی پارچه نخی بدون لکه (شاهد).

اندازه گیری سفیدی با استفاده از رنگ سنج Konica Minolta CR-400 انجام شد.

نتایج اندازه گیری توانایی شستشو در شکل 1-4 نشان داده شده است.

در بین فرمولاسیون های بدون گلیسیرین، بالاترین قابلیت شستشو

(96% و 97%) برای فرمول های بر پایه نمک های پتاسیم و آمونیوم تری اتانول مشاهده شد.

در مواردی که از نمک های سدیم استفاده شد، قابلیت شستشو در سطح 87 درصد بود.

افزودن گلیسیرین به فرمولاسیون مایع لباسشویی بر افزایش مقدار پارامتر اندازه گیری شده تأثیر داشت.

برای فرمولاسیون حاوی 10٪، 20٪ و 30٪ گلیسیرین، توانایی شستشو به ترتیب 92٪، 96٪ و 89٪ نشان داده شد.

سایش پارچه پس از فرآیند شستشو:

اندازه گیری روی Instron نوع 5560 (USA, Illinois , Glenview, Instron Corporation ) و در شرایط زیر انجام شد:

سرعت کشش 100 میلی ‌متر در دقیقه، بار اولیه 5 نیوتن. بر اساس داده‌های اندازه‌گیری شده،

استحکام کششی پارچه پس از فرآیند شستشو محاسبه شد. نتیجه نهایی کاهش استحکام کششی

نسبت به پارچه شسته نشده بود. کاهش استحکام پارچه پس از فرآیند شستشو در حضور فرمول ‌های

مدل‌ مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج در شکل 2-4 نشان داده شده است. مشخص ترین

سایش پارچه ها در طول شستشو، که با کاهش استحکام کششی اندازه گیری می شود،

پس از استفاده از فرمولاسیون مبتنی بر نمک های سدیم که فاقد گلیسیرین (22%) است،

مشاهده می شود. افزودن گلیسیرین به بهبود واضح استحکام پارچه کمک می کند.

کاهش استحکام پارچه برای فرمولاسیون حاوی 10%، 20% و 30% گلیسیرین به ترتیب

11/39%، 3/29% و 7/23% بود. یک مزیت در استحکام نیز برای پارچه ‌های شسته شده

با فرمول مایع لباسشویی بر پایه نمک های پتاسیم و آمونیوم تری اتانول

مشاهده شد که نتایج به ترتیب 46/4 و 41/5 درصد بود.

بحث و نتیجه گیری:

این مقاله امکان استفاده از گلیسیرین در خط تولید مایع لباسشویی با کیفیت بالا را

مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. یک مجموعه مدل از انواع فرمول‌ مایع لبا‌سشویی بر اساس

نمک ‌های سدیم سورفکتانت ‌ها و حاوی مقادیر متفاوتی از گلیسیرین ساخته شدند.

پارامترهای عملکردی اساسی فرمول ها مورد ارزیابی قرار گرفت. به عنوان مرحله بعدی،

آنها با نتایج به دست آمده برای فرمولاسیون حاوی سورفکتانت های بر پایه نمک های پتاسیم

و آمونیوم تری اتانول مقایسه شدند. آزمایش های ویسکوزیته انجام شده برای فرمولاسیون

مدل نشان داد که افزودن 20 تا 30 درصد گلیسیرین باعث کاهش قابل توجه پارامتر اندازه گیری

شده در فرمول های حاوی نمک های پتاسیم و آمونیوم تری اتانول می گردد. چنین تأثیری برای

فرمول حاوی 10٪ گلیسیرین مشاهده نشد. افزون بر این، محتوای بالای گلیسیرین در

فرمول مایع لباسشویی به کاهش تغییرات ویسکوزیته در طول زمان کمک می کند. 

تجزیه و تحلیل اثر ترکیب مدل LLD بر حلالیت نشان می دهد که افزودن 10٪ گلیسیرین برای کاهش قابل توجه

زمان مورد نیاز برای انحلال فرمول مایع لباسشویی (Liquid Laundry Detergent Formulation)

در آب کافی است. افزایش محتوای گلیسیرین به 20% و 30% تاثیر عمده ای در کاهش بیشتر زمان

انحلال ندارد. همان روند تمایل به تغییر در حلالیت در قدرت کف نیز مشاهده شد. فرمولاسیون هایی

که حاوی 10، 20 و 30 درصد گلیسیرین بودند، نسبت به فرمولاسیون بدون گلیسیرین بر پایه نمک سدیم،

قدرت کف کنندگی و شاخص پایداری کف بالاتری داشتند. با این حال، قدرت کف کردن فرمول ‌های

مبتنی بر نمک‌ سدیم و گلیسیرین به اندازه‌ای که برای نمک ‌های پتاسیم و آمونیوم تری اتانول تعیین شده بود،

نبود. یکی از ویژگی های مهم فرمول مایع لباسشویی، توانایی حذف کثیفی است. فرمول حاوی نمک سدیم

و 20% گلیسیرین تنها فرمول قابل مقایسه با فرمولاسیون های مبتنی بر نمک های پتاسیم و آمونیوم تری اتانول است.

در تمام موارد دیگر نتایج آزمایش چند درصد کمتر بود. نتایج مشابهی نیز در آزمایش‌های ارزیابی

کاهش استحکام پارچه پس از فرآیند شستشو ذکر شد. فرمول غنی شده با 20 درصد گلیسیرین

حتی موثرتر از فرمولاسیون مدل مبتنی بر نمک های پتاسیم و آمونیوم تری اتانول از پارچه ها

در برابر سایش محافظت می کند. با توجه به اینکه این ماده ارزان و در دسترس است،

استفاده از آن افزایش قابل توجهی در قیمت فرمول مایع لباسشویی ایجاد نمی کند که این مورد رضایت تولید کننده است.