ویسکوزیته و عملکرد آن در شوینده ها

پاکی و پاکیزگی از دیر باز مدیون شوینده ها و پاک کننده هاست، نیازی که روزی با یک قالب صابون برطرف می شد وامروزه حجم وسیعی از محصولات نیز پاسخگوی تمام نیاز یک جامعه نیست. چراکه علاوه بر خاصیت شویندگی، ظاهر، رنگ، بو، بسته بندی، تبلیغات و عوامل بیشمار دیگری در یک شوینده اهمیت یافته است که بازار رقابت نیز روز به روز به آن دامن می زند.

اما از این میان، ساختار و ظاهر مناسب یک شوینده مایع، تنها یک مانور تبلیغاتی نیست و رابطه مستقیم با سهولت مصرف و کارآیی آن دارد و برای داشتن چنین خصوصیتی، می توان گفت ویسکوزیته یک عامل مهم است، این پارامتر فیزیکی ساده، در مبحث شوینده ها دارای چراها و چگونگی هایی است که قصد داریم در این مقاله به آن بپردازیم.

قبل از هر چیز اجاره دهید تعریف ساده و کاربردی از مفهموم فیزیکی ویسکوزیته داشته باشیم.

 اگر ظرف حاوی یک مایع با ویسکوزیته نسبی را کمی مایل کنیم، به راحتی می توانیم آن را مجموعه ای از لایه های نازکی تصور کنیم که روی هم سوار شده اند و بر روی هم حرکت می کنند.

اگر نیرویی را که صرف متمایل کردن ظرف کرده ایم را همان تنش برشی در فیزیک بنامیم به راحتی می توان ویسکوزیته را میزان مقاومت یا اصطکاک لایه های مایع در برابر جاری شدن دانست و معیار اندازه گیری آن را بر اساس نیروی اعمال شده (تنش برشی) نسبت به سرعت حرکت لایه ها بیان کرد که البته همیشه هم این نسبت ثابت نیست و بسته به رفتار رئولوژیکی ماده می تواند متغیر باشد.

 منظور از رفتار رئولوژیکی ماده، همان چگونگی تغییر شکل ماده در مقابل تنش می باشد که می تواند یکی از رفتارهای نیوتنی، سودوپلاستیسیتی یا تیکسوتروپیکی باشد.

اما دلیل مقاومت سیالات در برابر جاری شدن چه چیزی می تواند باشد؟

چرا عسل از آب ویسکوزتر است و بر خلاف آب به سختی جاری می شود؟

به طور کلی، ویسکوزیته ناشی از نیروهای بین مولکولی مواد است و در مورد آب، این نیرو حاصل پیوندهای هیدروژنی بین مولکول هاست. بنایراین ترکیباتی که حاوی میزان زیادی شکر یا ترکیبات قندی هستند، مثل شربت ها و عسل، به دلیل بر خورداری از پیوند هیدروژنی بیشتر در بین مولکول ها، قاعدتا ویسکوزیته بالاتری دارند.

اما ترکیباتی که امکان تشکیل پیوند هیدروژنی را ندارند، مانند روغن ها، ترکیبات نفتی و ... نیز ویسکوزیته های قابل توجهی دارند که بخش مهمی از این ویژگی ها، حاصل نیروی پراکندگی ویا آشفتگی درون ساختار این ترکیبات است. در حقیقت زنجیر های بلند هیدروکربنی در روغن ها و ترکیبات نفتی، مانند رشته های در هم تنیده شده اند و شبکیه ای پیچیده تشکیل داده اند. این شبکه باعث محصور کردن مولکول ها در مجاورت هم و افزایش ویسکوزیته نهایی محصول می شود.

حال با این توضیح می توان بیان کرد که خیر، ارتباط مستقیمی بین دانسیته و ویسکوزیته وجود ندارد و لزوما یک ماده چگال تر ویسکوز تر نیست. دانسیته نشان دهنده جرم به حجم یک ماده است و این نسبت هیچ ارتباطی به مقاومت یک سیال، در برابر تنش برشی یا جاری شدن ندارد. مثال های بیشماری از طبیعت گواه این مطلب هستند که با کمی توجه به سادگی می توان آن ها را یافت.

 همان طور که بیان شد، ظاهر و ساختار یک شوینده مایع، در سهولت کاربردی آن دارای اهمیت است و این دلیل شاید ساده ترین و با اهمیت ترین علت ویسکوز بودن یک شوینده مایع، مانند شامپو، مایع دستشویی و مایع ظرفشویی باشد.

تصور کنید که در یک حمام هستید و یک شامپو که دارای تمام خواص شویندگی مطلوب است در دستان شماست اما فقط کمی از آب ویسکوزتر است. قاعدتا اگر در دستانتان بریزید از لای انگشتانتان جاری می شود و در مسیر رساندن آن به موهایتان چیزی در دستان شما باقی نمی ماند.

از طرفی ویسکوز بودن بیش از حد شامپو هم دردسر ساز است، چرا که در دستان شما مثل ژله رفتار می کند و اگر احتیاط نکنید مثل یک گوی از کف دست شما سر می خورد و نقش بر کف حمام می شود. پس می توان گفت که حفظ یک ویسکوزیته بهینه برای رضایت مشتری در صنعت تولید شوینده ها موضوع با اهمیتی است، اما چطور شوینده ها ویسکوز می شوند؟

جزء اصلی سازنده یک شوینده، سورفکتانت های آن می باشد و در تعریف ساده سورفکتانت همان عامل کف کردن است که دارای یک زنجیر طویل هیدروکربنی یک سر آبگریز و یک سر آبدوست می باشد. این ماهیت دوگانه سورفکتانت باعث می شود که در محیط آبی دم آبگریز و هیدروکربنی سورفکتانت از تماس با آب گریزان باشد و تنها راه این گریز، پناه جستن به سطح آب باشد.

اما سطح آب گنجایش محدودی دارد و بلاخره زمانی فرا می رسد که دیگر جایی برای پذیرش مونومر جدید وجود ندارد و سطح به تعبیر صحیح تر، اشباع می شود. تلاش برای پایداری بین مونومرهای سورفکتانت ها آغاز می شود و این تلاش در نهایت به یک تعامل ختم می شود و سورفکتانت ها به بک تجمع گروهی تن در می دهند و با نفوذ به داخل آب، دم های آبگریز خود را به گونه ای جهت می دهند که با ایجاد یک ساختار کروی که در مرکز آن دم های آبگریز سورفکتانت در کنار هم تجمع یافته اند یک محیط امن و دور از آب را بسازند. این کره همان میسل است و غلظتی که در آن اولین میسل تشکیل می شود نقطه (CMC) نامیده می شود یعنی حداقل مونومرهای لازم برای تشکیل اولین میسل. در حقیقت این میسل ها هستند که با افزایش تعدادشان در محیط آبی، کم کم باعث افزایش ویسکوزیته می شوند.

 چطور میسل ها باعث افزایش ویسکوزیته می شوند؟

موثر ترین عامل در ویسکوزیته شوینده ها، غلظت سورفکتانت است، یعنی هر چه تعداد مونومرهای سورفکتانت بیشتر باشد میسل های بیشتری تشکیل می شوند و فضای آزاد در محیط برای ساخت میسل جدید کم و کمتر می شود. با افزایش بیشتر سورفکتانت به محیط، مونومرها مجبور می شوند خود را به گروه میسل های موجود تحمیل کنند و به تجمع آن ها وارد شوند. این افزایش تحمیلی مونومرها به میسل، سبب می شود تا میسل اقدام به تغییر چیدمان اعضای خود کند و برای دستیابی به فضای بیشتر از شکل کره، به اشکال استوانه ای، لوله ای و مسطح تغییر شکل دهد. بزرگ و بزرگتر شود.

 با افزایش بیشتر غلظت سورفکتانت ها، تعداد بیشتری از میسل های کروی به شکل میله یا استوانه تغییر شکل داده و همانطور که پیش از این اشاره شد  سبب آشفتگی و در هم رفتگی بیشتر ساختار امولسیون می شود.

 اما مسئله مهم این است که یک شوینده به این حجم وسیع از سورفکتانت (تا حد اشباع شدن محیط) نیازی ندارد هم از نظر اقتصادی و هم از نظر تاثیرات منفی آن بر روی پوست و مو. لذا چاره ای جز یک ویسکوزیته کاذب یا به تعبیر بهتر، یک راه میانبر وجود ندارد. از راه میانبر، تحمیل یرخی شرایط به محصول است تا ویسکوزیته دلخواه با اضافه کردن سورفکتانت بیشتر بدست آید.

رایج ترین تکنیکی که در صنایع ساخت شوینده ها در ایران و جهان مورد استفاده قرار می گیرد، به کار بردن یک الکترولیت مثل نمک خوراکی در محصول است و حال جالب است که بدانیم چطور یک الکترولیت می تواند سبب افزایش ویسکوزیته شود و جالب تر اینکه چه نوع ترکیب الکترولیتی در افزایش ویسکوزیته موثرتر است؟

الکترولیت ماده ای است که در محیط آبی به طور کامل تفکیک می شود و حاصل این تفکیک، اجزایی با بار الکتریکی (یون) می باشد.

 زمانی که یک الکترولیت به محیط حاوی سورفکتانت اضافه می شود.، طبق قاعده جذب بارهای غیر همنام، یون های دارای بار مخالف، در کنار بار سرهای آبدوست سورفکتانت ها که در سطح خارجی ساختار کروی میسل تجمع کرده اند قرار می گیرند و دانسیته بار الکتریکی را کاهش می دهند. به دنبال این کاهش چگالی بار، مونومرهایی که باید تا زمان اشباع شدن محیط تحمیل کرده وارد تجمع آن ها می شوند و با تغییر شکل و اندازه زودتر از موعد میسل ها باعث افزایش ویسکوزیته می شوند.

توصیه می شود بای دستیابی به نتایج بهتر، الکترولیتی مورد استفاده قرار گیرد که یون مخالف آن با یون مخالف سر سورفکتانت یکسان باشد. به عنوان مثال اگر سورفکتانت مورد استفاده سدیم لوریل سولفات است، توصیه می شود از نمک سدیم و اگر آمونیوم لوریل سولفات است از نمک آمونیوم استفاده شود. این اتفاق منطقی به نظر می رسد چرا که بخشی از الکترولیت اضافه شده به محیط، به جای کاهش چگالی بار میسل ها، درگیر واکنش جایگزینی یون مخالف سورفکتانت های آزاد محیط می شود و میزان مصرف الکترولیت در محصول افزایش می یابد.

در مرحله افزایش الکترولیت،شاید به تجربه دیده باشید که روند افزایش ویسکوزیته با اضافه کردن الکترولیت، دارای مقداری بهینه است و پس از رسیدن به این میزان، با افزایش الکترولیت بیشتر نه تنها ویسکوزیته افزایش نمی یابد بلکه کاهش یافته و یا به عبارتی ویسکوزیته محصول می شکند. اما چرا؟

در حقیقت با افزایش الکترولیت و تغییر شکل میسل ها از شکل کروی به استوانه ای یک جهش چشمگیر در ویسکوزیته اتفاق می افتد و بعد از آن شوینده کم کم به سمت ژل شدن می رود که علت آن را می توان چند لایه ای شدن میسل ها دانست، اما افزایش بیشتر الکترولیت به دلیل اینکه مانع حل شدن سورفکتانت در محیط می شود منجر به پدیده شکست ویسکوزیته می شود. در تعریفی بهتر، اضافه شدن بیش از حد یون ها به محیط، واکنش تعادلی یونی شدن سر سورفکتانت را وادار به برگشت کرده و لذا سورفکتانت از داخل محیط پس زده می شود.

حال با این توضیح، عملکرد سورفکتانت های آمفوتریک به عنوان سورفکتانت کمکی در شوینده ها که علاوه بر پایداری کف، باعث ویسکوز شدن شوینده ها نیزمی شوند قابل درک خواهد بود.

 به طور کلی سورفکتانت ها به انواع: آنیونیک، کاتیونیک، نانیونیک و آمفوتریک قابل تقسیم هستند و سورفکتانت های آمفوتریک، ترکیباتی هستند که در ساختار خود دارای دو جزء کاتیونی و آنیونی هستند.

غالبا در فرمولاسیون شوینده ها، سورفکتانت ها بر هم اثر سینرژی دارند و سورفکتانت آمفوتریک در حضور سورفکتانت آنیونیک، با کاهش چگالی بار منفی، به افزایش ویسکوزیته کمک می کند.

همچنین تنظیم PH محصول نیز عامل موثر دیگری در ویسکوزیته نهایی است. به عنوان مثال در یک محصول شوینده با مخلوطی از سورفکتانت های آنیونیکی، نانیونیکی و آمفوتریکی زمانی که PH محصول کاهش می یابد اثر سینرژی سورفکتانت ها باز هم بیشتر می شود، و دلیل آن حجیم شدن بخش کاتیونی سورفکتانت آمفوتریک است که به نوبه خود منجر به کاهش چگالی بار و دافعه سرهای آنیونی سورفکتانت های آنیونیک می شود. اگرچه با توجه به محدودیت PH محصولات شوینده که ملزم به رعایت تناسب با PH پوست می باشند، امکان تغییر زیاد این فاکتور در تولید محصولات شوینده وجود ندارد. 

اگر فرمولاتور یک شوینده باشید یا فرآیند تولید یک شوینده مایع را دیده باشید قطعا متوجه شده اید که در حین هم زدن و میکس مواد، کف ایجاد می شود. اگرچه سعی می شود تا حد امکان از تولید کف ممانعت به عمل آید اما بخشی از آن غیر قابل اجتناب است و حباب های ریز حاصل شده باعث ایجاد یک ویسکوزیته کاذب می شوند. چرا؟

هوا به هر طریقی اگر وارد یک مایع شود چون دانسیته کمتری از آب دارد سریعا خود را از آن محیط بیرون می کشد، این توده هوا به صورت یک ساختار کروی در مایع شناور می شود و با رسیدن به سطح مایع می ترکد.

توده هوا در حضور سورفکتانت محیط، محصور لایه ای مملو از مولکول های سورفکتانت می شود که در اصطلاح عامیانه آن را کف می نامند. تحلیل مایعات حاوی کف به علت ساختار چند وجهی حباب ها بسیار پیچیده است و از نظر رئولوژی، رفتاری منحصر به فرد دارند. اما به طور کلی کف، ساختاری تراکم پذیر دارد و می تواند فشار، له شدن و تنش های بیرونی را به راحتی تحمل کند و در برابر تنش ها و جاری شدن مقاومت قابل توجهی نشان دهد.