مفهوم ویسکوزیته در شوینده ها و روش تنظیم آن در تولید:

مواد شوینده و پاک کننده در زندگی روزمره ما جایگاه خاصی را به خود اختصاص داده اند و در جهان پیشرفته امروزی نمی توان کسی را یافت که تا به حال از مواد شوینده به اشکال مختلف آن استفاده نکرده باشد. فارغ از مسائل زیست محیطی یا مفید و مضر بودن مواد شوینده  برای انسان ها می خواهیم در این مقاله به مسولان فنی و مدیران تولید کارخانجات کمک کنیم تا با مفهوم ویسکوزیته و روش های دستیابی به ویسکوزیته مطلوب در مایعات شوینده بیشتر آشنا شوند.

مواد شوینده و پاک کننده روزمره در زندگی ما به اشکال و حالات فیزیکی مختلفی وجود دارند و هرکدام از این اشکال مزایا و معایب خاص خودشان را دارند. مواد جامد مانند انواع صابون و پن ها، خمیری مانند خمیر دندان و انواع کرم، پودری مانند پودر لباسشویی و یا جرمگیر کاشی و سرامیک، مایعات ویسکوز مانند انواع شامپوها، مایع دستشویی و مایع ظرفشویی، مایعات غیر ویسکوز مانند سفید کننده، شیشه شوی  و …

پر مصرفترین حالت مواد شوینده به شکل مایع می باشد، زیرا بسته بندی و استفاده آنها در حالت مایع بسیار راحت تر می باشد، اما در مورد  مایعات شوینده یکی از اصطلاحات مرتبط با کیفیت محصولات اصطلاحی است به نام ویسکوزیته، که در گفتار عامیانه به آن به اشتباه غلظت نیز گفته می شود. البته این اشتباه از آنجایی نشات میگیرد که مصرف کنندگان گرانروی یا ویسکوزیته بالا را ناشی از بالا بودن غلظت مواد اولیه در محصول می دانند و این فاکتور را یکی از فاکتورهای محصول با کیفیت می دانند. در این مقاله سعی می کنیم به زبان ساده این اصطلاح را برای شما توضیح داده و در مورد دستیابی به یک ویسکوزیته مطلوب در تولید محصولات راهنمایی هایی داشته باشیم و همچنین به این سوال پاسخ دهیم که آیا رابطه معنا داری مابین چگالی و ویسکوزیته وجود دارد؟

فرض کنید بخواهید از مایع دستشویی استفاده کنید و مایع دستشویی بسیار رقیق (شما بگویید غیر ویسکوز) مانند آب داخل ظرف مایع دستشویی باشد، با فشار دادن پمپ این مایع به شدت بیرون پاشیده و مشکلاتی را ایجاد خواهد نمود، از طرفی تا شما بخواهید دستتان را با این مایع آغشته کرده و زیر آب بگیرید قسمت اعظم آن از لابه لای انگشتان دستتان بیرون ریخته و به هدر خواهد رفت. یا در حمام موقع استفاده از شامپوی بدن با یک ماده بسیار غلیظ و ژله ای (شما بگویید بسیار ویسکوز) مواجه شوید که وقت زیادی را باید صرف خارج کردن این ماده از ظرف آن و یا انحلال آن در آب و آغشته سازی بدن صرف نمایید. فکر می کنم دارید به مطلب مورد نظر من نزدیک می شوید، بیایید یک مقدار فنی تر مساله را مورد بررسی قرار دهیم و ابتدا با مفهوم کلمه ویسکوزیته یا گرانروی آشنا بشیم.

ویسکوزیته:

روی سطح شیبدار کمی آب بریزید و سرعت ریزش را اندازه گیری نمایید، حالا کمی عسل را روی همان سطح بریزید و سرعت ریزش را اندازه گیری نمایید. متوجه مطلب نسبتا آشنایی شده اید، به این پدیده که شما بررسی نمودید در زبان علمی ویسکوزیته، لزجت، گرانروی و یا نارروانی می گویند. (هرکسی از راه رسیده یه اسمی برای این ویسکوزیته انتخاب کرده…) ویسکوزیته به مقاومت یک سیال در مقابل اعمال تنش برشی گفتته می شود. حالا این دقیقا یعنی چی؟ یعنی مقاومت سیال در برابر جاری شدن اگر ظرف حاوی یک مایع با ویسکوزیته نسبی را کمی متمایل کنیم، به راحتی میتوانیم آن را مجموعه ای از لایه های نازکی تصور کنیم که روی هم سوار شدهاند و بر روی هم حرکت میکننداگر نیرویی را که صرف متمایل کردن ظرف کردهایم را همان تنش برشی در متون فیزیک بنامیم به راحتی میتوان ویسکوزیته را میزان مقاومت یا اصطکاک لایه های مایع در برابر جاری شدن دانست و معیار اندازه گیری آن را براساس نیروی اعمال شده )تنش برشی( نسبت به سرعت حرکت لایه ها بیان کرد که البته این نسبت همیشه هم ثابت نیست و بسته به فاکتورهای مختلفی مانند دما و یا خاصیت رئولوژیکی ماده میتواند متغیر باشد.

چرا عسل از آب ویسکوزتر است و برخلاف آب به سختی جاری میشود؟

بطور کلی، ویسکوزیته ناشی از نیروهای بین مولکولی مواد است که در مورد آب، این نیرو، حاصل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولهاست.  بنابراین ترکیباتی که حاوی میزان زیادی شکر یا ترکیبات قندی هستند، مثل شربتها و عسل، به دلیل برخورداری از پیوندهای هیدروژنی بیشتر در بین مولکولها، قاعدتاَ ویسکوزیته بالاتری دارند .اما ترکیباتی که امکان تشکیل پیوند هیدروژنی ندارند، مانند روغنها، ترکیبات نفتی و..نیز ویسکوزیته های قابل توجهی دارند که بخش مهمی از این ویژگی، حاصل نیروی های واندروالسی (لاندن) درون ساختار این ترکیبات است.

حال با این توضیح میتوان به صراحت بیان کرد که خیر، ارتباط مستقیمی بین دانسیته و ویسکوزیته وجود ندارد و لزو ماً یک ماده چگالتر، ویسکوزتر نیست. دانسیته نشان دهنده نسبت جرم به حجم یک ماده است و این نسبت هیچ ارتباطی به مقاومت یک سیال، دربرابر تنش برشی یا جاری شدن ندارد.

خب برگردیم سراغ مواد شوینده که در تخصص من و شماست و ویسکوزیته را در مایعات شوینده مورد بررسی دقیق علمی قرار بدیم.

ویسکوزیته در شوینده ها:

ویسکوزیته با اینکه به نیروهای بین مولکولی مرتبط هست اما یکی از خواص ظاهری و یا فیزیکی مواد به شمار میرود. در ابتدای مقاله گفتیم که مصرف کنندگان بین ویسکوزیته و کیفیت محصول برای مایعات ویسکوز ارتباط مستقیم قائل هستند و هرچه ویسکوزیته محصول بالاتر باشد مصرف کننده احساس میکنه که محصول با کیفیت تری را خریداری نموده است.

تصور کنید که درحمام هستید و یک شامپو که دارای تمام خواص شویندگی مطلوب است در دستان شماست اما ویسکوزیته آن کم است، چه احساسی خواهید داشت؟ فارغ از اینکه ممکنه هنگام مصرف مقدار زیادی از این شامپو به هدر بره، احساس خوشایندی نیز نخواهیم داشت و این تصور غالب خواهد شد که از محصولی با کیفیت پایین داریم استفاده می کنیم. حالا برعکس این مساله را تصور کنید که شامپو فوق العاده ویسکوز را چگونه می خواهید از بطری تخلیه کنید؟ علاوه بر سختی در تخلیه انحلال در آب و شستشوی آن نیز شما را با مشکل مواجه خواهد نمود. بنابراین ویسکوزیته محصولات شوینده باید در رنج استانداردی قرار بگیرد.

اما چطورمی توان  شوینده ها را ویسکوز نمود؟

بلافاصله الان فکر همه میره به سمت نمک، نه دوستان اجازه بدید بحث نمک را بعدا باز کنیم. اول بیاییم با ساختار مولکولی مواد شوینده آشنا بشیم بعد بریم سراغ نمک. جزء اصلی مواد شوینده مولکول های دو سر می باشد که به آن ها سورفکتانت می گوئیم. این یعنی چی؟ ببینید دوستان مولکول های مایعات در طبیعت به دو حالت هست، مولکول های قطبی و مولکول های غیرقطبی. مولکول های قطبی دارای بار اکتریکی جزئی در دو سر مولکول هستند ولی مولکول های غیرقطبی بدون بار جزئی هستن و پراکندگی بار در سطح آنها کاملا یکسان هست. مثلا آب یک ماده قطبی و روغن یک ماده غیرقطبی می باشد. مایعات  قطبی توانایی حل کردن مواد قطبی و مواد یونی را دارند و مواد غیرقطبی فقط توانایی حل کردن مواد غیر قطبی را دارند، به همین دلیل روغن داخل آب حل نمیشه.
بیشتر چرک ها و آلودگی ها از جنس مواد غیرقطبی هستن و فراوان ترین مایع در دسترس ما روی کره زمین آب هست که قطبی می باشد. حالا دچار یک پارادوکس علمی شدیم، چرک ها که مواد غیرقطبی هستن در آب حل نخواهند شد. راه حل چیست؟

راه حل در مولکول های بلندی هست که یک سر آن ها قطبی بوده و سر دیگرشون غیرقطبیه، سر قطبی در آب حل میشه و سر غیرقطبی در چرک ها و آلودگی ها و به شکل یک واسط باعث انحلال مواد غیرقطبی در مواد قطبی می شوند. به این مولکول ها اصطلاحاً سورفکتانت گفته می شود. سورفکتانت ها اصلی ترین جزء مواد شوینده هستند که همان عامل کف کنندگی هم به شمار میروند. این مواد دارای یک زنجیر بلند هیدروکربنی آب گریز و یک سر قطبی آب دوست هستند.

اگر شما تعدادی مولکول سورفکتانت داخل آب بریزید سر قطبی آنها داخل آب قرار گرفته و سرهای غیرقطبی که آب گریز هم هستند به سمت بیرون از آب که همان سطح آب هست فرار می کنند. این عمل باعث کاهش کشش سطحی آب شده و نفوذ آب در خلل و فرج محمل های شستشو را راحت تر می کند. ایجاد حباب و کف هم به همین دلیل اتفاق می افتد. حالا شما به تدریج تعداد مولکول های سورفکتانت را اگر داخل آب بیشتر کنید به مرحله ای می رسیم که سطح آب از سرهای آب گریز اشباع شده و امکان تشکیل مونومر جدید وجود ندارد. در این شرایط تلاش برای پایداری آغاز شده و مولکول های سورفکتانت ایجاد یک تجمع گروهی می نمایند. در این شرایط سرهای غیرقطبی یا همان آب گریز، به سمت هم قرار گرفته و سرهای آب دوست به سمت بیرون یا همان محیط آبی قرار می گیرند. اغلب این توده ها شکل کره را به خود گرفته و با کره های اطراف در یک فاصله تعادلی قرار می گیرند. این کره ها را میسل می نامند و غلظتی که در آن اولین میسل ها تشکیل می شوند را نقطه CMC می گویند. در واقع نقطه CMC حداقل مونومرهای لازم برای تشکیل اولین میسل می باشد. خب حالا این حرف ها چه ربطی به ویسکوزیته داره؟ در واقع تو محلول های شوینده هرچه تعداد میسل ها بیشتر باشد ویسکوزیته نیز بیشتر می شود.

چطور میسلها باعث افزایش ویسکوزیته میشوند؟

وقتی تعداد مولکول های سورفکتانت در محیط مایع کم می باشد، مولکول ها به سمت سطح حرکت کرده و قسمت آب گریز خود را از آب خارج می کنند، در این حالت ویسکوزیته تغییر چندان محسوسی نداشته ولی کشش سطحی کاهش می یابد. با افزایش تعداد مولکول های سورفکتانت و رسیدن به نقطه میسل (CMC) ویسکوزیته افزایش یافته و با بزرگتر شدن کرات و افزایش مولکول های سورفکتانت در نهایت به دلیل محدودیت فضای عملیاتی و کره ها به استوانه تبدیل شده و در نهایت استوانه ها بزرگتر شده و تبدیل آنها به استوانه های غول پیکر باعث تغییرات محسوس در ویسکوزیته می گردد. همانطور که ملاحظه می فرمایید بعد از نقطه CMC ویسکوزیته محلول به غلظت سورفکتانت بستگی داشته و هرچه غلظت بیشتر باشد ویسکوزیته نیز افزایش می یابد. بنابراین نظر مصرف کنندگان در مورد کیفیت بهتر مایعات با ویسکوزیته بالا تا اینجا کاملا نافذ می باشد.

باید به این نکته توجه داشت که غلظت زیاد سورفکتانت ها از لحاظ قیمت برای تولید کننده مقرون به صرفه نبوده و از طرفی در برخی محصولات تاثیرات منفی بر پوست و مو و یا البسه و ظروف داشته و صدمات جبران ناپذیر به محیط زیست وارد خواهد نمود. پس راه حل چیست؟

نمک؟ بله اینجا نمک را درست حدس زدید. حالا چرا نمک؟

برای اینکه از سورفکتانت کمتری استفاده کنیم ولی در عین حال محصول ویسکوزتری داشته باشیم باید شرایط کاذبی را ایجاد کنیم تا محصول ویسکوز گردد. یکی از این شرایط ایجاد محیط الکترولیت در محلول می باشد. محیط الکترولیت بر اثر انحلال یک ماده یونی مانند نمک ایجاد می گردد، بر اثر انحلال نمک در آب، تفکیک یونی صورت گرفته و یون ناهمنام با سر قطبی سورفکتانت نزدیک کره ها قرار گرفته و چگالی بار را در سطح کره کاهش می دهد. این کاهش چگالی بار الکتریکی در سطح امکان نفوذ مولکول های سورفکتانت بیشتری را در کره ها میسر کرده و باعث می شوند کره های بزرگتری تشکیل گردیده و ویسکوزیته افزایش یابد.

آیا همیشه برای ویسکوز نمودن مایعات شوینده باید از نمک آشپزخانه یا همان سدیم کلرید استفاده کرد؟

استفاده از سدیم کلرید به این دلیل رایج هست که اولاً ارزان قیمت هست و ثانیاً به نسبت قابل توجهی در آب حل می شود. اما توصیه میشه برای دستیابی به نتیجه مناسب نمکی را برای تشکیل الکترولیت به کار ببرید که یون مخالف آن با یون مخالف سر سورفکتاننت یکسان باشد، مثلا برای سدیم لوریل اتر سولفات یا سدیم سولفونات از نمک سدیم مانند سدیم کلرید استفاده کنید و برای آمونیم لوریل سولفات از نمک آمونیم مانند آمونیم نیترات استفاده کنید. (این فوت کوزه گری بود. تو دوره ارشد هم تدریس نمیشه)

دلیل این پیشنهاد ما کاملا علمی و بر پایه تجربه است. اگر یون مخالف غیر هم جنس باشه قسمتی از یون های افزوده شده به محیط صرف واکنش های جایگزینی شده و میزان مصرف نمک یا به اصطلاح مدیران تولید با تجرببه نمک خور محصول افزایش می یابد و علاوه بر مصرف بیش اندازه الکترولیت امکان دارد در واکنش های رفت و برگشتی و یا جایگزینی رسوب ایجاد شود.

در مرحله افزایش الکترولیت و یا همان نمک شاید شما هم این مساله را تجربه کرده باشید که با اضافه کردن نمک تا مرحله ای از کار ویسکوزیته افزایش می یابد، اما از یک مرحله به بعد به طور ناگهانی ویسکوزیته کاهش یافته و محصول دیگر ویسکوز نمی شود.

راستی چرا این اتفاق می افتد و چگونه می توانم میزان مطلوب نمک را مشخص کنم؟

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

بنابراین شما هر وقت که احساس کردید محصول در حال ژله ای شدن هست باید در همان مرحله افزودن نمک و یا الکترولیت را متوقف کنید. در غیر اینصورت ویسکوزیته محصول شکسته شده و دچار خسارت خواهید شد. حالا با این توضیح، عملکرد سورفکتانت های آمفوتریک به عنوان سورفکتانت کمکی در شوینده ها که علاوه بر پایداری کف، باعث ویسکوزتر شدن شوینده ها نیز میشوند قابل درک خواهد بود.

بطور کلی سورفکتانت ها به انواع: آنیونیک، کاتیونیک، نانیونیک و آمفوتریک قابل تقسیم هستند و سورفکتانتهای آمفوتریک، ترکیباتی هستند که در ساختار خود دارای هر دو جزء کاتیونی و آنیونی می باشند. غالباَ در فرمولاسیون شوینده ها، سورفکتانت ها برهم اثر سینرژی دارند و سورفکتانت آمفوتریک در حضور سورفکتانت آنیونیک، با کاهش چگالی بار منفی، به افزایش ویسکوزیته کمک میکند.

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 بازهم بیشتر میشود 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 میشود. اگرچه با توجه به محدودیت pH محصولات شوینده که ملزم به رعایت تناسب با pH پوست انسان 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 میشود. اگرچه سعی میشود که تا حدامکان از تولید کف ممانعت بعمل آید اما بخشی از آن غیر قابل اجتناب است و حبابهای ریز حاصل شده باعث ایجاد یک ویسکوزیته کاذب میشوند. چرا؟

هوا به هر طریقی اگر وارد یک مایع شود چون دانسیته کمتری از آب دارد سریعا خود را از آن محیط بیرون میکشد، این توده هوا به صورت یک ساختارکُروی در مایع شناور میشود و با رسیدن به سطح مایع میترکد. توده هوا در حضور سورفکتانت محیط، محصور لایه ای مملو از مولکولهای سورفکتانت می شود که در اصطلاح عامیانه آن را کف می نامند. تحلیل رفتار مایعات حاوی کف به علت ساختارچندوجهی حبابها بسیار پیچیده است و از نظر رئولوژی، رفتاری منحصربه فرد دارند. اما بطور کلی کف ساختاری تراکم پذیر دارد و میتواند فشار، له شدن و تنش های بیرونی را به راحتی تحمل کند و در برابر تنش برشی و جاری شدن، مقاومت قابل توجهی نشان دهد.

به همین دلیل ویسکوزیته محلول بعد از خروج حباب ها اندکی کاهش می یابد که یک مدیر تولید و یا مسئول فنی با تجربه و هوشیار باید این مساله را مد نظر قرار دهد.

نکته آخر اینکه برخی از تولید کنندگان به جای استفاده از روش اصولی و علمی برای رسیدن به ویسکوزیته مناسب که طی این مقاله به طور مبسوط ارائه شد، از راه حل های غیر علمی مانند استفاده از مواد ویسکوز کننده (تغلیط کننده) مانند CMC، HPMC، PVA، گوارگام، زانتان گام و … برای ویسکوز شدن محصول استفاده می کنند که مشکلات زیر را برای محصول و مصرف کننده ایجاد می کند:

1- میزان چرک بری محصول کاهش می یابد.

2- میزان کف کنندگی به شدت کاهش می یابد.

3- امکان دو فاز شدن و خرابی محصول بسیار زیاد است.

4- محصول کدر خواهد شد.

5- محصول حالت ژله ای پیدا می کند.

6- موقع شستشو حالت چسبندگی به محمل ایجاد شده و مواد شوینده به سختی از محمل جدا میشه.

7- فساد محصول را تسریع کرده و محصول زودتر فاسد می شود.

بنابراین تولید کننده محترم باید مراقب باشید که فریب کاهش قیمت تولید را نخورید و بعد مجبور باشید هزینه های زیادی را برای بازسازی ذهن مشتری و بازگردانی ایشان صرف کنید. لازم به ذکر است با توجه به قیمت تغلیظ کننده ها ( مواد ویسکوز کننده) و همچنین مواردی چون دو فاز شدن، فساد سریعتر و عدم تکرار خرید توسط مشتری شما هزینه های بیشتری نسبت به روش علمی می پردازید.

امیدوارم این مطلب هرچند ضعیف به شما عزیزان در دستیابی به محصول بهتر کمک کرده باشه، تجربیات خودتون رو با ما در میان بذارید تا همه از دانش و تجربه همدیگر بهره مند بشیم.

---