کربوکسی متیل سلولز (CMC) در فرمولاسیون مواد شوینده و تاثیر آن بر ویژگی های مایع

چکیده: فشار فزآینده در کاهش هزینه های تولید، بدون تأثیر منفی بر عملکرد کلی محصولات برای جلب رضایت مصرف کنندگان، برخی از عوامل پیشبرد بهبود تولید در صنعت مواد شوینده است. در این تحقیق، تأثیر کربوکسی متیل سلولز (CMC) بر ویژگی های مواد شوینده مایع بررسی شد. نتایج بررسی نشان داد که گنجاندن CMC در فرمولاسیون شوینده ها (Detergent Formulation) منجر به بهبود ۲۵ درصدی عملکرد تمیز کنندگی و خواص رئولوژیکی می شود.

مقدمه:

از اولین ترکیبات شوینده می توان به صابون اشاره کرد که محبوبیت زیادی داشت اما نقص عمده آنجاست که عملکرد صابون به دلیل تشکیل نمک اسید چرب نامحلول از کلسیم و منیزیم تحت تأثیر آب سخت قرار می گیرد. نقص صابون، فن آوری مدرن و تمایل

 مصرف کننده برای عملکرد بهتر محصول، منجر به تولید محصولات جدید با قیمت ارزان تر اما عملکرد بالا برای تأمین نیازهای مصرف کنندگان شد. بنابراین مواد شوینده مایع به دلیل سهولت پراکندگی و انحلال در آب شستشو و عملکرد بهتر از صابون در سراسر جهان محبوب شده اند. فرمولاسیون تولید مواد شوینده مایع به طور عمده برای شستن ظروف و پارچه های آلوده، ظروف پخت و پز در آشپزخانه، ماشین، مو و غیره طراحی می شوند. از آنجا که مواد آلوده می توانند مخلوطی از روغن، چربی، چرک، پکتین، پروتئین ها و غیره باشند عملکرد پاک سازی و امولسیون سازی برای پاک کردن آن ها لازم است. این عمل به وسیله ی سورفکتانت اولیه در فرمولاسیون مواد و محلول های شوینده صورت می گیرد. فرمولاسیون مواد شوینده مایع از طیف وسیعی از مواد تشکیل میشود که ویژگی های مختلفی را به محصول نهایی می بخشند. متداول ترین این مواد عبارتند از: آلکیل بنزن سولفونات خطی (LABS) خنثی شده با سدیم، آمونیوم، منیزیم و گاهی با تری اتانول آمین، عوامل ضد رسوب، آنزیم ها، ماده سفید کننده، مواد ضد میکروبی، نرم کننده های پارچه، عطرها، مواد براق کننده نوری، مواد نگهدارنده، هیدروتروپ ها یا مواد روان کننده، کمک فرآوری ها، تنظیم کننده های کف، بازدارنده های خوردگی و غلظت دهنده ها. کربوکسی متیل سلولز یک ماده پرکاربرد است که در تولید بستنی، کاغذ، پارچه، مواد غذایی، رنگ، دارو، مواد آرایشی و بهداشتی، گل حفاری در صنعت نفت، غلیظ شدن رنگ و مهندسی بافت استفاده می شود. کربوکسی متیل سلولز (CMC) و کربوکسی اتیل سلولز (CEC)، ترکیبات پایه نشاسته ای هستند که به عنوان عوامل ضد رسوب به فرمولاسیون مواد شوینده مایع اضافه می شوند. تا کنون ویژگی های عملکرد مواد شوینده مایع با افزودن CMC به طور علمی ارزیابی نشده است. بنابراین در این مطالعه سعی شده که برخی داده های جدید در مورد تأثیر CMC بر ویسکوزیته، وزن مخصوص، توانایی تمیز کردن، شاخص امولسیون و تجزیه بیولوژیکی فرمولاسیون مواد شوینده ارائه شود. 

نتایج و بحث: 

در این بررسی پنج نمونه مختلف از مواد شوینده مایع (یک نمونه دترجنت بر پایه آب و فاقد CMC (WaterDet)، یک نمونه دترجنت با CMC (Detgrade-CMC-Det) و سه نمونه دترجنت حاوی CMC و عصاره های گیاهی ( CO-CMC-Det، PP-CMC-Det و AC-CMC-Det)) انتخاب و ویسکوزیته، وزن مخصوص، عملکرد تمیز کنندگی، شاخص امولسیون سازی و اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD) آن ها ارزیابی شد. نتایج این بررسی در جدول ۱ نشان داده شده است. (شکل ۲)

ویژگی های فیزیکو-شیمیایی پنج نمونه شوینده معرفی شده برای ارزیابی عملکرد CMC

ویسکوزیته: در طول آماده سازی مواد شوینده مایع، ۲۰۰ میلی لیتر آب به تمام مواد شوینده مبتنی بر CMC اضافه شد تا ویسکوزیته را کاهش دهد اما این کار با مواد شوینده مبتنی بر آب انجام نشد. بنابراین، اگر این مورد در نظر گرفته شود، به این معنی است که ویسکوزیته ی مواد شوینده مبتنی بر CMC بسیار بالاتر از آب هستند. همانطور که در جدول مشاهده می شود ویسکوزیته Detgrade CMC-Det دارای بالاترین مقدار ۱۲/۵ است، در حالی که نمونه ی PP-CMC-Det (84/4) دومین خواهد بود و پس از آن CO-CMC-Det (77/4) و AC-CMC-Det (25/4) و در آخر WaterDet  ۳۹/۲ قرار می گیرد. اسمولدرز در سال ۲۰۰۲ ، گزارش کرد که CMC به عنوان ماده ی ضخیم کننده عمل می کند. بنابراین، افزایش گرانروی می تواند به CMC اضافه شده در فرمولاسیون مواد شوینده نسبت داده شود. بکارگیری غلظت دهنده ها در خط تولید مواد شوینده می تواند سود اقتصادی بیشتری را برای تولیدکننده به همراه داشته باشد زیرا غلظت و ویسکوزیته ی مواد شوینده را بدون کاهش کارایی عملکرد آن ها افزایش می دهد. همچنین Detgrade-CMC-Det دارای بالاترین گرانروی بود که می تواند به درجه جایگزینی آن مرتبط باشد، زیرا توانایی تورم و جذب آب CMC تابعی از درجه جایگزینی (DS) است. طبق گفته هاینز و کوشلا هرچه درجه جایگزینی بالاتر باشد، CMC در فرمول مواد شوینده مایع محلول تر و تورم بیشتری دارد. 

وزن مخصوص: اختلاف معنی داری در وزن مخصوص (۰۳/۱) ثبت شده برای تمام فرمولاسیون مواد شوینده حاوی CMC وجود نداشت، اما بین ماده شوینده حاوی CMC و WaterDet تفاوت معنی داری وجود داشت. اما با در نظر گرفتن رقت مواد شوینده غنی شده با CMC به وسیله ی ۲۰۰ میلی لیتر آب، به این معنی است که وزن مخصوص مواد شوینده مایع حاوی CMC بسیار بالاتر از CMC است. می توان استنباط کرد که افزودن ۲۰٪ محلول ۲٪ CMC می تواند حجم مواد شوینده مایع را افزایش دهد بطوریکه حدود ۲۰ برابر حجم WaterDet را می توان از فرمولاسیون مواد شوینده مایع غنی شده بدست آورد. درست مانند ویسکوزیته، این مورد نیز برای تولید کننده از نظر اقتصادی دارای ارزش خواهد بود، زیرا افزودن مقدار کمی CMC می تواند حجم زیادی از مواد شوینده را با خواص بهبود یافته و کارایی بالا تولید کند. (شکل ۳)

شاخص امولسیون سازی: شاخص امولسیون سازی که توانایی مواد شوینده را برای تأثیر روی هیدروکربن ها نشان می دهد، نشان داد که تمام فرمولاسیون مواد شوینده (Detergent Formulation) غنی شده با CMC عملکرد بهتری نسبت به WatersDet داشتند. این شاخص برای ترکیبات مورد بررسی عبارتند از: ۰۰/۵۰ % برای PP-CMC-Det، ۵۰/۴۹ % برای AC-CMC-Det و ۰۰/۴۷ % برای CO-CMC-Det در مقابل ۶۵/۲۶ % برای WaterDet. رفتار امولسیون مواد شوینده را می توان براساس ساختار مولکولی توضیح داد. سورفکتانت ها در فرمولاسیون مواد شوینده دارای یک انتهای آب دوست و یک انتهای آبگریز هستند. این ساختار مواد شوینده مایع احتمالاً باعث رسوب یون های کلسیم و منیزیم آب سخت می شود که احتمالاً نتیجه آن عملکرد بهتر ماده شوینده مایع غنی شده با CMC است، زیرا به گفته آمه و همکارانش، توانایی سورفکتانت می تواند تحت تأثیر کاتیون های آب سخت باشد.

قدرت پاک کنندگی مواد شوینده حاوی CMC: عمل تمیز کردن این نمونه ها نشان داد که محلول مواد شوینده حاوی ۱/۰ % CMC قدرت پاک کنندگی بالاتری نسبت به WaterDet داشتند (جدول ۱ را ببینید). CO-CMC-Det دارای بالاترین مقدار (۶۷/۲۵ %) بود و پس از آن به ترتیب Detgrade-CMC-De (48/25 %)، AC-CMC-Det (21/25 %)، PP-CMC-Det (01/25 %) و در آخر WaterDet (50/17 %) قرار می گیرد. افزایش قدرت تمیز کردن در این فرمولاسیون مواد شوینده می تواند ناشی از عملکرد ضد رسوب CMC باشد که مانع از جذب مجدد آلودگی می شود. ممکن است یون سدیم CMC اضافه شده در رسوب یون های آب سخت (یون های کلسیم و منیزیم) کمک کند، بنابراین باعث افزایش توانایی سورفکتانت خطی آلکیل بنزن سولفونات در حذف خاک می شود. همچنین، آلکیل بنزن سولفونات خطی در تماس با خاک آن را حل کرده و یک لایه در اطراف آن ایجاد می کند. لایه های تشکیل شده به دلیل بار منفی یکدیگر را دفع کرده و در داخل آب پایین می آیند، این امر به هم زدن کمک می کند. از طرف دیگر CMC کربوکسی متیل سلولز آنیونی است که به بستر کثیف متصل شده و بستری با بار منفی تولید می کند. بستر با بار منفی باعث دفع آلودگی منفی انتهای آبگریز ماده شوینده شده و از اتصال مجدد آن جلوگیری می کند. این مکانیسم ها ممکن است دلیل افزایش قدرت پاک کنندگی فرمولاسیون مواد شوینده حاوی CMC باشد. (شکل ۴)

اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD):

اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD) به میزان اکسیژن مورد استفاده توسط میکروارگانیسم ها در طی یک دوره ۵ روزه برای تبدیل مواد آلی موجود در پساب (یا مواد) به دی اکسید کربن و آب گفته می شود. از BOD می توان برای ایجاد سهولت تجزیه بیولوژیکی مواد استفاده کرد و می تواند شاخص ماندگاری مواد شوینده مایع نیز باشد. همه شوینده های حاوی CMC دارای BOD بالاتری در ماه اول تجزیه بودند و کمترین مقدار برای WaterDet (28/0) مشاهده شد. BOD بالای مواد شوینده مایع حاوی CMC می تواند اندازه گیری غیرمستقیم طول عمر آنها باشد و ممکن است نشان دهد که می توان از آنها برای مدت زمان طولانی تری در مقایسه با WaterDet استفاده کرد. نتیجه BOD بعد از سه ماه نشان داد که تمام مواد شوینده حاوی CMC دارای BOD بالاتری نسبت به مواد شوینده پایه آب هستند. پس از هفت ماه آزمایش، BOD تمام نمونه ها به شدت کاهش یافت. نتیجه نشان می دهد که افزودن CMC به مواد شوینده نه تنها باعث بهبود خواص فرمولاسیون محصولات شیمیایی می شود، بلکه ماندگاری آن را نیز طولانی می کند. 

نتیجه گیری: در این مقاله نشان داده شد که فرمولاسیون مواد شوینده خانگی و صنعتی حاوی CMC خواص رئولوژیکی مطلوب تری نشان می دهند. این ترکیبات دارای گرانروی تقریبا دو برابر WaterDet بودند و افزودن کربوکسی متیل سلولز می تواند به افزایش حجم مواد شوینده کمک کند که این برای تولید کننده ارزش اقتصادی دارد. همچنین، فرمولاسیون مواد شوینده حاوی کربوکسی متیل سلولز از نظر شاخص امولسیون و توانایی تمیز کردن عملکرد بهتری نسبت به WaterDet داشتند. بنابراین می توان از کربوکسی متیل سلولز (CMC) برای بهبود عملکرد و کاهش قیمت فرمولاسیون مواد شوینده مایع استفاده کرد.