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I. Materias primas para el detergente en polvo
La eficacia del detergente depende de una combinación cuidadosamente equilibrada de varios ingredientes, cada uno con un propósito específico en el proceso de limpieza. Estos componentes se pueden categorizar ampliamente en varios grupos:
A. Tensioactivos B. Auxiliares de lavado C. Constructores D. Agentes blanqueadores E. Enzimas F. Aditivos para funciones especiales
Exploremos cada una de estas categorías en detalle.
(A) Tensioactivos
Los tensioactivos son los principales ingredientes activos en el detergente. Anteriormente, la calidad de los detergentes se juzgaba por la cantidad de tensioactivos en sus fórmulas. Ahora, los fabricantes de detergentes generalmente utilizan una combinación de dos o más tensioactivos. A veces, incluso con un contenido menor de tensioactivos, los efectos sinérgicos entre múltiples tensioactivos pueden dar al detergente buenas capacidades de limpieza y eliminación de suciedad. Muchos tensioactivos tienen excelentes capacidades de eliminación de suciedad, humectación, formación de espuma, dispersión, emulsificación y solubilización. Los principales tipos de tensioactivos comúnmente utilizados en el detergente son los siguientes:
(1) Tensioactivos aniónicos: Como el alquilbenceno sulfonato de sodio (LAS), sulfato de alcohol graso de sodio, sulfato de éter polioxietileno de alcohol graso de sodio (AES), alfa-olefina sulfonato de sodio (AOS), metil éster sulfonato (MES), etc. (2) Tensioactivos no iónicos: Como el éter de alquilfenol polioxietileno, éter de alcohol graso polioxietileno (AEO), etc.
Actualmente, la mayoría de los detergentes vendidos en el mercado son detergentes compuestos. Estos típicamente usan alquilbenceno sulfonato de sodio como el principal agente activo, combinado con AOS, AES, MES, AEO y otros tensioactivos. Además, debido a la pobre biodegradabilidad del alquilbenceno sulfonato de sodio y las crecientes preocupaciones ambientales, existe una tendencia a reemplazarlo con AS y MES. Además, el éter de alquilfenol polioxietileno rara vez se usa en la producción de detergentes debido a su toxicidad ambiental y falta de amigabilidad con el medio ambiente.
(B) Auxiliares de lavado
1. Fosfatos
Hay muchos tipos de fosfatos, pero el principal utilizado en el detergente es el tripolifosfato de sodio (STPP).
(1) Tripolifosfato de sodio: Comúnmente conocido como «pentasodio», su fórmula molecular es [fórmula omitida]. Aparece como un polvo blanco, soluble en agua, y su solución acuosa es alcalina. Tiene una buena capacidad para coordinar con iones metálicos, no solo ablandando el agua dura sino también coordinando con componentes metálicos en la suciedad, ayudando a descomponer la suciedad durante el lavado y mejorando así la eficacia de la limpieza.
El tripolifosfato de sodio también tiene un efecto «tensioactivo» durante el lavado, hinchando y solubilizando proteínas en la suciedad; promoviendo la emulsificación de sustancias grasas; dispersando partículas sólidas y previniendo la redeposición de suciedad; y manteniendo cierta alcalinidad en la solución de lavado, actuando como un tampón. Estos efectos hacen del tripolifosfato de sodio un excelente auxiliar de lavado.
Cuando se incorpora al detergente, el tripolifosfato de sodio también previene la formación de grumos del producto, manteniendo el producto en un estado seco y granular, lo cual es importante para dar forma al producto.
Debido a estos diversos efectos, el tripolifosfato de sodio es un auxiliar de lavado muy importante, ampliamente utilizado en detergentes con cantidades de adición que van del 10% al 40%.
(2) Sustitutos del tripolifosfato de sodio: Aunque el tripolifosfato de sodio es un excelente auxiliar de lavado, su descarga conduce a la eutrofización (también conocida como sobre-fertilización) de los cuerpos de agua, contaminando los recursos hídricos. Por lo tanto, durante los últimos 20 años, los investigadores que desarrollan detergentes han realizado un extenso trabajo en sustitutos de los tripolifosfatos. Estos sustitutos son principalmente agentes quelantes orgánicos, electrolitos de alto peso molecular y tamices moleculares.
Los agentes quelantes orgánicos son compuestos orgánicos que pueden quelar iones metálicos como el calcio y el magnesio, ablandando el agua al encerrar los iones metálicos dentro de las moléculas del agente quelante. Los agentes quelantes orgánicos comúnmente utilizados incluyen la sal tetrasódica del ácido etilendiaminotetraacético (EDTA-4Na) y el ácido nitrilotriacético (NTA). Si bien los agentes quelantes orgánicos pueden ablandar el agua dura, no tienen los efectos emulsionantes y dispersantes sobre la suciedad que tienen los tripolifosfatos.
Entre los electrolitos de alto peso molecular, el poliacrilato de sodio se ha desarrollado como un aditivo principal. También tiene un efecto quelante sobre los iones metálicos multivalentes y puede mejorar la capacidad de eliminación de suciedad de los detergentes en agua dura. El poliacrilato de sodio también puede adsorberse en la superficie de los artículos lavados y la suciedad, aumentando la repulsión electrostática entre ellos, lo cual es beneficioso para la eliminación de la suciedad. También puede aumentar la dispersabilidad de la suciedad, previniendo la redeposición. El uso de poliacrilato de sodio en combinación con STPP proporciona buenos efectos auxiliares de lavado.
Los tamices moleculares también son un auxiliar de lavado prometedor que puede reemplazar parcialmente al STPP. También conocidos como zeolitas sintéticas, son aluminosilicatos cristalinos. Los tamices moleculares se pueden clasificar por tamaño de poro, siendo la zeolita «4A» utilizada como auxiliar de lavado. Su fórmula molecular es [fórmula omitida]. Los tamices moleculares pueden ablandar el agua intercambiando iones en su red cristalina con los del agua. Además de ablandar el agua dura, también pueden adsorber la suciedad lavada, ayudando en la eliminación de la suciedad. El uso de tamices moleculares junto con STPP muestra efectos significativos de auxiliar de lavado, pero si los tamices moleculares reemplazan completamente al STPP, los efectos de eliminación de suciedad y anti-redeposición no son ideales.
2. Silicato de sodio
El silicato de sodio, comúnmente conocido como vidrio soluble o vidrio líquido, tiene la fórmula molecular [fórmula omitida]. El silicato de sodio comercial está disponible como sólidos granulares o soluciones acuosas viscosas. Las propiedades del vidrio soluble cambian con la relación de Na2O a SiO2 en la molécula. Si [fórmula omitida], esta relación n se llama módulo. Cuanto menor es el módulo, mayor es la alcalinidad y la solubilidad en agua; a la inversa, cuanto mayor es el módulo, menor es la alcalinidad y la solubilidad en agua. El vidrio soluble utilizado en detergentes tiene un módulo de 1.6-2.4, que se hidroliza en agua para formar sol de ácido silícico.
Agregar vidrio soluble al detergente tiene efectos significativos como auxiliar de lavado. En primer lugar, el silicato de sodio tiene un efecto tampón sobre el pH de la solución, manteniéndolo en un nivel alcalino débil, lo cual es beneficioso para la eliminación de la suciedad. En segundo lugar, la solución coloidal producida por su hidrólisis tiene un efecto dispersante sobre las partículas de suciedad sólida y un efecto emulsionante sobre las manchas de aceite. Agregar vidrio soluble al detergente también puede aumentar la resistencia mecánica, la fluidez y la uniformidad de los gránulos de polvo.
La desventaja del vidrio soluble es que el sol de ácido silícico formado por hidrólisis puede ser adsorbido por las fibras y es difícil de eliminar, haciendo que las telas se sientan ásperas después del secado. Por lo tanto, la cantidad de vidrio soluble añadido al detergente no debe ser excesiva.
3. Sulfato de sodio
El sulfato de sodio anhidro es un cristal o polvo blanco, comúnmente conocido como torta de sal. El sulfato de sodio con 10 moléculas de agua de cristalización se conoce comúnmente como sal de Glauber. El sulfato de sodio se añade a menudo al detergente como relleno para reducir costos. Cuando se usa en combinación con tensioactivos aniónicos, el aumento de Na+ en la solución aumenta la adsorción superficial de tensioactivos aniónicos y promueve la formación de micelas en la solución, reduciendo así la tensión superficial del líquido de lavado, lo cual es beneficioso para la humectación y la eliminación de la suciedad. La adición de sulfato de sodio también puede reducir la viscosidad del material, facilitando la formación del polvo de lavado. Considerando estas propiedades, el sulfato de sodio es un buen relleno, generalmente añadido al detergente en un 20% a 45%.
4. Carbonato de sodio
El carbonato de sodio de grado industrial se conoce comúnmente como ceniza de soda o soda de lavado. En el detergente, actúa como agente alcalino y relleno, saponificando la suciedad y manteniendo un cierto valor de pH de la solución de detergente, lo cual ayuda en la eliminación de la suciedad. El carbonato de sodio tiene un efecto ablandador del agua, reaccionando con Ca2+ y Mg2+ en agua dura para formar carbonatos insolubles. Sin embargo, el carbonato de sodio es fuertemente alcalino y solo puede usarse en detergentes de baja calidad. No debe añadirse a detergentes de alta calidad para lavar textiles de seda y lana.
5. Agentes anti-redeposición
Los tensioactivos aniónicos comúnmente utilizados en detergentes, como el dodecilbenceno sulfonato de sodio, pueden eliminar la suciedad adherida a las fibras, pero en comparación con el jabón, su capacidad para emulsionar y suspender la suciedad es inferior. Esto lleva a la desventaja de que la suciedad eliminada se vuelva a depositar en las fibras, resultando en una pobre capacidad anti-redeposición y causando que la ropa lavada aparezca gris o amarilla. Para superar esto, se deben añadir agentes anti-redeposición a los detergentes sintéticos.
(1) Carboximetilcelulosa de sodio (CMC): La CMC tiene una excelente capacidad anti-redeposición. Su mecanismo implica principalmente la adsorción de CMC en las superficies de las fibras, debilitando la readsorción de suciedad por las fibras. Además, la CMC puede rodear las partículas de suciedad, manteniéndolas dispersas de manera estable en la solución de lavado. La adsorción de CMC es más significativa en las fibras de algodón, haciendo que su efecto anti-redeposición sea mejor para las telas de algodón, mientras que su efecto en las telas de lana y fibras sintéticas es menos ideal.
(2) Polivinilpirrolidona (PVP): La PVP es un compuesto polimérico sintético. La PVP utilizada como agente anti-redeposición tiene un peso molecular promedio de 10,000 a 40,000. Tiene una buena capacidad de dispersión de la suciedad y proporciona excelentes efectos anti-redeposición para el algodón y varias telas de fibras sintéticas. K-15 y K-30 representan PVP con pesos moleculares de 10,000 y 40,000, respectivamente. La PVP no solo tiene una fuerte capacidad anti-redeposición sino también buena solubilidad en agua, no coagula con sales inorgánicas y tiene buena compatibilidad con tensioactivos. Por lo tanto, la PVP es un excelente agente anti-redeposición, aunque su desventaja es su alto precio.
6. Agentes blanqueadores
Los agentes blanqueadores añadidos a los detergentes son generalmente oxidantes. Durante el lavado, pueden oxidar y destruir moléculas de suciedad coloreadas, no solo eliminando manchas difíciles sino también haciendo que la ropa quede blanca y los colores vibrantes. Los principales agentes blanqueadores utilizados en detergentes son el hipoclorito de sodio y las sales de peroxo. Los agentes blanqueadores comunes son los siguientes:
(1) Perborato de sodio: Su fórmula molecular es NaBO3·4H2O. No es fácilmente soluble en agua fría pero sí en agua caliente. Cuando se calienta en solución acuosa, se descompone para liberar H2O2 y O2 con efectos blanqueadores. NaBO2 también tiene algunas propiedades auxiliares de lavado. Por lo tanto, agregar perborato de sodio al detergente mejorará la capacidad de eliminación de manchas y aumentará la blancura.
El efecto blanqueador del perborato de sodio depende en gran medida de la temperatura, requiriendo temperaturas superiores a 80°C para un blanqueo efectivo. Para hacer que el perborato de sodio sea efectivo a temperaturas más bajas, es necesario agregar activadores, como el isononanoilbenceno sulfonato de sodio, que puede reducir la temperatura de activación a 40°C.
(2) Percarbonato de sodio: Su fórmula molecular es 2Na2CO3·3H2O2. En solución acuosa, se descompone en Na2CO3 y H2O2, teniendo así efectos tanto blanqueadores como alcalinos. El percarbonato de sodio tiene un efecto blanqueador a 50°C sin necesidad de activadores, y es más barato que el perborato de sodio. Los percarbonatos se descomponen a temperaturas más bajas y más fácilmente cuando absorben humedad. Para prevenir la descomposición catalítica por metales pesados, se deben agregar agentes quelantes de metales como el EDTA a la fórmula para mejorar la estabilidad de almacenamiento.
7. Agentes blanqueadores fluorescentes
Para aumentar la blancura de la ropa después del lavado, el método tradicional era agregar una pequeña cantidad de tinte azul al detergente. Esto añadía una cantidad minúscula de azul a la tela, que complementaba el ligero color amarillo original, aumentando visualmente la blancura aparente. Sin embargo, este método reducía el brillo de la luz reflejada por la tela. Este método de blanqueo se llama tinte azul.
Los agentes blanqueadores fluorescentes modernos son sustancias fluorescentes que pueden absorber la luz ultravioleta invisible y emitir fluorescencia azul-violeta con una longitud de onda de 400-500nm. Esta fluorescencia azul-violeta complementa el ligero color amarillo original de la tela, aumentando la blancura. A diferencia del tinte azul, no solo aumenta la blancura sino también el brillo, permitiendo que la tela refleje más luz. La cantidad de agentes blanqueadores fluorescentes añadidos a los productos de lavandería es muy pequeña, generalmente alrededor del 1% de las sustancias activas en el detergente.
8. Enzimas
Las enzimas en sí son proteínas que pueden catalizar ciertas reacciones químicas. Por ejemplo, las proteasas pueden convertir proteínas en aminoácidos solubles en agua. Agregar enzimas a los detergentes puede promover eficazmente la descomposición y eliminación de la suciedad. Hay muchos tipos de enzimas, y las principales utilizadas en detergentes incluyen proteasas, lipasas, celulasas y amilasas.
9. Estabilizadores de espuma y antiespumantes
Para los detergentes de lavado a mano, la capacidad de formación de espuma y la estabilidad de la espuma son muy importantes. La espuma apropiada puede transportar suciedad, y la espuma también sirve como indicador del grado de enjuague de la ropa. Sin embargo, cuando se utilizan lavadoras, demasiada espuma puede interferir con el funcionamiento efectivo de la máquina. Al formular detergentes, la cantidad de espuma debe controlarse según los diferentes propósitos de aplicación. La espuma de los detergentes se puede ajustar seleccionando diferentes tipos de tensioactivos y cambiando sus proporciones, o agregando estabilizadores de espuma o antiespumantes.
Los tensioactivos anfotéricos tipo betaína y las alcanolamidas son estabilizadores de espuma comúnmente utilizados, especialmente efectivos cuando se combinan con tensioactivos aniónicos de tipo sulfonato y sulfato, y también tienen funciones de limpieza por sí mismos. Los óxidos de amina terciaria también tienen buenos efectos estabilizadores de espuma, siendo comunes el óxido de lauril dimetil amina y el óxido de miristil dimetil amina.
Para los detergentes de lavadora, se necesita una menor potencia espumante, lo que requiere la adición de pequeñas cantidades de inhibidores de espuma en la fórmula. Agregar jabones de ácidos grasos a detergentes hechos con sulfonatos, sulfatos y tensioactivos no iónicos puede tener un efecto antiespumante. El grado de supresión de espuma aumenta con la saturación y el número de carbono de los ácidos grasos, siendo el jabón de ácido graso C22 un excelente inhibidor de espuma. Los poliéteres y aceites de silicona también son inhibidores de espuma comúnmente utilizados. La incorporación de estas sustancias en el detergente crea detergentes de baja espuma. Entre ellos, los poliéteres se han utilizado comúnmente en los últimos años para producir detergentes de baja espuma, típicamente copolímeros de óxido de etileno y óxido de propileno, que proporcionan buenos efectos antiespumantes cuando se agregan a detergentes de baja espuma.
10. Solventes y cosolventes
Los detergentes contienen muchas sales inorgánicas, que pueden reducir la solubilidad de los tensioactivos. Para mantener todos los componentes en un estado disuelto, es necesario agregar cosolventes. Los cosolventes comunes incluyen p-toluensulfonato de sodio, xilensulfonato de sodio y urea.
II. Diseño de fórmula para detergente en polvo
El diseño de la fórmula es un paso crucial en la producción de detergente, ya que la calidad de la fórmula afecta todo el proceso de producción y la calidad del producto. Actualmente, no existe una base teórica completa para guiar el desarrollo de fórmulas, por lo que se basa en experimentos y experiencia práctica. Los siguientes principios pueden usarse como referencia para el diseño de fórmulas:
(1) Selección de ingredientes activos: Para la formación por secado por aspersión, debido a las altas temperaturas involucradas, es preferible elegir ingredientes activos térmicamente estables para el detergente, como LAS, AOS y alquil sulfonatos. Los tensioactivos no iónicos no son resistentes al calor y deben agregarse durante la post-mezcla. Actualmente, los detergentes compuestos generalmente usan alquilbenceno sulfonato de sodio como el principal agente activo, combinado con sulfato de alcohol graso de sodio, AES y otros.
(2) Problemas de espuma: Los detergentes para lavado a mano típicamente requieren más espuma, por lo que se deben considerar potenciadores de espuma y estabilizadores en la fórmula. Los detergentes para lavado a máquina prefieren menos espuma, por lo que se pueden agregar ingredientes de baja espuma como el sulfato de estearilo de sodio, tensioactivos no iónicos, jabones de ácidos grasos u otros antiespumantes.
(3) Valor de pH: El valor de pH de las soluciones de detergente para trabajo pesado es generalmente de 9.5-10.5, lo cual es bastante alcalino y no es adecuado para lavar textiles de fibras proteicas como seda y lana. Para lavar textiles de seda y lana, es mejor usar un detergente suave y neutro. La clave para formular un detergente neutro es lograr buenos efectos de lavado sin agregar tripolifosfato de sodio y otros agentes alcalinos.
(4) Otras consideraciones: Agregar cantidades apropiadas de agentes anti-redeposición (como CMC), agentes anti-apelmazamiento (como p-toluensulfonato de sodio) y agentes blanqueadores fluorescentes según sea necesario.