А) сферическая мицелла, б) пластинчатая мицелла

Концентрация ПАВ, выше которой в водном растворе образуются мицеллы, называют критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Значение ККМ для различных ПАВ и различных условий находится в диапазоне .

Способность растворов ПАВ растворять органические соединения, нерастворимые в воде или малорастворимые в ней, получила название солюбилизации. Растворяемое вещество называют солюбилизатом, а ПАВ обусловливающее растворение, – солюбилизатором.

Основную роль в солюбилизации играют мицеллы, которые поглощают загрязнения по одной из схем (Рис. 91).

Рис. 91. Схематичное изображение трех способов включения солюбилизата в мицеллы:

а – гидрофобное загрязнение; б – дифильное загрязнение; в – гидрофильное загрязнение

Почти все загрязнения гидрофобны, поэтому они не смачиваются водой. Если в воде растворить моющее средство, то ее поверхностное натяжение резко уменьшится и она смочит загрязнение, заполняя микроскопические поры. Благодаря этому через молекулы моющего вещества происходит соединение воды с загрязнением, уменьшение сил сцепления ткани и загрязнителя.

При последующем механическом воздействии потоком воды загрязнения переходят в водный раствор. При этом молекулы моющего вещества образуют прочные защитные пленки вокруг отмытых загрязнений и на поверхности волокна, предотвращая повторное осаждение загрязнений на ткань.

Так как взаимодействие загрязнений и моющего вещества имеет химическую природу, то существуют оптимальные концентрации моющего раствора, при которых достигается максимум моющего действия. Кроме того, активизации химического воздействия способствует повышение температуры моющего раствора. Для создания отбеливающего эффекта добавляют персоли, способные разлагаться с выделением кислорода. Назначение их состоит в том, чтобы обеспечить отбелку невымываемых остатков. Однако разложение персолей происходит только при температуре раствора более 70 , поэтому применять их целесообразно только при стирке хлопчатобумажных и льняных тканей (Таблица 15).

Таблица 15

Допустимая температура стирки различных видов ткани

Волокна	Температура стирки,		Волокна	Температура стирки,
	нормальная	максимальная		нормальная	максимальная
Перлон	50– 60	100	Лен	90–100	100
Нейлон	60– 70	100	Шерсть, шелк	30–40	40
Полиэфирные (диэлен, тревира)	60– 70	100	Вискоза	60– 70	100
Хлопок	90– 100	100	Ацетат	50– 60	80

Кроме ПАВ, СМС обязательно содержат ряд вспомогательных веществ:

• улучшающих моющую способность (карбонат и бикарбонат натрия; силикат, сульфат, хлорид натрия);

• предотвращающих повторное отложение загрязнений из моющего раствора на отмытую поверхность;

• дезинфицирующих и химически отбеливающих (перборат и перкарбонат натрия);

• оптически отбеливающих, т.е. поглощающих ультрафиолетовые лучи и преобразующих их в синий или фиолетовый свет;

• удаляющих нерастворимые белковые соединения путем их расщепления (ферменты или энзимы);

• органических бактерицидных;

• подавляющих образование пены;

• ароматизирующих;

• противодействующих накоплению на изделиях статического электричества (антистатики);

• умягчающих воду (фосфаты).

Для активации процесса мойки производят перемешивание моющего раствора и переворачивание обрабатываемых изделий.

По конструкции стиральные машины разделяются на два типа: активаторные и барабанные. Активаторная машина имеет бак, в донной части которого вращается ребристый диск. Потоки моющего раствора оказывают динамическое воздействие на и активируют стирку и полоскание. В машине барабанного типа белье закладывают внутрь барабана с отверстиями, который находится внутри бака с моющим раствором и вращается вокруг горизонтальной оси. Последний тип машин стал особенно широко распространен в последнее время.

В стиральных машинах обработка белья включает стирку (предварительную и основную), полоскание, отжим и сушку. Барабанные стиральные машины позволяют все перечисленные операции выполнять в одном цикле без извлечения белья из барабана.

предназначена для насыщения ткани моющими средствами, уменьшения адгезии загрязнения с тканью и удаления основной части загрязнения, находящегося на поверхности ткани и в переплетениях между волокнами. Эти загрязнения представляют собой макрочастицы (песок, металлические осаждения и др.), присутствие которых в ткани при основной стирке привело бы к истощению моющего раствора, снижению концентрации ПАВ и, как следствие, к ухудшению отстирываемости. Анализ этой операции показал, что температура моющего раствора практически во всех моделях составляет 40 , продолжительность операции 20 – 35 мин. Повышение температуры предварительной стирки недопустимо, так как при высоких температурах сворачивается белок, имеющийся в составе загрязнения. Свернувшийся белок прочно соединяется с волокнами и его вымывание затруднено. В дальнейшем оставшиеся после стирки белковые загрязнения окисляются и приводят к пожелтению тканей в местах загрязнения.

Для повышения отстирываемости и уменьшения потери прочности в результате скручивания ткани вводят реверсивный режим стирки, заключающийся в переменном изменении направления вращения барабана с паузой между вращениями. В этом случае результирующее механическое воздействие (в %) будет составлять только часть общего времени стирки:

,

где – время вращения барабана, с,(и– время вращения барабана соответственно влево и вправо);– время паузы между левым и правым вращением барабана, с.

Время цикла реверсирования можно записать в виде:

.

Если время реверсирования в процессе стирки различно, общее механическое воздействие:

,

где – механическое воздействие в каждом реверсировании, %;– время каждого реверсирования, мин; – суммарное время реверсирований, мин.

В стиральных машинах механическое нагружение при предварительной стирке колеблется в широких пределах - от 28 до 88 %.

Механическое воздействие бывает трех режимов: интенсивного (= 70%) при структуре реверсирования= 14+4+14 с,=12+3+12 с; нормального (= 50%) при структуре реверсирования= 10+5+10 с и= 9+4+9 с; бережного (<40%) при структуре реверсирования=5+5+5 с,= 5+10+5 с и= 3+18+3 с.

Для достижения максимального эффекта применяют комбинированную структуру реверсирования. Как правило, при нагреве применяют нормальный или бережный режимы, так как при холодном растворе большое механическое нагружение только увеличивает потери прочности. В то же время при достижении раствором температуры 90эффективен интенсивный режим. Общее время механического воздействия при стирке не должно превышать 60–70 мин. Дальнейшее увеличение механического нагружения сильно повышает изнашивание ткани: при увеличении механического воздействия до 90–95 мин износ составляет 10–12 % при отстирываемости 59–62 %, при механическом нагружении 70 мин отстирываемость практически не изменяется (59–60%), а потери прочности снижаются до 5,9%.

Время предварительной стирки определяется временем нагрева моющего раствора до заданной температуры и временем набухания волокон ткани. Набухание волокон – процесс, в котором волокна ткани поглощают жидкость, увеличиваясь в поперечном и продольном направлениях. В процессе набухания происходит ослабление молекулярных связей волокна и загрязнения. Из графика (Рис. 92) видно, что процесс набухания практически завершается через 20–25 мин. Учитывая, что время нагрева также составляет 15–20 мин, это время устанавливают для длительности предварительной стирки с бережным механическим воздействием. В ГОСТ 8051–83*Е установлена только температура моющего раствора (40) и время предварительной стирки (20 мин).

Рис. 92. Зависимость набухания хлопчатобумажной ткани

при = 40и бережном режиме от времени механического действия

производится при максимально допустимой температуре для данного вида ткани. Для хлопчатобумажной ткани 90–95 . Применение таких высоких температур необходимо для удаления жировых и пигментных загрязнений. С одной стороны, высокая температура действует на жировые и пигментные соединения, а с другой – на карбонат натрия, входящий в состав синтетических моющих средств. Карбонат натрия разлагается при температуре свыше 70с выделением кислорода, который, взаимодействуя с жировыми и пигментными загрязнениями, обеспечивает их удаление. Пользуясь потребительской терминологией, этот процесс соответствует «вывариванию» белья. Исследования показали, что с точки зрения отстирываемости и расхода электроэнергии для хлопчатобумажных тканей предпочтительной является температура моющего раствора 90.

Время основной стирки состоит из времени нагрева моющего раствора до заданной температуры и времени стирки после нагрева. Времязависит от температуры нагрева, водного модуля, температуры заливаемой воды и температуры окружающей среды. Время задается программой и составляет 5–20 мин. При этом, как правило, нагревательные элементы выключаются, так как температура за это время уменьшается незначительно. Увеличение времени свыше 20 мин нецелесообразно, так как при этом температура раствора падает до 60– 70, при которых возможна ресорбция загрязнения из моющего раствора на ткань (ткань «застирывается»).

В барабанных машинах водный модуль значительно меньше, чем в активаторных. Так, в активаторных он равен 18–22 л/кг, а в барабанных 5–7 л/кг. В последних моделях зарубежных фирм намечена тенденция резкого снижения водного модуля. Исследования процесса стирки, проведенные В. И. Мельниковым, показали, что оптимальное значение водного модуля для барабанных машин на 4–5 кг сухой ткани составляет 4–5 л/кг. В то же время зарубежные модели стиральных автоматов выпуска 1984–1985 гг. имеют водный модуль 2,2–3,6 л/кг.

Как было отмечено ранее, для обеспечения максимальной кинетической энергии ткани при падении в барабан уровень воды должен быть как можно ниже. Практически уровень несвязанной воды устанавливают не ниже 25 мм. Наличие небольшого уровня не связанного с тканью моющего раствора высокой температуры, обеспечивает постоянное контактирование перемешиваемой ткани с почти кипящим раствором, что поддерживает температуру поглощенного тканью раствора.

Учитывая, что 1 кг сухой ткани (хлопчатобумажной) удерживает 2,2–2,5 кг раствора, для обеспечения уровня не связанного моющего раствора 20–25 мм водный модуль барабанных машин должен быть при основной стирке 3 л/кг, а при предварительной до 4 л/кг, так как температура моющего раствора в этом случае не превышает 40и затраты электроэнергии невелики.

Уменьшение водного модуля до 3– 4 л/кг позволяет уменьшить затраты на моющие средства, электроэнергию на нагрев и привод. На заключительной стадии стирки рекомендуется доливать холодную воду до водяного модуля 5–6 л/кг. Долив холодной воды снижает температуру моющего раствора, исключая возможность травматизма, и способствует лучшему вымыванию и удалению загрязнений.

Для снижения потери прочности ткани для основной стирки рекомендуется применять следующий режим механического воздействия: при нагреве раствора до 40 применять бережный режим; при нагреве раствора от 40 до 85– нормальный; при достижении 85–90– интенсивный режим.

ГОСТ 8051– 83*Е для режима основной стирки в барабанных машинах и при их испытаниях установлена температура моющего раствора 852и механическое воздействие в течение 30 мин, если эти параметры не установлены автоматической системой управления стиральной машиной.

Провести математический анализ и установить математические зависимости между отдельными параметрами, например между отстирываемостью, потерей прочности, температурой, в некоторых случаях бывает крайне трудно. В этих случаях прибегают к эксперименту.

При большом числе параметров для сокращения числа опытов используют теорию планирования эксперимента (например метод Бокса – Уильсона).

Приведем некоторые результаты работ по исследованию технологического процесса стирки и созданию математической модели этого процесса.

При создании математической модели процесса стирки в качестве параметра оптимизации выбран показатель отстирываемости .

Ограничимся линейной моделью вида:

.

Такая постановка задачи позволяет ставить опыт по схеме дробного факторного эксперимента для двух уровней факторов.

В качестве факторов, определяющих процесс, выделим количество моющего раствора температуру раствора при основной стирке, концентрацию моющих средств, продолжительность основной стирки после достижения заданной температуры, суммарное время механического воздействия.

Для уменьшения громоздкости приводимого примера выбрана четверть-реплика вида , содержащая всего восемь опытов. Интервалы варьирования:л,,г/л, мин,мин.

Матрица планирования показана в виде таблицы (Таблица 16).

Таблица 16

Матрица планирования

Номер опыта		, л				, г/л		, мин		, мин
1	+ 1	22	+ 1	85	+ 1	4	+ 1	30	+ 1	45
2	– 1	12	+ 1	85	+ 1	4	– 1	15	– 1	25
3	+ 1	22	– 1	65	+ 1	4	– 1	15	+ 1	45
4	– 1	12	– 1	65	+ 1	4	+ 1	30	– 1	25
5	+ 1	22	+ 1	85	– 1	2	+ 1	30	– 1	25
6	– 1	12	+ 1	85	– 1	2	– 1	15	+ 1	45
7	+ 1	22	– 1	65	– 1	2	– 1	15	– 1	25
8	– 1	12	– 1	65	– 1	2	+ 1	30	+ 1	45

Для отстирываемости получено следующее выражение:

.

Отдельные факторы влияют на отстирываемость следующим образом: ;при4 г/л;при;;.

Эти значения показывают, в каких пределах можно варьировать параметрами , чтобы повысить отстирываемость, и как влияет изменение каждого из факторов на показатель отстирываемости. Увеличение объема моющего раствора на 1 л приведет к повышению показателя отстирываемости всего на 0,12%.

Аналогичная математическая модель процесса стирки в активаторных стиральных машинах была получена Н. И. Сивченко и др.:

,

где – диаметр активатора;– частота вращения активатора;– высота лопатки.

Процесс сводится к удалению из ткани остатков растворимых веществ стирального раствора, отдельных частиц загрязнений, оставшихся в ткани. Эффективность полоскания определяется щелочностью воды после полоскания относительно щелочности заливаемой воды (ГОСТ 8051– 83*Е). Значение щелочности воды после полоскания относительно водопроводной воды не должно превышать 0,3 мг-экв/л.

В процессе полоскания используют большое количество воды. В барабанных машинах применяют 4–6 полосканий с расходом воды до 25 л на 1 кг ткани. В некоторых моделях машин применяют проточный способ полоскания. Расход воды в этом случае еще больше.

Выбор правильной технологии полоскания может дать наибольшую экономию расхода воды. На Рис. 93 приведена зависимость эффективности полоскания от числа полосканий в цикле. Для получения остаточной щелочности менее 0,3 мг-экв/л, как правило, требуется провести пять полосканий с общим расходом воды около 100 л. В модели «LavamatdeLuxeE» (ФРГ) уже после первого полоскания низкая щелочность объясняется тем, что в программе основной стирки в конце процесса предусмотрено четыре долива воды по 50 с и один долив 35 с, т. е. расход воды перенесен с процесса полоскания на процесс основной стирки, что в сумме не дает никакой экономии.

Для повышения качества полоскания во всех моделях стиральных машин применяют интенсивное механическое воздействие. Общее время полоскания составляет 8–25 мин. Эффективным методом повышения качества полоскания является введение промежуточного отжима между полосканиями длительностью (1–2) мин. Так, применение двух промежуточных отжимов длительностью по 2 мин после второго и третьего полоскания позволяет уменьшить число полосканий до четырех с обеспечением остаточной щелочности 0,17 мг-экв/л.

Рис. 93. Зависимость эффективности отполаскивания

от количества полосканий в цикле моделей машин:

1 – «Siwamat 810»; 2– «Lawamat»; 3 – «Siwamat 850»;

4 – «Candy»; 5 – ОЦ02; 6 – «Philips»; 7 – «Miele»