Detergenti: meccanismo di azione

I detergenti sono dei prodotti che vengono impiegati per allontanare da un substrato del materiale estraneo e non desiderato definito come sporco. I detergenti sono  sostanze chimiche o miscele usate per rimuovere sporco, grasso e altre impurità da superfici, tessuti, pelle, oggetti o materiali.

Legato allo sviluppo dei tensioattivi sintetici è quello dei detergenti.  Il sistema più diffuso di impiego di detergenti è in soluzione acquosa in modo che essi esaltino l’azione detergente posseduta dall’acqua in sé.
Il fenomeno della detergenza è piuttosto complesso e vari fattori concorrono ad influenzare il risultato finale. Un modello semplificato che risulta utile per studiare il fenomeno della detergenza è quello che prende in considerazione due stadi fondamentali: distacco dello sporco dal substrato, sospensione dello sporco nel bagno detergente.

Rimozione dello sporco

Il processo di rimozione dello sporco inizia a livello molecolare: la prima operazione consiste nella bagnatura del substrato; successivamente interviene  l’azione dei tensioattivi che abbassano la tensione superficiale dell’acqua, ovvero abbassano la forza che agisce all’interfaccia tre due liquidi immiscibili come acqua e olio e rendono più facile la dispersione di uno dei due nell’altro. Il tensioattivo è costituito da una parte idrofila che si lega all’acqua e di una parte idrofoba che tende a legarsi alla fase grassa dello sporco e a solubilizzarlo. Lo sporco grasso si discioglie nelle code lipofile e le particelle vengono disperse in acqua per mezzo della parte idrofila.

L’azione meccanica completa l’azione portando al distacco completo dello sporco. Le proprietà detergenti dipendono quindi dalla possibilità di formare emulsioni in cui le molecole del sapone racchiudono le particelle di sporco nelle micelle ovvero aggregati di molecole in fase colloidale.

Distacco dello sporco dal substrato

L’interazione sporco-fibra è di due tipi fondamentali:

Intrappolamento dello sporco nelle irregolarità della fibra

Esistenza di forze di van der Waals e coulombiane

Nello studio del meccanismo del distacco dello sporco insolubile in acqua da un substrato è preso in esame solo il secondo tipo di interazione. Lo sporco viene in genere differenziato come: sporco liquido o oleoso, in prevalenza di natura organica, e sporco solido in prevalenza di natura inorganica. Per entrambi i tipi di sporco il distacco dal substrato si ha quando le forze di adesione all’interfaccia substrato-sporco sono ridotti al di sotto di determinati  valori critici a opera del bagno detergente.

Il meccanismo che regola il distacco dello sporco è essenzialmente l’adsorbimento del tensioattivo sulle interfacce sporco-bagno e substrato-bagno. L’azione delle sostanze complementari deriva dalla loro alcalinità e dalla capacità di idrolizzare i grassi e oli che compongono lo sporco-liquido.

Sospensione dello sporco nel bagno detergente

Lo sporco allontanato dal substrato si trova nel bagno detergente come dispersione stabile. Nel caso dello sporco liquido si forma un’emulsione con gocce piccole di dimensioni colloidali la cui stabilità è garantita da una bassa tensione interfacciale olio-bagno. Nel caso dello sporco solido si hanno già delle particelle di dimensioni colloidali che danno luogo a una dispersione abbastanza stabilizzata dai componenti della formulazione detergente.

Lo strato disperso di un colloide è termodinamicamente instabile; infatti in presenza di particelle molto piccole si ha un elevato rapporto superficie/massa a cui corrisponde un elevato valore di energia interfacciale. Perché possa esistere uno stato disperso si deve far riferimento alla possibilità che esistano delle barriere alla flocculazione che siano energeticamente superiori alle energie in gioco nel moto browniano delle particelle. Le barriere che si oppongono alla flocculazione sono di due tipi molto diversi: steriche ed elettriche.

Barriere steriche

Sono dovute ad adsorbimento delle molecole idrate con conseguente formazione di uno strato che agisce come una barriera meccanica alla coalescenza ( la coalescenza è la proprietà fisica delle molecole dei liquidi di ricongiungersi dopo essere state separate). In tal modo le particelle non possono avvicinarsi oltre certi limiti e non mostrano più tendenza a flocculare. Con questo meccanismo un tensioattivo non ionico ha azione stabilizzante dei colloidi liofobi: esso si adsorbe formando uno strato orientato con la parte liofila all’esterno; questa ha una grande tendenza a idratarsi per cui la particella colloidale ne risulta come incapsulata

Barriere elettriche

Sono collegate alle cariche assunte dai colloidi in mezzo acquoso; si tratta in genere di cariche negative derivanti dalla più facile adsorbibilità degli anioni. Poiché il sistema nel suo insieme è elettricamente neutro si crea una carica diffusa di segno opposto intorno alle particelle. Di conseguenza si crea un potenziale che diminuirà rapidamente vicino alla superficie e tenderà a zero entro lo strato diffuso. Questo strato diffuso creato dall’agitazione termica prende il nome di strato diffuso di Gouy.

Del potenziale elettrico totale che circonda la particella ha notevole importanza il potenziale dello strato diffuso detto potenziale zeta in quanto esso rappresenta uno dei fattori di stabilità della dispersione colloidale.

L’effetto principale dei tensioattivi è attribuito alla loro capacità di sistemarsi per adsorbimento all’interfaccia sulla superficie delle particelle. Ne consegue una stabilizzazione del sistema colloidale che, in accordo con i due tipi fondamentali di barriere possibili, può essere attribuito per i tensioattivi non ionici all’effetto di idratazione e per i tensioattivi ionici all’aumento del potenziale zeta.

Esempi di detergenti

Sebbene accomunati dalla funzione pulente, i detergenti si presentano in forme e composizioni diverse, pensate per esigenze specifiche.

Un primo esempio classico tra i detergenti è il sapone, probabilmente il più antico. I saponi si ottengono tradizionalmente attraverso la saponificazione, una reazione chimica tra un grasso (di origine animale o vegetale) e una base, come l’idrossido di sodio. Il risultato è un sale di acido grasso che, a contatto con l’acqua, forma schiuma e aiuta a rimuovere lo sporco. Il sapone solido da bucato, il sapone di Marsiglia e le saponette per l’igiene personale sono esempi ben noti di questa categoria.

Con l’avvento dell’industria chimica moderna, si sono sviluppati i detergenti sintetici, spesso più efficaci dei saponi in condizioni difficili, come in acque dure, ricche di ioni calcio e magnesio. Questi detergenti sono formulati con tensioattivi appositamente studiati per sciogliere i grassi e sospendere lo sporco in acqua. Tra questi possiamo citare i detersivi per piatti, che troviamo in forma liquida o concentrata e sono formulati per sgrassare senza danneggiare la pelle delle mani.

Allo stesso modo, i detersivi per lavatrice, disponibili in polvere, liquido o capsule, contengono non solo tensioattivi ma anche enzimi, sbiancanti ottici e sequestranti per garantire un bucato pulito e profumato.

Tra i detergenti per l’igiene personale, troviamo prodotti come shampoo, bagnoschiuma e saponi liquidi, progettati non solo per detergere, ma anche per rispettare il pH della pelle o del cuoio capelluto e apportare benefici aggiuntivi come l’idratazione o la protezione contro i batteri. Vi sono poi i detergenti per superfici domestiche e industriali: spray multiuso, gel sgrassanti, detergenti per vetri, pavimenti o bagni, ognuno dei quali è formulato per affrontare tipi specifici di sporco e materiali.

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