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chemie artikel (Interpretation und charakterisierung)

Zusammensetzung und untersuchung von waschmitteln


1. Atom
2. Erdöl



Rezeptur eines Woll- und Feinwaschmittels


Wirkstofftyp Beispiel Anteil in %
Tenside, ionisch Alkylbenzolsulfonat (ABS) bis 5
Tenside, nichtionisch Fettalkoholpolyglykolether 15 bis 30
Komplexbildner Pentannatriumtriphosphat 20 bis 35
Enzyme Proteasen 0,5 bis 0,8
Korrosionsinhibitoren Wasserglas 2 bis 5
Schaumregulatoren Seifen 2 bis 3
Vergrauungsinhibitoren Carboxymethylcellulose 0,5 bis 1,5
Duftstoffe 0,1 bis 0,2

Stellmittel Natriumsulfat 30 bis 60


Rezeptur eines Vollwaschmittels


Wirkstofftyp Beispiel Anteil in %
Tenside, ionisch ABS (s.o.)
Tenside, nichtionisch Fettalkoholpolyglykolether 10 bis 15
Komplexbildner Pentantriumtriphosphat, SASIL 30 bis 40

Bleichmittel Natriumperborat 20 bis 30
Stabilisatoren Ethylendiamintetraacetat

Magnesiumsilikat 0,2 bis 2,0
Schaumregulatoren Seifen, Silikonöle 0,2 bis 3,0
Vergrauungsinhibitoren Carboxymethylcellulose 0,5 bis 2,0
Weißtöner Stilben-, Pyrazolinderivate 0,1 bis 0,3

Enzyme Proteasen, Lipasen 0,5 bis 0,8
Korrosionsinhibitoren Wasserglas 3,0 bis 6,0

Duftstoffe Parfümöle 0,1 bis 0,2
Stellmittel Natriumsulfat 5,0 bis 15

Informationen zu den Wirkstofftypen:

Unter dem Begriff Tensid faßt man alle grenzflächenaktiven, waschwirksamen Stoffe zusammen. Das älteste Tensid ist die Seife, die schon die Ägypter gekannt haben sollen. Synthetische Tenside, die auch Detergentien genannt werden, wurden in großem Maßstab erst ab 1930 entwickelt und haben die Seifen auf vielen Gebieten verdrängt.
Synthetische Tenside besitzen eine asymmetrische polare Struktur mit räumlich getrennten hydrophilen (wasserliebenden) und hydrophoben (nicht-wasserliebenden) Gruppen. Der hydrophobe Molekülbereich ist meist ein Kohlenstoffrest und damit als unpolare Atomgruppe charakterisiert. Der hydrophile Bereich besteht aus polaren Atomgruppen, die naturgemäß mit anderen polaren Molekülen, z.B. mit Wasser, in Wechselwirkung treten können.
Je nach Art der hydrophilen Gruppe bzw. deren Ladung im Lösungsmittel (Solvens) unterscheidet man im allgemeinen zwischen vier Tensidklassen:

1. Anionische Tenside: Bei den anionischen Tensiden ist der hydrophobe Kohlenwasserstoffrest mit einer hydrophilen, negativ geladenen Gruppe verbunden:



Solche hydrophilen Gruppen sind z.B.: -COO-, -O-SO3-, -SO3-. Daraus resultieren:
a) Alkylcarboxylate (Seifen): R-COO-Me+
Das sind die ältesten Wasch- und Reinigungsmittel, die klassischen Aniontenside, die Seifen. Seifen bringen jedoch einige Nachteile als Tenside mit sich: Sie sind empfindlich gegen hartes Wasser. Calcium- und Magnesiumionen im Wasser reagieren mit den Seifenanionen in einer Fällungsreaktion, d.h. es entsteht ein schwerlöslicher Niederschlag. Da bei diesen Reaktionen wie schon erwähnt die Seifenanionen verbraucht werden, sind sie als Tenside nicht mehr wirksam. Man kann durch einen entsprechend hohen Zusatz von Seife schließlich eine vollständige Ausfällung der Metallionen erreichen und bei ausreichendem Seifenüberschuß eine Waschwirkung erzielen, aber: Der hohe Seifeneinsatz ist unwirtschaftlich, schadet der Umwelt und ebenso der Wäsche wie der Waschmaschine. Die entstehenden Niederschläge setzen nämlich sich auf der Wäsche ab, beeinträchtigen also ihre Gebrauchseigenschaften, d.h. sie verliert ihre Saugfähigkeit, vergilbt und bekommt durch die ranzig werdenden Niederschläge einen unangenehmen Geruch. Außerdem setzen schon geringe Mengen Alkalihalogeniden, z.B. Kochsalz, die Waschwirkung der Seife herab. So kann schon stark verschwitzte Wäsche den Wascherfolg erheblich beeinträchtigen. Daher spielen Seifen als waschaktive Substanzen in Waschmitteln nur noch eine untergeordnete Rolle.
b) Alkylsulfate (Fettalkoholsulfate = FAS)
Die Alkyl- bzw. Fettalkoholsulfate sind Schwefelsäurehalbester von Fettalkoholen und wurden bereits in den 30er Jahren als waschaktive Substanzen in Feinwaschmitteln ("Fewa\") eingesetzt. Sie sind auch heute noch in Gebrauch.
c) Alkansulfonate (AS)
Im Gegensatz zu den Alkylsulfaten ist hier das Schwefelatom der Sulfonatgruppe -SO3- direkt an das Kohlenstoffatom der Kohlenwasserstoffkette gebunden.
d) Alkylbenzolsulfonate (ABS)
Im Vordergrund stand bis vor wenigen Jahren in dieser mengenmäßig größten Gruppe der synthetischen Tensiden das Tetrapropylenbenzolsulfonat (TPS) ("Sunil\", "Persil\"), das in den 50er Jahren die Seife als Tensid weitgehend verdrängte. Nachdem sich gezeigt hatte, daß TPS aufgrund seiner verzweigten Alkylkette im Abwasser nur unzureichend abgebaut wird, gelang es, TPS durch leichter abbaubare - weil geradkettige - Verbindungen zu ersetzen. TPS wurde ab 1964 durch lineares Alkylbenzolsulfonat (ABS) abgelöst. Seit Jahren ist das lineare ABS das wichtigste Tensid der Waschmittelchemie, nicht zuletzt auch wegen seines deutlichen Preisvorteils gegenüber anderen Tensiden.



2. Kationische Tenside: Bei den kationischen Tensiden ist der hydrophobe Kohlenwasserstoffrest mit einer hydrophilen stickstoffhaltigen, positiv geladenen Gruppe verbunden.

Deshalb nennt man sie auch invertierte Seifen oder Invertseifen. Zu den kationischen Tensiden gehören u.a. quartäre Ammoniumverbindungen (QVA), wobei die niedermolekularen Anionen in der Regel Säurereste wie Cl-, Br-, SO42-, R-COO- usw. sind. Als waschaktive Substanzen in Waschmitteln spielen die QAV keine Rolle, da ihre Säuberungswirkung unbefriedigend ist und sie sich mit anionaktiven Tensiden stöchiometrisch zu meist unlöslichen waschinaktiven Neutralsalzen umsetzen.
Die eigentliche Bedeutung der Kationentenside in der Waschmittelchemie liegt in der Verwendung als sogenanntes Avivagemittel: sie zeigen antistatische Wirkung und werden als "Weichmacher\" im Spülbad eingesetzt.

3. Nichtionische Tenside (Niotenside) sind Produkte, in denen aus einem ursprünglichen hydrophoben Rest durch Hinzuführen von zur Hydratisierung befähigten, ungeladenen Glykolethergruppen ein hydrophiler Rest wird. Die klassischen nichtionischen Tenside auf dem Waschmittelsektor sind substituierte Polyglykolether, die durch alkalisch katalysierte Umsetzung nativer oder synthetischer Fettalkohole mit Ethylendioxid hergestellt werden. Daraus resultieren Alkylpolyglykolether (Fettalkoholoxethylate), sie sind schwach polar und können als Dipole aufgefaßt werden, sind also wasserlöslich. Allerdings ist die Hydratisierung temperaturabhängig und wird beim Erwärmen über eine bestimmte Temperatur wieder aufgehoben, die Löslichkeit und somit die Waschkraft nimmt also mit steigender Temperatur ab.

4. Amphotere Tenside sind zwitterionische Moleküle, d.h. der hydrophobe Kohlenwasserstoffrest ist mit einer positiv geladenen wie auch mit einer negativ geladenen Gruppe verknüpft.



Dazu zählen beispielsweise Verbindungen mit Betaincharakter. Amphotere Tenside verhalten sich im alkalischen Milieu mit pH > 8 wie Aniontenside, im sauren Milieu mit pH > 4 wie Kationtenside. Zu den besonderen Eigenschaften zählen z.T. eine keimtötende Wirkung sowie ein teilweise sehr gutes Waschvermögen. Diese Eigenschaften werden auch in Kombination mit Anion- und Kationtensiden kaum beeinträchtigt.
Trotzdem sind die amphoteren Tenside, u.a. wegen ihres hohen Preises, in Waschmitteln noch nicht eingesetzt worden.

Eigenschaften der Tenside: Gegenüber Calcium- und Magnesiumionen, die hauptsächlich die Wasserhärte bedingen, sind synthetische waschaktive Substanzen im Gegensatz zu Seifen weitgehend unempfindlich. Nichtionische Tenside bilden in wäßriger Lösung keine Ionen und die in Waschmittellösungen enthaltenen Anionenkonzentrationen der Aniontenside reichen im allgemeinen zur Bildung von Niederschlägen nicht aus.
Die Wasch- und Reinigungswirkung von Seifen wird bereits durch geringe Elektrolytkonzentrationen im Solvens erheblich herabgesetzt. Gegen diesen Einfluß sind synthetische Tenside weitestgehend unempfindlich.

Moderne Waschmittel sind natürlich Mehrkomponentensysteme (s.o. "Rezepturen\"). Die neben den Tensiden wichtigsten Bestandteile sind im Folgenden erläutert.

Komplexbildner als Enthärter. Was die Beschaffenheit des zum Waschen verwendeten Wassers angeht, so ist besonders der natürliche Gehalt an Härtebildnern sowohl für die Waschwirkung, als auch für die Wäsche und Waschmaschine nachteilig: Kalkhaltige Ablagerungen schädigen die Fasern der Wäsche ebenso wie wichtige Waschmaschinenbauteile. Deshalb müssen Waschmittel Stoffe enthalten, welche die Wasserhärte beseitigen können. Dazu sind wasserlösliche Komplexbildner, sogenannte "Builder\", geeignet. Diese sind in der Lage, die im Wasser enthaltenen mehrwertigen Metallionen weitgehend in wasserlösliche Komplexverbindungen zu überführen, also die Metallionenkonzentration in der Lösung herabzusetzen.
Neben Komplexbildnern werden heute anorganische Ionenaustauscher vom Typ der Natrium-aluminium-silikate (Henkel: SASIL [ Na2O · Al2O3 · 2 SiO2]) eingesetzt. Ein anderer wichtiger Komplexbildner war (ist z.T. noch immer) das Pentanatriumtriphosphat, Na5P3O10. Bei richtiger Dosierung können Waschmittel mit einem mittleren von 30 % bis 40 % Pentanatriumtriphosphat auch im Härtebereich 4 (>21° dH) die Härtebildnerionen durch Komplexierung beseitigen. Darüber hinaus hinaus vermag diese Waschmittelkomponente, in Kombination mit den Tensiden, deren Waschwirkung positiv zu beeinflussen: Der Komplexbildner Pentanatriumtriphosphat ist ein Salz, also eine Ionenverbindung. Der Zusatz von Ionen erhöht die Grenzflächenaktivität der Tenside. Pentanatriumtriphosphat zeigt noch eine andere Eigenschaft: Die Komplexbildneranionen verfügen über ein ausgeprägtes Suspendier- und Emulgiervermögen. Eine gute Suspendierung und Emulgierung des Schmutzes ist für den Waschprozeß von enormer Bedeutung. Nur so kann eine erneute Ablagerung des schon abgelösten Schmutzes an der Faser verhindert und eine Vergrauung zurückgedrängt werden. Allerdings tragen die in den Waschmitteln enthaltenen Phosphate zur Eutrophierung (unerwünschte Zunahme eines Gewässers an Nährstoffen [z.B. durch Einleiten ungeklärter Abwässer, Stickstoffauswaschungen aus dem Boden in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten] und das damit verbunden schädliche Wachstum von Pflanzen, v.a. Algen, und tierischem Plankton. Folge ist die erhebliche Verminderung des Sauerstoffgehalts des Gewässers. Das Gewässer "stirbt aus\".) stehender und langsam fließender Gewässer bei. Die meisten Waschmittelanbieter verzichten daher heute auf den Einsatz von phosphathaltigen Komplexbildnern.

Bleichmittel: Eine Reihe von hartnäckigen Verschmutzungen sind auf Verfärbung der Textilfaser zurückzuführen. Solche farbigen Anschmutzungen, die technische, pflanzlichen oder tierischen Ursprungs sein können, wie z.B. Tinte-, Obst-, Gemüse-, Kaffee- oder Rotweinflecken um nur einige zu nennen, sind aber allein durch Tensidbehandlung nicht oder nur unvollständig zu entfernen. Um sie zu beseitigen, enthalten Waschmittel Wirkstoffe, die die Farbstoffe oxidativ zerstören. Reduzierend wirkende Bleichmittel spielen praktisch keine Rolle.
In Waschmitteln werden anorganische Peroxide und Peroxyhydrate verwendet. Seit über 80 Jahren hat sich Natriumperborat erwehrt. Die Peroxidbleiche wirkt oberhalb von 60°C optimal. Bei Waschtemperaturen unter 60°C kann man sogenannte Bleichaktivatoren einsetzen. Mit dem Perborat bilden diese, nahezu unabhängig von der Waschtemperatur, organische Persäuren. Diese sind es, die im Waschbereich unter 60°C bereits bleichend und desinfizierend wirken.

Stabilisatoren: Der Abbau der Bleichmittel wird bereits durch Spuren von Schwermetallionen wie Eisen, Kupfer oder Mangan in unkontrollierbarer Weise katalysiert. Da eine dann einsetzende spontane Freisetzung von aktivem Sauerstoff die Bleichwirkung beeinträchtigt und auch das Textilgut schädigen würde, ist es notwendig, die Schwermetallionen zu entfernen.
Durch den Einsatz geeigneter, selektiv wirkender Komplexbildner wie z.B. Ethylendiamintetraacetat (EDTA) oder Nitrilotriacetat (NTA) können die Schwermetallionen aus der Waschlösung entfernt werden.
Anders wirken Silikate, wie z.B. Magnesiumsilikate. Sie können Schwermetallionen adsorbieren und so unwirksam machen. Außerdem reagieren sie als Salze alkalisch, wodurch die Waschwirkung verbessert wird.

Schaumregulatoren (Antischaummittel): Auch heute vielfach das Vorhandensein von Schaum als Voraussetzung für einen optimalen Wascherfolg angesehen, dabei hat er nur noch in den wenigsten Fällen eine echte Aufgabe beim Waschprozeß (Ausnahme: Schaum als Dämpfung bei Wollwäsche. Schutz vor Verfilzung). Vielmehr ist eine starke Schaumbildung für die Trommelwaschmaschine von Nachteil, da sie zum Überschäumen der Waschlauge führen kann.
Da nach dem Zusatz eines Schaummittels gebildeter Schaum bei Seifenzugabe zerstört wird, werden zur Schaumregulierung bei Waschmitteln heute langkettig Seifen mit 18 bis 22 Kohlenstoffatomen benutzt. Allerdings sind dem technischen Einsatz von Seifen als Schaumregulatoren durch zwei Nachteile Grenzen gesetzt:
a) Schaumzerstörend wirken nicht die Seifen selbst, sondern die Kalkseife, die aus den im Wasser enthaltenen Calciumionen und den Seifenanionen entsteht. Eine befriedigende Wirkung der Schaumregulation ist folglich nur bei entsprechend hohen Calciumionenkonzentrationen gewährleistet. Es liegt auf der Hand, daß in Gegenden mit sehr weichem Wasser (also nicht in Mönchengladbach!) die Schaumbildung unter Umständen nicht genügend gebremst wird. Eine zu hohe Calciumionenkonzentration ist jedoch auch nicht von Nutzen (siehe Komplexbildner als Enthärter).
Man verwendet calciumhaltige Komplexe mit nicht besonders großer Stabilität, so das die Seifen mit den darin enthaltenen Calciumionen in der Lage sind, schaumregulierende Kalkseife zu bilden.
Bei Waschlaugentemperaturen unter 75°C sind kurzkettige Kalkseifen wirksamer als langkettige, bei Temperaturen über 75°C ist es umgekehrt. Aus produktionstechnischen und Kostengründen setzt man daher in Waschmitteln Seifengemische ein.
b) Die schaumregulierende Wirkung bestimmter Seifen ist darüber hinaus abhängig vom eingesetzten Tensidtyp.

Vergrauungsinhibitoren: Während sich Seife durch ein sehr gutes Schmutztragevermögen auszeichnet, reicht dies bei synthetischen Tensiden in der Regel nicht aus, um bei jeder Art der Wäscheverschmutzung das Wiederaufziehen des abgelösten Schmutzes auf die Faser zu verhindern. Bei wiederholtem Waschen würde dies zum Vergrauen des Waschgutes führen. Infolgedessen müssen den synthetische Waschaktivstoffen Substanzen zugesetzt werden, die in der Lage sind, den abgelösten und suspensierten bzw. emulgierten Schmutz längere Zeit schwebend im Waschwasser zu halten. Solche Verbindungen werden als Vergrauungsinhibitoren bezeichnet. Sie wirken, indem sie an die Faseroberfläche adsorbiert werden, wodurch das Wiederaufziehen der bereits gelösten Schmutzpartikel erschwert wird.
Die Wirkung der Vergrauungsinhibitoren beschränkt sich ausschließlich auf die Erhöhung des Schmutztragevermögens. Einen waschaktiven Effekt zeichnen diese Substanzen praktisch nicht aus.

Weißtöner (optische Aufheller): Bleichmittel und Vergrauungsinhibitoren sind Stoffe, die dem Bedürfnis nach reiner, vor allem weißer Wäsche weitgehend entsprechen. Den optimalen Weißeindruck erhält man aber nur, wenn die verwendeten Waschmittel Weißtöner enthalten. Sie haben die Eigenschaft, für das menschliche Auge nicht sichtbares UV-Licht mit Wellenlängen zwischen 290 bis 400 nm, welchen in geringem Maße im Sonnenlicht enthalten ist zu absorbieren und anschließend als sichtbares blaues Licht zu reflektieren. Durch additive Farbmischung kompensiert dieses Licht den Gelbstich der Fasern. Darüber hinaus verhilft das blaue Fluoreszenzlicht der Faser zu blaustichigen Weiß. Unser Auge empfindet ein blaustichiges Weiß weißer als ein gelbstichiges.
Der oft zitierte Werbeslogan "Weißer als Weiß\" ist also nicht nur ein gut formulierte Floskel, sondern tatsächlich durch das Zusammenspiel des rein physikalischen Vorgangs der Lichttransformation mit dem physiologischen Prozeß der Farbwahrnehmung und der chemischen Bleichwirkung zu belegen.

Enzyme: Ähnlich hartnäckig wie farbige Flecken haften Stärke- und Eiweißverschmutzungen wie z.B. solche aus Eigelb, Kakao, Milch, Blut, Bratensauce usw. auf der Wäsche und lassen sich vor allem nach dem Antrocknen mit normalen Waschmitteln nur unvollständig oder gar nicht von den Fasern entfernen.
Das Auswaschen solcher Anschmutzungen ist durch den Zusatz eiweißspaltender und/oder stärkeabbauender Enzymen möglich.
Erst Mitte der 60er Jahre gelang es, Waschmittel mit Enzymen zu versetzen, die gegenüber komplexbildenden alkalisch und oxidativ wirkenden Waschmittelzusätzen und auch bei höherer Temperatur ausreichend stabil sind. Anfängliche Schwierigkeiten bei unsachgemäßer Handhabung konnten durch "Verpillung\", einem Einkapselvorgang, umgangen werden.
Da auch die toxokologische und ökologische Unbedenklichkeit der verwendeten Enzyme gesichert ist, sind sie aus modernen Waschmitteln nicht mehr wegzudenken.
Die deutlich verbesserte Waschkraft enzymhaltiger Waschmittel ist auf die enzymatische Spaltung der Eiweiße zurückzuführen.

Korrosionsinhibitoren: Aluminium ist in einem alkalischen Milieu wie dem einer Waschlauge durch Umwandlung in Aluminat und Wasserstoff löslich. Einige Waschmaschinenbestandteile bestehen jedoch aus Aluminium, weshalb es notwendig ist, die korrosiven Einflüsse der Waschlauge zu verhindern. Dies geschieht dadurch, daß in heutigen Maschienwaschmitteln Korrosionsinhibitoren in Form von Wasserglas eingearbeitet werden.
Wasserglas ist ein kolloidales Silikat, das die Eigenschaft hat, sich auf Metalloberflächen in dünner Schicht abzulagern, um so eine Schutzschicht auszubilden, die die Aluminiumbauteile der Waschmaschine schützt.
Darüber hinaus verfügen Silikate über eine große spezifische Reinigungskraft gegnüber Metalloberflächen, so daß es in ihrer Gegenwart kaum zu Schmutzablagerungen auf Waschmaschinenteilen kommt.

Duftstoffe: Standorte für Haushaltswaschmaschinen sind in vielen Fällen Badezimmer, Küchen oder Hauswirtschafträume. Um in solchen Räumen unangenehme Laugengerüche im gesamten Temperaturbereich zu überdecken, ist es wichtig, die Waschmittel mit Duftstoffen, einem Gemisch verschiedener Parfümöle, zu versehen. Daß durch die Parfümierung das Waschpulver einen angenehmen Geruch erhält, ist sicher mehr als ein willkommener Nebeneffekt. Wichtig für den Duftstoff ist, daß er sowohl der feuchten wie auch der trockenen Wäsche einen frischen, unaufdringlichen Duft verleiht.

Stellmittel: Vor allem in geöffneten Packungen sollten Pulverwaschmittel ihre Pulvereigenschaft beibehalten, auch bei hoher Luftfeuchtigkeit. Wegen guter Dosierbarkeit und rascher Löslichkeit sollten sie gut rieselfähig bleiben und nicht verklumpen. Dazu werden waschinaktive anorganische Salze, z.B. Natriumsulfat, als sogenannte Stellmittel verwendet.

 
 



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