در برخی از فرمولاسیون‌های شوینده و بهداشتی، مشکل اصلی صرفاً «حل شدن» یک ماده در آب نیست؛ بلکه حفظ ذرات، کریستال‌ها، آلودگی‌ها، نمک‌های معدنی یا سایر اجزای نامحلول در یک وضعیت پایدار و کنترل‌شده است.
یک فرمولاسیون ممکن است در زمان تولید کاملاً یکنواخت به نظر برسد، اما در طول زمان با پدیده‌هایی مانند:
- تجمع و لخته‌شدن ذرات
- به‌هم‌پیوستن و تجمع ذرات
- ته‌نشینی (Sedimentation)
- رشد کریستال‌ها (Crystal Growth)
- تشکیل رسوبات معدنی (Scale Formation)
- بازرسوب خاک و آلودگی (Soil Redeposition)
- ناپایداری فازی (Phase Instability)
مواجه شود.
در چنین سیستم‌هایی، Dispersing Agents یا دیسپرس‌کننده می‌توانند با برهم‌کنش با سطح ذرات و تغییر نیروهای بین‌ذره‌ای، به کاهش تمایل ذرات به تجمع و حفظ پراکنش آن‌ها کمک کنند.
در مقابل، Hydrotropes یا هیدروتروپ‌ها عمدتاً با یک مسئله متفاوت سروکار دارند: بهبود حلالیت و سازگاری اجزای کم‌محلول یا دشوارحل‌شونده در فاز آبی. این مواد می‌توانند در فرمولاسیون‌های مایع، به‌ویژه سیستم‌های غلیظ حاوی سورفکتانت‌ها و الکترولیت‌ها، به افزایش حلالیت برخی اجزا و بهبود پایداری سیستم کمک کنند.
بنابراین، اگرچه دیسپرس‌کننده‌ها و هیدروتروپ‌ها هر دو می‌توانند به پایداری فرمولاسیون کمک کنند، نقش آن‌ها یکسان نیست: دیسپرس‌کننده‌ها عمدتاً بر رفتار ذرات و پایداری پراکنه تمرکز دارند، در حالی که هیدروتروپ‌ها بیشتر برای مدیریت حلالیت، سازگاری اجزای فرمولاسیون و پایداری فاز مایع به کار می‌روند.
در این میان، پلی‌نیل CP (کوپلیمر مالئیک اکریلیک)، و پلی‌نیل HP (سدیم پلی اکریلات) ، از جمله پلیمرهای موجود در سبد محصولات پدیده شیمی جم هستند که با توجه به ساختار و ویژگی‌های خود، می‌توانند در فرمولاسیون‌های شوینده به‌عنوان مواد پلیمری با عملکرد دیسپرس‌کنندگی (Dispersing Agent) مورد استفاده قرار گیرند.
در کنار این پلیمرها، سدیم زایلن سولفونات نیز به‌عنوان یک هیدروتروپ (Hydrotrope) در سبد محصولات پدیده شیمی جم تولید کننده مواد اولیه شیمیایی قرار دارد. نقش هیدروتروپ با دیسپرس‌کننده متفاوت است؛ اکسونیل SXS عمدتاً با بهبود حلالیت و سازگاری برخی اجزای کم‌محلول در فاز آبی، می‌تواند در فرمولاسیون‌های شوینده مایع به بهبود شفافیت، یکنواختی و پایداری سیستم کمک کند.
بیشتر بخوانید: سورفکتانت گیاهی در شوینده‌های صنعتی
دیسپرس‌کننده چیست؟
دیسپرس‌کننده (Dispersing Agent) افزودنی‌ای است که به یک محیط تعلیق اضافه می‌شود تا با کاهش نیروهای جاذبه بین ذرات، به جداسازی و پراکنش یکنواخت ذرات ریز جامد کمک کند.
تفاوت عوامل دیسپرس کننده، حل کننده، کیلیت کننده و پایدار کننده
یکی از اشتباهات رایج در طراحی فرمولاسیون ، استفاده از واژه‌های دیسپرس کننده، حل کننده و کی لیت کننده به‌عنوان اصطلاحات مترادف است.
این مواد می‌توانند در یک فرمولاسیون اثرات مشترکی ایجاد کنند، اما مکانیسم اصلی آن‌ها متفاوت است.
عامل حل کننده
هدف اصلی حل کننده یا Solubilizer افزایش حلالیت ظاهری یک ماده کم‌محلول و کمک به وارد شدن یا توزیع آن در یک محیط پیوسته است.
عامل کیلیت کننده
شلاته کننده یا Chelating Agent با یون‌های فلزی کمپلکس تشکیل می‌دهد و فعالیت یون‌های فلزی را کنترل می‌کند.
عامل دیسپرس کننده
Dispersant عمدتاً بر پراکندگی و جلوگیری از تجمع ذرات یا ساختارهای نامحلول تمرکز دارد.
عامل پایدار کننده
پایدار کننده یا Stabilizer اصطلاحی گسترده‌تر است و می‌تواند شامل موادی باشد که پایداری فیزیکی، شیمیایی یا رئولوژیکی سیستم را بهبود می‌دهند.
مقاله مرتبط: سورفکتانت‌های اولئوکمیکال؛ آینده شوینده‌های صنعتی پایدار
مکانیسم اصلی دیسپرس‌کنندگی؛ چرا ذرات دوباره به هم نمی‌چسبند؟
برای درک عملکرد دیسپرس‌کننده‌ها، ابتدا باید برهم‌کنش‌های بین‌ذره‌ای و عوامل مؤثر بر تجمع ذرات را بررسی کرد.
وقتی ذرات جامد ریز در یک محیط مایع پراکنده می‌شوند، سطح بین‌سطحی جامد–مایع قابل‌توجهی ایجاد می‌شود. رفتار ذرات در این سیستم به برآیند نیروهای جاذبه و دافعه بین‌ذره‌ای، از جمله نیروهای واندروالس و برهم‌کنش‌های الکترواستاتیکی و فضایی، وابسته است.
در صورت غالب بودن نیروهای جاذبه، ذرات می‌توانند به یکدیگر نزدیک شده و تجمع کنند. این تجمع می‌تواند بر پایداری سوسپانسیون و در ادامه بر رفتار ته‌نشینی ذرات اثر بگذارد.
دیسپرس‌کننده‌ها با جذب روی سطح ذرات و تغییر برهم‌کنش‌های بین‌ذره‌ای، می‌توانند از تجمع مجدد ذرات جلوگیری کنند.
پایدارسازی الکترواستاتیکی (Electrostatic Stabilization)
پایدارسازی الکترواستاتیکی، مکانیسمی است که در آن دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات هم‌بار، از نزدیک‌شدن و تجمع آن‌ها جلوگیری کرده و به پایداری دیسپرس کمک می‌کند.
ذره (+) ← دافعه → ذره (+)
پایدارسازی فضایی (Steric Stabilization)
پایدارسازی فضایی (Steric Stabilization)، مکانیسمی است که در آن لایه‌های پلیمری جذب‌شده روی سطح ذرات، با ایجاد مانع فضایی در برابر نزدیک‌شدن ذرات، از تجمع آن‌ها جلوگیری می‌کنند.
پایدارسازی الکترواستاتیک (Electrosteric Stabilization)
پایدارسازی الکترو‌استریک، مکانیسمی است که در آن ترکیب دافعه الکترواستاتیکی و ممانعت فضایی، از نزدیک‌شدن و تجمع ذرات جلوگیری کرده و پایداری دیسپرس را افزایش می‌دهد.
مطالعه بیشتر:مقایسه علمی مونوآلکانول‌آمیدها و مشتقات گلیسریدی
نقش وزن مولکولی در عملکرد دیسپرس‌کننده
یکی از پارامترهای بسیار مهم در پلیمرهای دیسپرس‌کننده، وزن مولکولی (Molecular Weight) است.
افزایش وزن مولکولی می‌تواند میزان پوشش سطح ذرات، ضخامت لایه پلیمری و رفتار رئولوژیکی سیستم را تغییر دهد. بااین‌حال، افزایش وزن مولکولی الزاماً به معنای بهبود عملکرد دیسپرس‌کننده نیست.
Higher Molecular Weight ≠ Always Better Dispersion
عوامل کیلیت کننده و دیسپرس کننده و مشکل سختی آب
یکی از مهم‌ترین چالش‌های فرمولاسیون و استفاده از مواد اولیه شوینده، حضور یون‌های Ca²⁺و Mg²⁺در آب است. یون‌های سختی می‌توانند با برخی مواد موجود در شوینده واکنش داده و ترکیبات کم‌محلول تشکیل دهند.
نتیجه ممکن است شامل:
- رسوب
- کاهش دسترسی و کارایی سورفکتانت در فرایند شست‌وشو
- کاهش قدرت پاک کنندگی
دیسپرس‌کننده‌ها می‌توانند در کنار Chelating Agents به کنترل این مشکل کمک کنند.
این دو عملکرد مکمل یکدیگر هستند:
Chelating agents → کاهش یون‌های فلزی آزاد
Dispersion → کنترل تجمع، تعلیق و بازرسوب ذرات
بنابراین یک سیستم حرفه‌ای کنترل سختی آب ممکن است به ترکیبی از Chelation و Dispersion نیاز داشته باشد.
پلی نیل CP؛ کوپلیمر مالئیک آکریلیک دیسپرس کننده قدرتمند و کیلیت کننده قوی
POLYNIL CP، کوپلیمر مالئیک اکریلیک، یکی از مهم‌ترین محصولات پدیده شیمی جم در حوزه دیسپرس‌کننده‌های پلیمری است.
این محصول از کوپلیمریزاسیون واحدهای مرتبط با Acrylic Acid و Maleic Acid تشکیل شده و در سایت پدیده شیمی جم به‌عنوان یک دیسپرس کننده قدرتمند و کیلیت کننده قوی یون های فلزی سنگین و قلیایی خاکی معرفی شده است.
POLYNIL CP در شوینده‌های پودری
کوپلیمرهای مالئیک آکریلیک (Acrylic Acid–Maleic Acid Copolymers) از پلی‌کربوکسیلات‌های مورد استفاده در فرمولاسیون شوینده‌ها هستند و می‌توانند به‌عنوان دیسپرس‌کننده، کمک‌سازنده (Co-builder) و عامل کنترل رسوب عمل کنند
POLYNIL HP؛ سدیم پلی‌اکریلات با عملکرد چندگانه
پلی نیل HP، سدیم پلی‌اکریلات با ساختار خطی، یکی دیگر از پلیمرهای مهم سبد پدیده شیمی جم است.
این محصول در سایت شرکت به‌عنوان:
- دیسپرس کننده
- کیلیت کننده
- پایدار کننده
- غیرسمی و سازگار با محیط زیست
- دارای مقاومت گرمایی و مکانیکی بالا
معرفی شده است.
یکی از تفاوت‌های مهم POLYNIL HP نسبت به POLYNIL CP، ساختار هموپلیمری و وزن مولکولی پایین‌تر آن نسبت به CP است که در صفحه محصول نیز به آن اشاره شده است.
PHOSPHONIL D73 یا دی اتیلن تری آمین پنتا متیلن فسفونات 7سدیم، دیسپرس کننده قدرتمند و کیلیت کننده قوی یون های فلزی
فسفونیل D73 در دسته فسفونات‌ها قرار می‌گیرد. DTPMP(7-Na)، می‌تواند به‌عنوان عامل کی‌لیت‌کننده و دیسپرس‌کننده یون‌های فلزی در فرمولاسیون‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. توانایی برهم‌کنش با یون‌های فلزی و پایداری مناسب در دامنه وسیعی از pH، از ویژگی‌های مهم این ترکیب در کاربردهای صنعتی به شمار می‌رود. در فرمولاسیون شوینده‌ها، DTPMP(7-Na) با کنترل یون‌های فلزی و کمک به پراکندگی گونه‌های نامحلول، می‌تواند به کاهش بازرسوب آلودگی روی پارچه و سطوح و در نتیجه، به بهبود عملکرد پاک‌کنندگی فرمولاسیون کمک کند.
PHOSPHONIL DA یا دی اتیلن تری آمین پنتا متیلن فسفونیک اسید، کیلیت کننده قوی و آنتی اسکالانت
DTPMP به‌عنوان عامل کی‌لیت‌کننده یون‌های فلزی، آنتی‌اسکالانت و پایدارکننده پراکسید شناخته می‌شود. این ترکیب به دلیل ویژگی‌هایی مانند پایداری حرارتی مناسب، عملکرد در دامنه وسیعی از pH و قابلیت استفاده در فرمولاسیون‌های اسیدی، در صنایع مختلف کاربرد دارد. همچنین، فسفونیل DA در ترکیب با برخی عوامل کی‌لیت‌کننده و بازدارنده‌های رسوب می‌تواند اثرات هم‌افزایی ایجاد کرده و به بهبود عملکرد سیستم در کنترل یون‌های فلزی و تشکیل رسوبات کمک کند.
پلی نیل HP در شوینده‌های مایع
در شوینده‌های مایع، پلیمر باید علاوه بر عملکرد دیسپرس‌کنندگی با سایر عوامل به کار رفته در فرمولاسیون از جمله سایر سورفکتانت ها، الکترولیت ها، اسانس ها، نگهدارنده ها، رنگ ها، عوامل کیلیت کننده و سایر افزودنی ها سازگار باشد.
افزایش بیش از حد ویسکوزیته می‌تواند پمپاژ و پرکنی را دشوار کند؛ در حالی که ویسکوزیته بسیار پایین ممکن است از نظر حس مصرف‌کننده یا پایداری محصول نامطلوب باشد.
پلی نیل HP به دلیل عملکرد چندگانه خود می‌تواند در طراحی چنین سیستم‌هایی مورد بررسی قرار گیرد.
دیسپرس‌کننده در مقابل ضد رسوب
این دو اصطلاح بسیار نزدیک‌اند، اما یکسان نیستند.
دیسپرس کننده
تمرکز اصلی آن بر جلوگیری از تجمع و حفظ پراکندگی ذرات است.
ضد رسوب (Scale Inhibitor)
تمرکز اصلی آن بر جلوگیری از تشکیل یا رشد رسوب است.
خطاهای رایج در انتخاب دیسپرس‌کننده
اینکه ماده‌ای روی برچسب «Dispersant» داشته باشد، به این معنی نیست که در تمام سیستم‌ها عملکرد یکسانی دارد.
یکی از خطاهای رایج، انتخاب دیسپرس‌کننده صرفاً بر اساس وزن مولکولی است؛ زیرا عملکرد دیسپرس‌کننده به ساختار آن وابسته می باشد. خطای دیگر، بی توجهی به سازگاری دیسپرس‌کننده با سطح ذره و محیط پراکنش است. انتخاب دیسپرس‌کننده باید بر اساس نوع و سطح ذرات، مکانیسم جذب، ساختار و وزن مولکولی پلیمر، شرایط محیط و مقدار مصرف و با ارزیابی عملکرد در سیستم واقعی انجام شود.
آینده فناوری دیسپرس‌کننده‌ها
یکی از مهم‌ترین مسیرهای توسعه در صنعت شوینده و مراقبت خانگی، حرکت از مواد با عملکرد تک‌گانه به سمت پلیمرهای چند منظوره است.
یک پلیمر مدرن ممکن است به‌طور هم‌زمان پراکنده‌سازی؛ جلوگیری از بازرسوب؛ کنترل رسوب و جرم؛ ممانعت از رشد بلور؛ کمک به آزادسازی آلودگی؛ و کنترل رئولوژی را ارائه دهد.
نمونه‌های جدید بازار نشان می‌دهند که صنعت حتی در حال حرکت به سمت پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر و زیست پایه است.
برای نمونه، BASF، محصول BVERDE® GP 790 L را به‌عنوان یک پلیمر ضدبازرسوب با قابلیت زیست‌تخریب‌پذیری سریع معرفی کرده است. این پلیمر، که از یک پلی‌ساکارید اصلاح‌شده تشکیل شده، دارای 79 درصد کربن زیست‌پایه است و با هدف ارائه عملکرد ضدبازرسوب مشابه شیمی آکریلاتی، در کنار رویکردی پایدارتر، توسعه یافته است.
در همین راستا، Clariant در خانواده پلیمرهای TexCare™بر عملکردهایی مانند آزادسازی آلودگی (Soil Release) ، جلوگیری از بازرسوب و بهبود عملکرد شست‌وشو در دماهای پایین تمرکز کرده است. همچنین، محصول TexCare™ Gemini Terra علاوه بر عملکرد Soil Release، با فناوری کنترل رئولوژی برای کنترل ویسکوزیته شوینده‌های مایع توسعه یافته است.
این نمونه‌ها نشان می‌دهند که توسعه نسل جدید پلیمرهای عملکردی در شوینده‌ها، از نقش سنتی دیسپرس‌کنندگی فراتر رفته و به سمت چندعملکردی شدن پلیمرها، شامل کنترل بازرسوب، آزادسازی آلودگی، کنترل رسوب و بلور و تنظیم ویژگی‌های فیزیکی فرمولاسیون، حرکت کرده است.
جهت حرکت بازار به سمت:
Dispersion + Cleaning + Deposition Control + Rheology + Sustainability
است.
جمع‌بندی
دیسپرس‌کننده‌ها و کیلیت کننده ها یکی از اجزای مهم در طراحی فرمولاسیون‌های مدرن شوینده، آرایشی و بهداشتی هستند؛ در سبد محصولات پدیده شیمی جم، پلی نیل CP، پلی نیل HP، فسفونیل DA و فسفونیل D73 چند نمونه از محصولات شرکت پدیده شیمی جم با عملکرد دیسپرس‌کنندگی و کیلیت کنندگی هستند.
در کنار این دو ماده سدیم زایلن سولفونات (اکسونیل SXS) به عنوان یک هیدروتروپ سولفوناتی به حلالیت سورفکتانت ها را در فرمول بهبود می بخشد و در نتیجه امکان استفاده از مقادیر بهینه سورفکتانت ها را در فرمول فراهم می کند. این ماده در صنایع مختلف به عنوان عامل امولسیون کننده، هیدروتروپ،حل کننده و ضد کلوخه شدن استفاده می شود. استفاده از این محصولات می تواند به افزایش پایداری و کیفیت محصول کمک کند.
