Сравнение силы растворителей для химической чистки

Гольдберг Алексей Андреевич, к.х.н., руководитель R&D отдела ООО «СИКМО»
Фрост Андрей Владимирович, ведущий технолог направления стирки и химчистки  ООО «СИКМО»

 

В данной же статье мы постарались обобщить знания обо всех растворителях химической чистки, представленных на рынке России. Кроме этого, мы представили результаты собственных исследований их растворяющей способности по отношению к олеофильным загрязнениям.

КРАТКОЕ СРАВНЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ

На рынке России представлено пять основных растворителей для химической чистки: перхлорэтилен (ПХЭ), углеводороды KWL, циклосилоксан D5 (силикон), дибутоксиметан (Solvon K4®) и комбинированный растворитель SENSENE®. Другие технологии чистки, такие как Rynex® и GenX®, обсуждаться в рамках данной статьи не будут, так как, по нашей информации, на отечественном рынке они не представлены.

В таблице 1 приведены основные физико-химические параметры растворителей (для удобства анализа синим отмечено наилучшее значение).

Как видно из таблицы, все пять растворителей значительно отличаются друг от друга по химическому строению и представляют абсолютно разные классы органических соединений.

Чем ниже температура кипения, тем ниже затраты на нагрев дистиллятора (ограничением является только фактор пожароопасности, поэтому на практике температура вспышки должна быть не ниже 55–60°С). Следовательно, перхлорэтилен имеет огромное преимущество над всеми остальными классами, так как он абсолютно пожаробезопасен, его температура кипения самая низкая и он единственный не нуждается в наличии вакуумного оборудования для перегонки (в исследовании мы не учитываем другие хлорсодержащие растворители, которые уже не используются в химической чистке).

Плотность растворителя также является важнейшим фактором. Чем она выше, тем эффективнее отделение сольвента при вращении барабана во время отжима. Таким образом и отжим, и сушка в перхлорэтилене протекают намного быстрее, чем в остальных растворителях (плотность ПХЭ максимальная, температура кипения минимальная среди всех растворителей). Плотность влияет и на деликатность процесса отжима: для растворителей с низкой плотностью скорость и продолжительность вращения барабана приходится увеличивать, а это отрицательно сказывается на изделии и приводит к повышению энергозатрат.

Токсичность и запах являются ключевыми параметрами. Первый непосредственно влияет на здоровье, а второй — на комфортность работы. Перхлорэтилен, в данном случае, проигрывает всем остальным конкурентам. Также следует отметить наличие запаха у Solvon K4^®, что тоже нельзя отнести к преимуществам.

Данная таблица не дает исчерпывающей информации: в ней отсутствует такой ключевой параметр как «сила» растворителя.

Данный параметр является тайной для многих специалистов, поскольку полноценных тестирований в этой области ранее не проводилось.

К сожалению, на рынке России долго оперировали Каури-бутанольным числом (КБЧ), которое, как уже было показано нами ранее, не может использоваться для оценки силы растворителя (для подробного ознакомления с данным вопросом предлагаем обратиться к нашей статье «Ограниченность применения каури-бутанольного числа для оценки силы растворителей химической чистки», опубликованной в журнале «Все для химчистки и прачечной» № 2-2020).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО ПРОВЕРКЕ ЧИСТЯЩИХ СВОЙСТВ РАСТВОРИТЕЛЕЙ

Для того чтобы продвинутся в данном вопросе можно разделить действие растворителей химической чистки на три типа:

1. удаление олеофильных загрязнений (жир, масло, смолы, кожное сало, битумы и т.п.);
2. удаление водорастворимых загрязнений (вино, чай, сахар, белки, биологические жидкости и т.п.);
3. удаление нерастворимых загрязнений (пыль, сажа, пыльца, окислы металлов).

Основная задача растворителя — это удаление олеофильных загрязнений, что обусловлено их химическим сродством. Однако они неспособны самостоятельно удалять загрязнения второго и третьего типов. Для этой задачи применяются различные усилители химической чистки, которые эмульгируют и диспергируют загрязнения. И чтобы изучить истинные растворяющие свойства исследуемых сольвентов, мы взяли за основу именно первый, олеофильный, тип загрязнений.

Нами были подобраны загрязнения, относящиеся к этой группе, и разработана методика.

СРАВНЕНИЕ СПОСОБНОСТИ УДАЛЕНИЯ ОЛЕОФИЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Компоненты олеофильных загрязнений можно разбить на 7 основных классов: жиры (триглицериды, диглицериды и т. п.), промышленные парафины и воски (предельные углеводороды), смолы (гетероциклические кислоты), асфальты (сложные ароматические соединения), циклоалканы, жирные кислоты и «эфирные масла» (сложные эфиры). К последнему классу мы добавили так же жирные спирты.

На рисунке 1 представлено многообразие олеофильных химических веществ, с которыми можно столкнуться в химической чистке.

 

Рис. 1. Химическое строение различных компонентов олеофильных загрязнений из таблицы 2

 

Мы подобрали пять продуктов, которые в совокупности содержат загрязнители всех 7 типов (см. табл. 2): битум дорожный, защитный парафиновый воск ЯВ-1 (АО «Славнефть-Ярославльнефтеоргсинтез», Россия), какао-масло недезодорированное (Cargill Cocoa S.A.R.L., Кот Д’Ивуар), канифоль сосновая очищенная (Россия), пчелиный воск (Россия). Эти загрязнения имеют среднюю твердость, и при проведении теста должны сохранять монолитную структуру (не крошиться). Таким образом мы планировали добиться послойного смывания загрязнений.

 

Таблица 2. Сводная таблица самых распространенных компонентов олеофильных загрязнений (строки), а также их наличие в пяти исследуемых продуктах (столбцы)

 

Описание эксперимента: для проверки растворяющей способности использовалась специальная установка с возможностью проведения параллельных экспериментов. В одинаковые химические стаканы помещали равное количество загрязнения (по 5 грамм) и расплавляли его при температуре от 50 до 150⁰С (в зависимости от типа загрязнения) до образования слоев одинаковой толщины. Затем охлаждали до комнатной температуры и помещали на установку.

В каждый стакан добавляли по 50 мл соответствующего растворителя. После 10 минут перемешивания при скорости 300 об/мин удаляли растворители декантацией, стаканы высушивали в сушильном шкафу при температуре 200⁰С и принудительной вентиляцией (этого достаточно для удаления следов растворителя).

После взвешивания находили количество нерастворившегося загрязнения m (в граммах), которое осталось в стакане. Для расчета эффективности использовали формулу:

Эффективность удаления (%) = (5 – m) / 5 × 100%

 

Таблица 3. Результаты эксперимента по удалению олеофильных загрязнений растворителями по олимпийской системе

 

Обнаружилось, что перхлорэтилен всегда оказывается на первом месте по растворению загрязнений, а циклосилоксан D5 практически ничего не растворяет (последнее место). Углеводороды всегда показывают себя хуже Solvon K4^® и SENSENE^®. Исключением служит парафиновый воск: здесь имеет место химическое сродство молекул растворителя и загрязнителя, и углеводородный сольвент KWL оказывается на втором месте.

В случае канифоли (смолы сосны) KWL-раствор получается мутным (рис. 2, левая нижняя часть), это можно считать недостатком, поскольку на практике такая эмульсия может расслаиваться и часть загрязнения осядет обратно на изделие.

 

 

Рис. 2. Внешний вид декантированных растворов после проведения эксперимента

 

Полученный результат представлен на диаграмме (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Результат эксперимента по удалению олеофильных загрязнений растворителями в процентном соотношении

 

СПОСОБНОСТЬ УДАЛЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Для оценки способности растворителей к удалению стандартных водорастворимых загрязнений, мы использовали тканевые образцы швейцарской компании Swissatest^®.

Исследуемые растворители не усиливались другими химическими веществами. Как и предполагалось (табл. 4), чистящая способность оказалась крайне низкой, и увидеть какие-либо различия между растворителями не представилось возможным. Для наглядности мы добавили строку, иллюстрирующую результаты короткой стирки данных образцов в водной среде.

Несмотря на то, что данный результат является отрицательным, он значим и наглядно показывает необходимость использования усилителей в процессе химической чистки.

 

Таблица 4. Результаты качественного исследования чистящей способности растворителей в отношении водорастворимых загрязнений, стандартно нанесенных на ткань (Swissatest^®, Швейцария, размер образца 50 × 50 мм, 15 минут при температуре 22°С)

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Так как эксперимент проводился в одинаковых условиях, мы можем просуммировать все эффективности в процентах для каждого растворителя. Результат представлен на диаграмме (рис. 4).

 

Рис. 4. Обобщенная способность различных растворителей к удалению загрязнений (баллы)

 

Итак, последнее место занял циклосилоксан D5, который практически не действует на олеофильные загрязнения. Учитывая слабые результаты и по водорастворимым загрязнениям, можно констатировать крайне низкую эффективность данного сольвента. К его минусам также можно отнести высокую требовательность к качественным усилителям и точности в разведении, возможность засорения углеводородами при дистилляции в случае превышения температуры перегонки (это может привести к повышенному содержанию воды в растворителе и к усадке изделий).

Каждый технолог должен отчетливо понимать, что циклосилоксан D5 — капризный растворитель и не терпит никаких нарушений в технологии чистки. Тем не менее, исходя из практических данных силикон имеет и преимущества: он придает хороший внешний вид вещам после обработки («лоск»), и иногда это может стать решающим фактором при выборе растворителя.

Растворяющая способность перхлорэтилена оказалась самой высокой, превосходя Solvon K4^® и SENSENE^® в среднем на 60%. С точки зрения химии, в этом нет ничего странного, так как хлорированные углеводороды являются экстремально мощными растворителями, более сильными чем углеводороды, эфиры, спирты.

К преимуществам перхлорэтилена относятся его низкая температура кипения, плотность, что снижает затраты электроэнергии, пожаро- и взрывобезопасность. Об этом не стоит забывать, поскольку энергоэффективность — такой же важный параметр, как и низкая токсичность.

К недостаткам ПХЭ можно отнести его неприятный запах и опасность при вдыхании, которые максимально нивелируются хорошей вытяжной системой. Из-за высокой растворяющей способности всегда есть риск воздействия на фурнитуру. И здесь альтернативные растворители имеют преимущество.

На наш взгляд, растворители химической чистки нужно подразделить на перхлорэтилен и остальные. Несмотря на все недостатки, сложно представить себе сольвент, который «переплюнет» ПХЭ по температуре кипения, огнебезопасности, плотности, растворяющей способности и цене. На данный момент, прорывные разработки в данной сфере отсутствуют. Все «новые» продукты являются реинкарнацией патентов 20, 30, 40-летней давности. Единственным исключением является Solvon K4^® от компании Chemische Fabrik Kreussler and Co GmbH, который был запатентован (патент US 8,801,807 B2) в 2014 году.

Если мы рассмотрим остальные растворители, то областью их применения будут деликатные процессы химчистки, вследствие меньшего воздействия на фурнитуру и максимального удаления водорастворимых загрязнений с  помощью усилителей.

Согласно нашим исследованиям, Solvon K4^® и SENSENE^® опережают классические углеводороды KWL по чистящей способности примерно на 45%. И нам кажется, что они заслуженно делят второе место по чистящей способности. Оба продукта обладают низкой токсичностью, но тем не менее, у каждого есть свой недостаток.

Solvon K4^® (дибутоксиметан) обладает неприятным навязчивым запахом, который ощущается да-же в низкой концентрации. Поэтому возникает ложное ощущение, что этот растворитель хуже всех удаляется при сушке с изделий. На самом деле, согласно таблице 1, циклосиксан D5 и SENSENE^® уходят при отжиме и сушке примерно одинаково, но они не пахнут, и такой проблемы не возникает, а Solvon K4^® часто приходится «досушивать». Можно по-разному к этому относиться, однако для некоторых это становится решающим фактором при выборе растворителя.

SENSENE^® также имеет свой недостаток, который будет описан в следующей главе.

РАСТВОРИТЕЛЬ SENSENE^® И ВОДА

Растворитель SENSENE^® является не индивидуальным химическим веществом, как, например, перхлорэтилен, дибутоксиметан, циклосилоксан, а смесью двух компонентов. Первый из них — углеводороды KWL, второй компонент был определен нами ранее (см. журнал «Все для химчистки и прачечной» № 2-2020) — это изомеры метилдипропиленгликоля, коротко «гликоль». Оба компонента имеют близкие температуры кипения.

Гликоль в SENSENE^® может смешиваться с водой в любом соотношении! Его использование вызывает некоторые вопросы, так как при попадании в водоотделитель такая двухкомпонентная смесь способна вести себя непредсказуемо. Например, часть гликоля может переходить в водный слой, который просто выливается в канализацию, а растворитель — медленно превращаться в обычный углеводородный сольвент KWL.

Мы провели простой эксперимент путем смешивания растворителя (10 мл) с водой (2 и 6 мл соответственно) (рис. 5). Видно, что в первом случае (10 мл SENSENE^® + 6 мл воды) в водный слой ушло 15% растворителя, а во втором (10 мл SENSENE^® + 2 мл воды) - 6%. Каков этот процент в реальном водоотделителе — пока загадка. Это связано с тем, что мы не знаем, насколько быстро идет переход гликоля из верхнего органического слоя в нижний водный (может быть в будущем у нас появится время и желание изучить и этот вопрос).

 

Рис. 5. Эксперимент по смешению растворителя SENSENE® с водой

 

ВЫВОДЫ

Решение по выбору растворителя для своего производства принимают технологи и руководители. На данный момент не существует «идеального» варианта, и, скорее всего, он не появится никогда. Есть множество факторов, влияющих на принятие решения: чистящие способности растворителя, себестоимость процесса чистки (куда входят и энергоэффективность, и цена сольвента), особенности обрабатываемого ассортимента, удобство и привычки работников химчистки и др. Всегда необходимо тщательно взвесить все ЗА и ПРОТИВ. Мы надеемся, что данная статья поможет в этом читателю.

В таблице 5 мы представили обобщенные данные по растворителям, представленным на рынке России.

 

Таблица 5. Обобщенные данные по растворителям химической чистки. Для полного анализа мы рекомендуем использовать также параметр «цена»

 

 

 

Отработанные способы утилизации есть только для перхлорэтилена.

Утвержденные методы контроля ПДК есть для перхлорэтилена и углеводородных растворителей KWL.

 

 

Авторы выражают признательность к.х.н. Гольдберг Анне Евгеньевне, Шошиной Наталье Валерьевне за помощь в подготовке материала.

Благодарим поставщиков за предоставленные для исследования образцы растворителей.

 

СИКМО, завод - полностью российская компания, которая занимается разработкой, производством и внедрением профессиональных моющих, чистящих и дезинфицирующих средств.
контакты компании