Vliv alkalických látek na bílkovinná vlákna. Část 1

Použití alkalických složek je spolu s mechanickým působením na materiály nejdůležitějším faktorem při praní. Dříve se ke zvýšení alkality používal louh nebo vodný nálev z dřevěného popela, který díky obsaženému oxidu draselnému vytvářel při interakci s vodou hydroxid draselný KOH. Pro stejné účely byl izolován uhličitan sodný Na.₂CO₃ z popela některých řas. Moderní profesionální produkty používají hydroxid sodný nebo draselný, zatímco práškové produkty používají metakřemičitan sodný, uhličitany nebo hydrogenuhličitany sodný nebo draselný.

Všechny výše uvedené látky mají společné to, že se ve vodě rozkládají (disociují) za vzniku hydroxidového aniontu OH — , což je extrémně aktivní chemická částice určující alkalické prostředí. Snadno vstupuje do chemické interakce s bílkovinnými a tukovými kontaminanty a vede k jejich rychlému rozkladu.

Tím se však ničí nejen kontaminanty, ale také některé materiály na bázi proteinů, jako je vlna, hedvábí a viskóza, což je celulózový polymer modifikovaný xantátovými skupinami. Tato skutečnost vede k nevyhnutelnému poškození výrobků.

Náš článek bude věnován studiu vlivu látek, které vytvářejí zásadité prostředí při rozpuštění ve vodě na bílkovinná vlákna.

V průmyslu se obecně uznává, že hodnota pH nad 7 zajistí zkažení produktů s proteinovou vlákninou. Literární zdroje uvádějí, že hedvábí se rozpustí do 5 minut ve vroucím roztoku 5% alkálie. Podle našich údajů je situace mnohem složitější. Poškození produktu závisí na následujících základních faktorech:

• středa. Pro disociaci a tvorbu hydroxidového aniontu je důležitá přítomnost polárního prostředí, konkrétně vody nebo roztoku alkoholu. Jinak nevznikne. Klasickým příkladem jsou taková nepolární rozpouštědla jako perchlorethylen, uhlovodíky KWL, kde se hydroxid sodný a draselný a další uvažované sloučeniny nerozpouštějí, a tudíž se nerozkládají na ionty.
• Doba expozice a teplota. Jako příklad můžeme uvést výsledky experimentu z knihy A.F.Fedorové. „Technologie chemického čištění“ (2004), kdy se na vlněných vláknech po úpravě v perchlorethylenu při teplotě 40 °C po dobu 2 hodin vytvořily trhliny a dutiny a při 80 °C se začala zhoršovat šupinatá vrstva. Jak však víme, při provádění standardního chemického čištění při pokojové teplotě 20-25°C a délce koupele 5-7 minut není pozorováno zničení vlny ani při vícenásobném opakování procesu úpravy. Podle Van’t Hoffova pravidla se reakční teplota, včetně destrukce proteinových řetězců, zvyšuje 2-4krát na každých 10°C zvýšení teploty. To znamená, že procesy probíhající ve vroucím roztoku při 25°C se mohou zpomalit natolik, že negativní efekt bude prakticky nepostřehnutelný.
• Koncentrace hydroxidového aniontuOH– . Hodnota pH je logaritmická ve vztahu ke koncentraci daného aniontu. Proto se při hodnotách pH 8 a 12 jednotek bude koncentrace lišit 10 000krát! V důsledku toho se bude rychlost destrukce materiálu výrazně lišit. Velmi často každodenní vystavení slunečnímu záření, vlhkosti a mechanickému poškození vláken během nošení způsobí větší poškození výrobku než krátkodobé ošetření v mírně alkalických podmínkách.
• Mechanismus chemické destrukce. To je přesně ten faktor, na který spousta lidí zapomíná. Jakákoli destrukce materiálu je chemická reakce, která má svůj vlastní mechanismus. Aktivní částice (v našem případě hydroxidový aniont) napadá molekulu materiálu na určitém místě, reaguje a dochází k rozpadu. Ale v chemii existuje mnoho příkladů, kdy určité látky působí jako inhibitory (zpomalovače) určitých procesů. Možná v našem případě existují nějaké ochranné mechanismy.

Co je pH?

Při definování pH stupnice ihned učiníme důležitou výhradu pro zjednodušení. Ve vědě je místo koncentrace tzv. „aktivita“, která se může značně lišit v případě vysokého obsahu kyselin a zásad. Proto je důležité mít na paměti, že stupnice pH je použitelná pouze pro zředěné vodné roztoky. Jinak vstoupí v platnost jiné zákony a měření takových řešení povede k chybě.

Kyseliny se v roztoku disociují (rozkládají se) za vzniku kationtu H+ (proton) a zásady za vzniku aniontu OH- (hydroxidový aniont). Destilovaná voda H₂O také disociuje, ale velmi slabě, za vzniku protonového a hydroxidového iontu. Kromě toho jsou koncentrace těchto iontů ve vzájemném vztahu a jejich produkt je konstantní: iontový produkt [H + ]x[OH -] při 22°C je roven a činí 10 -14 mol 2 /l 2 (0,00000000000001). Koncentrace protonů [H + ] a hydroxidových iontů [OH − ] jsou tedy 10 −7 mol/L (0,0000001). Aby se předešlo provozu s tak nízkými hodnotami, byla zavedena zjednodušená logaritmická stupnice a znaménko mínus bylo „zbaveno“:

Vodíkový index (pH) tedy odráží kyselost nebo zásaditost vodných roztoků. Při teplotě 22 °C je pH 7 pro neutrální roztoky, méně než 7 pro kyselé roztoky, kde převažují protony H + a více než 7 pro alkalické roztoky, kde je koncentrace OH − iontů vyšší. Vodíkový index slouží jako kvantitativní charakteristika kyselosti roztoků, která má významný vliv na směr a rychlost mnoha chemických a biochemických procesů.

Je třeba také poznamenat, že stupnici pH lze rozdělit do pěti sekcí odpovídajících (Obr. 1) silně kyselé (0-3), mírně kyselé (3-7), chemicky neutrální (7), mírně zásadité (7-11), silně zásadité (11-14) prostředí.

Obrázek 1. Pět hlavních částí stupnice pH

Vysoké koncentrace protonových nebo hydroxidových iontů mohou mít příznivé účinky, jako je rozklad tuků zásadami nebo bělení pigmentů kyselinou, nebo mohou způsobit poškození fixováním barviv ve světlých oblastech kyselinou nebo ničením proteinových vláken zásadami. Nízké koncentrace protonového nebo hydroxidového aniontu mají za následek méně negativních účinků a někdy dokonce poskytují určité výhody. Proto je důležité pochopit, že mírně kyselé a mírně alkalické prostředí je často užitečné při čisticích procesech.

Aplikace pH v chemickém čištění a prádelně

Měření pH v průmyslu chemického čištění a prádelny je nezbytné pro:

• Pochopení úrovně zásaditosti vašeho pracího roztoku. Standardní úroveň pH se v tomto případě pohybuje od 10,5 do 13.
• Měření úrovně neutralizace alkálií na textiliích po posledním máchání. Přípustné pH je od 5,5 do 7. Při nedostatečné neutralizaci může u klientů dojít při kontaktu s materiálem k podráždění pokožky a také k tvorbě barevných skvrn při žehlení.
• Měření pH kontaktní vody v separátoru pro chemické čištění k pochopení kvality perchloretylenu. I v případě mírně kyselého prostředí je nutné provést opatření k neutralizaci kyselin v něm vznikajících.
• Pochopení, že v roztocích obsahujících organická rozpouštědla je měření pH jakoukoli metodou absolutně nesprávné a jeho hodnota neodráží skutečný stav takového prostředí.

Měření indikátoru pH

Pro přesné stanovení pH se používají především potenciometrie s měřením elektromotorické síly (EMF). Je důležité provést kalibraci se správně připravenými standardními roztoky ve dvou, nebo lépe ve třech bodech. Přesné měření vodíkového indexu je možné pouze tehdy, pokud je zařízení pravidelně kalibrováno a ověřováno.

Pro stanovení, která nevyžadují vysokou přesnost, se hodnota pH často měří pomocí řady indikátorů, z nichž každý při určité hodnotě pH mění barvu. Univerzální testovací proužky nejčastěji obsahují čtyři čtverce ošetřené různými indikátory, což umožňuje okamžitě získat výsledek při jakékoli hodnotě pH roztoku od 0 do 14.

Obrázek 2. Zbarvení různých indikátorů na různých úrovních pH. Ukázka kvalitních univerzálních proužků pro měření vodíkového indexu od fy Macherey-hřebík®

Případy nesprávného použití hodnoty pH

Podívejme se na některé příklady nesprávného měření pH v průmyslu chemického čištění a prádelny:

• Měření hladiny pH neprofesionálními, nekalibrovanými přístroji.
• Měření hladiny pH nevodných systémů, jako je perchlorethylen, uhlovodíky atd. Získané výsledky budou nesprávné! Potenciometrické přístroje pro měření pH jsou určeny pouze pro použití ve zředěných vodných roztocích a jsou kalibrovány podle vodných standardů. V nevodném prostředí platí jiné zákony, získané výsledky nemají žádnou hodnotu a nelze je správně interpretovat.
• Měření hodnoty pH pomocí indikátorových proužků v nevodných rozpouštědlech, odstraňovačích skvrn s vysokým obsahem rozpouštědel a také v roztocích alkoholu způsobí, že indikátor z proužku sejde, a proto bude zobrazení barev nesprávné.
• Iontový přípravek na vodu-líh, voda-glykol a další kombinace v koncentrovaných přípravcích na praní a chemické čištění včetně odstraňovačů skvrn je jiný než 14! Každý jednotlivý systém může mít stupnici pH až do 17, 19 atd. Přiměřené stanovení kyselých a alkalických oblastí je tedy možné pouze v laboratoři při studiu každého systému. To znamená, že použití standardních metod pro stanovení vodíkového indexu je nesmyslné!
• Hodnota pH 7 odpovídá neutrálním vodným roztokům přísně při pokojové teplotě. Se zvyšující se teplotou se zvyšuje disociace vody a při 100 °C má destilovaná voda pH » 6. Při teplotách pod 22 °C má čistá voda neutrální pH > 7.

Ničení bílkovin. Mechanismus ničení přírodních vláken

Důležitým procesem při praní je zničení proteinových skvrn pod vlivem alkalických složek. Stavebními kameny bílkovin jsou aminokyseliny (obr. 3), které mají dvě funkční skupiny – amin и karboxyl.

Obrázek 3. Struktura aminokyselin.

Podobně jako kostky slavného dánského výrobce tvoří molekuly aminokyselin snadno řetězce, které se spojují reakcí jedné skupiny s druhou (amidační reakce). Existuje celkem 20 různých přírodních aminokyselin s různými radikály R. Je možný nepředstavitelný počet možných sekvencí. Toto je primární struktura proteinů.

Obrázek 4. Čtyři úrovně organizace proteinových molekul.

Proteiny mají čtyři typy organizace své struktury (obr. 4).

1. Primární struktura je dlouhá molekula (makromolekula) sestávající ze sekvence aminokyselin. Ve vědě se nazývá polypeptid.
2. Sekundární struktura je spirála, v důsledku slabších vodíkových vazeb mezi atomovými skupinami -NH- a -C=O umístěnými v různých částech makromolekuly je řetězec zkroucený.
3. Terciární struktura – globule („kulička“) – vzniká v přítomnosti atomu síry v některých aminokyselinách tvorbou disulfidových můstků a také vodíkovými a iontovými vazbami.
4. Kvartérní struktura je komplex podjednotek. Spojení globulí do větších agregátů (nenalezeno ve všech případech).

Alkálie reagují s makromolekulami bílkovin a vedou k jejich destrukci, tedy „rozbití“ na menší části. V důsledku toho dochází k úplnému rozkladu za vzniku sodných (nebo draselných) solí původních aminokyselinových zbytků (obr. 5).

Obrázek 5. Reakce destrukce proteinu hydroxidem sodným (hydroxidový aniont) přes amidovou skupinu nastává také v případě destrukce hedvábného vlákna.

Molekuly proteinů lze nalézt nejen mezi kontaminanty, ale také mezi materiály. Vlna a hedvábná vlákna jsou také tvořena proteinovými molekulami, které jsou sekvencí aminokyselin. Přírodní hedvábí se například skládá z fibroinu, polypeptidu syntetizovaného housenkou bource morušového. Ve vroucím roztoku 5-7% hydroxidu sodného se hedvábí zničí za 9-10 minut. Struktura vlněných vláken je složitější, ale hlavním stavebním kamenem v ní je protein keratin.

Působení alkálií na přírodní proteinová vlákna je tedy destruktivní a vede ke zkažení. V další části článku se pokusíme tuto skutečnost experimentálně ověřit.