中国家用电器研究院
测试计量技术研究所

新漂洗性能试验方法原理及各影响因素相关性分析

2016-09-07 13:54浏览数:245 

作者:岳京松 张晓 梁志勇 秦雅伟(中国家用电器研究院 健康家电分析测试中心)


1 引言

洗衣机是中国家庭最普及的电器产品之一。常见的洗衣机有滚筒式、波轮式、搅拌式三种类型。尽管其洗涤原理有所差异,但目的相同,都是清洁衣物。洗衣机的清洁代表了2方面的含义:(1)通过洗涤过程,去除织物上的污垢;(2)通过漂洗过程,去除残留在织物上的洗涤剂(尤其是表面活性剂一类物质)。这2方面对于一款合格的洗衣机产品来说都是不可或缺的。目前在试验方法中,对于洗涤过程的清洁评价已经十分成熟、稳定,但是该如何评价洗衣机的漂洗性能,以及如何改进才能提升洗衣机的漂洗性能?依然是需要不断深入研究的问题。


2 洗衣机漂洗性能试验研究的背景及意义

衣物上的污垢大体可分为油质污垢、水溶性污垢及固体颗粒物污垢这3类。这些污垢往往不是单独存在,而是互相连结成为一个复合体,受到外界环境、微生物等因素的影响氧化分解形成更为复杂的化合物。除汽油干洗、超声波振动清洁等方法外,目前生活中最常用的织物清洁方法是在水中添加化学洗涤剂,结合洗衣机的机械运动来去除织物污垢。

洗涤剂之所以能去污,与其所含表面活性剂的分子结构有密切关系。表面活性剂是一种能在低浓度下降低溶剂表面张力的物质。肥皂、合成洗涤剂都使用了该物质。表面活性剂可以渗入织物纤维的空隙中,把污垢“挤”出来。洗衣机在洗涤过程中主要是利用机械力促使污垢的脱离和移走。但是污垢去除后,表面活性剂就停留在了这些纤维的空隙中,很难清洗。同样的原理,残留在衣物上的表面活性剂也可能渗入人体。据研究数据显示,通过衣物沾到皮肤上的洗涤剂大约会有0.5%渗入血液,皮肤上若有伤口则洗涤剂的渗透力会提高10倍以上。进入人体内的化学洗涤剂可使血液中的钙离子浓度下降,血液酸化,人容易疲倦。这些毒素还会使肝脏的排毒功能减弱,使原本应该排出体外的毒素在体内积累,导致人们免疫力下降。由于这种污染的危害短期内不明显,因此往往会被忽视。人们生活的不断进步是必然的,对洗涤剂的使用也是不可避免的。所以,提升洗衣机的漂洗能力,避免洗涤剂在衣物上的过高残留就成为当务之急。

洗衣机制造企业也意识到了这个问题,目前很多洗衣机产品都专门设置了高性能的漂洗程序,“高漂洗性能”与“低洗涤剂残留”几乎成了高端洗衣机的代名词,同时也成为洗衣机制造企业的重点研发方向。与此对应,如何客观的评价洗衣机的漂洗性能,也是洗衣机性能测试方法研究的重点。


3 洗衣机新漂洗性能试验方法的研发

对于洗衣机漂洗性能的评价方法多种多样,国际上有影响力的试验方法大约有10种左右。其中最为重要的有3种,即,欧洲的相对碱度试验方法,北美的直链烷基苯磺酸钠(LinearAlkyl benzene Sulfonates)(简称LAS)残留量试验方法,以及我国最新研究的基于去除率计算漂洗率的试验方法(以下简称“新漂洗性能试验方法”)。

在我国现行国标GB/T 4288-2008中,所使用的漂洗性能试验方法与欧洲IEC标准相对碱度的试验方法很相似,都使用测量漂洗残留溶液相对碱度作为测试结果。该方法的主要问题是,一般情况下,试验用水的碱度与最终衣物中残留液的碱度很接近,因此试验用水所引入的影响因素很大,由此造成测试结果不稳定,试验重复性较低;而且因各试验室水质条件差异较大,造成试验室间的测试结果波动较大,试验重现性较差。北美LAS试验方法最大的优点是通过计算推导的方式消除了试验用水所产生的影响,但是试验较为繁琐,如果洗涤剂的化学成分比例稍有差异(即使相同配方的洗涤剂,不同批次产品也必然会存在这种差异),就需要重新通过试验计算推导。总体来看,各种漂洗性能试验方法不是理论上有欠缺,就是操作难度大。洗衣机性能试验影响因素较多,精准的化学分析意味着繁琐的试验步骤与较高的技术要求,而繁琐的操作会导致试验方法的可行性降低。因此,洗衣机漂洗性能检测需要一种操作相对简单,分析过程不太复杂,重复性高的方法。经过多年的研究,我们提出了以去除率为基础,通过计算在最终织物上的洗涤剂残留量与漂洗率来评价洗衣机漂洗性能的试验方法。经大量试验证明,该方法具有很好的重复性与重现性。

新漂洗性能试验方法的计算方法如下:


式(1)中:

Pr—漂洗液去除率,单位以百分数(%)表示;

uHCl—滴定残留漂洗溶液的盐酸用量的平均值,单位为毫升(mL);

vHCl—滴定试验用水的盐酸用量的平均值,单位为毫升(mL);

VHCl—滴定主洗涤溶液的盐酸用量的平均值,单位为毫升(mL)


式(2)中:

Q—每千克干燥试验负载对应的洗涤剂残留量,单位为克每千克(g/kg);

n—洗涤时,洗涤剂总添加量,单位为克(g);

H—含水率,即H=(湿负载质量-干负载质量)×100%/干负载质量;

ρ—残留漂洗液浓度,通常取ρ=1.0kg/L;

Vc—主洗涤水量,单位为升(L)。


式(3)中:

P—漂洗率,单位以百分数(%)表示;

m—试验负载质量,单位为千克(kg)。

将式(2)带入式(3)可以合成式(4),即,新漂洗性能试验方法最终计算公式:


公式的推导过程:


4 洗衣机新漂洗性能试验方法的试验研究

从计算公式可知,漂洗液去除率Pr是全部计算的基础,决定了试验方法的稳定性。通过使用滚筒式参比机注1进行20组试验验证——去除率试验的重复性远优于传统相对碱度的试验方法

(参考2种试验方法标准偏差与平均值的比值,见表1)。

新漂洗性能的最终计算结果P与滴定试验用水的盐酸用量vHCl、滴定主洗涤溶液的盐酸用量VHCl、滴定残留漂洗溶液的盐酸用量uHCl、试验负载最终含水率H、主洗涤水量Vc以及试验负载质量m,这6个因子相关。通过公式(4)可以看出,这些因子中有约一半与试验结果正相关,另一半与试验结果负相关。实际测试中,可以认为滴定试验用水的盐酸用量vHCl是基本恒定的。通过对波轮式洗衣机及滚筒式洗衣机各约50台样机的试验情况,总结出每个因子的大致数据范围(见表2、表3),结合每组数据范围的中位值以及单个因子的变化范围,可以计算出每个因子对于P值大致的影响范围注2。一般情况下,波轮式洗衣机P>90.9%,滚筒式洗衣机P>92.5%。从数据变化上可以看出,滴定主洗涤溶液盐酸用量VHCl与滴定残留漂洗溶液盐酸用量uHCl2个因子与P值是强相关,主洗涤水量Vc这个因子与P值的相关强度其次,试验负载最终含水率H与试验负载质量m2个因子与P值的相关性较弱。

新漂洗性能试验方法中最重要的就是对VHCl与uHCl这2个数值的测量。uHCl相对碱度较低,滴定测量通常较为准确。但是VHCl的相对碱度较高,在个别情况下,其滴定消耗盐酸量甚至可能达到试验用水的10倍,而且在实际测试中,主洗涤溶液杂质较多,部分未溶解度洗涤剂颗粒悬浮在溶液中,如果直接进行滴定则随机性较大,会严重影响试验的重复性与重现性。鉴于此情况,可以先借助真空泵,使用10μm~15μm的过滤膜进行初次过滤(如图1),


再通过注射器等辅助手段,使用0.45μm的过滤膜进行二次过滤(如图2),然后再进行滴定测量。根据各实验室不同的试验条件,过滤后的溶液可采用2种方式进行滴定。

(1)将主洗涤溶液稀释10倍后进行滴定。此方法可以直接降低溶液浓度至接近试验用水滴定盐酸消耗量的级别。但要注意,不论是使用试验用水,还是蒸馏水进行稀释,在最终计算时,都应相应的减去为稀释添加的90%的试验用水或蒸馏水消耗的盐酸量。另外,稀释10倍意味着试验仪器的精度(pH计值与滴定量值)在最终计算时将会减少一位,即,为保证pH=4.50的判定精度(标准中,滴定终点为pH=4.5),滴定仪的pH电位计测量精度应在0.001pH。此方法操作较为复杂,对于测量仪器的精度及试验人员的操作都有较高要求。

(2)直接对主洗涤溶液进行滴定。此方法的优点在于操作过程较为简单且不会损失测量结果的精度,但其难点在于最终滴定的溶液浓度很高(可能达到试验用水滴定消耗盐酸量的10倍),必须使用精度较高的pH电位计测量(精度应在0.001pH),才能得到准确的结果,否则可能存在很大偏差(偏差可能达到0.3mL以上,见表4)。

如果操作手法准确、测量仪器精度足够,过滤后稀释10倍滴定与过滤后直接滴定的测量结果非常接近,但都小于不过滤直接滴定的试验结果(见表5),这是因为直取的主洗涤溶液中往往含有较多杂质。

注:本试验中使用试验用水对主洗涤溶液进行稀释。


5 总结

通过这些试验可以得出以下结论:

(1)新漂洗性能试验方法通过严谨地计算推导得出织物上洗涤剂的残留量及去除率,试验结果更直观;

(2)新漂洗性能试验方法相对于传统相对碱度的试验方法试验重复性与重现性更好;

(3)对最终试验结果产生影响的各因子与P值的相关性及影响强度各不相同,洗衣机制造企业在产品设计时,应以强弱顺序为基础考虑各因素的影响,以实现较好的漂洗性能;

(4)试验操作过程的准确性及测量仪器的精度对测量与最终试验结果的判定会有较大影响。

新漂洗性能试验方法将成为新版GB/ T4288标准修订的重要内容,将为企业研发和消费者选购提供更为客观、有效的指导。


注1:实验室通常使用滚筒式参比机来验证试验方法,这是因为参比机具有非常好的试验重复性。

注2:本文的数据分析仅在各计算因子的合理变化范围内进行,仅考虑单一因子变化产生影响并未涉及多因子极端变化叠加对最终计算结果的影响。


全文请见《家电科技》杂志 2016年第7期

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