Deterjan bileşenlerinin temizleme aktivitesi üzerine mekanik hareket ve sıcaklık etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of mechanical action and temperature on the cleaning activity of detergent ingredients
Yazar: SERVET EFE
Danışman: PROF. DR. NURAN DEVECİ AKSOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Tez çalışması kapsamında, farklı özellikteki lekelerin temizlenmelerinde etkin rol oynayan deterjan bileşenlerinin temizleme aktivitesi incelenmiştir. Bu doğrultuda yapılan deney tasarımı çalışmasında, mekanik hareket ve sıcaklık parametrelerinin farklı sürelerde, temizleme oranı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir.
Sosyal yaşamın en temel gereksinimlerinden biri olan çamaşır temizliği, tarih boyunca insanlar tarafından farklı yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modern dünyada bu işlem gelişmiş çamaşır makineleri ve çamaşır deterjanları kullanılarak gerçekleştirilmektedir.
Yıkama işlemi teknik olarak incelendiğinde, onlarca fiziksel ve kimyasal etkileşim sonucu kir ve lekelerin tekstil yüzeyinden uzaklaştırılması olarak tanımlanabilir. Yıkama işleminin başlıca unsurları, su, kir, tekstil, yıkama ekipmanı ve deterjandır.
Su, yıkama ortamında çözücü ve taşıyıcı ortam görevi görmektedir. Tekstil üzerinden yüzey aktif madde yardımıyla ayrılan kirler suyun taşıma etkisiyle çözelti içerisine taşınır. Suyun bu görevi yerine getirebilmesi, suyun özelliklerine bağlıdır. Suyun sertlik, iletkenlik değeri ve su miktarı, deterjanın temizleme özelliğini etkileyen faktörlerdir.
Kir ve lekeler farklı yapılara sahip olduğundan dolayı, temizlenme mekanizmaları da değişmektedir. Deterjan bileşiminde bulunan yüzey aktif maddeler, enzim ve ağartıcılar, farklı yapılardaki lekelerin temizlenmesinde rol oynar. Yağ bazlı lekeler, yüzey aktif madde ile temizlenirken, çay, kahve gibi lekeler ağartıcılar yardımıyla temizlenir. Enzimler ise, büyük moleküllü yağ, protein ve nişastayı parçalayarak yüzey aktif maddelerin lekeleri temizlemesine yardımcı olmaktadır.
Tekstiller, basit olarak doğal ve sentetik olarak sınıflandırılabilir. Doğal tekstiller, selülozik bitki kaynaklı pamuk ve keten; hayvansal kaynaklı tekstiller ise, yün ve ipek ipliklerden üretilir. Sentetik tekstiller, polyester, poliamid gibi polimer yapıdaki ipliklerden üretilir. Farklı yapıdaki tekstil tiplerinin; renk, parlaklık, dayanıklılık, su emme karakteristiği ve lekeler ile olan etkileşimleri farklılık göstermektedir.
Yıkama ekipmanı olarak, dünyanın farklı bölgelerinde önden ve üstten yüklemeli çamaşır makineleri kullanılmaktadır. Çamaşır makinesi programında yıkama performansını etkileyen başlıca faktörler yıkama süresi, su miktarı, mekanik hareket yüzdesi ve sıcaklık parametreleridir. Bu parametrelerin çamaşır miktarına göre optimize edilmiş olması gerekmektedir.
Deterjanlar, çok sayıda bileşenden oluşan kimyasal bir karışımdır. Deterjanın görevi, kirin tekstil üzerinden uzaklaştırılması ve yıkama çözeltisinde tutulmasıdır. Çamaşır deterjanları, yüzey aktif maddeler, performans arttırıcılar, ağartıcılar ve katkı maddeleri başlıkları altında incelenebilir. Yüzey aktif maddeler ve ağartıcılar temizleme işleminde aktif olarak rol alır. Performans arttırıcı bileşenlerin, su
sertliğinin giderilmesi ve kirin yıkama çözeltisinde tutularak tekstil üzerinde birikmesinin engellenmesi gibi görevleri vardır. Katkı maddeleri ise, enzimler, köpük düzenleyiciler, optik ağartıcılar gibi yıkamaya yardımcı bileşenleri içerir.
Daha önce yapılan literatür çalışmaları kapsamında, mekanik ve kimyasal etkilerin yıkama performansı üzerindeki etkisi incelenmesine rağmen, bu çalışmalar deterjan ile ilişkilendirilmemiş, belirli sayıda leke kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Tez çalışması kapsamında planlanan deney tasarımına göre, 3 mekanik hareket yüzdesi parametresi, 4 sıcaklık parametresi koşullarında, 7 farklı noktada örnekler alınarak farklı temizlenme mekanizmalarına sahip lekeli kumaşların temizlenme oranları belirlenmiştir.
Test verileri Minitab programı ile analiz edilerek, yüzey aktif madde, ağartıcı ve enzimlere duyarlı lekelerin analiz sonuçları ayrı ayrı yorumlanmıştır. Bu doğrultuda, mekanik hareket yüzdesinin %80 değerinin üzerinde yıkama performansına etkisinin az olduğu görülmüştür. Daha düşük mekanik hareket yüzdesinin uygulanması, çamaşır makinesinin kullanım ömrünün uzamasını, enerji tüketimi ve tekstile verilen yıpranma etkisinin azalmasını sağlayacaktır. Sıcaklık parametresi için 40 °C'den sonra, temizleme oranına etkisinin azalarak arttığı görülmüştür. Daha düşük sıcaklıklarda yıkama yapılması, enerji tasarrufu açısından oldukça önemlidir. Deneysel çalışma için tasarlanan yıkama programları dikkate alınırsa, 60 °C yerine 40 °C'de yıkama yapıldığında ortalama enerji tasarrufu oranı %40 değerlerine ulaşabilmektedir. Tüm lekeler içini temizleme oranı üzerindeki en etkili parametre süredir. Sürenin etkisi de azalarak artma eğilimindedir, ancak test planı aralığında tüm lekeler için en uzun süre parametresinde belirgin şekilde daha iyi temizleme oranı elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, the cleaning activity of the detergent ingredients playing an active role to remove stains having different cleaning mechanism is examined. In the scope of the experimental design, the effects of mechanical action percentage and temperature with different washing time on cleaning performance are analyzed.
At the first section of thesis, history of washing and the aim of this study are mentioned.
The second part of thesis involves main theoretic information about washing process.
Laundry washing which is one of the fundamental requirements of social life has been carried out by people with different methods throughout history. This process is carried out using advanced technology washing machines and detergents in the modern world.
Washing process can be defined as removal of soil and stains from textile surface with several chemical and physical interactions. The main elements of the washing process are water, soil-stains, textile, cleaning equipment and detergent.
Water plays an important role as both a solvent and a transport medium. Soil particles which are removed by surfactants are moved into the washing solution by the effect of water flow. Water amount, hardness, conductivity are the factors affecting the cleaning ability of the detergent.
Cleaning mechanism of stains are different because stains have different physical and chemical characteristic. Surfactants, bleaching agents and enzymes in the detergent composition are main groups for the removal of different type of stains. For example, oil based stains are removed by surfactants. Tea and coffee stains are bleachable stains. Enzymes help to surfactant to remove stains by cracking big oil, starch and protein molecules.
Textiles can be simple classified as natural and synthetic. Natural textiles are cotton and linens, which are based on cellulose. Synthetic textiles are produced by polymer fibers such as polyester and polyamide. Textiles have different color, brightness, strength, water suction and stain interaction characteristic.
Washing equipments which are simple classified as front-loader and top-loader are being used in different regions of the world. Washing program parameters such as water amount, mechanical action percentage and temperature should be optimized to achieve the best cleaning performance.
xxii
Detergent is a chemical mixture of numerous components. Main function of detergent is to remove stains from the textile surface and to keep them inside the washing solution. Laundry detergent composition can be classified as surfactants, builders, bleaching agents and additives. Surfactants and bleaching agents play active roles for cleaning. Builders are the chemicals that are used for enhancing the cleaning performance of detergents by removing water hardness ions and preventing soil redeposition. Additives are other chemicals to improve the result of washing process such as enzymes, foam regulators, optical brighteners and parfumes.
The third section of thesis involves literature search for chemical and mechanical actions of washing machines, cleaning mechanisms of different type of detergents, cleaning effects of detergent ingredients such as surfactants, bleaching agents and consumer habits about laundry washing.
At the fourth section of thesis, experimental design studies are explained. Experiments are planned to determine the effects of mechanical action percentage, temperature and time on the cleaning performance. 10 different stains are used in order to determine cleaning performance of the main detergents ingredients. There are 5 different stain types sensitive to different detergent ingredients. 2 stains are available for each group which are surfactants, protease enzyme, amylase enzyme, mannanase enzyme and bleaching agent. Level of mechanical action percentage, temperature and time factors are determined as 3, 4 and 7, respectively.
Test procedures and test materials such as loads, stains and detergent are prepared carefully to minimize deviation of test results and prevent mistakes during performance tests. Washing machine program parameters are adjusted for performance tests. Spectrophotometer is used to measure tristimulus Y values of stains. Using these data, cleaning performance are calculated. The results are analyzed by Minitab statistic program. Models are determined for each stain type. The best and optimum conditions to achieve the best cleaning performance are determined regarding life time of a washing machine, textile damage and energy consumption.
At the fifth section of thesis, test results for each stain are discussed, respectively.
According to Minitab analysis of test results;
 There is not a significant difference between test repetitions for all stains.
 The best conditions for the stain 1 and 6 that are sensitive to surfactant are 60 °C, %95 and 7; 40 °C, %95 and 7, respectively. Optimum conditions are 50 °C, %50 and 7; 40 °C, %80 and 7, respectively.
 The best conditions for the stain 2 and 7 that are sensitive to protease enzyme are 60 °C, %95 and 7; 50 °C, %95 and 7, respectively. Optimum conditions are 50 °C, %50 and 7; 50 °C, %80 and 7, respectively.
 The best conditions for the stain 3 and 8 that are sensitive to amylase enzyme are 50 °C, %95 and 7; 60 °C, %95 and 7, respectively. Optimum conditions are 40 °C, %50 and 7; 50 °C, %50 and 7, respectively.
 The best conditions for the stain 4 and 9 that are sensitive to mannanase enzyme are 60 °C, %80 and 7; 50 °C, %95 and 7, respectively. Optimum conditions are 50 °C, %80 and 7; 30 °C, %80 and 7, respectively.
xxiii
 The best conditions for the stain 5 and 10 that are sensitive to bleaching agent are 60 °C, %95 and 7; 60 °C, %80 and 7, respectively. Optimum conditions are 60 °C, %50 and 7; 60 °C, %50 and 7, respectively.
 The mean and standard deviation values of energy consumption for the time of 7 are calculated for each temperature to estimate energy saving potential.
At the sixth section of thesis, overall results for each stain group are mentioned. After the obtained information from this study, suggestions are given to understand cleaning mechanism of detergents deeply for future studies.
The best cleaning performance values for almost all stains are achieved at the temperature of 50 °C and more, the mechanical action percentage of %95 and the longest time parameter of 7. These are the best values but optimum values are different. The more mechanical action is applied, the less lifetime washing machine components have. When mechanical action percentage and temperature increase, textile damage increases. A significant reduction for cleaning performance is not observed when temperature is decreased from 60 °C and 50 °C. Energy saving rate is calculated as %19,7 when 50 °C temperature is selected instead of 60 °C.
The summary of test result is given below.
It is determined that time is an important parameter for all stains.
The mechanical action of %80 is suggested for the stains which are sensitive to surfactant and enzymes. %50 can be used for the stains which are sensitive to bleaching agent.
The most important parameter for the stains, which are sensitive to bleaching agent, is temperature. The effect of temperature on cleaning performance decreases at higher than 40 °C for other stains.
For the future studies, the parameters of water amount, detergent amount and textile types can be taken into account to determine effects on cleaning performance. Beside of cleaning performance, textile damage effect can be measured at future studies.