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1、引言

隨著全自動洗衣機(jī)技術(shù)的日益成熟，洗衣粉溶解問題越來越成為制約洗凈效果的一個(gè)重要因素。對于洗衣粉的投放，多數(shù)消費(fèi)者的習(xí)慣是直接將洗衣粉投入洗衣桶，讓其在洗滌過程中逐漸溶解。而市售的多數(shù)洗衣粉投放盒的作用僅僅是臨時(shí)盛裝洗衣粉，并使其隨進(jìn)水過程直接沖入洗衣桶中，僅僅起到了投放的作用，本質(zhì)上與將洗衣粉直接投入洗衣桶的做法差別不大。

在這兩種情況下，洗衣粉通常會粘附在衣物上，并隨著衣物的翻轉(zhuǎn)被裹在其中，在接下來的洗滌、漂洗過程中無法完全溶解，造成洗滌過程結(jié)束后，衣物上經(jīng)常仍殘留有白色的洗衣粉顆粒。即使洗衣粉顆?？梢栽谙礈爝^程中逐漸溶解，溶解過程也需要占用洗滌時(shí)間的大約50%，導(dǎo)致真正有效的洗滌時(shí)間僅有余下的50%，洗滌效果大打折扣。

目前的速溶裝置是將主進(jìn)水過程和洗衣粉溶解過程分開，在保證進(jìn)水速度的同時(shí)充分溶解洗衣粉，利用溶解形成的洗衣粉溶液洗滌衣物。但該技術(shù)需要控制程序的支持，采用程序控制兩路進(jìn)水的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)速溶進(jìn)水過程。

圖1 新型速溶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

為了對現(xiàn)有速溶系統(tǒng)進(jìn)行升級，開發(fā)了一款新型速溶系統(tǒng)。與現(xiàn)有速溶系統(tǒng)相比，新型速溶系統(tǒng)對水路進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)主進(jìn)水與速溶進(jìn)水，實(shí)現(xiàn)了速溶功能。

2、洗衣粉溶解原理

2.1 洗衣粉簡介

1907年，德國漢高以硼酸鹽和硅酸鹽為主要原料，首次發(fā)明了洗衣粉。1940年，人們開始從石油提煉的“四聚丙烯苯基磺酸鹽”以制造洗滌劑，為了方便攜帶及存儲，更把洗滌劑制造成粉狀。1980年，含酶、增白劑及新型表面活性劑的“濃縮洗衣粉”面試。該洗衣粉能更有效清除某些特定污垢，例如果汁、墨水、醬油漬等。至于“超濃縮洗衣粉”，則于20世紀(jì)90年代出現(xiàn)，其特點(diǎn)是更省水、節(jié)約包裝和環(huán)保[1]。

2.2 溶解動力學(xué)

溶解時(shí)指溶劑分子和溶質(zhì)分子或離子吸引并結(jié)合的過程。溶解過程中，離子散布開來并被溶劑分子包裹，離子越大，包裹它的溶劑分子就越多。一般情況下，溶解過程會產(chǎn)生反應(yīng)熱，伴隨放熱、吸熱的現(xiàn)象。

固體溶質(zhì)進(jìn)入水中后，其分子或離子首先在水中擴(kuò)散，而后水合形成水合離子或水合分子，該過程伴隨化學(xué)鍵的破壞和形成。對于強(qiáng)電介質(zhì)來說，溶解和電離難以截然分開，因?yàn)殡x子的擴(kuò)散過程就是電離過程。而對于弱電解質(zhì)來說，溶解過程首先是擴(kuò)散形成分子，然后再水分子的作用下，化學(xué)鍵被破壞而電離成為自由離子。洗衣粉在溶解過程中放出的熱量一般大于吸收的熱量，因而體現(xiàn)為放熱過程。由于洗衣粉屬于混合物，其中的主要成分表面活性劑和堿性物質(zhì)的溶解性有一定差異性，對溶解效率有一定影響[2]。

2.3 影響洗衣粉溶解的因素

馮志鵬等的研究[3]表明，洗衣粉的溶解率受溫度和機(jī)械力的影響較大。其研究數(shù)據(jù)表明，該兩種洗衣粉的溶解效率均隨溫度的升高而提高。35℃時(shí)，普通無磷洗衣粉（WL-A）型洗衣粉300s溶解率比5℃時(shí)提高了24.9%。

機(jī)械力的添加可以明顯提高洗衣粉的溶解效率，在低溫情況下效果尤其明顯。在10r/min的微擾動下，5℃時(shí)WL-A型洗衣粉的溶解率提高了約10%，濃縮洗衣粉（WL-B）洗衣粉溶解率也提高了約8%。

與WL-B型洗衣粉比較，WL-A型的溶解性更好，WL-A型洗衣粉的溶解常數(shù)k普遍大于WL-B型。

3、新型速溶系統(tǒng)

3.1 新型速溶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

針對洗衣粉的溶解特性，開發(fā)了一種新型洗衣粉速溶系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分組成，包括進(jìn)水盒組件和粉末盒組件。該結(jié)構(gòu)的原理在于，首先，粉末盒分為前后兩個(gè)空間：用于盛裝、溶解洗衣粉的溶解室和用于主進(jìn)水、起泡的起泡室。對應(yīng)的，進(jìn)水盒上設(shè)置了一強(qiáng)一弱兩股進(jìn)水水流，位于進(jìn)水盒偏里側(cè)，粉末盒起泡室上方的強(qiáng)水流用于主進(jìn)水和起泡，位于進(jìn)水盒偏外側(cè)，粉末盒溶解室上方的弱水流用于洗衣粉溶解。弱水流進(jìn)入粉末盒后在粉末盒內(nèi)形成環(huán)形回流，帶動洗衣粉隨環(huán)形回流高速旋轉(zhuǎn)，并在旋轉(zhuǎn)過程中逐漸溶解，然后由于離心力的作用，透過設(shè)置在溶解室、起泡室之間的過流縫擠入起泡室，隨強(qiáng)水流一起通過設(shè)置在起泡室底部的金屬網(wǎng)板進(jìn)入金屬盒底部，進(jìn)而流入洗衣桶。

該系統(tǒng)之所以具有洗衣粉速溶的功能，關(guān)鍵在于在溶解室中可以形成環(huán)形回流，使洗衣粉在其中充分溶解，而后溶液通過過流縫進(jìn)入起泡室時(shí)，流速加快，加之起泡室中的高速水流對其進(jìn)行沖擊，溶液中尚未溶解的顆粒得到了充分溶解，并在金屬網(wǎng)板的作用下充分起泡，最終得到溶解充分，泡沫細(xì)膩的洗衣粉溶液。

3.2 新型速溶系統(tǒng)的工作原理

位于粉末盒斜坡曲面正上方的高速速溶水流進(jìn)入粉末盒后，由于水流的速度、粉末盒曲面和水流調(diào)節(jié)凸面的共同作用，在粉末盒內(nèi)形成了快速環(huán)形回流，并帶動盒內(nèi)的洗衣粉，對其進(jìn)行溶解。由于環(huán)流持續(xù)時(shí)間長、流速快，洗衣粉在整個(gè)進(jìn)水過程中獲得了充分的溶解。

當(dāng)環(huán)形回流經(jīng)過與主進(jìn)水相鄰的壁面時(shí)，由于離心力的作用，回流外層的水流會擠過粉末盒與進(jìn)水盒之間預(yù)留的過流縫匯入主進(jìn)水水流，并與主進(jìn)水一起通過起泡器，再經(jīng)過進(jìn)水盒底部流入洗衣桶中。

水流經(jīng)過過流縫時(shí)，由于流量一定而過流縫很小，流速驟然加快，因此加速了其中的洗衣粉溶解；與主進(jìn)水水流匯合時(shí)，含有洗衣粉溶液的水流受到主進(jìn)水水流的再次高速沖擊，同時(shí)由于水量加大，洗衣粉溶液中尚未溶解的洗衣粉得到了充分溶解，溶液中的顆粒物的量降到最低。充分溶解的洗衣粉溶液再經(jīng)過起泡器充分起泡，得到了泡沫豐富的洗衣粉溶液。

4、新型速溶系統(tǒng)的測試

采用普通無磷洗衣粉（WL-A）對該系統(tǒng)進(jìn)行測試，主要測試了速溶系統(tǒng)對洗衣粉的溶解能力以及對衣物的洗凈能力的影響。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

“榮事達(dá)”牌型號為RB8505BXS全自動洗衣機(jī)一臺；自動酸堿滴定儀一臺；帶有水壓表的進(jìn)水閥測試臺一套；秒表一只；洗衣粉若干；電子天平一臺；白度儀一臺；標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載布若干。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）低水壓測試

由于速溶系統(tǒng)的特殊性，低水壓狀況下存在洗衣粉無法完全溶解產(chǎn)生殘留的可能性，因此有必要對低水壓狀態(tài)下洗衣粉的溶解情況進(jìn)行測試。采用進(jìn)水閥測試臺將動水壓調(diào)整至0.02MPa，在粉末盒中加入一定量的洗衣粉，測試進(jìn)系統(tǒng)在低水壓時(shí)能溶解的洗衣粉極限值，并與舊款進(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)行對比。

（2）洗衣粉溶解度測試

向粉末盒中分別加入20g、50g、75g、100g洗衣粉，設(shè)置洗衣機(jī)為5檔進(jìn)水水位，觀察水流顏色并計(jì)時(shí)，水流剛由乳白色洗衣粉溶液變清澈時(shí)停止計(jì)時(shí)，記為洗衣粉溶解時(shí)間；進(jìn)水完成后，立即從洗衣桶中取100mL溶液采用0.1mol/L稀鹽酸滴定，記錄所需稀鹽酸的量，并與舊款速溶進(jìn)水系統(tǒng)對比。

（3）洗凈比測試

分別取80g、45g的洗衣粉，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288和GB/T 12021.4所規(guī)定方法對裝有兩種進(jìn)水系統(tǒng)的洗衣機(jī)分別在滿載、半載狀態(tài)下進(jìn)行洗凈比測試，對比所得的數(shù)據(jù)。

5、測試結(jié)果及分析

5.1 低水壓測試結(jié)果

在0.02MPa動水壓下，測得新款速溶盒與舊款速溶盒所能溶解的洗衣粉質(zhì)量如表1。

由于速溶進(jìn)水系統(tǒng)需要控制溶解水流的量，因此在水壓過低時(shí)，洗衣粉溶解水流可能不足以完全溶解洗衣粉，造成洗衣粉殘留。殘留的洗衣粉在漂洗過程中隨進(jìn)水過程繼續(xù)溶解，對漂洗性能造成很大影響，從而影響洗衣機(jī)的整機(jī)性能。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新款速溶盒由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，溶解水流充分，在低水壓下洗衣粉的溶解能力高于舊款速溶盒，可以在更大的程度上避免在極限低水壓情況下出現(xiàn)洗滌進(jìn)水時(shí)洗衣粉溶解不盡，而在漂洗時(shí)影響漂洗性能的情況發(fā)生。

5.2 洗衣粉溶解度測試結(jié)果

洗衣粉溶解度測試結(jié)果如表2、表3所示。將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2所示。通過兩種速溶盒洗衣粉溶解時(shí)間對比可以看出，在正常水壓下，溶解同樣質(zhì)量的洗衣粉，新速溶盒所需時(shí)間更短，且隨著洗衣粉的質(zhì)量增大，新速溶盒的溶解時(shí)間在測試的洗衣粉質(zhì)量范圍內(nèi)穩(wěn)定的低于舊速溶盒，表明因其固有的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)而較舊速溶盒有更易于溶解洗衣粉的優(yōu)勢。

圖2 新舊速溶盒試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對比圖

由于洗衣粉多由弱酸根離子和強(qiáng)堿性離子構(gòu)成，因此，溶解后在水中并電離后的洗衣粉溶液呈現(xiàn)弱堿性。所以，要標(biāo)定溶于水的洗衣粉的量，可以用酸性溶液對洗衣粉溶液進(jìn)行滴定，通過橫向比較滴定所需酸的多少，可以得出洗衣粉溶液中的堿性強(qiáng)弱關(guān)系，從而比較出洗衣粉溶解度的關(guān)系。

通過兩種速溶盒洗衣粉溶解能力對比中的滴定數(shù)據(jù)可以看出，在正常水壓下，滴定新速溶盒溶解洗衣粉所得溶液的酸量整體高于舊速溶盒溶解所得溶液的酸量，表明新速溶盒溶解洗衣粉所得溶液堿性高于舊速溶盒。在洗衣粉、進(jìn)水程序、水壓、水的硬度、環(huán)境溫度等因素都相同的情況下，這個(gè)結(jié)果表明，新速溶盒對洗衣粉的溶解能力強(qiáng)于舊速溶盒。

對比兩種速溶盒洗衣粉溶解速率曲線可以看出，隨著洗衣粉質(zhì)量的增加，兩種速溶盒的溶解速率都呈現(xiàn)加快的趨勢，并且加快的速率逐漸放緩，放緩的趨勢基本接近。在洗衣粉質(zhì)量增加的過程中，新速溶盒的溶解速率始終高于舊速溶盒，并且隨洗衣粉質(zhì)量的增加，溶解速率的差值有加大的趨勢。該結(jié)果表明，外部條件一致的情況下，在溶解相同質(zhì)量相同種類的洗衣粉過程中，新速溶盒具有速度優(yōu)勢。

對比兩種速溶盒洗衣粉溶解度曲線可以看出，兩種速溶盒對洗衣粉的溶解度隨洗衣粉質(zhì)量的增加都有下降的趨勢，并且在溶解100g洗衣粉后趨于穩(wěn)定，表明對于不同種類的速溶盒，洗衣粉的質(zhì)量對溶解度影響較大，尤其在20g～50g區(qū)間，溶解度下降尤其明顯。具體到該兩種速溶盒，在溶解度下降過程中，新速溶盒的溶解度曲線始終位于舊速溶盒的上方，因此其相較于舊速溶盒仍具有比較明顯的優(yōu)勢。

綜合以上分析可以得出結(jié)論，得益于溶解原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，新速溶盒在溶解速率、溶解度、溶解時(shí)間等方面相較于舊速溶盒具有比較明顯的優(yōu)勢。

5.3 洗凈比測試結(jié)果

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4288-2008所規(guī)定方法對裝有兩種進(jìn)水系統(tǒng)的全自動洗衣機(jī)進(jìn)行洗凈比測試，其結(jié)果如表4所示。

全自動洗衣機(jī)的洗衣粉速溶功能，歸根結(jié)底是為洗衣機(jī)的整機(jī)洗凈比這一洗衣機(jī)的最基本功能服務(wù)的，因此，整機(jī)洗凈比是考察速溶盒性能的重要參數(shù)。

從表4可以看出，無論是在滿載還是半載狀況下，裝有新速溶盒的全自動洗衣機(jī)，其整機(jī)衣物洗凈效果都好于裝有舊速溶盒的洗衣機(jī)。造成該現(xiàn)象的原因，新速溶盒對洗衣粉的溶解效果更好，在水位相同的情況下，進(jìn)水過程中有更多洗衣粉溶于水，形成濃度更高的洗衣粉溶液，造成溶液中的有效活性成分更多，在其余洗滌、漂洗程序以及污染布的數(shù)量、種類完全相同的情況下，溶液中更多的有效活性成分可以更多的溶解污染布上的污染成分，使得污染布更白，由此得到了更高的洗凈比，而更高的洗凈比也意味著在面對實(shí)際需要洗滌的衣物時(shí)，裝有新速溶盒的全自動洗衣機(jī)有更高的去污能力。因此，新速溶盒較之舊速溶盒可以提高洗衣機(jī)的去污能力，使其具有更好的性能。

6、結(jié)論

新型洗衣粉速溶機(jī)構(gòu)遵循流體流動的基本性質(zhì)，在溶解原理、溶解結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用粉末盒內(nèi)部的曲面結(jié)合洗衣粉溶解水流的位置和水流的速度，在粉末盒內(nèi)部形成了環(huán)形水流，使洗衣粉在環(huán)形水流中得到了充分溶解，并在進(jìn)入洗衣桶中的過程中通過強(qiáng)水流沖擊，再次加強(qiáng)溶解效果。該機(jī)構(gòu)較好的解決了全自動洗衣機(jī)進(jìn)水過程中洗衣粉快速溶解的問題，同時(shí)，位于粉末盒底部的起泡器還使得進(jìn)入洗衣桶中的洗衣粉溶液泡沫豐富，更有利于提高洗凈率。

該系統(tǒng)的成功開發(fā)，解決了全自動全自動洗衣機(jī)進(jìn)水系統(tǒng)洗衣粉殘留的問題，同時(shí)，進(jìn)水時(shí)快速溶解形成的洗衣粉溶液使洗衣機(jī)在有限洗滌時(shí)間內(nèi)的洗衣效率得以保障，提高了洗衣機(jī)的洗凈率，提升了國內(nèi)同類產(chǎn)品的技術(shù)水準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 魯國鋒, 郭朝華, 王萬續(xù). 我國洗衣粉裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].日用化學(xué)品科學(xué)，2006，(6):4-7.

[2] 譚志斗, 劉燕. 高鎂磷尾礦在硫酸中的溶解動力學(xué)[J]. 化工礦物與加工, 2006,35(10):1-3.

[3] 馮志鵬. 洗滌劑在洗衣機(jī)環(huán)境下的溶解、去污與漂洗行為的研究.[D]. 無錫：江南大學(xué), 2013.