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泡沫是怎样制造的——表面活性剂的历史进程

表面活性剂历史进程

文|朱不换

当代人生活在泡沫里。一个人从早上起床,到夜晚入睡,身体要被各种泡沫清洗三遍以上。

而且,包裹过人体的大部分泡沫都来自同一种化学物质 ―― 月桂醇硫酸酯钠。

你下了床去刷牙,牙膏的重要成分是月桂醇硫酸酯钠。用漱口水漱口,大部分漱口水也含有月桂醇硫酸酯钠。

吃饭前你在手上抹了一把洗手液洗手,洗手液的去污成分是月桂醇硫酸钠。吃完饭你把餐具放进洗碗池/洗碗机,看一眼洗洁精,洗洁精的成分也是月桂醇硫酸钠。

晚上回到家你准备洗个澡,沐浴液的主要成分:月桂醇硫酸钠。洗发水的主要成分也一样。

你把脏衣服扔进洗衣机,洗衣液的主要表面活性剂往往也是月桂醇硫酸钠。

还有不少家用洗涤剂在成分表只注明了「表面活性剂」而未具体写明,其实际成分往往也来自月桂醇硫酸盐家族。

这个名称拗口却无所不在的化学制剂到底是什么东西?它到底安全吗?

表面活性剂是啥

我们先来看第一个问题。

简单地说,月桂醇硫酸钠是一种表面活性剂。实际上,我们日常用到的绝大部分清洁剂的主要成分都是表面活性剂,有的还会另外添加一些助洗剂、润湿剂等。

・ 月桂醇硫酸钠的分子结构

表面活性剂分子都有一个亲水的头和亲脂肪的尾巴。这样,当表面活性剂溶解于水中并达到一定浓度时,就会自发结合起来形成胶束,把水中的油脂微粒包裹起来,从衣物表面脱开,从而实现脱油去污的效果。

而表面活性剂的另一个功能是,它会降低水的表面张力,增加水中气泡的弹性和泡壁的楔裂压,令水中更容易生成和维持空气泡沫。

・ 泡沫的微观结构中,气泡与气泡之间的泡壁是靠(d)中的表面活性剂分子的调节维持来实现稳定

这些泡沫本身没有清洁去污功能,但它们能增加洗涤溶液与污物的接触机会。咕咕冒起的泡沫也会给用户带来视觉快感,让人产生「洗涤剂正在发力」的感受。

听起来很简单。但在漫长历史上,好用的表面活性剂产品一直是一种奢侈品。

昂贵的肥皂泡

在古代,人们清洗身体和衣物最常用的方式是捶打搓动,用物理暴力把污物敲打出来。

・ 洗衣棒槌

古代中国人会将草木灰、石灰、土碱等放入水中生成较稀的碱性溶液来洗衣。但这些碱性溶液的去污能力不强,而且会侵蚀衣物;对于人体皮肤来说,它们则过于刺激了。

有钱人有时使用豆粉和皂荚粉制品来洗澡洗衣,这是因为豆类和皂荚中都含有皂苷这种天然的表面活性剂。

・ 煮豆浆时会产生大量泡沫,就是因为大豆中含有皂苷这种起泡物质

但大豆粉混合香料制成的清洁剂,造价不低。《红楼梦》中也只是在吃螃蟹等场合,才用皂荚制成的香肥皂或绿豆面洗手去油:

凤姐一面又要水洗了手,站在贾母跟前剥蟹肉。……又命小丫头们去取菊花叶儿桂花蕊熏的绿豆面子,预备着洗手。

用猪胰脏和土碱、皂荚粉等混合而成的胰子,也曾是现代肥皂之前的替代品。

・ 清代奇方类编中记载的驱雀斑胰子丸制法

在西方,古埃及人发现动物脂肪和草木灰混合制成的土肥皂可以去污,并传给了罗马人;但一般认为这种土肥皂并没有经过充分皂化反应,腥臭难闻而去污力不强。西罗马帝国灭亡后,连这种土肥皂也从欧洲失传了;只有东罗马帝国的权贵才能享用。

直到公元七世纪,东罗马帝国皇帝君士坦斯二世在泡澡时,被侍卫长用肥皂盒砸死。

・ 君士坦斯二世洗澡时究竟是被肥皂盒还是木桶砸死仍存在争议

此间铁蹄踏入东罗马帝国的阿拉伯人,则带走了土肥皂技术,加以工艺改进,用较纯的生石灰取代草木灰,造出了无异味、接近现代肥皂的硬肥皂。在十字军东征中,改良后的硬肥皂又传回欧洲。

・ 叙利亚的阿勒颇肥皂,在中世纪出口欧亚各地

这种阿拉伯式肥皂可能是最早量产的表面活性剂清洁品,不过在此后的数百年里,肥皂都相当昂贵。传统的阿勒颇肥皂,要经过数日的熬煮压制,和长达半年到一年的陈化,才能制成。一块传统肥皂的人力成本可能不低于茅台,当然不是普通人日常能消费起。直到 1853 年,英国人购买肥皂仍需要缴纳高额的奢侈品税。

・ 18 世纪的欧洲肥皂生产作坊

直到 18、19 世纪之交,法国化学家尼古拉斯.勒布朗发明了工业化制备纯碱的方法,得以为肥皂提供大量高纯度原料,而谢夫勒尔则弄清了动植物脂肪酸的结构,为肥皂工业提供了理论基础。

・ 勒布朗(1742-1806))和谢夫勒尔(1786-1889))可能是分别是史上最不幸和最幸福的法国化学家。勒布朗(左)虽然发明了两步制碱法,但奖金和工厂均被法国革命政府没收,晚年吞枪自杀。谢夫勒尔(右)则赶上了法国工业革命的好时代,他活了 102 岁,在化工,医学和绘画理论领域取得广泛成就

此后,肥皂生产才逐步实现工业化,开始了铺天盖地的生产。

・ 宝洁公司在美国内战时期向北军供应蜡烛和肥皂发家,1879 年问世的象牙牌肥皂曾流行多年

现代肥皂的起泡能力超过传统作坊肥皂。将一条高纯度的现代肥皂放入微波炉加热数分钟,它自己就会吸收空气和水,变成一大团奶油状的泡沫。

不过,肥皂的缺点是,遇到硬水就会生成皂垢,粘在身体或衣物上;另一方面,当时肥皂中往往有较多的碱性原料残余,腐蚀刺激性较强。

而下一代合成洗涤剂的发明,要靠战争带来的改变。

一战期间,德国因遭到协约国的禁运封锁,脂肪短缺,没有足够的材料来造肥皂和纺织品洗涤剂。令德国化学家不得不研发肥皂的替代品。

1917 年,德国化学家弗里茨・冈瑟成功实现了萘的烷基化和磺化,发现新物质具有更好的润湿和起泡作用。1928-1932 年,汉高公司研发出第一款脂肪醇硫酸盐的家用合成洗涤剂 Fewa。

・ Fewa 的早期广告中,即以大量泡沫为视觉卖点

此后至今的九十年间,尽管越来越多的表面活性剂被研发出来,以月桂醇硫酸酯钠为代表的脂肪醇硫酸盐产品由于低廉价格和强大的去油、起泡力,始终是日用洗涤用品的主流,统治了从洗手沐浴到洗衣洗碗的各大家用领域。

那么,这些合成洗涤剂安全吗?

合成洗涤剂安全吗

1940 年代起,合成洗涤剂逐渐流行,全面取代肥皂。从那时起,各地小生产商和直销组织对合成洗涤剂的质疑和谣言就不绝于耳。因为合成洗涤剂由大工厂生产,抢了许多小肥皂商的饭碗。

最常见的谣言是,月桂醇硫酸酯钠(SLS)等家用合成洗涤剂致癌。不过,这些谣言没什么根据,大量实验证明主流的合成洗涤剂按量使用并不会致癌。一些洗涤剂虽含有痕量的二f烷致癌杂质,但数量也低于国内外标准,并不影响安全。

不过,人们对主流合成洗涤剂的疑惑并不是全无道理。

一方面,由于滚滚喷涌的泡沫对消费者来说极具视觉冲击力,商家和许多消费者都把泡沫多少当成去污力的直观指标。然而实际上,洗涤剂的起泡能力和去污能力之间并没有必然联系。咕咕翻滚的泡沫为消费者提供的心理安慰,往往远大于其去污效果。

另一方面,尽管月桂醇硫酸酯钠等主流洗涤剂并不致癌,但却具有较高的皮肤和粘膜刺激性,在身体接触后最好用清水冲洗干净。敏感体质的人更需要小心这类洗涤剂。

实际上,在对各种常用表面活性剂/清洁剂的刺激性测试中,月桂醇硫酸酯钠的刺激性都属于最高的一类。

根据 2013 年的一次测试,各种表面活性剂的刺激性按高低排序是:月桂醇硫酸钠 >月桂酰谷氨酸钠(SLGLU)>椰油酰基甲基牛磺酸钠(SCMT),月桂酰基甘氨酸钠(SLGLY),椰油基羟乙基磺酸钠(SCI)>烷基聚葡萄糖苷(APG)。

・ 用玉米蛋白 Zein 的溶解程度测试各种表面活性剂的刺激性

如果你的眼睛、皮肤或口腔粘膜经常红肿疼痛,那可能说明月桂醇硫酸酯钠的牙膏、沐浴露并不适合你。你最好购买采用低刺激性表面活性剂的清洁产品。

・ 梅奥医院网站建议口腔溃疡患者避免使用含有月桂醇硫酸酯钠的牙膏和漱口水

也有一些人因为这些担忧,转向了自制手工皂等主打天然的产品。不过,手工皂也继承了传统肥皂的缺点,一方面遇硬水易结垢,甚至会造成水管堵塞;另一方面,手工皂也像传统肥皂一样,可能因为皂化反应不充分而遗留碱性物质,更容易腐蚀皮肤。手工皂是一种更文艺,但未必更安全的选择。

部分参考资料:

[1]H. Verbeek, J. Falbe (eds.) Surfactants in Consumer Products: Theory, Technology and Application,Springer-Verlag Berlin Heidelberg (1987)

[2]http://www.detergentsandsoaps.com/detergents-history.html

[3]https://web.archive.org/web/20161116083148/http://www.chemistry.co.nz/surfactants.htm

[4]http://www.samuelfurse.com/2011/11/bubbles-bubbles-everywhere-but-not-a-drop-to-drink/

[5]http://www.eniscuola.net/en/2016/08/03/history-of-detergents/