Về mặt hóa học, xà phòng là muối của acid béo. Người tiêu dùng chủ yếu dùng xà phòng như là chất diện hoạt để làm sạch, tắm nhưng chúng cũng có thể dùng để giặt đồ và là một thành phần quan trọng trong các sản phẩm bôi trơn.
Xà phòng dùng để tẩy rửa thường chứa các dầu thực vật, động vật và chất béo có thể tan trong kiềm mạnh. Chất béo thường là triglyceride – là hợp chất gồm 3 phân tử acid béo liên kết với phân tử glycerol. Các chất này sẽ tác dụng với Natri hydroxide (NaOH) gây nên phản ứng xà phòng hóa.
Trong phản ứng này, đầu tiên chất béo triglyceride sẽ thủy phân thành ba acid béo, sau đó các acid béo này kết hợp với kiềm tạo ra các sản phẩm sau phản ứng gồm có: muối của acid béo, chất béo dư hoặc kiềm dư, nước và glycerol (glycerin). Glycerol là một chất có tác dụng làm mềm nên có thể được giữ lại trong sản phẩm hoặc được phân lập để sử dụng cho mục đích khác.
Xà phòng là thành phần chủ chốt trong hầu hết các thuốc mỡ bôi trơn, thường là nhũ tương của xà phòng canxi, xà phòng Liti và dầu khoáng. Các thuốc mỡ làm từ canxi và liti được sử dụng rộng rãi. Nhiều loại xà phòng kim loại khác cũng được sử dụng gồm có nhôm, natri và hỗn hợp của chúng. Một số xà phòng cũng được sử dụng như chất làm dày để làm tăng độ nhớt của dầu. Thời cổ đại, các loại thuốc mỡ bôi trơn được làm từ dầu khoáng và dầu oliu.
CƠ CHẾ LÀM SẠCH CỦA XÀ PHÒNG
Hoạt động của xà phòng
Khi được sử dụng để làm sạch, xà phòng cho phép những phân tử không tan trong nước có thể tan vào nước, chính vì vậy chúng sẽ được rửa sạch. Ví dụ, vết dầu mỡ không tan trong nước nhưng khi nhỏ vài giọt nước rửa chén xuống đĩa dơ chúng sẽ kết hợp với các vết này và chúng sẽ hòa tan vào trong nước. Những chất béo sẽ phân tán vào trong các phân tử nhỏ hình cầu được cấu thành từ các phân tử xà phòng hình cầu với một đầu ưa nước ở ngoài bao bọc đầu ưa dầu bên trong, phân tử nhỏ này sẽ làm cho dầu hòa tan vào trong nước sau đó sẽ được rửa sạch hoàn toàn. Các chất tẩy rửa tổng hợp cũng được bào chế với cơ chế này.
Cấu trúc phân tử hình cầu
Dung dịch kiềm
Loại dung dịch kiềm được sử dụng sẽ quyết định loại sản phẩm xà phòng. Xà phòng natri được bào chế từ Natri hydroxide thường ở dạng sệt, xà phòng kali được bào chế từ Kali hydroxide thì mềm hơn hoặc ở dạng lỏng. Trong lịch sử, kali hydroxide được chiết xuất từ tro của cây dương xỉ hoặc các loài cây khác. Xà phòng liti có xu hướng cứng hơn và được sử dụng đặc biệt cho thuốc mỡ.
Acid béo
Xà phòng chính là dẫn xuất của acid béo, các acid béo này thường ở trong phân tử triglyceride. Triglycerid là tên hóa học của các Trieste của acid béo và glycerin. Tallow là tên gọi của chất béo có nguồn gốc từ con bò là triglyceride được sử dụng nhiều nhất có nguồn gốc từ động vật. Sau khi được xà phòng hóa có tên là Natri tallowate. Một số dầu thực vật được sử dụng trong sản xuất xà phòng như là dầu cọ, dầu dừa, dầu Oliu, dầu nguyệt quế. Mỗi loại dầu khác nhau sẽ chứa các loại acid béo khác nhau và vì thế tạo ra xà phòng với các cảm nhận khác nhau. Dầu từ các hạt tạo ra xà phòng mềm hơn nhưng dịu nhẹ. Xà phòng từ dầu Oliu thường được gọi là xà phòng Castile hoặc xà phòng Marseille nổi tiếng với tác dụng rất dịu nhẹ. Tên Castile đôi khi cũng được sử dụng cho các loại xà phòng làm từ nhiều loại dầu với hàm lượng cao dầu Oliu.
Một số acđ béo trong một số chất béo được dùng làm xà phòng
| Lauric acid | Myristic acid | Palmitic acid | Stearic acid | Oleic acid | Linoleic acid | Linolenic acid | |
| Chất béo | C12 bão hòa | C14 bão hòa | C16 bão hòa | C18 bão hòa | C18 không bão hòa | C18 không bão hòa | C18 không bão hòa |
| Tallow | 0 | 4 | 28 | 23 | 35 | 2 | 1 |
| Dầu dừa | 48 | 18 | 9 | 3 | 7 | 2 | 0 |
| Dầu cọ | 46 | 16 | 8 | 3 | 12 | 2 | 0 |
| Dầu nguyệt quế | 54 | 0 | 0 | 0 | 15 | 17 | 0 |
| Dầu Oliu | 0 | 0 | 11 | 2 | 78 | 10 | 0 |
| Dầu hạt nho | 0 | 1 | 3 | 2 | 58 | 9 | 23 |
LỊCH SỬ
Lịch sử thời kỳ đầu
Bằng chứng lâu nhất được ghi lại về việc tổng hợp xà phòng từ các nguyên liệu là khoảng 2800 năm trước Công nguyên, thời Babylon cổ. Một công thức bào chế xà phòng bao gồm nước, kiềm và dầu Cassia được ghi chép lại trên một tấm thẻ khoảng 2200 năm trước Công nguyên.
Quyển sách Eber (Hy Lạp 1550 trước Công nguyên) đã trình bày rằng người Hy lạp cổ thường tắm bằng cách kết hợp dầu động vật hoặc thực vật với muối kiềm tạo thành một chất giống như xà phòng. Những tài liệu khác của người Hy Lạp cũng đề cập đến loại chất giống xà phòng đó được sử dụng để chuẩn bị sợi vải trước khi dệt.
Vào thời đại Nabonidus (556-539 trước Công nguyên), một công thức làm xà phòng được ghi chép lại với tro thực vật, dầu và dầu hạt để làm sạch các tảng đá bởi những người hầu gái.
Thời Roma cổ đại
Từ “sapo” tiếng Latinh là soap lần đầu tiên xuất hiện trong quyển sách Lịch sử của tự nhiên (Historia Naturalis) nói về việc bào chế xà phòng từ mỡ bò và tro thực vật nhưng ông chỉ đề cập sản phẩm này như một loại kem dành cho tóc. Người Roma cổ chuộng dùng dầu mat-xa lên da và sau đó loại trừ cả dầu lẫn bụi bẩn bằng dụng cụ cọ rửa (giống như bông tắm hiện nay). Người Pháp cổ sử dụng xà phòng làm từ chất béo động vật.
Thời Trung Quốc cổ đại
Một loại chất tẩy rửa giống xà phòng được bào chế bởi người Trung Quốc cổ đại từ các loại dược liệu. Xà phòng làm từ chất béo động vật không hề xuất hiện ở Trung Quốc cho đến thời hiện đại. Các loại chất tẩy rửa giống xà phòng không được sử dụng rộng rãi bằng dạng thuốc mỡ và kem.
Thời kỳ Trung Đông
Tài liệu từ thế kỷ thứ 12 của Đạo Hồi mô tả quy trình sản xuất xà phòng. Nó đề cập đến thành phần chính là Kiềm – chất mà sau này trở thành ngôi sao sáng trong ngành hóa học hiện đại, được chiết xuất từ tro thực vật.
Vào thế kỷ thứ 13, công nghệ sản xuất xà phòng trong Hồi giáo được công nghiệp hóa tại các nước như Nablus, Ma-roc, Damascus và Aleppo.
Thời kỳ Châu Âu cổ
Công nghệ sản xuất xà phòng được phổ biến ở Ý và Tây Ban Nha vào đầu thế kỷ thứ 8. Nghề làm xà phòng được biết đến như là một công việc của phụ nữ và cũng được đánh giá cao như các ngành khác như thợ mộc, thợ rèn và thợ làm bánh mì.
Từ thế kỷ 15 -19
Tại Pháp, khoảng nữa sau thế kỷ 15, ngành sản xuất xà phòng đã trở nên chuyên nghiệp tại một số thành phố như Provence – Toulon, Hyere và Marseille. Tại Marseille, khoảng năm 1525 có ít nhất 2 nhà máy sản xuất xà phòng hoạt động. Ngành sản xuất xà phòng tại Anh tập trung chủ yếu ở London.
Các sản phẩm xà phòng mịn hơn được sản xuất sau đó tại Châu Âu vào thế kỷ thứ 16, sử dụng dầu thực vật (như dầu Oliu) thay thế cho chất béo từ động vật. Nhiều loại sản phẩm này vẫn được sản xuất công nghiệp và thủ công . Xà phòng Castile là một ví dụ phổ biến của xà phòng chỉ làm từ dầu thực vật được bào chế từ nhãn hàng xà phòng trắng của Ý.
Vào thời kỳ hiện đại, việc sử dụng xà phòng trở nên rất bình thường tại các nước công nghiệp do hiểu rõ vai trò của việc làm vệ sinh nhằm giảm thiểu các mầm bệnh từ các vi sinh vật. Ngành công nghiệp sản xuất các thanh xà phòng lần đầu tiên được phổ biến vào cuối thế kỷ thứ 18, một chiến dịch maketing được thực hiện nhằm nâng cao nhận thức của người dân về mối tương quan giữa vệ sinh và sức khỏe.
Đến tận cuộc cách mạng công nghiệp, sản xuất xà phòng mới chiếm 1 phần tỷ lệ nhỏ và các sản phẩm bắt đầu được mở rộng. Vào năm 1780, James Keir xây dựng một quy trình hóa học tại Tipton để sản xuất dung dịch kiềm từ Kali sulfate và Soda, sau này quy trình đó được thêm vào trong công nghệ sản xuất xà phòng.
William Gossage bắt đầu sản xuất các sản phẩm xà phòng giá cả thấp với chất lượng cao từ những năm 1850. Robert Spear Hudson bắt đầu sản xuất bột xà phòng vào năm 1837. William Hesketh Lever và anh trai – Jame đã mua một cửa hàng làm xà phòng nhỏ tại Warrington vào năm 1886 và phát triển nó trở thành hãng xà phòng lớn nhất cho đến nay tên là Lever Brother hay còn gọi là Unilever.
DUNG DỊCH XÀ PHÒNG
Đến tận thế kỷ thứ 19, dung dịch xà phòng mới được phát minh, năm 1865 William Shepphard được cấp bằng sáng chế cho xà phòng dạng lỏng. Năm 1898, B.J.Johnson phát triển một loại xà phòng làm từ dầu cọ và dầu Oliu và công ty Johnson đã giới thiệu sản phẩm này ra thị trường cùng năm đó với tên gọi là Palmolive. Loại xà phòng mới này nhanh chóng phổ biến. Vào thế kỷ thứ 20, Palmolive trở thành xà phòng bán chạy nhất thế giới.
Như một chất tẩy rửa, dung dịch xà phòng có xu hướng hiệu quả hơn xà phòng dạng thỏi, và để lại ít cặn bã lại trên da, quần áo và bề mặt.
QUY TRÌNH SẢN XUẤT XÀ PHÒNG
Ngành công nghiệp sản xuất xà phòng là một quy trình liên tục vì liên tục thêm chất béo vào và liên tục lấy sản phẩm ra ngoài. Một tỷ lệ nhỏ các sản phẩm vẫn còn được sản suất theo kiểu lô mẻ. Có 3 loại quy trình: quy trình lạnh là quy trình mà các phản ứng với nhau tại nhiệt độ phòng, quy trình nóng là quy trình mà các phản ứng diễn ra gần với nhiệt độ sôi, quy trình sôi hoàn toàn là quy trình mà ở đó các phản ứng sôi ít nhất một lần và glycerol được thu hồi lại. Có một vài kiểu quy trình nóng, thường gặp nhất là DBHP và CPHP. Tuy nhiên, hầu hết những nhà sản xuất xà phòng vẫn ưa chuộng quy trình lạnh hơn. Quy trình lạnh và nóng là những quy trình đơn giản nhất và đặc trưng nhất để làm thủ công hoặc handmade. Glycerin trong 2 quy trình này được giữ lại trong xà phòng và phản ứng vẫn tiếp tục nhiều ngày sau đó trong sau khi xà phòng được lấy ra khỏi khuôn. Trong quy trình sôi hoàn toàn, glycerin được chiết ra liên tục nhưng ở nhiệt độ rất cao, các phản ứng dường như xảy ra hoàn toàn trước khi được đổ vào khuôn. Quy trình này được thực hiện tại các nhà máy sản xuất xà phòng khắp nơi trên thế giới.
Xà phòng handmade từ quy trình lạnh khác với sản xuất công nghiệp ở lượng chất béo được sử dụng nhiều hơn lượng cần trung hòa kiềm và glycerin được để lại như một chất dưỡng ẩm. Tuy nhiên, glycerin cũng làm cho xà phòng mềm hơn và dễ chảy khi tiếp xúc với nước. Việc sử dụng nhiều chất béo hơn kiềm thì an toàn hơn là để kiềm dư. Hơn nữa việc thêm glycerin vào xà phòng đã phát triển một dạng xà phòng mới là xà phòng glycerin. Loại xà phòng dư chất béo thì thân thiện với da hơn là loại không dư. Tuy nhiên, quá nhiều chất béo dư sẽ để lại cảm giác nhờn rít trên da. Đôi khi, một chất dưỡng ẩm sẽ được thêm vào như là dầu jojoba hoặc bơ hạt shea, chúng sẽ được thêm vào lúc quá trình xà phòng hóa đã xảy ra hoàn toàn để chắc chắn rằng chúng sẽ không bị kiềm xà phòng hóa làm mất tác dụng dưỡng ẩm.
Quy trình lạnh
Mặc dù là quy trình lạnh nhưng đôi khi nhiệt độ cũng được sử dụng để chắc chắn là các chất béo được sử dụng đã tan chảy hết. Các mẻ xà phòng được tạo ra cũng cần giữ ấm để kiềm tác dụng hoàn toàn. Xà phòng có thể sử dụng sau từ 24-48 giờ nhưng tốt nhất là một vài tuần sau đó.
Quy trình lạnh đòi hỏi phải đo lường chính xác lượng kiềm, lượng chất béo và tính toán tỷ lệ của chúng. Sử dụng biểu đồ xà phòng hóa để chắc chắn là sau khi bào chế không còn một lượng kiềm thừa hoặc chất béo thừa nào. Biểu đồ xà phòng hóa cũng được sử dụng trong quy trình nóng nhưng không cần thiết cho quy trình đun sôi hoàn toàn.
Trong lịch sử, kiềm sử dụng trong quy trình lạnh được làm từ hỗn hợp nước mưa và tro. Những người làm xà phòng đánh giá kiềm đó đã đạt yêu cầu khi mà 1 quả trứng sẽ nổi lên khi cho vào trong đó. Cách bào chế kiềm handmade này rất khó kiểm soát và dự đoán nên đã đẫn đến một phát minh về Natri hydroxide bởi nhà hóa học người Anh Sir Humphry Davy vào đầu những năm 1800.
Những người làm xà phòng theo quy trình lạnh cần tìm kiếm chỉ số xà phòng hóa của một loại chất béo trong tài liệu hóa học về chất béo đó. Chỉ số xà phòng hóa của mỗi loại chất béo sẽ thay đổi theo mùa và mẫu xét nghiệm. Chỉ số này được sử dụng để tính toán chính xác lượng Natri hydroxide để phản ứng với chất béo để hình thành xà phòng. Lượng kiềm dư trong xà phòng sẽ làm cho pH của xà phòng cao gây bỏng hoặc kích ứng da, nếu lượng kiềm thiếu sẽ làm cho xà phòng bị nhờn rít dó dư chất béo. Hầu hết những người làm xà phòng sẽ tính hụt từ 2-5% kiềm để trừ hao cho sự chênh lệch giữ quá trình xà phòng hóa trong lô đó với chỉ số trung bình.
Quy trình bắt đầu từ việc hóa lỏng các chất béo (nếu chúng ở dạng rắn), kiềm thì luôn ở dạng lỏng và tan hoàn toàn trong nước. Đầu tiên dầu sẽ được cho vào trong kiềm, trộn đều. Hỗn hợp này cần được trộn cho đến khi 2 pha dầu, nước nhũ hóa hoàn toàn. Sự nhũ hóa thường được nhận biết dễ dàng bằng mắt khi xà phòng ở dạng “trace” với độ dày nhất định. Nhiều người làm xà phòng hiện nay dùng máy xay cầm tay để đẩy nhanh quá trình này. Có một vài mức độ của “trace”, có thể là trace nhẹ, trace trung bình và trace nặng. Sau khi trộn, hỗn hợp sẽ chuyển qua thể trạng sệt và có độ nhớt cao. Các tinh dầu mùi thơm có thể được thêm vào từ hỗn hợp dầu ban đầu nhưng các thành phần rắn như cánh hoa, thảo dược… được thêm vào lúc ở dạng trace nhẹ khi mà hỗn hợp chỉ mới dày lên.
Hỗn hợp xà phòng sau đó sẽ được đổ vào khuôn và giữ ẩm bằng khăn hoặc thiết bị ủ ấm để quá trình xà phòng hóa tiếp tục diễn ra trong khoảng 12-48 giờ. Các loại xà phòng từ sữa hoặc chứa đường thì không cần ủ do lượng đường trong đó sẽ tăng nhanh tốc độ phản ứng và sinh ra nhiệt. Trong suốt thời gian đó, xà phòng có thể sẽ chuyển qua dạng gel trong suốt trong vòng vài giờ nhưng sau đó sẽ trở lại dạng đục.
Sau khi ủ, xà phòng đã đủ đặc để có thể lấy ra khỏi khuôn và cắt thành từng miếng mỏng hơn. Lúc này, xà phòng đã an toàn để sử dụng vì quá trình xà phòng hóa đã diễn ra gần như hoàn toàn. Tuy nhiên, xà phòng làm từ quy trình lạnh thường được để cho cứng hơn tại nơi khô ráo trong vòng 2-6 tuần trước khi sử dụng. Trong suốt thời gian này, lượng kiềm dư sẽ được xà phòng hóa hoàn toàn và lượng nước thừa sẽ bay hơi hết. Bên cạnh đó, một số phân tử ở lớp ngoài cùng của xà phòng tác dụng với khí CO2 trong không khí tạo thành một lớp bụi mờ là Natri carbonate. Phản ứng này có thể diễn ra mạnh mẽ hơn nếu có gió và nhiệt độ thấp.
Quy trình nóng
Quy trình nóng được thiết kế để thúc đẩy quá trình xà phòng hóa bằng cách bổ sung thêm nhiệt độ để tăng tốc độ phản ứng. Trái ngược với quy trình lạnh khi mà dung dịch xà phòng được đổ vào khuôn sau đó thì quá trình xà phòng hóa mới diễn ra, quy trình nóng cho phép quá trình xà phòng hóa diễn ra hoàn toàn trước khi cho vào khuôn.
Trong quy trình nóng, kiềm và chất béo được làm nóng và trộn lại với nhau tại nhiệt độ khoảng 80-100oC, thấp hơn nhiệt độ sôi một chút cho đến khi quá trình xà phòng hóa diễn ra hoàn toàn. Trước khi có các dụng cụ hiện đại, những người làm xà phòng có thể nhận biết thời điểm này bằng cách nếm hoặc bằng mắt. Kinh nghiệm nhìn bằng mắt đòi hỏi phải nghiên cứu và đào tạo. Nếm xà phòng không được khuyến khích vì Natri hydroxide và Kali hydroxide khi chưa được xà phòng hóa có nguy cơ rất cao.
Ưu điểm của quy trình đun sôi hoàn toàn là lượng hydroxide cần thiết không cần phải tính toán thật chính xác. Quy trình này được phát minh dành cho các loại kiềm mà độ tinh khiết của chúng không tin tưởng được hoặc là quy trình sử dụng các loại kiềm tự nhiên như tro gỗ và Kali carbonate từ khoáng sản. Trong quy trình đun sôi hoàn toàn, hỗn hợp sẽ được đun trên 100oC và sau đó quá trình xà phòng hóa sẽ diễn ra, xà phòng nguyên chất sẽ được làm kết tủa bằng cách cho vào đó một lượng muối vừa đủ, lượng dung dịch thừa sẽ được dẫn lưu ra ngoài. Lượng dung dịch thừa này sẽ kéo theo các tạp chất và các hợp chất màu trong chất béo và loại trừ hoàn toàn glycerin. Xà phòng nóng, mềm sau đó sẽ được cho vào khuôn.
Khuôn làm xà phòng
Nhiều công ty sản xuất khuôn xà phòng từ silicon hoặc các loại nhựa khác, mặc dù nhiều người làm xà phòng thủ công cũng sử dụng hộp carton trải một lớp film. Khuôn gỗ có vân hay không có vân với lớp silicon cũng được sử dụng rộng rãi. Xà phòng có thể được làm trong một thanh dài sau đó cắt ra hoặc làm trong các khuôn nhỏ riêng lẻ.
Tinh chế và hoàn thiện sản phẩm
Trong quy trình đun sôi hoàn toàn ở quy mô công nghiệp, xà phòng sẽ được làm sạch bằng cách loại bỏ lượng Natri hydroxide thừa, glycerol, phẩm màu và các loại tạp khác. Những chất này đươc loại bỏ bằng cách đun nóng xà phòng nguyên chất trong nước và sau đó được kết tủa bằng cách cho thêm muối.
Trong gian đoạn này, xà phòng vẫn còn chứa nhiều nước cần được loại trừ ra. Cách truyền thống trong những năm 1940-1950 là họ sẽ tôi nó lên. Quá trình này ngày nay được thay thế bằng máy sấy và máy hút chân không. Xà phòng khô (khoảng 6-12% ẩm) sau đó được tạo thành các hạt nhỏ hoặc lát mỏng. Các viên xà phòng này đã sẳn sàng để trở thành xà phòng hoàn thiện.
Cát hoặc đá bọt có thể được thêm vào xà phòng để tạo sản phẩm có tính chất tẩy sạch. Các tác nhân này có thể loại bỏ tế bào chết trên bề mặt da. Quá trình này gọi là tẩy tế bào chết. Nhiều nguyên liệu mới hơn cũng hiệu quả mà không cần quá sắc nhọn hoặc nhám như đá bọt.
Để làm xà phòng kháng khuẩn, một vài thành phần được thêm vào như triclosan hoặc triclocarban.