계면활성제란?

계면활성제란?

계면활성제의 기본 구조

계면활성제는 한 분자 안에 '물에 친숙해지기 쉬운 부분(친수기)'과 '기름에 친숙해지기 쉬운 부분(친수기 또는 소수기: 앞으로의 설명에는 원칙적으로 소수기를 이용합니다)'를 모두 갖춘다는 특징이 있습니다(아래 그림 참조).

계면활성제의 주요 성질

한 분자 안에 친수기와 소수기를 함께 갖는 이 매우 독특한 화학구조 때문에 계면활성제는 여러 가지 성질을 나타냅니다.

그 중에서 기본적인 성질에 대해서 이야기하겠습니다.

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표면장력(계면장력)의 저하

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①조용히 물을 컵에 채워 가면 물은 컵 가장자리에서 솟아나도 쏟아지지 않습니다.

이는 물이 서로의 분자끼리 강하게 서로 끌어당기기(표면장력이 강하다) 때문이죠.

여기에 희석시킨 주방 세제를 1방울 떨어뜨리면 표면 장력이 약해져 부풀어 오른 부분의 물이 쏟아집니다.

표면장력이 왜 약해질까요?

주방 세제에 포함된 계면활성제는 순식간에 물의 표면에 배열하여 표면을 덮어 버립니다.

이때 계면활성제는 친수 부분을 물 속에 넣고 소수 부분을 공기 중에 돌출시켜 배열합니다.

그러면, 물의 표면은 마치 소수성의 표면과 같이 되어 버립니다.

소수성 표면은 표면 장력이 약하기 때문에 솟아오르지 못하고 넘쳐서 흘러 넘치게 됩니다.

 

②분자의 집합과 미셀의 형성

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물에 녹아 있는 계면활성제는 농도가 낮은 경우에는 한 분자가 따로 존재하는 것보다 계면(표면)에 모여 배열하기 쉬운 성질을 가집니다.

이러한 현상을 흡착이라고 부릅니다.

또한 수중의 계면활성제 농도를 높게 하면 수면은 계면활성제 분자로 만원이 되어, 수중에서는 수많은 계면활성제 분자가 서로 모여, 친수기를 물쪽으로 향한 구체(미셀)를 만들어 갑니다.

(이 때의 농도를 임계 미셀 농도라고 합니다) 미셀이 생기면 물에 녹지 않는 기름을 물 속에 첨가했을 경우 그 기름을 미셀 속에 넣을 수도 있어 겉보기에는 기름이 물에 녹아든 것처럼 보입니다.

 

계면활성제는 이상 설명한 바와 같은 기본적 성질이 있으며 이들 성질에 따라 앞 장에서 설명한 바와 같이 다양한 기능을 하고 있습니다.

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계면활성제의 종류

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계면활성제는 수많은 기능을 발휘하기(활성을 갖기) 때문에 분자설계되어 크게 4가지 타입이 존재합니다.

각각 물에 녹았을 때 이온(전하를 가진 원자 또는 원자단)이 되는 이온성 계면활성제가 3종류 있으며, 이온이 되지 않는 비이온(논이온) 계면활성제 중 하나로 총 4가지 타입이 있습니다.

또한 이온성 계면활성제 3가지 중에서 물에 녹았을 경우의 이온 종류에 따라 음이온(또는 음이온) 계면활성제, 카치온(또는 양이온) 계면활성제 및 양성(음이온과 양이온을 모두 겸비하는) 계면활성제로 분류됩니다.

음이온, 양이온 및 양성 계면활성제는 친수기의 종류와 소수기의 종류와 원료에 따라 더욱 상세하게 분류되며, 비이온 계면활성제도 친수기나 소수기의 원료 및 소수기의 종류에 따라 상세히 분류됩니다.

각각의 특장점과 주요 용도를 나타냅니다.

활성제의종류	특징	주요용도
음이온계면활성제	유화분산성이뛰어나다 거품이 잘 일다 온도의 영향을 잘 받지 않는다	의류 세제 샴푸 바디비누
양이온계면활성제	섬유등에흡착하는 대전 방지 효과가 있다 살균성이 있다	헤어 린스 의류용 유연제 살균제
양성계면활성제	피부에 마일드 물에 대한 용해성이 뛰어나다 다른활성제와상승효과있음	샴푸 바디비누 주방 세제
양계면활성제	친수성과 소수성의 균형을 쉽게 조정할 수 있다 유화·가용화력이 뛰어나다 거품이 적다 온도의 영향을 받기 쉽다	의류 세제 유화 가용화제 분산제 금속 가공유

음이온계면활성제

물에 녹았을 때 소수기가 붙어있는 부분이 음이온으로 전리되는 계면활성제로 비누를 비롯해 오래전부터 많은 종류가 개발되어 왔으며 현재에도 합성세제나 샴푸 등 사용량은 전계면활성제의 약 1/3을 차지하고 있습니다.

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[대표 음이온 계면활성제]

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카르복실산염(비누 등)

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천연 소기름과 야자유, 팜유 등이 원료로 사용되며 세정력, 거품 안정성 및 거품 안정성이 우수하여 신체 세정제로 사용됩니다.

단 저온에서는 세정력이 저하되고 경수에서는 비누 찌꺼기가 생기기 때문에 사용은 어렵습니다.

공업용으로는 로진 비누를 포함하여 합성 고무와 플라스틱 제조 시에 유화 중합용 유화제로 사용되고 있습니다.

또한 최근 신체세정제의 원료로 저자극 알킬에테르 카르본산염이 사용되고 있습니다.

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술폰산염(LAS, AOS, MES, 술호박산염 등)

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선쇄알킬벤젠술폰산염(LAS)은 세정력, 침투력이 뛰어나고 물의 용해성, 기포성과 적당한 거품 안정성을 가지며 가격도 낮아 가정용 합성세제의 주력 계면활성제로 많이 사용되고 있습니다.

α-술루호 지방산 메틸 에스테르염(MES), α-올레핀 술폰산염(AOS)도 세정력, 기포력, 생분해성이 뛰어난 음이온 계면활성제로 합성세제 원료로 사용되고 있습니다.

디알킬설포박산염은 특히 침투력이 뛰어난 계면활성제로 알려져 있습니다.

또한 나프탈렌 술폰산염인 포름알데히드 축합물은 고체의 분산력이 뛰어나 시멘트 혼화제로 널리 사용되고 있습니다.

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황산에스테르염(AS, AES 등)

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고급 알코올을 황산화하여 얻어지는 알킬황산에스테르염(AS)은 용해성과 세정성이 비누보다 뛰어나고 경수에 대해서도 사용할 수 있어 가정용 및 공업용 각종 세정제로 널리 사용됩니다.

고급 알코올에 산화에틸렌(에틸렌옥시드)을 부가해 황산화한 폴리옥시에틸렌 알킬황산에스테르염(AES)은, AS에 비해, 수용성이나 다른 성분과의 상용성이 향상, 또 피부나 눈에 대한 자극이 낮기 때문에 액체 세정제(샴푸, 부엌세제등)의 기제로서 대량으로 사용되고 있습니다.

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기타

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고급 알코올이나 그 산화에틸렌 부가물등의 인산 에스테르염은, 세정제, 대전 방지제 및 유화제 등에 사용되고 있습니다.

또한 최근 샴푸의 원료로 저자극성 아실-N-메틸타우린염 등의 아미노산형 활성제의 사용이 증가하고 있습니다.

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카티온계면활성제

물에 녹았을 때 소수기가 있는 부분이 음이온으로 전리되는 계면활성제로서 비누와 이온적으로 반대의 구조를 갖고 있기 때문에 '역성 비누'라고 불리기도 합니다.

섬유나 모발 등의 마이너스(부정)로 대전되어 있는 고체 표면에 강하게 흡착하여 유연성, 대전 방지성, 살균성 등을 부여할 수 있습니다.

구조적으로는 아민염형과 제4급 암모늄염형으로 분류되며 섬유의 유연제, 헤알린스 기제나 살균제로 제4급 암모늄염형이 널리 사용되고 있습니다.

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양성 계면활성제

물에 녹았을 때 알칼리성 영역에서는 음이온 계면활성제의 성질을, 산성 영역에서는 양이온 계면활성제의 성질을 나타내는 계면활성제입니다.

일반적으로 사용되는 것은 대부분 카르본산염형이며, 아미노산형과 베타인형으로 분류되는데, 베타인형은 피부나 눈에 대한 자극성이 약하여 다른 활성제와 결합하여 세정성과 기포성을 향상시키는 보조제로 널리 사용되고 있습니다.

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비이온계면활성제

물에 녹았을 때 이온화되지 않는 친수기를 가지고 있는 계면활성제로, 물의 경도나 전해질의 영향을 받지 않으며 다른 계면활성제와 병용할 수 있습니다.

이 편리함과 침투성, 유화·분산성, 세정성등의 성능면에서의 특징이 인정되어 최근, 비이온 계면활성제의 사용량의 성장은 커, 음이온 계면활성제가 되는 주력 계면활성제가 되고 있습니다.

비이온계 계면활성제는 분자 내의 주요 결합 방법에 따라 에스테르형, 에테르형, 에스테르형 및 기타로 분류됩니다.

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【대표적인 비이온 계면활성제】

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에스테르형

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글리세린, 소르비톨, 설탕 등의 다가 알코올과 지방산이 에스테르 결합된 구조를 갖고 있으며 매우 안전성이 뛰어난 글리세린 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르 및 초당 지방산 에스테르는 식품첨가물로 인가되어 식품의 유화제나 화장품 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

이런 유형의 비이온 계면활성제는 '다가 알코올형'이라고 불리는 경우도 있습니다.

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에테르형

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고급 알코올이나 알킬페놀 등 수산기를 가진 원료에 주로 산화에틸렌을 부가시켜 만드는 타입으로 비이온계면활성제 중 가장 대표적인 계면활성제입니다.

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폴리옥시에틸렌(또는 POE) 알킬에테르

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[AE, 알킬(또는 알코올) 에톡실레이트, 알킬(또는 알코올) 폴리에톡실레이트라고도 함]

소수기원료로서 천연계 또는 합성계의 고급 알코올을 이용하고 있어 성능면, 가격면 모두 경쟁력이 있으며 가정용, 공업용 모두 가장 많이 사용되고 있는 비이온계면활성제입니다.

또한 산화에틸렌의 일부를 산화 프로필렌으로 대체한 타입도 있는 것입니다.

지방산메틸에스테르에 산화 에틸렌을 부가한 지방산메틸에스테르 에톡실레이트(MEE)도 의류용 세제의 주요 성분으로 사용되고 있습니다.

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폴리옥시에틸렌(또는 POE)알킬페닐에테르

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라고 불리는 에테르형 비이온계면활성제가 있습니다.소수 부분에 벤젠 고리를 함유하고 있어 가용화력이 뛰어나 세정제의 성분으로 이용되어 왔습니다.

그러나 친수기의 폴리옥시에틸렌 사슬은 쉽게 생분해되지만, 남은 소수기(알킬페놀)는 생분해 속도가 느리며, 환경보전 차원에서도 AE로의 대체가 진행되고 있습니다.

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기타 에테르형

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소수기로 폴리프로필렌 글리콜을 사용한 폴리옥시에틸렌 폴리옥시프로필렌 글리콜은 소포성이 적어 저기포성 계면활성제로 사용됩니다.

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에스텔 에테르형

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글리세린이나 소르비톨등의 다가 알코올과 지방산으로 이루어진 에스테르에 산화 에틸렌을 부가한 타입으로, 분자중에 에스테르 결합과 에테르 결합을 모두 가지고 있어, 주로 유화제나 분산제로 사용되고 있습니다.

또, 「에테르형」과「에스테르·에테르형」은 함께 산화에틸렌을 부가한 타입이므로, 「폴리에틸렌글리콜형」이라고 불리기도 합니다.

 

 

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