계면활성제란 PART-2

계면활성제 (Surface active agents)라고 하는 것은 서로 다른 상의 계면 차이로써 계면 흡착을 행하여 표면 장력을 저하시켜 계면 활성을 부여하는 물질부류를 지칭하며 액체에 용해, 계면에 흡착해서 계면에너지를 현저히 감소시켜 젖음, 유화, 분산, 발포, 가용화, 세정 등의 작용을 나타내거나 계면장력을 현저히 저하시키는 물질로 정의 합니다.

 
계면활성제는 서로 다른 성질을 가지고 있는 두 개의 화학적 작용기(친수성기와 소수성기)를 한 분자 내에 보유하고 있는 특이한 구조의 물질로서 고체/기체, 고체/액체, 고체/고체, 액체/기체, 액체/액체 사이의 경계면에서 활성을 나타내어, 분리되어 있는 두 물질을 섞이게 하거나 경계면에 흡착을 쉽게 해주는 역할을 한다. 이런 특이한 성질 때문에 계면활성제는 여러 가지 다양한 물질이 산업 분야에서 많이 이용되고 있으며, 없어서는 안 될 중요한 물질이다.

계면활성제의 응용범위는 매우 다양하다. 가정용으로는 세제, 식기세척제, 세척제, 심체용 제품 등이 있으며, 공업용으로는 섬유 산업, 채광 산업, 석유화학 공업, 건축 및 토목 공업, 화장품 산업, 제지 산업, 식품 및 의약품 산업, 안료 및 페인트 분야, 전자 프린팅 등 각종 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있으며 최근에는 전자부품용 소재개발, 세라믹 가공용 등에도 널리 이용되고 있다. 이러한 응용 분야는 계면활성제가 갖는 흡착, 기포, 유화, 습윤, 침투, 유영 작용 등과 밀접한 관계를 지니고 있다. 

계면활성제는 친수성기와 소수성기의 대소에 따라 수용성 계면활성제, 유용성 계면활성제로 구분된다. 또한 친수성 부분이 이온을 띠는지 여부에 따라 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제로 구분할 수 있는데 이온성 계면활성제로는 음이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 양성 계면활성제 등이 있습니다.

 

계면활성제의 구조

 

계면활성제는 독특한 화학구조를 가지고 있는데 분자의 한쪽에 물과 친화력이 큰 친수성기가 있고 다른 한쪽에는 기름과 친화성이 큰 소수성기를 가지고 있습니다. 대표적인 계면활성제인 비누 즉, 고급지방산 나트륨(R-COONa)의 구조에서 고급지방산의 긴 알킬기 사슬 끝에 카르복실기가 있고 여기에는 Na이 결합되어 있다. 여기서 지방산의 알킬기는 소수성을 갖고 있는데 반하여 카르복시산 나트륨기(-COONa)는 친수성을 가지고 있습니다.

 

 

 

계면활성제의 분류

 

 

음이온 계면활성제

 

친수성기로 음이온 전하를 갖는 것으로서 수중에서 친수기 부분이 음이온으로 해리된다. 세정작용과 기포형성 작용이 우수하여 비누, 샴푸, 클렌징 폼에 많이 사용된다. 석유부산물에서 화학 합성하여 얻어지는 음이온 계면활성제는 강한 세척력과 피부자극, 잠재적 발암물질을 함유하고 있으나 식물성 음이온 계면활성제는 인체에 유해하지 않고 자연에서 빠르게 분해되므로 환경에도 좋다. ABS, 카르복시산 염(RCOO⁻M⁺), 설폰산 염(RSO3⁻M⁺), 황산에스테르 염(ROSO3⁻M⁺), 인산에스테르 염(RPO3⁻Na2⁺) 등이 있다. 음이온 계면활성제는 계면활성제 시장의 약 64%를 차지하고 있다. 역사적으로 산업혁명 이래 종래의 비누가 표면활성이 필요한 많은 공정에서 사용하였으며 개선된 성능을 얻기 위하여 개발되기 시작하였다. 19세기 후반 황산화 피마자유가 개발되어 염색공업에 사용되기 시작한 이래 황산에스테르나 설폰산염 구조의 계면활성제가 시장을 크게 점유하고 있다.

 

음이온 계면활성제 분류

 

 

 

양이온 계면활성제 

 

 친수성기로 양이온 전하를 갖는 것으로서 수중에서 친수기 부분이 양이온으로 해리한다. 음이온 계면활성제와는 반대의 구조를 갖고 있어 역성비누라 한다. 살균, 소독작용이 우수하고 정전기 발생을 억제하는 특성이 있어 린스나 헤어트리트먼트제와 같은 두발용 화장품에 많이 사용한다. 4급 암모늄 할로겐화물(R4N⁺Cl⁻)을 들 수 있다. 양이온 계면활성제는 계면활성제 시장의 약 8% 정도를 점유하고 있다. 대부분 양이온 계면활성제는 많은 미생물의 성장을 정지시키거나 억제하는 생물학적인 활성이 있다. 그 밖에도 섬유공업에서 유연제, 방수제, 염료 고착제로 사용되며 많은 광물과 금속이 음전하를 띠고 있기 때문에 부유 선광, 윤활, 방식 등에 사용된다.

 

 

비이온 계면활성제

 

친수성기가 전하를 띄지 않으나 분자 내에 여러 개의 극성기를 가지고 있어 물과의 친화성이 자유롭다. 따라서 피부에 자극이

가장 적은 종류이기 때문에 유액, 크림 등과 같은 피부에 오랜 시간 사용되는 기초화장품의 유화제로 사용된다.

폴리옥시에틸렌(-OCH2CH2O⁻)이나 폴리올 그룹을 들 수 있다. 비이온 계면활성제는 전기적으로 중성이기  때문에 전해질의 존재에 덜 민감하여 pH에 의한 영향을 덜 받으며 합성과정에서 친수성기의 중합도를 고안하여 용해성을 조절하기 쉬운 특징을 가지고 있다.

 

양성 계면활성제

 

양이온 전하와 음이온 전하를 한분자 내에 함께 가지고 있으며 양이온은 산성영역에서 음이온은 알칼리성 영역에서 해리한다. 세정작용이 있으면서, 피부에 자극이 적어 저자극 샴푸, 베이비 샴푸 등 피부에 자극이 적은 화장품을 만들 때 사용한다. 이미다졸린 유도체, 베타인, 설포베타인[RN⁺(CH3)CH2CH2SO3⁻], 포스파타이드 등을 들 수 있다. 양성 계면활성제는 계면활성제 시장의 0.5~1% 정도를 차지하고 있지만 지니고 있는 독특한 성질로 인하여 시장 규모가 점점 증가하고 있는 추세이다.

 

기타 계면활성제

 

천연계면활성제 : 레시틴, 미생물을 이용한 계면활성제

실리콘계면활성제 : 디메티콘과 알킬디메티콘 공중합체, 실리콘을 유화  및 유중수 유화를 할 때 많이 이용됨

고분자계면활성제 : 아카시아검, 알긴상, 전분유도체, 최근에는 히나로산, 키틴 등에 알킬기 도입, 폴리 아크릴

                           계통의 합성고분자에 알킬기 첨가

 

피부자극과 세정력 비교

 

피부자극 : 양이온성 > 음이온성 > 양성 > 비이온성

세정력 : 음이온성 > 양성 > 양이온성 > 비이온성