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계면활성제
계면활성제(界面活性劑, surfactant)는 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 소수성 부분을 가지고 있는 화합물이다. 이런 성질 때문에 비누나 세제 등으로 많이 활용되어 왔다. 계면활성제는 일정 농도 이상에서 계면활성제 분자들끼리 모여 마이셀(micelle)이라는 구조를 형성한다. 마이셀은 계면활성제의 농도가 임계 마이셀 농도 (critical micelle concentration) 이상이고 온도가 임계 마이셀 온도 (critical micelle temperature, 또는 Kraft 온도) 이상에서 형성된다. 마이셀이 물에서 형성될 때, 계면활성제의 소수성 부분은 중심부에 모여 핵을 형성하고 친수성 부분은 물과 접촉하는 외곽 부분을 형성한다. 기름과 같이 소수성 물질은 마이셀의 안쪽 부분에 위치하게 되어 안정화 되고 물에 녹게 되는데 이를 용해화(solubilization)라 하며 이는 세제 작용의 기본 원리이다.
목차
개요[편집]
계면활성제는 극성 또는 비극성의 2종 이상의 작용부분으로 이루어져, 한 분자 내에 친수성과 친유성 부분이 공존 되어 표면(surface)또는 계면(interface)에 흡착하여 표면또는 계면의 성질을 변화시키는 화합물이다.
화학구조 측면에 따라 계면 또는 수용액 내에서의 분자배열 및 회합 상태가 크게 변화되어 결과적으로는 수용액의물리적성질을 변화시키게 되고 이로인해 매우 다양한 산업적 응용분야를 가지게 된다. 계면활성제는 구조적 측면에서 볼 때 수천 개의 종류로 이들을 친수성부분에서 이온성과 비이온성 의 종류, 소수성(친유성)부분의 종류, 제조방법, 물리화학 기능성 및 산업적 용도 등 여러 가지 기준으로 분류된다. 계면활성제는 친수성기와 소수성기의 대소에 따라 수용성 계면활성제, 유용성 계면활성제로 구분, 친수성 부분이 이온을 띠는지 여부에 따라 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제로 구분할 수 있는데 이온성 계면활성제로는 음이온 계면활성제, 양이온 계면활성제 및 양성 계면활성제 등이 있다.
계면활성제는 상간의 경계면 활성화를 통한 표면장력(surface tension :dyne/cm)의 강하능력으로 인해 표면의 습윤, 침투, 기포, 소포, 유화, 가용화, 분산, 응집 및 세정 등의 작용을 가져 모든 세제(detergents)와 화장품(cosmetics) 및 최근 전 산업에 필수적으로 사용되는 필수 주 원료이다.
최근 자연물추출에 의한 천연 또는 생합성의 생물 계면활성제(bio-surfactants)는 양친매성의 생분해성 친환경 기능성물질로서 합성계면활성제를 점차 대체해야 할 것이다. 천연계면활성제는 생분해성 이외에 항균, 미백, 탈모억제, 노화억제 등 기능성을 가지고 있어 피부과학, 생화학, 약학, 면역학, 미생물학, 콜로이드과학, 표면과학, 유동학 및 나노과학 등 첨단과학이 관련되고 있다. 특히 최신 고부가 바이오기능성물질의 연구개발을 통한 자체기술력 향상과 국제 경쟁력 제고를 위해 한국중소형 기업 및 정밀화학업체의 기술지원이 강력히 요구된다.
계면활성제의 사용량을 살펴보면, 음이온 계면활성제가 전체의 65∼70%이고, 그 이외의 비이온성 계면활성제가 25∼30 %이다. 양이온성 계면활성제와 양쪽성 계면활성제 모두 10% 미만이지만 점차 그 사용량이 증가되고 있는 추세이다.
계면활성제가 사용되는 용도는 전체 계면활성제 중 건축/토목, 섬유공업에 사용되는 양이 가장 많고, 그 다음으로 수요가 많은 것이 세제이며 나머지는 종이, 펄프 등 제지관련 산업, 농약, 의약, 페인트, 인쇄/잉크, 피혁, 금속/기계, 채광, 도금, 화장품, 식품, 토목/건축 등 분야이다.
계면활성제의 구조[편집]
물과 기름이 섞이지 않는 것은 물은 극성을 가지고 기름은 비극성의 성질을 가지기 때문이다. 일반적으로 극성인 분자는 극성인 분자와 잘 섞이고, 비극성인 분자는 비극성인 분자끼리 잘 섞이는 성질을 가지고 있다. 계면활성제는 기본적으로 한 분자 내에 극성인 부분과 비극성인 부분이 함께 존재하는 분자에서 나타나게 된다. 즉, 분자 안에 물을 좋아하는 부분인 친수성(hydrophilic) 부분과 물을 싫어하는 소수성(hydrophobic) 부분을 동시에 갖는 분자들이 계면활성제로 사용될 수 있다. 보통 통틀어 기름(oil)이라고 부르는 물질들은 물에 섞이지 않고 용해 측면에서 반대되는 성질을 가지기 때문에 물을 싫어하는 소수성 부분은 동시에 기름을 좋아하는 친유성(lipophilic)인 성질을 보여주고, 물을 좋아하는 친수성 부분은 기름을 싫어하는 소유성(lipophobic) 성질을 나타내게 된다. 일반적인 계면활성제의 경우 탄소 원자가 길게 연결된 사슬 형태가 소수성 부분을 구성하고 있고, 극성을 가지는 친수성 부분은 그 크기가 소수성 부분보다 현저히 작으므로, 친수성 부분을 머리(head)라고 부르고 소수성 긴 사슬 부분을 꼬리(tail)라고 부른다.
종류[편집]
음이온계 계면활성제[편집]
물에 녹았을 때 친수성기가 음이온을 띄는 계면활성제. 황산 계열(설페이트, 설포네이트), 인산 계열 등이 주이며 지방산의 알칼리 금속염인 비누도 굳이 분류하자면 음이온계 계면활성제에 속한다. 침투력 및 기포력이 강하고 무기 오염에 비교적 강한 세정력을 보인다. 세정 목적으로 많이 사용되며, SDS-PAGE에 사용되는 SDS[2] 또한 음이온계 계면활성제의 스테디셀러이다.
양이온계 계면활성제[편집]
물에 녹았을 때 친수성기가 양이온을 띄는 계면활성제. 절대 다수가 4급화된 암모늄 양이온(quaternized ammonium cation)이며, 세정력 및 기포력은 다른 종류의 계면활성제에 비해 높지 않은 편이나, 음전하를 띄는 표면에 잘 달라붙으며 매우 높은 살균력을 가진다. 그때문에 벤잘코늄 등의 물질은 살균제로 쓰이는 경우가 많다. 가습기 살균제 사망사건의 주요 원인 물질이었던 폴리헥사메틸렌구아니딘 인산염(PHMG) 또한 산성 조건에서는 양이온계 계면활성제처럼 거동할 수 있으며, 다른 양이온계 계면활성제 또한 흡입할 경우 독성을 보일 수 있다는 주장에 따라 한국에서 분사형 제품에 대한 양이온계 계면활성제의 배합에 대한 규제가 매우 강해진 경위가 있다.
양성(양쪽성) 계면활성제[편집]
물에 녹았을 때 친수성기가 양전하 파트와 음전하 파트를 모두 갖는다. 따라서 pH 조건에 따라 음이온성, 비이온성, 양이온성 계면활성제의 성질을 달리 보일 수 있다. 인체에 대한 자극성이 약한 편이라 화장품에 많이 사용된다. 아미노산계, 베타인계 등으로 나뉜다.
비이온성 계면활성제[편집]
물에 녹아도 이온화하지 않는 계면활성제. 친수성기가 산소를 포함한 유기 그룹으로 이루어져 있다. 이온화하지 않으므로 기름때 세정에 강하며, 에틸렌옥사이드나 프로필렌옥사이드 등의 부가 수를 조절하여 물성을 조정하는 것이 일반적이다. 음이온계 계면활성제와 병용하여 세정제 목적으로 많이 사용된다.
바이온성 계면활성제를 포함한 전해액을 리튬이온 전지에 이용하기도 한다.
용도[편집]
계면활성제는 세제로서의 용도 외에도 유화성(乳化性)이나 발포성(發泡性), 그 밖의 특성을 이용하여 여러 가지 분야에서 사용되고 있다.
먼저 유화작용에 대해 예를 들어보면, 우유는 물 속에 젖의 단백질과 지방질이 아주 작은 입자 상태로 분산된 이른바 유탁액이라고 불리는 상태로 되어 있다. 이와 같은 상태가 비교적 안정한 것은, 우유에 함유되어 있는 어떤 종류의 단백질이 계면활성제로서 작용하여 지방질을 미립자로서 안정화하고 있기 때문이다. '유탁액'(emulsion)이란 얼른 보아서는 균일한 것처럼 보이나 실은 아주 작은 입자로서 분산되어 있는 것을 말하며, 이보다 굵은 입자로서 분산되어 있는 것을 현탁액(suspension)이라고 한다.
이 밖에 크림·유액이라고 하는 화장품도 모두 물과 기름이 작은 입자상태로 되어 섞여 있는 것인데 거기에는 계면활성제가 작용하고 있다. 또 공장에서 염화비닐의 중합과 같이 유화한 상태에서 반응을 일으키지 않으면 안 될 경우에도 대량의 계면활성제가 필요한 것이다. 물과 기름처럼 서로 용해되어 융합하지 않는 것도 유화하여 분산시킴으로써 유동성이 증가하고 표면에 잘 퍼지는 등의 좋은 성질을 얻을 수 있다. 이 때 물과 기름의 혼합비에 의해서도 그 성질에 많은 차이가 생긴다. 바니싱크림은 소량의 기름이 다량의 물속에 분산된 형태의 것으로, 'O／W유탁액(oil in water emulsion)'이라고 한다. 콜드크림은 이와 반대로 'W／O유탁액(water in oil emulsion)'이라고 한다.
계면활성제의 또 하나의 기능인 발포성을 이용한 것으로는 먼저 흡착을 들 수 있다. 액체와 기체의 계면에 계면활성제의 분자가 배열하여 막을 만들면 이 막은 작은 고체를 흡착하기 쉬운 성질을 가지게 된다. 이러한 성질이 있기 때문에 세탁을 할 때 거품이 일어서 때가 빠진다.
광산에서 선광(選鑛)을 할 때 시행하는 부유선광법도 이 계면활성제의 발포성을 이용한 것이며, 광석을 분쇄한 다음 계면활성제와 함께 물을 흘려 보내면 광물의 미립자가 거품에 흡착되므로 이것을 모아 광물을 회수한다. 계면활성제의 발포성은, 발포제로 만들어서 소화(消火)에도 응용되고 있다. 화재가 났을 때 발포제로 연소물의 표면의 공기를 차단하여 불을 끄게 된다. 소화에 사용되는 발포제는 냉열성이 강하고 적당한 점성이 있어야 할 것이 요구되므로 많은 연구가 진행되어, 현재는 단백질을 분해하여 만든 것이 주류를 이루고 있다.
발포성과는 반대로 거품이 이는 것을 방지하는 소포제도 계면활성제의 하나로서 만들어지고 있다. 실리콘유는 그 한 예로, 거품이 이는 것을 방지할 필요가 있는 곳에 널리 사용되고 있다. 또 물과 잘 섞이게 하는 역할과는 반대로 물을 배척하는 것도 계면활성제의 한 역할인데, 실리콘도료나 실리콘유를 유리 등의 표면에 바르면 물을 배척하는 성질이 있어, 자동차의 유리나 안경알이 뿌옇게 되는 것을 방지하는 데 사용되고 있다.
생활 속의 계면활성제: 식품[편집]
두 종류의 섞이지 않는 액체가 균일하게 혼합되어있는 것을 에멀션(emulsion)이라고 한다. 가령 식용유와 물을 한 컵에 따라 놓으면 섞이지 않고 층을 이루지만, 열심히 흔들거나 저어서 두 층을 섞어 놓으면 물 안에 작은 기름방울들이 분산된 상태를 만들 수 있고, 이 상태를 에멀션이라고 한다. 다만, 물과 기름의 경우에는 가만히 두면 비극성인 기름끼리 뭉쳐서 점점 큰 덩어리를 만들고, 최종적으로는 다시 물 층과 기름 층으로 분리되는 현상을 관찰할 수 있다. 우유도 물과 단백질, 지방 등으로 이뤄진 액체 혼합물인데, 우유의 경우에는 오랜 시간 가만히 두어도 물과 지방 층으로 나뉘지 않는다. 우유의 경우에는 계면활성제에 의해 에멀션이 안정화되었기 때문인데, 이 경우 우유 안의 레시틴(lecithin)이 계면활성제의 역할을 한다. 달걀 노른자에 식용유와 식초, 향신료 등을 섞어주면 마요네즈(mayonnaise)를 얻을 수 있는데, 이때도 달걀 노른자 속의 레시틴이 계면활성제 역할을 하며 식용유와 재료들 내의 물 또는 극성 분자들과의 혼합을 도와주고, 에멀션 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 해준다.
우리 몸 속 계면활성제[편집]
생체의 중요한 계면활성제에는 데옥시콜산 소듐(sodium deoxycholate)처럼 쓸개에서 분비되어 지방의 분해를 돕는 물질이 있다. 이러한 생체 계면활성제는 세포로부터 특정한 물질을 분리, 정제할 때 중요하게 사용된다. 예컨대 1944년에 에이버리(Oswald Avery, 1877-1955) 등이 DNA가 유전물질임을 증명하는 실험 중 가열한 폐렴균에서 DNA를 정제할 때 일단 데옥시콜산 소듐을 가하고 세포막을 분쇄한 후 탄수화물, 지방질, 단백질, 핵산 등을 차례로 분리했다. 이렇게 해서 얻은 순수한 DNA의 원소분석 결과는 이론값과 잘 일치했다.
마이셀 구조[편집]
물과 같은 극성 용매에 계면활성제가 고르게 섞이고 계면활성제끼리 만날 수 있는 농도가 되면, 계면활성제끼리 물 안에서 뭉친 구조가 만들어지기 시작한다. 일정하게 모여 있는 계면활성제의 배열을 생각해보면, 물을 싫어하는 소수성 꼬리 부분은 꼬리 부분끼리 모이고, 가능한 물과 직접 닿지 않는 모양을 이루려고 할 것이다. 따라서, 계면활성제 분자가 둥글게 모여서 꼬리는 안쪽으로, 동시에 물(또는 극성 분자)을 좋아하는 머리는 바깥쪽으로 위치한 구형 모양을 이루게 되는데, 이러한 구조를 마이셀(micelle)이라고 부른다. 계면활성제가 기름과 같은 비극성 용매 내에 섞이게 되면 반대의 경향(머리가 안쪽으로 모이는 구조)을 보일 것이고, 이를 역마이셀(reverse micelle)이라고 부른다. 이러한 마이셀의 형성은 계면활성제가 어느 정도 자기들끼리 모일 수 있는 농도가 되어야 하므로, 마이셀을 형성하기 시작하는 임계 마이셀 농도(critical micelle concentration)을 가지며, 그 외에도 온도, pH, 다른 이온이나 극성 물질의 영향 등의 외부 자극에도 영향을 받는다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈계면활성제〉, 《위키백과》
- 〈계면활성제〉, 《나무위키》
- 〈계면활성제〉, 《화학백과》
- 맑은하늘 깨끗한 공기, 〈세계 계면활성제 시장 전망〉, 《네이버블로그》, 2019-06-27
같이 보기[편집]
