6 계면활성제 (I) 정밀화학 6 주차 계면활성제 (I) 2005 4 9
6 계면활성제 (I) 2/11 정의정의 서론 계면활성제는계면활성제는액체에액체에용해용해 계면에계면에흡착흡착 (adsorption) (adsorption) 해서해서계면에너지를계면에너지를현저히현저히감소시켜감소시켜젖음젖음 (wetting) (wetting) 유화유화 (emulsification) (emulsification) 분산분산 (dispersing) (dispersing) 발포발포 (foaming) (foaming) 가용화가용화 (solubilization) (solubilization) 세정세정 (washing) (washing) 등의등의작용을작용을나타내거나나타내거나계면장력을계면장력을현저히현저히저하시키는저하시키는물질로물질로정의된다정의된다 액체에액체에녹거나녹거나분산하여분산하여 기 액 액 액 고 액등의등의계면에계면에배향흡착하여배향흡착하여 소량으로소량으로계면의계면의성질을성질을현저하게현저하게변화시키는변화시키는물질을물질을계면활성제계면활성제 (surface (surface active active agent agent suufactant) suufactant) 라한다한다 역사역사 알칼리알칼리금속금속비누비누사용에사용에대한대한최초의최초의기록기록 기원전기원전 600 600 년경페니키아인들의페니키아인들의무역무역품목품목 비누가비누가아닌아닌최초의최초의합성합성계면활성제는계면활성제는황산화황산화오일이다오일이다 터키레드오일터키레드오일 (Turkey (Turkey Red Red Oil) Oil) 로알려져알려져있는있는설폰화설폰화피마자유피마자유 (sulfonated (sulfonated castor castor oil) oil) 는 19 19 세기세기후반에후반에염색조제로염색조제로사용되기사용되기시작시작 일차대전일차대전중독일에서독일에서동물과동물과식물성식물성기름기름부족을부족을해결하기해결하기위한위한목적으로목적으로알킬나프탈렌술폰산염알킬나프탈렌술폰산염을비누비누대용품으로대용품으로제조제조 아직도아직도습윤제로습윤제로사용되고사용되고있음있음 이차대전이차대전이후이후빌더빌더 (builder (builder 폴리인산염폴리인산염 ) 의 ) 발견으로발견으로합성세제가합성세제가비누대신비누대신사용되면서사용되면서양적양적질적질적으로으로진보진보 그후그후 PT PT 벤젠계에서벤젠계에서직쇄상직쇄상알킬벤젠알킬벤젠 (LAB) (LAB) 계로계로전환하였다전환하였다 계면활성제계면활성제산업에서산업에서세제가세제가차지하는차지하는비중은비중은아직도아직도높으나높으나점차점차의약품의약품 원유 원유종재종재둥계면활성계면활성작용을작용을필요로필요로하는하는영역이영역이다변화되고다변화되고있으면있으면그수요가그수요가증대되고증대되고있다있다
6 계면활성제 (I) 3/11 계면활성제의용도 일상일상생활에서사용되고있는있는계면활성제의용도용도 초콜릿초콜릿 아이스크림아이스크림 빵 마요네즈마요네즈 버터버터 도금도금 플라스틱플라스틱시트시트 카펫카펫 카펫카펫세제세제 정전정전방지제방지제 식탁보식탁보 살균제살균제 콘크리트콘크리트 비료비료 살충제살충제 페인트페인트 자동차자동차부동액부동액 테이프테이프 자동차자동차몸체의몸체의도료도료 아스팔트아스팔트 엔진엔진오일오일 브레이크브레이크오일오일 구두약구두약 가죽가죽 윤활유윤활유 방청유방청유 드라이드라이크리닝제크리닝제 잉크잉크 옷감옷감 염색염색 비타민비타민 연고연고 화장품화장품 안경안경 샴푸샴푸 연구연구방향과전망전망 계면활성제계면활성제연구의연구의초창기에는초창기에는주로주로수용액계를수용액계를중심으로중심으로하는하는액체액체 / 액체계 / 액체계연구가연구가주를주를이루었으이루었으나이제는이제는기체기체 / 액체 / 액체 고체고체 / 액체 / 액체및고체고체 / 고체계의 / 고체계의계면활성계면활성문제도문제도많이많이연구되고연구되고있다있다 고분자와고분자와고분자고분자사이사이또는또는유기고분자와유기고분자와무기재료무기재료간계면의계면의문제문제 생물생물 / 미생물간 / 미생물간계면의계면의문제문제 촉매등무기계에무기계에대한대한연구가연구가활발히활발히일어나고일어나고있어있어계면활성제의계면활성제의응용응용범위는범위는날로날로더욱더욱넓어져넓어져가고있다있다 계면활성제계면활성제응용응용범위의범위의예를예를들어보면들어보면물질의물질의분리분리 석유회수석유회수 표면개질표면개질 대체혈액대체혈액 불소계불소계계면활계면활성제성제 유전자유전자조작조작 세포융합세포융합 인공지능인공지능등생물공학생물공학분야는분야는물론물론사막의사막의녹화녹화 식량문제식량문제등인류가인류가안고안고있는있는문제를문제를해결하는해결하는데도데도그역할이역할이점점점점더커져커져가고가고있다있다
6 계면활성제 (I) 4/11 계면활성제의용도 1) 1) 식품식품식품업에서는식품업에서는주로주로세척과세척과유화제로유화제로사용된다사용된다 예를예를들어들어아이스크림아이스크림제조에서는제조에서는공기가공기가아이스크아이스크림속에속에적당히적당히들어갈들어갈수있도록있도록해줌으로써해줌으로써부피를부피를크게크게해주고해주고또촉감을촉감을좋게좋게해준다준다 2) 2) 의약품의약품주로주로크림유의크림유의유화제와유화제와타블렛타블렛약의약의분산제로분산제로사용된다사용된다 특히특히약리학적약리학적 독성학적독성학적안정성에안정성에중요중요하게하게응용되고응용되고있는데있는데황화지방알콜이나황화지방알콜이나지방알콜지방알콜폴리글리콜폴리글리콜등이등이널리널리이용되고이용되고있다있다 3) 3) 살충제살충제 제초제제초제농약을농약을살포할살포할때는때는농약농약성분의성분의농도를농도를묽게묽게해서해서골고루골고루뿌려지게뿌려지게해야해야하므로하므로이를이를돕기돕기위해위해계면활성제를면활성제를사용한다사용한다 또한또한농약농약성분이성분이식물에식물에잘침투하게침투하게하는하는침투제로도침투제로도사용된다사용된다 유화제로유화제로사용될사용될경우경우그유화제는유화제는생분해되는생분해되는것이어야만것이어야만사용이사용이가능하며가능하며식물생리학적으로식물생리학적으로허락된허락된물질물질만사용하여야사용하여야한다한다 그렇지그렇지않으면않으면음식물을음식물을섭취하는섭취하는사람에게사람에게흡수되어흡수되어용해주게용해주게되기되기때문이다때문이다 4) 4) 섬유섬유각종각종보조제로보조제로사용된다사용된다 천연섬유의천연섬유의경우경우기름성분기름성분등많은많은불순물이불순물이표면에표면에붙어붙어있으므로있으므로세척세척도해야하고해야하고적당히적당히습기를습기를지니게지니게해야해야하는데하는데이때주로주로세정제나세정제나습윤제를습윤제를사용한다사용한다 섬유를섬유를염색할색할경우경우여러여러용도로용도로사용되기도사용되기도한다한다
6 계면활성제 (I) 5/11 계면활성제의용도 5) 5) 화학제품화학제품제품제품생산시생산시여러여러보조제로보조제로쓰이는데쓰이는데반응반응속도를속도를조절하거나조절하거나성분을성분을용이하게용이하게추출하는데도추출하는데도사용사용된다된다 두물질이물질이섞이지섞이지않아않아반응이반응이느릴느릴때유화제를유화제를사용하면사용하면반응반응속도를속도를매우매우빠르게빠르게할수가수가있다있다 6) 6) 플라스틱플라스틱제품제품플라스틱플라스틱분산제분산제 기포제기포제 거푸집이탈제거푸집이탈제 미세캡슐화제미세캡슐화제 (microencapsulation) (microencapsulation) 등으로등으로많이많이쓰이고쓰이고있다있다 유화제를유화제를사용하여사용하여고분자화고분자화반응을반응을촉진시키는촉진시키는 (emulsion (emulsion polymerization) polymerization) 데많이많이응용되고응용되고있다있다 일반적으로일반적으로유화제의유화제의농도가농도가미셀농도보다미셀농도보다많게많게하여하여미셀이미셀이모노머를모노머를잘용해할용해할수있도록있도록해준다준다 7) 7) 페인팅페인팅페인팅에는페인팅에는염료가염료가골고루골고루잘분산되어야분산되어야하기하기때문에때문에계면활성제가계면활성제가매우매우중요하다중요하다 유기염료나유기염료나무기염료는기염료는수용액수용액상태에서상태에서만들어지게만들어지게되는데되는데이것을이것을기름에기름에섞이게섞이게하려면하려면양이온양이온계면활성제가계면활성제가필요하다필요하다 염료를염료를접착제에접착제에분산시키기분산시키기위해서는위해서는습윤제가습윤제가필요하고필요하고페인팅되는페인팅되는물질과의물질과의정전기정전기를방지하기방지하기위해서는위해서는정전기방지제를정전기방지제를사용한다사용한다 8) 8) 제지제지종이를종이를만드는만드는과정에서과정에서송진을송진을제거하거나제거하거나 발포를발포를방지할방지할때또는또는종이종이사이징할사이징할때유화제로유화제로또는종이를종이를재생할재생할때필요한필요한계면활성제가계면활성제가다양하게다양하게이용된다이용된다
6 계면활성제 (I) 6/11 계면활성제의용도 9) 9) 가죽제품가죽제품가죽제품을가죽제품을만들만들경우경우 가죽을가죽을부드럽게부드럽게만들어만들어주어야주어야하는데하는데이때습윤제가습윤제가필요하다필요하다 일반적으일반적으로가죽을가죽을저장하기저장하기위해위해소금을소금을뿌려놓는데뿌려놓는데이것을이것을다시다시사용하려면사용하려면소금도소금도제거해야제거해야하고하고세척도세척도해야하므로해야하므로이때다양한다양한계면활성제가계면활성제가이용된다이용된다 10) 10) 사진제품사진제품사진사진용액을용액을만들만들때는때는습윤제와습윤제와 필름이필름이카메라카메라안에서안에서잘감기고감기고풀리게풀리게하는하는윤활제윤활제 감광제가감광제가잘섞이게섞이게하는하는유화제유화제 여러여러화학물질이화학물질이골고루골고루잘입혀지게입혀지게하는하는분산제분산제 고속으로고속으로필름을필름을코팅함코팅함으로써으로써생기는생기는정전기를정전기를방지해방지해주는주는정전기방지제정전기방지제등다양하게다양하게이용되고이용되고있다있다 11) 11) 건축재건축재도로건설이나도로건설이나건축물에건축물에사용되는사용되는시멘트가시멘트가잘분산되게분산되게하는데하는데분산제로분산제로사용되고사용되고자갈에자갈에골고루골고루잘스며들게스며들게하기하기위해위해유화제로도유화제로도사용된다사용된다 지붕에지붕에방열방열 방전용방전용계면활성제가계면활성제가이용되고이용되고시멘트시멘트에기포가기포가생기지생기지않게않게하기하기위해위해기포방지제를기포방지제를사용하는사용하는등다양하게다양하게이용되고이용되고있다있다 또한또한시멘트시멘트가양생되는양생되는동안동안차가운차가운온도에온도에얼지얼지않게않게하기하기위해위해공기부유제를공기부유제를사용하기도사용하기도한다한다
6 계면활성제 (I) 7/11 분자구조 분자분자중에중에물과물과친하지친하지않은않은원자단원자단 ( 소수기 ( 소수기또는또는친유기친유기 ) 과 ) 물과물과친한친한원자단원자단 ( 친수기 ( 친수기 ) 이 ) 합해진합해진구조구조 물에물에녹이면녹이면친수기는친수기는물쪽으로쪽으로 소수기는소수기는공기공기쪽으로쪽으로향하여향하여계면에계면에흡착흡착 계면활성제의계면활성제의분자구조분자구조모델과모델과배향흡착배향흡착 계면활성제의성질 소수기 : alkyl 기 alkenyl 기 alkylaryl 기 fuluroalkyl 기 polydimethylsiloxane 기 친수기 : SO 4 SO 3 COO (OCH 2 CH 2 ) n OH (OH) n 배향흡착배향흡착
6 계면활성제 (I) 8/11 계면활성제의성질 계면활성제계면활성제수용액의수용액의농도가농도가높아지면높아지면표면흡착이표면흡착이포화되어포화되어 과잉의과잉의계면활성제계면활성제분자가분자가수중에수중에존재하게재하게되며되며 분자집합체인분자집합체인 을형성하게형성하게된다된다 이생성하기생성하기시작할시작할때의때의농도를농도를임계미셀농도임계미셀농도 ( ( critical critical micelle micelle concentration) concentration) 이온성계면활성제보다이온성계면활성제보다비이온성비이온성계면활성제에서계면활성제에서 그리고그리고소수기가소수기가클수록클수록큰 이형성된다형성된다 의생성과생성과
6 계면활성제 (I) 9/11 계면활성제의성질 의형상형상 : : 구상구상 봉상봉상 층상층상 는 102 102 ~ 104 104 mol/l mol/l 이며이며일반적으로일반적으로 이상에서이상에서사용됨사용됨 계면흡착과계면흡착과미셀생성에미셀생성에의해의해용액의용액의계면장력을계면장력을저하시킨다저하시킨다 의형상형상
6 계면활성제 (I) 10/11 HLB HLB 계면활성제의성질 hydrophobiclipophile hydrophobiclipophile balance balance : : 소수기와소수기와친수기의친수기의발란스를발란스를나타내는나타내는수치로서수치로서 용도를용도를예측할예측할수있다있다 HLB HLB = = ( 친수기 ( 친수기분자량분자량 / 분자량 / 분자량 ) ) x x 20 20 HLB 와수용성과의관계 03 : 분산하지않음 36 : 약간분산 68 : 강하게교반하면유탁함 810 : 안정한유탁물이됨 1013 : 반투명또는투명한분산 1320 : 투명하게용해 HLB 와용도의관계 Kraft Kraft point point 이온성활성제는이온성활성제는어느어느온도온도이상에서는이상에서는물에물에대한대한용해도가용해도가현저하게현저하게증가된다증가된다 이온도는온도는고체상고체상계면활성제의계면활성제의융점에융점에해당하고해당하고크라프트점이라크라프트점이라부리며부리며계면활성제의계면활성제의수용성의수용성의척도이다척도이다
6 계면활성제 (I) 11/11 수용성계면활성제 유용성계면활성제 용해성에의한구별 계면활성제의분류 이온성계면활성제 비이온성계면활성제 수용액에서이온생성여부에의한구별 음이온계면활성제양이온계면활성제양쪽성계면활성제 수용액에서계면활성을나타내는부분의이온의종별 특수한기능 : 불소함유계면활성제 실리콘계게면활성제 고분자계면활성제 음이온계면활성제 양이온계면활성제 소수성기친수성기대이온 + + 양쪽성계면활성제 + 비이온성계면활성제