계면활성제

3. 계면활성제의 원리

계면이란 기체와 액체, 액체와 액체, 액체와 고체가 서로 맞닿은 경계면을 의미한다. 계면활성제는 이러한 계면의 경계를 완화시켜 표면 장력을 약화시키는 역할을 한다. 계면활성제는 하나의 분자 내에 친수성과 친유성을 모두 가진 화학적 구조를 가지고 있기 때문에 이러한 작용이 가능하다.^[8]

계면활성제는 세제 용도 외에도 식품 및 화장품의 유화제, 보습제 등으로 널리 사용된다. 또한, 화학 구조를 약간만 변경해도 특성이 크게 달라지기 때문에 매우 다양한 종류의 계면활성제가 존재한다. 일반적으로 계면활성제는 물에 녹았을 때 친수성 부분의 전하에 따라 음이온성, 양이온성, 양쪽성, 비이온성 계면활성제로 분류할 수 있다.

용매에 계면활성제를 소량 첨가하면, 대부분의 계면활성제 분자는 소수성 부분을 공기 쪽으로 향하게 하여 용매 표면에 모인다. 계면활성제의 양을 점차 늘려 임계 미셀 농도(CMC)에 도달하면, 물에서는 친수성 부분을 바깥쪽으로, 친유성 부분을 안쪽으로 향하는 미셀이 형성되고, 비극성 용매에서는 반대 방향의 미셀이 형성된다. 미셀 내부는 외부 환경과 다른 성질을 가진 물질을 수용할 수 있어, 계면활성제를 통해 극성과 비극성 물질이 균일하게 혼합된 용액을 만들 수 있다. 이러한 작용을 '''계면활성 작용'''이라고 한다.

3. 1. 화학적 구조

• 비이온성 계면활성제: 머리 부분에 전하를 띤 기가 없다.
• 음이온성 계면활성제: 머리 부분이 음전하를 띤다.
• 양이온성 계면활성제: 머리 부분이 양전하를 띤다.
• 양쪽성 계면활성제: 머리 부분에 양전하와 음전하를 모두 가진다. (쯔비터이온)

3. 2. 계면에서의 작용

• 기계 유화
• 전상 유화
• 액정 유화
• 전상 온도 유화 (PIT 유화)
• D상 유화
• 가용화 영역을 이용한 초미세 유화

3. 2. 1. 임계 미셀 농도 (CMC)

3. 2. 2. 젖음성 (Wetting)

3. 2. 3. 기포 (Foaming) 및 소포 (Antifoaming)

4. 계면활성제의 종류

계면활성제는 물에서 해리될 때 친수성 부분의 전하에 따라, 혹은 분자 구조에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

• 음이온 계면활성제: 물에 녹았을 때 음이온을 띠는 계면활성제이다.
• 양이온 계면활성제: 물에 녹았을 때 양이온을 띠는 계면활성제이다.
• 양쪽성 계면활성제: 분자 내에 음이온과 양이온을 모두 가지고 있어 용액의 pH에 따라 성질이 변하는 계면활성제이다.
• 비이온 계면활성제: 전하를 띠지 않는 친수성 부분을 가진 계면활성제이다.

• 아미노산 계면활성제: 아미노산에서 유래한 계면활성제이다. 아미노산의 종류와 알킬/아릴 사슬과 축합되는 아미노산 부분에 따라 음이온성, 양이온성 또는 양쪽성 이온성 등 다양한 특성을 가진다.^[7]
• 쌍둥이 계면활성제: 두 개의 계면활성제 분자가 머리 부분 또는 그 근처에서 연결된 형태이다. 단분자 계면활성제에 비해 임계 미셀 농도가 훨씬 낮다.^[7]

4. 1. 음이온 계면활성제 (Anionic surfactants)

• 비누 (지방산 나트륨): RCOO^-Na⁺
• 모노알킬 황산염: ROSO₃^-M⁺
• 알킬폴리오시에틸렌 황산염: RO(CH₂CH₂O)_mSO₃^-M⁺
• 알킬벤젠술폰산염: RR'CH₂CHC₆H₄SO₃^-M⁺
• 모노알킬인산염: ROPO(OH)O^-M⁺

4. 2. 양이온 계면활성제 (Cationic surfactants)

• 알킬트리메틸암모늄염 RN⁺(CH₃)₃X^-
• 디알킬디메틸암모늄염 RR'N⁺(CH₃)₂X^-
• 알킬벤질디메틸암모늄염 RN⁺(CH₂Ph)(CH₃)₂X^-

4. 3. 양쪽성 계면활성제 (Zwitterionic surfactants)

• 알킬디메틸아민옥사이드 (R(CH₃)₂NO)
• 알킬카르복시베타인 (R(CH₃)₂N⁺CH₂COO^-)
• 알킬설포베타인 (RR'R"N ⁺(CH ₂)_nSO₃)

4. 4. 비이온 계면활성제 (Non-ionic surfactants)

• 폴리옥시에틸렌알킬에테르 RO(CH₂CH₂O)_mH
• 지방산 소르비탄 에스테르
• 알킬폴리글루코사이드
• 지방산 디에탄올아미드 RCON(CH₂CH₂OH)₂
• 알킬모노글리세릴에테르 ROCH₂CH(OH)CH₂OH

5. 계면활성제의 응용

계면활성제는 세제 뿐만 아니라 식품, 화장품의 유화제 및 보습제 등 다양한 용도로 사용된다.^[10] 약간의 화학 구조 변형만으로도 특성이 크게 달라져 매우 다양한 종류가 존재한다.

우유는 물 속에 젖 단백질과 지방질이 작은 입자로 분산된 유탁액 상태인데, 이는 우유 속 특정 단백질이 계면활성제 역할을 하여 지방질을 안정화시키기 때문이다. 이처럼 물과 기름 같이 서로 섞이지 않는 물질도 유화를 통해 분산시키면 유동성이 증가하고 표면에 잘 퍼지는 등 유용한 성질을 얻을 수 있다.

화장품 중 크림과 유액도 물과 기름이 작은 입자로 섞인 형태이며, 여기에도 계면활성제가 작용한다. 공장에서 염화비닐 중합처럼 유화 상태에서 반응을 일으켜야 할 때도 대량의 계면활성제가 필요하다.

계면활성제는 액체와 기체 계면에 막을 형성하여 작은 고체를 흡착하는 성질을 가지는데, 이 때문에 세탁 시 거품이 일어나 때가 잘 빠진다. 이러한 발포성은 광산에서 광물을 선별하는 부유선광법, 소화에 사용되는 소화제 등에도 응용된다. 소화제는 연소물 표면의 공기를 차단하여 불을 끄는 역할을 한다.

발포성과 반대로 거품 생성을 억제하는 소포제 역시 계면활성제의 일종이다. 실리콘유가 대표적인 예시이며, 거품 방지가 필요한 곳에 널리 쓰인다. 물을 섞이게 하는 역할과 반대로, 실리콘 도료나 실리콘유처럼 물을 밀어내는 성질을 부여하는 것도 계면활성제의 역할 중 하나이다.

합성 섬유나 플라스틱은 정전기가 발생하기 쉬워 먼지가 잘 붙는데, 계면활성제를 표면에 도포하거나 혼합하여 이를 방지할 수 있다. 또한, 공장에서는 화재 예방 목적으로 사용되기도 한다.

계면활성제는 소방에서 "젖은 물"을 만들어 가연성 물질에 빠르게 침투하게 하거나,^[11][12] 파이프라인에서 액체 저항 감소제로 사용되기도 한다. 알칼리성 계면활성 중합체는 유정에서 오일을 추출하는 데 사용된다.

의약품 분야에서는 솜이나 붕대에 약용 용액이 잘 흡수되도록 하고,^[13][14] 상처 세척 시 먼지와 이물질 제거를 돕는다.^[14] 농업 분야에서는 제초제나 살충제 등 농약 제제에 사용된다.^[10]

계면활성제는 토양 세척, 생물 정화, 식물 정화 등 환경 복원에도 기여한다.^[15]

5. 1. 세제 및 세정

5. 2. 화장품

5. 3. 식품

5. 4. 의약품

5. 5. 농업

5. 6. 산업

5. 7. 생명과학

5. 8. 환경 정화

6. 계면활성제와 환경

대부분의 음이온성 및 비이온성 계면활성제는 독성이 낮으며, LD50 (반수 치사량)은 식염과 유사하다. 4급 암모늄 화합물은 항균성 및 항진균성을 가지지만, 독성은 다양하다. 섬유 유연제로 사용되는 다이알킬다이메틸암모늄 클로라이드 (DDAC, DSDMAC)는 LD50이 높아 (5 g/kg) 독성이 낮지만, 소독제로 쓰이는 알킬벤질다이메틸암모늄 클로라이드는 LD50이 0.35 g/kg으로 상대적으로 독성이 강하다.^[9] 계면활성제에 장기간 노출되면 피부 및 기타 세포를 보호하는 지질 막을 파괴하여 피부에 자극을 주고 손상시킬 수 있다. 피부 자극성은 일반적으로 비이온성, 양쪽성, 음이온성, 양이온성 계면활성제 순서로 증가한다.^[9]

계면활성제는 여러 경로를 통해 육상 및 수계 환경에 유입된다.^[22][23][24] 음이온성 계면활성제는 하수 슬러지 처리, 폐수 관개, 복원 과정 등을 통해 토양에서 발견될 수 있다. 높은 농도의 계면활성제와 다중 금속이 함께 존재하면 환경 위험을 야기할 수 있지만, 낮은 농도에서는 계면활성제가 미량 금속 이동성에 큰 영향을 주지 않을 가능성이 높다.^[25][26]

딥워터 해저 유전 폭발 사고 당시, 많은 양의 Corexit가 유출 지점과 해수 표면에 살포되었다. 이는 계면활성제가 기름 방울을 분리하여 석유를 분해하는 미생물의 활동을 돕는다는 이론에 따른 것이었다. Corexit의 활성 성분은 디옥틸 설포석시네이트 나트륨, 소르비탄 모노올리에이트 (Span 80), 폴리옥시에틸렌화 소르비탄 모노올리에이트 (Tween-80)이다.^[27][28]

물속의 세탁 세제와 같이 환경에 방출되는 계면활성제의 양 때문에, 계면활성제의 생분해는 매우 중요하다. 과불화옥탄산(PFOA)과 같은 플루오로계면활성제는 생분해되지 않고 환경에 오래 남아 많은 주목을 받고 있다.^[29] 분해를 촉진하기 위한 방법으로는 오존 처리 및 생분해가 있다.^[30][31] 주요 계면활성제인 선형알킬벤젠설폰산(LAS)과 알킬페놀 에톡실레이트(APE)는 하수 처리 시설과 토양에서 호기성 조건에서 분해되어 노닐페놀로 변환되는데, 이는 내분비 교란 물질로 여겨진다.^[32][33] 이러한 문제로 인해, 아미노산 등에서 추출한 "바이오 계면활성제"와 같이 생분해성 계면활성제에 대한 관심이 높아지고 있다.^[34] 바이오 기반 계면활성제는 생분해성이 향상될 수 있다. 그러나 계면활성제가 물고기 세포를 손상시키거나 수역에 거품 산을 유발하는지는 주로 화학 구조에 따라 결정되며, 사용된 탄소의 출처 (화석 자원, 이산화탄소, 바이오매스)와는 관련이 없다.^[3]

계면활성제가 기능을 하기 위해서는 적절한 온도 범위가 필요하다. 이온성 계면활성제는 온도가 낮으면 알킬기 부분이 결정화되어 제대로 풀리지 않는데, 이 온도를 크래프트점이라고 한다. 반면, 비이온성 계면활성제는 온도가 너무 높으면 물에 녹지 않아 용액이 탁해지는데, 이 온도를 흐림점이라고 한다. 비이온성 계면활성제는 에테르 결합 산소와 물 분자 간의 수소 결합으로 물에 녹지만, 고온에서는 수소 결합이 끊어져 용해도가 낮아지기 때문이다.

7. 계면활성제의 안전성

일반적으로 계면활성제는 살균력이 없고 씻어내는 제균 작용만 수행하며, 세척 후 폐액에는 세균이나 바이러스가 포함되어 있다. 양이온 계면활성제는 살균 성능을 가지며 살균제로 사용된다.^[36][37] 일부 계면활성제는 특정 세균에 대해 살균 및 항균 효과를 나타내기도 한다.^[36]

참조

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_[9] 서적 Surfactants Wiley-VCH
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_[12] 뉴스 Firefighters Turn to "Wet Water" to Fight Larger, More Complex Fires https://www.hngn.com[...]
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_[14] 논문 The influence of surface tension on aerosols produced by medical nebulisers 1996-03-08
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