분자 구조 특성 계면 활성제

표면 장력 및 표면 활성 물질

수용액에 양으로 흡착하는 용질은 물의 표면 장력을 감소시키고, 음으로 흡착하는 용질은 물의 표면 장력을 증가시킵니다.

표면 활성 물질(표면 활성 물질): 수용액에서 양수 흡착을 일으켜 물의 표면 장력을 크게 감소시킬 수 있는 물질 그룹입니다. 예를 들어 에탄올, 프로피온산, 소듐도데실설페이트 등이 있습니다.

물의 표면장력을 감소시키는 이러한 물질의 성질을 표면 활성(표면 활성도)이라고 하며, 이에 따라 물의 표면장력을 감소시킬 수 없는 양의 흡착을 할 수 없는 물질을 무기염, 포도당 등과 같은 비표면 활성 물질이라고 합니다.

계면 활성제 (계면 활성제) : 표면 활성 물질에는 매우 낮은 농도의 물질이 물의 표면 장력을 크게 감소시킬 수 있지만 농도가 특정 값으로 증가하면 표면 장력이 더 이상 감소하지 않거나 매우 천천히 감소하므로 사람들은이 종류의 표면 활성 물질을 나트륨 도데 실 황산염, 도데 실 트리메틸 암모늄 브로마이드 및 노닐 브로마이드와 같은 계면 활성제 (계면 활성제라고 함)라고 부릅니다. 도데실황산나트륨, 도데실트리메틸암모늄브로마이드, 노닐페놀 폴리옥시에틸렌(9) 에테르 및 기타 물질과 같은 계면활성제를 계면활성제(계면활성제)라고 합니다.

계면활성제의 분자 구조

인류가 최초로 사용한 계면활성제는 일반적으로 비누로 알려진 지방산의 나트륨(또는 칼륨) 염이었습니다.

초기에는 동식물성 지방과 풀재 수용액을 섞고 가열하여 비누를 만들었습니다.

이후 화학 산업이 발전하면서 가성소다(NaOH)를 통해 지방과 기름을 알칼리 비누화하여 비누를 생산하게 되었습니다.

1920년대와 1930년대에 제1차 세계대전으로 인해 지방과 기름이 부족해지자 비누 대체품을 개발하기 위해 독일에서 알킬 벤젠 설포네이트, 지방 알코올 설페이트 등의 합성 계면활성제가 탄생했습니다. 이러한 계면활성제는 공통 분자를 가지고 있습니다.

이러한 계면활성제 분자는 일반적인 분자 구조, 즉 친수기와 친유기를 모두 포함하고 있습니다(예: 비누의 친수기는 -COONa, 알킬벤젠설포네이트 나트륨에서 친수기는 -SO3Na, 친유기는 모두 긴 알킬 사슬).

요즘 이런 종류의 분자를 양친매성 분자라고 하는데, 친수기는 이온성 양친매성 분자 구조가 성냥과 매우 유사하고, 공 부분은 친수기, 줄기 부분은 알킬기, 친유기입니다.
그림 1과 같이

그림 1 물/공기(오일) 계면에서의 계면활성제의 볼 앤 스틱 모델과 방향 배열의 개략도.

친수성 그룹은 분자가 특정 수용성을 갖도록 합니다.
친유성 그룹은 이러한 유형의 분자가 특정 기름 용해성을 갖도록 합니다.

이러한 분자가 물과 접촉하면 분자 내의 친수기는 물 분자와 강한 수화력을 가지고 용해를 유도하는 반면 분자 내의 친유기는 물 분자와의 친화력이 부족하여 물 환경에서 벗어나려는 경향이 강하며, 이러한 두 가지 정반대의 효과는 물/공기 계면 또는 물/유계에서 분자를 수성 상에, 친수기는 공기 상 또는 기름 상에, 계면에서는 친유기가 풍부하게 만들 수 있습니다. 그림 1과 같이 배향 배열되어 있습니다.

그 결과 수용액에 계면활성제가 양으로 흡착되어 물의 표면장력이나 오일/물 계면의 장력이 현저히 감소합니다.

계면활성제의 분자 구조는 한 가지 공통점이 있는데, 분자는 용매를 좋아하는 부분과 용매를 싫어하는 부분으로 구성되어 있다는 것입니다.
한 부분은 친용매성이고 다른 부분은 용매 혐오성(소수성)입니다.

계면 활성제는 일반적으로 수용액에 사용되기 때문에 계면 활성제 친수성 그룹 (극성 부분)과 소수성 (소수성) 그룹 (비극성 부분)의 두 부분으로 불리며 소수성 그룹은 친유성 그룹이라고도합니다.
그림 2 (a)와 같이.

그림 2 계면활성제의 분자 구조 모식도(a)
CH3 (CH2)11SO4 (b)의 크기

일반적인 계면활성제인 소듐도데실설페이트[CH3(CH2)11SO4Na]를 예로 들어보겠습니다.
수용액에서 CH3(CH2)11 SO4Na는 CH3(CH2)11SO4와 Na+로 이온화되며, 표면 활성 이온으로 알려진 CH3(CH2)11SO4가 주요 역할을 합니다.

소수성 그룹(친유성)인 무극성 CH3(CH2)11-와 친수성 그룹(친유성)인 극성 그룹인 SO4로 구성됩니다. 반면에 Na+는 양이온이라고 하며, CH3 (CH2)11SO4의 크기는 그림 2 (b)에 나와 있습니다.

계면활성제의 이러한 특정 구조를 양친매 구조(친수기는 친수성, 소수기는 친유성)라고 부릅니다(친수기는 친수성, 소수기는 친유성). 따라서 계면활성제는 양친매성 화합물의 한 종류입니다.

계면활성제의 소수성기는 일반적으로 탄화수소 사슬이 지배하는 장쇄 탄화수소기로 구성되며, 친수성기(극기, 헤드기)는 하전된 이온기와 하전되지 않은 극기를 포함한 다양한 그룹으로 구성됩니다.

 

표면 활성 물질의 모든 분자는 양친매성 분자 구조를 가지고 있습니다. 수용액의 경우, 친수기의 친수성과 친유기의 친유성이 기본적으로 일치해야 표면 활성을 가지며, 어느 한쪽이 너무 강하거나 너무 약하면 표면 활성의 양친매성 분자가 크게 약화됩니다.

탄소 원자 수가 8 미만인 경우 친수성이 너무 강하면 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산은 양친 매성 구조를 가지고 있지만 표면 활성 만 가지고 있으며 계면 활성제가 될 수 없습니다.

일반적인 의미에서 계면활성제의 소수성 사슬은 일반적으로 탄소 원자 8개 이상으로 충분히 커야 합니다(엄격한 제한은 없음).

반대로 탄소 원자 수가 20개 이상이면 친유성이 너무 강하고 물에 대한 용해도가 매우 작아 일반적인 계면활성제가 될 수 없습니다. 예를 들어 비누의 경우 지방산은 탄소 원자가 8~20개 범위일 때 좋은 계면활성제가 됩니다.

 

계면활성제의 기본 기능

계면활성제는 기능성 정밀 화학 물질입니다.

 

계면활성제의 가장 기본적인 기능은 두 가지입니다:

 

첫 번째는

 

표면(경계) 표면에 흡착하여 흡착 필름(일반적으로 단분자 필름)을 형성합니다.

 

두 번째는

 

용액 내에서 자체 중합을 통해 분자적으로 정렬된 다양한 유형의 어셈블리를 형성합니다.

 

이 두 가지 기능 외에도 다양한

애플리케이션 기능.

 

계면활성제가 표면에 흡착되면 표면 장력이 감소하고 시스템의 표면 화학적 특성이 변화합니다.

 

따라서 계면 활성제는 발포, 소포, 유화, 탈유화, 분산, 응집, 습윤, 확산, 침투, 윤활, 정전기 방지 및 살균 기능을 가지고 있습니다.

 

계면활성제는 용액 내에서 자체 중합되어 미셀, 항콜로이드, 소포, 액정 등 다양한 형태의 분자적으로 정렬된 어셈블리를 형성합니다. 이러한 분자적으로 정렬된 어셈블리는 다양한 응용 기능을 발휘합니다.

이 중 가장 기본적인 것은 미셀의 용해(용해화라고도 함) 기능입니다.

 

미셀 및 기타 분자적으로 정렬된 어셈블리의 용해 효과를 기반으로 미셀 촉매, 마이크로 에멀젼 형성, 스페이서 반응 매체 및 마이크로 리액터, 약물 운반체로서의 사용 등의 기능이 도출되었습니다.

 

계면활성제의 세정 기능도 미셀의 오일 용해 효과와 크게 관련이 있습니다.

 

계면 활성제 분자 질서 조성물의 크기 또는 응집된 분자 층의 두께는 나노미터 규모에 가깝기 때문에 '양자 크기 효과'를 가진 초미세 입자를 형성하기에 적합한 장소와 조건을 제공할 수 있습니다.

따라서 계면활성제 분자 질서 어셈블리는 초미립자(예: 나노 입자) 제조를 위한 템플릿(템플릿 기능)으로 사용할 수 있습니다.

 

분자적으로 정렬된 어셈블리의 특수한 구조는 바이오필름 모델링에 최적화되어 있습니다.

분자적으로 정렬된 어셈블리를 재배열하여 새롭고 복잡한 상 거동이나 특이한 유변학적 특성, 광학 특성, 화학 반응성 등을 나타내는 고급 정렬 구조(초분자 구조)를 형성할 수도 있습니다. 따라서 다른 특별한 응용 기능을 가지고 있습니다.

세제의 계면활성제 적용 원리

전통적인 분야에서 계면활성제의 적용

계면활성제는 습윤, 유화, 분산, 용해, 발포 및 소포, 침투, 세척, 정전기 방지, 살균 등 일련의 우수한 특성을 가지고 있습니다. 세제, 화장품, 개인 위생용품 등 전통적인 민간 분야뿐만 아니라 섬유, 식품, 의약품 및 농약, 페인트 및 코팅, 건설, 광물 부양, 에너지, 펄프 및 제지, 태닝 및 기타 산업과 같은 산업 및 기술 분야에서도 광범위하게 응용되고 있습니다.

최근 몇 년 동안 첨단 신기술의 발전은 날로 변화하고 있으며 나노 기술, 환경 보호, 신소재, 생명 과학 및 기타 첨단 기술 분야에서 고유 한 기능을 가진 계면 활성제는 필수 불가결 한 제품이되었습니다.

세제 속 계면활성제의 적용 원리

세제는 계면활성제, 세제 및 보조제로 제조되어 물체 표면의 먼지를 제거하고 세척 및 청소의 목적을 달성하기 위해 매일 사용하는 화학 물질입니다.

현재 민간 분야에서 일반적으로 사용되는 세제는 주로 의류 세척을 위한 세탁 세제 및 섬유 유연제, 식기, 과일 및 채소 세척을 위한 세제 및 식기 세척액, 주방용 기름기 제거제, 화장실 청소를 위한 변기 세정제 등이 주요 카테고리로 분류됩니다.

계면 활성제는 세제의 주성분이므로 세제 및 계면 활성제는 우수한 세척 및 오염 제거 능력 외에도 습윤, 발포, 유화, 분산, 용해 능력이 우수합니다.

초기 세제는 종종 알킬벤젠 설포네이트 나트륨과 같은 단일 계면활성제를 사용했습니다. 하지만 요즘 세제는 일반적으로 음이온/음이온 복합체 또는 음이온/비이온 복합체와 같은 복합 계면활성제를 사용합니다.

계면활성제 혼합물 간의 시너지 효과로 인해 계면활성제 함량이 낮아도 세제 세정력이 우수한 세제가 출시되기도 합니다.

세제의 오염 제거 과정과 관련 메커니즘에 대해 간략하게 소개했습니다. 이 과정의 핵심은 계면 활성제의 물리 화학적 작용과 물 흐름의 기계적 및 수성 작용을 통해 세척 대상 물체의 표면에서 먼지를 분리하고 물 흐름에 의해 운반하는 것입니다.

먼지와 기질 표면에 계면 활성제를 흡착하는 것이 핵심이며, 이는 다음과 같은 일련의 기본 작용으로 이어집니다.

(1) 침투 및 습윤

세탁 과정에서 계면활성제 분자는 물품 표면과 먼지에 흡착하여 매체(일반적으로 물)와 물품 표면, 그리고 매체와 먼지 표면 사이의 계면 장력을 감소시켜 매체가 물품 표면과 먼지 사이를 통과하여 물품 내부로 침투할 수 있도록 합니다. 이러한 작용을 세제의 습윤 침투 작용이라고 합니다.

세탁물에 세제를 적시는 것은 세탁의 전제 조건이며, 세제가 세탁물을 잘 적시 지 못하면 세탁 및 오염 제거 효과가 좋지 않습니다.

세제 용액의 습윤 침투 효과는 물품 표면과 먼지 표면 사이의 인력을 감소시킬 뿐만 아니라 적절한 외력이 가해지면 먼지 입자 사이의 인력을 감소시켜 미세 입자로 분해되어 매질에 분산될 수 있습니다.

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(2) 유화 및 분산

세척 과정에서 계면활성제의 물리적, 화학적 효과와 기계적 교반의 도움으로 오일이 유화되어 O/W 에멀젼을 형성합니다. 성능이 좋은 대부분의 세제 수용액은 표면 장력과 오일/물 계면 장력이 낮습니다.

동시에 낮은 계면 장력에서 오일 / 물 계면의 계면 활성제는 계면 필름의 특정 강도를 형성하고 오일 비드의 응집을 방지 할 수 있으며 에멀젼의 안정성에 도움이되므로 오일 얼룩이 제품 표면에 다시 침전되기 쉽지 않습니다. 계면 장력이 낮을수록 액체 먼지의 유화에 도움이되므로 액체 먼지 제거에 도움이됩니다.

물론 세척 과정에서 액체 먼지는 매체에 직접 용해되지 않지만 계면 활성제의 작용으로 먼저 "코일"된 다음 물 흐름의 작용으로 제품 표면에서 분리되어 유화되고 매체에 부유됩니다.

 

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(3) 용해 효과

계면활성제 농도가 임계 미셀 농도(cmc)보다 높으면 용액에 미셀이 형성됩니다. 수용액에 있는 일부 불용성 또는 약간 용해성 물질은 미셀로 확산되어 수용액에서의 용해도를 크게 증가시키는데, 이러한 효과를 미셀의 가용화라고 합니다.

 

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유화 외에도 미셀에 의한 오일의 가용화는 고체 표면에서 액체 오염물을 제거하는 또 다른 주요 방법일 수 있습니다.

비극성 오일은 일반적으로 미셀의 비극성 코어에 용해되는 반면 극성 오일은 극성과 분자 구조에 따라 미셀 껍질의 극성기 영역에 용해될 수 있으며, 양친매성 오일의 경우 오일 분자의 극성기는 미셀 표면에 '고정'되고 무극성 탄화수소 사슬은 미셀 코어에 삽입될 수 있습니다.

계면활성제 농도가 cmc보다 높으면 세정력 증가가 매우 제한적이므로 세탁 과정에서 가용화는 주요 요인이 되지 않는 것으로 나타났습니다.

그러나 국소 세탁 과정 (예 : 비누 또는 기타 세제로 문지르는 의류 국소 번짐, 비누로 얼굴과 손 씻기 등)에서는 세제의 양이 많고 계면 활성제 농도가 매우 높으며 이때 미셀에서 오일의 가용화가 오일 제거의 주요 메커니즘이 될 것입니다.

(4) 포밍 효과

세제는 매체 / 공기 사이의 계면 장력을 감소시켜 공기가 매체에 분산되고 기포가 형성 될 수 있도록합니다. 동시에 거품 표면의 계면 활성제는 거품의 안정성을 유지하기 위해 필름의 방향 배열의 고체 층을 형성하여 거품, 거품 안정화를 발포합니다.

거품과 세척 효과는 직접적인 관계가 없지만 먼지가 분산되어 거품에 모이고 미디어 용액 표면에 먼지를 흡착 할 수 있습니다.

그러나 산업용 세탁 과정이나 가정용 세탁기 세탁 과정에서 거품이 발생하면 깨끗하게 헹구지 않는다는 인상을 주므로 헹굼 횟수를 늘려야하므로 기계 세탁은 종종 거품이 적은 세제입니다.