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1. 계면활성제와 에멀젼
1.1. 계면활성제의 정의와 특징
계면활성제는 액체 표면 또는 액체와 다른 상의 경계면에서 활성화되는 물질이다. 계면활성제 분자는 친수성(hydrophilic) 부분과 소수성(hydrophobic) 부분을 모두 가지고 있는 특징을 가지고 있다.
계면활성제의 가장 대표적인 특징은 이러한 친수성과 소수성의 분리이다. 계면활성제 분자의 친수성 부분은 물에 잘 용해되는 반면, 소수성 부분은 물과 섞이지 않는다. 이로 인해 계면활성제는 액체 표면이나 액체와 다른 상의 경계면에 배열하여 계면의 특성을 변화시킨다.
이러한 계면활성제의 성질은 세척력, 유화력, 기포력, 분산력 등의 다양한 특성을 나타내게 한다. 따라서 계면활성제는 세제, 비누, 유화제, 살균제 등 생활용품뿐만 아니라 공업용 촉매, 농약 등 다양한 분야에 사용된다.
1.2. 계면활성제의 분류
계면활성제의 분류에는 크게 음이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 비이온 계면활성제, 양성 계면활성제로 나눌 수 있다"".
음이온 계면활성제는 분자의 친수성 부분이 음이온을 가지고 있는 계면활성제이다"". 대표적으로 비누, 알킬벤젠술폰산염, LES, CDA, SLS, SLES 등이 있으며, 세정력이 좋고 거품이 잘 나는 성질로 합성세제에 가장 많이 사용된다"".
양이온 계면활성제는 분자의 친수성 부분이 양이온을 가지고 있는 계면활성제이다"". 대표적으로 고급아민할로겐화물, 제사암모늄염, 알킬피리디늄염 등이 있으며, 정전기 방지 작용이 있어서 섬유의 염색과 섬유유연제, 헤어 트리트먼트나 린스 등에 사용된다"".
비이온 계면활성제는 물에 녹여도 전하를 띠지 않는 계면활성제이다"". 대표적으로 폴리에틸렌글리콜이 있으며, 거품이 잘 나지 않고 피부 자극이 적은 편으로 소포제, 식품의약품의 유화제로 사용된다"".
양성 계면활성제는 하나의 분자에 양이온과 음이온을 모두 가지고 있는 계면활성제이다"". 대표적으로 아미노산, 코코베타인 등이 있으며, 세정력과 거품성이 약하지만 피부의 자극이 비교적 적어 저자극 샴푸나 베이비 샴푸 등에 많이 사용된다"".
1.3. 마이셀
계면활성제가 물에 녹이면 마이셀이라는 독특한 구조체를 형성한다. 마이셀은 계면활성제 분자가 공처럼 뭉쳐진 구조로, 소수성 꼬리 부분은 안쪽을, 친수성 머리 부분은 바깥쪽을 향하고 있다. 이러한 마이셀 구조를 통해 계면활성제는 서로 섞이지 않는 물과 기름 사이의 경계면에 배열되어 두 액체를 균일하게 섞을 수 있게 해준다.
마이셀 형성 과정을 살펴보면, 계면활성제 분자가 물에 녹으면 소수성 꼬리 부분들이 물 밖으로 빠져나가려 하고 친수성 머리 부분들은 물에 잘 溶解되려 한다. 이 과정에서 소수성 꼬리들이 모여 내부를 이루고 친수성 머리들이 바깥을 향하는 공 모양의 마이셀이 형성된다. 마이셀 내부에는 소수성 물질이 녹아들어갈 수 있으며, 마이셀 외부의 친수성 부분을 통해 물과 잘 섞일 수 있게 된다.
마이셀의 크기와 구조는 계면활성제의 종류, 농도, 온도, pH 등 다양한 요인에 따라 변화하며, 이러한 특성 변화를 활용하여 마이셀은 세제, 화장품, 의약품 등 다양한 분야에서 유용하게 활용된다. 예를 들어 세제에 사용되는 계면활성제는 마이셀을 형성하여 기름기나 때를 효과적으로 제거할 수 있게 해준다.
1.4. 역마이셀
역마이셀은 계면활성제를 유기 용매에 넣으면 형성되는 구조이다. 역마이셀에서는 친수성 머리 부분이 구의 내부로 모이고 소수성 꼬리 부분이 바깥쪽을 이루고 있다. 이는 마이셀과 정반대의 구조를 가진다. 마이셀이 물에 형성될 때는 소수성 꼬리 부분이 내부로 모이고 친수성 머리 부분이 바깥쪽을 이루지만, 유기 용매에서는 그 반대로 구조가 형성된다. 이처럼 계면활성제 분자의 배향이 반대로 나타나는 것이 역마이셀의 가장 큰 특징이다. 역마이셀은 친유성 부분이 외부에 위치하므로 유기 용매에 잘 녹이고 안정화시킬 수 있다는 장점이 있다. 이러한 역마이셀 구조는 계면활성제를 유기 용매에 용해시키거나 유화제로 사용할 때 나타나는 현상이다.""
1.5. 에멀젼의 정의와 종류
에멀젼은 두 개의 서로 섞이지 않는 액체가 균일하게 혼합된 상태를 말한다. 보통 한 액체가 다른 액체에 미세한 입자 형태로 균일하게 분산된 상태를 에멀젼이라고 한다. 즉, 물과 기름과 같이 서로 섞이지 않는 두 액체가 유화제(emulsifier)의 도움으로 균일하게 혼합된 상태를 에멀젼이라고 볼 수 있다.
에멀젼은 크게 두 가지 종류로 나뉜다. 첫 번째는 물 속에 기름이 분산된 형태인 o/w(oil in water) 에멀젼이다. 이는 물을 연속상으로 하고 기름이 분산상인 경우이다. 대표적인 예로는 우유, 마요네즈 등이 있다. 두 번째는 기름 속에 물이 분산된 형태인 w/o(water in oil) 에멀젼이다. 이는 기름을 연속상으로 하고 물이 분산상인 경우이다. 대표적인 예로는 크림, 버터 등이 있다.
에멀젼은 유화제의 종류, 함량, 유화 방법 등에 따라 다양한 형태로 만들어질 수 있다. 유화제는 친수성과 소수성 부분을 동시에 가지고 있어 물과 기름의 계면에 흡착되어 안정한 에멀젼을 형성할 수 있다. 따라서 적절한 유화제의 선택과 사용량 조절이 에멀젼 제조에 있어 매우 중요하다.
1.6. 표면장력
액체의 표면에서 그 표면적을 작게 하도록 작용하는 힘을 표면장력이라 한다. 물방울이나 수은의 입자가 둥글게 되는 것은 표면장력 때문이다. 일반적으로 생각할 수 있는 기체-액체, 기체-고체, 액체-액체, 액체-고체, 고체-고체의 5종류의 계면 중에서 특히 기체-액체 및 기체-고체의 계면을 표면이라 하며, 따라서 표면장력은 2상 사이의 계면의 면적을 축소하도록 작용하는...
