습윤 효과 요구 조건: HLB: 7-9
습윤이란 고체 표면에 흡착된 기체가 액체에 의해 치환되는 현상을 말합니다. 이러한 치환 능력을 향상시키는 물질을 습윤제라고 합니다. 습윤은 일반적으로 접촉 습윤(접착 습윤), 침지 습윤(침투 습윤), 확산 습윤의 세 가지 유형으로 분류됩니다. 이 중 확산 습윤은 가장 우수한 습윤 특성을 나타내며, 확산 계수는 서로 다른 시스템 간의 습윤 성능을 평가하는 지표로 자주 사용됩니다. 또한, 접촉각 역시 습윤 품질을 판단하는 기준이 됩니다. 계면활성제는 액체와 고체 상 사이의 습윤 정도를 조절하는 데 사용될 수 있습니다.
농약 산업에서 일부 과립형 제제와 분말형 제제에는 일정량의 계면활성제가 함유되어 있습니다. 이는 농약이 대상 표면에 잘 부착되고 침착되는 양을 늘리며, 습한 환경에서 유효 성분의 방출 속도를 높이고 확산 범위를 넓혀 병해 예방 및 치료 효과를 향상시키기 위한 것입니다.
화장품 산업에서 계면활성제는 유화제 역할을 하며 크림, 로션, 세안제, 메이크업 리무버와 같은 스킨케어 제품에 필수적인 성분입니다.
미셀 및 용해,요구 조건: C > CMC (HLB 13–18)
계면활성제 분자들이 서로 결합하여 미셀을 형성하는 최소 농도를 임계 미셀 농도(CMC)라고 합니다. 농도가 CMC 값을 초과하면 계면활성제 분자들은 구형, 막대형, 층상 또는 판형과 같은 구조로 배열됩니다.
용해 시스템은 열역학적 평형 시스템입니다. 임계 미셀 농도(CMC)가 낮을수록, 그리고 결합 정도가 높을수록 최대 첨가제 농도(MAC)는 커집니다. 용해에 대한 온도의 영향은 세 가지 측면에서 나타납니다. 즉, 미셀 형성, 용해물질의 용해도, 그리고 계면활성제 자체의 용해도에 영향을 미칩니다. 이온성 계면활성제의 경우, 용해도는 온도가 상승함에 따라 급격히 증가하며, 이러한 급격한 증가가 발생하는 온도를 크라프트점이라고 합니다. 크라프트점이 높을수록 임계 미셀 농도는 낮아집니다.
폴리옥시에틸렌 비이온성 계면활성제는 온도가 특정 수준 이상으로 상승하면 용해도가 급격히 감소하고 침전이 발생하여 용액이 탁해집니다. 이러한 현상을 탁도라고 하며, 이때의 온도를 탁점이라고 합니다. 동일한 폴리옥시에틸렌 사슬 길이를 가진 계면활성제의 경우, 탄화수소 사슬이 길수록 탁점이 낮아지고, 반대로 동일한 탄화수소 사슬 길이를 가진 계면활성제의 경우, 폴리옥시에틸렌 사슬이 길수록 탁점이 높아집니다.
비극성 유기물질(예: 벤젠)은 물에 대한 용해도가 매우 낮습니다. 그러나 올레산나트륨과 같은 계면활성제를 첨가하면 벤젠의 수용해도가 크게 증가하는데, 이러한 과정을 용해화라고 합니다. 용해화는 일반적인 용해와는 다릅니다. 용해된 벤젠은 물 분자에 균일하게 분산되는 것이 아니라 올레산 이온으로 형성된 미셀 내에 갇히게 됩니다. X선 회절 연구에 따르면 모든 종류의 미셀은 용해화 후 다양한 정도로 팽창하는 반면, 전체 용액의 총괄적 성질은 대체로 변하지 않는 것으로 확인되었습니다.
물에 계면활성제 농도가 증가함에 따라 계면활성제 분자는 액체 표면에 모여 밀집된 방향성을 가진 단분자층을 형성합니다. 용액의 벌크 상에 있는 과량의 분자는 소수성 그룹이 안쪽을 향하도록 응집하여 미셀을 형성합니다. 미셀 형성을 시작하는 데 필요한 최소 농도를 임계 미셀 농도(CMC)라고 합니다. 이 농도에서 용액은 이상적인 거동에서 벗어나며, 표면 장력 대 농도 곡선에 뚜렷한 변곡점이 나타납니다. 계면활성제 농도를 더 증가시켜도 표면 장력은 더 이상 감소하지 않고, 오히려 벌크 상에서 미셀의 지속적인 성장과 증식을 촉진합니다.
계면활성제 분자들이 용액에 분산되어 특정 농도 임계값에 도달하면, 개별 단량체(이온 또는 분자)들이 모여 미셀이라고 불리는 콜로이드성 응집체를 형성합니다. 이러한 전이는 용액의 물리적, 화학적 성질에 급격한 변화를 일으키며, 이 변화가 일어나는 농도를 임계 미셀 농도(CMC)라고 합니다. 미셀 형성 과정을 미셀화라고 합니다.
수용액 상태의 계면활성제 용액에서 미셀 형성은 농도에 따라 달라지는 과정입니다. 극히 묽은 용액에서는 물과 공기가 거의 직접 접촉하기 때문에 표면 장력은 약간만 감소하여 순수한 물의 표면 장력과 거의 비슷하게 유지되며, 용액 내에 분산된 계면활성제 분자는 매우 적습니다. 계면활성제 농도가 적당히 증가하면 분자들이 물 표면에 빠르게 흡착되어 물과 공기 사이의 접촉 면적이 줄어들고 표면 장력이 급격히 감소합니다. 동시에 용액 내에 있는 일부 계면활성제 분자는 소수성 그룹이 정렬되어 응집되어 작은 미셀을 형성합니다.
농도가 계속 증가하여 용액이 포화 흡착에 도달하면 액체 표면에 조밀하게 밀집된 단분자막이 형성됩니다. 농도가 임계 미셀 농도(CMC)에 도달하면 용액의 표면 장력은 최소값을 갖습니다. CMC를 넘어서면 계면활성제 농도를 더 증가시켜도 표면 장력에는 거의 영향을 미치지 않고, 대신 용액 내 미셀의 수와 크기가 증가합니다. 이때 용액은 미셀이 주를 이루게 되며, 이 미셀은 나노분말 합성을 위한 미세 반응기 역할을 합니다. 농도가 계속 증가하면 시스템은 점차 액정 상태로 전이됩니다.
수용액 상태의 계면활성제 농도가 임계 미셀 농도(CMC)에 도달하면, 농도가 증가함에 따라 미셀 형성이 두드러지게 나타납니다. 이는 표면 장력 대 농도의 로그값 곡선(γ–log c 곡선)에 변곡점이 나타나는 것으로 특징지어지며, 용액의 물리적, 화학적 특성이 이상적이지 않게 변하기 시작합니다.
이온성 계면활성제 미셀은 높은 표면 전하를 띕니다. 정전기적 인력으로 인해 역이온이 미셀 표면으로 끌어당겨져 양전하와 음전하의 일부를 중화시킵니다. 그러나 미셀이 고전하 구조를 형성하면 역이온에 의해 형성된 이온 분위기의 지연력이 크게 증가하는데, 이러한 특성을 이용하여 나노분말의 분산성을 조절할 수 있습니다. 이 두 가지 이유로 용액의 등가 전도도는 임계 미셀 농도(CMC)를 초과하는 농도에서 급격히 감소하므로, 이 점은 계면활성제의 임계 미셀 농도를 결정하는 신뢰할 수 있는 방법입니다.
이온성 계면활성제 미셀의 구조는 일반적으로 구형이며, 핵, 껍질, 그리고 확산된 전기 이중층의 세 부분으로 구성됩니다. 핵은 액체 탄화수소와 유사한 소수성 탄화수소 사슬로 이루어져 있으며, 직경은 약 1~2.8 nm입니다. 극성 머리 부분에 인접한 메틸렌기(-CH₂-)는 부분적인 극성을 가지며, 핵 주변에 일부 물 분자를 유지합니다. 따라서 미셀 핵은 다음과 같은 특징을 갖습니다.상당량의 물이 갇혀 있으며, 이러한 -CH₂- 그룹은 액체와 같은 탄화수소 핵에 완전히 통합되지 않고 대신 비액체 미셀 껍질의 일부를 형성합니다.
미셀 껍질은 미셀-물 계면 또는 표면상이라고도 합니다. 이는 미셀과 물 사이의 거시적인 계면을 가리키는 것이 아니라, 미셀과 단량체 계면활성제 수용액 사이의 영역을 의미합니다. 이온성 계면활성제 미셀의 경우, 껍질은 전기 이중층의 가장 안쪽 스턴 층(또는 고정 흡착층)으로 형성되며, 두께는 약 0.2~0.3 nm입니다. 껍질에는 계면활성제의 이온성 머리 부분과 결합된 일부 역이온뿐만 아니라 이러한 이온의 수화로 인한 수화층도 포함됩니다. 미셀 껍질은 매끄러운 표면이 아니라 계면활성제 단량체 분자의 열 운동으로 인한 요동 때문에 형성된 "거친" 계면입니다.
오일 분자가 주를 이루는 비수용성(오일 기반) 매체에서, 계면활성제의 친수성 그룹은 안쪽으로 응집하여 극성 핵을 형성하고, 소수성 탄화수소 사슬은 미셀의 외피를 형성합니다. 이러한 미셀은 일반적인 수용액 미셀과는 구조가 반전되어 있으므로 역미셀이라고 합니다. 반대로 물에서 형성되는 미셀은 정상 미셀이라고 합니다. 그림 4는 비수용액에서 계면활성제에 의해 형성된 역미셀의 개략적인 모델을 보여줍니다. 최근 역미셀은 나노 크기 약물 운반체의 합성 및 제조, 특히 친수성 약물의 캡슐화에 널리 사용되고 있습니다.
게시 시간: 2025년 12월 26일