5. 계면활성제

1. 계면활성제의 정의

- 계면 :  기체와 액체, 액체와 액체, 액체와 고체가 서로 맞닿는 경계면을 뜻한다.

- 계면활성제는 계면에 작용하여 그 계면의 고유한 물성을 변화시킨다. 즉, 계면장력을 현저히 약하게 만들어 계면의 성질을 바꾸어 주는 물질은 것이다.

- 계면활성제의 분자는 물에 녹기 쉬운 친수성 분자와 기름에 녹기 쉬운 소수성 분자를 동시에 가지고 있어 계면의 성질을 바꾸는 것이 가능하고, 이 역할을 이용하여 세제용 외에도 식품과, 화장품의 유화제, 보습제로도 사용되고 있다.

- 화학 구조상으로 한 분자 내에 친수 기와 친유 기를 함께 가지고 있는 구조적인 특징을 가진 물질의 총칭으로 양친매성 구조이다.

-  분자내에 친수성기와 친유 성기를 동시에 가지고 있어 서로 잘 섞이지 않는 물질들의 계면에 흡착하여 계면의 자유에너지를 낮추어 유화, 가용화 분산, 세정, 대전방지의 기능을 갖는다.

계면활성제의 구조

 

 

2. 계면활성제의 특성

  2-1. 미셀

• 계면활성제 분자의 친수성기는 물과, 소수 성기는 공기와 접촉을 하는 배열을 한다. 소수 성기가 물에 닿지 않으려고 모이면 계면활성제 분자가 둥글게 되어 꼬리는 안쪽으로, 머리는 바깥쪽으로 위치한 구형 모양을 이루게 되는데, 이러한 구조를 미셀이라고 부른다.

• 계면활성제가 기름과 같은 비극성 용매 내에 섞이게 되어 반대의 경향을 보이는 것을 역미셀이라 한다.
• 미셀의 형성은 계면활성제가 어느 정도 자기들끼리 모일 수 있는 농도가 되어야 하므로 미셀을 형성하기 시작하는 임계 미셀 농도(CMC)를 가진다.
• 임계 미셀 농도는 계면활성제 용액의 물리적 성질이 급격하게 변한 미셀 형성에 의한 것으로, 온도, pH, 다른 이온이나 극성 물질의 영향 등의 외부 자극에도 영향을 받아 형성된다.

 

 2-2. HLB

• 계면활성제의 친수성과 친유성의 비율을 수치화하여 상대적 세기를 나타낸 정도이다.
• HLB 값이 높을수록 친수성에 가까워 수상에서 우선적으로 용해되고, 값이 낮을수록 친유성에 가까워 유상에서 우선적으로 용해된다.
• 하지만, HLB은 방향제시에 기준이 될 수 있는 것일 뿐, 무조건적으로 적용하는 것은 피해야 한다.

  2-3. 계면활성제의 작용

• 침투와 흡착 : 습윤을 통해 기질과 오염물의 계면의 장력을 저하시킴과 동시에 오염물을 팽윤 시켜 기질의 표면에서 떨어질 수 있도록 부착력을 느슨하게 만든다.
• 유화와 분산 : 오염물질이 계면활성제 분자에 흡착되어 기질에서 떨어지게 하면서 오염물질을 친유 기성기가 둘러싸고 큰 입자에서 미세한 입자로 더 작게 분산되어 유화 상태로 만든다.
• 재부착 방지 : 떨어져 나간 오염물이 다시 부착되지 않게 오염물 입자를 안정하게 하는 작용이다.
• 기포 : 기포를 생성하여 기질끼리의 접촉을 막아 마찰을 없애주는 작용으로 면적을 확대해서 기질과 액이 접촉하는 기회를 높여 오염물을 제거하도록 한다.
• 제거(헹굼) : 기질에서 오염물고 세제 모두를 제거하는 과정으로 충분히 헹구지 않으면 계속된 계면활성제의 작용으로 기질에 부작용이 일어날 수 있다.

 

3. 계면활성제의 종류

- 다양한 방법으로 분류가 가능하지만, 대표 분류법으로는 물에 용해되어 이온화되는 여부에 따른 분류법으로 계면활성제가 수용액에서 계면활성을 나타내는 부분의 성질에 따라 크게 4가지로 분류된다.

 

  3-1. 음이온 계면활성제

• 물에 녹아 친수기가 (-)이온화되어 이 부분이 계면활성을 나타내기 때문에 (+) 이온의 때를 끌어당기고, (-) 이온의 때(오염물)는 서로 밀어내는 성질로 오염물을 떨어뜨리는 뛰어난 세정력이 있다.
• 세정작용과 기포형성 작용이 뛰어나 비누, 샴푸 및 클렌징 폼 등에 많이 사용되며, 가격도 저렴하다.

  3-2. 양이온 계면활성제

• 물에 녹을 때 음이온 계면활성제와는 반대로 친수 기부분이 양이온으로 해리되어 이 부분이 계면활성을 띄기 때문에 역성 비누 또는 양성 비누라고 한다.
• 유화, 가용화, 세정, 살균, 소독작용등이 크다. 특히, 모발에 흡착해서 유연효과와 대전방지 효과를 보이기 때문에 화장품에서는 헤어린스와 헤어트리트먼트 제품 등에 이용한다.

  3-3. 비이온 계면활성제

• 이온을 띄는 계면활성제나 양쪽성 계면활성제와는 다르게 이온으로 해리되지 않는 수산기(-OH)를 갖는다. 그리고 친수성은 비교적 작지만 에테르 결합, 산 아미드 결합, 에스테르 결합 등을 갖고 있는 계면활성 제이다.
• 친유 기와 친수기 정도(HLB balance)의 차이에 따라 용해도, 유화력, 가용 화력, 습윤력 및 침투력 등의 성질이 달라진다.
• 비이온 계면활성제는 물에 용해돼도 이온화되지는 않지만, 세정력과 습윤력이 좋고, 피부에 자극이 적은 특징을 갖는다. 특히, 유화 작용이 뛰어나서 화장수의 가용화제나 크림의 유화제, 클렌징크림의 세정제 등 다양한 용도로 사용된다.

  3-4. 양쪽성 계면활성제

• 분자 내에 양이온성 원자단과 음이온성 원자단을 1개 또는 그 이상 함께 갖고 있는 것을 말한다.
• 일반적으로 알칼리성에서는 (-) 이온, 산성에서는 (+) 이온으로 해리된다.
• 피부자극성과 독성이 비교적 적고, 세정작용이 있어서 저자극 샴푸나 유아용 샴푸에 주로 사용된다. 또한, 세정력 외에 거품의 안정화와 기포 촉진 효과가 있어 에어로졸 제품에도 이용된다.

  3-5. 기타 계면활성제

  (1) 고분자 계면활성제

• 약 1000 이상의 분자량이 큰 계면활성 제이다.

  (2) 천연 계면활성제

• 인산 에스테르의 음이온 계면활성제와 제4급 암모늄염의 양이온 활성제를 공유하는 레시틴이 있다.
• 피부 지질성분과 유사하여 화장품에서 계면활성력을 가진 보습제로도 널리 활용되고 있다.
• 레시틴 : 자연계에서 생체막의 구성성분으로 널리 분포되어 있으며, 생체 유지에 중요한 역할로 동식물계에서 유기용매로 추출, 분리해서 제조되고 있다. 천연 레시틴은 생체 내의 적합성이 매우 뛰어나다는 점에서 다른 화장품 원료에는 없는 유용성이 있다. 또한, 양 치매성 구조를 가지고 있기 때문에 계면활성 작용이 있다. 하지만, 천연 레시틴은 보존 안정성이 요구되는 화장품 원료로 사용하기에는 다소 한계가 있다.

 

4. 계면활성제의 응용

 

  4-1. 유화

• 섞이지 않는 두 가지 이상의 액체를 외부에서 인위적으로 에너지를 가하여 균일하게 분산되어 있는 상태이다.

  (1) 유화의 형태

• 수중 유형 : 물을 연속상으로 하고, 오일이 분산되어 있는 형태이다.
• 유중 수형 : 오일을 연속상으로 하고 물이 분산되어 있는 형태이다.
• 유화의 형태에 따라 에멀션 타입이 결정되며, 에멀션은 입자의 크기 정도에 따라 마크로 에멀션, 나노에멀션, 마이크로 에멀션으로 나뉜다.

  (2) 에멀션의 안정성

• 열역학적으로 불안정해서 시간이 흐름에 따라 분산되었던 입자가 크리밍, 응집, 합일이라는 과정을 통해 분리되게 된다.
• 크리밍 : 분산된 입자가 연속상과의 비중 차이로 인해 상층, 하층으로 가라앉는 것을 말한다.
• 응집 : 분산 입자가 전기적 성질에 의해 모여 있는 것을 말한다.
• 합일 : 응집된 분자 입자가 융합되어 입자가 커지는 것을 말한다.

  4-2. 가용화

• 물에 대한 용해도가 아주 작은 물질이 용해될 때 일정 농도 이상에서 생성되는 미셀을 이용하여 용해도 이상으로 용해시키는 기술을 말한다. 즉, 물에 녹지 않는 소량의 유성 성분을 투명한 상태로 용해시키는 것이다.
• 미셀 형성 한계농도인 CMC(임계 미셀 농도) 이상에서 나타나기 때문에 미셀을 형성하지 않는 저농도에서 볼 수 없다.
• 가용화를 이용하여 만든 제품은 투명한 형상을 갖는 스킨로션, 에센스 향수 등과 같이 수용액에 유성 성분을 용해시키는 경우이며 투명 립스틱처럼 유성 성분을 베이스로 하여 수용성 성분을 함유시키는 경우도 있다.

  4-3. 분산

• 어떤 물질이 다른 물질에 미립자로 분포해 있는 현상을 말한다.
• 화장품은 모든 분산의 형태로 만들어진다고 할 수 있다.
• 고체-고체 분산계 : 고체입자 안에 고체입자를 균일하게 혼합시키는 아이섀도, 파우더 등을 예로 들 수 있다.
• 고체-액체 분산계 : 액체 안에 고체가 퍼져있는 현상인 파운데이션, 메이크업 베이스, 마스카라, 아이라이너, 네일 에나멜, 립스틱 등을 예로 들 수 있다.
• 화장품은 분산의 형태 및 분포의 상태에 따라 상품의 가치가 달라질 수 있기 때문에 제조 시 많은 고려가 필요하다.

 

 

출처 - 알기 쉬운 화장품 성분학 (박초희 지음