계면활성제
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계면활성제는 두 액체 사이, 기체와 액체 사이 또는 액체와 고체 사이의 표면장력(또는 계면장력)을 낮추는 화합물이다.계면활성제는 세제, 습윤제, 유화제, 발포제 또는 분산제 역할을 할 수 있다."[2]계면활성제"[1]라는 단어는 1950년에 만들어진 표면활성제의 혼합어이다.
표면장력을 증가시키는 작용제는 문자 그대로 "표면활성제"이지만 그 효과가 일반적인 의미와 반대되기 때문에 계면활성제라고 불리지 않는다.표면 장력 증가의 일반적인 예는 염분 처리이다: 약한 극성 물질의 수용액에 무기 소금을 첨가하면 물질이 침전된다.그 물질 자체가 계면활성제일 수 있습니다 – 이것이 많은 계면활성제가 바닷물에서 효과가 없는 이유 중 하나입니다.
구성 및 구조
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계면활성제는 보통 양친매성 유기 화합물인데, 이것은 각 분자가 친수성 "물찾기" 그룹과 소수성 "물 [3]피하기" 그룹 모두를 포함하고 있다는 것을 의미합니다.그 결과 계면활성제는 수용성 성분과 수용성 성분을 모두 포함한다.계면활성제는 물에 확산되어 공기와 물의 경계면 또는 물과 물이 혼합된 경우에는 기름과 물의 경계면에서 흡착됩니다.수용성 소수성 그룹은 벌크 워터 단계, 공기 중 또는 오일 단계까지 확장될 수 있으며 수용성 헤드 그룹은 물 단계에 머물러 있습니다.
소수성 꼬리는 화학적 성질에 따라 친유성("기름 찾기") 또는 리포호브성("기름 회피")일 수 있다.탄화수소기는 보통 비누와 세제에 사용하기 위해 친유성이며, 불소탄소기는 얼룩을 물리치거나 표면 장력을 감소시키기 위해 리포호브성입니다.
세계 계면활성제 생산량은 연간 1500만 톤으로 추산되며, 그 중 절반 정도가 비누입니다.특히 대규모로 제조되는 계면활성제로는 선형알킬벤젠술폰산염(170만t/y), 리그닌술폰산염(60만t/y), 지방알코올에톡실산염(70만t/y) 및 알킬페놀에톡실산염(50만t/y)[4]이 있다.
물 속 계면활성제 상 구조
벌크수상에서는 계면활성제가 미셀 등의 골재를 형성하는데, 여기서 소수성 꼬리는 골재의 핵심을 형성하고 친수성 헤드는 주변 액체와 접촉한다.구형 또는 원통형 미셀 또는 지질 이중층 등 다른 유형의 골재도 형성될 수 있다.골재의 모양은 계면활성제의 화학적 구조, 즉 친수성 머리와 소수성 꼬리 사이의 크기 균형에 따라 달라진다.이것의 척도는 친수성-친유성 균형(HLB)이다.계면활성제는 액체-공기 계면에서 흡착함으로써 물의 표면 장력을 감소시킨다.표면 장력과 표면 초과를 연결하는 관계를 깁스 등온선이라고 합니다.
계면활성제의 계면계면
계면활성제 흡착의 역학은 발포, 유화 또는 코팅 공정과 같이 기포나 방울이 빠르게 생성되어 안정화가 필요한 실제 적용에서 매우 중요합니다.흡수 역학은 계면활성제의 확산 계수에 따라 달라진다.계면이 생성되면 계면활성제의 계면 확산에 의해 흡착이 제한된다.경우에 따라서는 계면활성제의 흡착 또는 탈착에 대한 에너지 장벽이 존재할 수 있다.이러한 장벽이 흡착률을 제한하면 역학은 '동태적으로 제한된다'고 한다.이러한 에너지 장벽은 스테릭 또는 정전기의 반발로 인해 발생할 수 있습니다.층의 탄성과 점도를 포함한 계면활성제 층의 표면 레올로지(표면 레올로지)는 발포 및 유화의 안정성에 중요한 역할을 합니다.
계면활성제 층 및 계면활성제 층의 특성화
계면장력 및 표면장력은 -펜던트법 또는 스핀드롭법과 같은 고전적인 방법으로 특징지을 수 있다.동적 표면 장력, 즉 시간의 함수로서의 표면 장력은 최대 버블 압력 장치로 얻을 수 있습니다.
계면활성제 층의 구조는 타원측정학 또는 X선 반사율에 의해 연구될 수 있다.
표면 레올로지는 진동 낙하법 또는 더블콘, 더블링 또는 자기봉 전단면 레오미터와 같은 전단면 레오미터로 특징지을 수 있다.
생물학에서
인간의 몸은 다양한 계면활성제를 생산한다.폐계면활성제는 폐의 총용량과 폐의 준수를 증가시켜 호흡을 촉진하기 위해 폐에서 생산된다.호흡곤란증후군 또는 RDS에서 계면활성제 대체요법은 계면활성제의 약학적 형태를 사용하여 환자가 정상적인 호흡을 할 수 있도록 돕는다.제약용 폐계면활성제의 예로는 Abbie와 Tekzima가 각각 생산하는 Survanta(베락탄트) 또는 일반형 Berakssurf가 있다.간에서 생성되는 계면활성제인 담즙염은 [5]소화에 중요한 역할을 한다.
안전 및 환경 리스크
음이온성 및 비이온성 계면활성제는 대부분 무독성으로 식탁용 소금에 필적하는 LD50을 가지고 있다.항균성, 항진균성인 4급 암모늄 화합물의 독성은 다양하다.섬유유연제로 사용되는 디알킬디메틸암모늄염화물(DDAC, DSDMAC)은 LD50(5g/kg)이 낮고 기본적으로 무독성이며 소독제인 염화알킬벤질디메틸암모늄은 LD50이 0.35g/kg이다.계면활성제가 피부와 다른 세포를 보호하는 지질막을 교란시키기 때문에 계면활성제에 장기간 노출되면 피부를 자극하고 손상시킬 수 있다.피부 자극성은 일반적으로 비이온성, 양성, 음이온성, 양이온성 계면활성제 [4]계열에서 증가한다.
계면활성제는 의도된 공정의 일부로서든 산업 [6][7][8]및 가정용 폐기물로든 육지와 물 시스템에 다양한 방법으로 축적된다.
음이온 계면활성제는 토양에서 하수 슬러지 도포, 폐수 세척 및 정화 과정의 결과로 발견될 수 있습니다.멀티메탈과 함께 상대적으로 높은 농도의 계면활성제는 환경 위험을 나타낼 수 있습니다.저농도에서 계면활성제 도포는 미량 금속 [9][10]이동성에 큰 영향을 미치지 않습니다.
딥워터 호라이즌 기름 유출의 경우, 유례없는 양의 코렉시트가 유출 시 해양과 바닷물 표면에 직접 뿌려졌다.표면 활성제는 기름 방울을 분리하여 석유를 소비하는 미생물이 기름을 더 쉽게 소화시킬 수 있게 한다는 것이 명백한 이론이었다.Corexit의 활성 성분은 Dioctyl sodium sulfosuccinate(DOSS), Sorbitan monoleate(Span 80), Polyoxyethylenated Sorbitan monoleate(Tween-80)[11][12]이다.
생분해
환경으로 방출되는 계면활성제의 양 때문에, 그들의 생분해는 매우 흥미롭다.분해 촉진 전략에는 오존 처리와 생분해 [13][14]등이 있습니다.두 가지 주요 계면활성제인 선형 알킬벤젠 술폰산염(LAS)과 알킬페놀 에톡실산염(APE)은 하수처리장과 토양에서 볼 수 있는 호기성 조건에서 내분비 [15][16]교란물질로 생각되는 노닐페놀로 분해된다.생분해성 계면활성제에 대한 관심은 아미노산에서 [17]유래한 것과 같은 "생물활성제"에 대한 많은 관심을 가져왔다.
많은 관심을 끄는 것은 불소황활성제(예: 과불소옥탄산(PFOA))[18]의 비생물 분해성이다.
적용들
2008년 [19]계면활성제의 연간 세계 생산량은 1300만 톤이었다.2014년에 계면활성제의 세계 시장 규모는 330억 달러 이상에 달했다.시장조사기관들은 2022년까지 연간 매출이 약 404억달러로 매년 2.5% 증가할 것으로 예상하고 있다.상업적으로 가장 중요한 계면활성제의 유형은 현재 음이온계면활성제인 LAS로, [20]클리너와 세제에 널리 사용되고 있습니다.
계면활성제는 세제, 섬유유연제, 모터오일, 유화제, 비누, 페인트, 접착제, 잉크, 스키 왁스, 스노보드 왁스, 재생지 디잉크, 플로팅, 세척 및 효소 등 많은 실제 응용 및 제품에서 세척, 습윤, 분산, 유화, 발포 방지제로서 중요한 역할을 한다.완충 과정과 설사약.또한 제초제(일부), 살충제, 바이오시드(위생제), 정조제(비옥시놀-9)[21]와 같은 농약 제제.화장품, 샴푸, 샤워젤, 헤어 컨디셔너, 치약 등 퍼스널 케어 제품.계면활성제는 소방 및 파이프라인(액체저항저감제)에 사용된다.알칼리 계면활성제 중합체는 유정에서 기름을 이동시키기 위해 사용된다.
계면활성제는 다양한 신체 부위에 적용하기 위해 약용액을 흡수할 수 있도록 화장솜과 붕대의 매트릭스에서 공기를 이동시키는 역할을 합니다.또한 상처 세척[22] 시 세제를 사용하고 피부 및 점막 [23]표면에 약용 로션 및 스프레이를 도포하여 먼지와 이물질을 제거하는 역할을 합니다.
생화학 및 생명공학 세제
용액에서, 세제는 골재를 분해하고 단백질을 펼침으로써 다양한 화학종을 가용화하는 것을 돕는다.생화학 실험실에서 인기 있는 계면활성제는 라우릴황산나트륨(SDS)과 브롬화세틸트리메틸암모늄(CTAB)이다.세제는 세포와 조직의 용해를 통해 단백질을 추출하는 핵심 시약입니다.그들은 막의 지질 이중층(SDS, Triton X-100, X-114, CHAPS, DOC 및 NP-40)을 분해하고 단백질을 가용화한다.옥틸티오글루코시드, 옥틸글루코시드 또는 도데실말토시드와 같은 순한 세제는 효소 및 수용체와 같은 막 단백질을 변성하지 않고 가용화하기 위해 사용된다.원심분리 또는 다른 방법으로 불용화물을 수확한다.예를 들어 전기영동의 경우 단백질은 SDS로 고전적으로 처리되어 본래의 3차 및 4차 구조를 변성시켜 분자량에 따라 단백질을 분리할 수 있다.
세제는 또한 장기를 탈세포화하는 데 사용되어 왔다.이 과정은 장기 및 종종 미세 혈관 네트워크의 구조를 보존하는 단백질 매트릭스를 유지합니다.이 과정은 [24]쥐에게 이식할 간이나 심장 같은 장기를 준비하는데 성공적으로 사용되어 왔다.폐계면활성제는 또한 포유동물에서 폐포의 II형 세포에 의해 자연적으로 분비된다.
퀀텀닷 준비
계면활성제는 양자 닷의 표면에서의 반응을 매개하는 것 외에 양자 닷의 성장,[25] 조립, 전기적 특성을 조작하기 위해 양자 닷과 함께 사용됩니다.계면활성제가 양자 [26]점의 표면에 어떻게 배열되는지에 대한 연구는 진행 중이다.
액체 기반 미세유체학 계면활성제
계면활성제는 물방울의 안정화와 배양 [27]중 물방울의 융해 방지에서 물방울 기반의 미세유체학에서 중요한 역할을 한다.
분류
대부분의 계면활성제의 "꼬리"는 분지, 선형 또는 방향족으로 구성될 수 있는 탄화수소 체인으로 구성되어 있어 상당히 유사합니다.불소계 활성제는 불소계 탄소 사슬을 가지고 있다.백산계면활성제는 백산사슬을 가지고 있다.
많은 중요한 계면활성제는 극성 음이온기로 끝나는 폴리에테르 사슬을 포함한다.폴리에테르 그룹은 종종 계면활성제의 친수성 특성을 증가시키기 위해 삽입된 에톡실화(산화 폴리에틸렌 유사) 배열로 구성됩니다.폴리프로필렌 산화물을 반대로 삽입하여 계면활성제의 친유성을 높일 수 있다.
계면활성제 분자는 꼬리가 하나 또는 두 개이고, 꼬리가 두 개 있는 분자는 이중 사슬이라고 한다.
가장 일반적으로, 계면활성제는 극성 머리 그룹에 따라 분류된다.비이온성 계면활성제는 머리에 하전기가 없다.이온 계면활성제의 머리는 순 양전하 또는 음전하를 가지고 있다.전하가 음이면 계면활성제를 음이온제라고 하고, 전하가 양이면 양이온제라고 합니다.계면활성제가 두 개의 상반되는 하전기를 가진 머리를 포함하는 경우 zwitterionic이라고 한다.일반적으로 볼 수 있는 각 유형의 계면활성제는 다음과 같습니다.
음이온성: 황산염, 술폰산염 및 인산염, 카르본산염 유도체
음이온계면활성제는 황산염, 술폰산염, 인산염 및 카르복실산염과 같은 음이온 관능기를 선두에 포함한다.대표적인 알킬황산염은 라우릴황산암모늄, 라우릴황산나트륨(황산나트륨, SLS 또는 SDS)과 관련된 알킬에테르황산나트륨(라우릴에테르황산나트륨, SLES) 및 미레트황산나트륨을 포함한다.
그 외, 다음과 같은 것이 있습니다.
- 도커스산염(술포숙신산디옥틸나트륨)
- 과불화옥탄술폰산(PFOS)
- 페르플루오로부탄술폰산염
- 알킬아릴에테르인산염
- 알킬에테르인산염
카르복실산염은 가장 일반적인 계면활성제이며 스테아린산나트륨과 같은 카르복실산염(비누)을 포함한다.보다 특화된 종으로는 라우로일 사르코신산나트륨과 과플루오로노산, 과플루오로옥탄산(PFOA 또는 PFO)과 같은 카르복실산염계 불소경화활성제가 있다.
양이온성 헤드그룹
pH 의존성 1차, 2차 또는 3차 아민. 1차 및 2차 아민은 pH < 10:[28] 옥테니딘 이염산염에서 양전하를 띤다.
상시 장전 4급 암모늄염: 브롬화세틸피리듐(CTAB), 염화벤조알코늄(BAC), 염화벤조테오늄(BZT), 염화디메틸옥타데실암모늄(DODAB)
즈위테리온계면활성제
Zwitterionic (amphoteric) 계면활성제는 동일한 분자에 부착된 양이온성 및 음이온성 중심을 모두 가지고 있습니다.양이온 부분은 1차, 2차 또는 3차 아민 또는 4차 암모늄 양이온을 기반으로 합니다.음이온성 부분은 설테인 CHAPS(3-[(3-콜아미도프로필) 디메틸아모니오]-1-프로판술포네이트) 및 cocamidopropyl 하이드록시술테인과 같이 더 가변적이고 술폰산염이 포함될 수 있다.코카미도프로필베테인 등의 베타인은 암모늄과 카르본산염을 가진다.가장 일반적인 생물학적 zwitterionic 계면활성제는 인지질 포스파티딜세린, 포스파티딜타놀라민, 포스파티딜콜린, 스핑고미엘린과 같은 아민 또는 암모늄을 가진 인산 음이온을 가지고 있다.
라우릴디메틸아민산화물 및 미리스타민산화물은 제3의 아민산화물 구조형 즈위테리온 계면활성제이다.
비이온성
비이온성 계면활성제는 소수성 모구조와 결합하는 산소를 포함한 친수성 그룹을 공유 결합한다.산소 그룹의 수용성은 수소 결합의 결과이다.수소 결합은 온도가 증가함에 따라 감소하며, 따라서 비이온 계면활성제의 수용성은 온도가 상승함에 따라 감소한다.
비이온계면활성제는 음이온계면활성제보다 물의 경도에 덜 민감하고 거품이 덜 핍니다.비이온 계면활성제의 개별 유형 간 차이는 미미하며, 선택은 주로 특수 특성 비용(예: 효과와 효율성, 독성, 피부과학적 적합성, 생분해성) 또는 [4]식품 사용 허가를 고려하여 결정된다.
에톡실산염
지방 알코올 에톡실산염
알킬페놀에톡실산염(APE 또는 APEO)
지방산 에톡실산염
지방산 에톡실산염은 매우 다용도 계면활성제의 한 종류로, 음이온성 pH 반응성이 약한 머리 그룹의 특성을 안정화 및 온도 반응성 에틸렌옥시드 단위의 [29]존재와 결합합니다.
특수 에톡실화 지방 에스테르 및 오일
에톡실화아민 및/또는 지방산아미드
종단 차단 에톡실산염
폴리히드록시 화합물의 지방산에스테르
글리세롤 지방산에스테르
소르비톨 지방산에스테르
범위:
수정:
수크로스의 지방산에스테르
알킬폴리글루코시드
「 」를 참조해 주세요.
- 안개 방지 – 표면의 작은 물방울처럼 물이 응결되는 것을 방지하는 화학물질
- 분해성 세제
- 코캄포디아세트산나트륨
- 에멀전 – 일반적으로 불용성인 두 개 이상의 액체의 혼합물
- 하이드로프
- MBAS 분석 – 음이온 계면활성제를 물속에서 블루잉 반응을 보이는 분석법인 과학적 테스트 방법.
- 니오소메
- 오일 분산제
- 페인트 중 계면활성제
- 계면활성제 침출
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외부 링크
위키미디어 커먼스의 계면활성제 관련 매체