계면활성제의 산업적 응용과 전망
한국공업화학회 추계연구논문 1997,
LG생활연구소 안 호정
1. 계면활성제의 개요
계면활성제란 한 분자내에 친수기와 소수기가 동시에 존재하는 화합물로 분자구조상의 특성 때문에 표면흡착성능이 우수하여 계면의 물성을 크게 변화시킬 수 있어 공업적으로 유화제, 세정제, 분산제, 기포제로 각 종의 detergent(세제), 화장품, 의약품, 식품 및 여러 공업용 첨가제로 응용되며 최근에는 전자산업 및 생물공학 등 첨단분야에도 많이 이용되고 있다. 지금까지 알려진 약 20,000여 종 이상의 계면활성제를 분류하는 데는 여러 가지 방법이 있으나 대부분의 계면활성제 응용이 수용액 내에서 일어나므로 가장 일반적인 방법은 수용액내에서 표면활성 부분이 갖는 전하의 종류에 따라 음이온성, 양이온성, 비이온성 또는 양쪽성 계면활성제로 분류한다. 계면활성제에서 소수성 부분은 장쇄의 탄화수소, 플로로카본, 실리콘 등이며 친수성은 음이온성의 경우 카본산염, 슬폰산염, 황산에스테르염, 양이온성의 경우 4급 암모늄염, 피리디늄염, 비이온형의 경우 에틸렌옥사이드, 글루코스, 솔비톨, 다가의 알콜 그리고 양쪽성의 경우 베타인, 아미노산으로 이루어진 것들이 공업적으로 많이 이용된다.
2. 계면활성제의 발전과정
인류 최초의 계면활성제는 B.C 2500년 전 부터 사용된 비누이나 1차 세계대전중인 1910년걍 독일이 연합군에 의하여 무역이 봉쇄되자 비누의 제조원료인 유지를 폭약 다이나마이트의 원료로 사용하기 위하여 유지가 비누의 제조원료로 사용되는 것이 금지되어 독일에서 풍부하게 생산되는 석탄을 원료로하여 최초의 합성 계면활성제인 Naphthalene sulfonate를 개발 비누의 대용품으로 사용하였다. Naphthalene sulfonate가 개발된 이래 alkylbenzene sulfonate(ABS), linear alkylbenzene sulfonate(LAS)등 석유계 물질을 기초로 한 것들이 개발 산업적으로 응용되었으나 1980년 경부터는 환경에 친화적이고 생분해가 잘되는 지방알콜을 기초로한 계면활성제가 개발 널리 이용되었다. 최근에는 이와같은 경향이 더욱 강하여 생분해도가 매우 우수하며 인체에 안전한 계면활성제들이 응용되고 있다. 이러한 계면활성제들은 순식물성 원료인 즉 석유계 물질같이 지구에서 고갈되는 물질이 아니 지구 생태계의 순환 cycle에 의하여 재생되는 원료들을(Renewable Materials) 이용하여 제조된 것들이 많이 이용된다. 재생 가능한 물질들만을 기초로하여 개발 응용되는 계면활성제로는 지방알콜과 글루코스를 이용한 알킬폴리 글루코사이드, 지방산메칠에스터와 글루코스에 수소가 첨가된 글루카민을 이용한 글루카마이드, 글리세린을 축합하여 친수기로 하고 고급 지방알콜을 소수기로 한 글리세롤계 등이었다. 이러한 계면활성제들은 생분해도 및 계면활성제로의 기능 우수하고 응용기술이 많이 개발되어 선진 각국에서 많이 이용되고 있으며 우리나라에서도 환경이 중시되고 석유자원이 없으므로 이러한 경향으로의 전환이 빨리 일어나고 있다. 이외에 전부 식물성 원료를 이용하지는 않지만 일부 이용한 fatty alcohol sulfate, fatty alcohol ether sulfate, methlester sulfate 등이 개발되어 응용되고 있다.
3. 계면활성제의 산업적 이용
Detergent는 국내 및 세계적으로 계면활성제가 가장 많이 이용되는 분야이며 국내의 경우 전체 계면활성제 소비량의 약 35% 이상을 차지한다. 세제에 합성 계면활성제의 응용은 naphthalene sulfonate가 개발된 이후 이것이 종래의 비누보다 세척력이 우수하고 바닷물, 냇물 등에서도 의류의 세탁이 잘되어 대전이 끝난 후에도 미국과 유럽등에서 널리 이용되었으며 우리나라에서도 1900년 (주)럭키가 최초의 합성세제인 하이타이를 생산하였다. ABS를 이용한 합성 세제 즉, 경성세제는 심각한 환경오염을 일으켰으며 이로인하여 ABS보다 세척력이 우수하며 수중에서 분해속도가 빠른 LAS를 개발 세제에 적용한 연성세제가 널리 이용되었다. 최초로 1964년 서독이 세제의 연성화를 시작하였고 1965년 미국, 1966년 영국, 1975년 일본이 세제의 연성화를 하였으며 우리나라에서도 1980년 11월부터 가정용 세제에 ABS의 사용을 금지하였다. 따라서 종래에는 LAS, AOS(α-olejin sulfonate)가 세제용 계면활성제의 주류를 이루었으나 세정 기능이 우수하면서 사용 후 환경 친화성의 향상을 위하여 생분해성이 좋은 natural source의 지방알콜, 지방산 유도체 계면활성제의 응용이 활발하게 이루어지고 있다. 세제에 계면활성제 응용시 단독 성분보다는 계면활성제의 혼합성분을 이용하여 세정력, 헹굼성, 생분해성의 향상을 꾀하고 있다. 이외에 세제의 환경 친화성과 관련하여 농축이 용이한 계면활성제의 응용도 증가하고 있다.
유연제는 의류 착용시 부드러운 감촉, 정전기 발생방지, 착용감의 향상 목적으로 이용되며 양이온성의 계면활성제를 음전하를 띤 섬유표면에 흡착시켜 의류-의류, 의류-피부간의 마찰저항을 감소시키고, 공기중의 수분과 수소결합을 이루어 발생된 전하를 누출시켜 유연성 부여나 정전기 발생을 방지한다. 기존에는 DDAC(Dialkyl Distearyl Ammonium Chloride)류의 4급 암모늄염이 주로 이용되었으나 점차 생분해성이 강한 Ester Quat 등의 양이온 계면활성제로 대체되고 있다. 이 밖에 주방용 세제나 샴푸의 경우 사용할 때 인체와 직접 접촉하므로 환경 친화적이면서 피부 mildness성이 우수한 다류계, 베타인계 양쪽성, 아미노산계, 기타 천연계 계면활성제가 주로 이용된다.
화장품은 피부에 직접 도포하므로 여기에 응용되는 계면활성제는 피부자극, 독성, 불쾌취가 없는 주로 비이온성 계면활성제인 솔비탄계를 유화제, 가용화제, 분산 목적으로 응용한다. 우리나라에서 화장품용 계면활성제의 수입 의존도는 매우 높으며 96년 약 1200톤이 국내에서 이용되었다. 화장품에 쓰일 수 있는 계면활성제는 화장품 원료기준에 수록된 것들만 이용할 수 있으며 약 80여종의 계면활성제가 화장품에 이용되고 있다.
많은 종류의 계면활성제들이 식품 및 의약품에 이용되고 있으며, 이들은 인간의 체내에 직접 투입되므로 여기에 사용되는 계면활성제 종류는 법으로 규제되어 있으며 식품에는 주로 레시틴과 지방산 글리세라이드류 유화제로, 의약품에 계면활성제의 주이용 목적은 오일성 의약품을 수용액 내에 유화 및 가용화시키기 위함이며 일부 고체형 의약품의 분산제로도 이용된다. 또한 일부 양이온 계면활성제는 살균목적으로 이용되기도 한다.
기타 산업적으로 여러 분야에 계면활성제가 응용되며 섬유공업에서 계면활성제는 방사, 방적유제에, 농약에서는 유화 분산제, 농약의 침투 촉진제 및 wetting,제로, 비료에는 caking 방지제로, 제지 펄프산업에서는 피치트러블 방지제, sizing제, 탈묵제로, 광업에서는 광물의 부유선광에 주로 이용되며 기계공업에서는 윤활유 첨가제, 부식방지에도 이용된다.
4. 계면활성제의 개발전망
여러 분야에 필수적으로 이용되느 계면활성제는 장차 환경문제가 심각해지고 지구 자원의 고갈문제 때문에 재생 가능한 원료를 이용하여 제조되는 천연계 계면활성제들이 개발 응용 활발하게 될 것이며 특히 계면활성제는 물질의 특성상 수용액상에서 사용되므로 사용후에 미칠 수 있는 수질환경에 대한 안전성이 고려되어야 한다. 즉 수질환경에 노출된 계면활성제는 궁극적으로는 물과 탄산가스로 분해되며, 분해 이전단계에서 수서 생물체에 영향을 적게 미치는 것을 요구하게 된다.
생분해는 계면활성제의 본래성질을 잃어버리는 단계까지의 분해를 보는 일차생분해(primary biodegradation)와 계면활성제가 물과 탄산 등의 무기물질로 분해되는 최종생분해(ultimate biodegradation) 등으로 구분할 수 있다. 일차생분해평가법으로는 KS 및 OECD 방법 등이 있으며, 전세계에서 통용되는 최종 생분해 평가법으로는 계면활성제를 비롯한 모든 화학물질에 대한 평가가 가능한 OECD의 Ready Biodegradability Test 301등이 있다. 환경평가 기술의 진보는 ERA(Enviroment Risk Assessment)를 이용하여 환경안전성을 종합적으로 예측하는 단계에 이르고 있다.
최근의 개발방법은 우수한 물성과 함께 환경친화성도 함께 지닌 신규 계면활성제류로의 방향을 나타내고 있어 과거의 방향족과 분지형(branched) 등의 석유계에서 직쇄형(linear)과 에스터 결합 및 당류계 등의 천연계(oleochemical)로의 전환이 일어나는 추세이다.
공업적으로는 소량으로 특수 기능성을 발휘하는 fluorocarbon계, 실리콘계 등도 응용기술 및 생산기술이 발전되어 가격이 저렴하게 되면 많이 산업적으로 응용될 것으로 기대된다. 이외에 첨단분야에 게면활성제의 응용 가능 분야인 molecular electronic용, bio-sensor용 등 첨단산업용 고부가의 계면활성제들도 많이 연구 개발될 것으로 기대된다. 이 밖에 기존의 화학 합성에 의해서 계면활성제를 제조하는 대신 미생물을 이용하여 생상되는 biosulfactant도 많이 개발될 것으로 전망된다. Biosulfactant는 종류가 다양하고 다른 동식물 세포에 비하여 다루기 쉬운 bacteria, yeast, fungi, 등에 의하여 여러 종류의 계면활성제를 생산할 수 있으나 아직 경제적인 이유 때문에 산업적으로 널리 이용되지 못하고 있다.
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