계면활성제(Surfactant)

계면활성제는 액체의 표면장력(surface tension), 두 종류의 액체사이 또는 액체와 고체사이의 계면장력(interfacial tension)을 낮추는 기능을 가진 합성물질로 세제, 습윤제, 유화제, 가용화제, 거품제, 분산제 등으로 사용되고 있습니다.

1. 계면활성제의 구조와 종류

계면활성제는 양친매성(兩親媒性)의 유기적인 합성물질로서 소수성(기름과 친한 성질)의 꼬리와 친수성(물과 친한 성질)의 머리로 이루져 있습니다. 즉 계면활성제는 물에 용해되지않는 성분과 물에 용해되는 성분의 두가지를 포함하고 있습니다. 이러한 특성은 물에 잘 분산되어 물과 공기사이의 계면 또는 물이 기름과 혼합될때 물과 기름사이의 계면에 흡착하여 표면장력을 낮추거나 계면장력을 낮추게 합니다. 친수성의 머리부분이 물에 첩촉할때 소수성의 꼬리부분은 수상밖의 공기중으로 또는 기름면으로 뻗어나가게 됩니다. 표면에서의 이러한 계면활성제의 정렬은 물과 공기 사이의 표면과 물과 기름사이의 계면의 특성을 변경시킵니다. 쉽게 말하면 계면활성제는 물이 어떤 견고한 표면에 닿았을때 물방울이 되어서 굴러떨어지지 않고 표면에 넓게 퍼지게 하는 표면장력을 저하시키는 작용과 계면장력을 낮추어 물과 기름이 섞이도록 하는 작용을 하는 특성을 가졌다는 것입니다.

모든 계면활성제는 무극성과 극성의 부분(작용그룹)으로 형성되어있습니다. 무극성 부분으로 작용하는 대부분은 Alkyl group 또는 Alkylbenzene group이며 꼬리부분에 해당합니다. 극성 부부은 다양하게 형성될 수 있으며 이것에 의해 음이온(-), 양이온(+), 비이온, 양쪽성이온으로 계면활성제가 분류되며 아래의 표에 요약해 보았습니다.

최근 자주 언급되는 천연계면활성제와 합성계면활성제의 차이를 살펴보면 사실 그 구별 자체가 쉽지않으며 항상 큰 의미가 있는 것은 아닙니다. 자연적으로 발생되는 계면활성제는 예컨데 Saponine(사포닌) 또는 Lecithin(레시틴)과 같은 Phospholipid(인지질)이 있습니다. 천연유래의 계면활성제들로는 식물성 또는 동물성 지방의 비누화를 통해 생산되는 비누, 지방과 그것으로부터 얻어진 지방족알콜을 베이스로 Fettalcholpolyglycolether (FAE), Fettalcoholsulfate (FAS), Fettalcoholethersulfate (FAES), Methylestersulfonate (MES)등이 생산됩니다. 마찬가지로 hexose(육탄당) 또는 Pentose(오탄당)과 지방족알콜로부터 생산되는 설탕계면활성제라고 칭하는 Alkylglycoside, Alkylpolyglycoside가 있습니다.

이러한 천연원료 유래의 계면활성제들도 그 생산에 있어서는 강한 화학적 작용을 거치게 됩니다. 즉 앞에서 언급했듯이 천연계면활성제와 합성계면활성제의 구별의 기준점이 애매하다는 것입니다. 엄밀히 말해면 Saponine(사포닌), Lecithin(레시틴)처럼 천연물에 존재하는 계면활성능력을 지닌 물질만을 천연계면활성제라 할 수 있을 것입니다. 그러나 위에 언급된 천연물 유래의 계면활성제와 아래에 언급될 계면활성제를 비교해 보면 소위 말하는 천연계면활성제와 합성계면활성제의 분류기준을 언급할 수 있을 것입니다.

합성계면활성제라고 언급하는 종류는 Alkane(사슬모양 탄화수소로서 일반식 CnH2n+2로 나타낼 수 있는 화합물의 총칭), Benzene(분자식을 갖는 간단한 방향족 탄화수소이다. 콜타르를 분별증류하거나 석유로부터 얻는다.), Alkylbenzene(벤젠(CH)의 알킬치환체의 총칭. 벤젠고리에 알킬기가 결합한 방향족 탄화수소), Olefin(일반식은 CnH2n으로 표시한다. 지방족 불포화 탄화수소의 총칭. 올레핀계 탄화수소, 에틸렌계 탄화수소, 알켄, 알킨이라고도 부른다. 에틸렌(C2H4)은 그 대표적인 것으로, 분자내에 한 개의 탄소 이중 결합을 갖고 반응성이 좋으며 수소, 염소, 브롬, 황산, 차아염소산 등이 부가된다.), Ethylene oxide(탄소 2원자, 산소 1원자로 되어 있는 복소 3원환 화합물. 현재의 명명법으로는 옥시란이라 한다. 상온에서 상쾌한 냄새가 나는 무색의 기체. 화학식 C2H4O. 분자량 44.05, 녹는점 －112℃, 끓는점 10.7℃. 가연성(可燃性)이며 알코올·에테르·물 등에 잘 녹는다. 반응성(反應性)이 풍부하고, 물이나 묽은 황산과 반응하면 에틸렌글리콜이 되며, 수산화 알칼리나 염화주석(Ⅳ) 등에 의하여 중합하여 폴리에틸렌옥시드가 된다. 공업적으로는 에틸렌의 직접 산화에 의해 얻어진다. 용도의 과반은 에틸렌 글리콜의 원료이다.) 등의 석유계 원료와 지방족알콜의 화학적반응을 통해 생산되는데 대표적인 것으로 세계적으로 가장 많은 생산량을 차지하고 있는 Linear Alkylbenzenesulfonates(직쇄 알킬벤젠술폰산염)을 들 수 있으며 이것은 Alkylbenzenesulfonates(ABS)의 취약한 생분해성을 개량한 대표적인 합성음이온계면활성제입니다. 그 외에 올레핀계로 Alkanesulfonate(SAS)가 있습니다.

요약해보면 천연계면활성제와 합성계면활성제의 구별은 사용되는 원료가 석유계 추출물이냐 아니냐에 기준을 둔다고 볼 수 있습니다. 앞에서 언급되었듯이 일상에서 가장 자주 접하고 있는 계면활성제인 비누를 포함한 모든 계면활성제는 강한 화학반응을 통해 얻어지는 친수성부분과 소수성부분의 합성의 결과물이므로 원론적으로는 모두가 합성인 것이기 때문입니다. 나아가 최근의 합성계면활성제의 유해성 논란도 사용된 원료가 석유계 추출물이다 보니 생기는 것 같습니다. 사실 Linear Alkylbenzenesulfonates(직쇄 알킬벤젠술폰산염)의 예를 들어 합성계면활성제의 생분해도만 본다면 합성세제의 생분해도에 대한 인증규정에 문제가 되지않을 것입니다. 다만 자극성에 대한 논란이 아닌가 하며 이부분은 합성세제의 자극에 대한 안전마크 부여시 표준사용량에 준해 물에 희석한 시료를 사용하기 때문에 LAS(직쇄 알킬벤젠술폰산염)가 사용된 제품의 경우도 마크획득이 가능한게 사실입니다.

2. 세계 생산량

오늘날 계면활성제는 세제, 화장품, 식품을 비롯한 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있으며 2000년도에 세계생산량은 10,500,000톤이었는데 이중 56%가 음이온 계면활성제였고 경제적으로 가장 중요한 가치의 비이온계면활성제가 35% 생산되었습니다. 2010년에는 세계적으로 약 6,500,000톤의 음이온계면활성제 수요가 있었고, 비이온계면활성제와 함께 이 두종류의 계면활성제가 전세계 수요의 85%로 집계되었습니다. 모든 계면활성제 중 가장 많은 생산량을 차지하는 것은 linear alkylbenzenesulfonates(직쇄 알킬벤젠술폰산염)인데 실제 시중의 웬만한 세제에 다 사용되고 있는 대표적인 합성음이온계면활성제로 약자로 LAS라고 하며 연간 생산량은 약 4만톤입니다. 소위 녹색계면활성제라고 하는 N-Acylglutamate, N-Acylsarcosinate, Sorbitan fatty acid ester 등은 높은 가격대를 형성하며 화장품 산업영역이 주요한 사용처입니다. 덧붙여 주요 생산기업을 살펴보면 Sasol이 가장 그 생산규모가 큰며 특히 LAS(직쇄 알킬벤젠술폰산염)를 가장 많이 생산하고 있습니다. 그 외 BASF, Clariant, Cognis, Huntsman, Shell 등이 주요 생산기업입니다.

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