사용자:Gwpei/번역장

水中では、界面活性剤は親水部(青)を外側、親油部(赤)を内側にしたミセルを形成する。ここに油などが溶け込むことで、水と油でも均一に混じり合うようになる。

界面活性剤(かいめんかっせいざい、surface active agent、surfactant)は、分子内にになじみやすい部分(親水基)と、になじみやすい部分(親油基疎水基)を持つ物質の総称。両親媒性分子と呼ばれることも多い。ミセルベシクルラメラ構造を形成することで、極性物質と非極性物質を均一に混合させる働きをする。また、表面張力を弱める作用を持つ。

洗剤の主成分であり、有用な性質を多くもつため、工業的に大量に合成・使用されている。サポニンリン脂質ペプチドなど、天然にも界面活性剤としてはたらく物質は数多く存在する[1]

概要편집

界面近傍では界面自由エネルギーが高くなり不安定化するので、界面はできるかぎり表面積を小さくしようとする(界面張力)。ひとつの分子内に親水基と親油基をもつ両親媒性の化学構造をもつ物質が界面上に並ぶことにより、この不安定な状態が緩和される、つまり界面自由エネルギーが小さくなる。このような特性をもつ物質を界面活性剤という。

界面活性剤は洗剤用途に大量に使用されているほか、食品化粧品乳化剤保湿剤としても重要な位置を占める。界面活性剤は微妙に化学構造を変化させただけで大きく異なる特性となるため、非常に多くの種類のものが生産・使用されている。

미셀편집

용매에 계면활설제를 가하면, 계면활성제의 양이 적어지는 동안은 대부분 소수기를 공기측으로 밀어내고 용매면으로 모이게된다. 양을 증가시키면, 임계량(임계미셀 농도 CMC)에 도달하고, 물에서는 친수성부분을 바깥쪽에 친유성부분을 안쪽으로 한 미셀(우측 위 그림 참조)를 비극성 용매안에서는 안밖이 반대로 된 미셀을 형성한다. 이 미셀 내부에는 외부환경과 성질이 다른 물질을 축출할 수 있기때문에, 계면활성제의 존재하에서는 극성-비극성의 양쪽 성질이 균일한 용액으로 만들수 있다. 친수성물질과 소수성물질을 균일화한 작용을 계면활성작용 이라고 부르고, 작용의 강도는 HLB값에 따라 정량적으로 나타낼수 있다.

CMC는 계면활성제의 특징을 나타내는 중요한 척도이다. 그것을 경계로 용매의 물성이 크게 변화한다. 이 값이 작으면 계면활성제로써의 성능이 좋다. 덧붙여 CMC를 넘어 농도를 높이더라도 미셀의 크기는 수 nm 인채로 변하지 않고, 수치만 증가한다. 그러나, 더욱이 농도를 높이면 용액이 혼탁해지기 시작하고, 전체적으로 젤로 바뀌게 된다. 이것은 그때까지 구형인 미셀이 봉형 혹은 층의 형태로 된 미셀로 구조가 바뀌기 때문이다. 이와 같이 미셀이 증가하면, 굴절률이 변화하고 혼탁해지는 것을 볼수 있다.

CMC는 계면활성제의 특징을 나타내는 중요한 수치이며, 계면에서의 용매 물성에 큰 영향을 준다. 이 수치가 작을 수록 계면활성제로서의 성능이 우수하다. 덧붙여, cmcは界面活性剤の特徴を示す重要な数値であり、これを境に溶媒の物性が大きく変化する。この値が小さいほど界面活性剤としての性能は高い。なお、cmcを超えて濃度を高くしてもミセルの大きさは数nmのまま変わらずに、数だけが増えていく。しかし、さらに濃度を高くしていくと溶液が白濁し始め、全体的にゲル化していくようになる。これは、それまで球体であったミセルが棒状あるいは層状のミセルへと構造を変えるためである。このようなミセルが増えると、屈折率が変化し白濁して見えるようになる。また、層状ミセルが集合体となってリオトロピック液晶とよばれ、独特のテクスチャーを示す。

適正温度편집

界面活性剤が機能するためには適正な温度範囲が存在する。イオン性界面活性剤は温度が低いとアルキル基部分が結晶化してしまい、うまくほぐれない。この臨界温度をクラフト点(Krafft point)という。しかし、非イオン性の界面活性剤では逆に、温度が高いと水に溶けきれなくなって溶液が白濁する。この温度を曇り点(cloud point)という。非イオン性界面活性剤はエーテル結合酸素と水分子との水素結合によって水溶性を示すが、高温では水素結合が切れて溶解度が下がるためにこのようなことがおこる。

乳化・可溶化편집

水と油のように互いに混ざり合わない物質でも、界面活性剤を加えると白濁して均一になる(分離しない)。この白濁した液体をエマルションといい、これの作用を乳化という。このことから界面活性剤は乳化剤と同義で用いられることもある。エマルションは液/液コロイドの一種である。エマルションは熱力学的には不安定な状態であるため、時間が経過するといつかは二層分離する。

液/液コロイドにおいて被分散液体が少量であるとき、それを囲むミセルはきわめて小さく、微視的には膨潤ミセルを呈し、外見上は無色透明あるいは青白い液体となる。これを可溶化(solubilization)と言い、得られた液体はマイクロエマルションと言う。これは上述の乳化系で得られるエマルションとは異なり、熱力学的に安定であるため二層分離することは無い。可溶化はミセル内に被分散体が取り込まれて起こる現象であるため、ミセル形成が始まるcmcより濃度が高くなると可溶能は急激に向上する。

※ここで〇/△コロイドとは、△溶媒に〇溶質を含んだ微粒子(ここではミセル)が分散している系のことである。固/水コロイドならば、ミセル中に固体を取り込み水中に分散しているものを指す。

また乳化方法としては以下のような方法が一般的に知られている。

分散・凝集편집

液/液コロイドでは乳化がみられるが、固/液コロイドでは分散(dispersion)とよばれる現象がおこる。たとえば水にすすを加えても混ざることはない。しかし界面活性剤を加えるとすすを中心にミセルが形成され、水の中に散らばって安定となる。これはミセルコロイド同士が互いに電気的に反発するからである。墨汁口紅インクなどは分散を利用して、非水溶性の物質を水に溶かし込んでいる。また、洗剤の汚れをはがす作用は乳化・分散によるものである。

分散の反対を凝集(flocculation)といい、分散した固体粒子を集めることである。微粒子反発の要因は電気二重層(主に負電荷)の反発であるから、陽イオン性のポリマー硫酸アルミニウムなどの多価金属塩が用いられる。一般的に1価より2価、2価より3価のほうが凝集能力が数十倍から数百倍高い。ポリマーとしてはラテックスが有名である。凝集の主な用途は、上下水道不純物の除去である。

気泡・消泡편집

気/液コロイドでは界面活性剤の効果により、が発生する。これを気泡(foaming)という。泡は気体を薄い液膜で包んだものであるが、界面活性剤は気体側に疎水基、液膜側に親水基を向けて配列している。つまり親水基で囲まれた部分(泡の境界部)を芯液(水)が満たしている。普通、泡沫(単一泡の集合体)では泡同士の三重接点(プラトー境界)に毛管現象で芯液が吸い寄せられ、液膜はだんだん薄くなっていき泡を維持できなくなって最終的にはじけてしまう。しかしイオン性の界面活性剤を用いた場合、液膜が薄くなっていくと、分子同士の静電反発のために、それ以上膜が薄くなることに抵抗を示すようになる。このため泡が持続するようになり"あわ立つ"という現象がおきる。この気泡性は洗剤などで顕著である。またアイスクリーム消火剤にも利用されている。

この気泡の逆が消泡(antifoaming)である。気泡性はイオン性界面活性剤の静電反発に起因しているので、泡を消すにはそれを阻害すればよい。たとえば、脂肪酸エステルなどの非イオン性界面活性剤を加えることである。これらもまた液膜に配列するのだが、互いの反発がないため液膜が薄くなるのを止めきれずに破包する。また、エタノールなどの親水性の有機溶媒を水と同程度加えると、界面活性剤を表面から取り去ってしまい消泡する。また、50~60度くらいまで液体の温度を上げて泡の水分を蒸発させることによっても消泡することができる。

ぬれ性편집

固体表面に液体が付着したものをぬれ(wetting)という。界面活性剤は気/液界面、固/液界面において界面張力を低下させるため、ぬれ性を向上させる効果がある。具体的には衣類に液体が染みこみやすくなったり、インクが染みこみやすく(定着しやすく)なったりする。これは保湿浸透作用として化粧品や農薬・染物・洗剤などに広く応用されている。

殺菌性편집

カチオン性界面活性剤や両性界面活性剤には、細菌(表面に負の電荷を帯びたものが多い)を吸着し洗い流す作用がある[2]。消毒液や石鹸などで利用される。

柔軟・平滑作用편집

界面活性剤には柔軟作用と滑りをよくする作用があり、物質と物質の間に存在することで界面の摩擦を小さくする。工業的に広く応用されている。繊維同士の摩擦が小さくなれば布地が柔らかくなり、肌触りがよい布ができる。また、毛髪間に作用すればサラサラの髪が得られる。これがリンスである。他に圧延油や伸線加工油・プラスチックの滑剤に利用されている。

帯電防止作用편집

界面活性剤には表面に水を吸収しやすい膜をつくったり、滑りやすくすることで静電気の発生を抑える効果が得られるものがある。合成繊維プラスチック製品は静電気を帯びやすく、それゆえ埃や汚れが付着しやすい。表面に塗布したり、練りこんだりして、これを防ぐことができる。また、工場では火花などによる事故を防ぐ目的で使用されることもある。

界面活性剤の性質を利用した主要製品편집

家庭用洗剤など편집

洗濯用洗剤はまず、界面張力を低下させてその水溶液をすばやく布地に染みこませ、汚れ(有機物)をはがして水溶液中に分散させる。最後に流水で流すと汚れが流される仕組みとなっている。台所用洗剤は、油を乳化させて流水中に押し流すものである。

シャンプーは髪の汚れを同様にして落とす。アニオン性のものを利用している。

化粧品편집

化粧クリームは水・油分(美容成分)・乳化剤を主成分とするエマルションである。乳化剤はこれらの成分を均一に混合し、適度な流動性を与える。また、化粧クリームのはじめ固体で塗るときに滑らかに広がる作用は、分散状態で固体化しているものに圧力をかける(塗る)と、分散状態における粒子間の相互作用が断ち切られるため、流動性を帯びることによる。ふたたび粒子が凝集して固体化するには時間がかかるので、すぐには固まらない。さらに、皮膚への刺激性が低いこと、毒性がないこと、色や匂いがなく化学変化しにくいなどの特性を求められるため、それらを満たす界面活性剤として、非イオン性のアルキルポリオキシエチレンエーテルや脂肪酸グリセロールエステルなどが用いられる。

表面処理剤편집

界面活性剤は一般に水に溶けにくい有機化合物とイオン性物質の仲立ちをするものであり、表面改質をするために利用されている。 気/液界面で有効な界面活性剤は、ガラスの表面や衣類などに塗布して様々な性質を帯びさせることができる。撥水剤防曇展着剤潤滑剤帯電防止剤媒染剤防錆剤金属圧延油などとして利用される。これらの用途は非常に幅広い。

撥水剤では、フッ素系あるいはシリコン系の界面活性剤を、ガラスや繊維に塗布して水をはじく作用をもたせている。展着剤は主に農薬に用いられ、ぬれ性を向上させて植物に薬剤が定着させる効果がある。ヘアーリンスには潤滑剤として界面活性剤が利用されている。また、を防ぐには水分を避ければよく、表面に塗布して疎水性の皮膜を作っているものが防錆剤である。他に、生体になじみやすいように表面改質をおこなった生体適合性材料などがある。

ヒト・環境に対する影響편집

基本的に市販されている界面活性剤は多量に飲み込んだりしない限り健康に対して特に問題はない。しかし、に入ったり、大量に摂取してしまった場合にはただちに医師の診察を受けるべきである(特に目の場合は失明のおそれがある)。また、過度に皮膚の弱い人は使用を控えるか、手袋を着用することが推奨される。工業用など高濃度のものを扱うときにはより注意が必要である。

また、ヒトに対する影響は界面活性剤の種類によって異なる。とくに使用量の多い洗剤のヒト・環境に対する影響は記事 洗剤に詳しい。

분류편집

계면활성제는, 용매의 종류에 따라 유용성 계면활성제, 수용성 계면활성제로 구별할수 있고, 수용성 계면활성제 중 이온 생성 유무에 따라 이온성 (양이온성, 음이온성, 양쪽성)의 것과 비이온성의 것으로 구별할수 있다. 또, 분자량에 따라 저분자계, 고분자계로 나눌수 있다.

음이온성 계면활성제

물에서 해리될때 음이온으로 된다.친수기로써 카르복실산, 솔폰산, 혹은 인산 구조를 가지고 있는 것이 많다. 카르복실산계는 비누의 주성분으로 있는 지방산염과 콜린산염이며, 솔폰산계는 합성세제에 많이 사용되는 LAS산 나트륨과 폴리아크릴아마이드 전기영동에도 이용되는 라우릴황산나트륨 [Sodium Lauryl Sulfate, SLS)등이 있다.

  • 비누(지방산 나트륨) RCOO-Na+
  • 모노알킬황산염 ROSO3-M+
  • 알킬벤젠솔폰산염 RR'CH2CHC6H4SO3-M+
  • 모노알킬인산염 ROPO(OH)O-M+

이온성 계면활성제

물에서 해리될때 양이온으로 된다. 친수기로써 테트라 알킬 암모늄을 가진 경우가 많다. 역성 비누, 린스, 유연제등에 이용된다.

  • 알킬트리메틸암모늄염 RN+(CH3)3X-
  • 디알킬디메틸암모늄염 RR'N+(CH3)2X-
  • 알킬벤질디메칠암모늄염 RN+(CH2Ph)(CH3)2X-

양쪽성 계면활성제

분자내에 음이온성 부분과 양이온성 부분을 둘다 가진 것으로 용액의 pH에 따라 양, 음이온, 양쪽성이 된다. 상기에 기술했던 음이온성, 양이온성의 구조를 합친 것이다.

  • 알킬디메틸아민옥사이드 R(CH3)2NO
  • 알킬디메틸베타인 R(CH3)2N+CH2COO-
비이온성 계면활성

친수성부분이 비전해질이여서 이온화되지 않는다. 알킬글리코시드와 같은 저분자계 또는 폴리에틸렌글리콜과 폴리비닐알콜과 같은 고분자계가 존재한다. riton X 、Pluronic、Tween 등의 상품명으로 팔고 있다.

  • 폴리옥신에틸렌알킬에테르 RO(CH2CH2O)mH
  • 지방산 소르비탄에스테르
  • 알킬폴리글리코시드
  • 지방산 디에탄올아미드 RCON(CH2CH2OH)2
  • 알킬모노글리셀린에테르 ROCH2CH(OH)CH2OH

脚注편집

틀:脚注ヘルプ

  1. 産業技術総合研究所「バイオサーファクタントの構造」。PDF
  2. 日本界面活性剤工業会

관련 항목편집

参考文献편집

  • 荒木孝二・明石満・高原淳・工藤一秋 『有機機能材料』 東京化学同人、2006年、ISBN 4807906100

外部リンク편집

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