계면활성제의 미셀 형성과 임계미셀농도

1. 미셀의 형성과 임계미셀농도

계면활성제가 희박한 수용액은 통상의 용액과 동일한 성질을 나타내지만, 농도가 증가하면 계면활성제의 분자 또는 이온 몇몇이 집합, 회합체를 형성하여 용해되며 전술한 회합콜로이드가 된다. 이 회합체를 미셀(micelle)이라 한다. 미셀은 계면활성제의 소수기를 내측으로 하여 집합하고, 소수기와 물과의 접촉을 줄여서 용해하기 유리한 상탵로서(소수상호작용) 형성된다. 

미셀의 모양과 회합수(aggregation number)는 소수기와 친수기의 상대적 강도(HLB)와 그들의 절대적 강도, 쌍방의 성질에 따라 결정된다.

 

 

미셀이 형성되는 농도를 임계 미셀농도(critical micelle concentration) 또는 cmc 라 한다. cmc를 경계로 계면활성제의 용해 상태가 순수한 용액에서 회합콜로이드로 변하기 때문에 표면장력, 총괄성질(용질분자의 수에 의존하는 성질, 예를 들면 침투압, 응고점 강하) 등 용액의 물리화학적 성질이 현저히 변화한다.

계면활성제의 농도를 변화시켜서 이들의 성질을 측정하고, 그 성질이 현저히 변하는 농도를 구하면 cmc를 결정할 수 있다. cmc는 계면활성제의 소수기와 친수기의 절대적 강도로 결정된다.

지금까지 계면활성제수용액계에 대하여 기술하였는데, 유성용액에서도 마찬가지로 계면활성제가 미셀을 형성한다. 이 경우는 역 미셀(reversed micell)이라 하며, 친수기를 내측으로 하여 회합한다. 

계면활성제는 cmc 이상의 농도에서 계면활성제로서의 기능을 발휘하는 것이 많이 때문에, 실제로 화장품에 이용되는 경우도  cmc이상의 농도에서 이용된다. 

 

2. 액정

결정과 액체의 중간적 상태, 즉 결정과 같이 분자배열이 규칙적이지 않지만, 액체만큼 불규칙적이지 않은 상태를 액정(liquid crystal) 또는 mesophase라 한다. 액정은 일반적으로 고체와 액체의 중간적 유동성과 광학적 이방성을 나타내므로 용이하게 식별할 수 있다. 단, 광학적으로 등방성인 액정도 존재한다. 액정은 크게 나누어 thermotropic 액정과 liotropic액정이 있다. 전자는 결정격자를 부분적으로 열로 파괴한 것이며, 후자는 용매로 파괴한 것이라고 할 수 있다. 

계면활성제와 밀접한 관계가 있는 것은 liotropic 액정이며, 일반적으로 계면활성제가 물과 농후한 상태로 혼합될 때, 만들어질 수 있다. 액정도 미셀과 같이 계면활성제의 회합체로 형성되어 있다. 단, 액정에서 회합체는 무한히 성장하는 것으로 여겨지며, 친수기를 외측으로 배향시킨 봉상의 회합체가 육방정으로 충전된 것이다. 육방정상 또는 middle phase, 층상구조의 회합체가 층상으로 층진된 것이 라멜라상 혹은 neat phase이고, 계면활성제의 배향이 역으로 되니 육방정은 역육방정상이라 한다. 액정의 구조는 계면활성제의 HLB와 그 농도로 결정된다. 위에 서술한 구조도 계면활성제의 HLB가 반영되어, 친수성인 것은 육방정상을, 소수성인 것은 역육방정상을, 그 중간의 성질, 다시 말하면 친수성과 소수성의 밸러나스를 이룬 것이 라멜라상으로 만든다. 

 

액정은 계면활성제와 물과 오일의 혼합계에서도 이루어지고, 계면활성제의 친수기 쪽에 물이, 친유기 쪽에 오일이 용해한 구조로 된다. 이와 같은 계는 화장품의 분야에서 기제로서 이용되고 있다.