계면활성제의 성질 HLB가 뭘까

1. 계면활성제의 성질

계면에 흡착하여 계면장력을 현저히 저하시키는 물질을 계면활성제(surfactant, surface active agent)라 한다. 계면활성제는 용도에 따라서 유화제(emulsifier), 가용화제(solubilizer), 습윤제(Wetting agent), 세정제(detergent)라고 불린다. 계면활성제는 종류가 많은데, 공통적인 화학구조, 즉 물에 대하여 친화성을 나타내는 친수기(hydrophilic group)와 물에대하여 친화성을 나타내지 않는 소수기(hydrophobic group)이라고도 한다. 소수기는 일반적으로 탄화수소기이지만, 플루오로카본기나 실리콘기인 것도 있다. 친수기는 이온성과 비이온성으로 크게 구별되며, 이들은 더욱 세분하여 분류된다.

 

1)HLB : Hydrophile-Lipophile-Balance

계면활성제는 친수기와 친유기를 갖고 있기 때문에 그 계면활성제가 친수성이되는가, 친유성이 되는가는 그 친수기와 친유기의 성질의 상대적 강도에 따라 결정된다. 이와 같은 생각은 옛날부터 있어 왔고, 이것을 HLB라고 한다.

Griffin 등은 여러 번의 유화 실험을 거쳐 각종 계면활성제의 HLB를 조사하고, 그것을 수치화 하여 각 계면활성제의 HLB값(HLB number 또는 value)을 구하였다. 그리고 HLB값을 계면활성제의 화학구조로부터 계산하는 방법도 제안하였다.

 

각종 유상을 유화하는데는 각각에 적당한 계면활성제의 HLB값이 있다. 그것을 오일의 소요 HLB(Required HLB)라 한다. 혼합 유상의 소요 HLB도 계면활성제의 HLB값과 마찬가지로 가성성이 성립 되기 때문에, 예를 들어 밀납(HLB 15) 10%, 유동파라핀(경도) 53%, 바세린 37%로 된 O/W에멀젼의 유상의 소요 HLB를 계산하면 15×10+10×53×10.5×37/(10+53+37)=10.68 이다.

이 유상의 유화에는 HLB가 10~11의 유화제를 이용하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다. HLB값은 계면활성제의 대략적인 성질을 아는데 유효하고, 간편하므로 잘 이용되고 있다. 그렇지만 HLB값도 소요 HLB도 어디까지나 경험적으로 구한 것이고, 이론적으로 충분히 증명되지 않았으므로 하나의 지표로만 생각하는 것이 좋다.

HLB라고 하면 HLB값으로서 고려하기 쉬운데, 이것은 구별하여 생각해야만 한다. HLB개념은 계면활성제의 성질을 가장 잘 나타내며, 본질적으로 그 계의 성질을 결정한다. HLB값보다도 이론적으로 분명한 것으로서, HLB 온도 또는 전상온도가 시노다에 의해 제창되었다. 

HLB온도는 비이온 계면활성제의 HLB가 온도에 따라 변화하는 것을 이용하여 구하는 것으로, 유-수-계면활성제에서 비이온계면활성제의 HLB가 정확히 들어맞는 온도를 의미하며, 이 온도 이하에서는 O/W에멀젼을, 이상에서는 W/O에멀전을 생성한다.

HLB는 그 친수기와 친유기 성질의 상대적인 강도만을 고려한 것이지만, 각각의 절대적 강도도 계면활성제의 성질에 큰 영향을 부여한다. 친수기와 친유기의 성질의 상대적인 강도만이 아니고, 그들의 절대적인 강도가 중요하다는 것이 이제부텉 기술하는 계면활성제의 성질이나 기능으로부터 분명하게 된다. 

 

 

2) 구름점(하부임계온도): Cloud point

비이온 계면활성제의 수용액은 온도를 올리면 갑자기 탁해지는 점이 있다. 이 온도를 구름점이라 하며, 하부임계용해온도라고도 한다. 폴리에틸렌글리콜을 친수기로 하는 비이온 계면활성제는 폴리에틸렌글리콜의 에테르 산소와 물과의 수소 결합이 온도 상승과 함께 절단 되어, 물에 대한 용해성이 저하되며, 물에 용해되기 어렵게 된다. 그리고 굴듬점에서는 계면활성제의 회합수가 무한히 커지게 되고, 계면활성제 농후상과 희박상으로 분리된다. 구름 점은 HLB를 정확하게 나타내므로 비이온 계면활성제의 품질관리 지표로서 이용되고 있다.

 

3) 크라프트점: Krafft point

이온성 계면활성제는 어느 온도 이상에서 물에 대한 용해도가 급격히 커진다. 이 온도를 크라프트점이라고 한다. 크라프트 점은 간단히 말하면, 물중에서 계면활성제에 대한 수화결정의 응점이며 그 온도에서 계면활성제의 수화결정이 용해하여 미셀을 형성하고 급격히 물에 용해된다. 그러므로 수화결정의 융점이 낮아지는 구조로 된 계면활성제의 크라프트점은 낮아진다. 일반적으로 계면활성제는 크라프트 점 이상에서 기능하기 때문에, 계면활성제를 화장품에 이용하는 경우, 크라프트 점을 고려할 필요가 있다.