1. 개요
界面活性劑 / surfactant(surface-active-agent)극성(친수성) 부분과 무극성(친유성/소수성) 부분을 동시에 가지고 있는 화합물이다. 물과 기름은 본래 잘 섞이지 않아서 경계면을 형성하지만, 계면활성제가 들어가면 이 경계면이 활성화되어 섞이게 된다. 그래서 '계면활성제(界面活性劑)'.
계면활성제 분자들이 모여 미셀을 형성하여 무극성을 안쪽으로 극성을 바깥으로 해 무극성 부위에 모이는 물질들을 끌어안는 듯한 느낌으로 물에 녹는다. 보기 힘들 것 같지만 의외로 일상에서 흔한 것으로, 대표적인 예로 비누가 있다. 비누의 원리를 보면 기름 때를 비누 분자가 끌어안고 물에 녹는 형태로 비누칠이 이루어지는 것이다. 달리 유화제(乳化劑, emulsifier)라고도 하는데, 무극성 물질이 주가 되는 곳에서 사용한다.
계면활성제를 넣는다고 바로 미셀이 되진 않고 임계 미셀 농도를 넘겨야 한다. 온도도 한 인자인데, 임계 미셀 온도를 넘겨야 미셀이 형성된다.[1]
보통 세제나 샴푸, 그리고 치약에 많이 들어간다. 생체 내에서는 인지질이 대표적인 계면활성제이다. 상술한 무극성 환경에서 사용하는 유화제의 경우 식품류 가공에 사용하며, 딱히 유화제 자체를 넣지 않더라고 생체 내에도 생성되는 성분이니 만큼 이런 이미 재료에 포함된 유화제 성분들을 활성화시켜 식품가공에 활용한다. 대표적으로 계란노른자나 대두에 포함된 레시틴이나 유제품에 포함된 카제인 등합성계면활성제의 유해성에 대해 공포를 조장하는 경우가 있다.# 사실 이런 공포를 조장하는 글들의 공통점이 존재한다. 바로 자사의 제품을 광고할때. 경피독 항목 참고.
그러니까 그냥 독성을 가진 물질이 위험한 거지, '계면활성제' 자체가 위험한 게 아니다. 게다가 계면활성제는 태아의 출생 이후 폐포의 팽창을 도와 출생 후 호흡이 가능하도록 하는 물질이며 수정 후 28주 쯤부터 폐포 세포에서 생산되는 중요한 물질 중 하나이다.
화장품용 계면활성제 원료 안전 A to Z
계면활성제 유해성 논란 ‘근거 없다’
계면활성제 독성의 진실
시중에 사용되고 있는 계면활성제는 극히 미량만 함유돼 있을 뿐 아니라 물에 잘 녹는 용해도가 큰 화학물질로서 인체에 축적되지 않아 우려하지 않아도 된다
자연계에서도 인삼, 팥을 비롯한 많은 식물들에서 발견되고 각종 이로운 효과가 있으리라고 기대되는 사포닌(Saponin)들 역시 그 종류를 막론하고 기본적으로 계면활성제다. 각종 화학물질에 대한 근거 없는 공포를 조장하는 사람들을 보면 이런 건 자연 유래 성분이니 좋다고 잘 먹고 잘 바른다.(...) 정확하게는 딱 들어서 알만한 유명한 식품의 성분들은 시비를 안거는 것에 가깝다. 대표적으로 남양유업이 당시 당장 익숙하지 않은 이름의 카제인으로 시비를 걸었다가 얻어맞은 사례라던가...
2. 종류
- 음이온계 계면활성제
물에 녹았을 때 친수성기가 음이온을 띄는 계면활성제. 황산 계열(설페이트, 설포네이트), 인산 계열 등이 주이며 지방산의 알칼리 금속염인 비누도 굳이 분류하자면 음이온계 계면활성제에 속한다. 침투력 및 기포력이 강하고 무기 오염에 비교적 강한 세정력을 보인다. 세정 목적으로 많이 사용되며, SDS-PAGE에 사용되는 SDS[2] 또한 음이온계 계면활성제의 스테디셀러이다.
- 양이온계 계면활성제
물에 녹았을 때 친수성기가 양이온을 띄는 계면활성제. 절대 다수가 4급화된 암모늄 양이온(quaternized ammonium cation)이며, 세정력 및 기포력은 다른 종류의 계면활성제에 비해 높지 않은 편이나, 음전하를 띄는 표면에 잘 달라붙으며 매우 높은 살균력을 가진다. 그때문에 벤잘코늄 등의 물질은 살균제로 쓰이는 경우가 많다. 가습기 살균제 사망사건의 주요 원인 물질이었던 폴리헥사메틸렌구아니딘 인산염(PHMG) 또한 산성 조건에서는 양이온계 계면활성제처럼 거동할 수 있으며, 다른 양이온계 계면활성제 또한 흡입할 경우 독성을 보일 수 있다는 주장에 따라 한국에서 분사형 제품에 대한 양이온계 계면활성제의 배합에 대한 규제가 매우 강해진 경위가 있다.
- 양성(양쪽성) 계면활성제
물에 녹았을 때 친수성기가 양전하 파트와 음전하 파트를 모두 갖는다. 따라서 pH 조건에 따라 음이온성, 비이온성, 양이온성 계면활성제의 성질을 달리 보일 수 있다. 인체에 대한 자극성이 약한 편이라 화장품에 많이 사용된다. 아미노산계, 베타인계 등으로 나뉜다. - 비이온성 계면활성제
물에 녹아도 이온화하지 않는 계면활성제. 친수성기가 산소를 포함한 유기 그룹으로 이루어져 있다. 이온화하지 않으므로 기름때 세정에 강하며, 에틸렌옥사이드나 프로필렌옥사이드 등의 부가 수를 조절하여 물성을 조정하는 것이 일반적이다. 음이온계 계면활성제와 병용하여 세정제 목적으로 많이 사용된다.
3. 합성 계면활성제
최초의 상업적으로 판매된 합성 계면활성제는 P&G가 1933년에 출시한 세탁세제 Dreft 다.1차대전 중 독일에서는 Igepon 이라는 소의 쓸개즙으로부터 추출한 계면활성제를 사용하였는데, 당시의 세제와는 다르게 저온, 경수에서도 세척력이 우수한 특성을 보였다.
이것을 본 P&G 의 연구원이 상업적 가능성이 있다고 보아, 유사한 원리로 저온, 경수에서도 세척력을 보이는 알킬 설페이트[3]를 이용한 계면활성제를 만들어냈고, 이를 이용한 세탁세제 Dreft, 34년에 샴푸 Drence 가 나왔다.