Q.C.A를 이용한 계면활성제의 특성분석

김 종민, 송 성훈, 장 상목, 장 용근*

동아대학교 화학공학과, *한국과학기술원 화학공학과

Analysis the characteristics of surface active agent by Q.C.A.

Jong-Min Kim, Seong-Hun Song, Sang-Mok Chang, Yong-Keun Chang*

Dept of Che. Eng. Dong-A Univ., *Dept. of Chem. Eng. KAIST.

서 론

계면활성제는 습균,  유화, 분산, 세정 등 여러 가지의 물리 화학적 특성과 기능을 가지고 있어 세제, 화장품, 의약품 등 다양한 생활용품에 사용되고 있다. 이 중에서 인체세정제, 주방용세제, 샴푸 등 피부와 직접 접촉하는 경우에는 계면활성제의 안정성은 아주 중요하다.

최근에 세제의 환경, 인체의 적합성에 관하여 관심이 고조되고 있다. 세제와 계면활성제에 대한 지속적인 연구의 결과로 세정성은 유지하면서 계면활성제의피부에 대한 독성이 현저하게 감소한 새로운 세제가 개발되어 왔다. 이에 따라 계면활성제의 피부에 대한 영향을 효과적으로 분석하기 위한 방법의 연구개발의 필요성이 증대되고 있다.

본 실험에서는 분석소자인 수정진동자를 이용하여 계면활성제의 지질 박막에 대한 영향을 분석하여 계면활성제의 인체 적합성을 해석하였다.

이 론

1. 분석소자로서의 수정진동자의 원리

Q.C.A( Quartz Cystal Analyzer ) 에 의한 분석은 종래 Q.C.M ( Quartz Crystal Microbalance )과는 달리 단순한 수정진동자의 주파수 변화뿐만 아니라 주파수 변화와 동시에 공진저항 변화를 함께 측정하여 분석함으로써 수정진동자 표면에 형성된 박막의 유변학적 동특성으르 해석할 수 있다.

공진주파수와 공진저항에 대한 이론식1)은 다음과 같다.

[eqn: DELTA `F`=`- { { F}_{s } }^{2 } DELTA m`/(``N ``rho` A``)]                             ( 1 )

여기서 N은 수정진동자 상수, [eqn: rho]는 수정의 밀도, A는 전극의 면적이다.

수정진동자의 표면이 액체와 접하여 진동하는 경우 용액이 갖는 점성 때문에 용액과 수정진동자 표면사이에는 전단응력에 의한 기계적 저항이 생긴다. 이 기계적 저항 때문에 용액 자체가 일종의 질량부하 작용을 하게 되고, 이에 따라 공진 주파수도 변하게 된다. 액체 중에서 횡 방향으로 탄성 진동을 하는 경우 액체와 접한 수정진동자의 발진 주파수 특성에 관한 식은 Kanazawa2) 등에 의해 식 (2) 와같이 유도되었다.

[eqn: DELTA F`=`-{ { F}_{s } }^{3/2 }`(` eta { rho }_{L }`/ pi ``mu { rho }_{ Q} `)]                           ( 2 )

여기서 □은 액체의 점성, □는 수정의 탄성, □L은 액체의 밀도, □Q는 수정의 밀도이다.

수정진동자 표면 위의 정량적인 특성변화만을 나타내는 공진주파수와는 달리, 공진저항 개념을 도입하여 공진주파수와 공진저항 변화를 동시에 측정하여 상호 비교함으로써 수정진동자 표면 위에서 일어나는 유변학적 특성변화도 분석할 수 있다. 공진저항은 수정진동자 표면 위에 형성된 박막의 밀도와 점탄성의 변화를 나타낸다.

Muramatsu3) 등에 의한 공진저항에 관한 이론식이 ( 3 ) 과 같이 유도되었다.

[eqn: { R}_{1 }`={`(`2 pi { F}_{s } { rho }_{L } ~eta`)}^{1/2 }`A/ { k}^{2 }]                            ( 3 )

여기서 □L은 액체의 밀도, K는 전기-기계 변환계수이다.

2. 계면활성제의 특성

계면활성제가 물에 용해되면 농도가 낮을 때에는 일반용액과 마찬가지로 분자 또는 이온상태로 용해되는데 계면활성제의 친수기는 물과 잘 화합하는데 반하여 친유기는 물과 잘 화합하지 못하여 계면활성제 분자의 일부는 물을 피하여 용액의 표면 또는 용기와의 계면으로 몰려가서 친수기는 액체의 내부로 향하고 친유기는 액체 밖으로 향하는 배열을 가지게 된다.

계면활성제 수용액은 농도가 낮을 때에는 일반 화합물의 수용액과 마찬가지로 분자상태로 분산되어 있어 그 성질들이 농도에 비례하여 변화한다. 그리고 계면활성제의 피부에 대한 자극도 계면활성제의 종류와 농도에 따라 변화한다.

피부는 단백질과 지질등으로 구성되어져 있기 때문에 피부에 대한 자극 실험을 지질막에 대한 계면활성제의 영향을 분석함으로써 해석할 수 있다고 생각되어진다.(4)

실 험

본 연구에서는 SPES음이온계 계면활성제와 Lecitin을 성막물질로 사용하였다. Lecitin은 클로로포름에 녹여 5mg/ml가 되게 하여 수정진동자 표면에 20[eqn: mu g]이 되도록 하였다. 수정진동자는 수정의 양면에 금을 2000nm sputting 하여 제작하였고, 이 때의 수정진동자의 공진주파수는 8.8 MHz 였다.

지질막을 피막한 수정진동자를 계면활성제 수용액속에 담구어 시간에 따른 공진저항과 공진주파수를 주파수 카운터장치( Q.C.A 917, Seiko EG&G )(5)로 측정하였다. 이 때의 변화정도로 지질막에 대한 계면활성제의 영향의 측도로 삼았다

Fig.1.  Schemtic diagram of experimental system

for Q.C.A in situ. analysis

결과 및 고찰

Fig.2.는 지질막을 입힌 수정진동자를  1% SPES 계면활성제 수용액에 담구어 시간에 따른 공진주파수와 공진저항을 측정한 결과이다.

Fig.2(a)에서는 전극 표면에 계면활성제 분자가 미셀을 형성하면서 질량증가에 따른 주파수 감소를 보이다가 어느 한계에 도달하면 미셀입자가 탈리하여 떨어져 나가면서 주파수가 증가하는 것으로 사료된다.

Fig.2(b)에서는 미셀형성에 따른 전극 표면 위에 형성된 박막의 밀도와 점탄성의 증가로 인한 공진저항의 증가를 보이다가 마찬가지로 탈리에 의해 공진저항이 다시 감소하는 것을 알 수 있다.

Fig.2(c)에서는 미셀형성으로 공진저항을 상승시켜 막을 점탄성화시키고, 탈리에 의해 점차로 전극 표면의 지질막도 함께 떨어져 나가 공진저항이 감소하지만, 이 때의 변화에서 지질막을 점탄성적인 것으로 사료된다.

참고문헌

(1) 장상목 外, 센서학회지, 3권, 2호, 1994

(2) Kanazawa,K.K. et al., Anal.Chim.Acta, 175, 99, 1985

(3) Muramatsu, H.,et al., Anal.Chim, 60, 2142, 1988

(4) 金聲連, 洗劑와 洗濯의 科學, 敎文社, 33, 1991

(5) Chang. S.M., et al, Polymer, Vol.37, Num.16, 1996