Alkyl polyglycoside butyl ethers 계면활성제의 합성과 물성

김우현, 오성근, 이광진*, 노경호*

한양대학교 화학공학과, *인하대학교 화학공학과

The synthesis and surface activities alkyl polyglycoside butyl ethers

Woo Hyun Kim, Seong Geun Oh, Kwang Jin Lee*, Kyung Ho Row*

Department of Chemical Engineering Hanyang University

*Department of Chemical Engineering Inha University

1. 서론

계면활성제는 분자 구조의 특징이 극성 또는 친매성이 크게 다른 친수성기와 소수성기를 공유하고 있으며, 이 양 성분의 종류와 형태, 크기, 결합 위치 및 균형 상태 등 여러 가지 화학 구조의 특성에 따라 서로 다른 물질의 계면에 작용하여 선택적 배향을 일으킴으로써 상호흡착이 일어나 계면의 물리적 현상 및 그 성질을 변화시킨다. 이같은 특성을 갖는 계면활성제의 용도를 살펴보면 크게 세정제, 유화제, 유연제, 소포제, 이형제 및 분산제 등으로 구분할 수 있으나 가장 많이 사용되는 용도는 세정제이다.

기존의 계면활성제는 한정되어 있는 원유를 채취하여 수차례의 공정을 거쳐 만들어진 석유계 계면활성제가 주종을 이루고 특히 이들은 제조시 아황산, 일산화탄소, 이산화탄소, 아미노 옥사이드, 다이옥산, 니트로조 아민 등 부산물을 배출하여 환경오염 및 인체 안정성에 문제를 야기시키고 있다.

최근 이러한 문제를 개선하기 위하여 천연식물성 원료를 이용한 계면활성제 연구가 진행되어 제품화하는 것이 세계적인 추세이며 국내에서도 Alkyl Polyglycoside에 관한 연구가 행해어지고 있다. 옥수수 및 팜, 야자유에서 얻어지는 포도당과 지방 알코올을 이용하여 만든 비이온계 계면활성제로서 환경 및 인체 안정성을 고려해 볼 때 세정제로서의 활용이 기대된다.

한편 세정에 있어서 기포성은 공업적으로 여러 가지 문제를 야기시킬 수 있으므로 이러한 목적으로 기포성을 줄이고 세정력을 향상시키는 목적으로 합성된 유도체가 Alkyl Polyglycoside butyl ethers이다.

본 연구에서는 천연물인 Glucose를 원료로 하여 소수부 알킬기의 탄소수가 8, 10 의 alkyl polyglycosides를 합성하고 탄소수가 4인 alkyl halides로 alkyl Polyglycoside butyl ethers를 합성하여 표면장력, 계면장력 및 세정력에 대해 alkyl chain의 영향을 고찰하여 보았다.

2. 실험

2.1 원료

친수기 원료인 glucose는 Sigma사의 특급시약을 사용하였고 소수성 원료인 지방 알코올은 Sigma사의 1-octanol, Acros사의 1-decanol을 사용하였다.

촉매로 사용한 p-toluenesulfonic acid는 Shinyo, 유기용매인 dimethyl sulfoxide는 Duksan 제품을 사용하였다. 1-chlorobutane은 ACROS, potassium hydroxide는 Samchun, magnesium oxide는 Kanto 제품을 사용하였다.

2.2 합성

- alkyl polyglycosides

Mansfield의 방법에 따라 p-toluenesulfonic acid 촉매하에 D-glucose와 2종의 지방알코올을 감압조건하 110-120。C에서 각각 acetalization시켜 합성하였다. 반응후 MgO로 중화 및 여과 시킨 후 과량 반응시킨 alcohol을 고진공하에서 증류 제거하였다.

- alkyl polyglycoside butyl ethers

Williamson 합성법에 따라 alkyl polyglycosides와 butyl chloride를 potassium hydroxide base하에 dimethyl sulfoxide 용매에서 반응시켰다. 과량의 butyl chloride와 DMSO 용매는 고진공 증류하에서 제거하여 갈색의 고체 생성물을 얻었다.

2.3 분석

반응 중의 분석은 TLC를 사용하였고, 반응 종결후에는  FT-IR, NMR 등으로 분자내 결합을 확인하였고, Mass spectroscopy를 통하여 분자량을 확인하였다.

2.4 계면활성의 측정

2.4.1 표면장력

표면장력의 측정은 Tensiometer (KR□SS Co. K-10ST)를 이용하여 plate method로 10-5 ∼  10-2 mole 농도 범위에서 행하였다.

2.4.2 계면장력

농도 0.1 % 수용액을 n-hexadecane에 대한 계면장력을 Ring method로 반복해서 측정한 후 평균값을 취하였다.

2.4.3 세정력

세정력 시험은 피세정물로써  PCB (Texas Instruments), 오염물로 water- soluble flux (동영통산)를 선정하여 세정온도, 희석율, 시간 등의 변수에 대하여 제거 효율을 실험적으로 구하여 비교 data를 얻었다.

비이커를 세정용기로 하여 항온조에 고정시킨 후 APG 세정제를 넣고 flux로 코팅된 PCB 피세정물을 오염물질에 2∼3회 동안 담근 후에 뺀 다음 2분간 매달아 놓은 후 오염물질로 코팅이 된 피세정물의 무게를 측정한다. 무게 측정이 끝난 피세정물을 일정한 온도로 유지되고 있는 세정제에 일정시간동안 담가서 세정을 하였다. 세정제의 피세정물을 세정기에서 꺼내어 건조기(JEIO TECH FO-450M) 안에서 5분간 건조시켰다. 건조기에서 꺼낸 피세정물(PCB)은 일정시간 경과 후 무게를 측정하였다. 단 동일한 피세정물을 사용하여 실험을 반복함으로써 세정물의 무게편차에 따른 실험오차를 최소화하였으며 초기에 코팅한 오염물질의 양과 세정 후 제거된 오염물질의 양으로써 제거효율을 다음 식에 의하여 계산하였고 제거효율에 의하여 수계세정제인 ALT (국제기업사) 상용제품과 비교하였다.

[eqn: RE~ (Removal~Efficiency,~%)={제거된 오염물질의 양 (□)}over{ 초기 오염물질의 양 (□)}×100]

3. 결과 및 고찰

비이온계 계면활성제인 Alkyl polyglycoside butyl ether는 천연당류계 계면활성제로서 글루코스로부터 제조된다. alkyl chain 길이에 따라 cmc 및 계면장력은 낮아지고 세정력은 우수한 결과를 보여주었다.

4. 참고문헌

1. E. Fisher, Ber. 26, 2400 (1893)

2. Mansfield R.C.,US Patent No 3,839,318 (Oct. 1. 1974 )

3. K. Hill et. al, Alkyl Polyglycosides, VCH (1996)

4. 윤여경, Alkyl Polyglycosides의 물리적 거동에 관한 연구,한양대학교 (1995)

Effect of cleaning time and temperature on removal efficiency

(PCB 1, 2개, 오븐온도: 50℃)

정상적 PCB                          오염된 PCB

0.1% solution

(오븐온도 : 50℃,                     (오븐온도 : 50℃,

세정온도 : 25℃,                    세정온도 : 25℃,

세정시간 : 15sec,                   세정시간 : 5sec,

제거효율 : 100%)                   제거효율: 93%)