1. 표면장력
액체 표면의 단위 길이당 수축력을 표면 장력이라고 하며, N·m-1 단위로 측정합니다.
2. 표면 활성 및 계면활성제
용매의 표면장력을 감소시킬 수 있는 특성을 표면활성이라고 하며, 표면활성을 가진 물질을 표면활성 물질이라고 합니다.
계면활성제는 수용액에서 미셀 및 기타 응집체를 형성할 수 있는 표면 활성 물질을 말하며, 높은 표면 활성을 가지고 있으며, 습윤, 유화, 발포, 세척 등의 기능도 가지고 있습니다.
3. 계면활성제의 분자 구조적 특성
계면활성제는 두 상 사이의 계면 장력이나 액체(보통 물)의 표면 장력을 크게 바꿀 수 있는 특수한 구조와 특성을 지닌 유기 화합물로, 습윤, 거품 형성, 유화, 세척과 같은 특성을 가지고 있습니다.
구조적으로, 계면활성제는 분자 내에 두 개의 서로 다른 작용기를 포함한다는 공통적인 특징을 공유합니다. 한쪽 말단은 기름에는 용해되지만 물에는 용해되지 않는 장쇄 비극성 기, 즉 소수성 기 또는 소수성 기입니다. 이러한 소수성 기는 일반적으로 장쇄 탄화수소이며, 때로는 유기 불소, 유기 규소, 유기 인, 유기 주석 사슬 등도 포함됩니다. 다른 쪽 말단은 수용성 작용기, 즉 친수성 기 또는 친수성 기입니다. 친수성 기는 전체 계면활성제가 물에 용해되고 필요한 용해도를 갖도록 충분한 친수성을 가져야 합니다. 계면활성제에는 친수성 기와 소수성 기가 존재하기 때문에 액체상의 적어도 한 층에 용해될 수 있습니다. 계면활성제의 친수성 및 친유성 특성을 양쪽 친매성이라고 합니다.
4. 계면활성제의 종류
계면활성제는 소수성과 친수성 기를 모두 갖는 양친매성 분자입니다. 계면활성제의 소수성 기는 일반적으로 직쇄 알킬 C8-C20, 분지쇄 알킬 C8-C20, 알킬페닐(알킬 탄소 원자 8-16개) 등과 같은 장쇄 탄화수소로 구성됩니다. 소수성 기의 차이는 주로 탄소 수소 사슬의 구조적 변화에 있으며, 그 차이는 비교적 작은 반면 친수성 기의 유형은 더 많습니다. 따라서 계면활성제의 특성은 소수성 기의 크기와 모양 외에도 주로 친수성 기와 관련이 있습니다. 친수성 기의 구조적 변화는 소수성 기의 구조 변화보다 크기 때문에 계면활성제의 분류는 일반적으로 친수성 기의 구조를 기반으로 합니다. 이 분류는 주로 친수성 기가 이온성인지 여부에 따라 음이온성, 양이온성, 비이온성, 양쪽이온성 및 기타 특수 유형의 계면활성제로 나눕니다.
5. 계면활성제 수용액의 특성
① 계면에서의 계면활성제 흡착
계면활성제 분자는 친유성과 친수성기를 모두 가지고 있어 양친매성 분자입니다. 물은 강한 극성 액체입니다. 계면활성제가 물에 용해되면 극성 유사성과 극성 차이 반발의 원리에 따라 친수성기는 물 쪽으로 끌려 물에 용해되고, 친유성기는 물을 밀어내 물 밖으로 빠져나갑니다. 결과적으로 계면활성제 분자(또는 이온)는 두 상 사이의 계면에 흡착되어 두 상 사이의 계면 장력을 감소시킵니다. 계면활성제 분자(또는 이온)가 계면에 더 많이 흡착될수록 계면 장력 감소는 더 커집니다.
② 흡착막의 특성
흡착막의 표면압: 계면활성제는 기체-액체 계면에 흡착되어 흡착막을 형성합니다. 마찰이 없는 이동식 부유판을 계면에 놓고 부유판이 용액 표면을 따라 흡착막을 밀면, 막은 부유판에 압력을 가하는데, 이를 표면압이라고 합니다.
표면 점도: 표면 압력과 마찬가지로 표면 점도는 불용성 분자막이 나타내는 특성입니다. 얇은 금속선으로 백금 링을 매달고, 그 평면을 싱크대 수면에 접촉시킨 후 백금 링을 회전시킵니다. 백금 링은 물의 점도에 의해 방해를 받고 진폭이 점차 감쇠하는데, 이를 통해 표면 점도를 측정할 수 있습니다. 방법은 다음과 같습니다. 먼저 순수한 물 표면에서 실험을 수행하여 진폭 감쇠를 측정한 후, 표면 마스크가 형성된 후 감쇠를 측정합니다. 두 감쇠의 차이로부터 표면 마스크의 점도를 계산합니다.
표면 점도는 표면 마스크의 견고성과 밀접한 관련이 있습니다. 흡착막은 표면 압력과 점도를 가지므로 탄성을 가져야 합니다. 흡착막의 표면 압력과 점도가 높을수록 탄성 계수가 커집니다. 표면 흡착막의 탄성 계수는 폼 안정화 과정에서 매우 중요합니다.
③ 미셀의 형성
계면활성제의 묽은 용액은 이상 용액의 법칙을 따릅니다. 용액 표면의 계면활성제 흡착량은 용액의 농도에 따라 증가합니다. 농도가 특정 값에 도달하거나 초과하면 흡착량은 더 이상 증가하지 않습니다. 용액 내 이러한 과도한 계면활성제 분자는 무질서하거나 규칙적으로 존재합니다. 실제 실험과 이론 모두 이들이 용액 내에서 미셀이라고 불리는 응집체를 형성한다는 것을 보여주었습니다.
임계 미셀 농도: 계면활성제가 용액에서 미셀을 형성하는 최소 농도를 임계 미셀 농도라고 합니다.
④ 일반적인 계면활성제의 CMC값
6. 친수성 및 친유성 평형 값
HLB는 친수성 친유성 평형(Hydrophilic Lipophilic Balance)의 약자로, 계면활성제의 친수기와 친유기의 친수성 및 친유성 평형 값, 즉 계면활성제의 HLB 값을 나타냅니다. 높은 HLB 값은 분자의 친수성이 강하고 친유성이 약함을 나타냅니다. 반대로, 친유성은 강하고 친수성은 약합니다.
① HLB 값에 대한 규정
HLB 값은 상대적인 값이므로, HLB 값을 계산할 때 기준으로 친수성이 없는 파라핀의 HLB 값은 0으로, 물에 강한 용해도를 갖는 도데실황산나트륨의 HLB 값은 40으로 설정합니다. 따라서 계면활성제의 HLB 값은 일반적으로 1~40 범위에 있습니다. 일반적으로 HLB 값이 10 미만인 유화제는 친유성이고, 10 초과인 유화제는 친수성이 됩니다. 따라서 친유성에서 친수성으로 전환되는 지점은 약 10입니다.
7. 유화 및 가용화 효과
서로 섞이지 않는 두 액체, 즉 입자(액적 또는 액정)가 다른 액체에 분산되어 형성된 액체를 에멀전이라고 합니다. 에멀전이 형성될 때 두 액체 사이의 계면 면적이 증가하여 계가 열역학적으로 불안정해집니다. 에멀전을 안정화하려면 계면 에너지를 낮추기 위해 세 번째 성분인 유화제를 첨가해야 합니다. 유화제는 계면활성제에 속하며, 주된 기능은 유화제 역할을 하는 것입니다. 에멀전에서 액적이 존재하는 상을 분산상(또는 내부상, 불연속상)이라고 하고, 서로 연결된 다른 상을 분산매질(또는 외부상, 연속상)이라고 합니다.
① 유화제 및 에멀젼
일반적인 에멀젼은 물 또는 수용액의 한 상과 오일, 왁스 등과 같이 물과 섞이지 않는 유기 화합물의 다른 상으로 구성됩니다. 물과 오일이 혼합되어 형성되는 에멀젼은 분산도에 따라 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 오일이 물에 분산되면 O/W(오일/물)로 표시되는 유중수형 에멀젼을 형성하고, 오일에 물이 분산되면 W/O(물/오일)로 표시되는 유중수형 에멀젼을 형성합니다. 또한, 물-오일-물 복합 에멀젼(W/O/W)과 물-오일-오일-물 복합 에멀젼(O/W/O)도 형성될 수 있습니다.
유화제는 계면 장력을 감소시키고 단층 마스크 막을 형성하여 에멀젼을 안정화합니다.
유화제에 대한 유화제 요건: a: 유화제는 두 상 사이의 계면에서 흡착 또는 농축되어 계면장력을 감소시킬 수 있어야 한다. b: 유화제는 입자에 전하를 부여하여 입자 사이에 정전기적 반발력을 일으키거나 입자 주위에 안정적이고 점성이 높은 보호막을 형성해야 한다. 따라서 유화제로 사용되는 물질은 유화 효과를 위해 양친매성기를 가져야 하며, 계면활성제는 이러한 요건을 충족할 수 있다.
② 유화액의 제조방법 및 유화안정성에 영향을 미치는 요인
에멀젼을 제조하는 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 기계적 방법을 사용하여 액체를 다른 액체에 작은 입자로 분산시키는 방법으로, 산업계에서 에멀젼을 제조하는 데 일반적으로 사용됩니다. 다른 방법은 분자 상태의 액체를 다른 액체에 용해한 다음 적절하게 응집시켜 에멀젼을 형성하는 것입니다.
에멀전의 안정성은 입자 응집을 방지하고 상 분리를 유발하는 능력을 의미합니다. 에멀전은 상당한 자유 에너지를 가진 열역학적으로 불안정한 계입니다. 따라서 에멀전의 안정성은 실제로 계가 평형에 도달하는 데 걸리는 시간, 즉 계 내 액체가 분리되는 데 걸리는 시간을 의미합니다.
페이셜 마스크에 지방 알코올, 지방산, 지방 아민과 같은 극성 유기 분자가 존재하면 멤브레인의 강도가 크게 증가합니다. 이는 계면 흡착층의 유화제 분자가 알코올, 산, 아민과 같은 극성 분자와 상호 작용하여 "복합체"를 형성하여 계면 마스크의 강도를 높이기 때문입니다.
두 가지 이상의 계면활성제로 구성된 유화제를 혼합 유화제라고 합니다. 혼합 유화제는 물/오일 계면에 흡착되며, 분자 간 상호작용으로 복합체를 형성할 수 있습니다. 강한 분자 간 상호작용으로 인해 계면 장력이 크게 감소하고, 계면에 흡착되는 유화제의 양이 크게 증가하며, 형성되는 계면 마스크의 밀도와 강도가 증가합니다.
액적의 전하는 에멀젼의 안정성에 상당한 영향을 미칩니다. 안정적인 에멀젼은 일반적으로 전하를 띤 액적을 가지고 있습니다. 이온성 유화제를 사용하면 계면에 흡착된 유화제 이온이 친유성기를 유상으로, 친수성기를 수상으로 옮겨 액적에 전하를 띠게 됩니다. 에멀젼의 액적은 같은 전하를 띠기 때문에 서로 반발하고 쉽게 뭉치지 않아 안정성이 향상됩니다. 액적에 흡착된 유화제 이온이 많을수록 전하가 커지고 액적 합체를 방지하는 능력이 향상되어 에멀젼 시스템이 더욱 안정적이 됩니다.
에멀젼 분산매의 점도는 에멀젼의 안정성에 어느 정도 영향을 미칩니다. 일반적으로 분산매의 점도가 높을수록 에멀젼의 안정성이 높아집니다. 이는 분산매의 점도가 높아 액적의 브라운 운동을 강력하게 방해하고, 액적 간의 충돌 속도를 늦추며, 시스템을 안정적으로 유지하기 때문입니다. 일반적으로 에멀젼에 용해되는 고분자 물질은 시스템의 점도를 높이고 에멀젼의 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 고분자는 고체 계면 마스크를 형성하여 에멀젼 시스템을 더욱 안정적으로 만들 수 있습니다.
경우에 따라 고체 분말을 첨가하면 에멀젼을 안정화할 수도 있습니다. 고체 분말은 물, 기름 또는 계면에 존재하지 않으며, 이는 고체 분말에 대한 기름과 물의 습윤성에 따라 달라집니다. 고체 분말이 물에 완전히 젖지 않고 기름에 젖을 수 있는 경우, 물과 기름의 계면에 그대로 남게 됩니다.
고체 분말이 에멀젼을 안정화시키지 못하는 이유는 계면에 모인 분말이 계면 마스크를 강화하지 못하기 때문이며, 이는 계면 흡착 유화제 분자와 유사합니다. 따라서 고체 분말 입자가 계면에 더 가깝게 배열될수록 에멀젼은 더 안정해집니다.
계면활성제는 수용액에서 미셀을 형성하여 물에 녹지 않거나 물에 잘 녹지 않는 유기 화합물의 용해도를 크게 증가시키는 능력을 가지고 있으며, 이때 용액은 투명해집니다. 이러한 미셀의 효과를 가용화라고 합니다. 가용화 효과를 낼 수 있는 계면활성제를 가용화제라고 하고, 가용화된 유기 화합물을 가용화 화합물이라고 합니다.
8. 폼
거품은 세척 과정에서 중요한 역할을 합니다. 거품은 기체가 액체나 고체에 분산되는 분산계를 의미합니다. 기체는 분산상이고, 액체 또는 고체는 분산 매질입니다. 전자는 액체 거품이라고 하고, 후자는 고체 거품이라고 하며, 폼 플라스틱, 폼 유리, 폼 시멘트 등이 여기에 해당합니다.
(1) 거품의 형성
여기서 거품이란 액체막에 의해 분리된 기포의 응집을 의미합니다. 분산상(기체)과 분산매(액체) 사이의 밀도 차이가 크고 액체의 점도가 낮기 때문에 거품은 항상 액체 표면으로 빠르게 상승할 수 있습니다.
거품 형성 과정은 액체에 많은 양의 기체를 유입시키고, 액체 속의 기포가 빠르게 액체 표면으로 돌아와 소량의 액체와 기체로 분리된 기포 집합체를 형성하는 것입니다.
거품은 형태학적으로 두 가지 주목할 만한 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 분산상 기포는 종종 다면체 형태를 띠는데, 이는 기포의 교차점에서 액체막이 얇아져 기포가 다면체 형태를 띠기 때문입니다. 액체막이 어느 정도 얇아지면 기포는 깨집니다. 둘째, 순수한 액체는 안정된 거품을 형성할 수 없지만, 거품을 형성할 수 있는 액체는 적어도 두 가지 이상의 성분으로 이루어져 있습니다. 계면활성제 수용액은 거품을 생성하기 쉬운 전형적인 시스템이며, 그 거품 생성 능력은 다른 특성들과도 관련이 있습니다.
기포성이 좋은 계면활성제를 발포제라고 합니다. 발포제는 기포성이 우수하지만, 형성된 기포가 오랫동안 유지되지 못할 수 있습니다. 즉, 안정성이 좋지 않을 수 있습니다. 기포의 안정성을 유지하기 위해 기포의 안정성을 증가시키는 물질을 발포제에 첨가하는 경우가 많은데, 이를 기포 안정제라고 합니다. 일반적으로 사용되는 기포 안정제로는 라우로일디에탄올아민과 도데실디메틸아민옥사이드가 있습니다.
(2) 거품의 안정성
거품은 열역학적으로 불안정한 계이며, 최종적인 경향은 계 내 액체의 총 표면적이 감소하고 기포가 터진 후 자유 에너지가 감소한다는 것입니다. 소포 과정은 기체를 분리하는 액체막이 파열될 때까지 두께가 변하는 과정입니다. 따라서 거품의 안정성은 주로 액체 배출 속도와 액체막의 강도에 의해 결정됩니다. 이외에도 여러 가지 영향 요인이 있습니다.
① 표면장력
에너지 관점에서 볼 때, 낮은 표면장력은 거품 형성에 유리하지만, 거품의 안정성을 보장하지는 못합니다. 낮은 표면장력, 낮은 압력차, 느린 액체 배출 속도, 그리고 느린 액체막 박막화는 거품의 안정성에 도움이 됩니다.
② 표면점도
거품의 안정성을 결정하는 핵심 요소는 액막의 강도이며, 이는 주로 표면 점도로 측정되는 표면 흡착막의 견고성에 의해 결정됩니다. 실험 결과, 표면 점도가 높은 용액에서 생성된 거품은 수명이 더 깁니다. 이는 표면에 흡착된 분자들 간의 상호작용이 막 강도를 증가시켜 거품의 수명을 향상시키기 때문입니다.
③ 용액 점도
액체 자체의 점도가 높아지면 액체막 속의 액체가 쉽게 배출되지 않고, 액체막 두께가 얇아지는 속도가 느려져 액체막이 터지는 시간을 지연시키고 거품의 안정성을 높인다.
④ 표면장력의 '수리' 효과
액체 필름 표면에 흡착된 계면활성제는 액체 필름 표면의 팽창이나 수축을 저항하는 능력을 가지고 있는데, 이를 보수 효과라고 합니다. 이는 표면에 계면활성제가 흡착된 액체 필름이 존재하기 때문이며, 표면적이 확장되면 표면에 흡착된 분자의 농도가 감소하고 표면 장력이 증가하기 때문입니다. 표면을 더 확장하려면 더 많은 노력이 필요합니다. 반대로, 표면적이 수축되면 표면에 흡착된 분자의 농도가 증가하여 표면 장력이 감소하고 추가 수축이 방지됩니다.
⑤ 액체 필름을 통한 기체의 확산
모세관 압력의 존재로 인해 거품 내 작은 기포의 압력은 큰 기포의 압력보다 높습니다. 이로 인해 작은 기포 내의 기체가 액막을 통해 저압의 큰 기포로 확산되어 작은 기포가 점점 작아지고 큰 기포가 점점 커져 결국 거품이 깨지는 현상이 발생합니다. 계면활성제를 첨가하면 거품이 균일하고 치밀하게 형성되어 소포가 잘 되지 않습니다. 계면활성제가 액막에 촘촘하게 배열되어 있어 통풍이 어려워 거품이 더욱 안정적입니다.
⑥ 표면전하의 영향
거품 액체막에 같은 기호가 대전되면 액체막의 두 표면이 서로 반발하여 액체막이 얇아지거나 파괴되는 것을 방지합니다. 이온성 계면활성제는 이러한 안정화 효과를 제공할 수 있습니다.
결론적으로, 액막의 강도는 거품의 안정성을 결정하는 핵심 요소입니다. 발포제 및 거품 안정제용 계면활성제로서 표면 흡착 분자의 견고성과 단단함이 가장 중요한 요소입니다. 표면에 흡착된 분자 간의 상호 작용이 강하면 흡착 분자가 밀집되어 표면 마스크 자체의 강도가 높아질 뿐만 아니라, 표면 점도가 높아 표면 마스크에 인접한 용액이 흐르기 어려워져 액막이 배출되기 어렵고, 액막의 두께를 유지하기 쉽습니다. 또한, 표면 분자가 밀집되어 있으면 기체 분자의 투과성을 감소시켜 거품의 안정성을 높일 수 있습니다.
(3) 폼의 파괴
거품을 파괴하는 기본 원리는 거품이 생성되는 조건을 바꾸거나 거품의 안정성 요소를 제거하는 것이므로 물리적 소포 방법과 화학적 소포 방법 두 가지가 있습니다.
물리적 소포는 거품 용액의 화학적 조성을 그대로 유지하면서 거품이 생성되는 조건을 변화시키는 것입니다. 예를 들어, 외력 교란, 온도 또는 압력 변화, 초음파 처리는 모두 거품을 제거하는 효과적인 물리적 방법입니다.
화학적 소포법은 발포제와 상호작용하는 물질을 첨가하여 거품 내 액막의 강도를 감소시키고, 거품의 안정성을 감소시켜 소포 목적을 달성하는 방법입니다. 이러한 물질을 소포제라고 합니다. 대부분의 소포제는 계면활성제입니다. 따라서 소포 메커니즘에 따르면, 소포제는 표면 장력을 낮추는 능력이 강하고, 표면에 쉽게 흡착되며, 표면 흡착 분자 간의 상호작용이 약하여 흡착 분자의 배열 구조가 비교적 느슨해야 합니다.
소포제에는 여러 종류가 있지만, 대부분 비이온성 계면활성제입니다. 비이온성 계면활성제는 흐림점 근처 또는 그 이상에서 소포성을 나타내며 일반적으로 소포제로 사용됩니다. 알코올, 특히 분지 구조를 가진 알코올, 지방산 및 에스테르, 폴리아미드, 인산염, 실리콘 오일 등도 우수한 소포제로 일반적으로 사용됩니다.
(4) 거품 및 세척
거품과 세척 효과 사이에는 직접적인 상관관계가 없으며, 거품의 양이 세척 효과의 좋고 나쁨을 결정하지도 않습니다. 예를 들어, 비이온성 계면활성제의 거품 생성 성능은 비누보다 훨씬 떨어지지만, 세척력은 비누보다 훨씬 뛰어납니다.
어떤 경우에는 거품이 먼지 제거에 도움이 됩니다. 예를 들어, 집에서 식기를 닦을 때 세제의 거품이 씻겨 내려간 기름때를 제거할 수 있습니다. 카펫을 닦을 때 거품은 먼지나 가루와 같은 고형 먼지를 제거하는 데 도움이 됩니다. 또한, 거품은 세제의 효과 여부를 나타내는 지표로 사용될 수 있는데, 기름때는 세제의 거품 생성을 방해할 수 있기 때문입니다. 기름때가 너무 많고 세제가 너무 적으면 거품이 생성되지 않거나 원래 거품이 사라집니다. 때로는 거품을 헹굼이 깨끗한지 여부를 나타내는 지표로 사용할 수도 있습니다. 세제 함량이 감소함에 따라 헹굼액의 거품 양이 감소하는 경향이 있으므로, 거품의 양으로 헹굼 정도를 평가할 수 있습니다.
9. 세척 과정
넓은 의미에서 세척은 세척 대상물에서 원치 않는 성분을 제거하고 특정 목적을 달성하는 과정입니다. 일반적인 의미의 세척은 운반체 표면의 오염물을 제거하는 과정을 의미합니다. 세척 과정에서는 세제와 같은 화학 물질의 작용으로 오염물과 운반체 사이의 상호작용이 약화되거나 제거되어, 오염물과 운반체의 결합이 오염물과 세제의 결합으로 바뀌고, 궁극적으로 오염물과 운반체가 분리됩니다. 세척 대상물과 제거해야 할 오염물이 다양하기 때문에 세척은 매우 복잡한 과정이며, 세척의 기본 과정은 다음과 같은 간단한 관계식으로 나타낼 수 있습니다.
캐리어 • 먼지+세제=캐리어+먼지 • 세제
세탁 과정은 일반적으로 두 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계는 세제의 작용으로 오염물과 그 운반체를 분리하는 것입니다. 두 번째 단계는 분리된 오염물이 매체에 분산되어 부유하는 것입니다. 세탁 과정은 가역적이며, 매체에 분산되거나 부유된 오염물은 매체에서 세탁물에 다시 침전될 수 있습니다. 따라서 좋은 세제는 오염물을 운반체에서 분리하는 능력뿐만 아니라, 오염물을 분산 및 부유시키는 능력도 뛰어나고 오염물이 다시 쌓이는 것을 방지해야 합니다.
(1) 먼지의 종류
같은 품목이라도 사용 환경에 따라 오염의 종류, 성분, 양이 달라집니다.기름성 오염은 주로 동식물성 기름과 광물성 기름(원유, 중유, 콜타르 등)이 포함되고, 고체 오염은 주로 연기, 먼지, 녹, 카본블랙 등이 포함됩니다.의류 오염은 땀, 피지, 혈액 등 인체에서 발생하는 오염, 과일 얼룩, 식용유 얼룩, 조미료 얼룩, 전분 등 음식물에서 발생하는 오염, 립스틱, 매니큐어 등 화장품에서 발생하는 오염, 연기, 먼지, 흙 등 대기 오염, 잉크, 차, 페인트 등 기타 물질에서 발생하는 오염 등 다양하고 다양한 유형이 있다고 할 수 있습니다.
다양한 유형의 먼지는 일반적으로 고체 먼지, 액체 먼지, 특수 먼지의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
① 일반적인 고형 오염에는 재, 진흙, 흙, 녹, 카본블랙과 같은 입자가 포함됩니다. 이러한 입자는 대부분 표면 전하를 띠며, 주로 음전하를 띠고 있어 섬유질 물체에 쉽게 흡착됩니다. 일반적으로 고형 오염은 물에 녹기 어렵지만, 세제 용액에 의해 분산 및 현탁될 수 있습니다. 입자가 작은 고형 오염은 제거하기 어렵습니다.
② 액체 오염물은 대부분 지용성이며, 동식물성 기름, 지방산, 지방 알코올, 미네랄 오일 및 이들의 산화물이 포함됩니다. 이 중 동식물성 기름과 지방산은 알칼리에 의해 비누화될 수 있지만, 지방 알코올과 미네랄 오일은 알칼리에 의해 비누화되지 않고 알코올, 에테르, 탄화수소 유기 용매에 용해될 수 있으며, 세제 수용액에 의해 유화 및 분산될 수 있습니다. 지용성 액체 오염물은 일반적으로 섬유질 물체와 강한 상호 작용을 하며 섬유에 단단히 흡착됩니다.
③ 특수 오염에는 단백질, 전분, 혈액, 땀, 피지, 소변 등 인체 분비물, 과일즙, 차즙 등이 포함됩니다. 이러한 오염은 대부분 화학 반응을 통해 섬유질에 강하게 흡착되므로 세척이 매우 어렵습니다.
다양한 종류의 먼지는 단독으로 존재하는 경우가 드물고, 종종 서로 섞여 물체에 흡착됩니다. 먼지는 때때로 외부 영향으로 산화, 분해 또는 부패하여 새로운 먼지를 형성할 수 있습니다.
(2) 오염물질의 부착효과
옷이나 손 등이 더러워지는 이유는 물체와 먼지 사이에 어떤 상호작용이 있기 때문입니다. 먼지가 물체에 달라붙는 데에는 여러 가지 효과가 있지만, 주로 물리적인 부착과 화학적 부착이 있습니다.
① 담뱃재, 먼지, 침전물, 카본블랙 등의 물질이 의류에 물리적으로 부착되는 현상입니다. 일반적으로 부착된 먼지와 오염된 물체 사이의 상호작용은 상대적으로 약하며, 먼지 제거 또한 비교적 용이합니다. 먼지의 물리적 부착은 다양한 힘에 따라 기계적 부착과 정전적 부착으로 나눌 수 있습니다.
A: 기계적 접착은 주로 먼지나 침전물과 같은 고형 오염물의 접착을 의미합니다. 기계적 접착은 오염물에 대한 접착력이 약하여 간단한 기계적 방법으로 거의 제거할 수 있습니다. 그러나 오염물의 입자 크기가 0.1um 미만일 경우 제거하기가 더 어렵습니다.
B: 정전기적 부착은 주로 대전된 먼지 입자가 반대 전하를 띤 물체에 작용하여 나타납니다. 대부분의 섬유질 물체는 물 속에서 음전하를 띠며, 석회와 같은 양전하를 띤 먼지에 쉽게 부착됩니다. 수용액 속의 카본 블랙 입자와 같이 음전하를 띠는 일부 먼지는 물 속에서 양이온(예: Ca₂+, Mg₂+ 등)에 의해 형성된 이온 다리를 통해 섬유에 부착될 수 있습니다(이온들은 여러 개의 반대 전하 사이에서 다리처럼 작용합니다).
정전기는 단순한 기계적 작용보다 강하기 때문에 먼지를 제거하는 것이 상대적으로 어렵습니다.
③ 특수 오염물 제거
단백질, 전분, 인간 분비물, 과일 주스, 차 주스 및 기타 유형의 먼지는 일반 계면활성제로 제거하기 어려우며 특수 처리 방법이 필요합니다.
크림, 계란, 혈액, 우유, 피부 분비물과 같은 단백질 얼룩은 섬유에 응고 및 변성되기 쉽고 더 단단하게 부착됩니다. 단백질 오염의 경우, 프로테아제를 사용하여 제거할 수 있습니다. 프로테아제는 오염물 속 단백질을 수용성 아미노산이나 올리고펩타이드로 분해할 수 있습니다.
전분 얼룩은 주로 음식에서 발생하지만, 고기의 육즙, 페이스트 등에서도 발생합니다. 전분 효소는 전분 얼룩의 가수분해에 촉매 효과를 발휘하여 전분을 당으로 분해합니다.
리파아제는 인체에서 분비되는 피지, 식용유 등 기존 방법으로는 제거하기 어려운 일부 트리글리세리드의 분해를 촉매하여 트리글리세리드를 가용성 글리세롤과 지방산으로 분해합니다.
과일 주스, 차 주스, 잉크, 립스틱 등으로 인한 일부 유색 얼룩은 여러 번 세척해도 깨끗하게 지워지지 않는 경우가 많습니다. 이러한 얼룩은 산화제나 표백제와 같은 환원제를 사용한 산화-환원 반응을 통해 제거할 수 있습니다. 산화-환원 반응은 발색단 또는 발색단 그룹의 구조를 분해하여 더 작은 수용성 성분으로 분해합니다.
드라이클리닝의 관점에서 보면, 대략 세 가지 유형의 더러움이 있습니다.
① 오일성 오염물질에는 다양한 오일과 지방이 포함되며, 이는 액체 또는 기름기 있는 상태로 드라이클리닝 용제에 용해됩니다.
② 수용성 오염물은 수용액에는 용해되지만 드라이클리닝 세제에는 용해되지 않습니다. 수용액 상태로 의류에 흡착되고, 물이 증발하면 무기염, 전분, 단백질 등의 입자상 고체가 침전됩니다.
③ 오일-물에 녹지 않는 오염물질은 물과 드라이클리닝 용제(카본블랙, 각종 금속규산염, 산화물 등)에 모두 녹지 않습니다.
다양한 오염물질의 특성이 다르기 때문에 드라이클리닝 과정에서 오염물질을 제거하는 방법도 다양합니다. 동물성 및 식물성 기름, 미네랄 오일, 지방과 같은 지용성 오염물질은 유기 용제에 쉽게 용해되어 드라이클리닝 과정에서 쉽게 제거할 수 있습니다. 드라이클리닝 용제가 기름과 그리스에 대해 뛰어난 용해도를 보이는 것은 분자 간의 반데르발스 힘 때문입니다.
무기염, 당류, 단백질, 땀 등 수용성 오염물을 제거하려면 드라이클리닝제에 적정량의 물을 첨가해야 합니다. 그렇지 않으면 수용성 오염물을 제거하기 어렵습니다. 하지만 물은 드라이클리닝제에 잘 녹지 않으므로, 물의 양을 늘리기 위해 계면활성제를 첨가해야 합니다. 드라이클리닝제에 존재하는 물은 오염물과 의류 표면을 수화시켜 계면활성제의 극성기와 쉽게 상호 작용할 수 있게 하여 표면에 계면활성제가 흡착되는 데 도움이 됩니다. 또한, 계면활성제가 미셀을 형성하면 수용성 오염물과 물이 미셀에 용해될 수 있습니다. 계면활성제는 드라이클리닝 용제의 수분 함량을 높일 뿐만 아니라, 오염물의 재침착을 방지하여 세탁 효과를 향상시킵니다.
물에 녹는 오염물질을 제거하기 위해서는 소량의 물이 필요하지만, 물이 너무 많으면 옷에 변형, 주름 등이 생길 수 있으므로 건조세제의 수분 함량은 적당해야 합니다.
재, 진흙, 흙, 카본블랙과 같이 물에도 녹지도 기름에도 녹지 않는 고체 입자는 일반적으로 정전기 흡착 또는 기름 얼룩과 결합하여 옷에 부착됩니다. 드라이클리닝 시 용제의 흐름과 충격으로 인해 정전기력에 의해 흡착된 먼지가 떨어져 나가는 반면, 드라이클리닝 세제는 기름 얼룩을 용해하여 기름 얼룩과 결합하여 옷에 부착된 고체 입자가 드라이클리닝 세제에서 떨어져 나가게 합니다. 드라이클리닝 세제에 함유된 소량의 물과 계면활성제는 떨어져 나온 고체 먼지 입자를 안정적으로 부유 및 분산시켜 옷에 다시 쌓이는 것을 방지합니다.
(5) 세탁효과에 영향을 미치는 요인
계면에서 계면활성제의 방향성 흡착과 표면(계면) 장력의 감소는 액체 또는 고체 오염물 제거의 주요 요인입니다. 그러나 세척 과정은 비교적 복잡하며, 같은 종류의 세제라도 세척 효과는 세제 농도, 온도, 오염물의 종류, 섬유 종류, 직물 구조 등 여러 요인의 영향을 받습니다.
① 계면활성제의 농도
용액 내 계면활성제의 미셀은 세척 과정에서 중요한 역할을 합니다. 농도가 임계 미셀 농도(CMC)에 도달하면 세척 효과가 급격히 증가합니다. 따라서 양호한 세척 효과를 얻으려면 용매 내 세제 농도가 CMC 값보다 높아야 합니다. 그러나 계면활성제 농도가 CMC 값을 초과하면 세척 효과 증가 효과가 감소하므로 계면활성제 농도를 과도하게 증가시킬 필요가 없습니다.
가용화법을 사용하여 기름때를 제거할 때, 농도가 CMC 값보다 높더라도 계면활성제 농도가 증가함에 따라 가용화 효과는 여전히 증가합니다. 이 경우, 옷의 소매나 깃처럼 오염이 많은 부분에만 세제를 사용하는 것이 좋습니다. 세탁 시에는 계면활성제의 기름때 가용화 효과를 높이기 위해 세제를 먼저 한 겹 더 바를 수 있습니다.
② 온도는 세척 효과에 큰 영향을 미칩니다. 전반적으로 온도를 높이는 것은 오염 제거에 도움이 되지만, 때로는 과도한 온도가 오히려 역효과를 낳을 수 있습니다.
온도 상승은 오염 확산에 도움이 됩니다. 고체 오일 얼룩은 녹는점보다 높은 온도에서 쉽게 유화되고, 섬유는 온도 상승으로 인해 팽창도가 증가합니다. 이러한 요인들은 모두 오염 제거에 도움이 됩니다. 그러나 촘촘한 직물의 경우, 섬유 팽창 후 섬유 사이의 미세한 틈이 줄어들어 오염 제거에 도움이 되지 않습니다.
온도 변화는 계면활성제의 용해도, CMC 값, 미셀 크기에도 영향을 미쳐 세척 효과에 영향을 미칩니다. 긴 탄소 사슬 계면활성제는 저온에서 용해도가 낮고, 때로는 CMC 값보다 용해도가 더 낮습니다. 이 경우 세척 온도를 적절히 높여야 합니다. 이온성 계면활성제와 비이온성 계면활성제는 온도가 CMC 값과 미셀 크기에 미치는 영향이 다릅니다. 이온성 계면활성제의 경우, 온도가 상승하면 일반적으로 CMC 값이 증가하고 미셀 크기가 감소합니다. 이는 세척 용액에서 계면활성제의 농도를 높여야 함을 의미합니다. 비이온성 계면활성제의 경우, 온도가 상승하면 CMC 값이 감소하고 미셀 크기가 크게 증가합니다. 온도를 적절히 높이면 비이온성 계면활성제가 표면 활성을 발휘하는 데 도움이 될 수 있음을 알 수 있습니다. 그러나 온도는 흐림점을 초과해서는 안 됩니다.
간단히 말해, 가장 적합한 세탁 온도는 세제의 조성과 세탁 대상에 따라 달라집니다. 어떤 세제는 실온에서 좋은 세척 효과를 보이는 반면, 어떤 세제는 냉수 세탁과 온수 세탁에서 세척 효과가 현저히 다릅니다.
③ 폼
사람들은 거품 발생 능력과 세탁 효과를 혼동하는 경우가 많습니다. 거품이 강한 세제가 세탁 효과가 더 좋다고 생각하기 때문입니다. 하지만 연구 결과는 세탁 효과가 거품의 양과 직접적인 관련이 없음을 보여줍니다. 예를 들어, 거품이 적은 세제를 사용한다고 해서 거품이 많은 세제를 사용한다고 해서 세탁 효과가 떨어지는 것은 아닙니다.
거품은 세탁과 직접적인 관련이 없지만, 경우에 따라 먼지 제거에 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 손으로 설거지할 때 세제의 거품이 기름때를 제거할 수 있습니다. 카펫을 문지르는 경우에도 거품이 먼지와 같은 고형 먼지 입자를 제거할 수 있습니다. 먼지는 카펫 오염의 상당 부분을 차지하므로 카펫 세정제는 일정한 거품 생성 능력을 갖춰야 합니다.
샴푸의 거품력도 중요합니다. 머리를 감거나 목욕할 때 액체에서 나오는 고운 거품은 사용자에게 편안함을 제공합니다.
④ 섬유의 종류와 섬유의 물리적 특성
섬유의 화학적 구조가 오염물의 부착 및 제거에 영향을 미치는 것 외에도, 섬유의 외관과 실 및 직물의 조직 구조도 오염물 제거의 어려움에 영향을 미칩니다.
양모 섬유의 비늘과 면 섬유의 편평한 띠 모양 구조는 매끄러운 섬유보다 먼지가 쌓이기 쉽습니다. 예를 들어, 셀룰로오스 필름(점착 필름)에 부착된 카본 블랙은 쉽게 제거되는 반면, 면직물에 부착된 카본 블랙은 세척이 어렵습니다. 예를 들어, 폴리에스터 단섬유 직물은 장섬유 직물보다 기름 얼룩이 쌓이기 쉽고, 단섬유 직물의 기름 얼룩은 장섬유 직물의 기름 얼룩보다 제거하기가 더 어렵습니다.
촘촘하게 꼬인 실과 촘촘한 원단은 섬유 사이에 미세한 틈이 있어 오염 물질 침투를 방지할 수 있지만, 세척액이 내부 오염 물질을 제거하는 것을 방해합니다. 따라서 촘촘한 원단은 처음에는 오염에 강하지만, 오염 후에는 세척이 어렵습니다.
⑤ 물의 경도
물 속 Ca₂+나 Mg₂+와 같은 금속 이온의 농도는 세척 효과에 상당한 영향을 미치며, 특히 음이온 계면활성제가 Ca₂+나 Mg₂+ 이온과 만나 용해도가 낮은 칼슘염과 마그네슘염을 형성할 경우 세척력이 저하될 수 있습니다. 경수에서 계면활성제 농도가 높더라도 증류수보다 세척 효과가 훨씬 떨어집니다. 계면활성제의 세척 효과를 극대화하려면 물 속 Ca₂+ 이온 농도를 1 × 10-6mol/L(CaCO₃는 0.1mg/L) 이하로 낮춰야 합니다. 이를 위해 세제에 다양한 연화제를 첨가해야 합니다.
게시 시간: 2024년 8월 16일
