미셀 – 구조, 특성 및 응용 분야

미셀은 그 구조상 도포된 표면의 모든 종류의 불순물을 사실상 흡수합니다. 미셀은 세안 화장품 분야에서 가장 많이 언급되지만, 세탁 세제나 주방 세제와 같은 제품의 성분으로도 사용됩니다. 미셀 용액은 난용성 화합물을 용해하는 능력이 특징이며, 이것이 바로 가용화 과정의 정의입니다.

미셀의 구조와 특성

미셀의 구조는 고유한 물리화학적 특성을 결정합니다. 이 섹션에서는 미셀이 어떻게 형성되고, 무엇으로 구성되어 있으며, 용액에서 어떤 과정이 미셀의 거동을 결정하는지 살펴보겠습니다.

화학자의 눈을 통해

미셀은 미셀화 과정의 결과로 형성되는 결합 콜로이드 에 불과합니다. 이 과정은 양친매성 분자 또는 이온이 용해의 결과로 더 큰 클러스터로 자가 결합되는 것을 말합니다.

따라서 미셀은 특정 화합물 그룹이 아니라 분자의 특정 조직 형태입니다. 미셀 형성으로 이어지는 이러한 자발적인 변형은 분자가 극성이 크게 다른 두 부분으로 구성된 다양한 유기 물질의 특징입니다.

용액 내 계면 활성제 함량이 증가하면 특정 결합물 농도에서 이러한 특징적인 구조가 형성되기 시작합니다. 이러한 변형의 시작점을 CMC 농도라고 합니다.

CMC는 무엇의 약자인가요?

CMC 또는 임계 미셀화 농도 는 축적된 단량체가 더 큰 응집체로 자체적으로 분해되어 미셀이 형성되기 시작하는 농도입니다 . 이러한 분자 클러스터 형성은 물리적 특성의 변화를 동반합니다.

CMC 이상에서는 이러한 분자 그룹이 개별 분자와 평형을 유지하여 열역학적으로 안정된 형태가 됩니다. 이 평형은 양방향으로 연속적으로 진행될 수 있으므로 전이의 핵심 지점입니다. 예를 들어 희석하는 동안 미셀은 다시 분해됩니다. CNC 농도 이하에서는 계면활성제 분자가 어떠한 조직화된 구조 없이 용액 내에서 자유롭게 이동합니다.

미셀의 물리적 특성

용액 속 계면활성제 농도가 증가함에 따라 다음과 같은 변화가 발생합니다.

• 표면장력,
• 전기 전도도,
• 빛의 산란 강도,
• 점도.

머리와 꼬리 – 미셀의 구조

미셀의 구조는 극성이 크게 다른 두 가지 주요 부분으로 나눌 수 있으며, 이를 다음과 같이 부릅니다.

1. 친수성 헤드 는 물에 대한 친화력이 높습니다. 미셀에서 입자가 물과 결합하는 경향을 담당하지만, 지방을 밀어내는 경향도 담당합니다.
2. 소수성 꼬리는 친유성 꼬리라고도 하며, 반대 효과를 냅니다. 즉, 분자를 지방으로 끌어들이고 물을 밀어냅니다.

소수성 영역은 대부분 탄화수소 사슬, 라디칼입니다.

• 알킬,
• 알킬아릴,
• 불소화된 탄화수소 라디칼.

친수성 영역은 이온 생성기와 같이 물과 충분히 강하게 상호작용하는 기들로 구성됩니다. 에테르기와 같은 비이온성 기 또한 미셀의 친수성 영역의 일부를 형성할 수 있지만, 일반적으로 분자 내에 더 많은 극성기가 존재해야 합니다.

미셀화 과정

물질의 비극성 부분, 예를 들어 단일 분산된 계면활성제 분자의 알킬 사슬은 물과 접촉하는 표면적이 크고, 여러 물 분자 간의 상호 작용이 사슬에 존재하는 -CH ₂ 기와의 상호 작용보다 훨씬 강하기 때문에 시스템의 엔트로피가 감소하고 물 분자는 알킬 사슬 자리에 스스로 조직화되기 시작합니다.

이로 인해 수용액 내부에서 탄화수소 사슬이 일종의 변위가 발생합니다. 계면활성제의 농도가 증가함에 따라 이들 사이의 충돌 횟수도 증가합니다. 또한 분자의 응집 및 증점 가능성이 높아집니다.

분자의 응축은 자유 엔탈피의 감소를 동반합니다. 이는 또한 비극성 잔류물과 액체 상태의 비극성 코어가 결합된 결과이며, 이 코어는 극성기에 의해 수용액 상과 분리됩니다.

앞서 언급한 CMC 농도, 즉 임계 미셀 농도에 도달하면 구형 클러스터가 축적되고, 개별 입자의 극성기는 수용액 상으로 향하고 비극성 탄화수소 사슬은 내부를 형성합니다.이렇게 형성된 미셀을 정상 미셀이라고 합니다.

유기 용매에서는 소수성 부분이 바깥쪽에 위치하는 역미셀이 발생할 수 있습니다.

계면활성제의 종류와 예

미셀 형성에 사용되는 계면활성제의 종류는 미셀의 구조와 기능에 큰 영향을 미칩니다. 아래에서 미셀을 형성하는 가장 일반적인 계면활성제의 종류와 예를 확인하실 수 있습니다.

표면 활성 이온의 예

음전하 이온, 양이온:

• 카르복실레이트,
• 황산염,
• 설폰산염,
• 인산염.

양전하 이온, 양이온:

• 암모늄,
• 포스포늄.

계면활성제의 종류

1. 이온성 계면활성제
   1. 예를 들어 SDS 또는 도데실황산나트륨과 같은 음이온성
   2. 양이온성, 예를 들어 CTAB 또는 세틸 트리메틸 암모늄 브로마이드,
   3. 양전하를 띤 양이온기와 음전하를 띤 음이온기를 모두 가지고 있는 양친매성 또는 양극성 이온, 즉 암피온, 예를 들어 레시틴, 즉 포스파티딜콜린.
2. 비이온성 계면활성제, 예를 들어 폴리옥시에틸렌.

계면활성제의 표면 활성 및 미셀 구조

이 매개변수는 표면 활성 화합물의 특성이며, 탄화수소 사슬에 존재하는 메틸렌 그룹의 수에 따라 증가합니다.

사슬의 구조로 인해 미셀은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

1. 단일 사슬
   1. 음이온, 예: SDS,
   2. 양이온성, 예: CTAB.
2. 이중 사슬
   1. 음이온성, 예: AOT, 즉 비스(2-에틸헥실)숙시네이트설포네이트나트륨,
   2. 양이온성, 예를 들어 디헥사데실디메틸암모늄 브로마이드.
3. 분자, 예를 들어 MGDG, 즉 모노갈락토실 디글리세리드.

미셀의 적용

미셀은 화장품부터 제약, 화학 산업까지 다양한 분야에 활용됩니다. 미셀의 특성이 실제로 활용되는 가장 중요한 분야에 대해 알아보세요.

효과적인 피부 클렌징

친유성 입자와 친수성 입자가 모두 함유되어 있기 때문에 가능합니다. 예를 들어, 미셀라 워터를 함유한 메이크업 리무버의 경우, 소수성 입자는 피부의 피지와 메이크업 잔여물에 결합하는 반면, 친수성 입자는 먼지와 오염 물질을 끌어당깁니다. 이로 인해 이중 세정 효과가 나타나 불필요한 건조함이나 자극 없이 효과적이고 꼼꼼한 클렌징이 가능합니다.

미셀라 제품은 순한 작용으로 민감성 피부에도 권장됩니다. 화장솜으로 문지르거나 세게 누를 필요가 없으며, 이러한 콜로이드의 작용은 먼지에 자석을 붙이는 것과 같습니다. 미셀을 함유한 수용액은 표피의 수분 지질층을 손상시키지 않습니다.

미셀라 화장품의 제형

미셀은 입자가 매우 작아 제형에 제한이 없다는 장점이 있습니다. 가장 널리 사용되는 미셀워터 형태뿐만 아니라 크림이나 로션에도 사용할 수 있습니다.

고농축 젤 제형도 있는데, 수건이나 화장솜을 사용할 필요 없이 피부에 마사지하듯 문지른 후 물로 헹궈내기만 하면 됩니다.

미셀의 3단계 작용

1. 소수성 꼬리 덕분에 불순물을 끌어당깁니다 .
2. 지방과 먼지 분자를 미셀 내부에 가두는 캡슐화
3. 수용액과 접촉한 친수성 헤드를 통해 미셀에 갇힌 불순물을 제거합니다 .

미셀의 기타 산업적 응용 분야

1. 화장품은 주로 미셀러 리퀴드와 메이크업 리무버 로션을 판매하지만, 두피를 깊숙이 클렌징하는 미셀러 샴푸와 샤워젤도 판매합니다.
2. 예를 들어, 제약업계에서는 비이온성 미셀 용액 형태로 체내에 용해성이 제한된 약물을 투여하여 활성 물질의 생물학적 이용 가능성을 높이는 방법을 사용합니다.
3. 세척제 – 앞서 언급한 가용화 과정은 세탁의 물리화학적 원리를 설명합니다. 용액 형태의 미셀라 콜로이드는 지방을 감싸고, 오염물을 분리하여 섬유에서 제거합니다. 이온성 계면활성제를 사용하면 오염물 입자와 오염물이 부착된 표면이 동일한 전하를 띠게 되어 서로 쉽게 분리됩니다.
4. 물리적 및 화학적 공정 : 미셀 촉매, 화학 반응 억제, 부유 및 석유 회수 공정.