Sulfosuccinate계 계면활성제의 합성과 물성

김재우 ,박영출, 장윤호

인하대학교 공과대학 화학공학과

The Synthesis and Properties of Sulfosuccinate Surfactants

Jae woo Kim, Young chul Park, Yun ho Chang

Dept. of Chemical Engineering, Inha University

1. 서론

Surfactant는 분자내에 친수성 그룹과 소수성 그룹을 동시에 지니고 있는 양친매성 화합물로서 물질의 표면이나 계면에 작용하여 그 물질의 표면에너지를 바꾸어 줄 수 있는 화합물이다.

산업이 고도로 발달하면서 surfactant는 도료, 섬유, 제지, 세제 산업에서부터 금속, 전자, 식풉 산업에 이르기까지 거의 모든 분야에서 다양하게 사용되고 있다. 계면활성제는 그 물리적 특성에 따라 (1)양이온 (2)음이온 (3)비이온 (4)양성 계면활성제로 분류하고 있는데, 그 화학 성분 및 구조에 따라 다양한 계면 특성을 지니고 있다. 근래 환경오염 문제가 사회문제로 대두되고 있으며, 보다 더 다양한 계면 특성을 지닌 계면활성제를 필요로 하고 있다.

Sulfosuccinate계 화합물은 오래전부터 그 제조법이 널리 알려져 왔으며, Sodium dioctyl sulfosuccinate 등은 이미 물, 알콜, 아세톤 이나 석유계 Solvent 와의 상용성이 좋기 때문에 분산제, 습윤제 등으로 많이 사용되고 있다. 일반적으로 Sulfosuccinate 계 화합물이 피부에 대한 자극이 적고 생분해성이 우수하므로 이것을 토대로 다양한 소수기와 친수성를 도입하여 새로운 형태의 계면활성제를 합성하는 연구들이 진행되고 있다.

본 연구에서는 maleic anhydride와 C8∼C12의 alcohol을 이용하여 esterification 시킨 후 여기에 sodium bisulfate와 2가의 금속염을 반응시켜 새로운 형태의 metal sulfosuccinate계 계면활성제를 합성하여 그 물리적 특성을 조사하였다.

2. 실험

2.1 재료 및 시약

본 실험에 사용된 시약은 다음과 같다

1) 1-octanol (CH3(CH2)6CH2OH, Yakuri pure Chemicals Co., Ltd)

2) 1-Dodecanol (CH3(CH2)10CH2OH, Junsei pure Chemicals Co., Ltd)

3) Maleic anhydride (OCOCH:CHCO, Shino pure Chemicals Co., Ltd)

4) p-toluene sulfonic acid (CH2C6H4SO3H·H2O, Shino pure Chemicals Co., Ltd)

5) Magnesium Chloride (MgCl2·6H2O, Duksan pure Chemicals Co., Ltd)

6) Calcium Chloride Dihydrate (CaCl2·2H2O, Duksan pure Chemicals Co., Ltd)

7) Manganese Chloride (MnCl2·4H2O, Junsei pure Chemicals Co., Ltd)

2.2 합성방법

Esterification

Sulfosuccinate monoester의 반응 온도는 M/A를 녹이기에 충분한 57 ∼ 60 ℃에서 alcohol을 반응시킨다. alcohol을 반응온도로 예열을 하고 연속적으로 maleic anhydride를 첨가한다. .

Sulfosuccinate diester는 alcohol을 2mol을 첨가하여 반응시키며 반응 중에 생성되는 H2O를 제거하면 반응을 유리하게 되므로 120 ∼ 130℃에서 반응을 한다. 에스테르화 촉매(p-toluene-sulfonic acid)를 사용한다.

Sulfonation

반응물에 sodium bisulfite를 첨가하여 반응한다. 반응 온도는 70 ∼ 100℃ 이며 보통 2시간 정도면 반응이 끝나게 된다.

Substitution

Sulfonation 생성물에 2가의 금속을 치환시킨다. 반응 후 부생성물인 NaCl을 solvent를 이용하여 침전, 여과하고, 감압 증류하여 생성물을 취한다.

Alcohol의 Alkyl 기의 길이에 따라 소수성 꼬리의 길이를 조절할 수 있으며 2가 금속의 종류에 따라 계면활성제의 특성을 달리 할 수 있다. 탄소수가 짝수개인 alcohol은 홀수개의 alcohol 보다 분해가 우수함으로 Octanol 또는 Dodecyl alcohol을 사용했다. 이밖에도 C14, C16, C18 등의 alcohol을 사용할 수 있고 그 이상의 탄소수를 가지는 fatty alcohol은 물에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 부적절하다.

2.3 분석

반응 중의 분석은 TLC를 사용하였고, 반응 종결 후에는 FT-IR, UV 등으로 분자내 결합을 확인하였고 Pyrolysis를 하여 무기부분을 제거하고 유기부분을 GC로 분석하였다.

물성

물에 대한 용해도를 측정 하였으며 그리고 각 계면활성제의 CMC를 표면 장력, 전도도, 자외선 분광법으로 측정 하였다. Homogenizer로 o/w, w/o 에멀전을 입도 분석을 하여 입자의 안정성과 크기를 측정하였다.

결과 및 토론

표면장력계로 다음돠 같이 Mg-lauryl sulfosuccinate의 표면장력을 측정하였다.

Mg-lauryl sulfosuccinate 수용액의 표면장력

농도(%) 온도(℃)	0.5	0.1	0.02
25	27.5	28.4	35.5

Mg 와 Ca 이온으로 Na를 치환 후 FT-IR 결과는 다음과 같다.

Lauryl sulfosuccinate monoester calcium salt

Lauryl sulfosuccinate monoester magnesium salt

염류 수용액에 대한 용해도

NaCl	0.02/36	00.4/43	0.10/57	0.16/65	0.20/70	0.24/73	0.30/79	0.36/84	0.40/89
Na2SO3	0.04/40	0.08/50	0.12/57	0.16/60	0.24/60	0.32/72	0.40/77	0.43/82	0.56/84	0.72/92	0.80/96
CaCl2	0.001/38	0.003/43	0.007/51	0.012/62	0.015/65	0.020/77	0.022/78	0.027/91	0.03/99

참고문헌

1. Warner M. Linfield, "Surfactant science series Vol 7-Ⅱ, ANIONIC SUR-

FACTANT", MARCEL DEKKER, INC. (1976)

2. John Cross, "Surfactant science series Vol 8, ANIONIC SURFACTANTS-

Chemical Analysis", MARCEL DEKKER, INC. (1977)

3. E. F. Williams, N. T. Woodberry, and J. K. Dixon, J. Colloid. Sci., 12,

452-459 (1957)