비이온 계면활성제를 함유한 수계 세정제의 세정성 평가 연구

이호열, 신민철, 배재흠, 유종훈

수원대학교 화학공학과

A Study on Cleanliness Evaluation  of Aqueous Cleaning Agents

Containing Nonionic Surfactants

Ho-Yeoul Lee, Min-Chul Shin, Jae-Heum Bae, Jong-Hoon Ryu

Department of Chemical Engineering, The University of Suwon

서론

산업이 발달하면서 많은 종류의 유기용제가 기계, 자동차, 섬유, 전자등의 광범위한 산업분야에서 제품의 품질을 향상시키거나 작업 공정중에 불필요한 이물질을 제거하기 위해서 사용되어 왔다. 이들용제중 CFC-113와 1,1,1-trichloroethane (1,1,1-TCE)같은 유기용제는 피세정물의 적용 범위가 넓고 오염물질에 대한 용해성이 뛰어나며, 세정제로서의 여러가지 성질(불연성, 건조성, 안전성)이 다른 용제들에 비해 매우 우수하여 정밀기기 및 전자산업에서 필수 불가결하게 사용되어 왔다. 그러나 이들 세정제는 오존층파괴나 인체 또는 환경유해성을 가지고 있어, 환경친화적인 세정제로의 대체가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

대체세정제는 크게 수계, 준수계, 염소계, 탄화수소계, 알코올계, 불소계 등으로 분류할 수 있으며, 이중 수계 세정제가 현재 가장 유력한 대체 세정제로 부상하여 많은 연구가 진행 중이다. 수계 세정제는 물 자체의 용해력 보다는 계면활성제와 같은 첨가제에 의해서 오염물 제거효율이 변화하기 때문에 첨가제의 종류와 농도를 달리하는 경우 다양한 세정 분야에 적용할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 가용화가 우수한 비이온 계면활성제를 선택하여 가용화 능력의 척도라고 할 수 있는 cloud point와 각 성분의 농도변화에 따른 표면장력을 측정하였다. 또한, 계면활성제와 첨가제의 조성비율을 변화시켜 각각에 대한 오염물 제거효율을 평가하였다.

실험

실험재료

본 실험에서는 일칠화학과 동남합성에서 제공한 상업용 비이온 계면활성제를 별다른 정제과정 없이 사용하였으며 오염물로 사용한 절삭유도 한국하우톤에서 제공한 KOTON-226G를 그대로 사용하였다. 또한 계면활성제의 효과와 기능을 상승시키며, 오염물의 제거를 촉진시키기 위해 사용한 builder로는 sodium carbonate를 사용하였다.

표면장력 측정

실험에 사용된 비이온 계면활성제에 대하여 농도의 변화에 따른 표면장력을 측정하여 세정제 제조시 최적의 농도를 결정하였으며, 상호간의 cmc(critical micellar concentration)를 비교·분석하였다. 측정방법은 표면장력계(Fisher Surface Tentiomat 21)를 이용하여 5회 측정한 후 평균치를 채택하였다.

Cloud Point 측정

계면활성제의 cloud point를 측정하여 비교·분석하였으며, 세정력과의 상관관계를 검토하였다. 측정방법은 1wt% 비이온 계면활성제 수용액을 가열하여 우유빛으로 바뀌는 온도와 냉각하면서 액이 투명해지는 온도를 cloud point로 채택하였다.

수계 세정제 배합 및 세정성 평가

비이온 계면활성제, builder, 물의 조성을 변화시키면서 세정제를 배합하여 수입되어 보편적으로 많이 사용되고 있는 전형적인 수계 세정제(UC-100)와 시간에 따른 세정효율의 변화를 비교하였다. 세정성 실험을 위하여 피세정물을 비수용성 절삭유가 일정량 담긴 비이커에 1분간 침적시킨 후 꺼내어 150℃의 오븐에서 1시간 baking 하였으며 이를 3회 반복하였다. 오염물 제거효율은 weight method로 계산하였으며 각 세정제에 대해 5회 반복 실험하였다. 세정효율의 측정시 0.1mg의 정확도를 갖는 저울을 사용하였으며, 시편이 열풍건조로 가열되어 있기 때문에 상온에 도달할 때까지 데시케이터 내에 보관한 후 외부조건의 변화가 없을때 측정하였다. Table 1에 오염물에 대한 세정조건을 표시하였다.

Table 1. 세정성 실험 조건

피세정물	SUS평판(25×75×2mm)
오염물	비수용성 절삭유(KOTON 226G, 한국하우톤)
세정방법	초음파세정(28kHz, 35℃)+초음파헹굼(28kHz, 35℃)+ 열풍건조

결과 및 토론

실험에 사용된 비이온 계면활성제는 polyoxyethylene-polyoxypropylene계(PE-1012, PE-1018), polyoxyethylene lauryl ether계(LE-1017), polyoxyethylene nonylphenyl ether계(NP-9, NP-10)로써 표면장력을 농도변화에 따라 측정하여 Fig. 1에 나타내었다. 세 종류의 계면활성제 모두 농도가 증가함에 따라 표면장력이 낮아짐을 볼수 있었다. 특히 0.002∼0.006wt%에서는 표면장력이 극감하여 cmc의 범위를 예측할 수 있었으며, 이 범위를 기준으로 수계 세정제 배합시 적합한 함량을 선택할 수 있었다. 또한 PE-1012 비이온 계면활성제는 cmc이상에서 상대적으로 높은 표면장력을 나타내어 Fig. 3에서 보듯이 저조한 세정효율을 가짐을 알 수 있었다.

가용화 능력의 하나의 척도라고 할 수 있는 cloud point를 측정하여 그밖의 물성과 함께 Table 2에 나타내었다. 특히 NP-10의 cloud point가 NP-9에 비해 높게 나타났는데 이것은 노닐폐놀 에틸렌 옥사이드의 부가몰수가 증가해서 친수성이 증가함에 따라 cloud point도 상승한 것으로 판단된다.

단일 계면활성제만을 함유한 수계 세정제의 세정성을 평가한 결과 Fig. 2에서 보는 바와 같이 0.1wt%에서 PE-1018(polyoxyethylene-polyoxypropylene계)이 가장 우수한 오염물 제거효율을 나타내었으며 30초 후에는 99.0%의 제거효율을 보였다. 또한 조성을 변화시켜 단일 계면활성제가 함유된 수용액에 builder(1wt%)를 첨가하여 시간의 경과에 따른 세정성의 변화를 비교한 결과 오염물 제거효율 및 제거율이 보다 향상됨을 알 수 있었다(Fig. 3). 특히 초기 제거효율이 90% 이상으로 증가함으로써 수계 세정제 배합에 있어서 builder가 세정효율에 중요한 인자로 작용함을 확인할 수 있었다. 혼합계면활성제(단일계면활성제, PE-1018)에 builder의 양을 1wt% 배합하여 세정효율을 측정하여 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 대부분이 초기 오염물 제거효율이 98% 이상으로 나타났다.

비이온 계면활성제를 이용하여 배합한 수계 세정제를 수입되어 시판되고 있는 수계 세정제와 동일한 조건하에서 오염물 제거효율을 비교한 결과 혼합계면활성제(PE-1018 + PE-1012)에 builder를 첨가한 세정제는 거의 동등한 세정효율과 세정속도를 가짐을 알 수 있었다(Fig. 5). 하지만 단일 계면활성제만을 함유한 세정제는 초기 세정효율이 매우 낮은 수치를 나타냈다. 따라서 효과적인 세정제를 제조하기 위해서는 적절하게 계면활성제를 혼합 사용하고 builder와 같은 촉진제를 알맞게 배합해야 될 것으로 생각된다. 또한 세정효율 평가에 있어서 weight method가 절대적인 기준이 될 수 없기 때문에 평가법간의 상호보완성을 갖추어 보다 효과적인 세정성 평가가 이루어져야 할 것이다.

Table 2. Physical properties of  surfactants used in this study

	Cloud Point(℃)	pH	Color	Type
PE-1012	83-85	5-7	담황색 액상	PE-PP계
PE-1018	50-52	5-7	담황색 액상	PE-PP계
LE-1017	53-56	5-7	무색투명액상	PE-lauryl계
NP-9	48-51	5-7	무색투명액상	PE-NP계
NP-10	62-65	5-7	무색투명액상	PE-NP계

※ PE-PP : polyoxyethylene polyoxypropylene계

PE-NP : polyoxyethylene nonylphenyl ether계

PE-laury : polyoxyethylene lauryl ether계

참고문헌

1. 노경호, "대체세정제 및 세정기술 현황", 제3회 대체 세정제 응용기술 세미나,     한국화학시험연구원 (1997. 4. 25).

2. 신민철, 배재흠, 이동기, □대체세정제의 세정성능 평가 연구□, 한국청정기술학     회, 춘계 학술발표회 논문초록집, pp. 133-136 (1999.514).

3. 양재열, 5회 대체세정제 응용기술 초록집, p.11, 한국화학시험연구원(1998).

4. Alston D. W., "Aqueous Cleaning of Vacuum Tube Components", Replacing     1,1,1,Trichlorethane, International Symposium on Electronics & The            Environment, pp. 7-10, May 10-12 (1993).

5. H. Kunieda, K. Shinoda, J. Colloidal Interface Sci., 119, 539(1987).

Fig.1 Surface tension as a function of nonionic

surfactant concentration.

Fig. 2 Removal efficiency of aqueous cleaning agents containing nonionic surfactants.	Fig. 3 Removal efficiency of aqueous cleaning agents containing nonionic surfactants and builder.

Fig. 4 Removal efficiency of aqueous cleaning agents containing mixed nonionic surfactants and builder.	Fig. 5 Comprision of the aqueous cleaning agents(B : builder).