비이온 계면활성제에 의한 Hydroxy Terminated Dimethyl Polysiloxane Oil의 유화특성

하윤식·이호준·장윤호

인하대학교 공과대학 화학공학과

The Emulsion Properties of Hydroxy Terminated Dimethyl Polysiloxane Oil by Nonionic Surfactants

Youn Shick Ha, Ho Joon Lee, Yun Ho Chang

Dept. of Chemical Eng., Inha Univ., Inchun 420-751, Korea

서론

지금까지 실리콘의 다양한 유용성과 응용성에 대하여는 많이 연구되어져 왔으며, 에멀젼의 제조에 관해서도 많은 연구결과가 보고되고 있다[1,2].

현재 실리콘을 유화시키기 위하여 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르나 에스테르형의 비이온성  계면활성제을 유화제로 사용하고 있으나 이러한 유화제들은 인체에 대한 독성이 높거나 생분해성이 낮다는 단점을 가지고 있다.

당류로부터 얻어진 여러 가지 소르비탄 유도체들은 유화·분산력이 우수할 뿐만 아니라 인체에 대한 독성도 매우 적으며 생분해성도 대단히 우수하다. 본 연구에서 사용한 소르비탄 유도체들은 인체에 독성이 거의 없고 생분해성은 뛰어나지만  HLB가 지나치게 높거나 낮다. 따라서 소르비탄 유도체를 단독으로 유화제로 사용할 경우에는 유화가 일어나지 않거나 유화안정성이 매우 낮아 이들을 적절하게 혼합한 뒤 유화제로 사용함으로서 이러한 문제점들을 극복하고자 하였다. 그리고 유화방법으로는 agent-in-oil법과 반전 유화법을 사용하였다. 특히 유화제로 그리고 제조된 에멀젼의 안정성을 분석하기 위하여 각 유화제의 종류, 사용량 및 유화제의 혼합비율의 변화에 따른 에멀젼의 zeta-potential, 유화 입자 크기 및 원심분리기에 의해 분리된 오일의 양을 측정하였다.

실험

1. 시료 및 시약

본 실험에서 사용한 유화제는 모두 일본 Junsei사 제품으로서 sorbitan ester계열인 SPAN 20, 40, 60, 60과 polyoxyethylene sorbitan ester계열인 TWEEN 20, 40, 60, 80을 사용하였다. 그리고 분산질은 Dow Corning사의 실리콘 오일 중에서도 말단에 hydroxy그룹이 치환된 디메틸 폴리실록산(hydroxy terminated dimethyl polysiloxane; 이하 HODMPS)을 사용하였다.

2. 에멀젼의 제조

에멀젼을 제조하기에 앞서 SPAN과 TWEEN계열의 계면활성제로서 다음의 식을 이용하여 혼합유화제를 제조하였다.

[eqn: rm HLB ~=~{(W_span ×`` HLB_span ) + (W_tween × ``HLB_tween )} over {W_span + W_tween}]

여기서 Wspan은 SPAN의 분자량, Wtween은 TWEEN의 분자량이며, HLBspan은 SPAN의 HLB값, HLBtween은 TWEEN의 HLB값 이다.

다음은 에멀젼의 제조 공정으로 실리콘 오일에 유화제를 첨가하고서 교반기로 300rpm 정도로 교반하여 균일하고 투명한 점성액상을 제조한 다음 소량의 물을 liquid crystalline phase가 형성될 때까지 서서히 첨가한 후 다시 white gel phase가 형성되도록 적당량의 물을 첨가하여 W/O 에멀젼을 제조하고 마지막으로 과량의 물을 첨가하면서 반전유화에 따른 O/W 에멀젼을 제조하였다. 그리고 1차로 제조된 에멀젼은 여러 가지 측정을 시작하기 전에 homogenizer를 이용하여 4000rpm에서 3분간 교반함으로서 균일한 에멀젼이 되도록 하였다.

3. 유화입자의 크기와 제타전위

제타전위는 Malvern Instruments사의 Zeta Sizer IV (PCS v 1.23)를 이용하여 측정 시료는 증류수로 10배 희석하여 25℃에서 측정하였으며, 유화 입자 분포 및 유화 입자 크기의 측정은 같은 사 제품인 4700 type particle analyser를 이용하여 역시 증류수로 10배 희석하여 25℃에서 측정하였다.

4. 유화 안정성

에멀젼의 안정성[3, 4, 5]을 평가하기 위하여 두가지 방법을 사용하였다. 우선 에멀젼을 제조하고 7일이 경과한 후에 육안으로 관찰하여 분리여부를 판단하였다. 다음으로 에멀젼의 안정성은 에멀젼의 제조에 사용한 총 실리콘 오일의 양에 대한 원심분리 후 분리되어져 나오는 실리콘오일 양의 상대적인 값으로 계산하였는데, 원심분리기 용기 내에 동일한 무게로 실리콘 에멀젼 시료를 장치한 후 회전속도 10000rpm에서 15분간의 동일한 원심분리 조건에서 석출되는 실리콘 오일의 양을 측정하여 무게 분율로 산출하였다.

결과 및 고찰

1. 유화입자의 크기와 제타전위

혼합유화제로 SPAN 40과 TWEEN 20에 의해 제조된 에멀젼의 HLB에 따른 유화입자의 크기를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1을 살펴보면, 실리콘 오일에 대한 유화제의 양이 많을 수록 실리콘 오일의 분산이 잘 이루어져 유화입자 크기가 작아지게 된다. 그리고 HLB 값이 12일 때 가장 작은 입자 크기를 나타내었다.

그리고 Fig. 2도 역시 혼합유화제로 SPAN 40과 TWEEN 20에 의해 제조된 에멀젼의 HLB에 따른 제타전위를 나타내었다. Fig. 2를 살펴보면, 실리콘 오일에 대한 유화제의 양이 많을 수록 제타전위가 (-)로 증가함을 알 수 있고, 특히 HLB 값이 12일 때 가장 큰 (-)의 값을 나타내었다. 따라서 Fig. 1과 2의 실험 결과로부터 SPAN 40과 TWEEN 20의 혼합 유화제로 에멀젼을 제조할 경우에는 HLB 값이 12일 때 유화입자 크기가 가장 작고 제타전위가 가장 큰 (-)의 값을 갖어 입자간 반발력이 가장 크기 때문에 가장 안정한 유화상태로 판단된다.

2. 에멀젼의 안정성

에멀젼을 제조한 후 매일 육안으로 관찰하여 분리여부를 확인하고서, 7일 후에 분리여부를 판단하였다. 그 결과 SPAN 40과 TWEEN 20에 HLB 14일 때, 오일대 유화제의 비가 15:5인 경우만 상분리가 일어났다.

그리고 에멀젼 안정성 평가의 한 방법으로서, 동일한 원심분리 조건에서 분리된 실리콘 오일의 무게를 측정하여 그 값을 비교하였다. 그 결과 Fig. 3에 나타난 것처럼 유화입자의 크기가 가장

작고 가장 큰 (-)의 제타 전위를 나타내었던 SPAN 40과 TWEEN 20의 혼합유화제에 HLB값이 12이고, 실리콘 오일과 유화제의 비가 11:9일 때, 분리되는 실리콘 오일의 양이 가장 적었다. 즉 이때 가장 안정한 에멀젼이 제조되어졌음을 알 수 있다.

참고문헌

1. Hayakaw, K., Kawaguchi, M., and Kato, T., J. Colloid & Interface Chem., 13, 6069(1997).

2. Yonekura, K., Hayakaw, K., Kawaguchi, M., and Kato, T., Langmuir, 14, 3145(1998).

3. Aronson, M.P., and Petko, M.F., J. Colloid & Interface Chem., 159, 134(1993).

4. Lashmar, U.T., Richardson, J.P., and Erbod., A., Int. J. Pharm., 125, 315(1995).

5. Dickinson, E., and Golding, M., J. Colloid & Interface Chem., 197, 133(1998).