An anionic derivative of alkyl polyglycoside (AG) was synthesized, and characterized and applied as an oil spill dispersant and a coating material for calcium carbonate particles.
By modifying the hydroxyl group with maleic anhydride, the an ionic derivative of AG was obtained. Pyridine as a solvent was refluxed for 12 hours during reaction. Nitrogen gas was used to prevent the possible oxidation of AG during the reaction. After purification, synthesis of AG derivative was confirmed by nuclear magnetic resonance(NMR) spectroscopy. Surface tension of AG synthesized with maleic anhydride was measured in various concentration ranges and CMC was about 0.3 wt%.
The zetapotentials of nanobubbles generated by ultrasonication in surfactant solutions, using palladium electrode were determined for the ionic nature of AGs. Monolayer was stabilized in 5 M NaCl solution. From zetapotential and monolayer at air-water interface, new charging mechanisms in the AGs were proposed. Unlike the usual nonionic surfactants, AG showed negative charges in the aqueous solutions. Ion adsorption onto the surface of OH groups in AGs aqueous solutions might play an important role on the charging. As the hydrophobic character of AG molecules increases, zetapotential decreases negatively. This may be attributed to the preferential adsorption of OH- at the interface. The adsorption of OH- canbe more accelerated by increasing hydrophobicity of interface by AG molecules. According to Langmuir monolayer study, the molecular area of AG at concentrated electrolyte solutions increased because of the electrical repulsion by ion adsorption. Even in the nonionic surfactant, it is interesting that electrical repulsion is important. On the other hand, the molecular area of ionic surfactants (stearic acid) was not influenced by the electrolyte concentration. Interface of ionic surfactants seems to induce no ion adsorption because it is very hydrophilic compared with nonionic surfactants.
Near Infrared (NIR) spectroscopy is also proposed as an useful analytical method for pure AG and mixtures of AGs with different chain length and degree of polymerization. Mixtures of AGs are normal in the industrial fields since they usually have synergistic effect in the detergent formulations. NIR is a very attractive analytical method for quality controls in the industry due to its simplicity and convenience compared with traditional methods such as UV-spectroscopy or HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Using NIR, a quantitative analysis was successfully accomplished for pure and mixtures of AGs as well as AG derivatives synthesized. Both standard errors of calibration (SEC) and prediction (SEP) gave a satisfactory result in the quantitative analysis of AGs.
As an application of alkyl polyglycoside, oil dispersant systems were proposed for cleaning up spilt-oil, which makes a serious environmental problem in rough sea and bad weather. In the most oil spill dispersants, petroleum hydrocarbons, alcohols or other hydroxy compounds has been used for its high effectiveness in spite of the poor environmental adjustment. In recent, water-based formulation is one of the interesting subjects in terms of least toxic, least hazardous and most economical solvents, while it lacks solubility or miscibility with oils. Dispersants used here were the mixture of AGs with different degree of polymerization and chain length in fatty acyl group. We studied several concentrations of AG for effectiveness. Effectiveness of 6wt% of AG increased dramatically over a certain range of mechanical energy introduced into the system and at a certain temperature range. A commercial product from a company, which consists of non-ionic surfactants with oil solvent, was relatively lower than that of AG at 30℃. This may be attributed to the characteristics of non-ionic surfactant of much higher clouding point.
AGs was also used as coating material for precipitated calcium carbonate particles. Precipitated calcium carbonate is one of the most versatile functional materials and is widely used in the applications of dentrifice, cosmetics, printing ink, tissue paper and other special purposes. Various types of precipitated calcium carbonate with mean particle sized of 0.02 ~ 1 mm could be obtained by adjusting the reaction conditions of the carbonation process. Among these types, an ultra-fine calcium carbonate with particle size of less than 0.1 mm is made by surface treatment with organic substances. Conventionally-using sodium stearate was not suitable to prepare the stable calcium carbonates particles. Several parameters obtained from Casson equation, zeta potential in aqueous phase and sedimentation test were used to correlate the stability. Unlike stearate, AG showed interesting behavior in aqueous solutions. Better stability in the high concentration range could be explained by the depletion stabilization.'
알킬 폴리글리코사이드의 특성화와 무수 말레인산을 이용하여 음이온 유도체를 합성하였고, 유처리제와 탄산칼슘의 코팅제재로서의 응용에 관한 연구를 하였다.
친수성기에 존재하는 히드록시기와 무수 말레인산을 반응 시킴으로써 알킬 폴리글리코사이드의 음이온 유도체를 얻을 수 있었다. 피리딘을 용매로 사용하여 12시간 동안 환류반응시키는 간단한 반응 조작을 이용하였다. 반응도중에 일어날 수 있는 반응물의 산화를 방지하기 위해 질소 가스를 불어넣어 주었다. 분리 정제후 핵자기공명 분광분석법을 통하여 알킬 폴리글리코사이드 유도체의 합성을 확인하였다. 합성된 알킬 폴리글리코사이드의 계면물성으로서 농도에 따른 표면장력을 측정하였다. 음이온 유도체의 합성에 따라 CMC와 농도에따른 표면장력값이 반응 전에 비해 증가하였다.
일반적인 계면활성제들에 비하여 알킬 폴리글리코사이드의 계면 및 용액 물성은 그리 알려진 바가 없다. 알킬 폴리글리코사이드는 일반적인 비이온성 계면활성제와 다른 특성을 가지고 있다. 이러한 알킬 폴리글리코사이드의 표면특성을 관찰하기 위해서 제타전위와 기-액 계면에서의 단분자막 거동을 연구하였다. 팔라디움 전극을 사용하여 나노 크기의 기포를 생성하였고, 이들 기-액 계면에서의 제타전위를 측정하였다. 수용성 비이온 계면활성제인 알킬 폴리글리코사이드를 5 M의 NaCl 수용액을 사용함으로써 안정한 단분자막을 얻을 수 있었고, 기-액 계면의 단분자막 거동을 연구하였다. 음이온성 계면활성제중의 하나인 스테아르 산의 단분자막 거동을 순수한 물과 고농도의 전해질 용액에서 비교하였다. 계면활성제의 흡착에 의해서 이루어지는 계면의 극성이 중요한 인자이고, 스테아르 산으로 이루어진 단분자막의 경우는 고농도로 존재하는 전해질의 흡착이 거의 이루어지지 않았다. 제타전위의 측정과 Langmuir 단분자막 거동을 관찰함으로써 수용액상에서 계면활성제가 흡착되어 있는 기포들이 음의 하전을 띠는 중요한 원인중의 하나가 용액상에 존재하는 이온들의 흡착에 의한 것을 알 수 있었다. 따라서 용액중에 존재하는 이온종의 흡착에 대한 새로운 하전 매커니즘을 제안하였다. 비이온 계면활성제의 극성이 낮을수록 히드록실 이온의 흡착을 유도하는 것으로 나타났다. 또한 알킬 폴리글리코사이드의 친수기에 존재하는 히드록시기는 약한 산성이므로 수소이온의 흡착을 방해하며, 높은 pH 영역에서는 히드록실 이온의 흡착을 용이하게 한다. 따라서 알킬 폴리글리코사이드는 수용액중에서 음으로 하전되기 쉬운 것이다. 한편, 간단하면서도 편리한 시료의 제조와 비파괴 분석법으로서 NIR 을 이용한 정량분석법을 제안하였다. 상승효과와 그밖의 다른 여러가지 이유에 의하여 대부분 알킬폴리글리코사이드는 다양한 중합도와 알킬사슬의 길이를 가지는 혼합물로 이루어져 있고, 이에 따른 NIR 분석의 가능성도 고려되었다. Multiple Linear Regression 방법을 통하여 정량분석에 있어서 충분히 성공적인 SEC와 SEP 를 가지는 것으로 관찰되었다.
환경에 대한 독성을 고려해야하고, 악천후나 파도가 심한 곳에서의 해상유출유의 처리제로서 알킬 폴리글리코사이드를 제안하였다. 대부분의 유처리제재가 사용되고 있으나, 환경에대한 독성때문에 그 사용에 제한이 있었다. 따라서 최근에 수용상을 기재로한 유출유 처리제의 개발에 관심이 기울여졌으나, 기름상에대한 용해도와 혼화성이 부족하다는 이유로 독성이나 경제적인 측면에서의 장점에도 불구하고 그 사용이 이루어지지 못했다. 실제로 수용상을 기재로한 제재의 경우에 적당한 계면활성제를 선정하는데 어려움이 있었으며 다른 첨가물을 넣어주어야만 했다. 여기서 사용된 유출유 처리제는 단지 각기 다른 탄화수소사슬 길이와 친수기의 중합도를 가지는 알킬 폴리글리코사이드를 사용하였을 경우의 분산제의 효율을 조사하였으며, 이 분산제재의 효율에 미치는 인자를 연구하였다. 농도에 따른 분산제 효율 결과로부터 최적의 성능이 6 wt%의 알킬 폴리글리코사이드를 사용했을 경우 가장 높았다. 대한민국에서의 사계절중의 해수의 온도는 10도에서 30도 안팎이며, 현재 상용화되어 쓰이고 있는 유처리 분산제와 비교하여 온도의존성을 살펴보았다. 알킬 폴리글리코사이드가 섭씨 30도에서 여전히 높은 분산제 효율 특성을 나타내었다. 이것은 상용 분산제의 경우 비이온성 계면활성제를 포함하고 있어 온도의 증가에 따라 수용상과의 혼화성이 급격히 감소함으로써 발생하는 현상이다. 기계적 에너지에대한 의존성은 실험한 범위내에서는 거의 없는 것으로 나타났다. 알킬 폴리글리코사이드의 높은 분산효율 값은 전기전도도의 실험으로부터 O/W 에멀젼의 형성에의한 것으로 나타났다.
화장품, 치약용품, 고무, 화장지, 고급용지등의 광범한 응용분야를 가지고 있는 탄산칼슘의 표면의 처리리제로서 알킬 폴리글리코사이드를 이용하였다. 입자는 침강성 탄산칼슘을 제조하는 전통적인 방법을 사용하여 균일한 크기의 입자를 얻었다. 기존의 스테아린 계통의 코팅제를 사용하는 경우에는 균일한 물성을 가지는 분말의 제조가 어려웠다. 표면흡착 및 안정성 거동을 실험할 결과 스테아린 계통의 계면활성제는 흡착과 그에따른 제타전위의 거동이 상당히 불규칙하였다. 알킬 폴리글리코사이드를 사용하여 용액의 pH에 따른 제타전위와 유변학적 물성, 그리고 침강속도를 이용한 분산 안정성과의 관계를 살펴보았다. 이들 물성치 사이의 관계로부터 알킬 글리코사이드가 무기입자 표면에서의 흡착거동과 그에따른 입자의 안정성이 단순한 제타전위의 함수만이 아니었음을 알아내었다. 이것은 수용액상에서의 알킬글리코사이드의 상거동과 관련하여 표면에서 독특한 구조를 가지는 결집체 형성에 의하여 분산 안정성을 가져오는 것으로 짐작된다.
