1. 아민(amine) 및 비순환기 암모늄(non-cyclic ammonium)에 대한 명명법(nomenclature)
오늘날 사용되고 있는 양이온성 계면활성제(cationic surfactant)는 패티아민(fatty amine), 패티아민의 금속염(salt), 4기유도체(quaternary derivative)가 대부분이다. 패티아민의 경우 실제로는 양이온성이 아닌 음이온성 계면활성제이다. 하지만, 이 성분이 주로 산성의 수소이온농도에서 사용되기 때문에 통상적으로 양이온성으로 분류된다.
아민(amine)은 질소(nitrogen)와 연결되는 알킬기(alkyl group)의 개수에 따라 명명법이 달라지는데, 1개의 알킬기가 연결될 경우에는 1차(primary), 2개면 2차(secondary), 3개면 3차(tertiary)로 분류된다. 질소(N)가 탄소(C)원자를 가진 4개의 결합(bond)을 지니고 있을 경우, 이 화합물은 4기 암모늄(quaternary ammonium)이라 불린다.
암모늄 구조에서 질소(N)원자는 4번째 결합을 확실히 하기 위해 두 개의 전자를 전해주며, 그 결과 양전하(positive charge)로 남게된다. 알킬-암모늄 이온(alkyl-ammonium ion)은 산성매체에서 양자(proton, 프로톤)와 아민(amine)의 반응으로 생성된다. 이 반응에 의해 클로라이드(chloride)나 브롬화물(bromide)에서 생성된 염(salt)은 양이온 용매화 때문에 수용성을 지니게 된다.
패티아민(fatty amine)은 지방산(fatty acid)에서 얻을 수 있으며, 그 결과 이 성분들은 적어도 여러 개의 탄소(C)원자를 지닌 선형(linear)구조를 가진다. 국제순수과학연맹(IUPAC)은 이 성분들에 도데실 아민(dodecyl amine), 라우릴 아민(lauryl amine), 코코아민(coco amine)과 같이 일반적인 이름을 사용한다. 이 성분들이 하나 이상의 알킬기(alkyl group)를 지니고 있을 경우에는 테트라데실 메틸아민(tetradecyl methyl amine), 세틸 트리메틸 암모늄 브로화물(CETAB, cetyl trimethyl ammonium bromide), 헥사데실 트리메틸 암모늄 브롬화(HTAB, hexadecyl trimethyl ammonium bromide)물 처럼 가장 긴 것을 먼저 명명하게 된다.
2. 패티아민(fatty amine)의 합성(synthesis)
이 성분의 합성법은 여러 가지가 있는데, 실제 가장 많이 이용되는 방법이 지방산(fatty acid)을 이용하는 것이다. 이 방법은 지방산을 아마이드(amide), 니트릴(nitrile), 1차 아민(primary amine), 2차 아민(secondary amine), 3차 아민(tertiary amine), 4기 암모늄(quaternary ammonium)으로 변형시키는 것이다. 2차 아민(secondary amine)은 통상적으로 메틸화반응(methylation)이나 니트릴(nitrile)에 대한 메틸아민(methyl amine)의 반응(reaction) 또는 포름알데히드(formaldehyde)를 이용한 환원성 메틸화반응(reductive methylation)에 의해 얻는다.
3. 4기 알킬암모늄(quaternary alkyl-ammonium)의 제조
4기 알킬암모늄(quaternary alkyl-ammonium)의 제조법은 여러 가지가 있다. 가장 먼저, 1차(primary) 및 2차(secondary) 아민(amine)은 메틸클로라이드(methyl chloride) 또는 이 반응을 대체하기 위한 생성된 염화수소(HCl)의 제거(removal)를 이용한 소멸성 메틸화반응(exhaustive methylation)에 의해 4기(quaternize)가 된다.
또 다른 방법은 3차 아민(tertiary amine)을 이용 알킬브롬화물(alkylbromide)을 반응시키는 것이다. 이 방법이 세틸 트리메틸 암모늄 브로화물(CETAB, cetyl trimethyl ammonium bromide)을 얻는 가장 일반적인 방법이다. 황산염(sulfate) 음이온이 요구될 경우, 3차 아민(tertiary amine)의 4기화(quaternize)는 디메틸황산염(dimethyl sulfate) 또는 디에틸황산염(diethyl sulfate)에 의해 진행된다.
4. 양이온성 계면활성제의 이용
양이온성 계면활성제(cationic surfactant))를 제조하기 위해서는 일반적으로 상당히 복잡한 일련의 화학반응을 필요로 하게 된다. 이러한 이유로 양이온성 계면활성제의 가격이 술폰산염(sulfonate)이나 황산염(sulfate) 같은 음이온성 계면활성제보다 비싸다. 따라서, 양이온성 계면활성제는 다른 계면활성제로 대체될 수 없는 경우, 다시 말해 양전하(positive charge) 및 살균작용(bactercide)이 요구되는 경우에만 사용하게 된다.
이 성분들은 섬유유연제(fabric softner)와 헤어린스제(hair rinse)에서 정전기 방지제(antistatic agent)로 사용된다. 또한, 직물제조과정에서 사용할 경우, 이 성분들은 염료(dye)와의 경쟁을 통해 염료의 흡착(adsorption)을 지연시키게 되고 이로 인해 균일한 착색(coloration)을 도와준다. 산성(acid)의 조건에서는 부식방지제로 작용하기도 한다.
벤잘코늄(benzalkonium), 알킬트리메틸 암모늄 클로라이드(alkyl trimethyl ammonium chloride), 알킬트리메틸 암모늄 브롬화물(alkyl trimethyl ammonium bromide)은 멸균제(antiseptic agent), 소독제(desingectant), 살균제(sterilizing agent)로 사용된다. 또한, 비이온성 세제(nonionic detergent)를 제조하는 과정에서는 부식방지(corrosion inhibition)를 목적으로, 음이온성 분말세제의 제조식에서는 세정력(detergency)을 높이기 위한 첨가제(additive)로 사용된다.