Chemia kosmetyczna
Dr inż. Beata Orlińska
Katedra Technologii Chemicznej Organicznej i Petrochemii
W ramach ćwiczenia omówiona zostanie budowa, właściwości i zastosowanie związków powierzchniowo czynnych oraz skład przykładowych emulsji kosmetycznych.
Związki powierzchniowo czynne
Związki powierzchniowo czynne (ZPC) zawierają w swych cząsteczkach zarówno część hydrofobową, jak i hydrofilową (Tabela 1). Część hydrofobowa to najczęściej grupa alkilowa lub alkiloarylowa. Część hydrofilowa może być jonowa lub niejonowa i znacznie różnić się budową chemiczną. Ze względu na budowę grupy hydrofilowej ZPC dzieli się na anionowe, kationowe, niejonowe i amfoteryczne.
Tabela 1 Przykładowe grupy hydrofilowe i hydrofobowe występujące w ZPC
Grupy hydrofobowe
Grupy hydrofilowe
CnH2n+1-
-COONa
CnH2n+1-Ph-
-SO3Na
-OSO3Na
-(OCH2CH2)- OSO3Na
-[NR3]+Cl-
-(OCH2CH2)-OH
-N+(CH3)2-CH2COO-
ZPC wykazują dobre właściwości myjące, emulgujące, zwilżające, dyspergujące, pianotwórcze, a niektóre z nich także bakteriobójcze.
Anionowe ZPC
To najpopularniejsza grupa ZPC, do której należą mydła (sole kwasów karboksylowych) C
-
-
nH2n+1-COO-Me+, sulfoniany CnH2n+1-SO3 Me+ i siarczany CnH2n+1-OSO3
Me+. Łańcuch alkilowy zawiera około 12-18 atomów węgla, a kationem jest najczęściej jon Na+.
Mydła toaletowe są obecnie otrzymywane z najlepszych tłuszczów zwierzęcych (łój wołowy, tłuszcz wieprzowy) i roślinnych (olej kokosowy, oliwa z oliwek, olej palmowy, olej lniany, itp). Ich zaletami są niskie koszty produkcji, biodegradowalność i mała toksyczność.
Wadą mydeł jest wrażliwość na twardą wodę i tworzenie trudno rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu oraz zasadowe pH powodujące alkalizację skóry.
Sulfoniany są najważniejszą grupą syntetycznych ZPC. Należą do tej grupy liniowe alkilobenzenosulfoniany (ABS), których roczna produkcja wynosi około 2 mln ton (produkcja ZPC 15 mln t, w tym mydła 8 mln t). ABS produkowane są w procesie obejmującym alkilowanie benzenu olefinami lub chlorkami alkilowymi, sulfonowanie otrzymanego alkilobenzenu najczęściej gazowym SO3 i neutralizację. W największych ilościach produkowany jest dodecylobenzenosulfonian sodu. Ze względu na stosunkowo niskie koszty produkcji i dobre właściwości myjące ABS stanowią główny składnik płynów do mycia naczyń, środków myjących i proszków do prania. Ze względu na silne właściwości odtłuszczające nie są stosowane w szamponach, płynach do kąpieli, pod prysznic itp.
Siarczany alkilowe były pierwszymi syntetycznymi ZPC produkowanymi na skalę przemysłową. Otrzymywane są najczęściej z alkoholi tłuszczowych pochodzących z surowców naturalnych. Wśród nich największe znaczenie przemysłowe ma siarczan laurylu.
W szamponach, płynach do kąpieli i innych środków do higieny osobistej jako ZPC
stosowane są głównie etoksylowane siarczany alkilowe CnH2+1-(OCH2CH2)n-OSO3Na, w których n=2-4. Dzięki wprowadzeniu grup etoksylowych związki te są dobrze tolerowane przez skórę.
Kationowe ZPC
Kationowe ZPC, do których należą sole alkiloamoniowe, znajdują zastosowanie ze względu na właściwości bakteriobójcze. W kosmetyce IV rzędowe sole amoniowe, np.
chlorek trimetylocetyloamoniowy, znajdziemy w preparatach do pielęgnacji włosów. Ich obecność pomaga „ujarzmić” włosy dzięki właściwościom antystatycznym.
Niejonowe ZPC
Do tej grupy zaliczamy etoksylowane alkohole tłuszczowe CnH2+1-(OCH2CH2)n-OH
(n=3-40). Poprzez wprowadzenie do cząsteczki określonej liczby grup etoksylowych można wpływać na właściwości produktu, a tym samym na jego zastosowanie. Wskaźnikiem wykorzystywanym do takiej oceny, jest liczba HLB (hydrophilic-lipophilic balance) obliczana na podstawie struktury związku.
HLB=20x[Mh/M]
Mh – masa molowa części hydrofilowej, M – masa molowa związku.
Związki o HLB 3-8 stosowane są jako emulgatory emulsji woda w oleju, o HLB 10-15
jako emulgatory emulsji olej w wodzie, a o HLB 10-18 jako środki myjące i piorące.
Z tej grupy związków w kosmetyce znajdują zastosowanie betainy R(CH3)2N+CH2COO-
, jako składnik szamponów i innych środków do higieny osobistej. Są one dobrze tolerowane przez skórę, stosowane są m.in. w preparatach dla dzieci.
Emulsje kosmetyczne
Emulsje odgrywają istotną rolę w kosmetyce, gdyż pozwalają na równomierne rozprowadzenie aktywnych składników rozpuszczalnych w wodzie i olejach oraz wykazują dużą zgodność z właściwościami skóry. Naturalnie okrywający naskórek film hydrofilowo-lipofilowy ma budowę emulsji, w której fazę olejową stanowi łój skórny, a fazę wodną woda wydzielana przez gruczoły potowe. Łój skórny jest mieszaniną kwasów tłuszczowych 5%, glicerydów 50%, wosków 20%, skwalenu 10% i inne węglowodorów 5%, estrów cholesterolu 4%, cholesterolu 1% i innych steroli 1% (inne substancje 4%).
W kosmetyce stosowane są zarówno emulsje typu woda w oleju w/o, jak i olej w wodzie o/w. W celu uzyskanie stabilnej emulsji do układu dodawane są odpowiednie emulgatory.
Podstawowe składniki emulsji kosmetycznych
Środki natłuszczające stosowane w preparatach kosmetycznych mają za zadanie zastąpić zmywany naturalny film ochronny skóry. W tym celu jako składniki stosowane są :
• oleje naturalne: oliwa z oliwek, olej kokosowy, olej jojoba itp.
• oleje mineralne: olej parafinowy, wazelina
• woski: wosk pszczeli
• olej silikonowy
• syntetyczne estry, np. mirystynian izopropylu
• alkohole tłuszczowe
• kwasy tłuszczowe
Emulgatory stosowane w emulsjach kosmetycznych są związkami zarówno pochodzenia naturalnego, jak i syntetycznego. Charakteryzują się obecnością w cząsteczce zarówno grup hydrofilowych, jak i hydrofobowych. Do naturalnych emulgatorów zaliczamy m.in. wosk pszczeli i wosk wełny owczej – lanolinę. Do emulgatorów syntetycznych zaliczamy wspomniane już oksyetylenowane alkohole tłuszczowe.
Emulsje kosmetyczne zawierają również konserwanty, antyutleniacze, barwniki i środki zapachowe.
Literatura
1. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1991, tom A25, str. 751- 752, 764-770, 779-785.
2. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, tom 24, 144-151.
3. W. Malinka, Zarys chemii kosmetycznej, Volumed, Wrocław1999.
4. D.F. Williams, W.H. Schmitt, Chemistry and Technology of the cosmetics and toiletries industry, Blackie Academic, 1996.
Opis ćwiczenia
W ramach laboratorium otrzymane zostaną 2 emulsje kosmetyczne typu w/o i o/w, płyn do mycia naczyń oraz płyn do kąpieli. Wyznaczone zostanie napięcie powierzchniowe wodnych roztworów środków powierzchniowo czynnych o różnych stężeniach oraz ich właściwości pianotwórcze. Przeprowadzona zostanie dyskusja na temat zależności napięcia powierzchniowego od stężenia ZPC oraz wartości krytycznego stężenia micelarnego dla różnych typów ZPC.
Sporządzanie roztworów ZPC
Sporządzić 50 cm3 roztworów alkilobenzenosulfonianu sodu o stężeniu:
- 0.5 g/dm3
- 1 g/dm3
- 5 g/dm3.
Wyznaczanie napięcia powierzchniowego
Wyznaczyć napięcie powierzchniowe przygotowanych roztworów alkilobenzenosulfonianów stosując metodę stalagmometryczną. Metoda polega na wykorzystaniu zależności pomiędzy ciężarem kropli, która tworzy się w czasie powolnego wyciekania z rurki kapilarnej, a napięciem powierzchniowym tej cieczy (masa odrywającej się kropli jest proporcjonalna do napięcia powierzchniowego; im większe napięcie tym większa masa kropli).
Rys. 1 Stalagmometr
Zakłada się, że ciężar kropli jest proporcjonalny do napięcia powierzchniowego i długości okręgu, z którego odrywa się kropla.
mg=πrσ m-masa
kropli
g-
przyciąganie ziemskie
r
–
promień koła, z którego odrywa się kropla
σ – napięcie powierzchniowe
Podczas pomiaru liczy się liczbę kropli n wypływających z kapilary dla objętości cieczy V w stalagmometrze pomiędzy kreskami a i b. Wówczas: m=Vd/n V-objętość cieczy
σ=Vdg/2πrn
n- liczba kropel
d
–
gęstość
W ramach ćwiczenia zastosowana zostanie metoda porównawcza, w której wyznaczona zostanie ilość kropel dla badanego roztworu oraz cieczy wzorcowej – wody o znanym napięciu (σH2O=72,6x10-3[N/m]). Wówczas
σx / σw = nwdx/nwdw
Podczas pomiaru stalagmometr napełnić wodą destylowaną, a następnie badanymi roztworami i liczyć krople dla określonej objętości cieczy. Każdy pomiar powtórzyć trzykrotnie.
Wyznaczanie zdolności pienienia i trwałości piany W kalibrowanych cylindrach odmierzyć 10 ml badanych roztworów i wytrząsać przez 1
minutę. Po upływie 0, 1, 2, 5, 10, 20, 30 min. odczytać wysokość cieczy oraz wysokość cieczy z pianą. Pomiar jest względny, pozwala na porównanie właściwości poszczególnych roztworów.
Płyn do mycia naczyń
Rokanol
L-10
10g
Alkilobenzenosulfonian
sodu
6g
Woda
destylowana
82
cm3
Kompozycja zapachowa (cytryna, jabłuszko)
Barwnik
Wymieszać w temperaturze około 40oC.
Krem typu „Nivea” /Emulsja W/O
Faza tłuszczowa:
Wazelina
35g
Cholesterol
0.7g
Alkohol
cetylowy
1g
Aseptin 0.1g
Faza wodna:
Woda
destylowana
63cm3
Fazę tłuszczową stopić, dobrze wymieszać i ogrzać do 80oC. Fazę wodną również ogrzać do temperatury 80oC, a następnie małym strumieniem wlewać do fazy tłuszczowej podczas ciągłego mieszania mieszadłem mechanicznym. Emulsję mieszać, aż jej temperatura będzie zbliżona do temperatury otoczenia. Poniżej 40oC można dodać kompozycję zapachową.
Płyn do kapieli
Sól
sodowa
siarczanu
laurylu
12.5g
Monoetanoloamid kwasu oleju kokosowego (MEA COC) 0.75g NaCl
0.38g
Rokanol LN-75(etoksylowana lanolina)
0.5g
Woda
destylowana
do
25
cm3
Kompozycja zapachowa (cytryna, jabłuszko)
Barwnik
Podgrzewać powoli mieszając do rozpuszczenia wszystkich składników.
Krem nawilżający /Emulsja O/W
Faza tłuszczowa:
Oliwa z oliwek
4g
Olej parafinowy
3g
Lanolina 3.5g
Masło kakaowe
1.5g
Kwas stearynowy
1.5g
Alkohol cetylowy
1.5g
Cholesterol
0.15g
Aseptin 0.05g
Faza wodna:
Trietanoloamina 1g
Woda destylowana 30cm3
Dodatki: środki zapachowe, witamina A i E
Odważyć składniki fazy wodnej i olejowej w oddzielnych zlewkach. Zlewki umieścić w łaźni wodnej o temperaturze 75oC i podgrzać (faza olejowa musi być całkowicie stopiona). Fazę olejową powoli wlać do fazy wodnej podczas intensywnego mieszania. Wyciągnąć z łaźni, mieszać aż emulsja wychłodzi się do około 40oC, wówczas można dodać zapach i witaminy.