TECHNOLOGIA PRODUKCJI KOSMETYKÓW

Każda receptura kosmetyczna posiada szczegółowy opis procesu technologicznego, który określa sposób łączenia składników, temperaturę mieszania, rodzaj urządzenia do przerobu i konfekcji. Istnieją ogólne schematy procesów technologicznych dla grup asortymentowych.

Zasady technologiczne tworzenia stabilnych emulsji

Stabilność emulsji zależy od wielkości zdyspergowanych cząstek, lepkości fazy zewnętrznej i różnicy gęstości między obu fazami. W procesie emulgowania potrzebna jest siła potrzebna do rozbicia fazy ciągłej na możliwie najdrobniejsze kropelki. Wielkość tej siły zależy od typu mieszadła i jego prędkości obrotowej.

Czynniki określające stabilność emulsji

Stabilność emulsji zależy od:

a/. stopnia rozdrobnienia cząstek fazy wewnętrznej (w emulsjach O/W - fazy olejowej, w W/O - fazy wodnej),

b/. możliwie małej różnicy gęstości pomiędzy fazą zdyspergowaną a zewnętrzną (dyspergującą),

c/. współczynnika lepkości fazy zdyspergowanej (szczególnie dotyczy to emulsji W/O),

d/. stabilnego filmu lepko-plastycznego otaczającego cząstki zdyspergowane.

Rodzaje rozpuszczalników:

- ciecze polarne,

- ciecze niepolarne.

Woda jest substancją polarną z ujemnym centrum na atomie tlenu, atomy wodoru są naładowane słabo dodatnio. Natomiast związki niepolarne składają się z nasyconych i nienasyconych, prostych lub rozgałęzionych węglowodorów, z nasyconych lub aromatycznych pierścieni węglowodorowych lub z kombinacji tych grup. Różnice w budowie chemicznej między związkami polarnymi i niepolarnymi przekładają się także na różnice we właściwościach chemicznych, szczególnie w różnym napięciu powierzchniowym.

Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe.

Cząsteczki wewnątrz cieczy są otaczane ze wszystkich stron przez inne cząsteczki. Międzycząsteczkowe siły kohezji/przyciągania/działają we wszystkich kierunkach. Tylko na powierzchni cieczy w kierunku do powietrza działają siły skierowane do wnętrza płynu. Na skutek tendencji do wciągania cząsteczek powierzchniowych, każda ciecz usiłuje wytworzyć jak najmniejszą powierzchnię rozdziału faz. Siły, które dążą do zmniejszania powierzchni określa się jako napięcie powierzchniowe /mN/m/ .

Struktura chemiczna cieczy odgrywa tutaj dużą role - jednakowe struktury chemiczne np. woda, gliceryna - polarny rozpuszczalnik rozpuszczają się wzajemnie, natomiast różne struktury chemiczne cieczy np. polarne i niepolarne jak woda i olej wzajemnie się nie rozpuszczają, ponieważ napięcie na granicy faz, które istnieje między płynami przeszkadza w trwałym zmieszaniu. Siła, która przeszkadza w emulgowaniu nazywa się napięciem międzyfazowym/granicznym/.

Temperatura emulgowania jest zależna od typu emulsji. Przy emulsji O/W temperatura emulgowania wynosi: faza tłuszczowa z emulgatorem 70°C,

faza wodna - 72°C.

Przy emulsji O/W na bazie mydeł - stearyna w fazie olejowej, trójetanolamina w fazie wodnej tworzy mydło „in situ” /w chwili mieszania faz/ jest potrzebna temperatura zmydlania /emulgowania/ 75 - 80°C.

Przy emulsji W/O - temperatura obu faz w momencie emulgowania wynosi 65 - 70°C. Emulsje te są wrażliwe na podwyższoną temperaturę.

W zależności od typu emulsji faza olejowa jest dodawana do fazy wodnej /O/W/

lub faza wodna jest dodawana do fazy olejowej W/O/.

Emulgatory są to związki powierzchniowo czynne, które obniżają napięcie na granicy faz między polarnymi i niepolarnymi rozpuszczalnikami i tworzą stabilny film wokół rozproszonej cząsteczki.

Emulgatory mają charakter amfifilowy /amphon - oba/, tzn. ich cząsteczka zawiera grupy polarne i niepolarne. Grupy polarne nadają emulgatorom właściwości hydrofilowe/powinowate do wody/ a grupy niepolarne nadają własności hydrofobowe/powinowate do oleju/. Dzięki tej własności emulgatory mogą obniżać napięcie powierzchniowe, gdyż gromadzą się na granicy faz między olejem a wodą oraz między olejem a powietrzem. Jeżeli w cząsteczce emulgatora przeważają właściwości hydrofilowe to powstaje emulsja O/W a przy przewadze właściwości hydrofobowych emulsja W/O.

Lepkość emulsji

Stabilność jest zależna od lepkości emulsji, szczególnie od lepkości fazy zewnętrznej. Im bardziej lepka faza zewnętrzna, tym trudniejsza jest koalescencja zdyspergowanych cząstek. Przy emulsji W/O lepkość zwiększają woski, mikrowoski a przy emulsji O/W - pochodne celulozy.

Polarność fazy olejowej

Ma wpływ na dobór emulgatora oraz na stopień rozprzestrzeniania preparatu na skórze. Istnieje związek między polarnością olejów a rozprzestrzenianiem na skórze. Wg reguły Harkinsa rozprzestrzenianie oleju określa się wg wzoru:

Współczynnik Napięcie Napięcie Napięcie

rozprzestrze - = powierzch - - powierzch - - powierzchniowe

niania /S/ niowe wody niowe oleju na granicy olej /woda

Współczynnik S: poniżej 15 - oleje niepolarne - oleje mineralne

15 - 30 oleje o średniej polarności - np. Jojoba Oil, Dimethicone, Olive Oil, Macadamia Oil, Avocado Oil

powyżej 30 oleje silnie polarne, np. olej z kiełków pszenicy

/Wheat Germ Oil/

W recepturach stosuje się oleje średnio polarne.

Niestabilność emulsji

Z punktu widzenia termodynamiki emulsje są mieszaninami niestabilnymi. Zadaniem odpowiedniej kombinacji emulgatorów i wosków jest stworzenie receptury, która będzie stabilna przez określony, długi okres czasu. Pierwszą oznaka niestabilności emulsji O/W jest tzw. śmietankowanie - zjawisko to występuje wówczas, gdy gęstość fazy olejowej jest mniejsza niż fazy wodnej. W płynnych emulsjach O/W, typu mleczka, w warstwie górnej widoczna jest zgromadzona gęsta śmietanka. Natomiast w warstwie dolnej mleczny płyn. Po wstrząśnięciu następuje chwilowe wymieszanie faz, jednakże mieszanina pozostaje nietrwała.

W niestabilnych emulsjach W/O obserwujemy zjawisko sedymentacji kropel wody. Skutkiem tego jest oddzielenie kropelek wody od kremu. W takich sytuacjach mamy do czynienia z tzw. zwarzonym kremem. Proces sedymentacji kropel wody jest procesem nieodwracalnym.

Najważniejszymi preparatami do pielęgnacji skóry są emulsje kosmetyczne - kremy, mleczka, balsamy. Podstawy teoretyczne emulsji zostały przedyskutowane na przedmiocie chemia kosmetyczna.

Wymiary cząstek rozproszonych w emulsjach wahają się w granicach od 1 - 30 mikrometrów (10^-6m).

Typy emulsji:

- O/W

- W/O

- mieszane - zawierają podwójne układy W/O/W - emulsja woda w oleju W/O jest zawieszona w fazie wodnej.

Proces tworzenia emulsji prowadzi się w mieszalnikach lub/i homogenizatorach.

Rys. mieszalnika i homogenizatora Prezentacja

MIESZALNIK - ze stali nierdzewnej, składa się ze zbiornika zaopatrzonego w płaszcz wodny, służący do ogrzewania lub chłodzenia mieszadła, mieszadła i mechanizmu napędzającego mieszadło. W technologii stosuje się kilka typów mieszalników, np. ślimakowy, nożowy, kulowy, strumieniowy. Wszystkie z nich mają różne rozwiązania techniczne.

Po wymieszaniu obu faz rozdrobnienie kropelek fazy rozproszonej prowadzi się w homogenizatorze - w temperaturze ok. 70°C dla emulsji O/W i 60 - 65°C dla emulsji W/O. Aby zapobiec spienieniu emulsji O/W proces mieszania i homogenizacji należy prowadzić w niskiej próżni /100 - 300 torr/.

Homogenizator - obracająca się w korpusie tarcza tworząca w nim wąską szczelinę, przez którą pod ciśnieniem przeciska się emulsja i rozbija na bardzo drobne kropelki.

W laboratoriach kosmetycznych często używa się młynków koloidalnych.

Urządzenie ultradźwiękowe do homogenizowania emulsji - 400 watów pozwala uzyskać stabilną emulsję.

Proces emulgowania na ciepło trwa ok. 30 - 60 minut, poczym następuje wolne chłodzenie. W temperaturze ok. 40°C dodaje się substancje biologicznie czynne i kompozycję zapachową.

Proces emulgowania pudrów emulsyjnych, make-up'ów jest taki sam jak przy emulsji O/W. Zestaw pudrowy jest oddzielnie mieszany z olejami, rozcierany na trójwalcówce /lub w młynie koloidalnym/ i dodawany do wytworzonej emulsji lub dodawany do fazy olejowej na gorąco i po połączeniu obu faz homogenizowany.

Rys. młyn koloidalny, trójwalcówka

Młyn koloidalny składa się z dwóch płyt metalowych szybko obracających się w przeciwnych kierunkach, ustawionych w niewielkiej odległości od siebie.

Substancje wprowadza się przez otwór płyty górnej i po roztarciu wydostaje się z przestrzeni między płytami na zewnątrz.

Produkcja PUDRÓW - mieszanie składników sypkich

Mielenie w obiegu zamkniętym - połączenie pracy młyna z pracą urządzenia klasyfikującego, w którym od produktu z młyna oddziela się materiał o zbyt grubym ziarnie i zawraca z powrotem do młyna, w celu dalszego rozdrobnienia.

Mieszarka - maszyna do mieszania ciał sypkich w celu uzyskania jednolitej mieszaniny.

Mieszarka bębnowa o działaniu okresowym lub ciągłym, tj. bęben mieszalny obracający się dookoła poziomej lub skośnie nachylonej osi, wewnątrz którego znajdują się ruchome półki.

Mieszarka ślimakowa - to jest poziome podwójne koryto z obracającymi się wewnątrz ślimakami łopatkowymi.

Młyn strumieniowy - mikronizer - urządzenie do bardzo drobnego mielenia ciał stałych i uzyskania cząstek o średnicy poniżej 10 mikronów. Razem z materiałem rozdrabnianym /składniki pudru/ wprowadza się strumień powietrza sprężonego do 7 atmosfer, które po rozprężeniu w aparacie uzyskuje znaczącą prędkość, co powoduje powstawanie wirów i intensywne ścieranie się składników pudru.

Produkcja STOPÓW WOSKOWO - TŁUSZCZOWYCH - kredki do warg

Proces przebiega w kilku fazach:

1/. dyspersja zestawu pigmentów z olejem rycynowym w stosunku 1 : 2 lub 1 : 3 /w zależności od stopnia absorpcji pigmentu/ homogenizacja - proces na zimno

2/. stopienie, przefiltrowanie i wymieszanie masy tłuszczowej /ok. 65% olejów, ok. 25% wosków/ - proces na ciepło

3/. połączenie masy barwnikowej z tłuszczową, mieszanie, homogenizacja proces na ciepło, pod koniec procesu dodaje się kompozycję zapachową.

Urządzenia

1/. Trójwalcówka - masa kredkowa zostaje roztarta po przejściu przez trzy walce, szczelina między nimi jest regulowana, najmniejsza wynosi 2.10^-3cm. Masa kredkowa zostaje ponownie stopiona celem jej odpowietrzenia

2/. Młyn koloidalny lub homogenizator - roztarcie masy barwnikowej i kredkowej

3/. Mieszalnik kombi - wyposażony w mieszadło, młyn koloidalny lub homogenizator, proces w próżni na ciepło

4/. Wylewnica - ręczna lub automatyczna, wyposażona w płaszcz grzewczo-chłodzący, wykonana ze stali nierdzewnej, wewnętrzne otwory są wypolerowane tak, że uzyskuje się sztyfty z połyskiem. Masa kredkowa jest ogrzana w kociołku wyposażonym w mieszadło wolnoobrotowe i kran spustowy do temperatury 60 - 68°C. Masa kredkowa jest wlewana równomiernie do uprzednio ogrzanej wylewnicy, aby zapobiec nagłemu ochłodzeniu sztyftu. Po ok. 5 minutach następuje chłodzenie przy pomocy wody o temperaturze 18 - 20°C, poczym chłodzi się wodą o 10 °C. Po ściągnięciu warstwy zewnętrznej, wyciąga się kredki bezpośrednio oprawką.

TECHNIKA AEROLOZOWA

AEROZOL - układ koloidowy, w którym ośrodkiem dyspersyjnym jest powietrze /gaz/ a fazą rozproszone ciało stałe /dym/ lub ciekłe /mgły/ o dużym stopniu rozdrobnienia.

Opakowanie aerozolowe składa się z :

a/. pojemnika wykonanego z blachy białej lub aluminium z litografią, wewnątrz lakierowany

b/. wentyla z dyszą rozpylającą - specjalna konstrukcja w zależności od rodzaju preparatu

c/. kaptura ochronnego.

Pojemnik i wentyl muszą być precyzyjnie dopasowane pod względem szczelności. Na opakowaniu /pojemnika/ oprócz opisu własności preparatu i sposobu jego użycia musza być umieszczone ostrzeżenia: opakowanie jednorazowe pod ciśnieniem, nie przekłuwać.

W 1903 r. użyto po raz pierwszy dwutlenek węgla i chlorek metylenu jako gazu pędnego do rozpylania perfum. W 1933 r. użyto freony - niepalne związki węgla z fluorem i chlorem w gaśnicach przeciwpożarowych. W latach 60-tych XX w. wprowadzono w szerokim zakresie preparaty aerozolowe na bazie freonów :

trichlorofluorometan - Freon 11 CFCI₃

dichlorodifluorometan - Freon 12 - CF₂CI₂

dichlorotetrafluoroetan - Freon 114 - C₂CI₂F₄

lub w mieszankach Freon 11/12 /50:50/, Freon 12/114 /40:60/ gazy niepalne, niewybuchowe, o bardzo niskiej toksyczności. Masowa produkcja aerozoli zdaniem naukowców spowodowała przedostanie się do atmosfery dużej ilości freonu, który działał niszcząco na środowisko /dziura ozonowa/. Rozpoczęto poszukiwania alternatywnych gazów, obecnie stosuje się nasycone węglowodory alifatyczne - izobutan jest niepalny i może zastąpić Freon 11/12 /50:50/ w lakierach do włosów, a także propan, butan lub ich mieszaniny np. propan/butan /40:60/. Nie ma zastrzeżeń toksykologiczno -dermatologicznych i są zgodne z preparatami kosmetycznymi.

Butan i propan są palne, ale można stosować w preparatach zawierających dużo wody, np. pianki do układania włosów - koncentrat - 93 - 95%, butan 7 - 5%,

natomiast w lakierach do włosów mieszaninę izobutan/propan - koncentrat 65%

gaz 35%.

Najczęściej stosuje się dwufazowe aerozole - preparat jest rozpuszczony w gazie. Wyróżnia się:

a/. aerozole powierzchniowe w formie wilgotnych mgieł są to lakiery do włosów, preparaty do opalania /olejki/, dezodoranty, wody toaletowe, perfumy, napełnianie: koncentrat 30 - 70%, gaz 70 - 30%

b/. aerozole suspensyjne, pudrowe - zawiesina koloidalna pudru w płynnej fazie gazowej, zawartość pudru nie może przekraczać 20%

c/. aerozole piankowe - płynne emulsje O/W lub wodne roztwory substancji powierzchniowo czynnych dyspergowane w płynnym gazie, napełnianie - preparat 85 - 93%, gaz 15 - 7%

Napełnianie ciśnieniowe - linie produkcyjne automatyczne, proces odbywa się w temperaturze pokojowej - pojemnik zostaje napełniony preparatem, poczym nakładany jest wentyl i zaciskany na pojemniku. Gaz płynny zostaje wprowadzony pod ciśnieniem przez wentyl do pojemnika. Po napełnieniu w pojemniku powstaje poduszka powietrzna, która podwyższa ciśnienie. Urządzenia posiadają odpowietrzacz/ejector//, który usuwa poduszkę powietrzną. Następnie nakładany jest kaptur ochronny i pojemnik jest kontrolowany na szczelność w łaźni wodnej o temperaturze 55 - 60°C.

SZAMPONY

Mieszanie składników prowadzi się na zimno, bez podgrzewania faz. Podstawowym surowcem jest substancja powierzchniowo czynna - detergent, który ma konsystencję gęstą, szczególnie gdy stosuje się 70% roztwory - współczynnik lepkości w temperaturze 20°C wynosi ok. 10000 - 15000 mPa.s, a współczynnik lepkości wody w temperaturze 20°C wynosi 1,004 mPas, zaś gliceryny 1499 mPas (gdy w temp. 20°C wynosi 12100 mPas), Należy wstępnie ujednolicić konsystencje składników roztworem chlorku sodu /sól kuchenna/. Handlowe detergenty - siarczanowane alkohole laurylowe mają ok. 28% substancji czynnej /stałej/, lepkość 100 - 200 mPa.s - (musimy zwiększyć 50 krotnie) są płynne. Mieszanie musi być wolne, aby nie dopuścić do spienienia szamponu.

WYROBY PERFUMERYJNE

wody kolońskie, wody toaletowe, perfumy, wody po goleniu obejmują preparaty na bazie alkoholu etylowego z dodatkiem wody, kompozycji zapachowej w różnym stężeniu oraz substancji czynnych. Nastawy przygotowuje się w specjalnych zbiornikach /zabezpieczonych przeciwpożarowo i przeciwwybuchowo/ w których leżakują w temperaturze 4°C, poczym są filtrowane na zimno.

SUROWCE Kosmetyczne

EMULGATORY ANIONOWE - w roztworze wodnym tworzą ujemnie naładowane jony powierzchniowo czynne - aniony. Emulgatory anionowe są niestabilne wobec elektrolitów i w środowisku kwaśnym.

Do grupy tej należą:

A/. mydła - stearynian potasowy, stearynian trietanolaminy

B/. monostearynian gliceryny - Glyceryl stearate

C/. siarczanowane alkohole tłuszczowe - Sodium Cetearyl Sulfate

D/. bazy kremowe O/W - Cetearyl Alcohol/and/Sodium Cetearyl-Sulfate

EMULGATORY NIEJONOWE - w roztworze wodnym nie tworzą jonów, są stabilne w szerokim zakresie pH, wobec soli i elektrolitów.

Do tej grupy należą:

A/. estry polioli - gliceryny, etylenoglikolu

Glyceryl Oleate, Glyceryl Stearate, Glycol Stearate

B/. estry sorbitanu

Sorbitan Laurate, Sorbitan Stearate, Sorbitan Oleate, Sorbitan Sesquioleate,

Sorbitan Isostearate

C/. etoksylowane estry sorbitanu

Polysorbate 20, Polysorbate 40, Polysorbate 60, Polysorbate 80

D/. etoksylowane trójglicerydy

PEG-7 Hydrogenated Castor Oil, PEG-40 Hydrogenated Castor Oil, PEG-

40 Castor Oil

E/. etoksylowane alkohole tłuszczowe

Ceteareth - 12, Ceteareth-20, Steareth - 20

F/. etoksylowane kwasy tłuszczowe

PEG-8 Stearate, PEG-40 Stearate, PEG-100 Stearate

G/. bazy kremowe O/W

Glyceryl Stearate /and/PEG-100 Stearate

Cetearyl Alcohol/and/Ceteareth - 20

Ceteth-5/and/Ceteareth - 7

Glyceryl Stearate/and/Ceteareth - 20

Cetearyl Alcohol/and/Ceteareth-20/and/PEG-40 Castor Oil

Cetearyl Glucoside /and/Cetearyl alcohol

EMULGATORY KATIONOWE - tworzą w roztworze wodnym dodatnio naładowane jony powierzchniowo czynne - kationy, zastosowanie w preparatach do włosów

BAZY ABSORPCYJNE - W/O

Zawierają mieszaninę węglowodorów: wazelinę, parafinę, cerezynę, woski mikrokrystaliczne, olej parafinowy, alkohol cetylostearylowy oraz emulgator : lanolina, alkohol lanoliny, cholesterol, sorbitan sesquioleate.

Najstarszym emulgatorem W/O jest lanolina - Adeps Lanae - tłuszcz wełny owczej. Lanolina jest mieszaniną estrów wyższych alkoholi - cholesterol, izocholesterol/lanosterole/ i wyższych kwasów tłuszczowych - lanocerynowy, palmitynowy, stearynowy, olejowy oraz wosków.

Lanolina zawiera kompleks związków, które można wyodrębnić - przez zmydlanie otrzymuje się kwasy lanolinowe/Lanolic Acid/ i alkohole lanoliny//Lanolin Alcohol/. Etoksylowana lanolina - przez połączenie lanoliny lub alkoholi lanoliny z tlenkiem etylenu otrzymuje się hydrofilowe pochodne lanoliny rozpuszczalne w wodzie /PEG-75 Lanolin/.

W bazach absorpcyjnych stosuje się alkohole lanoliny, np.

Lanolin Alcohol 6, 0

Cetearyl Alcohol 0, 5

Wazelina biała 93, 5

50 g bazy i 50 g/ml wody o temp. 60°C tworzy emulsję.

Kryterium oceny bazy absorpcyjnej jest tzw. liczba wodna, metoda najstarsza i najbardziej znana - określa ilość wody jaką może pochłonąć/zemulgować/ baza absorpcyjna. Wazelina ma liczbę wodną

9 - 12, jeżeli doda się do niej 3 % cholesterolu to podwyższa się zdolność wiązania wody do 60%.

Bazy absorpcyjne - przykłady wg Farmakopei:

Farmakopea DAB 8

Alkohol lanoliny 6, 0

Wazelina biała 93, 5

Alkohol cetylowy 0, 5

USP XV /USA/

Wazelina biała 86, 0

Cholesterol 3, 0

Wosk pszczeli, biały 8, 0

Alkohol stearylowy 3, 0

SUROWCE MINERALNE

Olej mineralny - Mineral Oil

mieszanina płynnych, nasyconych węglowodorów

Olej parafinowy - Paraffinum subliquidum

• lepkość minimum 100 mPa.s , gęstość 0, 866 - 0, 892

Olej wazelinowy - Paraffinum perliquidum - lepkość maksimum 70 mPa.s, gęstość 0, 832 - 0, 892

Wazelina - Petrolatum - mieszanina półstałych węglowodorów

Parafina - Parafin - mieszanina stałych, nasyconych węglowodorów o strukturze krystalicznej

Paraffinum durum - parafina twarda, temp. topnienia 50 - 62°C

Paraffinum molle - parafina miękka - temp. topnienia 40 - 46°C

Wosk mikrokrystaliczny - Microcrystalline wax - drobnokrystaliczny wosk, zawiera wysokocząsteczkowe, nasycone alifatyczne węglowodory i rozgałęzione izoparafiny o ciężarze cząsteczkowym 450 - 1000. Wosk posiada dobrą zdolność wiązania oleju i jest stosowany w emulsjach W/O.

---