Formy fizykochemiczne

kosmetyków

Kraków 2011

Anna Knapik

Krakowska Wyższa Szkoła Promocji Zdrowia

Najczęściej

spotykaną

formą

fizykochemiczną

kosmetyków jest

EMULSJA.

Dlatego też formie tej

został poświęcony osobny wykład.

Innymi formami fizykochemicznymi kosmetyków

są:



Roztwory właściwe



Zawiesiny



Piany



Aerozole



Kosmetyki stałe – sztyfty, pudry

Formy fizykochemiczne kosmetyków

Wśród

roztworów

możemy wyróżnić:



roztwory rzeczywiste



roztwory koloidalne

•

emulsje

•

roztwory micelarne – omówione przy emulsjach

•

zawiesiny

•

piany

•

żele

•

aerozole

Formy fizykochemiczne kosmetyków

W

roztworach

uporządkowanie cząsteczek

jest większe niż w przypadku gazów a mniejsze

niż w przypadku ciał stałych.

Żródło: alpha.chem.umb.edu/chemistry/ch115/Mridula/.../chapter_11au.pdf

Formy fizykochemiczne kosmetyków

ROZTWÓR

jest to mieszanina dwóch lub więcej

substancji zmieszanych ze sobą w dowolnym stosunku i

nie wchodzących w reakcje chemiczne ze sobą. Składniki

zachowują swoje indywidualne właściwości, jednakże

taka mieszanina może również posiadać cechy będące

wypadkową cech poszczególnych jej składników (barwa,

zapach, konsystencja).

W

roztworze

właściwym

można

wyróżnić

rozpuszczalnik np. woda, alkohol i substancję

rozpuszczoną.

Roztwory

ROZTWÓR RZECZYWISTY (= WŁAŚCIWY)

to

taki roztwór, w którym poszczególne składniki są

nierozróżnialne „gołym okiem”, a sam układ jest

jednolity pod względem stanu skupienia, barwy,

konsystencji oraz właściwości fizykochemicznych w całej

swojej objętości. Jest to układ homogeniczny.

Roztwory jako forma fizykochemiczna kosmetyków są

bardzo rzadko spotykane. Taką formę fizykochemiczną

mają np. perfumy.

Roztwory właściwe

W

roztworze

występują

oddziaływania

międzycząsteczkowe

wpływające m.in. na takie

cechy fizykochemiczne jak:



temperatura wrzenia,



ciepło parowania,



lepkość itp.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Oddziaływania

międzycząsteczkowe

mogą

mieć charakter:



polarny

•

wiązania wodorowe,

•

wiązania jonowe,

•

wiązania typu dipol-dipol z udziałem

cząstek bipolarnych lub polaryzowalnych



niepolarny

•

siły Van der Waalsa

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Woda jest układem w którym występują

stosunkowo silne wiązania polarne, głównie

o charakterze wiązań wodorowych, tworzące

się pomiędzy atomami wodoru i wolną parą

elektronów na atomie tlenu.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

W olejach – układach hydrofobowych mamy do

czynienia z oddziaływaniami niepolarnymi -

siłami Van der Waalsa (oznaczone ):

•

ładunek – dipol

•

dipol – dipol

•

dyspersja (indukowane dipole)

Oddziaływania międzycząsteczkowe

N

+

O

C

δ

-

δ

+

O

C

δ

-

δ

+

C

O

H

δ

+

CH

3

H

3

C

δ

-

δ

+

δ

+

δ

-

Siła oddziaływań międzycząsteczkowych wpływa

na energię wewnętrzną układu. Układ jest

stabilny jeżeli energia wewnętrzna jest niska. Gdy

energia układu wzrasta układ taki staje się

niestabilny.

W roztworach układ jest stabilizowany w wyniku solwatacji

czyli

oddziaływania

pomiędzy

rozpuszczalnikiem

a

substancją rozpuszczoną.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Oddziaływania

międzycząsteczkowe

pomiędzy

rozpuszczalnikiem

a

substancja

rozpuszczaną

występują na poziomie:



molekularnym - roztwory właściwe



makromolekularnym – roztwory koloidalne



makroskopowym – cząsteczki substancji stałej w

cieczy lub gazie – zawiesiny

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Przykłady:



układy hydrofilowe

•

roztwory właściwe np. woda-alkohol

•

koloid np. woda-białko

•

zawiesina np. woda-dwutlenek tytanu



układy hydrofobowe

•

roztwory właściwe np. olej-alkohol cetylowy

•

koloid np. olej-etyloceluloza

•

zawiesina np. olej-sadza

Roztwory

ROZTWÓR KOLOIDALNY

układ przynajmniej

dwufazowy, w którym jedna z faz jest zwarta i stanowi

ośrodek dyspersyjny dla pozostałych składników

będących w tym układzie fazą rozproszoną. Układy te

stanowią

typ

pośredni

pomiędzy

układami

homogenicznymi, a heterogenicznymi.

Średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa

od średnicy cząsteczek ośrodka rozpraszającego, jej

wielkość waha się w granicach 10

-9

m – 10

-7

m.

Koloidy

Roztwory koloidalne

pod względem stanu skupienia fazy

rozpraszającej i rozproszonej można podzielić na 8 typów

(podstawowych) które zebrano w tabeli:

Źródło: http://www.chemia.dami.pl/liceum/liceum9/roztwory3.htm

Koloidy

Roztwory koloidalne

pod względem oddziaływań

pomiędzy fazą rozproszoną a fazą dyspersyjną można

podzielić na:



koloidy liofilowe – cząsteczki fazy rozproszonej ulegają

solwatacji przez cząsteczki fazy dyspersyjnej (w przypadku

środowiska wodnego proces ten nazywa się hydratacją). W

wyniku tego tworzy się otoczka hydralizacyjna, która

przeciwdziała zlepianiu się cząstek. Są to m.in. białka,

żelatyna.



koloidy liofobowe – w tym przypadku cząsteczki fazy

rozproszonej

wykazują

mniejsze

powinowactwo

do

rozpuszczalnika, nie otaczaja się otoczka solwatacyjną.

Roztwory te stabilizowane są głównie dzięki absorpcji jonów

elektrolitu z roztworu. Cząstka fazy rozproszonej adsorbuje na

swej powierzchni jony określonego jednego znaku. Są to np.:

zole niektórych metali.

Koloidy

Zawiesiny

– mieszaniny niejednorodne, w których średnica

cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy

ośrodka rozpraszającego i wynosi powyżej 10

-7

m.

Gęstość fazy rozproszonej w zawiesinach jest na ogół większa

niż gęstość fazy rozpraszającej i z tego powodu rozproszone

cząstki fazy stałej mają tendencję do sedymentacji.

Sedymentacją (dla przypomnienia) określamy opadanie

cząstek w płynie. Proces sedymentacji zależy od wielu

czynników: stężenia cząstek opadających, ich wymiaru,

kształtu, gęstości, temperatury oraz jeżeli jest to opadanie w

strumieniu płynu, również od prędkości i kierunku przepływu

tego płynu.

Zawiesiny

Żele

– szczególny rodzaj układu koloidalnego, będący

efektem koagulacji zolu. Zazwyczaj posiada konsystencję

galaretowatą, choć niektóre rodzaje żelu są sztywne.

Żel powstaje w momencie, gdy w układzie koloidalnym

znajduje się tak dużo cząstek koloidalnych, że stykają się one

lub łączą się ze sobą w wielu punktach, tworząc strukturę sieci

przestrzennej. Sieć ta rozprzestrzenia się w całej objętości

substancji uniemożliwiając swobodne przemieszczanie się

cząsteczek fazy rozpraszającej (cieczy lub gazu). Nazywa się to

procesem

koagulacji

.

Żele

Warunkiem niezbędnym dla wytworzenia się żelu jest

niemieszalność jego składników (np. liofilowość jednego i

hydrofilowość drugiego).

Niektóre żele mogą zachowywać sztywność (stabilność

kształtu) przy obecności cieczy lub gazu nawet do 99%.

Wśród żeli w zależności od użytej fazy rozpraszającej możemy

wyróżnić:



hydrożele – oparte na roztworach wodnych i wodno-

alkoholowych



lipożele – układy ciekłokrystaliczne lub mikroemulsyjne

Żele

Hydrożele

– żel, w którym fazą rozproszoną jest woda. Jako

fazę formującą (substancję żelującą) stosuje się rozmaite

polimery zarówno naturalne jak i modyfikowane oraz sztuczne

(np. związki celulozy, poliakrylany). Przykładem hydrożelu jest

galaretka z żelatyny.

Zastosowanie w kosmetyce:

•

modelowanie włosów

•

pielęgnacja skóry

•

demakijaż

•

maseczki

•

higiena jamy ustnej

Żele

Mikroemulsje

– to układy dyspersyjne jednej cieczy w drugiej,

lecz rozmiar kropli wynosi zaledwie 0,15µm. Układ jest

przezroczysty, jednofazowy.

Mikroemulsje, w przeciwieństwie do emulsji, tworzą się

spontanicznie w danych warunkach.

Mikroemulsja składa się z trzech podstawowych składników:

•

wody

•

oleju

•

surfaktantu

•

czasem kosurfaktantu – surfaktantu pomocniczego

Mikroemulsje

Zalety mikroemulsji:

•

tworzą się spontanicznie bez udziału energii mechanicznej –

łatwość tworzenia się

•

są termodynamicznie stabilne

•

mają dużą zdolność solubilizacji

•

większa efektywność działania aktywnych składników

Mikroemulsje

Porównanie emulsji i mikroemulsji:

Mikroemulsje

Źródło: http://www.pharmainfo.net/reviews/microemulsions-novel-drug-delivery-vehicle

Porównanie emulsji i mikroemulsji:

Mikroemulsje

Źródło: http://www.pharmainfo.net/reviews/microemulsions-novel-drug-delivery-vehicle

Układy ciekłokrystaliczne

są tworzone zazwyczaj przez

środki powierzchniowo czynne. W miarę wzrostu stężenia SPC

może

w

sprzyjających

warunkach

następować

samoorganizacja cząsteczek SPC w uporządkowane struktury –

lamellarną, heksagonalną lub regularną.

W emulsjach O/W procesowi temu sprzyja obecność dwóch

rodzajów

emulgatorów

–

głównego,

o

własnościach

hydrofilowych i pomocniczego koemulgatora o wysokiej

lipofilowości.

Układy ciekłokrystaliczne

Struktura lamellarna

złożona jest z podwójnych warstw

cząsteczek SPC, przedzielonych warstwami rozpuszczalnika

Układy ciekłokrystaliczne

Struktura heksagonalna

zbudowana jest z podłużnych

miceli o kształcie cylindrycznym, gdzie każda micela otoczona

jest sześcioma innymi

Układy ciekłokrystaliczne

Struktura regularna

zbudowana jest z sferycznych miceli

upakowanych w regularną strukturę przestrzenną

Układy ciekłokrystaliczne

Nazwa „ciekły kryształ” wzięła się stąd, że mają one

uporządkowaną

strukturę,

której

konsekwencją

są

anizotropowe właściwości optyczne.

Wiąże się to z tym, że próbka lśni, gdy umieścimy ją naprzeciw

źródła światła między dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami.

Wykorzystuję się tą własność do stwierdzenia obecności

ciekłego kryształu. Mikroemulsje są ciemne w tych warunkach.

Ciekłe kryształy wykazują znacznie większą lepkość niż

emulsje i mikroemulsje.

Układy ciekłokrystaliczne

Układy ciekłokrystaliczne wykazują własności zarówno fazy

ciekłej jak i stałej – mezofazowe.

Można wyróżnić:



termotropowe ciekłe kryształy – faza ciekłokrystaliczna

tworzy się na skutek ogrzewania stałych kryształów



liotropowe ciekłe kryształy – faza ciekłokrystaliczna tworzy

się na skutek rozpuszczania cząsteczek mających tendencję do

tworzenia mezofazy w odpowiednim rozpuszczalniku

Układy ciekłokrystaliczne

Korzyści

płynące

ze

stosowania

układów

ciekłokrystalicznych w kosmetyce:



efektywniejsze

działanie

składników

czynnych

zawartych w kosmetykach



zwiększenie stabilności emulsji poprzez tworzenie

wokół kropli cienkiej warstwy ciekłokrystalicznej



pełnią funkcję ochronną dla wrażliwych składników

kosmetyków np. witamin

Układy ciekłokrystaliczne

Piany

jest to układ koloidalny uzyskany w wyniku

zdyspergowania w cieczy substancji gazowej. Obie fazy

znajdują się w stanie równowagi tak, że nie następuje

pękanie baniek na powierzchni cieczy lub, jeżeli ono

następuje, to odbywa się powoli. Piana musi posiadać

określoną trwałość.

Piany są układami niestabilnymi termodynamicznie.

Banieczki gazu rozdzielone są cieniutkimi warstwami

cieczy. Istnieją także piany stałe.

Piany

Trwałość pian zależy od wzmocnienia błonek oddzielających

banieczki gazu cienkimi warstewkami SPC.

W technice piany wytwarza się zwykle przez doprowadzenie

powietrza do cieczy przez małe otwory (np. szkło porowate) lub

w wyniku mechanicznego wstrząsania i mieszania cieczy z

powietrzem.

Piany

W celu uzyskania trwałych pian, oprócz fazy

rozpraszanej (gazu) i ośrodka dyspersyjnego (cieczy)

trzeba

wprowadzić

substancję

pianotwórczą

o

właściwościach stabilizatora.

Substancje spieniające są to przeważnie SPC.

Piany

Powstawanie piany przez wdmuchiwanie powietrza do

roztworu SPC.

Piany

Cechy charakterystyczne pian to:



zdolność pienienia wyraża się poprzez wysokość lub

objętość piany utworzonej w określonych warunkach.



gęstość pian wyrażona jest stosunkiem objętości

roztworu przeprowadzonego w pianę do objętości piany.

Własność ta stanowi wskazówkę czy piana jest mokra czy

bardziej sucha.



trwałość pian wyraża się poprzez jej wysokość lub objętość

po upływie określonego czasu od jej utworzenia.

Piany

Typy pian:



prosta



struktura plastra miodu



piana lamellarna

Piany

GAZ

CIECZ

Stabilność piany jest zależna od:



rodzaju SPC i jego stężenia



temperatury



lepkości fazy ciekłej



obecności stabilizatorów



obecności elektrolitu



obecności ciał stałych

Piany

W kosmetyce, oprócz zastosowania SPC jako emulgatorów,

dyspergatorów, zwilżaczy ważne znaczenie mają również

własności

pianotwórcze, czyli zdolność tworzenia obfitej, gęstej i trwałej

piany.

Różne artykuły kosmetyczne wymagają piany o odmiennych

właściwościach np. w szamponach mogą być przeciętne, gdyż w

trakcie mycia pomiędzy włosami a palcami rąk występuje ciągłe

tarcie, co sprzyja tworzeniu się piany; w środkach do kąpieli

piana powinna być stabilna i „sztywna”, co ma na celu

opóźnienie stygnięcia gorącej kąpieli oraz delikatnie masować

ciało; w preparatach do golenia wytworzona piana musi być

„sztywna”, aby utrzymywać uniesiony zarost.

Piany

Aerozol

odmiana gazozolu, układ koloidalny, w którym

ośrodkiem rozpraszającym jest powietrze, a cząstkami

koloidalnymi są substancje ciekłe lub stałe. Aerozole są

najpowszechniejszą odmianą gazozoli. Aerozole dzieli się na

mgły (cząstki ciekłe) i dymy (cząstki stałe).

Pojecie aerozolu znane jest nam również jako preparat

kosmetyczny aplikowany w formie aerozolu. Opakowania

takich kosmetyków mogą być wysokociśnieniowe (blacha

ocynkowana, aluminium) i niskociśnieniowe (szkło).

Aerozole

Opakowanie aerozolowe

składa się z pojemnika i zaworu

rozpylającego. Niezbędnym

elementem zaworu

aerozolowego  jest główka

rozpryskowa, czasami o dość

skomplikowanej konstrukcji,

połączona z aplikatorem

umożliwiającym zastosowanie

preparatu.

Aerozole

Źródło: http://science.howstuffworks.com/innovation/everyday-innovations/aerosol-can3.htm

W skład aerozolu

wchodzą:



gaz pędny = propelent



koncentrat

•

składniki aktywne

•

rozpuszczalnik

•

inne

Aerozole

Gaz pędny wchodzący w skład aerozolu

jest jego siłą

napędową. Jego obecność powoduje m.in. Tworzenie się piany

lub filmu po aplikacji na powierzchni. Im więcej propelentu

tym mniejsze są kropelki i mniejsza zdolność tworzenia filmu.

Mogą nim być:



węglowodory np. propan, butan, izobutan – są

kompatybilne z rozpuszczalnikami organicznymi i stabilne,

jednak ich wadą jest to, że są palne i wybuchowe



hydrofluorokarbony – węglowodory zawierające co

najmniej

jeden

atom

fluoru.

Są

kompatybilne

z

rozpuszczalnikami organicznymi i stabilne, nieszkodliwe dla

środowiska jednak drogie.

Aerozole

Gazem pędnym mogą nim być c.d.:



eter

dimetylowy

–

również

kompatybilny

z

rozpuszczalnikami organicznymi i stabilny, nieszkodliwy dla

środowiska, a ponadto mieszalny z wodą. Niestety palny i drogi.

Dawniej stosowano freony czyli chlorofluorokarbony, ale zostały

wycofane ze względu na niszczenie warstwy ozonowej.

Aerozole

Rozpuszczalnik wchodzący w skład aerozolu

wpływa

na zwiększenie kompatybilności pomiędzy składnikami

kosmetyku a propelentem. Rozpuszczalnik daje homogenny

produkt, a także wpływa na lepkość – lepkie ciecze nie dają

się łatwo rozpylić. Ponadto ma on wpływ na ciśnienie

wewnątrz opakowania.

Rozpuszczalnikiem może być:



woda



etanol



glikole



silikony



estry tłuszczowe

Aerozole

Woda

jest tanim surowcem, nie jest rozpuszczalnikiem

lotnym. Niestety wpływa na zmniejszenie rozpuszczalnośći

związków organicznych i wydłuża czas schnięcia.

Etanol

powoduje

szybkie

odparowywanie,

jest

kompatybilny z innymi składnikami preparatu. Często jest

stosowany w dezodorantach i antyperspirantach.

Aerozole

Formy aerozoli:



roztwory – gaz pędny i koncentrat muszą być ze sobą

całkowicie mieszalne. Gaz nośny szybko odparowuje, a

pozostaje koncentrat.



emulsje – O/W, wydzielane jako piany. Gaz nośny nie

może mieszać się z faza wodną a musi rozpuszczać się w

fazie

tłuszczowej.

Gaz

nośny,

pod

ciśnieniem

atmosferycznym, odparowując tworzy pianę.



dyspersje

•

aerozole „suche” np. szampony, antyperspiranty

•

zawiesiny ciała stałego w gazie lub rozpuszczalniku

Aerozole

DZIĘKUJE ZA UWAGĘ

DZIĘKUJE ZA UWAGĘ