Chemia kosmetyczna Dr inż. Beata Orlińska

Chemia kosmetyczna
Dr inż. Beata Orlińska
Katedra Technologii Chemicznej Organicznej i Petrochemii
Cel ćwiczenia
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) CnH2n+1-COO-Me+, sulfoniany CnH2n+1-SO3-Me+ i siarczany CnH2n+1-OSO3Me+. 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.
Amfoteryczne ZPC
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 hydrofilowolipofilowy 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
Woda destylowana
63cm3
Faza wodna:
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.