CC BY
67
УДК 541.182.4
М. В. Потапова, Р. И. Юсупова, Е. М. Кулагина
РЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ
ПОЛИМЕРНОЙ КОСМЕТИЧЕСКОЙ КОМПОЗИЦИИ
Ключевые слова: косметические глины, реологические характеристики, седиментация, стабилизация, дестабилизация,
микрорельеф суспензии глин.
Изучено влияние добавки глицерина на устойчивость и реологические характеристики суспензии глин. Показано стабилизирующее и дестабилизирующее действие добавки. Определена зона стабильных реологических характеристик
Keywords: cosmetic clay, rheological properties, sedimentation, stabilization, destabilization, micro-relief suspension of the clays.
Studied the influence of addition of glycerol on stability and rheological characteristics of clay suspensions. Shown the stabilizing and destabilizing additives. Defined the area of stable rheological characteristics
Косметические средства - это многокомпонентные системы, причем в последних разработках чаще всего это гели. В качестве гелеобразо-вателя распространены редкосшитые акриловые полимеры - карбомеры (карбокси-винилполимеры) - анионные полиэлектролиты. Они входят в состав средств, которые могут контактировать со слизистыми, кожей (зубные пасты, гели для волос и др.) Молекулярная масса карбомера (или карбопола) 86100 тыс. [1]. Его содержание в косметическом средстве, например, в геле для укладки волос, колеблется от 0,19 до 0,39% масс. Как вещество, балансирующее рН, выступает триэтаноламин (0,5-1,0% масс.), смягчающим компонентом является глицерин (>5-10%), структурообразователем (или загустителем) - зеленая глина (1-5%), также ПАВ и со-ПАВ, растворитель - вода до 100%.
В последние годы в косметике огромную популярность приобрели глины. Глины используются в косметических масках, зубных пастах, пудрах, гигиеническом тальке и т.д. Существует множество рецептов масок на основе разных видов глин, которые можно приготовить в домашних условиях. Однако такие маски очень сушат кожу лица, поэтому лучше пользоваться глиняными масками на эмульсионной основе - готовыми косметическими продуктами. Они щадяще действуют на кожу, лучше сохраняют влагу и обладают более выраженным увлажняющим эффектом [2].
Известно, что в качестве влагоудерживаю-щего и увлажняющего компонента в косметических средствах широко используется глицерин, это трехатомный спирт (НОСН2—СНОН—СН2ОН), который прекрасно смешивается с водой и другими жидкостями Его вводят практически в любой косметический препарат с целью улучшения реологических характеристик готовой продукции и других потребительских показателей.
Цель работы заключалась в изучении реологического поведения и устойчивости косметических глин в водной и водно-глицериновой среде (с варьируемым содержанием неводной составляющей) Объектами исследования служили суспензии различных цветных глин - белой, красной, розовой. Использовали глины фирмы-
изготовителя ООО «ДНЦ Косметика», соответствующие ТУ 9158-001-77370144-05.
Ранее был определен размер частиц (г=0.84-1.010-5м) и проведена оценка полидисперсности систем [3] с помощью седиментационного анализа по методике [4] на торсионных весах типа ВТ-500. Концентрация дисперсной фазы в суспензиях варьировалось от 5 до 15 % масс. Содержание глицерина в дисперсионной среде - от 10 до 60 % масс. Введение глицерина в количестве более 60 % масс. сильно затрудняло седиментацию глин.
Оценку скорости седиментации (скорости осаждения) проводили, контролируя продвижение границы раздела «частицы дисперсной фазы -дисперсионная среда», с использованием стандартных мерных цилиндров (ГОСТ 1770-74) объемом 100 мл по методике [5] в условиях стесненного оседания - с увеличением концентрации дисперсной фазы в суспензии уменьшается расстояние между частицами, они взаимодействуют друг с другом, препятствуя оседанию, в результате чего происходит уменьшение скорости осаждения [6].
С помощью безразмерного параметра D проводили количественную оценку влияния добавки глицерина на стабильность суспензий косметических глин:
D = (V - Vo)/Vo, где D - относительная скорость осаждения глин, V - соответственно, скорость седиментации глины в воде и водно-глицериновой смеси [4]. Для определения концентрационных областей действия вводимой добавки глицерина по кривым седиментации был рассчитан параметр D для 30-, 40-, 50 %-го осветления мерного цилиндра. В таблице 1 приведены данные по D5o%.
Согласно данным таблицы 1 добавка глицерина неоднозначно действует на различные виды глин. Введение глицерина в суспензию красной глины приводит к ее стабилизации ^<0). Для белой глины преимущественно проявляется дестабилизирующее воздействие. Для розовой глины - различная ширина концентрационных зон стабилизации и дестабилизации системы. По данным атомно-силовой микроскопии (АСМ) розовая глина располагается на поверхности в виде достаточно
хорошо диспергированных образований, однако, практически не покрывающих сплошь поверхность, рис. 1. Этим ее микрорельеф отличается от глины белой и красной [7]. При введении глицерина в дисперсионную среду от 10 до 30 % масс. проявляется дестабилизирующее действие, дальнейшее увеличение содержания глицерина до 60 % масс. повышает устойчивость дисперсной системы независимо от концентрации дисперсной фазы. Неоднозначное поведение различных глин в воде и водно-глицериновых смесях связано, по-видимому, с природой дисперсной фазы. В белой глине - максимальное содержание
преимущественно Si, Zn, Mg, в красной - Си, FeO, а в розовой - Si,Fe,Mg,Ca.
Таблица 1 — Относительная скорость осаждения глин D50%
Сд.ф/ Содержание глицерина в водно-
/ глицериновой смеси, % масс.
/050% 60 50 40 30 20 10
Розовая глина
5 -0,894 -0,818 1 -0,722 1 1,5
7 -0,76 -0,774 -0,657 0,5 0,2 0,2
10 -0,208 -0,387 -0,782 -0,774 0,267 -0,661
15 -0,162 -0,696 -0,677 -0,557 - -
Красная глина
10 -0,709 -0,809 -0,667 -0,689 -0,01 -
12 -0,702 -0,702 -0,605 -0,699 -0,361 -
15 -0,688 -0,75 -0,722 -0,706 -0,851 -
Белая глина
10 - - - 0,01 0,222 -
12 0,07 0,513 0,219 0,404 - -
15 0,088 0,233 - -0,02 0,568 -
Рис. 1 - Микрорельеф суспензии розовой глины в воде
Реологические исследования косметических композиций необходимы для оптимизации их свойств. Возможно определение текучести, вязкости, особенностей структуры, способности к сопротивлению сдвигающим усилиям в зависимости от введения загустителей или модифицирующих добавок [9]. Исследования проводили на ротационном вискозиметре «Полимер РПЭ-1.М.2» с системой воспроизводящих элементов Т1-В1. Методика основана на измерении усилия необходимого для вращения внутреннего цилиндра относительно наружного при заполнении пространства между ними испытуемой жидкостью (системой) при заданной температуре.
Были получены значения напряжения сдвига т, (рис. 2) при условии постоянства и достаточно высокой скорости сдвига у, которая составила 708,8 сек-1. Предельное напряжение сдвига характеризует прочность.
г,Па
14 ■]
11 ■
10 ■
8
6 1
4
г
0 \
15 25 35 45 55
Содержание глицерина в в одно-глицеринов ой смеси, % масс.
Концентрация дисперсной фазы С д.ф., % масс. -*-]<>
Рис. 2 - Зависимость напряжения сдвига от содержания глицерина в водно-глицериновой смеси для белой глины
При этом концентрация дисперсной фазы несущественно влияла на напряжение сдвига.
Величина вязкости, зависящая от напряжения сдвига, названа эффективной или структурной вязкостью:
Лэфф = т/у
Вязкость характеризует степень текучести жидкости или степень подвижности ее частиц, причем нелинейный характер зависимости вязкости указывает на структурирование в системе, т.е. переменные значения вязкости являются следствием возникновения и разрушения структуры. Все это приводит к изменению вязкости системы, что наиболее явно проявляется с увеличением процентного содержания глицерина в системе.
Для глинистых суспензий характерно возникновение коагуляционных структур, когда взаимодействия между частицами дисперсной фазы осуществляются через прослойку дисперсионной среды. Если частицы системы анизометричны или способны деформироваться, то при течении могут проявляться различные тенденции, поскольку сдвиговые напряжения придают частицам
вращение, деформируют частицы, ориентируют их в потоке. Различия в форме частиц и во взаимодействии между ними наблюдали на микрорельефах белой и красной глин, полученных ранее методом АСМ [7].
На представленных (рис. 3) графических зависимостях можно выделить две области: I -содержание глицерина в дисперсионной среде от 0 до 35 % масс., II - от 35 до 60 % масс.
Концентрация дисперсной фазы С д.ф., % масс. ю -«-12
Рис. 3 - Зависимость вязкости суспензий глины от содержания глицерина в водно-глицериновой смеси: а - белая глина, б - красная глина
В интервале I, независимо от концентрации дисперсной фазы, вязкость системы практически не меняется, то есть реологическое поведение суспензий характеризуется постоянством параметров, что с технологической точки зрения является положительным моментом. Неоднозначно поведение исследуемых систем в интервале II, а именно, наблюдается резкое возрастание вязкости, что косвенно свидетельствует о дальнейшем
структурировании системы возможно за счет усиления сцепления в контактах между частицами, это нежелательно. С помощью добавок ПАВ можно модифицировать поверхность частиц дисперсной фазы - существенным образом влиять на силы сцепления в межчастичных контактах. Ранее с этой целью использовали цвиттерионные ПАВ - бетаины: алкилбетаин, кокамидо-пропилбетаин,
олеиламидопропилбетаин. Было установлено, что в составе композиции бетаины могут выступать как регуляторы вязкости и был определен предел текучести как характеристика прочности структур. [10].
Проанализировано влияние вводимой в дисперсионную среду добавки глицерина на устойчивость и реологические характеристики дисперсной системы. Оценено стабилизирующее и дестабилизирующее действие. Определена зона стабильных реологических характеристик - при содержании глицерина в дисперсионной среде: от 0 до 35 % масс.
Таким образом, возможен сравнительный анализ и ввод в состав композиций ингредиентов с заданными свойствами.
Литература
1. Карбомер в косметике [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://forum.aroma-beauty.ru/index.php?showtopic=3535,
2. Глиняная красота. http://beauty.passion.rU/l.php/glinyanaya-krasota.htm.
3. Н.В. Шигаева, М.В. Потапова, Р.И. Юсупова, Ю.Г. Галяметдинов, Вестник Казанского технологического университета, 11, 95 - 98 (2013)
4. А.Я. Третьякова, Г.Я. Вяселева, А.И. Курмаева, С.В. Крупин, Г.В. Булидорова, В.П. Барабанов. Поверхностные явления и дисперсные системы: лабораторный практикум. Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2005. 128 с.
5. С.В. Крупин, В.А. Мягченков, А.Я. Третьякова, Г.Я. Вяселева, А.И. Курмаева, А.А. Коноплева, Д.М. Торсуев, Г.В. Булидорова, Практикум по физикохимии растворов и дисперсий полимеров. Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2003. 154 с.
6. Ю.И. Вейцер, Д.М. Минц. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. Стройиздат, Москва, 1984. 201с.
7. М.В. Потапова, Р.И. Юсупова, Е.М. Кулагина, Ю.Г. Галяметдинов, Вестник технологического университета, 19, 7, .25 - 28 (2016)
8. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя. - М.: Химия, 1967. -182 с.
9. В.Е. Ким, А.С. Гродский, Практикум по технологии косметических средств. Коллоидные ПАВ и свойства их растворов. Химия, Москва, 2003. 141с.
10. М.В. Потапова, Р.И. Юсупова, Е.М. Кулагина, Ю.Г. Галяметдинов, Вестник Казанского технологического университета, 17, 9, 125-129 (2014)
© М. В. Потапова - к.х.н., доцент кафедры физической и коллоидной химии института полимеров КНИТУ; Р. И. Юсупова -к.х.н., зав. лаб. той же кафедры; Е.М. Кулагина - к.х.н., доцент той же кафедры, [email protected].
© M. V. Potapova - Ph.D. (Chem.), associate Professor of physical and colloid chemistry, Institute of polymers KNRTU [email protected]; R. 1 Yusupova - Ph.D. (Chem.), head of laboratory of the same Department; E. M. Kulagina - Ph.D. (Chem.), associate Professor of the same Department [email protected].
а
б
