CC BY
43
УДК 541.182.4
М. В. Потапова, Р. И. Юсупова, Е. М. Кулагина, Ю. Г. Галяметдинов
СЕДИМЕНТАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ И МИКРОРЕЛЬЕФЫ ЦВЕТНЫХ ГЛИН
Ключевые слова: цветные глины, косметическая продукция, седиментация, дисперсная фаза, распределение частиц,
микрорельеф суспензии глин.
Изучено седиментационное поведение белой и красной глин в условиях стесненного оседания. Получены микрорельефы глин методом АСМ. Показано выравнивание микрорельефа при смешении цветных глин.
Keywords: color clay, cosmetic products, sedimentation, dispersed phase, distribution ofparticles, the micro-relief of the suspension of clays.
Studied the sedimentation behavior of white and red clays in the constrained sedimentation. Received the microreliefs of clays by AFM. Shows the alignment of the microrelief when mixing colored clays.
При разработке и производстве косметической продукции в настоящее время широко применяются природные глины. Глины используются в косметических масках, зубных пастах, гигиеническом тальке и т.д. Чаще всего на их основе изготавливают очищающие, противо-
воспалительные и отбеливающие маски для проблемной, жирной и смешанной кожи. Существует множество рецептов масок на основе разных видов глин, которые можно приготовить и в домашних условиях. Природным глинам свойственна высокая гигроскопичность,
пластичность, а также стимулирующая и антисептическая активность [1]. В косметическом производстве применяют очищенные,
обесцвеченные и тонкодисперсные сорта глин, они не растворимы в воде, не имеют запаха и вкуса. Важным является контроль микробиологической чистоты и содержание тяжелых металлов [2].
Самой популярной среди всех видов глин является белая глина (каолин). Неабразивный характер и безвредность для человеческих тканей делают ее ценным ингредиентом в косметологии. Ее можно найти в составе средств таких известных производителей, как: Palmolive, Manhatten, Green Mama, Avon, Oriflame, Faberlic, Jaques Dessange и многих других. Глина усиливает бактерицидное действие некоторых веществ, поэтому ее добавляют в противовоспалительные мази и маски. Кроме того, белая глина используется в декоративной косметике в составе пудр и сухих дезодорантов. Каолин - нежнейший абразив (эксфолиант), что позволяет использовать его в качестве мягкого нетравматичного скраба. В дорогих зубных пастах белая глина теперь заменяет мел. Каолин практически не требует "помощников", таких как ПАВ. В настоящее время стали готовить смеси глин в различных сочетаниях, например, розовую глину получают смешиванием белой и красной, что позволяет акцентировать те или иные ценные свойства цветных глин. На основе таких смесей готовят средства двойного действия - используют в качестве маски и скраба. Красная глина входит в состав масок, кремов и пен для ванны [3-5].
При разработке и испытании косметической продукции, в том числе на основе природных глин, важными являются представления об устойчивости,
агрегации и структурообразовании дисперсных систем. Устойчивость коллоидных систем характеризуется неизменностью во времени равновесного распределения дисперсной фазы в объеме среды.
Целью работы явилось изучение седиментационного поведения суспензий глин, исследование факторов стабилизации этих дисперсных систем, что представляет существенный практический и научный интерес для химиков-технологов.
Объектами исследования служили различные виды глин в воде:
- белая (в состав входят 81, 2и, Mg);
- красная (Си, БеО);
В данной работе использовали глины фирмы-изготовителя ООО «ДНЦ Косметика», соответствующие ТУ 9158-001-77370144-05.
Исследуемые дисперсные системы представляют собой суспензии. Это коллоидные системы с размером частиц 10-6 - 10-4 м, имеющие твердую дисперсную фазу и жидкую дисперсионную среду. Концентрация дисперсной фазы в суспензиях варьировалось от 0,8 до 15 % (масс).
Для определения размера частиц и оценки полидисперсности таких систем ранее [6] был проведен седиментационный анализ по методике [7] на торсионных весах типа ВТ-500. Согласно полученным данным белая глина близка к монодисперсной с радиусом частиц гср, = 0,98 -10-5 м, радиус частиц красной глины - гср = 1,4 -10-5 м.
Поскольку суспензии цветных глин могут использоваться как самостоятельно (концентрация дисперсной фазы СдФ ~ 60 - 80 %) в виде аппликаций, так и в составе готовых форм, где СдФ > 5 %, то оценку скорости седиментации проводили в условиях стесненного оседания методом контроля за продвижением границы раздела частиц дисперсной фазы и дисперсионный среды с использованием стандартных мерных цилиндров (ГОСТ 1770-74) объемом 100 мл по методике [8]. Этот метод применяют для систем с небольшой полидисперсностью в том случае, если возможна четкая фиксация фронта продвижения частиц вдоль высоты мерного цилиндра. Эффект стесненного оседания заключается в следующем: при увеличении концентрации твердой фазы в суспензии уменьшается расстояние между частицами, они взаимодействуют друг с другом,
препятствуя оседанию, в результате чего происходит уменьшение скорости седиментации [9,10].
При оседании частиц суспензий выбранных глин образуется четкая граница между частицами и осветленной частью цилиндра. Движение этой границы во времени определяет скорость седиментации. Через определенные промежутки времени определяли высоту осветленной части суспензии Носв.ч. по формуле:
Нп
нп
х 100%,
где Н0 - исходная высота дисперсного слоя в цилиндре (в делениях), Н0 = 100; Н4 - высота дисперсного слоя (в делениях) в момент времени 1. По рассчитанным данным строили кинетические кривые седиментации суспензий косметических глин, представляющие собой зависимости высоты осветленной части цилиндра Носв.ч. (в процентах) от времени 1.
Сопоставление кривых седиментации позволяет сделать вывод о влиянии концентрации дисперсной фазы на скорость седиментации: чем круче кривая седиментации, тем больше скорость оседания. Из анализа графиков следует, что с ростом концентрации дисперсной фазы стабильность суспензий возрастает, рис. 1, (аналогичные зависимости получены для белой глины).
Н %
осв.ч.'
100 80 60 40 20
0 20 40 60 ^мин
Концентрация дисперсной фазы, С„
-'д.ф.'
•5
10
15
Рис. 1 - Зависимость степени осветления суспензии красной глины в воде от времени оседания
Как уже отмечалось, относительно большие размеры частиц суспензий приводят к седиментации, при этом частицы отличаются друг от друга по своей форме, по возможным взаимодействиям между частицами, по расположению их относительно друг друга, как в объеме, так и на поверхности. Несомненно, важным фактором является природа частиц дисперсной фазы минеральной суспензии (например, наличие оксидов в минералогическом составе), что подтверждается кривыми седиментации. Для получения сведений об ориентации частиц относительно друг друга и равномерности их распределения на подложке использовали информативно-
иллюстративныи метод атомной силовои микроскопии (АСМ) [11].
Предварительно приготовили суспензии глин в дистиллированной воде, после чего с помощью ультразвуковой установки УЗУ-0,25 нанесли полученную суспензию на твердую подложку, с которой проводили дальнейшие исследования на атомном силовом микроскопе Multi Mode V фирмы-изготовителя Veeco (США). Этот современный микроскоп зондирует поверхность образца при помощи острой иглы, длина которой равна нескольким микронам, а диаметр <100А°. Иглы располагаются на свободном конце кремниевого держателя (кантиле-вера), длина которого составляет от 100 до 200 микрон. Применялся кремниевый кантилевер марки CSC-12 с константой жесткости 0,03Н/м. Силы, возникающие между иглой и поверхностью образца, вызывают изгиб или отклонение кантилевера. Детектор измеряет степень отклонения кантилевера по мере прохождения иглы над образцом или по мере перемещения образца под иглой. Возможны два дистанционных режима работы атомного силового микроскопа: контактный и неконтактный. В контактном режиме кантилевер поддерживается на расстоянии менее нескольких ангстремов от поверхности образца и межатомная сила, действующая между кантилевером и образцом, является силой отталкивания. В неконтактном режиме кантилевер поддерживается на расстоянии порядка десятых или сотых долей ангстрема от поверхности образца и межатомная сила, действующая между кантилеве-ром и образцом, является силой притяжения. Использовали неконтактный метод, что предусматривает применение вибрирующего кантилевера, который вибрирует вблизи поверхности образца. Расстояние между иглой и образцом порядка десятков или сотен ангстрема. Результирующая сила между иглой и образцом в неконтактном режиме весьма низкая, обычно около 10-8 Н. Наличие такой низкой силы имеет преимущества для изучения мягких или эластичных образцов. Дополнительным преимуществом является то, что такие образцы не загрязняются вследствие контакта с иглой. На основании полученных значений отклонения кантилевера компьютер составил карту топографии поверхности в трехмерном разрешении, а также с помощью компьютерной программы построили кривые, показывающие распределение частиц глин, нанесенных на подложку.
На рисунке 2 приведены кривые распределения частиц (агрегатов) в водной суспензии глин по поверхности подложки, а также показано трехмерное изображение микрорельефа глинистых суспензий. Причем, изображение микрорельефа было получено в различном масштабе, что позволяло увидеть как отдельные частицы, так и частицы в общей массе суспензии. Использована кремниевая подложка, представляющая собой гидрофобную поверхность (следует отметить, что наша кожа также гидрофобна).
H0_Ht
0
Рис. 2 - Трехмерное изображение микрорельефа суспензии глин в воде, кривая распределения агрегатов частиц на подложке: а - белая глина; б - красная глина; с - смесь белой и красной глин (90:10)
Как следует из рисунков, наиболее равномерное распределение частиц по поверхности подложки характерно для красной глины. В сравнении с этим, белая глина располагается на поверхности в виде крупных комков. На микрорельефе суспензии глины, полученной смешением белой и красной глин (рис. 2 с), можно выделить фрагменты, сходные с микрорельефом глин белой и красной, при этом, что важно, отмечается выравнивание рельефа белой глины. Анализировались составы белой и красной глин в соотношении 90:10, 80:20, 70:30.
С технологической точки зрения и с точки зрения потребительских качеств скрабов, масок,
средств для кожных обертываний необходима равномерность нанесения их на кожу (на подложку). В данном случае этому в большей степени отвечает красная глина, кроме того ее добавка в другие цветные глины может приводить к более равномерному распределению на подложке. Все это открывает новые возможности введения природных глин в различные виды косметической продукции.
Литература
1. Энциклопедия ингредиентов для косметики / под ред. Т.В. Пучковой. Школа косметических химиков, Москва, 2006. 336 с.
а
б
с
2 Глины и их использование в косметике http://www.krasotana5.ru/info/beauty/Gliny-i-ih-ispolzovanie-v-kosmetike/.
3. Глиняная красота. http://beauty.passion.rU/l.php/glinyanaya-krasota.htm.
4. Глина в косметике и медицине. http://www.edimka.ru/my/women/rb3/96.htm.
5. Красная глина. http://www.glinamed.jino-net.ru/red.htm.
6. Н.В. Шигаева, М.В. Потапова, Р.И. Юсупова, Ю.Г. Галяметдинов, Вестник Казанского технологического университета, 11, 95 - 98 (2013)
7. 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.
8. 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.
9. Ю.И. Вейцер, Д.М. Минц. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. Стройиздат, Москва, 1984. 201 с.
10. Пат. США 5178774 (1990)
11. A. Bijamov, F. Shubitidze, P. Oliver, D. Vezenov. Lang-muir, 26, 14, 12003 - 12011 (2010).
© 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]; Ю. Г. Галяметдинов -д.х.н., профессор, зав. каф. физической и коллоидной химии КНИТУ, [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]; Y. G. Galyametdinov - Dr. Sci. (Chem.), Full Professor head of Department of Physical and Colloid Chemistry [email protected].
