Come controllare la stabilità delle formulazioni cosmetiche

L'emulsione è un sistema termodinamicamente instabile e la sua durata è limitata. Indica che la stabilità dell'emulsione è una questione importante per i formulatori cosmetici. I cosmetici commerciali devono avere una durata di conservazione di 2-3 anni. La durata di conservazione di un'emulsione può essere definita come il tempo necessario affinché l'emulsione si deteriori a un livello inaccettabile per i consumatori. Ci vuole un lungo periodo di tempo prima che i cosmetici commerciali siano distribuiti e conservati ai consumatori. Generalmente, la durata di conservazione dei cosmetici è da 2 a 3 anni. Alcuni paesi richiedono emulsioni da banco (OTC) contenenti agenti per la protezione solare per avere una stabilità superiore a 5 anni. Poiché la misurazione della durata di conservazione in tempo reale richiede molto tempo, generalmente le aziende cosmetiche raramente conducono ricerche sulla durata di conservazione in tempo reale, quindi è importante progettare test che prediscino con precisione la durata di conservazione delle emulsioni. Sebbene ci siano molti programmi di questo tipo al momento, c'è ancora una certa distanza dalla realtà, indicando che la stabilità dell'emulsione non è una questione semplice.

(1) Il meccanismo di instabilità dell'emulsione

Quando l'emulsione viene invecchiata, subisce cambiamenti fisici per rendere l'emulsione instabile. Compresi gli effetti della stratificazione gravitazionale, della flocculazione e della sproporzione.

Il possibile risultato della separazione gravitazionale è la flocculazione. La flocculazione è un fenomeno di sedimentazione o stratificazione. Durante la flocculazione, è ancora emulsionato, ma il ricco strato di fase disperso è concentrato nello strato superiore (nell'emulsione O /W) o nello strato inferiore (nell'emulsione O/W). Emulsione W/O). I cambiamenti causati da questi due tipi di gravità sono reversibili e lo scuotimento può disperdere i materiali aggregati. Queste condizioni obbediscono alla legge di Stokes, cioè la velocità di separazione è proporzionale alla differenza di densità tra la fase dell'olio e la fase dell'acqua, e la viscosità della fase continua è proporzionale alla dimensione delle particelle della fase dispersa. Pertanto, aumentare la viscosità della fase continua o ridurre la dimensione delle particelle utilizzando mulini colloidi o omogeneizzazione può aumentare la stabilità dell'emulsione.

Quando le goccioline di fase disperse vengono riunite e combinate per formare goccioline più grandi, si verifica coalescenza. Alla fine si verificherà la separazione di fase. Se la quantità di emulsionante non è sufficiente a mantenere piccole le goccioline, ma sufficiente a prevenire la flocculazione, o a coalizzarsi ulteriormente in un'emulsione con una maggiore distribuzione delle particelle, questa situazione è chiamata coalescenza limitata.

L'effetto di sproporzione è causato dal fatto che la pressione interna della goccia è superiore alla pressione esterna della goccia. Questa forza motrice farà sì che i componenti chimici si disperdino da piccole goccioline a goccioline più grandi, o eventualmente alla fase continua. Poiché diversi componenti del sistema tensioattivi possono diffondersi da piccole goccioline a grandi goccioline a velocità diverse, di conseguenza, piccole goccioline diventano più piccole e le grandi goccioline diventano più grandi.

(2) Prova di stabilità dell'emulsione

Molti metodi sperimentali che prevedono la stabilità dell'emulsione sono stati riportati in letteratura. Comprende principalmente test accelerati, test in tempo reale e misurazione reologica.

1. Prova accelerata

Il test accelerato è un metodo basato sull'applicazione del carico al sistema, come l'aumento della temperatura o l'azione centrifuga. Il pericolo intrinseco di qualsiasi prova accelerata è quello di sottosotire l'emulsione a condizioni ben al di là di quanto effettivamente sperimentato. Pertanto, i risultati accelerati del test dovrebbero essere utilizzati con cura e le conclusioni dovrebbero essere confrontate e confermate dai risultati in normali condizioni di conservazione.

Il test accelerato a base di temperatura utilizza temperature elevate costanti,

(Ad esempio, 40°C o 48°C) o ciclo freeze-melt (-15~5°C a temperatura ambiente). La base teorica per l'uso di prove accelerate ad alta temperatura è l'equazione di Arrhenius che descrive la relazione tra la costante della velocità di reazione chimica e la temperatura, cioè, se la temperatura aumenta di 10 °C, la velocità della maggior parte delle reazioni chimiche raddoppia. Pertanto, 3 anni a 20°C dovrebbero essere equivalenti a 4,5 mesi a 50°C. Tuttavia, con l'aumentare della temperatura, la viscosità dell'emulsione diminuisce e l'equilibrio della solubilità del tensioattivi cambia. Possono verificarsi anche altri cambiamenti, come l'idratazione di solidi colloidali e polimeri, la partizionamento di molecole tra le due fasi e la fusione di cere o altre sostanze. Alcuni dei principali fattori che rendono stabili le emulsioni scompariranno improvvisamente ad alte temperature, con il risultato che le emulsioni diventano instabili.

I test accelerati a volte producono alcune informazioni fuorvianti. Alcune emulsioni che sono anche separate ad alte temperature possono avere una diversa durata a temperatura ambiente. Gli emulsionanti non ionici si affidano all'idratazione dei loro gruppi di polietilene per stabilizzare le emulsioni e la loro selezione si basa sulle caratteristiche dell'interfaccia a temperatura ambiente. Ad alte temperature, l'idratazione degli emulsionanti diventa più piccola e i loro valori HLB sono completamente diversi. Possono essere considerati come molecole di diverse proprietà. In alcuni casi, l'emulsione è più stabile ad alta temperatura che a bassa temperatura. In questo caso, se la conclusione viene effettuata solo sulla base del test accelerato ad alta temperatura, non solo è errata, ma anche fuorviante.

Il ciclo di congelamento-fusione aumenta anche il carico dell'emulsione e ci sono alcuni problemi intrinseci. A temperature di congelamento, la formazione di cristalli di ghiaccio in emulsioni O/W può allungare e appiattire le particelle di olio. Inoltre, la parte lipofila dell'emulsionante perde la sua fluidità e la parte idrofila si "disidrata" spontaneamente a causa del congelamento e della precipitazione dell'acqua. Se l'emulsione "polimerizza" prima che si verifichi la coalescenza, l'emulsione resisterà al test. Se la velocità di ri-dissoluzione dei componenti è lenta, l'emulsione è instabile, il che è diverso dal processo che si verifica a temperatura ambiente.

L'azione centrifuga è un altro metodo che utilizza la gravità accelerata per applicare un carico all'emulsione. Il raggio è di 10 cm e la velocità di 3750r/min per 5h è equivalente a 1 anno per la gravità. Pertanto, questo metodo può essere applicato a processi in cui la velocità è decisiva per la flocculazione e la stratificazione. Alcune persone usano il metodo di ultracentrifugazione per determinare quantitativamente la stabilità dell'emulsione. Il tempo richiesto è più breve di quello del metodo tradizionale, ma è necessario più lavoro per studiare la correlazione tra i risultati e i test in tempo reale e utilizzare la correlazione per prevedere la stabilità dell'emulsione. La velocità di ultracentrifugazione è fino a 25000r/min. In tali condizioni ad alta velocità, c'è una differenza tra la stabilità dell'emulsione e la stabilità in condizioni normali; sotto una tale centrifugazione ad alta velocità, solo la coalescenza è lo stadio decisivo della velocità, quindi goccioline o particelle Si accumulano rapidamente, causando la rapida separazione del mezzo d'acqua. In condizioni di conservazione normali, si verificano flocculazione reversibile e flocculazione irreversibile, che possono essere entrambe la fase decisiva della velocità del processo. Inoltre, l'applicazione di una forza così forte causerà la perdita del film liquido del liquido di fase acquosa tra le goccioline e causerà la distruzione del film emulsionante.

Solo studiando ulteriormente la correlazione tra i risultati della prova accelerata e i risultati in condizioni generali di conservazione, la prova accelerata può essere utilizzata correttamente per prevedere la stabilità dell'emulsione.