Косметика > Косметика и оборудование > Косметология

Вода. Растворители. Поверхностно-активные вещества.

1. Вода.

Вода — чрезвычайно важное вещество для живой природы. Все жизненные функции реализуются в различных по концентрации водных растворах, и без воды жизнь была бы невозможна. Вода покрывает около 80 % площади земного шара. Она существует в твердом (снег, лед), в жидком и газообразном (пар) состоянии. Содержание воды в коже в зависимости от водно-солевого баланса в организме составляет от 60 до 70%. Вода является дисперсионной средой цитоплазмы клеток, непосредственно участвует в большинстве биохимических реакций. Вода обеспечивает тургор и осморегуляцию клеточных структур.

Осморегуляция — физико-химические и физиологические процессы, обеспечивающие постоянство осмотического давления внутренней среды организма. В результате осморегуляции происходит либо выделение воды и солей из организма, либо задержка и перераспределение воды в организме.

Содержание воды в коже не зависит от воздействия косметических средств, которые могут оказать влияние только на содержание воды в верхнем, роговом, слое эпидермиса, где ее в среднем около 15%. Кожа называется сухой, если содержание воды в ней 10% и менее.

Ежесуточно кожа теряет в результате испарения около 6 мг/см² воды. В косметике стараются уменьшить трансэпидермальную потерю воды и увеличить содержание воды в роговом слое эпидермиса, особенно для увядающей кожи.

Вода находится в составе практически всех косметических средств: входит в состав гелей, шампуней, эмульсионных кремов; биологически активные добавки вводят в косметические композиции в виде водных настоев, отваров; вода является растворителем для многих ПАВ, некоторых полимеров, солей и др. и, следова­тельно, относится к основным видам сырья для косметической промышленности.

В химическом отношении вода — сравнительно прочное соединение, хороший растворитель. Все природные воды содержат в себе некоторое количество примесей.

В косметическом производстве для приготовления водных растворов используется дистиллированная вода. Получают ее в дистилляционном аппарате в результате перегонки сырой воды при помощи пара, поступающего для подогрева. Такая вода становится мягкой, поскольку при перегонке через дистилляционный аппарат теряются магниевые и кальциевые соли. Для смягчения воды добавляют водоумягчители.

В косметические изделия вводят только очищенную воду, без примесей и солей, чтобы исключить химические реакции, которые могут произойти в результате смешивания компонентов. В любом случае вода должна быть абсолютно прозрачной, не иметь запаха, цвета и вкуса.

В современных косметических рецептурах модно использовать воду из минеральных и термальных природных источников. Такая вода обогащена природными минералами, солями металлов, микроэлементами. Добавление такой воды в косметические препараты должно вызывать общее оздоровление организма и улучшение состояния кожи. Однако, необходимо тщательно проверять, как вода из термальных или минеральных источников, которая имеет высокую проводимость и ионную силу из-за наличия в ней растворимых солей, влияет на остальные компоненты косметической рецептуры.

В зависимости от вида водоподготовки различают воду деионизированную, кипяченую, дистиллированную, стерилизованную и апирогенную.

Деионизированную воду получают методом ионного обмена. Катионные ионообменные смолы позволяют удалить из воды практически полностью ионы кальция, железа, магния и таким образом, умягчить воду..

Стерилизованную воду получают при ультрафиолетовом облучении, при обработке воды хлором, озоном или с помощью мембранной фильтрации.

Хлорирование обеспечивает длительный эффект стерилизации за счет неспецифического действия хлора на клеточную мембрану. После хлорирования рекомендуется обрабатывать воду активированным углем, содержащим серебро.

2. Растворители.
   • Растворы, растворители, растворимость.

Парфюмерно-косметические производства, в основе которых лежат химические процессы, обычно связаны с использованием растворов.

Раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Наиболее распространенными являются жидкие растворы.

Все растворы состоят из растворителя и растворенных веществ. Растворителем называется тот компонент раствора, который количественно преобладает и находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор.

Например, в водном растворе соли растворителем является вода. В случае когда оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном

состоянии (например, спирт и глицерин), растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Основной признак, характеризующий растворы, — однородность, что делает их очень сходными с химическими соединениями.

При качественной оценке растворы делят на разбавленные и концентрированные. Раствор называется разбавленным при низком содержании растворенного вещества, а концентрированным — при высоком содержании растворенного вещества.

Содержание растворенного вещества в растворе может быть выражено безразмерными единицами — процентами и долями или размерными — концентрациями.

• Растворимость.

Свойство вещества растворяться в воде или другом растворителе называется

растворимостью.

Растворяемое вещество может быть в любом агрегатном состоянии: жидком, твердом и газообразном.

Растворимость в основном зависит от природы веществ. На нее могут также влиять температура и давление. Сам процесс растворения протекает самопроизвольно и связан с взаимодействием частиц растворимого вещества и растворителя.

Растворимость твердых веществ и жидкостей обычно выражают значением коэффициента растворимости, т.е. массой вещества, растворяющегося при данных условиях в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора.

• Основные растворители в косметических изделиях.

Основными растворителями применяемыми в косметических изделиях являются низкомолекулярные спирты.

Спирты — прекрасные растворители для жиров, растительных экстрактов, отдушек и биологически активных веществ. Как правило, это прозрачные бесцветные горючие жидкости со специфическим запахом и относительной плотностью меньше единицы.

Некоторые спирты, например этиловый, бензиловый, проявляют антибактериальные свойства. В косметике применяют не только одноатомные, но и многоатомные спирты: гликоли, глицерин, сорбитол.

Спирты, гликоли, глицерин используют в косметике как в чистом виде, так и в качестве полупродуктов для получения синтетических восков, жиров, полимеров и т.

д.

1. Этиловый спирт С₇Н₅ОН — легко подвижная жидкость с характерным запахом и вкусом. Содержит 96,5% этанола. Температура кипения 78,3 °С, замерзает при -117 °С. Это один из основных спиртов, используемых в производстве парфюмерных и косметических изделий.

Применяется в составе тоников, лосьонов как растворитель для введения отдушек или малорастворимых биологически активных веществ. При концентрациях выше 10% сам является консервантом. При меньших концентрациях усиливает действие других консервантов.

В настоящее время наблюдается тенденция к замене этилового спирта на другие безалкагольные растворители. В кремы для сухой и нормальной кожи вводят не более 5%, в кремы для жирной кожи не более 10%, в лосьоны-дезодоранты — до 80%. Производное этилового спирта — этилацетат — широко используется в качестве растворителя в рецептурах лаков для ногтей.

2. Изопропиловый спирт С₃Н₇ОН используется как скрытый растворитель в лаках и как увлажняющее средство в лосьонах. В косметических рецептурах часто используют его эфиры. Представляется собой подвижную прозрачную жидкость плотностью 0,785, с температурой кипения 82,4 °С и показателем преломления 1,3776. Получают его гидратацией пропилена. Заменитель этанола во многих областях применения.
3. Бутиловый и амиловый спирты используются в составе лаков для волос, лаков для ногтей в виде эфиров уксусной кислоты (бутил- и амиацетаты), являются полупродуктами для производства растворителей и душистых веществ.
4. Бензиловый спирт С₇Н₈О — очень сильное асептическое средство. Применяется в качестве антисептика в кремах, лосьонах, эликсирах, косметическом молочке и т. д. Душистое вещество, фиксатор запаха и растворитель в парфюмерии, сырье в производстве душистых веществ, растворитель красителей и сложных эфиров целлюлозы.
5. Пропиленгликолъ С₃Н₈О₂ — двухатомный спирт. Применяется в косметическом производстве как растворитель многих косметических ингредиентов: красителей, смол, экстрактов растений, биологически активных веществ, используется для снижения температуры замерзания косметических изделий (например, туши для ресниц). Легко поглощается кожей и является хорошим переносчиком влаги. Применяют пропиленгликоль в косметических кремах, в дезодорирующих карандашах. Используется в туши для ресниц, в губных помадах, дезодорантах, ан- типерспирантах, зубных эликсирах, лосьонах после бритья и др.
6. Глицерин_С3Н8О3 — трехатомный спирт применяется в составе практически любых косметических средств как быстро смягчающее кожу вещество. Небольшие по размеру молекулы глицерина способны преодолевать липидный барьер кожи и проникать в глубокие слои эпидермиса. Поэтому глицерин добавляют сейчас чуть ли не в каждое косметическое средство. Глицерин способствует, активному смешению компонентов. В больших концентрациях оказывает бактерицидное действие. Эфиры глицерина и жирных кислот используются в качестве эмульгаторов при получении эмульсионных кремов. Добавляют его в косметические кремы и лосьоны, в тушь для ресниц, в кондиционеры для волос, в зубные пасты.
7. Сорбитол С₆Н₁₄О₆ — шестиатомный спирт, получаемый восстановлением глюкозы. Применяется в качестве заменителя глицерина, входит в состав многих пита­тельных кремов. Компании, предлагающие сырье для производства косметики, применяют сорбитол и его производные в качестве эмульгаторов.
8. Холестерин и лецитин. Стерины — циклические стероидные спирты. Холестерин — продукт животного происхождения, весьма распространенный в природе. Стерины, встречающиеся в растительном мире, получили название «фитостерины», из них наиболее важным является ситостерин. Стерины хорошо

эмульгируют, могут одновременно выполнять функции эмульгаторов и

стабилизаторов эмульсий и имеют поэтому широкое применение.

9. Сложные эфиры, такие как этилацетат, этилбутират, бутилстеарат,

включаются в жидкости для снятия лака с ногтей.

10. Нитролаки — растворы нитроцеллюлозы в уксусноамиловом эфире и ацетоне, а также в других растворителях с добавлением пластификаторов. Применяют в декоративной косметике.
11. Поверхностно-активные вещества.

Косметические препараты представляют собой, как правило, мно­гокомпонентные системы.

В зависимости от природы смешиваемых компонентов такие системы могут быть гомогенными (например, растворы душистых веществ в подходящих растворителях) и гетерогенными, или дисперсными (например, эмульсии «масло/ вода» или гель- скраб).

В гомогенных системах при заданных условиях существует только одна фаза и нет границы раздела.

В гетерогенных (дисперсных) системах в термодинамическом равновесии находятся две или более фаз, между которыми существует поверхность раздела

(межфазная поверхность).

Устойчивость гетерогенных систем сильно зависит от величины межфазного на­тяжения на границе раздела фаз.

Чем ниже поверхностное натяжение на границе раздела фаз, тем более устойчивой является дисперсная система.

Поверхностное натяжение — мера нескомпенсированности межмолекулярных сил на границе раздела фаз, вследствие чего свободная энергия молекул в поверхностном слое выше, чем в объемах соприкасающихся фаз.

Стремление любой системы уменьшить свою поверхностную энергию обусловливает существование поверхностного натяжения, действие которого проявляется в стремлении уменьшить площадь контакта между фазами (например, капля жидкости на границе с воздухом принимает сферическую форму).

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это различные по химическому составу соединения, характеризующиеся способностью снижать поверхностное (межфазное) натяжение.

Особенность химического строения ПАВ — наличие в их молекулах гидрофобного углеводородного радикала и гидрофильной полярной (функциональной) группы, т. е. молекулы ПАВ являются дифильными.

Примером ПАВ являются мыла — натриевые соли высших карбоновых кислот C_nH2n+₁COONa,             основной ингредиент шампуней — этоксилированный

лаурилсульфат натрия C₁₂H25O(CH2CH₂O)2SO3Na и многие другие вещества.

Вследствие дифильности строения молекулы ПАВ обладают высокой адсорб­ционной способностью, например в эмульсии типа «вода/масло» на границе раздела фаз углеводородная часть молекулы ПАВ ориентируется к маслу, а гидрофильная группа — к воде. При этом снижается межфазное натяжение, что обеспечивает стабилизацию капель масла в воде.

Моющее действие ПАВ связано с тем, что поверхностно-активные ингредиенты мыл, шампуней, лосьонов адсорбируются на поверхности загрязнений (твердые частицы, жир и пр.), обволакивают их и стабилизируют в моющем растворе.

Уменьшая межфазное натяжение, ПАВ облегчает растекание воды или композиции на ее основе по поверхности кожи.

Классификация поверхностно-активных веществ

ПАВ классифицируют в зависимости от природы полярной группы на:

• неионные (неионогенные), которые в воде не диссоциируют на ионы,
• ионные (ионогенные). Последние в зависимости от заряда, образующегося при диссоциации в воде иона, подразделяют на анионные, катионные, амфотерные.

Анионные(-), или анионактивные, ПАВ при растворении в воде образуют отрицательно заряженные ионы с длинной углеводородной цепочкой (органические анионы) и обычный катион. Анионные эмульгаторы - весьма эффективны как при создании эмульсий типа «масло/вода», так и при создании обратных эмульсий типа «вода/масло». Анионные ПАВ - активные ингредиенты пеномоющих средств, которые обеспечивают высокое ценообразование даже в жесткой воде.

Катионные(+), или катионактивные, ПАВ при растворении в воде образуют положительно заряженные ионы (органические катионы) и низкомолекулярный анион. К катионным ПАВ относятся, например, амины, четвертичные аммониевые основания и их соли. Катионные эмульгаторы менее эффективны, чем анионные, так как они в меньшей степени снижают поверхностное натяжение. Но они могут взаимодействовать с клеточными белками бактерий, проявляя при этом бактерицидную активность. Катионные ПАВ активно используются в средствах ухода за волосами (бальзамы-ополаскиватели, антистатики, кондиционеры для волос).

Амфотерные ПАВ способны в зависимости от рН среды вести себя как анионактивные (в щелочной среде) и как катионактивные (в кислой среде). В молекулах амфотерных ПАВ присутствуют функциональные группы, способные нести и отрицательный, и положительный заряды. Они хорошо совместимы с анионными и катионными ПАВ, не меняют своих потребительских свойств при изменении рН среды. Амфотерные ПАВ обладают мягким дерматологическим действием на кожу, поэтому широко применяются в пеномоющих средствах для детей и для людей с чувствительной кожей.

Если молекулы ПАВ при растворении в воде не образуют ионов, то такие ПАВ называют неионными, или неионогенными. Неионные ПАВ имеют более слабую пенообразующую способность, чем анионные ПАВ, но их действие на кожу значительно мягче. Они применяются в пеномоющих средствах в качестве со­ПАВ, стабилизаторов пены, смачивателей и т. п.

Общие свойства поверхностно-активных веществ

1. Способность адсорбироваться на межфазной поверхности.
2. ПАВ уменьшают поверхностное натяжение, существующее на межфазной поверх­ности и обеспечивают устойчивость эмульсии. Кроме того, благодаря снижению поверхностного натяжения улучшается смачиваемость и растекаемость косметических композиций по коже.
3. Пенообразующая способность, которая в совокупности с адсорбцией на межфазной поверхности обеспечивает моющее действие ПАВ.

Таким образом, введение ПАВ в косметические композиции может преследовать разные цели. Так, молекулы ПАВ, снижая межфазное натяжение, придают устойчивость дисперсным системам (эмульсиям и суспензиям), обладают моющим действием, образуют пену, облегчают перемешивание косметических композиций. Обычно наилучший эффект достигается при использовании нескольких разных ПАВ, обладающих разными свойствами.

Взаимодействие поверхностно-активных веществ с эпидермисом

При взаимодействиии любого ПАВ с эпидермисом наблюдается «набухание» рогового слоя и увеличение его проницаемости для активных компонентов.

Кроме того, чем сильнее «набухает» роговой слой, тем лучше и быстрее происходит процесс его очищения. Вместе с тем этот процесс приводит к нарушению барьерных функций эпидермиса. Механизм этого действия связан с влиянием ПАВ на липиды кожи. В низкой концентрации ПАВ повышают текучесть липидных пластов, а в высокой концентрации они вызывают разрушение их жидкокристаллической структуры и экстракцию липидов.

Поскольку липидный барьер кожи имеет слабо отрицательный заряд, то анионные ПАВ слабо взаимодействуют с поверхностью кожи, тогда как катионные ПАВ образуют более прочные связи с отрицательно заряженными функциональными группами белков, липидов, фосфолипидов и других соединений липидного биослоя.

Поэтому анионные ПАВ дерматологически более безопасны для кожи человека. Катионные ПАВ применяются в косметике меньше, и в основном в смываемых водой косметических продуктах.

Раздражающее действие ПАВ обусловлено также денатурацией белков и инактивацией ферментов. Как следствие этого — на коже ощущается сухость, появляется раздражение и покраснение.

Учитывая выше изложенное, усилия химиков направлены на поиск новых, более мягких и не раздражающих кожу ПАВ и на оптимизацию составов косметических композиций с целью нейтрализации негативного действия ПАВ.

Перспективы применения поверхностно-активных веществ в косметических продуктах

В перспективе рынок будет предъявлять все более высокие требования к качеству ПАВ.

Повысится спрос на дерматологически мягкие и полифункциональные ПАВ. Уже сейчас шампуни, гели, пены сочетают в себе не только моющие и очищающие, но и некоторые дополнительные свойства. В дальнейшем эти требования будут только возрастать. Потребуются максимально мягкие ПАВ, обладающие большим спектром действия.

Высокие требования к чистоте окружающей среды побуждают к созданию биоразлагаемых ПАВ, получаемых из микроорганизмов. Такие биологические ПАВ (иначе биосурфактанты) являются продуктами метаболизма бактерий или компонентами их клеточных мембран. По своему химическому строению они могут быть отнесены к смешанным классам органических соединений, например к липопептидам, липополисахаридам, фосфолипидам.

Еще одна перспективная новинка в области ПАВ — Джеми-ни-ПАВ. Gemini в переводе с английского «близнецы». Такие ПАВ представляют собой димерные структуры, состоящие из двух мономерных молекул, соединенные «перемычкой». Практически речь идет о двух сцепленных между собой ПАВ.

В будущем косметическая отрасль, возможно, будет использовать ПАВ, получаемые из природного воспроизводимого сырья. Например, из кокосового масла с плантаций кокосовых пальм. Ученые считают перспективным широкое внедрение низкотемпературных технологий и оборудования при производстве и применении ПАВ.

Таким образом:

• Косметические композиции —  это      всегда многокомпонентные

гетерогенные системы, состоящие                              из         разных фаз. Для их

устойчивости необходимо присутствие веществ, понижающих поверхностное натяжение на межфазной границе.

• Молекулы ПАВ имеют двойственную природу, благодаря которой они всегда концентрируются на границе раздела фаз и понижают поверхностное натяжение.
• ПАВ классифицируют по заряду углеводородного иона, образующегося в водном растворе, на анионактивные, катио-активные, амфотерные и неионогенные.
• Однако ПАВ способны повреждать эпидермис. Поэтому при их использовании необходим тщательный дерматологический контроль.
• Косметический рынок ПАВ постоянно развивается и совершенствуется. Рынок диктует свои направления развития: применение биоразлагаемых многофункциональных ПАВ с мягким воздействием на кожу.