Поверхностно-активные вещества (ПАВ), или в дословном переводе с английского сурфактанты, являются неотъемлемой частью средств для душа и умывания. В данной статье кратко рассмотрены основные принципы, имеющие отношение к химическому составу и технологии таких средств.
ПАВ в средствах для душа и умывания это
Смачивающие агенты
Солюбилизаторы
Пенообразующие агенты
Молекулы ПАВ имеют сложную структуру и их схематично изображают как имеющих две области – полярную гидрофильную “голову”, которая контактирует с водой, и неполярный липофильный “хвост”, который избегает контакта с водой и другими гидрофильными средами. Это позволяет им располагаться на поверхности раздела фаз, таким образом снижая поверхностное натяжение.
СМАЧИВАНИЕ
Поверхностное натяжение воды обусловлено взаимным притяжением полярных молекул воды, что проявляется в виде ограниченной способности к смачиванию поверхностей и материалов. Вода собирается в капельки. В контексте очищающих средств это означает неполное удаление водорастворимых загрязнений. Добавление ПАВ снижает поверхностное натяжение воды и приводит к увеличению поверхности контакта. В связи с этим ПАВ иногда нызвают смачивающими агентами. Таким образом вода сможет удалить больше водорастворимых загрязнений за счёт увеличения поверхности контакта.
ПЕНООБРАЗОВАНИЕ
Снижение поверхностного натяжения воды ведёт к появлению следующего феномена – пены. Пена является видом эмульсии, т.е. когда происходит смешивание несмешиваемых материалов. В случае пены в средствах для душа и умывания – это смесь воздушных пузырьков и воды. В отстуствие сурфактантов очень тяжело допустить проникновение воздуха в воду, а в присутствии ПАВ происходит снижение поверхностного натяжения воды и образуется пена. Пена является одной из главных характеристик средств для душа, умывания, шампуней и т.п. Большое количество пены и её качество ассоциируются у покупателей с качеством продукта. Поэтому очень важно наличие правильного сурфактанта в продукте. Однако следует отметить, что качество пены не связано с очищающей способностью продукта. Но поскольку наличие качественной пены воспринимается потребителями как признак хорошей очищающей способности, то наличие пенообразующих агентов является значимым. Это могут быть ПАВ, а также другие пенообразующие агенты, не являющиеся ПАВ. ПАВ стабилизируют пену, не давая отдельным пузырькам воздуха собираться вместе. Липофильные “хвосты” молекул будут находиться внутри так называемых мицелл (шариков) с воздухом, а гидрофильные “головы” будут находиться на поверхности мицеллы, имеющей контакт с водой.
РАСТВОРЕНИЕ / СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ
Вода может удалять только водорастворимые загрязнения, но наличие ПАВ возволяет удалять и жирорастворимые загрязнения. В данном случае ПАВ действуют как солюбилизаторы (позволяют жирорастворимым соединениям переходить в водную фазу). Растворять они могут не только водонерастворимую грязь с последующим её удалением (заключая её в мицеллы), но и другие агенты, используемые для придания определённых качеств продукту. Например, ароматизаторы, растительные масла и т.п., которые будут заключены в “мицеллярных шариках”.
ТИПЫ ПАВ
В зависимости от заряда, который имеет “голова” молекулы ПАВ, они делятся на
анионные (отрицательный заряд)
катионные (положительный заряд)
амфотерные; в зависимости от кислотности раствора ведут себя как катионные (в кислом растворе) или анионные (в щёлочном растворе)
неионогенные (“голова” без заряда)
Первичные ПАВ
Наиболее часто в средствах для душа и умывания используются анионные ПАВ как дающие максимальное количество пены, улучшающие поверхность контакта при смачивании и удаляющие загрязнения. Это так называемые первичные ПАВ. К первичным ПАВ относятся
сульфаты, наиболее распространённым из которых является лаурет сульфат натрия (sodium laureth sulfate, SLES)
алкил сульфаты, например, лаурил сульфат натрия (sodium lauryl sulfate, SLS)
Источником лаурилового спирта, используемого при получении лаурил сульфата натрия, является косточковое пальмовое масло и кокосовое масло. При его взаимодействии с серным ангидридом образуется нестабильный сложный эфир, который стабилизируют с помощью оснований. Используются следующие основания
гидроксид натрия (sodium hydroxide)
гидроксид магния (magnesium hydroxide)
аммоний (ammonia)
триэтаноламин (triethanolamine, TEA)
моноэтаноламин (monoethanolamine, MEA)
Растворимость, вязкость и мягкость воздействия на кожу получаемого эфира зависят от используемого основания. Например, эфиры с применением MEA и TEA действуют максимально мягко на кожу. А магний и натрий дадут максимально вязкий вариант средства в то время как воздействие на кожу будет максимально жёстким (высушивающим, обезжиривающим). Более вязкие на ощупь средства воспринимаются потребителями как более изысканные и поэтому производители стремятся обеспечить определённую вязкость своему продукту.
Алкил сульфаты использовались одними из первых в косметической индустрии, но поскольку они обладают сильными раздражающими свойствами и чувствительны к жёсткой воде, то их химически модифицируют с помощью реакции с этилен оксидом, получая группу сульфатов.
Лаурет сульфат натрия используется чаще всего, т.к. он дешёвый, хорошо пенится, а также используется в качестве загущающего агента. MEA-лаурет сульфат в сравнении с лаурет сульфатом натрия будет более мягко воздействовать на кожу и поэтому будет преимущественно использоваться в продуктах для детей и для людей с чувствительной кожей. Несмотря на то, что сульфаты имеют более мягкое воздействие на кожу, чем алкил сульфаты, они так же дают высушивающий кожу эффект, но в меньшей степени.
Как уже было упомянуто на примере SLES, он используется также в качестве загущающего агента за счёт образования мицелл большого размера. В какой-то момент увеличение концентрации SLES перестанет давать увеличение вязкости, так как мицеллы большого размера, имея отрицательный заряд на своей поверхности и находясь близко друг к другу, станут отталкиваться друг от друга и более не смогут объединяться. Этот феномен возможно преодолеть за счёт увеличения ионной силы раствора, окружающего мицеллы. В таком случае сила отталкивания между мицеллами уменьшается и они продолжают увеличиваться в размерах. Самым простым агентом, увеличивающим ионную силу раствора, является поваренная соль (хлорид натрия). Добавляя соль в раствор ПАВ можно увидеть как происходит его загустение. Однако это нельзя делать до бесконечности и в какой-то момент увеличение концентрации соли приведёт к уменьшению вязкости раствора. Поэтому производители должны знать пропорции ингредиентов своего продукта для создания сбалансированной системы.
Вторичные ПАВ
Первичные ПАВ, из которых наиболее часто используемыми являются анионные ПАВ, обладают сильным высушивающим действием на кожу. Амфотерные и неионогенные ПАВ имеют более мягкое действие на кожу и в комбинации с анионными ПАВ дают более мягкую по своему воздействию комбинацию. Их добавляют к первичным ПАВ в меньшей концентрации при производстве средств для умывания и душа и поэтому называют вторичными ПАВ. Вторичные ПАВ увеличивают вязкость продукта и позволяют получить продукт, дающий “кремовую” пену с мелкими пузырьками, – качествами, вляющими на предпочтение потребителей. Добавление вторичных ПАВ позволяет увеличить вязкость продукта за счёт образования “палочковых” мицелл – структур, которым сложно передвигаться относительно друг друга, что делает его более густым.
Несмотря на то, что бетаины являются наиболее часто используемыми амфотерными ПАВ, они не являются типичными амфотерными ПАВ поскольку они не приобретают анионный характер при щёлочных значениях pH.
Поскольку заряд “головы” амфотерных ПАВ зависит от кислотности раствора, то и вязкость средства будет отличаться в зависимости от значения его pH.
Ароматизаторы
ПАВ также используются в качестве солюбилизаторов (средств позволяющих смешение жирорастворимых веществ и воды) живорастворимых ингредиентов, входящих в состав формулы средства. Одними из таких ингредиентов являются ароматизаторы. Небольшая концентрация ароматизаторов и их растворение в объёме средства с помощью вторичного ПАВ позволяет получить прозрачный продукт. Продукт будет прозрачным т.к. свет проходит через него, не преломляясь. Это происходит за счёт того, что с помощью ПАВ удаётся распределить жирорастворимый ароматизатор по всему объёму средства.
Кокамид ДЭА (cocamide DEA) является одним из таких солюбилизаторов. Кокамид ДЭА также помогает с увеличением вязкости средства. Несмотря на широкое использование, этот вторичный ПАВ одобрен к применению не во всех странах/регионах. Например, штатом Калифорния он запрещён к использованию в средствах для душа и умывания. Поэтому возможно использование других ПАВ вместо кокамида ДЭА. Например, гидрогенизированное касторовое масло ПЭГ-40 (PEG-40) и полисорбат 20 (polysorbate 20). В отличие от кокамида ДЭА эти ПАВ уменьшают вязкость формулы, а не способствуют загущению продукта. Добавление более 2% ароматизатора по отношению к количеству сурфактанта используется редко в связи с риском потери системой прозрачности, так как недостаточное количество ПАВ приведёт к преципитации жирорастворимого ароматизатора, а также к снижению вязкости системы. Для улучшения растворимости ароматизаторов применяют более одного эмульгатора в формуле. Например, используют смесь ПЭГ-40 и тридецет-9, trideceth-9 (эфир ПЭГ-9, PEG-9 tridecyl ether).
В средства также могут добавлять натуральные экстракты. В случае водорастворимых экстрактов проблем не будет, они только могут изменить цвет средства. Растительные масла растворяют с помощью солюбилизаторов – действуют те же принципы, что и с ароматизаторами.
К увлажняющим агентам относятся полиглицерил-4 капрат (polyglyceryl-4 caprate), глицерил олеат (glyceryl oleate), глицерил лаурат (glyceryl laurate), которые при добавлении полтэтиленгликолей (ПЭГ) могут быть использованы в средствах (например, ПЭГ глицерил лаурат).
Современные тенденции
Лаурет сульфат является наиболее часто используемым анионным ПАВ. Однако современная тенденция такова, что производители пытаются уйти от его использования, т.к. он обладает сильным высушивающим действием и является синтетическим (т.к. его получают путём химического синтеза из лаурил сульфата и этилен диоксида) в отличие от лаурил сульфата, в сторону органических/натуральных средств. Но основные свойства лаурет сульфата, такие как хорошая способность к пенообразованию, увеличение вязкости средств, хорошая солюбилизирующая способность (эмульгатор) и низкая цена производственных процессов, не оставляют ему равных.
COSMOS и NATRUE схожи в том, что они ограничивают использование определённых ПАВ в средствах, заявленных производителем как органические/натуральные. Они, например, не позволяют наличие сульфатов в формуле органического/натурального продукта, т.к. эти ПАВ являются химически модифицированными алкил сульфатами. Сами алкил сульфаты допускаются, т.к. они имеют натуральное происхождение (масла). Например, такие как лаурил сульфат натрия, лаурил сульфат аммония и коко сульфат натрия. Коко сульфат натрия является достаточно популярным выбором при разработке формул “натуральных” средств, т.к. на средствах будет указываться “коко”, а не “лаурил”, что лучше воспринимается потребителями. Тем не менее, коко сульфат содержит лаурил сульфат в качестве примеси и поэтому не может рассматриваться как не содержащий алкил сульфатов.
Алкил сульфаты имеют более сильное раздражающее действие на кожу, чем сульфаты, и поэтому необходим баланс между первичными ПАВ с сильным раздражающим действием и вторичными ПАВ, нацеленными на снижение этого раздражающего эффекта. “Натуральные” стандарты позволяют использование вторичного ПАВ кокамидопропил бетаина, CAPB, но с ограничениями, т.к. он имеет синтетическую природу по большей части. Поэтому чаще в натуральных/органических средствах используются алкил полигликозиды (alkyl polyglucosides, APGs; источник: сахар, кокосовое/пальмовое/косточковое пальмовое масла) и ПАВ на основе глютаминовой кислоты. Все они обладают разными свойствами в отношении раздражающего воздействия на кожу, способности к пенообразованию, вязкости конечного продукта и эмульгирующей способности. Выбор правильных ПАВ будет определять свойства конечного продукта.
ISO 16128 позволяет использование любых ингредиентов в средствах, одобренных европейским союзом к использованию в производстве, но является мерой определения “степени натуральности” средства. Например, средство, содержащее ПАВ природного происхождения получит больший “натуральный” рейтинг, чем средство, содержащее синтетический ингредиент.
Далее представлена классификация наиболее часто используемых ПАВ согласно Международной Номенклатуре Косметических Ингредиентов. Обозначения: I – первичный ПАВ; II – вторичный ПАВ; – способность к пенообразованию; – мягкость воздействия на кожу; – натуральный/органический ингредиент; – альтернативный ПАВ, не содержащий сульфатов.
Sodium laureth sulfate/сульфат/анионный/ I //
Sodium coco sulfate /алкил сульфат/ анионный/ I //
Cocamidopropyl betaine/амидоалкил бетаин/амфотерный/ II //
Sodium cocoamphoacetate/имидазолины/амфотерный/ II //
Sodium lauroyl sarcosinate /аминокислоты/анионный//
Disodium cocoyl glutamate /аминокислоты/анионный/ II //
Disodium lauryl sulfosuccinate /сульфосукцинат/анионный//
Sodium lauroyl sulfoacetate /алкил сульфоацетат/анионный//
Lauryl glucoside/алкил полиглюкозид /неионогенный/ II //
Coco glucoside /алкил полиглюкозид/неионогенный/ II //
Decyl glucoside /неионогенный/ II /солюбилизатор//
Capryl/caprylyl glucoside//неионогенный/ II /солюбилизатор//
Литературные источники: Clean Chemistry – The Science Behind Cleansing Products in Discovering Cosmetic Science, Royal Society of Chemistry 2021, 19-42.