MODIFICATORI REOLOGICI (VISCOSIZZANTI E GELIFICANTI)


I modificatori reologici sono sostanze in grado di aumentare la viscosità di una sistema.

Vengono utilizzati nelle formule cosmetiche principalmente per:

  1. Modificare la reologia (viscosità) del preparato
  2. Modificare le caratteristiche della schiuma
  3. Migliorare la stabilità delle emulsioni e delle sospensioni

Alcuni termini tecnici che si possono trovare leggendo le caratteristiche dei modificatori reologici:

VISCOSITA’. E’ una grandezza fisica che quantifica la resistenza dei fluidi allo scorrimento. L’unità di misura maggiormente utilizzata è [Pa*s]. Tanto maggiore è il valore di viscosità, tanto maggiore è la resistenza allo scorrimento (l’incremento di viscosità da un punto di vista macroscopico si traduce in un gel più “fermo” e compatto). Viene misurata con uno strumento chiamato viscosimetro.

YIELD VALUE. E’ una grandezza misurabile simile alla viscosità, ma indipendente dalla viscosità stessa. Può essere definita come la resistenza iniziale allo scorrimento. E’ un valore molto importante in quanto determina la capacità sospendente di un modificatore reologico. Il potere sospendente di un modificatore reologico (immaginiamo particelle sospese in un gel o fluido come potrebbero essere pigmenti insolubili colorati o sfere scrubbanti) non dipende solo dalla viscosità, ma soprattutto dal suo yield value. Infatti, dato un certo modificatore reologico, un alto valore di viscosità (con però un basso valore di yield value) serve solo a rallentare il moto delle particelle verso il basso. E’ per questo motivo che se si inseriscono pigmenti insolubili o particelle in un prodotto occorre inserire nella formulazione anche un modificatore reologico con buon potere sospendente per ottenere una sospensione stabile nel tempo; al contrario, anche in presenza di una elevata viscosità si avrà, nel tempo, la separazione della fase solida.

PSEUDOPLASTICO. Un fluido viene definito pseudoplastico quando, applicata una forza da taglio anche modesta, inizia lo scorrimento del fluido stesso. Come esempio si può immaginare un gel fermo (ad esempio di gomma xantano) in un tubetto: fintanto che il tubetto non viene schiacciato il gel chiaramente non esce, nel momento in cui viene applicata la forza (schiacciando anche delicatamente il tubetto) il gel esce con facilità.

TISSOTROPICO. Un fluido tissotropico è un fluido che può variare la viscosità se soggetto ad una forza, in particolare può passare dallo stato di gel allo stato liquido. Un esempio è la salsa ketchup: il prodotto a riposo si presenta come un gel compatto, se sottoposto ad agitazione varia la sua viscosità diventando quasi liquido.

I principali modificatori reologici utilizzati per gelificare la fase acquosa di un preparato si possono suddividere in:

NATURALI. Gomme (gomma arabica, adragante, guar, xantano, ecc), Alginati, Carragenine, Agar Agar.
NATURALI MODIFICATI. Derivati della cellulosa, della gomma guar, dell’amido.
SINTETICI. Polimeri acrilici e derivati, Polietilene, Derivati degli acidi grassi.
INORGANICI. Argille, Silice Idrata, Silice pirogenica.

 

Vediamo le caratteristiche dei principali modificatori reologici e i metodi comuni di preparazione dei gel.

MODIFICATORI REOLOGICI NATURALI E NATURALI MODIFICATI


VISCOSIZZANTI CELLULOSICI

La cellulosa è un polisaccaride naturale caratterizzato da una struttura ripetitiva di unità di glucosio. La cellulosa viene opportunamente modificata ad ottenere dei derivati con caratteristiche diverse.

IDROSSIETILCELLULOSA.

Esistono differenti tipi di idrossietilcellulosa in commercio (a diversi pesi molecolari) dai i quali si possono ottenere dispersioni con diverse viscosità. L’idrossietilcellulosa è generalmente compatibile con una grande varietà di ingredienti (anche con tensioattivi anionici, cationici ed elettroliti) ed è stabile in un ampio range di pH (2 – 12 circa). Regge molto bene la presenza di elettroliti e sostanze destabilizzanti come l’urea. Viene utilizzata anche nei detergenti per migliorare la schiuma rendendola più cremosa e stabile. I gel preparati con idrossietilcellulosa sono pseudoplastici, ma con basso yield value.

Preparazione di Gel con Idrossietilcellulosa.
Metodo a Freddo 1. Si versa a velo l’idrossietilcellulosa sulla fase acquosa mescolando lentamente. Si lascia riposare per alcune ore mescolando di tanto in tanto fino all’omogeneità. 
Metodo a Freddo 2. Si stempera l’idrossietilcellulosa nel glicerolo e successivamente si aggiunge a poco a poco l’acqua mescolando. Si lascia idratare per circa 1 h mescolando di tanto in tanto fino ad ottenere un gel omogeneo.
Metodo a Caldo. Si riscalda la fase acquosa a 70-75 °C e si aggiunge l’idrossietilcellulosa. Si frulla la fase con un frullatore ad immersione e si lascia raffreddare mescolando di tanto in tanto la soluzione. La gelificazione avviene in fase di raffreddamento.
IDROSSIPROPILCELLULOSA.

L’idrossipropilcellulosa è più lipofila rispetto all’idrossietilcellulosa ed è per questo utilizzata soprattutto per ottenere dei gel a base di alcool o glicoli. Ha buone proprietà filmanti ed è spesso usata come co-filmante nei gel per capelli ad anche in prodotti per la rasatura in quanto rende la schiuma più stabile e lubrificata.

IDROSSIPROPIL METILCELLULOSA.

Viene utilizzata sia nelle emulsioni, soprattutto in sinergia con Carbomer per stabilizzarle e migliorare lo skeen feel del prodotto, sia nei detergenti per incrementare la viscosità e stabilizzare agenti perlanti e la schiuma (la rende maggiormente stabile e cremosa).


CARRAGENINA

La carragenina è una miscela di polisaccaridi lineari solfati estratti da alghe rosse. Se ne riconoscono di tre tipi principali denominate kappa, iota e lambda. Vengono di fatto utilizzate solo le tipologie kappa e iota, che possiedono proprietà viscosizzanti, molto spesso in miscela fra loro (per ottenere risultati migliori). I gel ottenuti con la forma kappa sono pseudoplastici, non tissotropici e privi di yield value, mentre quelli ottenuti con la forma iota sono pseudoplastici, tissotropici e con yield value.

La carragenina è compatibile con sostanze ioniche e non ioniche ed è stabile in un range di pH tra 3,5 e 9. A valori di pH inferiori a 3,5 subisce idrolisi.

Non viene utilizzata spesso nelle preparazioni cosmetiche, anche se funziona molto bene, in quanto è facilmente attaccabile dai microorganismi e necessita perciò di un’ottima copertura antimicrobica nella formulazione. Viene generalmente utilizzata fino all’1% nelle creme, fino all’1,2% nei dentifrici e fino allo 0,8% nei gel acquosi o nei detergenti. Può essere utilizzata anche in sinergia con la gomma xantano.

Preparazione di Gel con Carragenina.

Metodo a Caldo. Si disperde la carragenina nella fase acquosa e si riscalda a 70-75 °C fino a completo scioglimento. Durante la fase di raffreddamento si mescola di tanto in tanto fino ad ottenere un gel omogeneo. La gelificazione avviene in fase di raffreddamento.

GOMMA GUAR

La gomma guar viene ottenuta dai semi della Cyamopsis tetragonolobus e si presenta come polvere bianco-avorio completamente solubile in acqua calda e fredda. I gel ottenuti sono leggermente opachi e privi di yield value, stabili in un ampio intervallo di pH (3,5 – 10) e resistenti agli elettroliti.

Preparazione di Gel con Gomma Guar.

Metodo a Freddo. Si disperde la gomma guar a pioggia sul prodotto sotto miscelazione. Il gel si forma quasi istantaneamente. Si miscela fino ad ottenere un composto omogeneo.

Come nel caso della cellulosa la gomma guar viene modificata ottenendo derivati dalle diverse proprietà. Il più utilizzato è:

GUAR QUATERNIZZATO (DERIVATO CATIONICO).

Si ottiene dall’idrossipopil guar ed è disponibile in diverse tipologie che variano per peso molecolare e densità di carica. Oltre alle caratteristiche viscosizzanti della guar è utilizzata come sostantivante per pelli e capelli. Negli shampoo in cui viene utilizzata in quanto compatibile con tensioattivi anionici, ha effetto condizionante e va utilizzata ad un massimo dello 0,5% in quanto tende a depositarsi progressivamente sul capello.


GOMMA XANTANO

La gomma xantano è un polisaccaride biotecnologico. Il comportamento reologico del gel è pseudoplastico, non tissotropico, con yield value. E’ stabile in un ampio intervallo di pH e in presenza di elettroliti e viene generalmente utilizzata nei detergenti dallo 0,1% allo 0,3% come sospendente degli agenti perlanti e nelle emulsioni fino allo 0,5% per migliorarne viscosità e consistenza. La sua viscosità può essere incrementata in presenza di magnesio, alluminio silicato e gomma guar (in rapporti xantana:guar 3:7 – 1:9). E’ compatibile con la maggior parte dei gelificanti.

Preparazione di Gel con Gomma Xantano.

Metodo a Freddo 1 (migliore). Si stempera la gomma xantano nel glicerolo e successivamente si aggiunge a poco a poco l’acqua mescolando. Si lascia idratare per circa 1 ora mescolando di tanto in tanto fino ad ottenere un gel omogeneo.
Metodo a Freddo 2. Si disperde la gomma xantano a pioggia sul prodotto sotto miscelazione. Si lascia idratare per circa 1 ora mescolando di tanto intanto fino ad ottenere un composto omogeneo.

MODIFICATORI REOLOGICI SINTETICI


CARBOMERS

I carbomers sono polimeri dell’acido acrilico che possono presentare reticolazioni di vario grado. Sono polveri bianche altamente igroscopiche e, pur presentando alcuni limiti operativi, sono fra i migliori viscosizzanti e sospendenti per le fasi acquose. Dispersi in acqua danno soluzioni torbide con pH circa 3; la gelificazione del sistema avviene portando la soluzione a pH 5 con una base. Sono molto meno soggetti delle cellulose all’attacco microbico. Sono incompatibili con tensioattivi cationici e presentano generalmente una notevole diminuzione della densità in presenza di elettroliti. Il loro utilizzo è principalmente nella produzione di gel acquosi e alcolici e nelle emulsioni non ioniche. I gel ottenuti sono altamente pseudoplastici con elevato yield value.

Meccanismo di viscosizzazione.
Una volta dispersi in acqua i polimeri risultano raggomitolati su se stessi. Aggiungendo una base i gruppi carbossilici (-COOH) presenti  sulle catene perdono l’idrogeno (H) e si caricano negativamente (-COO-). La repulsione elettrostatica fra questi gruppi con cariche uguali permette la distensione del polimero che, a livello macroscopico, si traduce nella formazione del gel. In realtà, trattandosi di molecole  molto grandi, ogni molecoladà origine ad un microgel delle dimensioni di qualche micron. Più aumenta la reticolazione del polimero più il gel che si ottiene risulta viscoso. La presenza di elettroliti (come sale, NaCl) causa la diminuzione di viscosità del gel in quanto l’acqua viene richiamata per osmosi dal microgel verso l’esterno.

POLIMERI ACRILICI MODIFICATI.

Rientrano in questa classe i polimeri acrilici resi leggermente più lipofili rispetto ai carbomers per aggiunta di monomeri lipofili (ad esempio, prodotti con INCI Acrylates/C10-30 Alkyl Acrylate Crosspolymer). Come caratteristiche sono simili ai carbomers (preparazione e proprietà dei gel ottenuti), tuttavia mostrano una maggiore resistenza agli elettroliti. Rientrano in questa categoria (con stesso nome INCI) anche degli emulsionanti polimerici, spesso utilizzati per ottenere emulsioni fluide.

Preparazione di Gel con Polimeri Acrilici.

Metodo a Freddo. Si disperde a pioggia il polimero sulla fase acquosa e li lascia idratare (i tempi di idratazione dipendono dal tipo di polimero, può richiedere alcuni minuti o a volte anche qualche ora). La soluzione del polimero idratato si presenta opaca, ma senza grumi. Si neutralizza il preparato con soluzione di NaOH fino a pH 5-6, miscelando delicatamente per evitare di inglobare troppa aria, e si ha la formazione del gel.
Metodo a Caldo. Si disperde a pioggia il polimero sulla fase acquosa a 70-75 °C sotto agitazione. Si continua ad agitare anche durante la fase di raffreddamento. Una volta che il polimero è completamente idratato (soluzione opaca senza grumi) si lascia riposare per alcuni minuti fino alla scomparsa dell’aria inglobata. Si neutralizza il preparato con soluzione di NaOH fino a pH 5-6, miscelando delicatamente per evitare di inglobare troppa aria, e si ha la formazione del gel.

LATTICI

I lattici sono polimeri nella forma di emulsione fluida O/A. Ne è un esempio il prodotto con INCI Acrylates / Beheneth-25 Methacrylate Copolymer (TINO-ACQUA). Il polimero, in questo caso, è racchiuso nelle micelle di un tensioattivo. Aggiungendo un agente neutralizzante basico (soluzione di NaOH, come per i carbomer) le micelle si aprono e il polimero viene a contatto con l’acqua e forma il gel. I lattici che presentano nel nome INCI Acrylates Copolymer sono generalmente di tipo reticolato e sono caratterizzati da elevato yield value. Per questo motivo trovano tipica applicazione come agenti sospendenti nei tensioliti di pigmenti insolubili, scrub, glitter, ecc.

Preparazione di Gel con Lattici.

Si unisce il prodotto (che è liquido) alla fase acquosa sotto miscelazione. La soluzione diventa di colore bianco lattiginoso. Si neutralizza il preparato con soluzione di NaOH fino a pH 6-7, miscelando delicatamente per evitare di inglobare troppa aria, durante la fromazione del gel l’aspetto del preprato passa da lattiginoso a trasparente.

POLIMERI ACRILICI IN EMULSIONE INVERSA

Sono polimeri che vengono venduti in forma liquida come emulsioni A/O. Un esempio di questa classe è il TINO-ADE (INCI: Sodium Acrylates Copolymer (and) Hydrogenated Polydecene (and) PPG-1 Trideceth-6). Come si può vedere dall’INCI esso è costituito da tre diversi componenti:

Hydrogenated Polydecene : solvente

PPG-1 Trideceth-6 : tensioattivo ad alto HLB

Sodium Acrylates Copolymer : polimero

Una volta disperso in acqua, l’emulsione si inverte da A/O a O/A, il polimero si rigonfia e si forma il gel. Infatti, non necessita di neutralizzanti e il gel si forma in maniera quasi istantanea a seguito del contatto con l’acqua. Tali prodotti sono dotati di un certo potere emulsionante, dovuto proprio alla presenza dell’emulsionante. I gel ottenuti hanno un aspetto leggermente opaco, per questo motivi sono utilizzati soprattutto in creme e latti.

Preparazione di Gel con Polimeri Acrilici in Emulsione inversa.

Si unisce il prodotto (che è liquido) alla fase acquosa miscelando delicatamente per evitare di inglobare troppa aria e si ha la formazione del gel.

 

MODIFICATORI REOLOGICI PER FASE LIPOFILA.

Esistono modificatori reologici anche per viscosizzare la fase lipofila e creare gel oleosi o lipogel. Vengono utilizzati a questo scopo principalmente:

SILICE MICRONIZZATA

La silice è un composto molto voluminoso e volatile. Occorre dunque particolare attenzione durante la manipolazione, in particolare è bene dotarsi di mascherina per evitare di respirarne le polveri. Viene utilizzata generalmente al 5% per creare lipogel a freddo. La silice va pesata per prima nel contenitore e successivamente va aggiunto a poco a poco l’olio mescolando delicatamente. La soluzione va lasciata riposare per circa 1 ora per ottenere il lipogel.

CERA BELLINA

La cera bellina è un derivato della cera d’api e viene generalmente utilizzata per ottenere lipogel a caldo. La quantità di cera bellina necessaria per ottenere il lipogel può variare da 5% a 25% a seconda degli oli utilizzati. La preparazione è molto semplice: si fa fondere la cera bellina insieme agli oli miscelando di tanto in tanto. Quando la cera è completamente fusa si lascia raffreddare il preparato. La gelificazione avviene durante la fase di raffreddamento.


Bibliografia:

[1] Manuale del Cosmetologo. Tecniche Nuove.

[2] Manuale delle Preparazioni Cosmetiche e Dermatologiche. Tecniche Nuove.

[3] Appunti universitari di Scienze Cosmetiche.

[4] https://www.lubrizol.com/Home-Care/Documents/Technical-Data-Sheets/TDS-244-Measurement-Understanding-Yield-Value-Personal-Care-Formulations.pdf

[5] http://www.galenotech.org/reologia2.htm