< Aineosat

Emulgaattorit

Useimmat kosmetiikkatuotteet ovat rakenteeltaan nestemäisiä tai puolikiinteitä emulsioita. Emulsio on usein kahden, toisiinsa sekoittumattoman aineen seos. Toisiinsa sekoittumattoman aineiden muodostamassa emulsiossa sisäinen faasi on tasaisesti dispergoituneena ulkoiseen faasiin. Mikäli ulkoinen faasi on vesi ja sisäinen faasi öljy, nimitetään emulsiota öljy vedessä -emulsioksi (ö/v, engl. o/w) ja päinvastaisessa tapauksessa vesi öljyssä- emulsioksi (v/ö). Emulsion hajoamisen tuloksena voi syntyä myös ö/v/ö tai v/ö/v –emulsioita. Mikroemulsiot ovat valoa taittamattomia ja läpinäkyviä pienestä pisarakoosta johtuen (10-150 nm). Kun vettä, pinta-aktiivista ainetta ja öljyä sekoitetaan sopivassa suhteessa, saadaan stabiili emulsio.

emulgaattorit1.png

Emulgaattorien toimintamekanismi ja teho

Kahden, toisiinsa liukenemattoman faasin sekoittaminen vaatii energiaa, jota voidaan saada erilaisia sekoituslaitteita käyttämällä (esimerkiksi mekaaninen sekoittaja, homogenisaattori tai ultraäänisekoittaja). Energiaa voidaan pienentää myös vähentämällä faasien välistä rajapintajännitystä emulgaattorien avulla. Kun kaksi, toisiinsa liukenematonta faasia yhdistetään, systeemin vapaa energia riippuu faasien muodostaman rajapinnan pinta-alasta. Edullisinta systeemille on mahdollisimman pieni energia, johon se pyrkii rajapinnan pinta-alaa pienentämällä. Tämä onnistuu, kun nestepisarat menevät pallon muotoon. Pallomaiset pisarat pyrkivät edelleen liittymään toisiinsa. Emulsioon lisätty pinta-aktiivinen aine (emulgaattori) estää faasien erottumisen. Öljy vedessä –emulsiossa pinta-aktiivinen aine adsorboituu faasien rajapintaan hydrofiilinen pää vesifaasiin ja hydrofobinen pää poolittomaan nesteeseen sitoutuen (misellien muodostus). Jokaiselle pinta-aktiiviselle aineelle on määritelty kriittisen misellikonsentraation lukuarvo, jonka ylittyessä misellinmuodostus alkaa.

emulgaattorit2.png

Miselli. Pinta-aktiivinen aine adsorboituu faasien rajapintaan hydrofiilinen pää vesifaasiin ja hydrofobinen pää poolittomaan nesteeseen sitoutuen

Pintajännitystä voidaan laskea myös muilla tavoin. Emulgaattori voi muodostaa filmin kahden faasin rajapintaan, jolloin faasien erottuminen estyy. Öljy muodostaa veden pinnalle yhden molekyylin paksuisen, monomolekulaarisen kalvon. Öljyn tavoin käyttäytyy myös veteen liukenematon, kiinteä aine, joka on lietetty ensin haihtuvaan veteen. Mitä tiiviimpi peittävä pinta on, sen alhaisemmaksi pintajännitys muodostuu. Osa pinta-aktiivisen aineen molekyyleistä voi myös adsorboitua nesteen pinnalle siirtyen nestefaasiin. Faasien rajapinnassa molekyylin hydrofobiset päät asettuvat samaan suuntaan nesteestä poispäin ja hydrofiiliset päät nesteeseen päin.

Emulsiossa tulee olla riittävästi emulgaattoreita, jotta tuotteen rakenne pysyy tasaisena säilytyksen ja käytön aikana. Emulgaattori valitaan HLB (Hydrophile-Lipophile Balance) –arvojen perusteella, joka kuvaa hydrofiilisen ja lipofiilisen osan suhdetta toisiinsa. Arvo voidaan määritellä kokeellisesti tai laskemalla kaavasta: HBL = Hydrofiilisen osan molekyylipaino/Kokonaismolekyylipaino x 20. HBL –arvot v/ö –emulsiolle ovat noin 3-6 ja noin 8-18 ö/v –emulsiolle.

Emulgaattorityypit

Emulgaattorit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: pinta-aktiiviset, luonnonmateriaalit ja hienojakoiset, kiinteät jauheet. Pinta-aktiiviset emulgaattorit ovat suurin ja tärkein ryhmä. Ryhmään kuuluvat anioniset, kationiset ja ionittumattomat emulgaattorit. Anionisia emulgaattoreita ovat saippuat ja niiden kaltaiset yhdisteet. Natriumstearaatti C17H35COONa on tavallisin, anioninen emulgaattori. Kationisista emulgaattoreista useimmat ovat kvaternäärisiä ammoniumyhdisteitä tai amiineja, esimerkkinä setyylitrimetyyliammoniumbromidi, jossa kationi muodostaa molekyylin hydrofobisen pään. Ionittumattomat emulgaattorit ovat suurin pinta-aktiivisten emulgaattorien ryhmä. Sen toimintaan ei vaikuta pH tai emulsion muut ionit. Esterisidokset ovat tärkeimpiä ionittumattomia emulgaattoreita, esimerkkinä hydrofobinen glyseryylimonostearaatti.

emulgaattorit3.png

Natriumstearaatti on tavallisin, pinta-aktiivinen, anioninen emulgaattori

Yleensä apuemulgaattoreina käytettävien luonnonmateriaalien ominaisuudet vaihtelevat. Jotkut emulgaattoreista voivat vaikuttaa myös tuotteen muihin ominaisuuksiin, kuten viskositeettiin tai rakenteen ylläpitoon. Luonnomateriaalit sietävät huonosti pH:n vaihteluja. Luonnonemulgaattoreita ovat muun muassa alifaattiset rasva-alkoholit, kuten lauryyli- ja setyylialkoholi, steroidit, lanoliini, vesiliukoiset kumit, selluloosajohdannaiset ja alginaatit eli leväjohdannaiset. Esimerkiksi kolesteroli on amfoteerinen ö/v –emulgaattori, jota saadaan lanoliinista.

emulgaattorit4.png

Emulgaattorina käytettävä kolesteroli toimii elimistössä ruoan rasvoja emulgoivana ja rasvojen imeytymistä parantavana aineena

Hienojakoisista, kiinteistä jauheista emulgaattoreina voidaan käyttää hiiltä, piitä, emäksisiä metallisuoloja ja erilaisia savilaatuja. Saatu emulsiotyyppi riippuu siitä, miten kiinteä aine kostuu  vesi- tai rasvafaasilla. Parhain emulgointiteho saadaan, kun hienojakoinen ja kiinteä jauhe-emulgaattori yhdistetään pinta-aktiivisten emulgaattoreiden tai hydrofiilisten kolloidien kanssa.