Karbomeerit, ristisilloitettujen akryylihappopolymeerien ryhmä, ovat keskeisiä ainesosia lukuisissa tuotteissa, kuten lääkkeissä, kosmetiikassa ja henkilökohtaisessa hygieniassa, kotitalouksien, teollisuuden ja laitosten hoitotuotteissa, painoväreissä, liimoissa ja pinnoitteissa. Yli 50 vuoden ajan formuloijat eri teollisuudenaloilla ovat luottaneet erilaisiin karbomeereihin viskositeetin lisäämiseksi, geelien muodostamiseksi, emulsioiden stabiloimiseksi ja hiukkasten suspendoimiseksi. Oikein käytettynä karbomeerit auttavat luomaan tuotteisiin kuluttajien toivomaa estetiikkaa ja mahdollistavat samalla pitkäaikaisen säilyvyyden. Kokeneet tuotekehittäjät ovat kuvailleet karbomeerejä ”formuloijan parhaaksi ystäväksi”, koska ne ovat käyttökelpoisia, luotettavia ja pystyvät toisinaan pelastamaan tuhoon tuomittuja tuotelanseerauksia stabiloimalla huonosti suunniteltuja koostumuksia erottumista vastaan. Tällä palstalla tutustutaan karbomeerien kemiaan ja ominaisuuksiin, jotka ovat saaneet niille tämän ansaitun maineen.
Kemia ja valmistus
Nimikkeistö: Kuitenkin termi karbomeeri on yleensä varattu kuvaamaan korkean molekyylipainon akryylihappopolymeerejä, jotka on kevyesti silloitettu polyalkoholien allyylieettereillä (ks. kuva 1).1, 2 Esimerkkejä tällaisista polyfunktionaalisista allyylieettereistä ovat tetraallyyli-pentaerytritoli (TAPE) ja heksaallylisakkaroosi, kuten kuvassa 2 on esitetty. National Formulary (NF) luettelee perinteiset karbomeerit yksitellen niiden erityiskemian ja ominaisuuksien, esim. liuosviskositeetin, mukaan käyttäen numeroita, jotka liittyvät varhaisten karbomeerien kauppanimiin, esim. karbomeeri 934 (ks. taulukko 1). Nykyaikaisille karbomeereille, jotka on syntetisoitu bentseenittömillä prosesseilla, NF on ottanut käyttöön termit karbomeerihomopolymeeri, karbomeerikopolymeeri ja karbomeerien interpolymeeri kuvaamaan eri karbomeerilajeja, joita käytetään lääkkeiden ja itsehoitolääkkeiden apuaineina. Näistä termeistä on yhteenveto taulukossa 1. Euroopan farmakopean ja Japanin farmaseuttisten apuaineiden monografioissa karbomeerit (EU) ja karboksyvinyylipolymeeri (JP) viittaavat yhteisesti erityyppisiin karbomeereihin ja karbomeerikopolymeereihin. Sitä vastoin INCI-sanakirja varaa termin karbomeeri akryylihapon ristisilloitetuille homopolymeereille ja nimeää akryylihapon ja muiden komonomeerien ristisilloitetut kopolymeerit akrylaattiristipolymeereiksi, esim. akrylaatit/C10-C30-alkyyliakrylaattiristipolymeeri.
Monomerit: Karbomeerin pääkomponentti on akryylihappo, joka on petrokemian raaka-aine, joka on peräisin propyleenikaasun raaka-aineesta. Akryylihapon kaupalliseen synteesiin kuuluu tyypillisesti kaksivaiheinen katalyyttinen hapetus, jossa propyleeni reagoi ilman kanssa tuottaen välituotteena akroleiinia, joka sitten edelleen hapetetaan akryylihapon saamiseksi.3-4 Karbomeerisynteesissä ristisilloittavina monomeereinä käytettävät polyallyylieetterit valmistetaan emäskatalysoidulla reaktiolla funktionaalisen polyhydroksiyhdisteen, esim, sakkaroosia tai pentaerytritolia ylimäärän allyylikloridin kanssa, jolloin saadaan vaihtelevan substituutioasteen polyallyylieettereitä.5 Sakkaroosin allyloinnissa sakkaroosimolekyylin kahdeksasta hydroksyyliryhmästä keskimäärin viidestä kuuteen muuttuu tavallisesti allyylieettereiksi, kuten kuvassa 2b on esitetty.
Saostuspolymerointi: Karbomeerit syntetisoidaan vapaiden radikaalien saostuspolymeroinnilla, joka suoritetaan orgaanisissa liuottimissa.5-8 Tämän prosessin liuottimet valitaan siten, että monomeerit, initiaattorit ja muut lisäaineet liukenevat reaktioväliaineeseen, mutta tuloksena oleva polymeerituote ei liukene. Aikaisemmin bentseeni oli suosituin prosessiliuotin karbomeerien kaupallisessa synteesissä; bentseeniin liittyvien terveys- ja turvallisuusongelmien vuoksi bentseenin sijasta käytetään nykyään kuitenkin vaihtoehtoisia liuotinjärjestelmiä, kuten n-heksaania tai etyyliasetaatin ja sykloheksaanin seoksia.8 , 9 Reaktiot käynnistetään yleensä termisesti käyttämällä initiaattoreina orgaanisia peroksideja, vaikka myös öljyliukoisia atsoinitiaattoreita voidaan käyttää.
Tyypillinen karbomeerisynteesi on esitetty kuvassa 3.8 Akryylihappo ja pienet määrät TAPE:tä ja kaliumkarbonaattia (K2CO3) liuotetaan aluksi etyyliasetaatti/sykloheksaani-ko-liuottimeen. K2CO3 lisätään neutraloimaan pieni osa (tyypillisesti ≤ 3 %) akryylihapporyhmistä, oletettavasti edistämään syntyvän polymeerin saostumista rinnakkaisliuotinjärjestelmässä. Seos kuumennetaan 50 °C:seen typpi-ilmakehässä, ja reaktioastiaan lisätään hitaasti peroksi-initiaattoria, kuten di(2-etyyliheksyyli)peroksidikarbonaattia (liuotetaan valmiiksi liuottimeen) kuuden tunnin ajan. Polymerointireaktion edetessä liukenematon karbomeerituote saostuu liuottimesta, ja liuottimessa muodostuu karbomeerihiukkasten liete. Reaktion päätyttyä karbomeeri eristetään lietteestä ja polymeerin kiinteät aineet kuivataan, jolloin saadaan jauhemainen karbomeerituote.
Ristisilloitus ja mikrogeelit: Reaktion aikana polyfunktionaaliset ristisilloittavat monomeerit kopolymerisoituvat useiden lineaaristen polyakryylihappoketjujen (PAA) kanssa, kun ne etenevät, mikä johtaa ristisilloitetun PAA:n kolmiulotteisen verkoston muodostumiseen. Tavanomaisissa irtotavarana tai liuoksena tapahtuvissa polymerointiprosesseissa ristisilloittavat monomeerit saisivat aikaan sen, että reaktioväliaine hyytelöityy jatkuvaksi ristisilloitetun PAA:n massaksi, kun saavutetaan korkea monomeerikonversio. Saostuspolymeroinnissa ristisilloitettu PAA kuitenkin saostuu hienoina hiukkasina ja estää makroskooppisen geelöitymisen. Näin ollen ristisilloittuminen rajoittuu yksittäisiin submikronikokoisiin polymeerihiukkasiin. Kukin karbomeerihiukkanen on itse asiassa yksi suuri makromolekyyli, joka koostuu monista lineaarisista PAA-ketjuista, jotka ovat ristisilloittuneet toisiinsa. Näiden polymeerien valtava koko vaikeuttaa karbomeerien molekyylipainon (MW) määrittämistä tavanomaisilla tekniikoilla, vaikka karbomeerien MW:n on arvioitu olevan suuruusluokkaa 108-109 g/mol.10
Karbomeerien ristisilloittumisen toinen tärkeä seuraus on se, että nämä makromolekyylit eivät ole todella vesiliukoisia. Sen sijaan ristisilloitettujen hydrofiilisten PAA-ketjujen massa on vain veteen dispergoituvaa ja veteen liukenevaa. Toisin kuin ristisilloittamaton PAA, joka liukenee muodostaen liuoksia polymeerikäämeistä, jotka ovat päällekkäisiä ja kietoutuvat toisiinsa konsentraation kasvaessa, karbomeerit dispergoituvat veteen ja turpoavat neutraloinnin yhteydessä muodostaen liuoksia mikrogeeleistä, jotka eivät kietoudu toisiinsa konsentraation kasvaessa, vaan muodostavat sen sijaan tiiviisti pakattujen mikroskooppisten ”pesusienien” verkoston.11
Ominaisuudet
Karbomeerit toimitetaan tyypillisesti pörröisinä valkoisina hydroskooppisina jauheina, jotka voivat tuoksua hieman etikkahapolta. Kaupallisesti on saatavana erilaisia karbomeerejä, jotka eroavat toisistaan pääasiassa käytetyn prosessiliuottimen tyypin (ts. bentseeni vs. muu kuin bentseeni), käytetyn ristisilloittajan tyypin ja tason sekä kostutusta ja dispergoituvuutta parantavien valinnaisten lisäaineiden lisäämisen mukaan.12 Karbomeerejä voidaan toimittaa myös valmiiksi neutraloituina, esim. natriumsuolana (INCI: Sodium Carbomer). Karbomeerien katsotaan olevan myrkyttömiä, ja ne voivat ärsyttää ihoa ja silmiä vain vähän tai ei lainkaan kosmetiikassa ja henkilökohtaisen hygienian tuotteissa käytetyissä pitoisuuksissa.13-14 Epäpuhtauksia näissä polymeereissä voivat olla polymerointiliuotinjäämät, reagoimattomat monomeerit (esim, akryylihappo), etikkahappo, proprionihappo, polymerisaation initiaattorin sivutuotteet ja raskasmetallijäämät.
Karbomeerit dispergoituvat helposti veteen ja polaaristen orgaanisten liuottimien ja veden seoksiin, kuten 70-prosenttiseen etanoli-vesiliuokseen. Hydratoitujen karbomeerihiukkasten vesidispersiot ovat alun perin valmistettuina happamia ja niiden pH-arvo on tyypillisesti 2,5-3,5 polymeeripitoisuudesta riippuen. Ennen neutralointia emäksisellä pH:n säätöaineella, esim. natriumhydroksidilla tai trietanoliamiinilla, näillä dispersioilla ei ole merkittävää viskositeettia ja ne voivat olla sameat. Karboksyylihapporyhmien neutraloinnin jälkeen karbomeeri ionisoituu ja turpoaa useita satoja kertoja alkuperäiseen tilavuuteensa negatiivisesti varautuneiden karboksylaattiryhmien välisen sähköstaattisen hylkimisen ja osmoottisen turpoamisen vuoksi, joka johtuu kiinnittyneistä vastaioneista. Tuloksena syntyvät mikrogeelidispersiot, joihin joskus viitataan nimellä limaagit, ovat kirkkaita nesteitä, joilla on korkea viskositeetti ja joilla on myös korkea saantoarvo.
Teknologia ja sovellukset
Karbomeerit ovat tehokkaita rakentamaan viskositeettia vesipitoisiin järjestelmiin suhteellisen alhaisilla käyttömäärillä. Esimerkiksi useimmat taulukossa 1 luetelluista karbomeereistä pystyvät muodostamaan 10 000-60 000 cP:n viskositeetin, kun niitä käytetään vain 0,5 % w/w. Näin ollen karbomeerejä käytetään rutiininomaisesti vesifaasin sakeuttajina erilaisissa tuotteissa. Karbomeerien todellinen hyöty perustuu kuitenkin niiden kykyyn antaa valmisteille korkea saantoarvo.
Saantoarvo on nesteen alkuvirtauksen vastustuskyky, kun siihen kohdistetaan jännitys.11, 15-16 Karbomeerimikrogeelien tiiviisti pakattu verkosto käyttäytyy levossa elastisena kiinteänä aineena, joka vastustaa muodonmuutosta. Verkosto alkaa virrata vasta, kun siihen kohdistetaan kriittinen leikkausjännitys eli myötöraja, jolloin mikrogeelit voivat liukua toistensa ohi, jolloin neste virtaa. Kun heterogeeniset faasit (esim. emulsiopisarat, pigmentit, helmiäiset, sameudensäätöaineet, ilmakuplat, piidioksidihionta-aineet jne.) on dispergoitu karbomeerilla paksuuntuneisiin valmisteisiin, mikrogeeliverkosto sulkee ne sisäänsä ja vakauttaa ne kermettymistä ja/tai sedimentoitumista vastaan nesteen ollessa lepotilassa eli alle myötörajan. Kun nesteeseen kohdistetaan kuitenkin myötörajan ylittävä jännitys, se virtaa tasaisesti ja mahdollistaa tuotteen annostelun ja levittämisen. Tästä syystä karbomeerejä käytetään lukemattomien tuotteiden formuloinnissa aina voiteista ja voiteista hiusmuotoilugeeleihin ja hammastahnoihin, joissa dispergoituneiden faasien suspendoiminen ja stabilointi on kriittistä.
Formulointiohjeet
Karbomeerien menestyksekäs käyttö sakeuttamiseen ja myötöjännityksen stabilointiin edellyttää niiden oikeaa käyttöä. Koska karbomeerit ovat pH-herkkiä polyelektrolyyttejä, joiden pKa on n. 6,0 ± 0,5, mikrogeelin turpoaminen vähenee dramaattisesti alle pH 5:n, mikä johtaa viskositeetin ja saantoarvon heikkenemiseen. Optimaalinen suorituskyky saavutetaan tyypillisesti pH-alueella 6-9. Jos ylimääräistä emästä tai muita elektrolyyttejä (esim. natriumkloridia) lisätään karbomeerilla paksuuntuneisiin järjestelmiin, mikrogeelit luhistuvat polyelektrolyytti-ilmiöiden vuoksi (eli sähköstaattisten vastusten seulominen ylimääräisen ionivahvuuden avulla ja osmoottisen paineen tasapainottaminen mikrogeelin sisä- ja ulkopinnan välillä), mikä taas johtaa viskositeetin ja saantoarvon heikkenemiseen. Lisäksi moniarvoisia ioneja (esim. Ca2+, Mg2+ jne.) ja kationisia pinta-aktiivisia aineita tulisi välttää karbomeereja käytettäessä, jotta vältetään liukenemattomien kompleksien muodostuminen.
Karbomeerilla paksuuntuneita formulaatioita valmistettaessa on huolehdittava siitä, että karbomeeri dispergoituu tasaisesti, jotta vältetään rakeinen rakenne ja ”kalansilmien” muodostuminen, ts, Perinteisten karbomeerien dispergointi edellyttää yleensä sitä, että jauheet ripotellaan hitaasti dispersioaineeseen nopeasti sekoittaen; kaupallisessa mittakaavassa tapahtuvassa sekoittamisessa voidaan käyttää myös jauheiden dispergointiaineita. Vaihtoehtoisesti karbomeerit voidaan dispergoida muihin kuin liuottimiin, esim. emulsion öljyfaasiin, ja lisätä sitten neutralointiainetta sisältävään vesifaasiin. Äärimmäisen suuri leikkaussekoitus homogenisaattoreilla tai kolloidimyllyillä voi johtaa karbomeerimikrogeelien hajoamiseen leikkauksen vaikutuksesta, ja sitä olisi minimoitava tai vältettävä kokonaan. Nykyaikaiset ”helposti dispergoituvat” karbomeerit ovat vähentäneet karbomeerien dispergointiin liittyvää monimutkaisuutta. Näissä karbomeereissa karbomeeriin on saostuspolymerisaation aikana sisällytetty steerinen stabilointiaine, tavallisesti etoksyloitu ei-ioninen pinta-aktiivinen aine, jolla on lohko- tai kampakonfiguraatio.12 Tuloksena syntyneet karbomeerit kostuvat helposti, kun ne lisätään vesipitoiseen väliaineeseen, mutta ne hydratoituvat hitaasti, mikä mahdollistaa tasaisen ja yhtenäisen karbomeeridispersion. Carbomer, Official Monographs, in the United States Pharmacopeia 34-National Formulary 29, United Book Press Inc, Baltimore, USA (2011) s. 1465-1473
2. Carbomer, Monograph ID 5092, teoksessa International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC USA (2010)
3. G Swift, Acrylic (and methacrylic) acid polymers, teoksessa Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, John Wiley & Sons Inc, Published online (Mar 15, 2002) pp 79-96 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471440264.pst009/abstract (Accessed Aug 23, 2011)
4. W Bauer Jr, Acrylic acid and derivatives, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc., published online (Jun 20, 2003) pp 342-369 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103182502012105.a01.pub2/abstract (Accessed Aug 23, 2011)
5. US 2798053, Carboxylic polymers, HP Brown, luovutettu The B. F. Goodrich Companylle (2.7.1957)
6. US 2923692, Mucilaginen koostumus, joka sisältää ristisilloitetun karboksyylipolymeerin suolaa ja menetelmä sen valmistamiseksi, JF Ackerman ja JF Jones, luovutettu The B. F. Goodrich Co. (2.2.1960)
7. US 2980655, Polymerointimenetelmä, JA Glass ja JF Jones, luovutettu The B. F. Goodrich Co. (18.4.1961)
8. US 4923940, Polykarboksyylihapot, joilla on suurempi sakeutuskyky ja parempi kirkkaus, CC Hsu, luovutettu The B. F. Goodrich Co. (8. toukokuuta 1990)
9. TEGO Carbomer 340 FD, Product Bulletin D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Saksa, (helmikuu 2008)
10. Carbopol- ja Pemulen-polymeerien molekyylipaino, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH USA (10.7.2008)
11. JV Gruber, Synthetic polymers in cosmetics, Chapter 6 in Principles of Polymer Science & Technology in Cosmetics and Personal Care, ED Goddard and JV Gruber, eds, Marcel Dekker Inc., New York USA (1999) pp 217-275
12. US 5288814, Helposti dispergoituvat polykarboksyylihappojen sakeuttamisaineet, CJ Long II, Z Amjad, WF Masler III ja WH Wingo, myönnetty The B. F. Goodrich Co. (22. helmikuuta 1994)
13. RL Elder, ed, Final report on the safety assessment of Carbomers-934, -910, -934P, -940, 941, and -962, J Am Coll Toxicol 1(2) 109-141 (1982)
14. Annual review of cosmetic ingredient safety assessments-2001/2002, Cosmetic Ingredient Review Expert Panel, Int J Toxicol 22 (Suppl. 1) 1-35 (2003)
15. Measurement and understanding of yield value in personal care formulations, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-244, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (tammikuu 2002)
16. M Cloitre, Yielding, flow, and slip in microgel suspensions: From microstructure to macroscopic rheology, Chap 11 in Microgel Suspensions, Fundamentals and Applications, A Fernandez-Nieves, H Wyss, J Mattsson, and DA Weitz, eds, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim, Saksa (2011) s. 285-310.
17. Dispersion techniques for Carbopol polymers, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-103, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, Yhdysvallat (tammikuu 2002)
.