Carbomeren, een familie van vernette acrylzuurpolymeren, zijn essentiële ingrediënten in tal van producten, waaronder: geneesmiddelen; cosmetica en artikelen voor persoonlijke verzorging; huishoudelijke, industriële en institutionele verzorgingsproducten; drukinkten; kleefstoffen en coatings. Al meer dan 50 jaar vertrouwen formuleerders in verschillende industrieën op verschillende carbomeren om viscositeit op te bouwen, gels te vormen, emulsies te stabiliseren en deeltjes in suspensie te brengen. Wanneer carbomeren op de juiste manier worden gebruikt, helpen ze de door de consument gewenste esthetiek in producten in te bouwen en zorgen ze tegelijkertijd voor langdurige houdbaarheid. Vanwege hun bruikbaarheid, betrouwbaarheid en incidentele vermogen om tot mislukken gedoemde productlanceringen te redden door slecht ontworpen formules te stabiliseren tegen ontmenging, worden carbomeren door doorgewinterde productontwikkelaars omschreven als “de beste vriend van een samensteller”. Deze column gaat in op de chemie en eigenschappen van carbomeren die hen deze welverdiende reputatie hebben opgeleverd.
Chemie en Vervaardiging
Nomenclatuur: Er bestaan talloze soorten verknoopte homo- en copolymeren van acrylzuur, maar de term carbomeer wordt meestal gebruikt voor polymeren van acrylzuur met een hoog molecuulgewicht die licht verknoopt zijn met allylethers van polyalcoholen (zie figuur 1).1, 2 Voorbeelden van dergelijke polyfunctionele allylethers zijn tetraallyl pentaerytritol (TAPE) en hexaallylsucrose, zoals weergegeven in figuur 2. In het Nationaal Formularium (NF) worden traditionele carbomeren afzonderlijk vermeld volgens hun specifieke chemische eigenschappen en eigenschappen, bijvoorbeeld viscositeit van de oplossing, waarbij nummers worden gebruikt die gekoppeld zijn aan de handelsnamen van vroege carbomeren, bijvoorbeeld carbomeer 934 (zie tabel 1). Voor moderne carbomeren die met behulp van benzeenvrije processen worden gesynthetiseerd, heeft de NF de termen “homopolymeer”, “copolymeer” en “interpolymeer” gebruikt om de verschillende soorten carbomeren te beschrijven die worden gebruikt als excipiënten in geneesmiddelen en OTC-geneesmiddelformuleringen. Deze termen zijn samengevat in tabel 1. In de monografieën van de Europese Farmacopee en de Japanse farmaceutische excipiënten verwijzen de compendiale benamingen carbomeren (EU) en carboxyvinylpolymeer (JP) collectief naar de verschillende soorten carbomeren en carbomeercopolymeren. Het INCI-woordenboek daarentegen reserveert de term carbomeer voor vernette homopolymeren van acrylzuur en noemt vernette copolymeren van acrylzuur met andere comonomeren acrylaatcrosspolymeren, b.v. acrylaten/C10-C30 alkylacrylaatcrosspolymeer.
Monomeren: Het belangrijkste bestanddeel van carbomeer is acrylzuur, een petrochemisch basisproduct dat wordt verkregen uit propyleengas. De commerciële synthese van acrylzuur omvat gewoonlijk een katalytische oxidatie in twee fasen, waarbij propyleen met lucht wordt gereageerd om acroleïne als tussenproduct te produceren, dat vervolgens verder wordt geoxideerd om acrylzuur op te leveren.3-4 De polyallyl-ethers die als crosslinking monomeren in carbomeersynthese worden gebruikt, worden bereid via de basegekatalyseerde reactie van een polyhydroxy functionele verbinding, bijv, sucrose of pentaerytritol, met een overmaat allylchloride om polyallyl-ethers van verschillende substitutiegraad te verkrijgen.5 Bij de allylering van sucrose worden gewoonlijk gemiddeld vijf tot zes van de acht hydroxylgroepen op het sucrose-molecuul omgezet in allyl-ethers, zoals te zien is in figuur 2b.
Precipitatiepolymerisatie: Carbomeren worden gesynthetiseerd door vrije radicale precipitatiepolymerisatie uitgevoerd in organische oplosmiddelen.5-8 De oplosmiddelen voor dit proces worden zo gekozen dat de monomeren, initiatoren en andere additieven oplosbaar zijn in het reactiemedium, maar het resulterende polymeerproduct niet. Historisch gezien werd voor de commerciële synthese van carbomeren de voorkeur gegeven aan benzeen als procesoplosmiddel; wegens de gezondheids- en veiligheidsrisico’s van benzeen worden tegenwoordig echter in plaats van benzeen alternatieve oplosmiddelsystemen gebruikt, zoals n-hexaan of mengsels van ethylacetaat en cyclohexaan.8, 9 De reacties worden gewoonlijk thermisch geïnitieerd met organische peroxiden als initiatoren, hoewel ook in olie oplosbare azo-initiatoren kunnen worden gebruikt.
Een typische carbomeersynthese wordt getoond in figuur 3.8 Acrylzuur en kleine hoeveelheden TAPE en kaliumcarbonaat (K2CO3) worden aanvankelijk opgelost in het mede-oplosmiddel ethylacetaat/cyclohexaan. K2CO3 wordt toegevoegd om een klein percentage (meestal ≤ 3%) van de acrylzuurgroepen te neutraliseren, vermoedelijk om het neerslaan van het resulterende polymeer in het cosolvent te bevorderen. Het mengsel wordt onder stikstofatmosfeer tot 50 °C verhit en een peroxy-initiator, zoals di(2-ethylhexyl)peroxydicarbonaat (vooraf opgelost in het cosolvent), wordt langzaam aan het reactievat toegevoegd over een periode van zes uur. Naarmate de polymerisatiereactie vordert, slaat het onoplosbare carbomeerproduct neer uit het oplosmiddel en wordt een slurry van carbomeerdeeltjes in het oplosmiddel gevormd. Na voltooiing van de reactie wordt het carbomeer uit de slurry geïsoleerd en worden de vaste polymeren gedroogd om het carbomeerproduct in poedervorm te verkrijgen.
Crosslinking en microgels: Tijdens de reactie copolymeriseren de polyfunctionele crosslinking monomeren met meervoudige lineaire polyacrylzuur (PAA) ketens terwijl zij zich voortbewegen, wat leidt tot de vorming van een driedimensionaal netwerk van crosslinked PAA. In conventionele bulk- of oplossingspolymerisatieprocessen zouden de crosslinking monomeren het reactiemedium doen geleren tot een continue massa van crosslinked PAA wanneer een hoge monomeerconversie wordt bereikt. Bij precipitatiepolymerisatie echter slaat het verknoopte PAA neer als fijne deeltjes en wordt voorkomen dat macroscopische gelering optreedt. De verknoping blijft dus beperkt tot afzonderlijke polymeerdeeltjes van submicron-grootte. Elk carbomeerdeeltje is in feite één groot macromolecuul dat bestaat uit vele lineaire PAA-ketens die aan elkaar zijn vernet. De enorme omvang van deze polymeren belemmert de bepaling van het molecuulgewicht (MW) van carbomeren met conventionele technieken, hoewel de MW’s van carbomeren zijn geschat op de orde van 108-109 g/mol.10
Een ander belangrijk gevolg van verknoping in carbomeren is dat deze macromoleculen niet echt in water oplosbaar zijn. In plaats daarvan is de massa van gecrosslinkte hydrofiele PAA-ketens alleen in water dispergeerbaar en in water oplosbaar. In tegenstelling tot niet-vernet PAA, dat oplost tot oplossingen van polymeerspiralen die elkaar overlappen en in elkaar verstrengelen bij toenemende concentratie, dispergeren carbomeren in water en zwellen op bij neutralisatie tot oplossingen van microgels die niet in elkaar verstrengelen bij toenemende concentratie, maar in plaats daarvan een netwerk vormen van dicht opeengepakte microscopische “sponzen. “11
Eigenschappen
Carbomeren worden meestal geleverd als pluizige, witte, hydroscopische poeders die een lichte azijnzuurgeur kunnen hebben. Er zijn diverse carbomeren in de handel verkrijgbaar, die voornamelijk verschillen door het type procesoplosmiddel dat wordt gebruikt (d.w.z. benzeen versus niet-benzeen), het type en niveau van de gebruikte crosslinker, en de toevoeging van optionele additieven om de bevochtiging en dispergeerbaarheid te verbeteren.12 Carbomeren kunnen ook in vooraf geneutraliseerde vorm worden geleverd, bijvoorbeeld als natriumzout (INCI: Natriumcarbomeer). Carbomeren worden beschouwd als niet-toxisch en vertonen weinig of geen irritatiepotentieel voor huid en ogen bij de concentraties die in cosmetica en verzorgingsproducten worden gebruikt.13-14 Onzuiverheden in deze polymeren kunnen residuele polymerisatieoplosmiddelen zijn, niet-gereageerde monomeren (bijv, acrylaatzuur), azijnzuur, proprionzuur, bijproducten van polymerisatie-initiatoren en sporen van zware metalen.
Carbomeren zijn gemakkelijk dispergeerbaar in water en in mengsels van polaire organische oplosmiddelen met water, zoals een oplossing van 70% (m/m) ethanol en water. Bij de eerste bereiding zijn waterige dispersies van gehydrateerde carbomeerdeeltjes zuur en vertonen gewoonlijk pH-waarden van 2,5-3,5, afhankelijk van de polymeerconcentratie. Vóór neutralisatie met een basische pH-regelaar, b.v. natriumhydroxide of triëthanolamine, bezitten deze dispersies geen significante viscositeit en kunnen ze wazig zijn. Na neutralisatie van de carbonzuurgroepen wordt het carbomeer geïoniseerd en zwelt het op tot honderden malen het oorspronkelijke volume als gevolg van elektrostatische afstoting tussen de negatief geladen carboxylaatgroepen en osmotische zwelling door de gebonden tegenionen. De resulterende microgel-dispersies, soms mucilages genoemd, zijn heldere vloeistoffen die een hoge viscositeit vertonen en ook een hoge opbrengstwaarde hebben.
Technologie en toepassingen
Carbomeren zijn efficiënt in het opbouwen van viscositeit in waterige systemen bij relatief lage gebruiksniveaus. Bijvoorbeeld, de meeste carbomeren die in Tabel 1 worden vermeld zijn geschikt om viscositeiten van 10.000-60.000 cP op te bouwen wanneer gebruikt bij slechts 0,5% w/w. Carbomeren worden dus routinematig gebruikt als verdikkingsmiddelen in waterige fasen in een verscheidenheid van producten. Het werkelijke nut van carbomeren vloeit echter voort uit hun vermogen om formuleringen een hoge opbrengstwaarde te geven.
Opbrengstwaarde is de weerstand van een vloeistof tegen initiële stroming wanneer een spanning wordt uitgeoefend.11, 15-16 In rust gedraagt het dicht opeengepakte netwerk van carbomeer microgels zich als een elastische vaste stof die bestand is tegen vervorming. Het netwerk begint pas te vloeien wanneer een kritische afschuifspanning, d.w.z. de vloeispanning, wordt uitgeoefend; op dat moment kunnen de microgels langs elkaar heen glijden, wat tot vloeistofstroming leidt. Wanneer heterogene fasen (b.v. emulsiedruppels, pigmenten, parelmoer, opacifieermiddelen, luchtbellen, silicaschuurmiddelen, enz.) worden gedispergeerd in met carbomeer verdikte formuleringen, houdt het microgelnetwerk ze vast en stabiliseert ze tegen schuimen en/of sedimentatie terwijl de vloeistof in rust is, d.w.z., onder de vloeispanning. Wanneer echter een spanning wordt uitgeoefend die de vloeispanning overschrijdt, vloeit de vloeistof soepel, zodat het product kan worden gedoseerd en aangebracht. Om deze reden worden carbomeren gebruikt om talloze producten te formuleren, variërend van crèmes en lotions tot haarstylingsgels en tandpasta’s, waarbij suspensie en stabilisatie van gedispergeerde fasen van cruciaal belang is.
Richtlijnen voor formulering
Voor een succesvolle toepassing van carbomeren voor verdikking en stabilisatie van de vloeigrens moeten ze op de juiste manier worden gebruikt. Omdat carbomeren pH-responsieve polyelektrolyten zijn met een pKa van ca. 6,0 ± 0,5, neemt de zwelling van microgel dramatisch af onder pH 5, wat resulteert in verlies van viscositeit en opbrengstwaarde. Optimale prestaties worden gewoonlijk bereikt in het pH-bereik van 6-9. Als een overmaat aan base of andere elektrolyten (bv. natriumchloride) wordt toegevoegd aan met carbomeer verdikte systemen, zullen de microgels inzakken als gevolg van polyelektrolyteffecten (d.w.z. afschermen van de elektrostatische afstotingen door de overmaat aan ionensterkte en in evenwicht brengen van de osmotische druk tussen de binnen- en buitenkant van de microgel), wat opnieuw leidt tot verlies van viscositeit en opbrengstwaarde. Bovendien moeten multivalente ionen (b.v. Ca2+, Mg2+, enz.) en kationogene oppervlakte-actieve stoffen worden vermeden bij het gebruik van carbomeren om de vorming van onoplosbare complexen te voorkomen.
Bij de bereiding van met carbomeer verdikte formuleringen moet worden gezorgd voor een uniforme dispersie van het carbomeer om korrelige texturen en de vorming van “visogen” te voorkomen, d.w.z, gedeeltelijk gehydrateerde agglomeraten van carbomeerdeeltjes die niet volledig dispergeren.17 Voor de dispersie van traditionele carbomeren is het meestal nodig dat de poeders langzaam in het dispergeermedium worden gestrooid onder snel roeren; voor het maken van samenstellingen op commerciële schaal kunnen ook poederdispergeerders worden gebruikt. Als alternatief kunnen carbomeren worden gedispergeerd in niet-oplosmiddelen, bijvoorbeeld de oliefase van een emulsie, en vervolgens worden toegevoegd aan de waterige fase die het neutralisatiemiddel bevat. Extreem hoge afschuifsnelheden bij het mengen met homogenisatoren of colloïdmolens kunnen leiden tot afschuifdegradatie van de carbomeermicrogels en moeten tot een minimum worden beperkt of helemaal worden vermeden. Moderne “gemakkelijk te dispergeren” carbomeren hebben de complexiteit in verband met de dispersie van carbomeren verminderd. Bij deze carbomeren wordt tijdens de precipitatiepolymerisatie een sterische stabilisator, meestal een geëthoxyleerde niet-ionische oppervlakteactieve stof met een blok- of kamconfiguratie, in het carbomeer opgenomen.12 De resulterende carbomeren worden gemakkelijk bevochtigd wanneer ze aan waterige media worden toegevoegd, maar hydrateren langzaam, waardoor een soepele, uniforme dispersie van het carbomeer mogelijk wordt.
1. Carbomeer, Officiële monografieën, in de United States Pharmacopeia 34-National Formulary 29, United Book Press Inc, Baltimore, VS (2011) blz. 1465-1473
2. Carbomeer, Monograph ID 5092, in the International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC VS (2010)
3. G Swift, Acrylic (and methacrylic) acid polymers, in 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, Carboxylische polymeren, HP Brown, toegewezen aan The B. F. Goodrich Company (2 jul. 1957)
6. US 2923692, Slijmerige samenstelling bestaande uit zout van vernet carboxylisch polymeer en methode om dit te bereiden, JF Ackerman en JF Jones, toegewezen aan The B. F. Goodrich Co. (2 feb 1960)
7. US 2980655, Polymerisatieprocédé, JA Glass en JF Jones, toegewezen aan The B. F. Goodrich Co. (18 apr 1961)
8. US 4923940, Polycarboxylic acids with higher thickening capacity and better clarity, CC Hsu, toegewezen aan The B. F. Goodrich Co. (8 mei 1990)
9. TEGO Carbomer 340 FD, Product Bulletin D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Duitsland, (feb 2008)
10. Molecuulgewicht van Carbopol- en Pemulen-polymeren, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH USA (10 juli 2008)
11. JV Gruber, Synthetic polymers in cosmetics, Hoofdstuk 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, Easy to disperse polycarboxylic acid thickeners, CJ Long II, Z Amjad, WF Masler III and WH Wingo, toegewezen aan The B. F. Goodrich Co. (22 feb. 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, VS (jan 2002)
16. M Cloitre, Opgifte, stroming en uitglijden in microgel-suspensies: 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, Duitsland (2011) blz. 285-310.
17. Dispersietechnieken voor Carbopol-polymeren, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-103, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, VS (jan 2002)
.