Karbomery, rodzina usieciowanych polimerów kwasu akrylowego, są podstawowymi składnikami wielu produktów, w tym: farmaceutyków, kosmetyków i środków higieny osobistej, produktów gospodarstwa domowego, przemysłowych i instytucjonalnych, farb drukarskich, klejów i powłok. Od ponad 50 lat formulatorzy z różnych gałęzi przemysłu polegają na różnych karbomerach, które budują lepkość, tworzą żele, stabilizują emulsje i zawieszają cząsteczki. Przy prawidłowym stosowaniu karbomery pomagają budować estetykę produktów pożądaną przez konsumentów, jednocześnie zapewniając długotrwałą stabilność na półce. Ze względu na ich użyteczność, niezawodność i okazjonalną zdolność do ratowania produktów skazanych na niepowodzenie poprzez stabilizowanie źle opracowanych formuł przed oddzieleniem, karbomery zostały opisane przez doświadczonych twórców produktów jako „najlepszy przyjaciel formulatora”. W tej kolumnie przeanalizujemy chemię i właściwości karbomerów, które zapewniły im tę zasłużoną reputację.
Chemia i produkcja
Nomenklatura: Istnieje wiele odmian homo- i kopolimerów usieciowanego kwasu akrylowego, ale termin karbomer jest zwykle zarezerwowany do opisywania polimerów kwasu akrylowego o dużej masie cząsteczkowej, które są lekko usieciowane eterami allilowymi polialkoholi (patrz rysunek 1).1, 2 Przykłady takich wielofunkcyjnych eterów allilowych obejmują tetraallil pentaerytrytolu (TAPE) i heksaallil sacharozy, jak pokazano na rysunku 2. The National Formulary (NF) wymienia tradycyjne karbomery indywidualnie zgodnie z ich specyficznym składem chemicznym i właściwościami, np. lepkością roztworu, używając numerów związanych z nazwami handlowymi wczesnych karbomerów, np. karbomer 934 (patrz tabela 1). W przypadku nowoczesnych karbomerów syntetyzowanych w procesach niezawierających benzenu, NF przyjęła terminy homopolimer karbomeru, kopolimer karbomeru i interpolimer karbomeru, aby opisać różne gatunki karbomerów stosowanych jako substancje pomocnicze w produktach farmaceutycznych i lekach OTC. Terminy te zestawiono w Tabeli 1. W Farmakopei Europejskiej i japońskich monografiach substancji pomocniczych nazwy karbomery (EU) i polimer karboksywinylowy (JP) odnoszą się zbiorczo do różnych rodzajów karbomerów i kopolimerów karbomerowych. Natomiast słownik INCI zastrzega termin karbomer dla usieciowanych homopolimerów kwasu akrylowego i nazywa usieciowane kopolimery kwasu akrylowego z innymi komonomerami krosspolimerami akrylanów, np. krosspolimer akrylany/C10-C30 alkilakryl akrylanu.
Monomery: Głównym składnikiem karbomeru jest kwas akrylowy, towarowy produkt petrochemiczny otrzymywany z gazowego surowca propylenu. Komercyjna synteza kwasu akrylowego obejmuje zwykle dwuetapowe utlenianie katalityczne, w którym propylen jest poddawany reakcji z powietrzem w celu wytworzenia akroleiny jako półproduktu, który jest następnie dalej utleniany w celu otrzymania kwasu akrylowego.3-4 Etery polialilowe stosowane jako monomery sieciujące w syntezie karbomeru są otrzymywane w wyniku katalizowanej zasadami reakcji polihydroksy związków funkcyjnych, np, sacharozy lub pentaerytrytolu, z nadmiarem chlorku allilu, dając etery polialilowe o różnym stopniu podstawienia.5 Podczas alilowania sacharozy średnio pięć do sześciu z ośmiu grup hydroksylowych na cząsteczce sacharozy jest zwykle przekształcanych w etery allilowe, jak pokazano na rysunku 2b.
Polimeryzacja strąceniowa: Karbomery są syntetyzowane przez wolnorodnikową polimeryzację strąceniową prowadzoną w rozpuszczalnikach organicznych.5-8 Rozpuszczalniki do tego procesu są tak dobrane, aby monomery, inicjatory i inne dodatki były rozpuszczalne w medium reakcyjnym, ale wynikowy produkt polimerowy nie. Historycznie, benzen był preferowanym rozpuszczalnikiem w procesie komercyjnej syntezy karbomerów; jednakże, z powodu obaw dotyczących zdrowia i bezpieczeństwa związanych z benzenem, alternatywne systemy rozpuszczalników, takie jak n-heksan lub mieszaniny octanu etylu i cykloheksanu, są obecnie stosowane zamiast benzenu.8, 9 Reakcje są zwykle inicjowane termicznie przy użyciu nadtlenków organicznych jako inicjatorów, chociaż mogą być również stosowane azowe inicjatory rozpuszczalne w oleju.
Typowa synteza karbomeru jest pokazana na rysunku 3.8 Kwas akrylowy i małe ilości TAPE i węglanu potasu (K2CO3) są początkowo rozpuszczone we współrozpuszczalniku octan etylu/cykloheksan. K2CO3 dodaje się w celu zneutralizowania niewielkiego procentu (zwykle ≤ 3%) grup kwasu akrylowego, przypuszczalnie w celu ułatwienia wytrącania się otrzymanego polimeru w układzie kosolwentowym. Mieszaninę ogrzewa się do temperatury 50°C w atmosferze azotu, a następnie w ciągu sześciu godzin do naczynia reakcyjnego powoli dodaje się inicjator peroksydowy, taki jak nadtlenowęglan di(2-etyloheksylu) (wstępnie rozpuszczony w kosolwencie). W miarę postępu reakcji polimeryzacji nierozpuszczalny produkt karbomeru wytrąca się z rozpuszczalnika i powstaje zawiesina cząsteczek karbomeru w rozpuszczalniku. Po zakończeniu reakcji karbomer izoluje się z zawiesiny, a stałe cząstki polimeru suszy się, aby otrzymać produkt karbomeru w postaci proszku.
Sieciowanie i mikrożele: Podczas reakcji, wielofunkcyjne monomery sieciujące kopolimeryzują z wieloma liniowymi łańcuchami kwasu poliakrylowego (PAA) w miarę ich propogacji, co prowadzi do utworzenia trójwymiarowej sieci usieciowanego PAA. W konwencjonalnych procesach polimeryzacji masowej lub polimeryzacji roztworowej, monomery sieciujące powodują żelowanie medium reakcyjnego w ciągłą masę usieciowanego PAA po osiągnięciu wysokiej konwersji monomeru. Jednakże, w polimeryzacji strąceniowej, usieciowany PAA wytrąca się w postaci drobnych cząstek i zapobiega powstawaniu makroskopowej żelowania. W ten sposób sieciowanie jest ograniczone do pojedynczych cząstek polimeru o wielkości submikronów. Każda cząsteczka karbomeru jest w rzeczywistości jedną dużą makrocząsteczką składającą się z wielu liniowych łańcuchów PAA, które są ze sobą usieciowane. Ogromny rozmiar tych polimerów utrudnia oznaczanie masy cząsteczkowej (MW) karbomerów za pomocą konwencjonalnych technik, chociaż MW karbomerów oszacowano na poziomie 108-109 g/mol.10
Inną ważną konsekwencją sieciowania w karbomerach jest to, że te makrocząsteczki nie są naprawdę rozpuszczalne w wodzie. Zamiast tego, masa usieciowanych hydrofilowych łańcuchów PAA jest tylko rozproszona w wodzie i zdolna do pływania w wodzie. W przeciwieństwie do nieusieciowanego PAA, który rozpuszcza się tworząc roztwory zwojów polimerowych, które zachodzą na siebie i plączą się przy wzrastającym stężeniu, karbomery rozpraszają się w wodzie i pęcznieją po neutralizacji tworząc roztwory mikrożeli, które nie plączą się przy wzrastającym stężeniu, ale zamiast tego tworzą sieć ściśle upakowanych mikroskopijnych „gąbek”. „11
Właściwości
Karbomery są zwykle dostarczane jako puszyste, białe, hydroskopijne proszki, które mogą mieć lekki zapach kwasu octowego. W handlu dostępne są różne karbomery, różniące się głównie rodzajem stosowanego rozpuszczalnika (tj. benzen vs. nie-benzen), rodzajem i poziomem zastosowanego środka sieciującego oraz dodatkiem opcjonalnych dodatków poprawiających zwilżalność i dyspersyjność.12 Karbomery mogą być również dostarczane w postaci wstępnie zobojętnionej, np. jako sól sodowa (INCI: Sodium Carbomer). Karbomery są uważane za nietoksyczne i wykazują niewielki lub żaden potencjał drażniący dla skóry i oczu w stężeniach stosowanych w kosmetykach i produktach higieny osobistej.13-14 Zanieczyszczenia w tych polimerach mogą obejmować pozostałości rozpuszczalników polimeryzacyjnych, nieprzereagowane monomery (np, kwas akrylowy), kwas octowy, kwas propionowy, produkty uboczne inicjatora polimeryzacji i śladowe ilości metali ciężkich.
Karbomery są łatwo dyspergowalne w wodzie i w mieszaninach polarnych rozpuszczalników organicznych z wodą, takich jak 70% w/w roztwór etanolu z wodą. Po wstępnym przygotowaniu, wodne dyspersje uwodnionych cząstek karbomeru mają odczyn kwaśny i zazwyczaj wykazują wartości pH 2,5-3,5 w zależności od stężenia polimeru. Przed neutralizacją zasadowym regulatorem pH, np. wodorotlenkiem sodu lub trietanoloaminą, dyspersje te nie mają znaczącej lepkości i mogą być mętne. Po zneutralizowaniu grup kwasu karboksylowego karbomer zostaje zjonizowany i pęcznieje do kilkusetkrotności swojej pierwotnej objętości w wyniku odpychania elektrostatycznego pomiędzy ujemnie naładowanymi grupami karboksylanowymi i pęcznienia osmotycznego spowodowanego obecnością przeciwjonów. Otrzymane dyspersje mikrożelowe, czasami określane jako śluzy, są klarownymi cieczami, które wykazują wysoką lepkość, a także wykazują wysoką wartość wydajności.
Technologia i zastosowania
Karbomery są skuteczne w budowaniu lepkości w układach wodnych przy stosunkowo niskich poziomach użycia. Na przykład, większość karbomerów wymienionych w Tabeli 1 jest zdolna do budowania lepkości rzędu 10 000-60 000 cP przy zastosowaniu zaledwie 0,5% w/w. Tak więc, karbomery są rutynowo stosowane jako zagęszczacze fazy wodnej w wielu różnych produktach. Jednak prawdziwa użyteczność karbomerów wynika z ich zdolności do nadawania formułom wysokiej wartości wydajności.
Wartość wydajności to odporność płynu na początkowy przepływ po przyłożeniu naprężenia.11, 15-16 W spoczynku, ściśle upakowana sieć mikrożeli karbomerowych zachowuje się jak elastyczne ciało stałe, które opiera się odkształceniu. Sieć nie zaczyna płynąć, dopóki nie zostanie przyłożony krytyczny poziom naprężenia ścinającego, tj. granica plastyczności, w którym to momencie mikrożele mogą przesuwać się obok siebie, powodując przepływ płynu. Gdy fazy heterogeniczne (np. krople emulsji, pigmenty, perły, środki matujące, pęcherzyki powietrza, ścierniwa krzemionkowe itp.) są rozproszone w preparatach zagęszczonych karbomerami, sieć mikrożelowa zatrzymuje je i stabilizuje przed kremowaniem i/lub sedymentacją, gdy płyn jest w stanie spoczynku, tj. poniżej granicy plastyczności. Jednakże, po zastosowaniu naprężenia przekraczającego granicę plastyczności, płyn płynie gładko, umożliwiając dozowanie i aplikację produktu. Z tego powodu karbomery są stosowane do formułowania niezliczonych produktów, począwszy od kremów i balsamów, poprzez żele do stylizacji włosów, aż po pasty do zębów, gdzie zawiesina i stabilizacja faz rozproszonych jest krytyczna.
Wskazówki dotyczące formułowania
Skuteczne zastosowanie karbomerów do zagęszczania i stabilizacji wartości granicy plastyczności wymaga, aby były one stosowane prawidłowo. Ponieważ karbomery są polielektrolitami reagującymi na pH o pKa około 6,0 ± 0,5, pęcznienie mikrożelu zmniejsza się dramatycznie poniżej pH 5, powodując utratę lepkości i wartości wydajności. Optymalną wydajność osiąga się zwykle w zakresie pH 6-9. Jeśli do układów zagęszczonych karbomerem zostanie dodany nadmiar zasady lub innych elektrolitów (np. chlorek sodu), mikrożele zapadną się w wyniku działania polielektrolitów (tj. ekranowania odpychania elektrostatycznego przez nadmiar siły jonowej i równoważenia ciśnienia osmotycznego między wnętrzem a zewnętrzem mikrożeli), co ponownie prowadzi do utraty lepkości i wartości wydajności. Dodatkowo, podczas stosowania karbomerów należy unikać jonów wielowartościowych (np. Ca2+, Mg2+, itp.) i kationowych środków powierzchniowo czynnych, aby zapobiec tworzeniu się nierozpuszczalnych kompleksów.
Przy przygotowywaniu preparatów zagęszczonych karbomerem należy zwrócić uwagę na zapewnienie równomiernej dyspersji karbomeru, aby uniknąć ziarnistej tekstury i tworzenia się „rybich oczu”, tj, Częściowo uwodnionych aglomeratów cząstek karbomeru, które nie ulegają całkowitemu rozproszeniu.17 Dyspersja tradycyjnych karbomerów wymaga zazwyczaj powolnego wsypywania proszków do środka dyspersyjnego z szybkim mieszaniem; w przypadku sporządzania mieszanek na skalę komercyjną można również stosować dyspergatory proszków. Alternatywnie, karbomery mogą być dyspergowane w nierozpuszczalnikach, np. w fazie olejowej emulsji, a następnie dodawane do fazy wodnej zawierającej środek neutralizujący. Mieszanie przy bardzo wysokim ścinaniu za pomocą homogenizatorów lub młynów koloidalnych może prowadzić do degradacji ścinającej mikrożeli karbomerowych i należy je ograniczyć do minimum lub całkowicie unikać. Nowoczesne „łatwo dyspergowalne” karbomery zmniejszyły złożoność związaną z dyspersją karbomerów. Te karbomery zawierają steryczny środek stabilizujący, zwykle etoksylowany niejonowy środek powierzchniowo czynny o konfiguracji blokowej lub grzebieniowej, do karbomeru podczas polimeryzacji strąceniowej.12 Powstałe w ten sposób karbomery łatwo zwilżają się po dodaniu do mediów wodnych, ale hydratyzują powoli, umożliwiając gładką, jednolitą dyspersję karbomeru.
1. Carbomer, Oficjalne monografie, w Farmakopei Stanów Zjednoczonych 34-National Formulary 29, United Book Press Inc, Baltimore, USA (2011) pp 1465-1473
2. Carbomer, Monograph ID 5092, in the International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC USA (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, w 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, assigned to The B. F. Goodrich Company (Jul 2, 1957)
6. US 2923692, Mucilaginous composition comprising salt of crosslinked carboxylic polymer and method of preparing the same, JF Ackerman and JF Jones, assigned to The B. F. Goodrich Co. (Feb 2, 1960)
7. US 2980655, Proces polimeryzacji, JA Glass i JF Jones, przypisane do The B. F. Goodrich Co. (Apr 18, 1961)
8. US 4923940, Kwasy polikarboksylowe o większej zdolności zagęszczania i lepszej klarowności, CC Hsu, przypisane do The B. F. Goodrich Co. (8 maja, 1990)
9. TEGO Carbomer 340 FD, Biuletyn Produktu D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Niemcy, (luty 2008)
10. Masa cząsteczkowa polimerów Carbopol i Pemulen, Karta danych technicznych Lubrizol, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH USA (Jul 10, 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, Easy to disperse polycarboxylic acid thickeners, CJ Long II, Z Amjad, WF Masler III and WH Wingo, assigned to The B. F. Goodrich Co. (Feb 22, 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 (styczeń 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, Niemcy (2011) s. 285-310.
17. Techniki dyspersji polimerów Carbopol, Karta danych technicznych Lubrizol, TDS-103, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (Jan 2002)
.