Propiedades Reológicas de los Productos Cosméticos Roberto Steinbrüggen Instrumentos Físicos Ibérica S.L..

I. Introducción La posibilidad de determinar las propiedades de fluidez de productos cosméticos es importante en orden a satisfacer los requerimientos prácticos y estéticos de los clientes. La demanda de lo que hay que medir y la interpretación de los resultados requiere que se considere la aplicación del producto y como debe comportarse este antes, durante y después de su uso. Las características reológicas medidas en los modos oscilación y rotación ofrecen información respectivamente acerca de la elasticidad y del esfuerzo de cizalla en función de la velocidad de cizalla. Las mediciones de esfuerzos normales ofrecen una información sobre efectos elásticos bajo aplicación de cizalla estacionaria. En este artículo se presentan varios ejemplos referentes a las características que se deben medir y cómo interpretar los resultados. Todas las mediciones se han efectuado con un reómetro HAAKE RV20/CV20N o RV20/M5 utilizando geometría cono/placa y el Software HAAKE de rotación, oscilación y fuerzas normales. La temperatura de la muestra se ha mantenído constante a 20 o 25° con un termostato F3C HAAKE.

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II. Resultados de ejemplos prácticos 1) Cremas para bebés y protectoras de heridas Las cremas requieren un límite de fluidez, para que no fluyan bajo condiciones de cizalla pequeña. Esto es debido, sencillamente, a que la crema debe quedarse en su sitio al ser aplicada, no debiendo fluir ni salirse del lugar de aplicación. En el caso de una crema protectora de heridas esto es un imperativo para que la herida quede protegida. La viscosidad de la crema debe disminuir drásticamente bajo la aplicación de cizalla para que la misma sea fácil de frotar y extender. El comportamiento de flujo a baja cizalla de la crema para bebés se representa en la figura 1 y muestra que la crema cumple estos requisitos.

Fig.1 Comportamiento de fluidez a bajas velocidades de cizalla de una crema para bebés. El límite de fluidez es de 40 Pa. Nótese lo rápido que decrece la viscosidad al aumentar la velocidad de cizalla. Esta medición se realizó con un reómetro HAAKE RV20/CV20 con un sensor cono-placa PK 30-4.0. Debido a que la extensión y frotado de la crema se realizan a una velocidad de cizalla mucho mayor, se efectuó una medición de curva de fluidez hasta una velocidad de cizalla de 500 1/s con un reómetro HAAKE RV20/M5 y un cono de 0.5 grados. Los resultados están representados en la figura 2.

Fig.2 Curva de fluidez de una crema para bebés a altas velocidades de cizalla. Nótese la fuerte tixotropía que presenta.

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La histéresis entre la curva de fluidez ascendente y descendente indica que la crema es fuertemente tixotrópica. Esto significa que la viscosidad decrece con el tiempo y que la crema se hace más fluída cuando es extendida. Esta rotura de la tixotropía dependiente del tiempo puede verse claramente en la figura 3. La muestra se cizalló en este caso a una velocidad de cizalla constante de 100 1/s y se midió la viscosidad en función del tiempo.

Fig. 3 Curva viscosidad-tiempo de una crema para bebés que demuestra la dependencia del tiempo de la rotura estructural. Estos resultados confirman el sentido practico ya que la crema debe ser fluída cuando es aplicada. Si la crema no pudiese extenderse con facilidad no tendría valor terapéutico.

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2) Gomina para el cabello (Hair Gel) Los geles tienen generalmente un límite de fluidez debido a cruzamientos de cadenas y en el caso de los geles moldeadores es importante porque deben permanecer en la mano antes de aplicarse y, luego, en el cabello, después de su aplicación. Como las cremas, deben fluir fácilmente bajo la aplicación de cizalla para que puedan extenderse fácilmente por el cabello. Se puede decir así que, reológicamente, la gomina debe poseer una viscosidad alta a baja velocidad de cizalla, y que debe disminuir drásticamente al incrementarse la cizalla. La viscosidad debe decrecer fuertemente en el tiempo bajo cizalla constante y debe presentar un límite de fluidez inicial. Estas expectativas se hacen visibles en la curva de fluidez de la Fig. 4.

Fig. 4 Curva de fluidez de gomina. Nótese el descenso de la viscosidad al aumentar la velocidad de cizalla. Para obtener un valor real del límite de fluidez, es necesario medir el comportamiento de fluidez a baja cizalla. Esto se muestra en la figura 5 y se puede leer un límite de fluidez de 42 Pa. Nótese la rapidez con que decrece la viscosidad al aumentar la cizalla.

Fig.5 Comportamiento de fluidez a baja cizalla de gomina. El límite de fluidez es de 42 Pa. Nótese con que rapidez decrece la viscosidad al aumentar la cizalla. Tal como indica la palabra gel, una gomina (Hair Gel) debe también ser fuertemente elástica de manera que el cabello -después de estilizado- permanezca en su sitio. El mejor método para observar esto cuantitativamente es realizar ensayos dinámicos mediante oscilación forzada. En primer lugar se efectúa un barrido de deformaciones para localizar la zona viscoelástica lineal, o sea, cuanta deformación puede resistir la muestra sin perder su firmeza. Los resultados se muestran en la figura 6, donde el modulo

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complejo G* y la viscosidad compleja Eta* se representan en función de la deformación, y revelan que el gel es estable hasta una deformación de aprox. el 10 %.

Fig.6 Ensayo de deformación de gomina Para juzgar lo elástica que es la gomina, se realiza un barrido de frecuencias a baja deformación. Los resultados se presentan en la figura 7 y muestran que el componente elástico G' (módulo de almacenamiento) es bastante mayor que el componente viscoso G'' (módulo de pérdidas).

Fig.7 Barrido de frecuencias de gomina. Nótese que el módulo de almacenamiento G' domina sobre el módulo de pérdidas G''. Basándonos en este resultado, se puede deducir que la gomina exhibe una elasticidad extrema a baja deformación. Este resultado concuerda con el sentido práctico, ya que la gomina intenta mantener el pelo en su sitio. Es interesante notar que la gomina pierde su elasticidad al aumentar la deformación y se vuelve totalmente viscosa al aplicarle cizalla. Este es un efecto deseado cuando se aplica el gel, ya que, si permaneciera muy elástico bajo cizalla, sería pegajoso y formaría hilos durante y después de la aplicación. El gel sólo debe ser elástico a deformación cero o a muy baja deformación.

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3) Jabón de baño conteniendo colágeno El colágeno es un polímero natural que muestra sus efectos elásticos debido a su naturaleza de cadena larga. No tiene utilidad como detergente, pero actúa, por contra, de manera terapéutica temporal haciendo que la piel se sienta "más elástica" y, por tanto, el usuario se siente también "joven y fresco". Una curva de fluidez se muestra en la figura 8 hasta una velocidad de cizalla de 300 1/s.

Fig.8 Curva de fluidez de gel de baño conteniendo colágeno. Nótese la discontinuidad de la curva de fluidez. Es solo aparente que la curva de fluidez presenta una discontinuidad a aprox. 50 1/s. Esto es debido a que la muestra es demasiado elástica y, por ello, sale de la ranura entre el cono y la placa del sistema de medición. Este resultado se demuestra claramente en la figura 9, dónde se mide el esfuerzo normal en función de la velocidad de cizalla con un reómetro para esfuerzos normales RV20/CV20N.

Fig.9 Esfuerzo normal y esfuerzo de cizalla en función de la velocidad de cizalla de un gel de baño. Nótese que el esfuerzo normal N1 domina. Al comparar la magnitud del esfuerzo normal con el esfuerzo de cizalla es obvio que, a partir de una velocidad de cizalla de 30 1/s, el esfuerzo normal es mucho mayor. El esfuerzo normal actúa en dirección perpendicular al plano de cizalla y causa los efectos elásticos, como el ascenso del material por el eje de agitación y el ensanchamiento al salir de una tobera. Se puede concluir, por tanto, que el jabón de baño es fuertemente elástico debido a la presencia del colágeno. Esta elasticidad sólo sirve para que la piel se note más elástica. Después de todo, la piel joven es más elástica y esta es exactamente la sensación deseada, a pesar de que el efecto sea sólo temporal.

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En orden a caracterizar el comportamiento de flujo en una región apropiada (por ej. se ha demostrado que se encuentran errores experimentales a elevada cizalla debido a efectos elásticos) se realiza una curva de fluidez hasta una velocidad de cizalla de 30 1/s. Los resultados se muestran en la figura 10.

Fig.10 Curva de fluidez de un jabón de baño hasta una velocidad de cizalla de 30 1/s. Nótese que la curva de fluidez es contínua dentro de esta gama de velocidades de cizalla. El esfuerzo normal se midió de nuevo con el reómetro de esfuerzos normales, pero esta vez hasta una velocidad de cizalla de 30 1/s. Los resultados se muestran en la figura 11 y ponen de manifiesto claramente el cruce en el cual los efectos elásticos empiezan a predominar.

Fig.11 Esfuerzo normal y esfuerzo de cizalla en función de la velocidad de cizalla. El jabón de baño sólo fue estudiado hasta 30 1/s en este caso. El punto de cruce está a 25 1/s y es de interés cuando se consideran los efectos de la concentración de colágeno y la variación de su peso molecular. Las cadenas largas aumentan el efecto elástico pero ocasionarán problemas en el procesado del producto. Mediante la medición simultánea del esfuerzo normal y del esfuerzo de cizalla en función de la velocidad de cizalla, se puede obtener información directa acerca de la curva de fluidez y de la elasticidad. Las anomalías de flujo ocasionadas por efectos elásticos pueden medirse inmediatamente y ser corregidas en consecuencia antes de que el procesado del producto sea un problema.

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Se han realizado, además, ensayos dinámicos para caracterizar la viscoelasticidad. Un barrido de deformaciones se muestra en la figura 12 e indica que el producto presenta viscoelasticidad linear en todo el rango de medición.

Fig.12 Barrido de deformaciones del jabón de baño. Los resultados de un barrido de frecuencias se muestran en la figura 13 y revelan que el componente viscoso G'' (el módulo de pérdidas) es mayor a baja frecuencia, pero el componente elástico G' (el módulo de almacenamiento) crece rápidamente al aumentar la frecuencia.

Fig.13 Barrido de frecuencias del gel de baño. Nótese que el componente elástico G' está por debajo del componente viscoso G''.

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Si se extrapolan las curvas, se cruzan a una velocidad angular entre 30-40 1/s. Esto es una coincidencia excelente con el cruce esfuerzo normal - esfuerzo de cizalla presentado en la figura 11 y aporta una

evidencia para la regla de COX-MERX que indica que la velocidad de cizalla γ es aproximadamente

equivalente a la velocidad angular ω si se comparan resultados de ensayos dinámicos y bajo estado estacionario [1]. Un tiempo de relajación aproximado puede ser calculado del recíproco de la velocidad angular en el punto de cruce [2].

Θ = 0,03 s En la mayoría de los casos es deseable tener un tiempo de relajación corto en orden a minimizar los efectos de memoria elástica. Esta muestra de jabón de baño ofrece un ejemplo excelente de como pueden utilizarse diferentes ensayos reológicos para predecir y caracterizar el comportamiento de la muestra. III. Conclusión Las demandas de cómo diferentes productos cosméticos deben comportarse en varias etapas de la producción y la aplicación sugieren que es necesario ser capaz de cuantificar un rango de características reológicas. La selección de ensayos debe basarse en las situaciones de flujo que encuentra el producto en particular y cómo debe comportarse éste en cada una de ellas. Este artículo presenta los resultados de varios productos cosméticos y las interpretaciones de estos resultados. Juzgando desde la aplicación pretendida del producto, se pueden utilizar ensayos en estado estacionario y/o ensayos dinámicos. Hemos visto en las páginas anteriores la importancia del límite de fluidez, el descenso de la viscosidad con el tiempo bajo cizalla constante, los esfuerzos normales medidos bajo rotación en estado estacionario y los efectos elásticos medidos bajo oscilación no destructiva. Un reómetro elegido adecuadamente puede medir estas propiedades y cuantificar las características de cada producto de manera que puedan ser conocidas y controladas. [1] R.B. Bird, R.C. Armstrong, and O.Hassager, "Dynamics Of Polymeric Liquids, Volume 1: Fluid Mechanics." Second Edition, John Wiley & Sons, New York, 1987. [2] J.D.Ferry, "Viscoelastic Properties of Polymers," Third Edition, J.Wiley and Sons, New York, 1980.