Cấu trúc phân tử Silicone
Silicone là tên gọi chung cho nhiều nhóm polymer silicone hữu cơ có cấu trúc gồm một bộ khung siloxan vô cơ (Si – O) với các nhóm hữu cơ (thường là methyl) được gắn đối xứng qua bộ khung này. Điều đó cũng tạo nên một cấu trúc đặc biệt, tạo cho silicones các đặc tính độc đáo, nhất là các đặc tính bề mặt của chúng.
| Nguyên liệu | Tính thẩm thấu hơi nước (g/m2/h) |
| Silicone dễ bay hơi | 152 |
| Dầu hoa hướng dương | 125 |
| Silicone gum | 121 |
| PDMS 350 cSt | 107 |
| Dầu khoáng | 93 |
| C18 Alkylmethylsiloxane | 37 |
| C30 Alkylmethylsiloxane | 2 |
| Petrolatum | 0 |
PDMS: polydimethylsiloxane
Bộ khung siloxane
Vai trò chính của bộ khung siloxane là giúp các nhóm methyl có được trạng thái cấu trúc tốt nhất cùng với sự linh hoạt tối đa. Trong hầu hết các hydrocacbon, các góc liên kết là cố định và sự bố trí các nguyên tử trong không gian thường ngăn chặn không cho các gốc methyl tự do có được năng lượng bề mặt thấp. Ở phân tử silicone, độ dài liên kết Si-O dài hơn nhiều và góc liên kết Si-O-Si phẳng hơn so với các liên kết C–C và C–O tương ứng, làm cho các phân tử rất dễ “xoay” và chuỗi polymer ở trạng thái rất linh hoạt. Điều này làm cho các phân tử có sự định hướng khác nhau trong không gian, tạo điều kiện cho các phân tử khí khuếch tán dễ dàng và hình thành các màng thoáng khí.
Cùng với các lực liên phân tử thấp giữa các nhóm methyl, tính linh hoạt này cũng có ảnh hưởng sâu sắc đến tỷ trọng cũng như tính chất bề mặt của silicone, các thông số vật lý như nhiệt độ và trọng lượng phân tử, điểm đóng băng, nhiệt độ của chất lỏng và điểm sôi thấp, độ nén cao và khả năng tồn tại ở trạng thái lỏng khi trọng lượng phân tử cao bất thường. Đồng thời, sự linh hoạt cũng tạo ra sự đa dạng về cấu trúc và thành phần; nhiều phân nhóm silicone mạch thẳng và mạch vòng có trọng lượng phân tử đa dạng, mức độ phân nhánh hoặc liên kết chéo khác nhau. Hơn nữa, liên kết siloxane tương đối mạnh, làm cho polymer có độ bền nhiệt và bền oxy hóa, đảm bảo sự ổn định của sản phẩm khi bào chế.
Những nhóm hữu cơ “lơ lửng”
Chức năng chính của các nhóm hữu cơ (methyl) là tạo ra hoạt tính hoạt động bề mặt của phân tử silicone. Thứ tự tăng năng lượng bề mặt cho các nhóm chứa carbon đơn là -CF3 > -CF2- > -CH3 > -CH2-. Các phép đo sức căng bề mặt chất lỏng cho thấy thứ tự tăng hoạt động bề mặt là hydrocarbon, tiếp theo là silicone, và sau đó là fluorocarbon.
Silicone không phù hợp với mô hình đơn giản rằng việc giảm năng lượng bề mặt là do sự gia tăng tính kỵ nước và sức căng bề mặt nhờ tính linh hoạt của bộ khung siloxane, cho phép chúng phân bố theo các hướng với các góc khác nhau. Sức căng bề mặt của silicone cũng không phụ thuộc vào chiều dài mạch carbon. Ngoài ra, sức căng bề mặt tới hạn của silicone bị làm ướt cao hơn silicone lỏng, có nghĩa là chúng có thể lan tỏa trên màng film của chính chúng. Điều này giải thích cho hiện tượng sau khi silicone đạt được độ bao phủ hoàn toàn, đồng nhất trên bề mặt sẽ tạo điều kiện cho sự lan truyền hiệu quả của các vật liệu khác, tạo ra lớp film mịn và trơn bóng.
Ngoài ra, do các nhóm hữu cơ, độ hòa tan của silicone trong nước thấp hơn so với nhiều vật liệu hữu cơ khác, hình thành các rào cản ngăn sự rửa trôi và tăng độ bám dính cho các công thức. Các nhóm chức như phenyl, alkyl, polyether và amino lên bộ khung siloxane giúp mở rộng các tính chất và lợi ích của silicone.
Silicone được sử dụng lần đầu tiên trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và sản phẩm vệ sinh vào những năm 1950, dimethicone có độ nhớt trung bình như polydimethylsiloxane (PDMS) được sử dụng với nồng độ thấp để hạn chế tác động tẩy da thường thấy ở các lotion nền xà phòng. Mãi đến những năm 1970 khi các nhà chế tạo lo ngại về việc sử dụng chloro fluoro carbons (CFC) trong khí quyển, silicone mới bắt đầu được chú ý hơn cho các công thức mỹ phẩm và tính chất độc đáo của chúng dần được công nhận. Kể từ đó, việc sử dụng silicone đã gia tăng nhanh chóng. Ngày nay, hơn 40% tất cả các sản phẩm mới được đưa vào thị trường Hoa Kỳ có chứa silicone với nhiều loại khác nhau được sử dụng.
Các hợp chất Silicone thường dùng trong mỹ phẩm
Hiện nay silicone sử dụng trong công nghiệp mỹ phẩm và sản phẩm vệ sinh được chia thành 5 nhóm chính:
- Silicone bay hơi (cyclosiloxane cấu trúc vòng và PDMS mạch thẳng trọng lượng thấp) có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc phối hợp với nhau để điều chỉnh sự bay hơi. Đây là những dung môi tốt và đóng vai trò là chất mang cho các loại silicone có trọng lượng phân tử cao. Ngoài ra, chúng có nhiệt hóa hơi rất thấp so với nước hoặc ethanol mang lại cho chúng cảm giác mát da khi khô. Cyclomethicone không được xếp vào nhóm VOC (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) ở Hoa Kỳ.
- Dimethicone (PDMS) là nhóm hợp chất mạch thẳng có trọng lượng phân tử từ 700 đến hơn 100.000. Các dimethicone không bay hơi tồn tại dưới dạng chất lỏng có độ nhớt 5,0 mm2/giây đến gum. Nhũ tương dimethicone làm cho việc bào chế các chất lỏng có trọng lượng phân tử cao trở nên dễ dàng hơn. Các công nghệ bào chế polymer nhũ tương chuyên dụng cho phép sản xuất các nhũ tương PDMS mạch thẳng trọng lượng phân tử cực cao với độ nhớt cao tới 200 triệu mm2/giây.
- Hỗn hợp silicone bao gồm dimethiconol hoặc dimethicone gum hay trimethylsiloxysilicate (nhựa có liên kết chéo cao) được phân tán trong dimethicone hoặc cyclomethicone trọng lượng phân tử thấp. Những thành phần này giúp việc bào chế trở nên dễ dàng hơn và tăng khả năng tương thích của gum hoặc nhựa phân tử cao được sử dụng nhờ tính bám dính lâu của chúng.
- Dimethicone và vinyl dimethicone cross polymer hoặc hỗn hợp của chúng được gọi là silicone elastomer, tạo liên kết chéo với các mức độ khác nhau, tạo nên các dạng sản phẩm khác nhau. Chúng thường tồn tại ở dạng bột tinh khiết, các hạt được bao phủ (chảy tự do hoặc lơ lửng trong nước) hoặc như gel silicone đàn hồi trương nở khi gặp dung môi (thường là silicone dễ bay hơi). Những sản phẩm ngày càng được hoàn thiện và bổ sung thêm nhiều chức năng. Chúng được sử dụng như chất điều chỉnh lưu chất trong các sản phẩm chăm sóc da và chống tiết mồ hôi, mang lại cảm giác khô ráo và mịn như bột cho các công thức.
- Silicone chức năng:
- Dimethicone copolyol (silicone polyether) dạng chất lỏng hoặc sáp trong đó một số nhóm methyl dọc theo bộ khung siloxane đã được thay thế bằng nhóm polyoxyethylen hoặc polyoxypropylen. Việc bổ sung các nhóm thế polyoxyethylen làm tăng tính ưa nước của silicone. Các nhóm thế polyoxypropylen được sử dụng để cân bằng tính kỵ nước này bằng cách tăng tính kỵ nước của các copolymer. Một vài loại polyether silicone này cũng là chất nhũ hóa nước trong silicone rất tốt. Việc bổ sung các chuỗi alkyl sẽ tạo nên vật liệu có thể nhũ hóa nước vào các loại dầu có độ phân cực thấp đến trung bình. Trong số các silicone được xử lý với polyether này, bis-hydroxyethoxypropyl dimethicon là một vật liệu rất linh hoạt với khả năng tương thích tốt với các hợp chất hữu cơ, có thể hoạt động như một chất làm ướt để phân tán ổn định phẩm màu và hoạt hóa, đồng thời cung cấp khả năng dưỡng ẩm cho sản phẩm.
- Phenyl trimethicone là nhóm hợp chất lỏng trong đó một số nhóm methyl đã được thay thế bằng nhóm phenyl. Các nhóm phenyl làm tăng chỉ số khúc xạ và cải thiện khả năng tương thích với các vật liệu hữu cơ.
- Amodimethicone hoặc trimethylsilylamodimethicone là nhóm các hợp chất ở trạng thái lỏng, trong đó một số nhóm methyl đã được thay thế bởi các nhóm amin sơ cấp và thứ cấp. Các nhóm amin phân cực có ảnh hưởng sâu sắc đến tính chất của silicone, tạo cho chúng một ái lực với các bề mặt tích điện âm, chẳng hạn như bề mặt protein của tóc. Nhũ tương của các chất lỏng này rất thường được sử dụng.
- Các alkyl dimethicone là chất lỏng hoặc sáp trong đó một số nhóm methyl đã được thay thế bằng các nhóm alkyl, từ đó hình thành nên nhóm hợp chất silicone-hydrocarbon đa dạng về độ nhớt, nhiệt độ hóa mềm và lưu chất, đồng thời làm tăng khả năng tương thích với các vật liệu hữu cơ.
- Silicone acrylate copolymer (acrylates/polytrimethylsiloxymetacrylates copolymer) có khả năng tạo màng, tăng cường độ bền, khả năng kháng nước, dễ dàng bào chế được dùng trong các công thức chăm sóc da và mỹ phẩm trang điểm.
Hoahocngaynay.com
