Łatwe określanie wpływu dodatków przez bezpośrednie przyspieszone badanie stabilności

• Strona główna
• Artykuły
• Łatwe określanie wpływu dodatków przez bezpośrednie przyspieszone badanie stabilności

2023-02-13  / Autor: Arnold Uhl, Titus Sobisch - LUM GmbH   /   Artykuł sponsorowany

Konsumenci oczekują wysokiej stabilności produktów względem separacji faz oraz łatwego redyspergowania w przypadku rozdzielenia faz produktu. W przypadku separacji faz, dział marketingu będzie wymagał zwolnienia produktu do obrotu w czasie krótszym niż czas wymagany do kompleksowego przetestowania produktu w rzeczywistych warunkach przechowywania. Rozwiązaniem sugerowanym przez International Organization for Standarization (ISO) jest stosowanie instrumentalnych metod przyspieszonego badania stabilności.

Norma ISO/TR 18811:2018(Cosmetics-Guidelines on the stability testing of cosmetic products) wyznacza ramy techniczno-naukowe do określenia odpowiednich metod badania stabilności produktów kosmetycznych ale nie ma na celu określenia warunków i parametrów kryteriów badania stabilności [1].

Norma ISO/TR 13097:2023 dotyczy charakterystyki stabilności ciekłych dyspersji (zawiesin, emulsji, pian i ich mieszanin) do zastosowań, takich jak projektowanie nowych produktów czy kontrola podczas wytwarzania i użytkowania produktu. Stabilność dyspersji w rozumieniu ISO/TR 13097:2013 definiuje się jako zmianę jednej lub kilku właściwości fizycznych w określonym czasie [2].

W przypadku lakieru do paznokci, źródła [3-5] określają tak zwany termin przydatności do użycia na 1-2 lata od daty produkcji, bez określania kryteriów trwałości tak jak zostało to opisane w rozdziale 3 referencji [2]

W artykule podkreślono zalety bezpośredniego przyspieszonego badania stabilności lakieru do paznokci celem zrozumienia procesu fizycznej separacji i wpływu dodatków na proces separacji. Stosując procedury dla większej ilości różnych formulacji na wczesnym etapie możemy wybrać obiecujące próbki do testów w czasie rzeczywistym a mniej zadowalające formulacje odrzucić. Takie podejście ogranicza czas, koszty magazynowania, koszty surowców oraz fundusze potrzebne do wprowadzenia produktu na rynek.

Eksperyment

Lakier do paznokci

Zmierzono jedną próbkę bez dodatku i jedną z dodatkiem. Ani skład chemiczny ani wiek próbek nie były znane firmie LUM podczas badania. Po rozpakowaniu próbek, cienka warstwa sedymentu została zaobserwowana w próbce bez dodatku. Powyżej zmętnienie zmniejszało się w kierunku góry próbki. W próbce z dodatkiem, zaobserwowana została klarowna faza na górze, a na dole próbka była jednorodna. Próbki zostały zhomogenizowane i zaaplikowane do kuwet pomiarowych bezpośrednio przed pomiarem.

Przyspieszone badanie stabilności w oryginalnej koncentracji

Do 10 mm kuwet pomiarowych wykonanych z poliamidu (PA) zaaplikowano około 1,75g próbek. Wybór kuwet 10 mm odnosi się do tego konkretnego badania, lakiery do paznokci mogą być badane również w kuwetach 2 mm i 1 mm. Kuwety wykonane z PA są obligatoryjne dla wszystkich próbek lakierów do paznokci znanych firmie LUM.

Instrument i technologia pomiarowa

Analizator dyspersji wyposażony w rotor LUMiSizer^® (Rys.1) pozwala na przyspieszenie separacji dyspersji:

• poprzez zastosowanie większej grawitacji ( względne przyspieszenie odśrodkowe (RCA) ruchu cząstek i kropel w porównaniu z grawitacją ziemską)
• poprzez podniesienie temperatury (zmniejszenie lepkości i możliwe przyspieszenie procesów dyfuzji zależnych od RCA)

LUMiSizer^® wykorzystuje technologię optyczną STEP-Technology^® (Rys.2) Obszerne wyjaśnienie technologii znajduje się w referencjach [7-9].

Rys.2 Zasada pomiarowa przestrzenno-czasowych profili ekstynkcji (wyświetlanych jako profile transmisji) zaimplementowana w instrumentach firmy LUM.

1. a) profil transmisji nierozdzielonej próbki w czasie t0
2. b) Profil transmisji (wykres oznaczony na zielono) w czasie t1. Linie przerywane pokazują różnice w transmisji w czasie t0 i t2.

(1) źródło światła; (2) światło NIR lub VIS; (3) kuweta pomiarowa; (4) rotor z miejscami pomiarowymi; (5) linia detekcyjna

Badanie prowadzono w instrumencie LUMiSizer^® 611 (źródło światła NIR, 870nm) w stałej temperaturze. W badaniu zastosowano RCA wynoszące 327 (odnosi się do dna celki pomiarowej w pozycji 130mm przy prędkości 1500 obr/min). Profile rejestrowano co 26 sekund przez łączny czas 110 min. Czas niezbędny do analizy, tj. wynikający z tego minimalny obowiązkowy czas pomiaru został omówiony poniżej.

Szczegółowe wyniki i dyskusja

Inspekcja wizualna po 110 min, RCA 327, 20 °C

Po przyspieszonej separacji próbka bez dodatku (Rys.3) wykazuje niewielki sedyment oraz mętny nadsącz. Próbka z dodatkiem (Rys.4) ma klarowny nadsącz i wzrastające zmętnienie w kierunku dna celki.

Zmiana w profilach transmisji NIR

Profile transmisji prezentują profile koncentracji cząstek (niska transmisja – wysokie stężenie, wysoka transmisja – niskie stężenie).

Profile na Rys. 5 wskazują na wysoce polidyspersyjną sedymentację, cząstki sedymentują z różnymi prędkościami. Podczas przechowywania spodziewana jest segregacja cząstek o różnej wielkości [10].

W nadsączu pozostaje duże zmętnienie resztkowe spowodowane bardzo drobnymi/lekkimi cząstkami.  

Ostry front w próbce z dodatkiem (Rys.6) migruje w kierunku dna kuwety (sedymentacja strefowa). Podczas przechowywania spodziewana jest synereza [10], (separacja fazy dyspergującej na powierzchni), tak jak zaobserwowano przed pomiarem. Dodatkowo, zaobserwowano wzrost transmisji w fazie transparentnej. Oprócz cząstek osadzających się wspólnie, zaobserwowano separację w fazie lekkiej. Celem szczegółowej analizy sedymentu rekomendowane jest zastosowanie instrumentu LUMiReader X-Ray®, szczegóły [11-12]. Rekomendowane jest również przeprowadzenie badania w kuwetach 2mm i 1 mm.

Ostanie zarejestrowane profile NIR są zgodne z obserwacją wzrokową próbek.

Szybkie porównanie próbek względem wskaźnika niestabilności

Indeks niestabilności [6], służy do łatwej i wiarygodnej analizy porównawczej badanych próbek, tak jak ma to miejsce w badaniach QC/QA. Im wyższa wartość indeksu, tym próbka jest bardziej oddzielona. Indeks został obliczony 2 mm poniżej wysokości menisku po 300 s testu przy transmisji referencyjnej na poziomie 90%.

Potwierdzono działanie stabilizujące dodatku (zielona próbka Rys. 7). Tego typu szybka analiza porównawcza przy zmianie jednego parametru badanej próbki (inna koncentracja lub dodatek do próbki) wymaga tylko 5 min. testu w danych warunkach.

Kinetyka sedymentacji

Szczegółowa analiza kinetyk separacji dla dwóch próbek przeprowadzona z użyciem Front Tracking (Rys.8) dla transmisji wynoszącej 10%.

Szybsza sedymentacja próbki bez dodatku (kolor czerwony) znajduje odzwierciedlenie w większym nachyleniu krzywej. Zarejestrowana została sedymentacja fazy najgrubszej, która separuje się szybciej niż frakcja drobniejsza. W przypadku próbki z dodatkiem (zielona linia) równowaga sedymentacyjna nie została osiągnięta.

Nachylenia otrzymane przez regresję liniową w Rys. 8 zostały porównane z wynikami drugiego testu w 25°C (Rys.9) i tabeli Tab.1

Działanie stabilizujące dodatku (próbka zielona) zostało ponownie potwierdzone poprzez znaczne zmniejszenie prędkości sedymentacji. Tak jak oczekiwano, przy 25°C prędkości sedymentacji są większe z uwagi na zmniejszoną lepkość fazy dyspergującej.

Wnioski

Przeprowadzono bezpośrednie przyspieszone badanie stabilności lakieru do paznokci z dodatkiem i bez dodatku zgodnie z normami ISO/TR13097 i ISO/TR18811. Lakier z dodatkiem charakteryzuje się wyższą odpornością na separację fizyczną przy temperaturach 20°C i 25°C, które są typowymi temperaturami przechowywania. Lakier do paznokci o określonym czasie przydatności do użycia wynoszącym 1 lub 2 lata może zostać zbadany w ciągu kilku minut lub kilku godzin. Umożliwia to opracowywanie receptur i ulepszanie produktów już na wczesnym etapie ich formulacji.

Dzięki zastosowaniu analizy porównawczej do przewidywania okresu trwałości dyspersji [13-16], prezentowana metoda ma zastosowanie w działach QC/QA. Analiza prognozująca okres trwałości wymagałaby powtórzenia tych samych testów w tych samych temperaturach ale przy różnych wartościach RCA.

Po więcej informacji zapraszamy do kontaktu z przedstawicielem w Polsce: NGLab Sp. z o. o.

l.gilinski@nglab.pl

A. Uhl*, T. Sobisch

LUM GmbH, Justus-von-Liebig-Strasse 3, 12489 Berlin, Germany

info@lum-gmbh.com, www.lum-gmbh.com

Tłumaczenie: Łukasz Giliński

NGLab Sp. z o. o. l.gilinski@nglab.pl, www.nglab.pl

Referencje:

[1] https://www.iso.org/standard/63465.html, 2.2.2023

[2] https://www.iso.org/standard/52802.html, 2.2.2023

[3] Cosmetics Shelf life chart

http://repontherun.blogspot.com/2006/12/cosmetics-shelf-life-chart.html, 8.12.2011

[4] Shelf Life Expectancy & Expiration Date …,

http://www.rexanne.com/shelflife.html, 8.12.2011

[5] Nail Polishes Facts

http://www.nail-care-tips.com/nail-polishes.php, 8.12.2011

[6] Instability Index, T. Detloff et al., Dispersion Letters Technical, T4 Update 2014, 1-4

[7] Theoretical and experimental analysis of the sedimentation kinetics …, D. Lerche et al., Biorheology 2001, 38, 249-262

[8] Emulsion Stability and Demulsifier Dosage – Real-Time and Accelerated Analysis, T. Sobisch et al. Dispersion Letters 1, 2010, 1-6

[9] Comprehensive Characterization of Nano- and Microparticles by In-Situ …, D.

Lerche, KONA Powder and Particle Journal 36, 2019, 156-186

[10] Paint products: Accelerated stability and quality testing …, T. Sobisch et al.,

ADVANCES IN COATINGS TECHNOLOGY ACT´08, Warsaw, 25 - 27 November 2008, Paper 53

[11] https://www.lumireader-xr.com/,  3.2.2023

[12] Analytical methods to visualise the pigment separation in colour cosmetics, A. Uhl et al., in-cosmetics 2015, Barcelona, Spain, 14-16 April 2015

[13] Evaluation of Stability of Model Emulsions …, K.-H. Jacob, International Workshop Dispersion Analysis 2012, Berlin, 1-2 March, Abstract https://www.dispersion-letters.com, 3.2.2023

[14] Predicting the shelf life of Liquid Fabric Softeners, P. Vinson et al., International Workshop Dispersion Analysis 2012, Berlin, 1-2 March, Abstract ww.dispersion-letters.com, 3.2.2023

[15] An innovative concept for real-time and accelerated […] stability testing, A. Uhl, Webinar COSSMA 2016, www.dispersion-letters.com , 3.2.2023

[16] Rapid Stability Prediction Methods for Consumer Products, S. Jaracz et al., International Conference Dispersion Analysis & Materials Testing 2019, Berlin, 22-23 May, Abstract  on www.dispersion-letters.com, 3.2.2023

NGLabLUMprzemysłkosmetycznybadania i rozwójlakiery do paznokcistabilność separacjiprzyspieszone testy stabilności