화장품에 사용되는 Carbopol 이란?

화장품에 엄청 쓰인다는 Carbopol. 예전부터 궁금했는데 어떻게 생겼는지 본 건 처음이다. 

pH가 바뀌면 점도가 크게 변한다던데 알고보니 치환기가 온통 carboxylic acid네. pH가 바뀌면 carboxyl 그룹에서 수소가 뛰쳐 나갈테고, charge도 변하고, 수소 결합도 많이 생기면서 crosslinking 된단다.

 

화장품의 대표적인 증점제. 사용감과 상안정성 개선 등 많은 부분에 약방의 감초처럼 들어가면서 많은 물성을 조절하는데, 어떤때는 점도가 별로 안올라가고, 어떤때는 너무 올라가고 제어가 쉬지 않다. Emulsion에서, suspension에서 점도를 올리는 메커니즘도 다를테고, 들어가는 입자 농도, 크기, carbopol의 분자량, 농도 등의 특징적인 구조와 물성 관점에서 optimize를 할 수 있는 guide를 만들면 꽤 유용하겠다. 천연 화장품을 만들려면 카보폴을 천연물질로 대체해야 한다는데 마땅한 놈이 없단다.

 

먼저 Carbopol에 대해 알아보자.

 

1. Carbopol 이란 ?

- 레올로지 변경물

- 높은 분자량을 가지고 있고, 가교결합된 Poly(acrylic Acid) polymers 이다

- CTFA / INCI Name

ⅰ) Carbomer (Homopolymer)

ⅱ) Acrylates / C 10 -30 Alkyl Acrylate Crosspolymer (Copolymers)

 

2. Carbopol의 주요기능

- 점증제 역할을 함

- 불용성 성분의 suspension을 만듬

- 에멀젼의 안정화에 사용

- 유화에 사용 (pemulen polymer)

- 물과 활성물의 방출을 조절해 줌

- 활성물의 생물학적 능력을 증가시키기 위한 Bioadhesion으로 작용

 

3. Carbopol의 응용

- Hair 제품 : 샴푸, styling gel, 무스 등

- Skin 제품 : 크림, 로션, 썬스크린, 샤워젤, 제모제 등

 

4. Carbopol polymer의 점증 방법

- 1 단계(파우더)

물과 접촉하기 전, 가교결합된 Polyacrylic Acid는 단단하게 꼬여있다.

 

- 2 단계(수화단계)

물에 분산되면, 가교결합된 Polyacrylic Acid는 풀리기 시작한다.

 

- 3 단계(중화단계)

염기로 중화된 polymer는 backbone을 따라 음전하를 만든다.

이 반발력은 쭉 펼쳐진 구조로 polymer를 푼다.

 

※ 물에서 중화가 되면 Carbopol polymer는 최초부피의 약 1,000배까지 부풀어오른다.

 

5. Carbopol의 항복값

- Carbopol polymer로 점증된 것은 항복값이 매우 높다.

- 항복값은 적용된 힘에서 유동하기 위한 최초저항이다. 다시말해 항복값은 유동을

일으키는데 필요한 최소량의 힘이다.

- 점도보다도 오히려 항복값이 분산능력을 결정하는데 우세하다.

- Carbopol Homopolymer로 제공된 Yield Value(항복값)는 에멀젼을 안정화시키고

병합되는 것을 막는다.

 

6. 시간이 지남에 따라 점도가 낮아지는 원인

- 물 또는 다른 원료에 들어있는 전해질

【 Carbopol polymer의 상대적인 전해질 감도】

∙ 각각의 Carbopol polymer는 어느 정도의 전해질에서는 견딜 수 있다.

∙ Carbopol ETD 2020 > 1342 > ETD 2001 > ETD 2050 > 941 > 940 > 934

> Ultrez 10

∙ 모든 경우에서, 전해질은 점증효과를 떨어뜨린다.

∙ 1가염보다 2가염이 Carbopol의 점도를 현저히 낮춘다. 다시말해 염의 농도가 증가하면

증가할수록 점도가 떨어진다. 따라서 염의 농도와 점도와는 반비례의 관계가 성립한다.

∙ 일정한 농도의 Nacl에서 polymer의 농도와 점도를 비교하면 polymer의 농도가

증가함에 따라 점도는 증가한다.

 

- 양이온

∙ 투명도와 점도의 감소를 가져온다.

∙ carbopol polymer가 음이온 polymer이기 때문에 양이온과 만나 침전물을 야기시킨다.

∙ 교정법

ⅰ) 매우 낮은 수준의 양이온을 사용한다.

ⅱ) 양이온을 첨가하기 전에 중화한다.

ⅲ) 낮은 전하밀도와 높은 분자량을 가진 양이온을 사용한다.

ⅳ) carbopol ETD2020으로 처방한다.

 

- UV light

【 UV light의 영향 】

∙ 점도와 투명도가 감소한다.

∙ 대처방법 : ⅰ) UV 흡수제를 첨가한다. ⅱ) EDTA-2Na를 첨가한다.(사용량 : 0.05%)

 

- 미생물의 성장

∙ 적합한 수준의 방부제를 사용한다.

 

 

 

 

▣ Carbopol polymer의 비교

󰋫 Carbomer 940

Carbomer 940은 가교결합된 acrylic acid의 높은 분자량의 polymer이다. 80℃에서 1시간동안 진공상태에서 건조시킨 Carbomer 940은 56 - 68%의 Carboxylic acid그룹( -COOH)를 포함하고 있다.

0.5%의 Carbomer 940(in water)의 점도는 40,000 - 60,000 cps이다

 

󰋫 Carbomer 941

Carbomer 941은 가교결합된 acrylic acid의 높은 분자량의 polymer이다. 80℃에서 1시간동안 진공상태에서 건조시킨 Carbomer 941은 56 - 68%의 Carboxylic acid그룹( -COOH)를 포함하고 있다.

0.5%의 Carbomer 941(in water)의 점도는 4,000 - 11,000 cps이다

 

󰋫 Carbomer 934

Carbomer 934은 가교결합된 acrylic acid이다. 80℃에서 1시간동안 진공상태에서 건조시킨 Carbomer 941은 56 - 68%의 Carboxylic acid그룹( -COOH)를 포함하고 있다.

0.5%의 Carbomer 934(in water)의 점도는 29,400 - 39,400 cps이다

 

CARBOPOL의 종류	성 질
Carbopol 934	- 매우 높은 점도 - 짧고 buttery한 구조 - 매우 salt한 느낌
Carbopol 940	- 매우 높은 점도 - 짧고 buttery한 구조 - 매우 salt한 느낌 - 보통 로션에 많이 사용
Carbopol 941	- 낮은 점도 - 길고 점착력이 있는 구조 - salt한 느낌

 

▶ 참고

- 세게 가교결합된 carbopol 934, 940은 short flow rheology를 가지고 있다.

- 약하게 가교결합된 carbopol 941은 long flow rheology을 가지고 있다.

 

 

 

- Wetting Time of Carbopol

Carbopol	Wetting Time(min)
934	> 50
940	> 50
941	>> 50
ultrez 10	5
ETD 2020	15

 

󰋫 carbopol Ultrez 21 polymer 의 성질 특성

- 0.5%로 분산된 carbopol Ultrez 21 polymer는 제품을 혼합하지 않고도 몇 분 이내에 자체 습윤이 가능하다.

- 높은 응집 효과를 가지고 있어 carbopol Ultrez 21 polymer를 사용할 때에는 대부분의 에멀젼 제품과 유사한 점도가 필요하면 polymer 양을 약 15%정도 감소시킬 것을 권장합니다.

- 다른 carbopol polymer와 비교해 전해질에 대한 내성이 월등히 높다.

- 다른 carbopol polymer보다 끈적임이 적다.

- 다양한 제품에서 사용가능

ex) 헤어 스타일링 젤, 핸드 로션과 바디 로션, 유아용 로션. 핸드 살균제, 보습 젤,

 

 

 

선스크린 로션, 샤워젤, 샴푸