Đánh giá ảnh hưởng của một số tá dược đến độ nhớt của chế phẩm gội đầu

Ảnh hướng của sự thay đổi nồng độ SDS lên các tính chất lưu biến đối với hệ đung dịch SDS và NaCl .... ĐẶT VẤN ĐỀ Công thức cho một chế phẩm gội đầu làm sạch tóc nói chung sẽ là một dung

Trang 1

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

VŨ QUANG THÁI

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ TÁ DƯỢC

ĐẾN ĐỘ NHỚT CỦA CHẾ PHẨM GỘI ĐẦU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

HÀ NỘI – 2018

Trang 2

ĐẾN ĐỘ NHỚT CỦA CHẾ PHẨM GỘI ĐẦU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

Trang 3

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới:

TS Phạm Bảo Tùng ThS Nguyễn Cảnh Hưng

những người thầy đã dành thời gian, tâm huyết để tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, khích lệ tôi trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô, các anh chị kỹ thuật viên, các anh chị và các bạn sinh viên tham gia nghiên cứu khoa học tại bộ môn Bào chế - Trường đại học Dược Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình tôi học tập và thực nghiệm tại bộ môn

Tôi xin cảm ơn các thầy cô bộ môn Hóa phân tích và Độc chất - Trường đại học Dược Hà Nội đã tạo điều kiện để tôi có thể sử dụng thiết bị của bộ môn trong quá trình thực hiện khóa luận này

Nhân đây, tôi xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong Ban giám hiệu, các phòng ban, các thầy cô giáo và cán bộ nhân viên trường Đại học Dược Hà Nội - những người

đã dạy bảo tôi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và những người bạn thân thiết đã luôn bên cạnh, ủng hộ, cổ vũ tôi trong trong suốt quá trình học tập Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Vũ Quang Thái

Trang 4

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2

1.1. Tổng quan về các tá dược sử dụng trong chế phẩm gội đầu 2

1.1.1. Chất diện hoạt 2

1.1.2. Các tá dược ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của dung dịch chất diện hoạt 5

1.2. Tổng quan phương pháp lưu biến 8

1.2.1. Định nghĩa về lưu biến học 8

1.2.2. Một số khái niệm cơ bản 8

1.2.3. Các phương pháp đánh giá lưu biến 10

1.3. Tổng quan về tương tác lưu biến giữa các tá dược 14

1.3.1. Tương tác giữa chất diện hoạt và muối 14

1.3.2. Tương tác giữa chất tạo đặc và chất diện hoạt 16

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1. Nguyên liệu và thiết bị 18

2.1.1. Nguyên liệu: 18

2.1.2. Thiết bị 18

2.2. Nội dung nghiên cứu 18

2.3. Phương pháp nghiên cứu 18

2.3.1. Công thức sử dụng 18

2.3.2. Phương pháp bào chế 20

2.3.3. Phương pháp đánh giá 21

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 23

3.1. Khảo sát thông số ứng suất trượt 23

3.2. Đánh giá tương tác giữa chất diện hoạt và muối 24

Trang 5

3.2.1. Đối với các công thức chứa SDS 24

3.2.2. Đối với các công thức chứa SLES 30

3.2.3. Tổng kết 33

3.3. Đánh giá tương tác giữa chất diện hoạt và HEC 34

3.3.1. Kết quả của phương pháp dao động quét tần số 34

3.3.2. Kết quả của phương pháp trượt liên tục 36

3.4. Đánh giá tương tác giữa chất diện hoạt, HEC và NaCl 37

3.4.1. Đối với các công thức chứa SLES 37

3.4.2. Đối với các công thức chứa SDS 40

3.4.3. Tổng kết 42

3.5. Khảo sát đáp ứng của hệ sau khi loại bỏ tác dụng của lực 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

(critical aggregation concentration)

microscopy)

(controlled shear rate)

(controlled shear stress)

(linear viscoelastic range)

(polyvinyl pyrrolidon)

Phương pháp huỳnh quang làm lạnh nhanh

phân giải thời gian (time-resolved fluorescence quenching)

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm 18

Bảng 2.2 Thành phần các công thức sử dụng 19

Bảng 3.1 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch SDS và NaCl

theo phương pháp dao động quét tần số 25

Bảng 3.2 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch SDS và NaCl

theo phương pháp trượt liên tục 27

Bảng 3.3 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch SLES và NaCl

Bảng 3.4 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch SLES và NaCl

Bảng 3.5 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch SDS và HEC

Bảng 3.6 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch SDS và HEC

Bảng 3.7 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch HEC, SLES và NaCl

Bảng 3.8 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của dung dịch HEC, SDS và NaCl

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Công thức cấu tạo phân tử natri lauryl sulfat 2

Hình 1.2 Công thức cấu tạo phân tử natri lauryl ether sulfat 3

Hình 1.3 Công thức cấu tạo phân tử cocamidopropyl betain 4

Hình 1.4 Công thức cấu tạo phân tử hydroxyethyl cellulose 5

Hình 1.5 Mô hình hai mặt phẳng song song 9

Hình 1.6 Mô hình độ biến dạng 9

Hình 1.7 Cách ghi dữ liệu của phương pháp trượt liên tục 10

Hình 1.8 Đường cong độ nhớt của vật liệu từ phương pháp trượt liên tục 11

Hình 1.9 Hình minh họa đường cong độ nhớt của của vật liệu

(a) Chất lỏng Newton (b) Vật liệu shear-thinning (c) Vật liệu shear-thikening 11

Hình 1.10 Dao động của ứng suất trượt σ và độ biến dạng γ 12

Hình 1.11 Mô hình đo lưu biến

(a) Mô hình chày-cối (b) Mô hình nón-đĩa (c) Mô hình hai mặt phẳng song song 13 Hình 1.12 Mô hình đo lưu biến

(a) Mô hình nón cụt-đĩa (b) Mô hình nón-đĩa 13

Hình 1.13 Micell dang cầu và micell dạng gậy 15

Hình 1.14 Micell dạng ống 15

Hình 3.1 Kết quả khảo sát vùng LVR với tốc độ góc 10 rad/s đối với mẫu S15-4 23 Hình 3.2 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu S15-4

Hình 3.3 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu S15-4

Hình 3.4 Ảnh hướng của sự thay đổi nồng độ SDS lên các tính chất lưu biến đối với hệ đung dịch SDS và NaCl 28

Hình 3.5 Ảnh hướng của sự thay đổi nồng độ NaCl lên các tính chất lưu biến đối với hệ đung dịch SDS và NaCl 29

Trang 9

Hình 3.6 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu L15-4

Hình 3.7 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu L15-4

Hình 3.8 Ảnh hướng của sự thay đổi nồng độ NaCl lên các tính chất lưu biến đối với hệ đung dịch SLES và NaCl 32

Hình 3.9 Ảnh hướng của sự thay đổi nồng độ NaCl lên độ nhớt tĩnh đối với hai chất diện hoạt SDS và SLES 33

Hình 3.10 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu H2-S15

Hình 3.11 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu H2-S15

Hình 3.12 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu H1-L10-4

Hình 3.13 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu H1-L10-3.5

Hình 3.14 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu H1-S10-2

Hình 3.15 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến của mẫu H1-S10-4.5

Hình 3.16 Ảnh hướng của sự thay đổi nồng độ NaCl lên độ nhớt tĩnh đối với

hệ chứa SDS và hệ chứa SLES 42

Hình 3.17 Kết quả đánh giá tính chất lưu biến

theo phương pháp dao động theo thời gian 43

Trang 10

ĐẶT VẤN ĐỀ

Công thức cho một chế phẩm gội đầu làm sạch tóc nói chung sẽ là một dung dịch của một hoặc một hỗn hợp chất diện hoạt đi kèm với một polyme tạo đặc và các thành phần phụ khác như muối, chất thơm, dược chất,… [5] Bên cạnh khả năng tạo bọt, khả năng tẩy rửa cũng như tính êm dịu với da, mắt và tóc khi sử dụng, đặc tính lưu biến của chế phẩm gội đầu cũng là một yếu tố rất quan trọng đối với người tiêu dùng [6] Thông thường tính chất lưu biến của chế phẩm được quyết định bởi polyme tạo đặc Tuy nhiên khi phát triển các công thức khác nhau, nhiều nghiên cứu đã cho thấy những tương tác giữa các tá dược dẫn đến thay đổi tính chất lưu biến của chế phẩm Những tương tác này

có thể dẫn đến sự biến đổi về hình thức, độ ổn định, và một số chỉ tiêu chất lượng khác của chế phẩm gội đầu Do đó phương pháp lưu biến thường được sử dụng để tối ưu hóa công thức chế phẩm gội đầu dựa trên yêu cầu về tính chất lưu biến mà chế phẩm hướng đến

Vì những lý do trên, chúng tôi tiến hành đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của một số

tá dược đến độ nhớt của chế phẩm gội đầu” với mục tiêu chính:

Sử dụng phương pháp lưu biến nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng cùa hydroxyethyl cellulose và NaCl lên tính chất lưu biến của dung dịch chất diện hoạt natri lauryl sulfat và natri lauryl ether sulfat

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các tá dược sử dụng trong chế phẩm gội đầu

Như đã được trình bày ở phần đặt vấn đề công thức của một chế phẩm gội đầu làm sạch tóc bao gồm dung dịch của một hoặc hỗn hợp chất diện hoạt với các thành phần khác như polyme tạo đặc, muối, chất thơm,… Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi sẽ đánh giá tương tác của chất diện hoạt với các tá dược khác có khả năng làm thay đổi tính chất lưu biến của hệ Dưới đây, chúng tôi xin trình bày tổng quan vè các tá dược

đó

1.1.1 Chất diện hoạt

Chất diện hoạt là một trong những thành phần chính của chế phẩm gội đầu với vai trò chủ yếu là tẩy rửa bụi bẩn, chất nhờn, trên tóc bằng cơ chế nhũ hóa Chất diện hoạt được phân loại dựa trên điện tích thành 4 nhóm: chất diện hoạt anion, chất diện hoạt cation, chất diện hoạt lưỡng tính và chất diện hoạt không ion hóa [1]

Ngoài ra chất diện hoạt có thể đóng vai trò là chất nhũ hóa cho công thức nhũ tương, chất gây thấm cho công thức hỗn dịch và tá dược trơn cho công thức viên nén Dưới đây là tổng quan của chúng tôi về các chất diện hoạt thường được sử dụng trong các chế phẩm gội đầu

a Natri lauryl sulfat (SDS)

• Công thức hóa học

Hình 1.1 Công thức cấu tạo phân tử natri lauryl sulfat

- Tên khoa học: Natri dodecyl sulfat

- Công thức phân tử: C12H25SO4Na

- Khối lượng phân tử: 288,380 g/mol

• Bản chất

SDS là chất diện hoạt anion có bản chất là muối natri của ester giữa acid sulfuric

và dodecanol

Trang 12

• Tính chất và ứng dụng

SDS có khả năng tẩy rửa tốt [5], tạo bọt tốt ngay cả với nước cứng, tính chất bọt tạo thành tốt, [7] nên được sử dúng rất nhiều trong các công thức của chế phẩm gội đầu với tỷ lệ khoảng 10% [27]

So với các chất diện hoạt khác cùng dãy đồng đẳng, SDS được ưu tiên lựa chọn Khi chiều dài gốc alkyl tăng, khả năng gây kích ứng của chất diện hoạt giảm nhưng kèm theo đó khả năng tạo bọt giảm theo Ngược lại khi giảm chiều dai gốc alkyl cũng khiến khả năng gây kích ứng của chất diện hoạt giảm nhưng mùi khó chịu của chất diện hoạt tăng lên [7]

SDS có khả năng gây kích ứng da và mắt [12], [18] đồng thời tạo cảm giác khô cứng và thô ráp cho tóc sau khi gội [5] nên thường được phối hợp với các chất diện hoạt khác để tối ưu hóa khả năng tẩy rửa, tạo bọt và giảm kích ứng [7]

Ngoài ứng dụng làm chất tẩy rửa trong công thức của chế phẩm gội đầu, SDS còn

có thể đóng vai trò làm chất nhũ hóa với tỷ lệ 0,5-2,5%, tá dược trơn cho viên nén với

Hình 1.2 Công thức cấu tạo phân tử natri lauryl ether sulfat

- Tên khoa học: Natri 2-(2-dodecoxyethoxy) ethyl sulfat

- Công thức phân tử C16H33NaO6S

• Bản chất

SLES là chất diện hoạt anion với bản chất là một muối natri của ester giữa acid sulfuric và (2-dodecoxyethoxy) ethanol

Trang 13

Tương tự với SDS, SLES cũng có khả năng tẩy rửa tốt, khả năng tạo bọt tốt,…So với SDS, SLES tan tốt hơn trong nước, cải thiện độ bền bọt trong nước cứng đồng thời giảm khả năng gây kích ứng Bên cạnh đó, độ nhớt của dung dịch SLES nhạy cảm hơn hơn so với dung dịch SDS dưới sự có mặt của muối [7] Do đó SLES được ưu tiên hơn

so với SDS trong các công thức của chế phẩm gội đầu

c Cocamidopropyl betain (CAPB)

Hình 1.3 Công thức cấu tạo phân tử cocamidopropyl betain

- Tên khoa học: 2-[3-(dodecanoylamino)propyl-dimethylazaniumyl]acetat

CAPB có khả năng tẩy rửa tốt, tạo bọt tốt, có khả năng tăng cảm giác dễ chịu cho tóc sau khi sử dụng [5] và ít gây kích ứng cho da và mắt [30] nên thường được sử dụng phối hợp với chất diện hoạt anion trong các công thức của chế phẩm gội đầu

Khi phối hợp CAPB với chất diện hoạt anion, khả năng gây kích ứng của chất diện hoạt anion giảm trong khi vẫn giữ được khả năng tẩy rửa, khả năng tạo bọt tốt [7] Ngoài

ra do CAPB tạo cảm giác dễ chịu đối với tóc, nên công thức phối hợp còn có khả năng giảm cảm giác khô cứng và xơ cho tóc so với khi chỉ dùng chất diện hoạt anion [5] Thêm vào đó CAPB còn có khả năng tạo đặc khi phối hợp chung với các chất diện hoạt anion [7]

Trang 14

1.1.2 Các tá dược ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của dung dịch chất diện hoạt

a Các polyme tạo đặc

Polyme tạo đặc là một trong những thành phần thường xuất hiện trong công thức mỹ phẩm nói chung và công thức của chế phẩm gội đầu nói riêng Polyme tạo đặc được đưa vào công thức với vai trò làm tăng độ nhớt của chế phẩm, tăng độ ổn định của chế phẩm, thay đổi hình thức của chế phẩm đáp ứng nhu cầu của khách hàng và thay đổi đặc tính lưu biến của chế phẩm [15] Tỷ lệ polyme tạo đặc trong công thức không

cố định, thường sẽ phụ thuộc vào bản chất của polyme tạo đặc và yêu cầu của chế phẩm Đối với chế phẩm gội đầu, chế phẩm cần có một độ nhớt thích hợp, dễ dàng lấy ra khỏi bao bì và khôi phục lại trang thái ban đầu nhanh chóng sau khi được lấy ra khỏi bao bì Dưới đây là tổng quan của chúng tôi về một số polyme tạo đặc thường được sử dụng trong các công thức mỹ phẩm

Hydroxyethyl cellulose

Hình 1.4 Công thức cấu tạo phân tử hydroxyethyl cellulose

- Tên khoa học: 1-[[3,4,5-tris(2-hydroxypropoxy)-6-[[4,5,6-tris(2-hydroxy propoxy)-2-[(2-hydroxypropoxy)methyl]oxan-3-yl]oxy]oxan-2-yl]

Trang 15

HEC là một polyme thân nước không mang điện, là hạt hoặc bột có màu trắng, trắng ngà hay trắng xám [2], [24] dễ dàng hòa tan vào trong nước nóng hoặc nước lạnh [17] tạo dung dịch trong suốt với độ nhớt phụ thuộc vào mức độ polyme hóa và khối lượng phân tử Do đó tùy thuộc vào yêu cầu về độ nhớt của chế phẩm ta có thể lựa chọn các loại HEC khác nhau HEC không tan trong dung môi hữu cơ (aceton, ethanol 96%, toluen) [2], [17]

HEC có tính trơ về mặt hóa học [10], khoảng pH ổn định lớn (trong khoảng pH 11) [8], [27], dung dịch trong nước có pH trung tính, bền dưới sự có mặt của các chất mang điện, không tương kỵ với các chất mang điện [27] và độ nhớt dung dịch không phụ thuộc vào lực ion [15] cho nên HEC có ứng dụng rộng rãi trong vai trò tá dược HEC có tính shear-thinning đồng thời không có tính thixotropic và điểm chảy (yield-point) [15] tức là chế phẩm sử dung HEC làm chất tạo đặc có độ nhớt cao khi ở trong bao bì đựng, dễ dàng chảy lỏng để lấy ra khỏi bao bì với một lực tác dụng nhỏ đồng thời trở lại trạng thái ban đầu trước khi chảy gần như ngay lập tức sau khi ra khỏi bao bì Tính chất này giúp HEC phù hợp với chế phẩm gội đầu

2-Với vai trò là chất tạo đặc, HEC được sử dụng trong các chế phẩm gội đầu, xà phòng, sản phẩm khử mùi,… Ngoài ra, HEC có thể được sử dụng là tá dược dính, tá dược tạo màng bao film cho viên nén [27] Tỷ lệ HEC sử dụng trong các công thức không cô định, thường sẽ phụ thuộc vào khối lượng phân tử của HEC và yêu cầu của chế phẩm

Ngày này, ngoài HEC thông thường, một số dẫn chất của HEC được sử dụng để tối ưu hóa khả năng tạo đặc Một trong số dẫn chất thường được sử dụng là dẫn chất của HEC được gắn thêm nhóm kỵ nước (Hydrophobically modified hydroxyethyl cellulose – HMHEC) So với HEC thông thường, HMHEC có khả năng hoạt động bề mặt, có khả năng tăng mạnh độ nhớt dưới ảnh hưởng của tương tác kỵ nước đồng thời có thêm một

số đặc tính lưu biến đặc biệt khác [8] HMHEC thường được sử dụng trong các công thức kem, dầu gội đầu, dầu xả,…

Gôm xanthan

• Bản chất

Trang 16

Gôm xanthan là một polysaccharid được tổng hợp từ quá trình lên men vi sinh vật Cấu trúc chính của gôm xanthan được cấu tạo từ các đơn vị pentasaccharid Mỗi đơn vị được cấu tạo từ 2 đơn vị đường glucose, 2 đơn vị đường mannose và 1 đơn vị acid glucuronic [13], [27]

Gôm xanthan là một polyme mang điện âm nên tương kỵ với các chất mang điện dương (chất diện hoạt cation, polyme mang điện dương, ) [27] cho nên gôm xanthan không thích hợp với công thức của chế phẩm gội đầu dành cho tóc nhuộm Khoảng pH

ổn định của dung dịch gôm xanthan rộng (trong khoảng pH = 3-12) [8] Độ nhớt của dung dịch gôm xanthan giảm dần dưới sự có mặt và tăng dần của nồng độ muối [9] Tuy nhiên khi nồng độ muối rất cao hoặc nồng độ polyme cao, độ nhớt của hệ sẽ tăng [29] Dung dịch gôm xanthan có tồn tại điểm chảy [19] nên thích hợp hơn cho công thức kem đánh răng Trong mỹ phẩm, gôm xan than còn được ứng dụng bào chế các chế phẩm gội đầu, cream, lotion, Ngoài ra gôm xanthan còn có khả năng đóng vai trò chất gây thấm trong công thức hỗ dịch và tá dược dính trong công thức viên nén [27]

Carmelose natri (Na-CMC)

Na-CMC là polyme mang điện âm , khoảng pH ổn định khá rộng (4-10) nên được ứng dụng khá nhiều trong mỹ phẩm Na-CMC được ứng dụng làm chất tạo đặc trong các công thức kem đánh răng, kem bôi da, dầu gội đầu, lotion,…[8] với tỷ lệ thường dùng khoảng 3-6% [27] Ngoài ra Na-CMC còn được sử dụng làm tá dược dính cho viên nén với tỷ lệ khoảng 1-6% [27]

b NaCl

- Tên khoa học: Natri clorid

Trang 17

- Công thức phân tử: NaCl

• Tính chất lý hóa

- Cảm quan: tinh thể không màu trong suốt hoặc bột màu trắng, vị mặn

- Độ tan: tan tốt trong nước (36 g trong 100g nước ở nhiệt độ 25oC), ít tan trong ethanol (0,065 g trong 100g ethanol ở nhiệt độ 25oC)

- Khối lượng riêng: 2.17 g/cm3 ở 25oC

- Nhiệt độ nóng chảy: 800,25oC

- Nhiệt độ sôi: 1465oC

- pH: 6,7-7,3 dung dịch trong nước có pH trung tính

- Chỉ số khúc xạ: 1,5442

- Sức căn bề mặt: 110000 dyn/cm ở 850oC (NaCl nóng chảy)

- Độ nhớt: 1,93 cp với dung dịch bão hòa

1.2 Tổng quan phương pháp lưu biến

1.2.1 Định nghĩa về lưu biến học

Lưu biến học là một nhánh của vật lý nghiên cứu về sự chảy và sự biến dạng của vật liệu

Khi tác dụng một lực vào một vật liệu, vật liệu đó hoặc biến dạng như một chất rắn hoặc chảy như một chất lỏng Mối tương quan ở đây là khi lực tác dụng đủ mạnh tạo ra một biến dạng đủ lớn thì có thể cho rằng tất cả các vật liệu đều có thể chảy như một chất lỏng Như vậy, biểu hiện của một vật liệu dưới tác dụng của lực là tổng hợp giữa đặc tính nhớt của chất lỏng và đặc tính đàn hồi của chất rắn hay còn được gọi là đặc tính nhớt đàn hồi (viscoelastic) [20]

Lưu biến học sẽ mô tả mối quan hệ giữa sự chảy và sự biến dạng hay mối quan hệ giữa đặc tính nhớt và đặc tính đàn hồi của các loại vật liệu

1.2.2 Một số khái niệm cơ bản

Mô hình được sử dụng để mô tả các khác niệm lưu biến cơ bản là mô hình hai mặt phẳng song song Hai mặt phẳng có diện tích A (m), mặt phẳng dưới cố định, mặt phẳng trên chuyển động dưới tác động của lực F (N) và chuyển động với vận tốc v (m/s), hai mặt phẳng cách nhau một khoảng h (m)

Trang 18

Hình 1.5 Mô hình hai mặt phẳng song song

a Ứng suất trượt (shear stress-σ)

Ứng suất trượt là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của lực tác dụng có phương song song với bề mặt tác dụng lực trên một đơn vị diện tích [20]:

σ = 𝐹𝐴

Độ biến dạng được dịnh nghĩa là tỷ lệ giữa quãng đường lớn nhất mà lớp vật liệu

di chuyển được (s) dưới tác dụng của lực so với bề dày lớp vật liệu (h)

γ = 𝑠ℎ

Do quãng đường chuyển động và bề dày lớp vật liệu có cùng đơn vị nên đại lượng

γ không có thứ nguyên Thông thường độ biến dạng γ được biểu diễn dưới dạng % tức

là ví dụ với một khối vật liệu có bề dày 20 cm được đánh giá với mô hình trên với quãng đường di chuyển là 1 cm thì độ biến dạng của khối vật liệu khi đó sẽ là γ = 5%

Trang 19

c Tốc độ trượt (shear rate- 𝛾̇)

Tốc độ trượt được tính bằng công thứ

𝛾̇ = 𝑣ℎ

Với một chất lỏng nhớt lý tưởng, tỉ số giữa ứng suất trượt σ và tốc độ trượt 𝛾̇ khi

đo ở một nhiệt độ không là một hằng số Giá trị này được gọi là độ nhớt (shear viscosity)

η = 𝜎𝛾̇

Độ nhớt có đơn vị là Pa.s

1.2.3 Các phương pháp đánh giá lưu biến

a Phương pháp trượt liên tục (flow test)

Phương pháp này được sử dụng dưới 2 dạng: kiếm soát tốc độ trượt 𝛾̇ controlled shear rate) và kiểm soát ứng suất trượt σ (CSS-controlled shear stress) Giả

(CSR-sử ta chọn phương pháp CSR, tốc độ trượt 𝛾̇ được kiểm soát và tăng dần theo hàm mũ,

ở mỗi giá trị tốc độ trượt 𝛾̇, khi khối vật liệu đạt trang thái chảy đều, ứng suất trượt σ và

độ nhớt η sẽ được ghi lại

Hình 1.7 Cách ghi dữ liệu của phương pháp trượt liên tục

Kết quả thu được là đường cong mô tả sự chảy của vậy liệu dưới dạng như sau:

Trang 20

Hình 1.8 Đường cong độ nhớt của vật liệu từ phương pháp trượt liên tục

Phương pháp trượt liên tục được sử dụng để xây dựng đường cong mô tả sự chảy

của vật liệu đồng thời dữ liệu của đường cong được sử dụng để ngoại suy một số giá trị

đặc trưng cho tính chất lưu biến của vật liệu thông qua các mô hình toán học Các giá

trị này bao gồm độ nhớt nghỉ η0 (zero-shear viscosity) và điểm chảy σy (yield point)

Nếu vật liệu có độ nhớt không đổi khi tăng tốc độ trượt thì vật liệu mang tính chất

của một chất lỏng Newton lý tưởng Nếu độ nhớt của vật liệu giảm dần khi tăng tốc độ

trượt thì vật liệu đó có tính chất shear-thinning Ngược lại nếu độ nhớt của vật liệu tăng

dần khi tăng tốc độ trượt thì vật liệu đó có tính chất shear-thickening [20]

(a) (b) (c)

Hình 1.9 Hình minh họa đường cong độ nhớt của của vật liệu (a) Chất lỏng Newton (b) Vật liệu shear-thinning (c) Vật liệu shear-thikening

Độ nhớt nghỉ là giá trị tới hạn của độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt khi mà tốc

độ trượt tiến tới 0 Giá trị này thể hiện độ nhớt của vật liệu ở trạng thái bảo quản [20]

Độ nhớt nghỉ cũng phản ánh độ ổn định của hệ chế phẩm, độ nhớt nghi cảng cao thì hệ

càng bền vững đặc biệt đối với các hệ chứa các thành phần dị thể như pha dầu, tiểu phân

rắn,

Điểm chảy là giá trị ứng suất trượt mà tại đó vật liệu bắt đầu chảy (ngoại lực tác

dụng lớn hơn nội lực cấu trúc) Với ứng suất trượt dưới giá trị σy, vật liệu thể hiện tính

đàn hồi và biến dạng với mức độ nhỏ không thể quan sát được bằng mắt thường và trở

Trang 21

lại trạng thái ban đầu sau khi loại bỏ lực tác dụng [20] Điểm chảy có ý nghĩa lớn trong thực tế, nó quyết định khả năng người dùng có thể lấy sản phẩm ra khỏi bao bì dễ dàng hay không Điểm chảy càng lớn thì chế phẩm càng khó lấy ra khỏi bao bì và ngược lại

b Phương pháp dao động (oscillation test)

Phương pháp dao động là phương pháp phổ biến nhất để đánh giá các đặc tính lưu biến của vật liệu Phương pháp này có thể áp dụng cho tất cả các vật liệu có tính nhớt đàn hổi (viscoelastic) từ độ nhớt thấp đến dung dịch polymer và cả chất rắn

Khi tiến hành ở chế độ đo dao động, vật liệu chịu tác động bởi các dao động có tần

số nhất định gây ra ứng suất dao động lan truyền theo kiểu sóng hình sin Khi đó, ứng suất trượt và biến dạng trượt được biểu diễn dưới dạng hàm sin với cùng tần số nhưng lệch pha một góc δ

Hình 1.10 Dao động của ứng suất trượt σ và độ biến dạng γ

Trong quá trình dao động, các thành phần cấu trúc khác nhau của vật liệu đàn hồi nhớt cho đáp ứng theo hai cơ chế chính: tích trữ năng lượng đàn hồi và tiêu thụ năng lượng nhớt Hai đáp ứng này được thể hiện thông qua mô-đun đàn hồi G’ (storage modulus) đại diện cho tính đàn hồi của vật liệu và mô-đun nhớt G” (loss modulus) đặc trưng cho tính nhớt của vật liệu [20]

Chế độ đo dao động thường được thực hiện trong vùng nhớt đàn hồi tuyến tính LVR (linear viscoelastic range) là biên độ dao động của ứng suất trượt σ và độ biến dang

γ mà tại đó giá trị mô-đun đàn hồi G’ và mô-đun nhớt G” gần như không đổi khi tần số dao động thay đổi Hay nói cách khác, phương pháp dao động sẽ không phá hủy mẫu khi được tiến hành trong vùng LVR

c Tổng quan về mô hình đo lưu biến

Trên thực tế có ba mô hình thường được sử dụng để xác định các tính chất lưu biến của chất lòng: mô hình chày-cối (concentric cylinder measuring system), mô hình nón-

Trang 22

đĩa (cone-plate measuaring system) và mô hình hai mặt phẳng song song (parallel-plate

measuring system)

Hình 1.11 Mô hình đo lưu biến (a) Mô hình chày-cối (b) Mô hình nón-đĩa (c) Mô hình hai mặt phẳng song song

Mô hình cối chày phù hợp với các chất lỏng có độ nhớt thấp Mô hình côn-đĩa và

mô hình hai đĩa song song phù hợp để đo các mẫu có độ nhớt trung bình và cao

Nghiên cứu này sử dụng mô hình nón-đĩa hay chính xác hơn là mô hình nón

cụt-đĩa để đánh giá các đặc tính lưu biến của hệ

nhất khi sử dụng mô hình nón-đĩa là mô hình này tạo ra điều kiện trượt đồng nhất do tốc

độ trượt luôn cố định và đồng nhất ở mọi vị trí giữa nón và đĩa Ngoài ra mô hình này

yêu cầu lượng mẫu đo ít, vệ sinh sau khi đo dễ dàng và nhanh chóng đồng thời trong

quá trình thiết lập vị trí giữa nón và dĩa, bọt khí trong mẫu sẽ được ép ra ngoài do hình

dạng của nón [20]

Trang 23

Tuy nhiên mô hình nón-đĩa không phù hợp để xác định tính chất lưu biến của các

hệ phân tán có kích thước tiểu phân lớn Sau khi thiết lập vị trí nón và đĩa với mẫu có

độ nhớt lớn, mẫu đo yêu cầu một khoảng thời gian dài (có thể từ 0,5 giờ hoặc lâu hơn)

để trở về trạng thái cân bằng trước khi đo Trong quá trình đo, ở rìa nón có thể xảy ra một số hiên tượng làm ảnh hưởng đến kết quả đo như bay hơi dung môi, hiện tượng chảy không ổn đinh, chảy rối, hiện tượng văng mẫu khỏi vị trí đo,…Ngoài ra, khi chỉ được kiểm soát nhiệt độ bằng đĩa phía dưới, mẫu đo có thể xảy ra hiện tượng không đồng đều về nhiệt, hiện tượng này gia tăng khi bán kính nón và góc nón tăng [20] Ngày nay mô hình nón-đĩa thường được áp dụng với dạng nón cụt-đĩa Nón cụt sẽ cách mặt đĩa bên dưới một khoảng a (µm) Khoảng cách này cần được kiểm tra và chuẩn hóa thường xuyên để các phép đo có độ chính xác và độ lặp lại cao

So với mô hình nón-đĩa thông thường, mô hình nón cụt-đĩa không tạo ra ma sát giữa nón và đĩa qua đó không mài mòn thiết bị đo trong quá trình sử dụng đồng thời loại

bỏ được mô-men ma sát gây ảnh hưởng đến kết quả đo khi thực hiện phép đo đánh giá mô-men đói với mẫu đo Mô hình nón cụt-đĩa còn có khả năng đánh giá tính chất lưu biến của các hệ có kích thước tiểu phân đến khoảng 5µm khi khoảng cách giữa nón và đĩa được thiết lập ở 50 µm [20]

1.3 Tổng quan về tương tác lưu biến giữa các tá dược

1.3.1 Tương tác giữa chất diện hoạt và muối

Chất diện hoạt khi nồng độ trong dung dịch đạt đến nồng độ micell tới hạn (critical micelle concentration-CMC) sẽ tạo thành micell [11] Tùy theo cấu trúc của chất diện hoạt, nồng đồ chất diện hoạt và các yếu tố kèm theo khác mà micell tạo thành sẽ có hình dạng khác nhau như hình cầu (spherical micelle) hoặc hình gậy (rodlike micelle) [6] Khác với micell hình cầu, micell hình gậy có khả năng tăng kích thước khi nồng độ chất diện hoạt tăng hoặc dưới tác động của các yếu tố khác Yếu tố thường được nhắc đến là muối Khi thêm muối vào dung dịch chất diện hoạt với nồng độ xác định, CMC của chất diện hoạt giảm [11] và kích thước các micell tăng lên [3], [4], [21] Hiện tượng này là

do muối làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các đầu mang điện ở trên bề mặt micell dẫn tới làm giảm mật độ điện tích của micell, tăng kích thước của micell và làm giảm CMC của chất diện hoạt [5]

Demissie và cộng sự (2016) đã sử dụng phương pháp quang phổ UV, phương pháp

đo độ dẫn diện và phương pháp đo sức căng bề mặt đối với dung dịch SDS, dung dịch

Trang 24

SDS chứa natri acetat 0,1 M và dung dịch SDS chứa calci acetat 0,1 M ở điều kiện 25oC

đã cho kết luận: khi thêm muối vào dung dịch SDS thì CMC giảm từ 8,10 mM xuống 7,65 mM (khi thêm natri acetat 0,1 M) và 6,01 mM (khi thêm calci acetat) [11]

Khi nồng độ muối thấp, các micell hình gậy được tạo thành hoặc được chuyển dạng từ các micell hình cầu đồng thời kích thước micell tăng lên Hiện tượng này làm cho độ nhớt của dung dịch tăng một lượng nhỏ khi nồng độ muối trong dung dịch tăng

Hình 1.13 Micell dang cầu và micell dạng gậy

Khi kích thước của micell hình gậy tăng đến một giới hạn nhất định, chúng sẽ tạo thành micell dạng ống (wormlike micelle) dẫn đến độ nhớt dung dịch tăng nhanh

Hình 1.14 Micell dạng ống

Khi nồng độ muối trong dung dịch đạt đến một giá trị tối ưu, cấu trúc micell sẽ được hoàn thiện và khi đó độ nhớt dung dịch đạt giá trị cực đại Khi nồng độ muối vượt qua giá trị tối ưu, cấu trúc micell sẽ bị phá hủy dẫn đến dộ nhớt của dung dịch giảm mạnh khi tăng tiếp nồng độ muối trong dung dịch [3]

Trang 25

Mats Almgren và các cộng sự (1998) tiến hành nghiên cứu micell của natri lauryl sulfat (SDS) với phương pháp TRFQ (time-resolved fluorescence quenching) đã cho kết quả có sự chuyển dạng micell từ dạng cầu sang dạng gậy với nồng độ NaCl, SDS cao ở nhiệt độ thấp Cụ thể nghiên cứu đã đưa ra bằng chứng về sự tồn tại của micell dạng gậy

ở 25oC ở dung dịch với 2% SDS (kl/kl) và 0,6 M NaCl [4]

Với nồng độ 2% SDS (kl/kl), 0,6M NaCl ở 40oC, Dorit Süss và cộng sự (1995) đã quan sát được micell dạng sợi bằng phương pháp cryo-TEM (cryogenic-temperature transmission electron microscopy) [31]

Tony O’Lenick và cộng sự (2006) đã xây dựng đường cong nồng dộ muối NaCl theo độ nhớt của dung dịch 10% SDS (dung dịch A) và dung dịch 10% SLES (dung dịch B) với máy đo độ nhớt Brookfied Đối với dung dịch A, nồng độ NaCl tối ưu là 4,5% (kl/kl) với độ nhớt cực đại là 19500 cp Kết quả với dung dịch B lần lượt là 5,5% (kl/kl)

và 25000 cp [23]

1.3.2 Tương tác giữa chất tạo đặc và chất diện hoạt

Các polyme tạo đặc có khả năng tương tác với các chất diện hoạt thông qua ảnh hưởng đến quá trình tạo micell của chất diện hoạt Khi có mặt polyme, với nồng độ chất diện hoạt vượt một nồng độ kết tụ tới hạn (critical aggregation concentration-CAC), chất diện hoạt sẽ kết dính với polyme H.Lange và cộng sự (1971) đã tiến hành thi nghiệm

đo sức căng bề mặt của dung dịch SDS ở nhiều nồng độ có hoặc không có mặt polyvinyl pyrrolidon (PVP) đã cho kết quả về sự tồn tại giá trị CAC thấp hơn nhiều giá trị CMC của chất diện hoạt đánh dấu sư bắt đầu kết dính của SDS và PVP [16]

Đối với HEC, tương tác giữa poyme và chất diện hoạt thuộc loại tương tác giữa polymer không mang điện và chất diện hoạt mang điện âm Tanaka và cộng sự (1992) bằng phương pháp lưu biến đã kết luận tương tác này yếu và không thay đổi nhiều đặc tính lưu biến của hệ [32] Sivadasan và công sự (1990) bằng phương pháp đo sức căng

bề mặt đã cho kết quả giá trị CAC của SDS dưới sự có mặt của HEC không khác biệt nhiều so với giá trị CMC [28]

Đối với dẫn chất của HEC cụ thể là HMHEC, tương tác giữa polyme và chất diện hoạt có khả năng thay đổi mạnh tính chất lưu biến của hệ Điều này được giải thích thông qua tương tác kỵ nước Nhóm kỷ nước trong HMHEC có khả năng tạo các liên kết kỵ nước với phần thân dầu trong phân tử chất diện hoạt Khi nồng độ chất diện hoạt vượt giá trị CAC, micell hỗn hợp giữa chất diện hoạt và phần kỵ nước của HMHEC

Trang 26

được tạo thành, micell sẽ trờ thành cầu nối tạm thời giữa các phân tử polyme dẫn đến tăng tương tác nội phân tử trong hệ dẫn đến độ nhớt của hệ tăng mạnh [26] Độ nhớt của

hệ sẽ tăng đến một giá trị tới hạn sau đó giảm xuống khi nồng độ chất diện hoạt tăng [14] Điều này được giải thích do mỗi micell hỗn hợp cần chứa ít nhất 2 gốc thân dầu của HMHEC để có thể tạo thành cầu nối giữa các phân tử polyme Đối với một nồng độ polyme cô định thì số lượng các gốc thân dầu này cũng cố định, khi tăng dần nồng độ chất diện hoạt thêm vào thì số lượng gốc thân dầu trong mỗi micell hỗn hợp giảm xuống đồng thời sự liên kết giữa các phân tử polyme tăng nhanh Khi nồng độ chất diện hoạt đạt đến ngưỡng tối ưu để mỗi micell hỗn hợp chỉ chứa 2 gốc thân dầu thì giá trị độ nhớt của hệ là lớn nhất Khi nồng độ chất diện hoạt vượt qua giá tri này thì độ nhớt của hệ giảm nhanh Giá trị CAC của chất diện hoạt khi kết hợp cùng với HMHEC thấp hơn rất nhiều so với giá trị CMC của chất diện hoạt đó [25]

Trang 27

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu và thiết bị

2.1.1 Nguyên liệu:

Bảng 2.1 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm

3 Natri lauryl ether sulfat Trung Quốc Nhà sản xuất

2.1.2 Thiết bị

- Máy đo lưu biến Discovery HR-1 (Anh)

- Máy khuấy từ Wisd MSH – 20A (Hàn)

- Máy cất nước 2 lần SAMBO – Model IWD-2000D (Hàn)

- Bể siêu âm WUC-A02H (Hàn)

- Tủ sấy

- Cân kỹ thuật, cân phân tích, các dụng cụ thủy tinh khác

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng cùa hydroxylethyl cellulose và NaCl lên tính chất lưu biến của dung dịch chất diện hoạt natri lauryl sulfat và natri lauryl ether sulfat

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Công thức sử dụng

Để thực hiện nghiên cứu này chúng tôi thiết kế các công thức với thành phần và tỷ

lệ được trình bày trong bảng 2.2 dưới đây

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	1,32 MB