Ausgabe 35— Oktober 2003
   

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Ausgabe 35        
         
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Bericht aus der Wissenschaft
 Polymere und geeignete Wirkstoffe für die Entwicklung von Shampoo-Formulierungen Werner Seipel

Kationische Polymere sind für Shampoo - Formulierungen essentielle Rohstoffe. Zur Erzielung eines kontrollierten Konditioniereffektes ist es heutzutage unumgänglich, das richtige Polymer mit der geeigneten Konzentration einzusetzen. Der nachfolgende Artikel wird die verschiedenen Formulierungsmöglichkeiten und Effekte aufzeigen.

Das pflegebedürftige Haar besitzt an seiner Oberfläche überwiegend negative Ladungszentren (siehe Abbildung 1). Es ist daher naheliegend, dass Wirkstoffe mit positiver Ladung (z.B. quaternäre Ammoniumverbindungen) eine hohe Affinität zum Haar besitzen. In den üblichen Shampoo-Formulierungen sind aber anionaktive Tenside im Einsatz, die für das richtige Verhältnis zwischen der Schaumbildung, dem Reinigungseffekt und einer möglichst guten dermatologischen Verträglichkeit sorgen. Inhaltsstoffe, wie zum Beispiel Alkylethersulfate, bilden mit kationischen Substanzen ein Neutralsalz, das bei Überschuss des Ethersulfates klar gelöst vorliegen kann. Diese Komplexe besitzen in der Regel eine geringere Affinität zum Haar. Man kann deren Verhalten am Haar aber nicht als unwirksam bezeichnen, da sie bei Anwendung (Verdünnung) ausfallen und aufziehen können.


Durch den Einsatz großer Moleküle, deren Struktur durch Wiederholung gleicher Baugruppen gestaltet ist, wird eine räumliche Ausdehnung erzielt, die einzelne kationische Ladungen am Molekül schützen. Somit erhält man Komplexe mit ausreichender Affinität zum Haar. Je nach Molekülgröße, Struktur und Kationisierungsgrad wirken sich diese auf die Haarglättung und Abstoßung (Elektrostatik) aus. Der Anwender bemerkt dies in einer leichteren Kämmarbeit.

Kämmkraftmessung

Um diese Anwendungseigenschaft des Haares objektiv bewerten zu können, werden Kämmuntersuchungen an nassen und trockenen Haarsträhnchen durchgeführt. Dabei wird die Kraft gemessen, die beim Durchkämmen der Haarsträhne aufgewendet werden muss. Dieser für den Verbraucher relativ simple Vorgang wird messtechnisch recht komplex aufgenommen und auf verschiedenste Weise ausgewertet.

Kämmarbeit = Integral unter einer Kraft-Weg-Kurve
Maximale Kämmkraft = Spitzenwert der Kämmkraft

Aus den beiden Diagrammen der Nass- und Trockenkämmkurve (siehe Abbildung 2) ist der Verlauf der aufzuwendenden Kräfte über die Strecke zu entnehmen (1; 2) (5; 6).


Für unsere Untersuchungen haben wir die nachfolgend aufgeführten Kationpolymere untereinander verglichen (siehe Tabelle1: Kationpolymere).

INCI Name für die untersuchten Kationpolymere: Polyquaternium-7; Polyquaternium-10; Polyquaternium-44; Guar Hydroxypropyl Trimonium Chloride:


Nasskämmarbeit

In einer Shampoo-Formulierung, bestehend aus Natriumlaurylethersulfat (NaLES), einem Betain und einem Coco-Glucosid wurde 0,2% Aktivsubstanz des jeweiligen Polymers eingesetzt. Für die Untersuchung wurden je 20 Haarsträhnchen durch Blondierung und Dauerwellbehandlung vorgeschädigt. Danach wurde die Ausgangskämmarbeit der Strähnchen (= 0%) gemessen und die Behandlung mit den verschiedenen Shampoos durchgeführt.


Die Kämmarbeit wird durch Anlagerung der Polymere am Haar bei allen untersuchten Substanzen verändert. Mit Ausnahme des Polyquaternium-7 wird die Kämmarbeit reduziert (siehe Abbildung 3). Bei diesen Messungen wurden die stärksten Effekte mit dem Polyquaternium-44 erzielt. Geringfügige Unterschiede bestehen zum Guar und dem Polyquaternium-10. Dass mit dem Polyquaternium-7 eine Erhöhung der Kämmarbeit erzielt wurde, kann daran gelegen haben, dass die Ausgangswerte (Kämmkräfte) der geschädigten Haarsträhnen nicht hoch genug oder sehr unterschiedlich waren. Das Haar ist als Messobjekt nicht gleichmäßig standardisierbar. Dies zu berücksichtigen macht eine Auswertung wesentlich komplexer als es die Betrachtung des Diagramms erscheinen lässt. Dennoch existiert mit dieser Methode eine Möglichkeit der objektiven Betrachtung eines isolierten Anwendungskriteriums. Die Verbesserung der Kämmeigenschaften wird allgemein als "two in one" Effekt verstanden.

Trockenkämmarbeit

Ferner ist es möglich, nach Trocknung der Haarsträhne die Trockenkämmarbeit zu messen. Eine Prüfung ist sowohl unter Zulassung der antistatischen Aufladung als auch nach Abführung der Aufladung möglich. Bei der Auswertung der Trockenkämmarbeit ist es wichtig, den gewünschten Effekt genau zu definieren, denn ein Anstieg der Kämmkräfte kann eine Verbesserung der Frisierbarkeit bedeuten. Durch eine reduzierte Kämmarbeit ist ein leichteres Kämmen möglich, aber die Glätte des Haares kann zu einer geringeren Haltbarkeit der Frisur führen.

Elektrostatik

Die separate Messung der elektrostatischen Aufladung gibt Hinweise auf einen möglichen "fly away" Effekt, den es zu verhindern gilt. Statisch aufgeladene Haare lassen sich nicht frisieren, da sie aufgrund der Oberflächenladungsverteilung eine gleichförmige, vom Kopf abstehende Position einnehmen. In der Regel erhöhen Kationpolymere die elektrostatische Aufladung der Haare.

Mit den nachfolgend aufgeführten Formulierungsbeispielen (siehe Tabelle 2) wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Messmethoden durchgeführt. Die Ergebnisse und deren Interpretation sollen zeigen, welche Möglichkeiten sich aus der Variation der Rezeptur und den eingesetzten Methoden ergeben.


Rezepturen

Es wurde eine Standard-Formulierung ausgewählt, die nur im Tensidverhältnis variiert. Mit steigendem APG (Alkylpolyglycosid)-Gehalt (Plantacare 818 UP ¶1) wurden die NaLES : Betain Anteile auf eine gleichbleibende WAS (waschaktive Substanz) reduziert. Mit 7% Polyquaternium-44 (0,5% Aktivsubstanz in der Rezeptur) wurde ein gleichbleibender Kationpolymer - Gehalt eingesetzt. Bei der Prüfung ist es darauf angekommen, das Zusammenspiel des Kationpolymers mit der optimalen Tensidkombination zu testen (3).

Messungen der Nasskämmarbeit sowie der Nasskämmkraft mit unterschiedlichen APG-Rezepturen (Abbildungen 4 und 5) zeigen, dass die Kämmarbeit bzw. die benötigte Kämmkraft durch das Polyquaternium-44 verringert wird. Die Tensidvariationen haben keinen spürbaren Effekt auf das Kämmverhalten, dennoch ist an den Ergebnisverläufen eine Tendenz zu erkennen. Das Adsorptionsverhalten des Kationpolymers verändert sich geringfügig.



Die Messung der Trockenkämmarbeit und -kraft (Abbildungen 6 und 7) zeigt einen kontinuierlichen Anstieg der Ergebnisse.



Im Gegenzug ist die Kämmkraft (Spitzenkämmkraft) auf gleichbleibendem Niveau. Das kann bedeuten, dass sich die Pflegewirkstoffe auf das ganze Haar verteilen und keine ungleichmäßige Kämmkraft auftritt.

Da aber die Kämmarbeit mit steigendem APG-Gehalt größer wird, ist hier eine Auswirkung auf die Frisierbarkeit zu vermuten (4).

Die Elektrostatik ist in den vier untersuchten Produkten angestiegen (siehe Abbildung 8). Ob dies als "fly away" Effekt negativ bewertet werden muss, können nur weitere Tests zeigen. Hierzu werden subjektive Untersuchungen durchgeführt (Sensory Assessment).


Sensory Assessment

Das Sensory Assessment ist eine Testmethode, die es erlaubt, einen komplexen Anwendungsablauf in Einzelkriterien mit objektivierter Bewertung zu betrachten (7;8;9). Mit einer trainierten Expertengruppe von mindestens 10 Personen werden die einzelnen Beurteilungskriterien während einer Anwendung bewertet. Das Ergebnis erlaubt im Gegensatz zur reinen Kämmarbeit eine ganzheitliche Betrachtung bei einer Verringerung der Objektivität. Ferner ist eine kreative Bewertung möglich, die eine Auflistung individueller Eigenschaftsmerkmale ermöglicht.

Nachfolgend ist ein Beispiel für die Veränderung der Effekte am trockenen Haar gezeigt (siehe Abbildung 9).


Hier wurde die Placeborezeptur als Standard eingesetzt und stellt die 0-Linie dar. Der Balken nach links (gelb) zeigt eine Verschlechterung und nach rechts (blau) eine Verbesserung des Effektes im Testprodukt. Die Ergebnisse zeigen den Einfluss der Tensidkombination auf die unterschiedlichen Beurteilungskriterien. Als Fazit einer generellen Beurteilung wurden alle vier Rezepturen mit besonders guten Eigenschaften in der Avivagewirkung und im Schaumverhalten (Sensory Assessment am nassen Haar) bewertet. Es entstand am Haar unter Einsatz von Polyquaternium-44 ein auffällig feinporiger, cremiger Schaum. In weiteren individuellen kreativen Beurteilungen ist das Haar mit folgenden Attributen bezeichnet worden:

guter Griff
sehr weich
anschmiegsam
glatt
und trotzdem sehr kräftig


Weiterhin wurde am trockenen Haar ein Sensory Assessment-Test mit unterschiedlichen APG-Rezepturen durchgeführt (siehe Abbildung 10). An den drei Testergebnissen ist zu erkennen, dass neben dem Kationpolymer, das in allen Rezepturen gleich eingesetzt wurde, die Tensidzusammensetzung einen wichtigen Beitrag für die Leistung am Haar leistet. Bei einem Einsatz von 1,5% AS Coco Glucoside (Plantacare 818 UP) können wichtige Haarkriterien wie z.B. die Kämmarbeit, der Griff und die Frisierbarkeit verbessert werden. Deutlich ist zu erkennen, dass diese Effekte bei der ersten Rezeptur noch nicht ausgeprägt sind und sich in der letzten Formulierung ins Negative wandeln.

Aus unserer Erfahrung lassen sich die Effekte nicht generell auf andere Polymere übertragen. Aufgrund der unterschiedlichen Polymerstrukturen sind weitere unterschiedliche Leistungsmerkmale einzustellen. Zum Beispiel wird bei der Verwendung von APG und Polyquaternium-10 eine Leistungssteigerung in der Kämmarbeit beobachtet. Dadurch ist es möglich, mit einem reduzierten Polymeranteil die Avivageleistung am Haar vergleichbar bis leicht besser zu gestalten. Dies hat besonders ökonomische Rezepturvorteile.

In weiteren Tests wurden die Eigenschaften von Shampoo-Formulierungen in Kombination von Polyquaternium-44 (Luviquat Care) mit einer Wachsdispersion geprüft. Hierzu wurden die folgenden Rezepturen eingesetzt (siehe Tabelle 3).


Die Wachsdispersion auf der Basis von Glycoldistearat (Lamesoft TM Benz ¶2) zeigt eine hohe Affinität zum Haar. Diese ist aufgrund ihrer besonders geringen Partikelgröße von ca. 3 µm gegeben. Ein Polymer mit kationischer Ladung ist darüber hinaus noch in der Lage, die vorhandene Affinität zu verstärken.

Die Ergebnisse der Rezepturen 1 und 4 zeigen eine Verringerung der Kämmarbeit, die bei Veränderung der Polymer/Wachs-Zusammensetzung nicht einbricht (Abbildungen 11a und b). Auch hier ist es möglich, mit der richtigen Zusammensetzung optimale Formulierungen für unterschiedliche Haartypen zu erstellen. Besonders für langes und stark geschädigtes Haar sind Wachs-Partikel wirksame Pflegesubstanzen. Für kurzes und besonders dünnes, feines Haar ist mit einer reduzierten Wachsmenge die günstigste Pflegeleistung einzustellen. Bei einer zu hohen Einsatzmenge wirkt das Haar belastet. Eine Akkumulation bzw. ein "build up"-Effekt wurde auch bei wiederholter Anwendung nicht festgestellt.



Mit den Ergebnissen der Sensory Assessment-Untersuchungen werden die guten Kämmarbeitsresultate bestätigt (siehe Abbildung 12). Besonders signifikant wird die Kämmarbeit der Haarspitzen mit der Rezeptur 3 verbessert. Alle weiteren Kriterien zeigen eine mehr oder weniger starke Verschlechterung verglichen mit dem Standard ohne Wachsdispersion. Da aber die Ergebnisse nur eine Veränderung zum Standard (Placebo) darstellen, können sie nicht generell als schlecht bewertet werden.


Zusammenfassung

Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die verschiedenen Kationpolymere einen durchaus unterschiedlichen starken Effekt am Haar besitzen. Das Polyquaternium-44 ist ein effektiver Wirkstoff, der zusammen mit der Tensidbasis optimale Haareffekte ermöglicht. So kann die Frisierbarkeit und der Frisurenhalt zusammen mit dem Coco-Glucosid signifikant verbessert werden. Besonders auffällig war die cremige Schaumstruktur der Formulierungen. In Kombination mit einem feindispersen Glycoldistearat sind signifikante Avivagesteigerungen ("two in one" Haareffekte) möglich. Alle beschriebenen Verbesserungen sind für den Verbraucher spürbar und damit glaubwürdig nachvollziehbar.

Anmerkungen

Die Ergebnisse sind entstanden aus einer Kooperation zwischen den Firmen BASF und Cognis.

Der Artikel ist bereits erschienen:

W. Seipel, P. Hössel, N. Boyxen, W. Eisfeld, Polymere und geeignete Wirkstoffe für die Entwicklung von Shampoo-Formulierungen; SÖFW-Journal, 2003, 129. J., 69-76.

¶1) Plantacare 818 UP: INCI-Name: Coco Glucoside
¶2) Lamesoft TM Benz: INCI-Name: Glycol Distearate (and) Coco Glucoside (and) Glyceryl Oleate (and) Glyceryl Stearate.

Plantacare und Lamesoft sind eingetragene Handelsmarken der Cognis Deutschland GmbH & Co. KG.

Literatur

1) P.Hössel: Prüfmethoden für polymere Haarkonditionierer; SÖFW-Journal, 1994, 120.J, 847-851
2) P.Busch, K.Thiele: Eigendynamische Effekte an Haaren: Beiträge zur Methodik der Kämmbarkeit; Ärztliche Kosmetologie; G.Braun Verlag, 1979, 9.J, 305-310
3) Fachgruppe Haarbehandlungsmittel der DGK: Einfluss von Co-Tensiden und Konditioniermitteln in Shampoos; SÖFW-Journal, 1999, 125.J, 46-54
4) P.Busch, H.Hensen, H.-U.Krächter, H.Tesmann: Alkyl polyglycosides, their use in cosmetics; Cosmetics and Toiletries Manufacture Worldwide; 123 - 129
5) P.Busch: Subjektive und objektive Methoden in der Haarkosmetik; Ärztliche Kosmetologie; G.Braun Verlag, 1989, 19.J, 270-315
6) P.Busch, Fh.Förster, H.Hensen, Th. Müller-Kirschbaum, H.Tesmann: Subjektiv / objektiv-Bewertung kosmetischer Effekte; Ärztliche Kosmetologie; G.Braun Verlag, 1990, 20.J, 498-502
7) W.Boucsein, F.Schaefer, M.Kefel, P.Busch and W.Eisfeld: Objective emotional assessment of tactile hair properties and their modulation by different product worlds; Int. Journal of Cosmetic Science; 2002, 24, 135-150
8) P.Busch, Th.Gassenmeier: Sensory assessment in the cosmetic field; Parfümerie und Kosmetik 1997, 78.J, Nr.7-8
9) P.Busch, W.Eisfeld: Produktindividualisierung und Sensory Assessment; SÖFW-Journal, 128.J, 3-2002
10) W.Seipel, C.Nieendick: Ester (Glyceride) with Care Effects for Skin and Hair; SÖFW-Journal, 128. J, 5-2002 und
http://www.scf-online.com/english/29_e/gmo29_e.htm

Autor

Werner Seipel



Werner Seipel, war von 1980-1988 in der Produktentwicklung für Körperreinigungsprodukte bei der Fa. Lingner + Fischer (Beecham) tätig. Seit 1989 leitet er ein anwendungstechnisches Labor für die Entwicklung neuer Rohstoffe für das Gebiet Haar- und Körperreinigungsmittel bei Henkel, jetzt Cognis, Care Chemicals, in Düsseldorf.


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