Agentes TensioactivosIntroduccinEl fenmeno fundamental de la actividad tensioactiva en la adsorcin puede conducir a dos efectos bastante distintos: a) disminucin de una o ms de las tensiones limitantes en las interfases del sistema, y b) estabilizacin de una o ms de las interfases por la formacin de capas adsorbidas.

Un agente tensioactivo (surfactante) es una sustancia que, utilizando este fenmeno, tiene la propiedad de alterar la energa de una superficie con la cual entra en contacto. Esta disminucin de la energa superficial puede observarse fcilmente en, por ejemplo, espumantes, incremento de extensibilidad de un lquido en un slido, incremento de suspensin de partculas slidas en un medio lquido y la formacin de emulsiones.

En uso de los tensioactivos est bien arraigado en cosmticos y productos de tocador y cae dentro de cinco reas principales respecto a las propiedades tensioactivas requeridas:

1. Detergente. Donde el problema principal implica la eliminacin de sustancia de suciedad se necesitan agentes tensioactivos con propiedades detergentes, por ejemplo, en champes y jabones de tocador.2. Humectante. En productos donde se requiere un buen contacto entre una solucin y un substrato se requerirn buenas propiedades humectantes, por ejemplo, en la aplicacin de colorantes capilares y lociones para ondulacin permanentes.3. Espumante. Algunos productos necesitan tener una elevada proporcin de espuma en el uso y, para estos productos, se utilizarn agentes tensioactivos especiales, por ejemplo, en champes y espumas de bao.4. Emulsificacin. En productos donde la formacin y estabilidad de una emulsin es una caracterstica esencial se requieren agentes tensioactivos con buenas propiedades emulsificantes, por ejemplo, en cremas para la piel y capilares.5. Solubilizacin. Productos, en los cuales es necesario solubilizar un componente insoluble, necesitan un agente tensioactivo con las propiedades requeridas, por ejemplo, la solubilizacin de perfumes y saborizantes.

Estas cualidades no se excluyen unas a otras; todas son compartidas en cierto grado por todos los agentes tensioactivos. La experiencia demuestra el valor de productos especiales para varios fines de utilizacin, pero existe un grado de superposicin.

Clasificacin de tensioactivosTodos los agentes tensioactivos tienen una caracterstica estructural en comn: son molculas anfteras; esto es, la molcula consta de dos partes distintas, una unidad hidrfoba y una unidad hidrfila.

Generalmente, las unidades hidrfobas son cadenas o anillos de hidrocarburos o una mezcla de ambos. Usualmente, las unidades hidrfilas son grupos polares, tales como grupos carboxlico, sulfato o sulfonato, o, en tensioactivos no inicos, varios grupos hidroxilo o ter. La naturaleza dual de estas molculas les permite adsorberse a interfases, y esto explica su comportamiento caracterstico.

Los tensioactivos se pueden clasificar en base a los usos a los que se destinan, propiedades fsicas o estructura qumica. Ninguna de stas es completamente satisfactoria, pero probablemente la ms lgica es clasificarlos segn su comportamiento inico en solucin acuosa. Utilizando este procedimiento, existen cuatro tipos de tensioactivos; aninicos, catinicos, no inicos y anfteros. Adems deben ser consideradas las diferentes estructuras de los grupos hidrfobos e hidrfilos.Tensioactivos aninicosLos tensioactivos aninicos son aquellas molculas en las cuales el ion tensioactivo est cargado negativamente en solucin. El ejemplo clsico es el jabn: (oleato sdico). Los tensioactivos aninicos, adems, estn subdivididos segn la manera en la que el grupo aninico est ligado a la parte hidrfoba de la molcula (Tabla 33.1).

Tabla 33.1. Tensioactivos aninicosR indica una cadena hidrfoba generalmente de 12 a 18 tomos de carbono, o un anillo o sistema de anillos.M representa un catin apropiado, generalmente sodio, potasio, amonio o una base orgnica.

Tensioactivos catinicosLos tensioactivos catinicos se caracterizan por el hecho de que el ion tensioactivo est cargado positivamente en solucin acuosa (Tabla 33.2).

Tabla 33.2. Tensioactivos catinicosR indica una cadena hidrfoba generalmente de 12 a 18 tomos de carbono o un anillo aromtico.X representa un anin apropiado, generalmente cloruro o bromuro.

Tensioactivos no inicosLos tensioactivos no inicos se caracterizan por el hecho de que la parte hidrfila de la molcula generalmente est constituida por una multiplicidad de pequeos grupos polares no cargados, por ejemplo, grupos hidroxilo o enlaces ter en cadenas de xido de etileno. Los mismos enlaces se utilizan para reforzar el carcter hidrfilo en ciertos tensioactivos aninicos, por ejemplo, alquil ter sulfatas, (Tabla 33.3).

Tabla 33.3. Tensioactivos no inicosR indica una cadena hidrfoba generalmente de 12 a 18 tomos de carbono. n es un nmero entero.

Tensioactivos anfterosLos tensioactivos anfteros se caracterizan por su capacidad para formar un ion tensioactivo con cargas tanto positivas como negativas (Tabla 33.4).

Tabla 33.4. Tensioactivos anfoterosR indica una cadena hidrocarbonada de 12 a 18 tomos.

Propiedades de los agentes tensioactivosEl cambio en propiedades superficiales con la concentracin de una solucin acuosa de un tensioactivo es caracterstico de la mayora de las molculas tensioactivas. Por ejemplo, cuando la concentracin aumenta, la tensin superficial de una solucin acuosa de, por ejemplo, dodecil sulfato sdico () cae rpidamente (Fig. 33.1), con los cambios correspondientes en las propiedades fsicas, tales como tensin interfacial, conductividad elctrica, etc. A un cierto nivel de concentracin, se presenta una discontinuidad y no caen ms la tensin superficial y otras propiedades. La concentracin a la cual se produce esta discontinuidad se denomina la concentracin micelar crtica (CMC).

MCBAIN postul que la tensin superficial cae cuando aumenta la concentracin de iones simples (C12H25OSO~ en el ejemplo dado) hasta que en la CMC los iones simples comienzan a asociarse en grupos que denomin micelas. Estas micelas pueden presentarse en forma de esferas de tamao molecular, en las cuales las colas hidrfobas de los aniones se orientan hacia el centro de la esfera, mientras que las cabezas hidrfilas estn en la superficie exterior. De este modo, una micela esfrica de dodecil sulfato sdico estar constituida por un grupo de Colas de C12H25 orientadas hacia el centro de la esfera, con las cabezas de OSO" en la superficie. Esta micela correspondera ms o menos a una gotita de dodecano de tamao molecular. De hecho, las micelas tienen la propiedad de disolver materia orgnica insoluble en agua. Este fenmeno se denomina solubilizacin, y es una de las caractersticas importantes de los agentes tensioactivos para el qumico cosmtico.

Las propiedades de los agentes tensioactivos se pueden describir muy ampliamente en trminos de la figura 33.1. En general, una cada, de la tensin superficial incrementa las propiedades espumantes y humectantes. Usualmente, una cada de la tensin superficial viene acompaada de una cada de tensin interfacial que proporciona mejores propiedades emulsificantes y detergentes.Por ltimo, a concentraciones superiores a la CMC, todos los agentes tensioactivos tienen ciertas propiedades solubilizantes. Todas estas propiedades se superponen en cierto grado.

Fig. 33.1. Curva tpica de la actividad tensioactiva frente a la concentracin de un agente tensioactivo.

Seleccin y uso de agentes tensioactivos

DetergenciaLa detergencia es un proceso complejo que implica la humectacin de un sustrato (pelo o piel), la eliminacin de materia de suciedad grasienta, la emulsificacin de la grasa eliminada y la estabilizacin de la emulsin.

Para la limpieza de la piel, el jabn es todava un excelente detergente. El cliente preconiza que es necesaria una concentracin elevada de espuma, aunque no desempee funcin alguna. El incremento de espuma se logra fcilmente sobreengrasando con cidos grasos de larga cadena (como en los jabones para el afeitado).

El lavado del pelo es ms complejo y, aqu, el volumen de espuma parece desempear algn papel. El lauril ter sulfato sdico (SLES) es un componente comn de los champes y, con frecuencia, se aumenta la espuma con la incorporacin de alcanolamidas. Los agentes tensioactivos anfteros se utilizan para champes especializados.

HumectanteTodos los agentes tensioactivos poseen ciertas propiedades humectantes. Comnmente se utilizan alquil sulfatos de cadena corta (C12), alquil ter sulfates y alquil aril sulfonatos.

EspumanteVase detergencia. Generalmente se logran elevados volmenes de espuma y espumas estables con el uso de SLES reforzado con una alcanolamida.

EmulsificacinHabitualmente, un buen agente emulsificante requiere una unidad hidrfoba ligeramente ms larga que la de un agente humectante. El jabn se utiliza an como agente emulsionante en productos cosmticos, con mucha frecuencia, por su fcil preparacin. Si se incorpora un cido graso a la fase oleosa y el lcali en la fase acuosa, entonces fcilmente se forman emulsiones aceite-agua in situ por simple mezclado. Con frecuencia, las emulsiones agua-aceite (tal como ciertas cremas capilares) se estabilizan con jabones clcicos. Tambin los agentes tensioactivos no inicos son valiosos en las emulsiones.

SolubilizacinTodos los agentes tensioactivos por encima de la CMC poseen propiedades solubilizantes. Esto es importante cuando se requiere incorporar un perfume o un componente orgnico insoluble en un producto transparente, por ejemplo un champ. Jabones, alquil ter sulfato y, evidentemente, la mayora de los agentes tensioactivos se han utilizado para este propsito. Por supuesto, es necesario utilizar concentraciones elevadas para proporcionar una buena solubilizacin.

Todas las propiedades anteriores se pueden modificar por la presencia de electrlitos. En general, los electrlitos tienden a disminuir la CMC y esto mejorar la solubilizacin. Tambin tienden a romper las emulsiones y, por lo comn, los electrlitos no se deben aadir a los productos cosmticos hasta que se hayan verificado completamente sus efectos en las propiedades tensioactivas.

Otras propiedadesJunto a las propiedades tensioactivas enumeradas, algunas molculas tensioactivas poseen caractersticas especiales.

Todos los productos catinicos se adsorben fuertemente a las protenas y otros sustratos cargados negativamente. Por tanto se utilizan para modificar la superficie del sustrato, por ejemplo, para mejorar el tacto y la apariencia del cabello. Los catinicos poseen algunas propiedades antimicrobianas adems, y pueden utilizarse como componentes de champes especiales y de enjuagues bucales (por ejemplo, clorhexidina) .

El N-lauroil sarcosinato sdico se conoce por inhibir la enzima Hexokinasa (la cual est implicada en la descomposicin glicoltica de azcares en la boca) y se ha utilizado en pastas dentfricas.

Agentes tensioactivos diferentes no se deben mezclar en un producto sin previamente ensayarlos, ya que uno puede modificar el comportamiento del otro. Los catinicos y amnicos, evidentemente, no deben mezclarse, ya que originan la formacin de una gran sal catinica-aninica que, habitualmente, es insoluble. (Esto es de hecho el mtodo analtico para la valoracin de agentes tensioactivos.) Incluso los aninicos pueden tener un efecto de uno sobre el otro; por ejemplo, la espuma producida por SLES puede fcilmente destruirse por el jabn (ambos son aninicos). De esta propiedad se hace uso en la formulacin de detergentes con poca espuma.

GeneralNo existen cortapisas para la seleccin de un agente tensioactivo determinado para un uso final en particular. La medida de la tensin superficial, tensin interfacial, volumen de espuma, detergencia, humectacin, poder emulsificante, etc., son todos indicadores tiles de la actividad superficial, pero ninguno predecir los requerimientos precisos. En particular, el comportamiento en condiciones de laboratorio puede no resultar correspondido con el comportamiento de un producto en su empleo. Por ejemplo, el volumen de espuma en un champ se modifica considerablemente cuando se analiza en presencia de grasa. Por tanto, los productos que contienen agentes tensioactivos siempre deben ensayarse en las condiciones en que sern utilizados.

Propiedades biolgicas de los agentes tensioactivosPor definicin, los agentes tensioactivos se adsorben a superficies y, por tanto, pueden modificarlas. No es sorprendente encontrar que, como consecuencia, pueden tener efectos biolgicos. Todos los productos cosmticos que contengan agentes tensioactivos debern comprobarse rigurosamente para garantizar que no producen efectos perjudiciales en los usuarios.

Efectos dermatolgicosLos agentes tensioactivos humedecen la piel y eliminan la grasa de su superficie. Cuando se utilizan mal, pueden crear grietas, fisuras y sequedad de la piel.

La mitad C12 parece particularmente activa en este aspecto, y el C12 sulfato, por ejemplo, se utiliza para crear grietas artificialmente.

Afortunadamente, los efectos se reducen fcilmente mediante la mezcla con sulfates de otra longitud de cadena, mediante la adicin de xido de etileno (como en SLES) y por otros medios.

Los agentes tensioactivos catinicos se adsorben fuertemente a superficies proteicas y se debe tener cuidado antes de incorporar catinicos en productos que puedan-entrar en contacto con los ojos y la boca.

En general, todos los productos cosmticos que contienen tensioactivos deben ensayarse con el mtodo del parche (y si es necesario, ensayarse en ojos), para garantizar que no producen reacciones adversas.

BiodegradacinEl incremento del uso de detergentes sintticos en lugar de jabn en el lavado domstico ha originado problemas en los tratamientos de aguas residuales, debido a que ciertos detergentes sintticos no se descomponen por las bacterias de las aguas residuales. El empleo de agentes tensioactivos en la industria cosmtica es muy pequeo comparado con el uso en lavados domsticos. An as, es una buena prctica utilizar nicamente agentes tensioactivos biodegradables. En algunos pases, esto es obligatorio.

Los alquil aril sulfatos de cadena ramificada no son biodegradables, pero lo son los correspondientes compuestos de cadena lineal, como son todos los jabones y alquil sulfatos. La mayora de los fabricantes de agentes tensioactivos tienen especificada la biodegradabilidad de sus productos.

Efectos toxicolgicosLos agentes tensioactivos no son, como clase, compuestos de elevada toxicidad. No obstante, puesto que se pueden ingerir bien accidentalmente o bien de una pasta dental o enjuague bucal, es deseable verificar la toxicidad oral de los productos cosmticos que los contienen.

De los productos, los catinicos son los ms txicos y tienen valores de DL50 de la magnitud de 50-500 mg por kilo de peso corporal; los aninicos estn aproximadamente en el intervalo 2-8 g por kilo, y los no inicos en intervalos superiores de aproximadamente 5 g por kilo. Por tanto, los productos cosmticos que contengan agentes tensioactivos deben ser razonablemente seguros frente a riesgos txicos.