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Structure and rheology of semisolid o/w creams containing cetyl alcohol/non-ionic surfactant mixed emulsifier and different polymers

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Synopsis Oil-in-water (o/w) emulsions for cosmetic use, such as lotions and creams, are complex multiple-phase systems, which may contain a number of interacting surfactants, fatty amphiphiles, polymers and other excipients. This study investigates the influence of two synthetic cationic polymers, Polyquaternium-7 and Polyquaternium-11, and the natural anionic polymer, gum of acacia, on the rheology and microstructure of creams prepared with a non-ionic mixed emulsifier (cetyl stearyl alcohol-12EO/cetyl alcohol) using rheology (continuous shear, and viscoelastic creep and oscillation), microscopy and differential scanning calorimetry (DSC). A control cream containing no polymer was also investigated. The semisolid control cream was structured by a swollen lamellar gel network phase formed from the interaction of cetyl alcohol and the POE surfactant, in excess of that required to stabilize oil droplets, with continuous phase water. Endothermic transitions between 25 and 100 °C were identified as components of this phase. Incorporation of cationic polymer into the formulation caused significant loss of structure to produce a mobile semisolid containing larger oil droplets. The microscopical and thermal data implied that the cationic polymer caused the swollen lamellar gel network phase to transform into non-swollen crystals of cetyl alcohol. In contrast, incorporation of gum of acacia produced a thicker cream than the control, with smaller droplet sizes and little evidence of the gel network. Microscopical and thermal data implied that although there were also interactions between gum of acacia and both the surfactant and the swollen gel network phase, the semisolid properties were probably because of the ability of the gum of acacia to stabilize and thicken the emulsion in the absence of the swollen lamellar network.

French
Résumé

Les émulsions huile dans l'eau à usage cosmétique, telles que les lotions et les crèmes, sont des systèmes de multiples phases complexes, qui peuvent contenir plusieurs surfactants, amphiphiles gras, polymères et d'autres excipients. Cette étude examine l'influence de deux polymères cationiques synthétiques, Polyquaternium-7 et Polyquaternium-11, et d'un polymère anionique naturel, la gomme d'acacia, sur la rhéologie et la microstructure de crèmes préparées avec un émulsifiant non ionique (l'alcool de alcohol-12EO/cetyl de stearyl de cetyl) utilisant la rhéologie (cisaillement continu, techniques de fluage et des oscillations), la microscopie et la calorimétrie (DSC). Une crème de contrôle sans aucun polymère a aussi été examinée. La crème de contrôle semisolide a été structurée par une phase de réseau de gel lamellaire gonflé formée de l'interaction entre l'alcool cetylique et le surfactant POE, excédent qu'a exigé pour stabiliser les gouttelettes des émulsions, avec de l'eau de phase continue. Des transitions endothermiques entre 25 et 100 °C ont été identifiées comme les composants de cette phase. L'incorporation des polymères cationiques dans la formulation a causé la perte significative de structure pour produire des semisolides contenant de plus grandes gouttelettes d'huile. En raison des données microscopiques et thermales, les polymères cationiques ont eu pour effet que la phase de réseau de gel lamellaire gonflé a été transformée en cristaux nongonflés d'alcool cetylique. Au contraire, l'incorporation d'acacia a produit une crème plus épaisse que le contrôle, avec des tailles de gouttelette plus petites et peu d'apparence du réseau de gel. Des données microscopiques et thermales ont suggéré que, malgré le fait qu'il y avait aussi des interactions entre l'acacia et le surfactant et la phase de réseau de gel gonflé, les propriétés semisolides ont été probablement dues à la capacité de l'acacia pour stabiliser et épaissir l'émulsion en l'absence du réseau lamellaire gonflé.
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Keywords: calorimetry; creams; polymers; rheology; viscoelasticity

Document Type: Research Article

Affiliations: 1: Laboratório de Dermofarmácia e Cosmética, Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa, Av.das Forças Armadas, 1600 Lisboa, Portugal, and 2: Department of Pharmaceutical Sciences, University of Strathclyde, Glasgow G1 1XW, UK

Publication date: April 1, 2004

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