التحليل الحراري لمستحضرات التجميل

الشريحة 0: التحليل الحراري لمستحضرات التجميل

سيداتي وسادتي،

مرحبًا بكم في ندوة METTLER TOLEDO المقامة عبر الويب حول موضوع "التحليل الحراري لمستحضرات التجميل".

تشمل مستحضرات التجميل جميع أنواع المواد التي يتم وضعها على مختلف أجزاء الجسم البشري لتحسين مظهر الأشخاص، وذلك بغرض العناية بالبشرة، والشعر، والأظافر، بالإضافة إلى أغراض التنظيف.

توضح الشريحة مثالاً جيدًا - يُستخدم أحمر الشفاه على نطاق واسع من قِبل السيدات لمنحهن مظهرًا أكثر جاذبية وحماية شفاههن. ويُشار إلى منتجات التجميل من هذا القبيل بوجه عام باسم مستحضرات التجميل.

وعلى مدار مدة هذه الندوة المقامة عبر الويب، أود أن أعرض عددًا من أمثلة الاستعمالات المثيرة للاهتمام لتقنيات التحليل الحراري في صناعة مستحضرات التجميل. وتتعلق هذه الاستعمالات بقياس الخصائص الفيزيائية لمستحضرات التجميل وسلوكها كدالة لدرجة الحرارة، ويشمل ذلك الذوبان، وتحديد المحتوى، ودراسات التمسخ، وتفاعلات المعالجة، ونقص الوزن عند التجفيف.

الشريحة 1: المحتويات

أود أولاً أن أناقش أهم الاستعمالات والآثار التحليلية الظاهرة من خلال المواد التجميلية، ثم سأعرض تقنيات التحليل الحراري الرئيسية الأربع التي تُستخدم في دراسة هذه المواد.

حيث تتمثل هذه التقنيات فيما يلي:

كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي أو DSC؛

التحليل الحراري الوزني، أو TGA؛

التحليل الحراري الميكانيكي أو TMA؛ و

أجهزة قياس درجة الذوبان ودرجة التسيل.

ثم سأعرض بعد ذلك عددًا من أمثلة الاستعمالات التي توضح استخدام هذه التقنيات لتحليل منتجات التجميل.

وأخيرًا، أود أن ألخص التقنيات المختلفة للتحليل الحراري ومجالات استعمالاتها، بالإضافة إلى سرد عدد من المراجع المفيدة للقراءة والاطلاع على المزيد من المعلومات.

الشريحة 2: مقدمة

تُعد الماسكارا أحد الأنواع الشهيرة لمستحضرات تجميل العينين، وتُستخدم لتغميق، وتغليظ، وإطالة رموش النساء.

ونلاحظ في الصورة الموجودة على اليمين أن الماسكارا قد لطخت المنطقة الممتدة من الجفن حتى أسفل العين. وقد يرجع سبب هذا التأثير غير المرغوب فيه إلى أحد إجراءات الاستعمال غير الصحيحة أو الدمج غير الملائم للمكونات.

الشريحة 3: مقدمة

توضح الشريحة منحنيات تسخين كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي للفازلين، وهي إحدى العلامات التجارية للهلام البترولي التي تستخدم في صناعة مستحضرات التجميل. حيث تتكون المادة من خليط من الهيدروكربونات الصلبة والسائلة بنطاق ذوبان واسع يمتد من أقل من الصفر بكثير إلى حوالي 70 درجة مئوية. وتقدم منحنيات الذوبان معلومات حول تركيب العينات المختلفة، كما تتيح إمكانية تعديل وتحسين المنتجات.

يبين الرسم البياني جولتي التسخين الأولى والثانية لاثنين من منتجات الفازلين، A وB، بقياس درجة حرارة يتراوح بين سالب خمسين درجة وموجب ثمانين درجة عند عشرة كلفن في الدقيقة دون إزالة العينة من كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC). حيث توضح النتيجة أن سلوك الذوبان الخاص بكل عينة يختلف عن الآخر، بالإضافة إلى وجود اختلافات بين جولة التسخين الأولى والثانية.

وترتبط هذه الاختلافات باختلافات المحتوى البلوري في كلا المنتجين. حيث يذوب منتج الفازلين B في نطاق درجة حرارة أعلى بكثير من منتج الفازلين A، ويحتوي على نسبة أعلى من الهيدروكربونات.

وتعطي قياسات كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) نظرة على نطاق ذوبان المنتجين. حيث يوفر ذلك معلومات حول محتوى الهيدروكربونات السائلة، والذي يُعد مسؤولاً عن تخفيض نطاق الذوبان.

ويمثل كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي تقنية مريحة للغاية لتحديد خصائص الفازلين أو منتجات العناية بالبشرة المشابهة. حيث يوفر أسلوبًا سريعًا لمراقبة المنتجات وتطوير التركيبات الجديدة.           

الشريحة 4: الاستعمالات التحليلية

هناك العديد من الاستعمالات المحتملة للتحليل الحراري الذي يُستخدم في جميع المجالات العملية في صناعة مستحضرات التجميل. تتميز تقنيات التحليل الحراري بأنها سهلة الاستخدام ولا تتطلب سوى كميات محدودة من العينات.

يعرض الجدول ملخصًا لأنواع مختلفة من المنتجات التي تتنوع بين مستحضرات العناية بالبشرة، والعين، والأظافر، والشعر، بالإضافة إلى الاستعمالات الأكثر تنفيذًا لفحص هذه المنتجات.

تُستخدم طرق التحليل الحراري بصورة رئيسية في قياس درجة الذوبان، والنقاء، وكذلك تحديد المحتوى لمستحضرات التجميل المخصصة للبشرة والعين. كما أنها قد توفر معلومات أيضًا حول تمسخ البروتين، وتحديد الرطوبة، وسلوك الانكماش في الشعر.

الشريحة 5: التحليل الحراري

ماذا نعني تحديدًا بالتحليل الحراري؟ ستجد التعريف المحدد من قِبل الاتحاد الدولي للتحليل الحراري والكالوريمتر (ICTAC) مذكورًا في الشريحة، وهو كما يلي:

"مجموعة من التقنيات التي تقاس فيها الخاصية المادية لإحدى المواد كدالة للحرارة بينما تخضع المادة إلى برنامج درجة حرارة متحكم فيه".

ويوضح الرسم التخطيطي الموجود على اليمين هذا البرنامج الخطي البسيط لدرجة الحرارة.

يعرض النصف السفلي من الشريحة الأحداث النموذجية التي تحدث عند تسخين العينة. مثل الذوبان الأولي الذي تتغير فيه العينة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وإذا تعرضت العينة للهواء أو الأكسجين، فستبدأ في التأكسد وتتحلل في النهاية. وتُستخدم تقنيات التحليل الحراري على نطاق واسع في مجال الأبحاث والتطوير لدراسة هذه التأثيرات.

الشريحة 6: التحليل الحراري

توضح الشريحة أهم تقنيات التحليل الحراري المستخدمة لتحديد خصائص المواد والمنتجات التجميلية. وتشمل هذه التقنيات ما يلي:

كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي، أو DSC. وهي تقنية التحليل الحراري الأكثر استخدامًا. وتوضح الصورة حساس DSC به بوتقة تحتوي على عينة على اليسار، وبوتقة مرجعية على اليمين.

التحليل الحراري الوزني، أو TGA. تعتمد هذه التقنية على القياس المستمر لوزن العينة باستخدام ميزان إلكتروني عالي الحساسية.

وتوضح الصورة مشهدًا لحامل العينة الذي يحتوي على بوتقة تحتوي على إحدى العينات. وتكون البوتقات القياسية مصنوعة من الألومينا.

التحليل الحراري الميكانيكي، أو TMA، ويستخدم لقياس تغيرات أبعاد العينة.

وتوضح الصورة حامل عينة يحتوي على إحدى العينات ومسبار السيليكا المنصهرة لقياس التمدد أو الانكماش.

وأخيرًا، أجهزة قياس درجة الذوبان ودرجة التسيل.

توضح الصورة جهاز قياس درجة التسيل مع كؤوس عينات جاهزة للإدخال في الجهاز. حيث يمكن قياس عينتين في الوقت نفسه.

وسأشرح هذه التقنيات بمزيد من التفصيل في الشرائح التالية، كما سأقدم وصفًا لبعض أمثلة الاستعمال.

الشريحة 7: DSC

لنبدأ بتقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي، أو DSC. حيث تسمح لنا هذه التقنية بتحديد الطاقة التي تمتصها أو تصدرها العينة أثناء تسخينها أو تبريدها.

يمكن لجهاز METTLER TOLEDO DSC 1 القياسي القياس في نطاق يمتد من مائة وخمسين درجة مئوية تحت الصفر وحتى سبعمائة درجة مئوية بمعدلات تسخين تصل إلى ثلاثمائة كلفن في الدقيقة. وتُقاس العينات عادة في بوتقات صغيرة مصنوعة من الألومنيوم، أو الألومنيا، أو مواد أخرى، باستخدام كميات عينات تتراوح بين واحد ملليغرام وعشرة ملليغرامات.

يوضح الرسم التخطيطي منحنى قياس DSC نموذجيًا لإحدى المواد البلورية. حيث تتجه التأثيرات الطاردة للحرارة إلى الأعلى والتأثيرات الماصة للحرارة إلى الأسفل. ونلاحظ أن المنحنى مرسوم في شكل التدفق الحراري بالمللي واط مقابل درجة الحرارة.

وتظهر التأثيرات المختلفة مرقمة بجوار المنحنى، وتشمل:

واحد، الانحراف الأولي أو إشارة البدء العابرة لكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)؛

اثنان، تبخر الرطوبة؛

ثلاثة، جزء المنحنى الذي لا تحدث فيه تأثيرات حرارية. وعادةً ما يُشار إليه كخط بداية القياس، ويتناسب مع السعة الحرارية للعينة؛

أربعة، ذوبان الجزء البلوري؛ وأخيرًا

خمسة، بداية ظهور الأكسدة الطاردة للحرارة في الهواء.

الشريحة 8: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)

يعرض الجدول ملخصًا للاستعمالات التحليلية الرئيسية لكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) بالنسبة للمواد والمنتجات التجميلية.

حيث تُستخدم تقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) لدراسة السلوك الحراري للمواد التجميلية، ولفحص الأحداث والعمليات التي تحدد خصائصها مثل الذوبان، والتبلور، والتبخر. كما توفر طرق كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) أيضًا معلومات حول المحتوى الحراري للتحولات وتأثير الشوائب على سلوك الذوبان. تتعلق معظم التأثيرات بتغيرات المحتوى الحراري الناتجة عن زيادة أو خفض درجة الحرارة.

وتوضح الصورة الموجودة على اليمين مشهدًا لفرن DSC مفتوح مع بوتقة عينة وبوتقة مرجعية. وتكون البوتقات القياسية مصنوعة من الألومنيوم.

الشريحة 9: الاستعمال 1: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)                                          تحديد أحمر الشفاه

يحتوي أحمر الشفاه على مواد شمعية، وزيوت، وأصباغ، والملينات المعروفة باسم المرطبات. حيث تمنح هذه المنتجات لونًا وملمسًا للشفاه، بالإضافة إلى توفير الحماية لها.

يوضح أول مثال لاستعمالات تقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) منحنيات تسخين لخمسة أنواع مختلفة من أحمر الشفاه مميزة بعناوين أحمر الشفاه أ، وب، وجـ، ود، وهـ، والتي تم قياسها في نطاق يتراوح بين سالب خمسين درجة مئوية وموجب مائة وأربعين درجة مئوية. حيث يتم إجراء مثل هذه القياسات بمعدلات تسخين تبلغ 5 أو 10 كلفن في الدقيقة.

وتكون المواد الشمعية والزيوت صلبة في البداية، ولكنها تذوب عند التسخين، مما يؤدي إلى نشأة قمم لامتصاص الحرارة على منحنيات DSC. ويمكن استخدام التحليل بتقنيات كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) كإحدى أداوات مراقبة الجودة للحصول على لمحات للذوبان ولتحديد خصائص أنواع أحمر الشفاه المختلفة والتفريق بينها.

كما توفر النتائج أيضًا معلومات حول الأداء العملي لأحمر الشفاه. فنحن نتوقع مثلاً أن أحمر الشفاه الأدنى من حيث الذوبان مثل أحمر الشفاه د سيكون جيد الانتشار، وأن أحمر الشفاه الأعلى من حيث الذوبان مثل أحمر الشفاه جـ سيكون جيد التحمل.

الشريحة 10: الاستعمال 2: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)                                        سلوك ذوبان شمع العسل

يوضح مثال الاستعمال هذا منحنيات التسخين والتبريد بتقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) الناتجة عن تحليل إحدى عينات شمع العسل.

ويُعد شمع العسل عبارة عن شمع طبيعي يتكون أساسًا من الهيدروكربونات، والأحماض الدهنية الطليقة، والإسترات، والكحوليات طويلة السلسلة. ويُستخدم كل من شمع العسل المكرر والمبيض في صناعة مستحضرات التجميل، مثل أحمر الشفاه.

ويعرض الرسم البياني جولة التسخين الأولى، ومنحنى التبريد، وجولة التسخين الساخنة لإحدى عينات شمع العسل. حيث تم إجراء القياسات في نطاق يتراوح بين سالب ثلاثين درجة مئوية وموجب مائة وثلاثين درجة مئوية بمعدل تسخين يبلغ عشرة كلفن في الدقيقة.

وتوضح جولة التسخين الأولى الموجودة في منتصف الرسم البياني قمة ذوبان واسعة تصل إلى حدها الأقصى عند 64 درجة. حيث تُعد درجة الذوبان هذه مميزة لهذا النوع من المواد.

وقد تم الحصول على المنحنى العلوي بتبريد العينة بمعدل عشرة كلفن في الدقيقة، وهو يوضح سلوك التبلور. بينما يمثل المنحنى السفلي جولة التسخين الثانية؛ حيث نلاحظ أن نطاق الذوبان مماثل للنطاق المرصود في جولة التسخين الأولى.

وتثبت التجربة إمكانية استخدام تقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) لتحديد خصائص سلوك ذوبان شمع العسل، ومن ثمَّ فهم تركيبته المعقدة بصورة أفضل.

الشريحة 11: الاستعمال 3: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)                            بصمات كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) لكريمات الزيت في الماء

تعرض هذه الشريحة مقارنة بين سلوك ذوبان اثنين من كريمات التجميل المختلفة.

تتميز الكريمات بأنها مستحلبات شبه صلبة وتتكون من مزيج من الزيت والماء. وتتميز كريمات الزيت في الماء أو O/W بأنها مريحة أكثر في الاستخدام مقارنة بكريمات الماء في الزيت لأنها تكون أقل دهنية وأسهل من حيث الغسيل بالماء في مقابل كريمات الماء في الزيت التي تُعد أكثر ترطيبًا.

وقد تم إجراء قياسات كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) للمقارنة بين اثنين من كريمات الزيت في الماء (O/W)، وهما مميزان على الرسم البياني بالتسميتين الكريم أ والكريم ب. حيث يمكن أن تؤثر الفوارق في المحتوى والمكونات على تماسك وجودة تركيب الكريم النهائي.

ويظهر كلا منحنيي DSC قمة ذوبان كبيرة في النطاق الممتد بين خمسة وخمسين وخمسة وستين درجة مئوية. وسبب هذه القمة هو وجود أحادي ستيرات الجلسرين، والذي يُعد مستحلبًا شائع الاستخدام كسواغ في الكريمات. حيث يمثل عامل تثخين ومثبتًا.

وبالرغم من ذلك نجد أن الكريم أ لديه ثلاث قمم إضافية في المنطقة الممتدة من 25 إلى 45 درجة، والتي تمثل عادة درجات ذوبان الجلسريدات الأحادية والثنائية والثلاثية. وتُستخدم هذه المكونات غير النشطة في تصنيع كريمات الزيت في الماء؛ حيث تشكل، بإضافة الماء، تركيبات ثلاثية الأبعاد بأنواع وقوى مختلفة.

ويمكن استخدام منحنيات كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) كبصمات لتحديد خصائص تركيبات الزيت في الماء المختلفة والتفريق بينها.

الشريحة 12: الاستعمال 4: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)                                        تحديد بولي إيثيلين جلايكول (PEG)

تُستخدم مركبات بولي إيثيلين جلايكول، أو PEG، على نطاق واسع في منتجات التجميل كمثخنات، ومذيبات، وملينات، وناقلات رطوبة. حيث تُشكل عادة المادة الأساسية لكريمات التجميل.

ويعرض الرسم البياني منحنيات DSC لعينات بولي إيثيلين جلايكول (PEG) بكتل جزيئية تتراوح بين أربعمائة وعشرة آلاف (من 400 إلى 10000). حيث تزيد درجات ذوبان مركبات بولي إيثيلين جلايكول مع زيادة طول السلسلة أو زيادة الكتلة الجزيئية. فكلما كانت السلسلة أطول، كان اختلاف درجات ذوبان بولي إيثيلين جلايكول عن بعضها أقل.

ولا يمكن استخدام المحتوى الحراري للاندماج للتمييز بين مركبات بولي إيثيلين جلايكول لأن الفرق الناتج عن طول السلسلة لا يكون كبيرًا ويعتمد أيضًا على التبلور.

باختصار، يمكن تمييز مركبات بولي إيثيلين جلايكول بتقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) عن طريق قياس نطاق ذوبانها، على الرغم من أن الاختلافات تصبح أصغر مع زيادة طول السلسلة.

الشريحة 13: الاستعمال 5: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)                            دراسة تمسخ بروتين الشعر

يمكن فحص درجة حرارة تمسخ بروتين الشعر البشري عبر تقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي.

ويعرض الرسم البياني منحنيات تسخين DSC لست عينات من الشعر مميزة بالتسميات العينة "أ"، و"ب"، و"جـ"، و"د"، و"هـ"، و"و". حيث توضح المنحنيات ثلاثة أحداث حرارية في المنطقة الممتدة بين 25 و300 درجة مئوية.

ويرجع سبب وجود قمة امتصاص الحرارة الواسعة الموجودة بين 40 و160 درجة مئوية إلى خروج الماء من نسيج الأنبوب الشعري.

بينما يرجع سبب وجود قمة امتصاص الحرارة المرصودة بالقرب من 230 درجة مئوية إلى انصهار بلورات ألفا (α-form) الموجودة في كيرياتين الشعر البشري. حيث يعطي الشكل اللولبي لكيرياتين ألفا (α-keratin) دعمًا للشعر.

ويرجع التأثير الثالث إلى تداخل الذوبان وربما التحلل.

كما تظهر منحنيات قياس DSC تشابهًا كبيرًا فيما يتعلق بتمسخ بروتين بلورات ألفا في كيراتين الشعر البشري. وبالرغم من ذلك لا تتطابق درجات حرارة القمة والمحتويات الحرارية المناظرة، وتسمح بتمييز العينات.

الشريحة 14: TGA/DSC

لنحول انتباهنا الآن إلى التحليل الحراري الوزني، أو TGA.

في هذه التقنية، يتم قياس كتلة العينة في أثناء تسخينها في جو محدد. حيث نضع ببساطة بضعة ملليغرامات من العينة في بوتقة، ونعرضها للتسخين، ونسجل تغير الوزن باستمرار. ويوفر منحنى نقص الوزن الناتج معلومات حول تركيب العينة.

يوضح الرسم التخطيطي الموجود على اليسار منحنى قياس TGA نموذجيًا لأحد المستحضرات الدوائية. وتظهر التأثيرات المختلفة مرقمة بجوار المنحنى، بينما يوجد توضيحها في الجدول، وهي كالتالي.

واحد، يبدأ التسخين وتتبخر المكونات المتطايرة؛

اثنان، فقد ماء التبلور؛ و

ثلاثة، عند درجة حرارة ثلاثمائة مئوية، تخضع العينة للتحلل؛ و

أربعة، تتخلف الحشوات غير العضوية أو بقايا التحلل.

توفر بعض أجهزة التحليل الحراري الوزني (TGA) أيضًا منحنيات DSC أو DTA متزامنة، وبالتالي توفر معلومات عن التأثيرات الناتجة عن تغيرات المحتوى الحراري كما ناقشنا سابقًا.

الشريحة 15: التحليل الحراري الوزني (TGA)

حيث يُستخدم التحليل الحراري الوزني (TGA) لدراسة بعض العمليات مثل التبخر أو التحلل.

ويعرض الجدول ملخصًا للاستعمالات التحليلية الرئيسية للتحليل الحراري الوزني (TGA) بالنسبة للمواد التجميلية. حيث تسمح لنا هذه التقنية بقياس تبخر المواد تحت نقطة الغليان وفوقها، وامتزازها كميًا، فضلاً عن دراسة الثبات الحراري، وحركية التفاعل، والقياس الكمي.

وعند الضرورة، يمكن تحليل الغازات المتطورة عبر الإنترنت باستخدام تقنيات موصولة مثل التحليل الحراري الوزني/القياس الطيفي للكتلة (TGA-MS) أو التحليل الحراري الوزني/نظام فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء (TGA-FTIR)

وتوضح الصورة الموجودة على الجانب الأيمن مشهدًا للفرن المفتوح وحامل العينة مع المواضع المخصصة لبوتقة العينة والبوتقة المرجعية في جهاز TGA/DSC. وتكون البوتقات القياسية مصنوعة من الألومينا.

الشريحة 16: الاستعمال 1: التحليل الحراري الوزني (TGA)                تحديد خصائص أنظمة توصيل العطور

يُعد تغليف العطور في أنظمة توصيل مناسبة موضوعًا في غاية الأهمية بالنسبة لمنتجي العطور. كما يُعد التحليل الحراري الوزني أسلوبًا ممتازًا لدراسة ثبات العطور وسلوك إطلاقها من أنظمة التوصيل.

وفي هذا المثال، تعرض العطر للاحتباس في جزيئات نانوية بوليمرية. حيث استخدمت أنظمة التوصيل نوعين مختلفين من الجزيئات النانوية المستندة إلى أسيتات الفينيل المتشابكة.

في التجربة الأولى، تم قياس العطر المغلف بدرجة حرارة متساوية عند درجات حرارة 25، و40، و70 مئوية باستخدام نظام توصيل في حالة مطاطية مرنة. ويظهر انحناء في منحنى التحليل الحراري الوزني (TGA) باستثناء القياس الذي تم إجراؤه عند درجة حرارة 25 مئوية حيث لم يكن الوقت المحدد طويلاً بما فيه الكفاية. حيث يحدث هذا الانحناء عندما يكون التبخر محدودًا بعمليات الانتشار في البوليمر. وفي نظام التوصيل، يكون التبخر محدودًا بتطاير المادة المتطايرة.

وفي التجربة الثانية، كان نظام التوصيل في الحالة الزجاجية. وتوضح نتائج القياسات عند درجات الحرارة 25، و40، و70، و90، و180 مئوية نهجًا مقاربًا لتركيب ثابت يعتمد على درجة الحرارة. وهذا يشير إلى بقاء جزء من العطر في نظام التوصيل وعدم تحرره.

وهذا يعني أن التبخر في نظام التسليم هذا يكون محدودًا بانتشار المادة المتطايرة داخل الجزيئات النانوية، وبالتالي يستغرق وقتًا أطول من نظام التسليم ذي الحالة المطاطية المرنة.

الشريحة 17: الاستعمال 2: TGA               محتوى أسود الكربون في الماسكارا

يمكن استخدام التحليل الحراري الوزني لتحديد محتوى الكربون الأسود في تركيبات الماسكارا، وهو لا يتطلب سوى كمية صغيرة من العينة.

تعرض الشريحة منحنيات تسخين التحليل الحراري الوزني (TGA) لعينتين مختلفتين من الماسكارا. ويوضح كلا المنحنيين عدة خطوات لفقد الوزن. وتتمثل المكونات الرئيسية للماسكارا في الزيوت، والمواد الشمعية مثل شمع العسل، والأصباغ، وغيرها من المواد الحافظة. حيث يُستخدم الكربون الأسود عادة كصبغة.

في الرسم البياني، تتوافق الخطوتان الأولى والثانية لفقد الوزن لكلتا العينتين مع تبخر وتحلل المواد الشمعية والمواد الحافظة.

حيث يتحلل الكربون الأسود عند تحول الجو المحيط من النيتروجين إلى الهواء عند درجة حرارة 600 مئوية. وينتج عن تقييم ارتفاع المنحدر محتويات الكربون الأسود بنسبة 0.7% للعينة أ و0.2% للعينة ب.

وكانت نسبة البقايا غير العضوية من كلتا العينتين حوالي 12% عند درجة حرارة 800 مئوية.

يحدد قانون إدارة الغذاء والدواء (FDA) في الولايات المتحدة للوائح الفيدرالية القواعد واللوائح المتعلقة بمحتوى الكربون الأسود المسموح بوجوده في مستحضرات التجميل المختلفة. ونلاحظ أن التحليل الحراري الوزني (TGA) يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في التحقق من عدم تجاوز الحدود الرسمية.

الشريحة 18: التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)

سننتقل الآن إلى التحليل الحراري الميكانيكي، أو TMA. حيث تعمل هذه التقنية على قياس تغيرات أبعاد العينة عند تسخينها أو تبريدها في ظل قوة محددة أو حمل محدد.

يوضح الرسم التخطيطي منحنى تسخين تحليل حراري ميكانيكي (TMA) نموذجيًا لطلاء إحدى الكبسولات. وتظهر التأثيرات الرئيسية مرقمة بجوار المنحنى، بينما يوجد توضيحها في الجدول. وهي

واحد، التمدد أسفل التزجج؛

اثنان، التليين بتشويه البلاستيك؛

الشريحة 19: التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)

يعرض الجدول بعض الاستعمالات التحليلية الرئيسية للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) بالنسبة للمواد التجميلية.

ويتمثل الاستعمال الرئيسي في تحديد معامل التمدد الحراري، أو CTE، وتُعد هذه التقنية ممتازة أيضًا لتحديد درجات حرارة التزجج، لدراسة سلوك التليين، ولقياس انتفاش المواد في المذيبات بدرجة حرارة ثابتة.

توضح الصورة الموجودة على اليمين الإعداد التجريبي النموذجي مع مسبار كروي مستقر على نموذج العينة.

وتصف الشريحة التالية مثالاً معينًا لأحد الاستعمالات.

الشريحة 20: الاستعمال 1: التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)                                       سلوك انكماش الشعر

يوضح استعمال التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) الملخص في الشريحتين التاليتين استخدام تقنية التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في الدراسات المجراة على الشعر.

في الوقت الحاضر، يتم استعمال البروتين الطبيعي أو علاج الكيراتين لتسوية الشعر ومنعه من التجعد، مع منحه مظهرًا أكثر لمعانًا في الوقت نفسه. إلا أن هناك مخاطر مرتبطة بأنواع عديدة من العلاجات، ويجب أن يكون العملاء على دراية كاملة بالعملية والآثار الضارة المحتملة قبل اختيار علاج آمن.

ويمكن تحديد خصائص انكماش أو تمدد الشعر بسهولة عن طريق تقنية التحليل الحراري الميكانيكي (TMA). حيث يمكن تركيب جميع أنواع الشعر حتى الأنواع الرفيعة للغاية في ملحق الشد باستخدام المشابك النحاسية.

وفي هذا المثال، تم قياس نوعين مختلفين من الشعر، أحدهما طبيعي والآخر معالج، في وضع شد تصل درجة حرارته إلى 230 درجة مئوية.

ونلاحظ أن أول منحنيين معروضان حتى 140 درجة، وأنهما يوضحان سلوك انكماش نوعي الشعر الطبيعي والمعالج. حيث تنكمش كل عينة من عينات الشعر إلى حوالي 110 درجة بسبب التجفيف. ويبلغ ذلك حوالي 0.7% من طول العينة الأصلي بالنسبة للشعر الطبيعي، أما بالنسبة للشعر الطبيعي المعالج فيبلغ حوالي 1.0%.

تعرض الشريحة التالية نفس منحنيات التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في نطاق درجة الحرارة الأعلى من 140 درجة.

الشريحة 21: الاستعمال 1: التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)                           معامل تمدد الشعر

توضح المنحنيات أن التحلل يبدأ عند درجة حرارة أعلى من 220 مئوية، وأن الشعر يتمزق بسرعة. وفي هذه الحالة، كانت القيمة الوسطى المحسوبة لبداية ظهور الذوبان بالنسبة للشعر الطبيعي 223 درجة مئوية، أما بالنسبة للشعر الطبيعي المعالج فكانت 226 درجة مئوية. وتوضح قيم الانحراف القياسية المحصلة قابلية ممتازة لإعادة الإنتاج. وبالتالي يكون الثبات الحراري للشعر الطبيعي المعالج أكبر من الشعر الطبيعي، مما يؤكد التأثير الإيجابي لمعالجة الشعر.

الشريحة 22: القيم الحرارية                                 درجة الذوبان / درجة التسيل

تقوم أنظمة قياس درجة الذوبان ودرجة التسيل المبتكرة من METTLER TOLEDO آليًا بتحديد درجة ذوبان أو نطاق ذوبان إحدى المواد، أو درجة تسيل إحدى العينات بدقة ممتازة. ولكن الأجهزة يمكن أن تفعل أكثر من ذلك بكثير، مثل فحص تغيرات اللون، والنقاط الواضحة ودرجات حرارة التفكك مع التسجيل بالفيديو.

وتوضح الصورة الموجودة على اليسار مشهدًا لجهاز قياس درجة الذوبان مع مادة ملونة معبأة في أنابيب شعرية خاصة بدرجة الذوبان.

بينما توضح الصورة الموجودة على اليمين جهاز قياس درجة التسيل. ودرجة التسيل هي درجة الحرارة التي تتدفق عندها أولى القطرات من العينة الذائبة خلال الفتحة البالغ قطرها 2.8 مم الخاصة بكأس عينات درجة التسيل القياسية بالتسخين البطيء.

الشريحة 23: الاستعمال:                                                  درجة تسيل الفازلين

دعوني الآن أعرض لكم باختصار أحد الاستعمالات التي تشتمل على جهاز قياس درجة التسيل.

كما ذكرت من قبل، يتكون الفازلين من خليط من الهيدروكربونات الصلبة والسائلة بنطاق ذوبان واسع يمتد من أقل من الصفر بكثير إلى حوالي 70 درجة مئوية. ويعمل على حماية الجلد من آثار الطقس البارد والظروف الجوية القاسية، حيث يكون بمثابة عازل للبشرة.

ويعرض الجدول ملخصًا لنتائج قياسات نقاط التسيل المنفذة وفقًا للمعيار ASTM D 3954-94. حيث تم قياس أربع عينات مختلفة لدراسة قابلية إعادة الإنتاج لدى قيم نقاط التسيل. وقد كانت النتائج المحصلة عالية القابلية لإعادة الإنتاج. وهذا يعني إمكانية التمييز بين العينات الأربع بسهولة لأغراض مراقبة الجودة.

الشريحة 24: ملخص

يعرض الجدول ملخصًا لأهم الخصائص والأحداث الحرارية التي تميز مواد التجميل، وكذلك التقنيات الموصى بها لفحص هذه المواد. حيث يعني المربع ذو اللون الأحمر أن التقنية موصى بها كخيار أول؛ بينما يشير المربع المميز باللون الأزرق إلى أنه يمكن استخدام التقنية أيضًا.

تتمثل أهم الآثار التي يمكن تحليلها بواسطة كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي DSC في درجة الذوبان ونطاق الذوبان وسلوك الذوبان.

أما بالنسبة للتحليل الحراري الوزني (TGA)، فتتمثل الاستعمالات الرئيسية في التبخر، وتحديد المحتوى، وتحديد المادة المالئة.

ويُستخدم جهاز قياس درجة التسيل أو DP لاكتشاف درجة تسيل الشموع.

بينما يُستخدم جهاز قياس درجة الذوبان أو MP في التحديد الأتوماتيكي لدرجة الذوبان واكتشاف نطاق الذوبان.

يُستخدم التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) عادةً في دراسة تمدد المواد أو انكماشها

الشريحة 25: ملخص

تعرض هذه الشريحة نظرة عامة على نطاقات درجة الحرارة الخاصة بأجهزة METTLER TOLEDO لتقنيات المسح الضوئي التفاضلي (DSC)، والتحليل الحراري الوزني (TGA)، والتحليل الحراري الميكانيكي (TMA)، والقيم الحرارية.

يتم إجراء تجارب المسح الضوئي التفاضلي (DSC) بوجه عام في درجات حرارة تتراوح بين سالب مائة وخمسين درجة مئوية وموجب سبعمائة درجة مئوية. كما قد تختلف نطاقات درجات الحرارة في حالة استخدام معدات أو ملحقات خاصة.

وعادة ما تبدأ قياسات التحليل الحراري الوزني (TGA) عند درجة حرارة الغرفة. بينما تبلغ درجة الحرارة القصوى الممكنة حوالي 1600 درجة. ولكن بالنسبة لمستحضرات التجميل، عادة ما تكون درجة الحرارة 900 مئوية كافية كحد أقصى.

يمكن إجراء تجارب التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في درجات حرارة تتراوح بين سالب مائة وخمسين درجة مئوية وموجب ألف ومائة درجة.

وتتضمن أجهزة قياس القيم الحرارية أجهزة قياس درجة الذوبان ودرجة التسيل. يتراوح نطاق درجة حرارة جهاز قياس درجة الذوبان من درجة حرارة الغرفة إلى أربعمائة درجة، بينما يتراوح نطاق درجة حرارة جهاز قياس درجة التسيل من سالب عشرين إلى موجب أربعمائة درجة.           

الشريحة 26: للاطلاع على مزيد من المعلومات حول مستحضرات التجميل

أخيرًا، أود أن أجذب انتباهكم إلى معلومات متعلقة بالاستعمالات التي تتم في مجال مستحضرات التجميل، والتي يمكنكم تنزيلها من الإنترنت.

حيث تنشر شركة METTLER TOLEDO عددًا من المقالات والاستعمالات المتعلقة بالتحليل الحراري بمعدل مرتين سنويًا في مجلة UserCom، وهي مجلة تقنية شهيرة مخصصة للعملاء تصدرها METTLER TOLEDO مرتين سنويًا. ويمكن تنزيل الأعداد السابقة بصيغة PDF من www.mt.com/ta-usercoms كما هو موضح في الشريحة.

الشريحة 27: لمزيد من المعلومات حول التحليل الحراري

بالإضافة إلى ما سبق، يمكنكم تنزيل التفاصيل المتعلقة بالندوات المقامة عبر الويب، وكتيبات الاستعمالات، أو المعلومات الأكثر عمومية من عنوان الإنترنت المذكور في هذه الشريحة.

الشريحة 28: شكرًا لكم

بهذا ينتهي عرضي التقديمي حول التحليل الحراري لمستحضرات التجميل. شكرًا جزيلاً لكم على اهتمامكم وانتباهكم.