피부품의 물리화학 - 화장품의 레올로지

화장품의 물리화학

 

2. 화장품의 레올로지

1) 화장품에 있어서 레올로지의 의의

레올로지(rheology)란 물체의 변형이나 유동의 문제를 취급하는 하나의 학물체계이다. 레올로지적 성질에서 가장 단순한 것은 점성과 탄성이다. 물이나 유동파라핀과 같으 액체는 점성이 있으나 탄성은 없다. 이와 같은 것을 뉴턴유체(newtonian fluid)라고 한다. 뉴턴유체는 극히 작은 힘을 가하여도 흐르는데, 힘은 전부 '흐르는 것'에 소비되며 그것에 다라 에너지가 소비된다. 한편, 고무나 용수철 같은 것은 점성을 지니지 않지만 탄성을 가지고 있다. 이와 같은 것을 후크 고체(Hookian body)라 부르고 후크 고체에 힘을 가하면 그 힘은 고체의 변형에 사용되지만 에너지를 소비하지 않고 보존한다.

화장품에서는 용액 상태인 것은 뉴턴유체로서 취급하여도 좋지만, 분산계인 것은 점성과 탄성이 얽힌 복잡한 레올로지적 성질을 나타낸다. 이와 같은 물체를 점탄성제(visco elastic body)라 한다. 물체의 레올로지적 성질은 그 물체의 내부구조에 기인하기 때문에 분산계의 화장품에는 상당히 중요한 성질일 뿐 아니라, 레올로지의 측정은 화장품의 내부구조의 해명에 유력한 수단이 된다. 또 화장품의 레올로지적 성질을 아는 것은 화장품의 제조 기계를 설계하는데도 중요한 것이다. 화장품의 레올로지는 화장품을 사용하는 입장에서도 중요하다. 포마드나 치크, 마사지크림과 같은 화장품은 그 점착성이나 윤활성을 살린 것이다. 바디 파우더는 탈크분의 윤택성ㅇ르 이용한 것이다. 그리고 크림 등의 사용시 "퍼지는 성질"이나 "탄력성", 샴푸할 때나 린스 후의 모발의 감촉 등 인간이 감각적으로 판단하는 레올로지적 성질을 물리적인 의미로 부여하려고 하는 시도도 있다.

 

2) 유동 양식

분산계의 유동양식은 뉴턴형인 것은 오히려 드물고 이제까지 빙엄 유동(Bingham flow), 소성 유동(plastic flow), 의소성 유동(pseudoplastic flow), 다일래이턴트 유동(dilatant flow), 오스트발트 유동(ostwald flow) 등 여러 가지 유동 양식이 밝혀졌다. 점도를 측정하는 경우에는 계에 외력이 가해지므로 이 외력이 계의 구조를 변화시킬 수 있다. 응력(외력)을 일정하게 하여도 점도가 측정 중에 시간과 함께 저하는 경우를 틱소트로피(thixotropy)라 한다. 외력이 가해지면 견고해지고, 힘을 제거하면 본래대로 돌아오는 경우가 있다. 이 성질을 다일래이턴시(dialatancy)라고 한다. 틱소트로피나 다일래이턴시는 가역적 현상인데 대하여 비가역적 현상인 레오펙시(rheopexy)라는 것이 있다. 이것은 외력에 의해 젤확 촉진되기 때문에 일어난다. 이상과 같은 현상은 분산계의 경우에는 매우 보편적으로 나타나며, 따라서 화장품의 점도는 측정 방법에 따라 크게 차이가 나는 값을 얻는다. 이것은 역으로 여러 가지 방법의 레올로지 측정이 화장품의 내부 구조의 해명에 유력한 수단이 되는 것을 시사하고 있다.

 

3) 레올로지 측정법

레올로지 측정의 원리를 한마디로 말하면, 물체가 유동하는 속도를 그 유동을 일으키는데 피요한 힘의 함수로서 구하는 것이다. 그러나 물체가 유동하는 속도 이상으로 유동시키는 힘이 작용하면 뉴턴유체에서도 탄성을 나타내게 되기 때문에 전단 속도의 크기가 중요하게 되며, 분산계에서는 큰 변형을 주면 입자의 분산 상태의 변화를 수반하는 경우가 많다. 이러한 것을 고려하면 어떤 한 종의 화장품의 레올로지적 성질을 완전히 규정하는 것은 불가능하다고 할 것이다. 그러므로 측정하고자 하는 목적에 따라 거기에 적당한 측정 방법을 취하는 것이 긴요하다. 실제츼 측정에서는 그 측정치의 물리적인 의미에서 문제가 있더라도, 실용적인 관점으로부터 이용되고 있는 측정기도 있다. 화장품의 연구 및 생산 현장에서의 레올로지 측정기는 아래와 같다.

 

(1) 모세관 점도계

오스트발트형을 기본으로 하여 Cannon-Fenske, Ubblohde 등의 개량형이 대표적이다. 일정량의 시료가 위의 측정구로부터 아래의 시료쪽으로 중력에 의해 모세관을 흐르는 시간을 측정한다. 화장수나 유동파라핀 등의 액체상의 물질을 측정하는데 적당하다. 다른 점도계를 검정하기 위한 점도 교정액의 점도를 결정하는데 이용한다.

 

(2) 오리피스 점도계

시료용기 내에 시료가 흐르는 작은 구멍이 있는 실용적 점도 측정기이다. 일정량의 시료가 작은 구멍을 통하여 흐르는 시간을 측정한다. Redwood 점도계, Saybolt 점도계는 유동 파라핀 등의 점도를 측정하는데 이용된다. 고압을 가하여 압출하는 형식은 입술 연지나 포마드 등의 측정에 적당하다.

 

(3) 회전 스핀들형 점도계

시료 중에 시핀들을 회전시켜 스핀들에 가해지는 저향을 용수철을 이용해 측정한다. 시판되는 측정기는 회전수를 여러 단계로 나누어 측정하는 것이 가능하고, 스핀들도 봉상인 것(고점도용)에서부터 원반을 분인 것(저점도용)까지 여러 개가 있다. 유액, 에나멜 등의 점도를 측정하는데 적당하다.

 

(4) 회전 원통형 점도계

외통과 내통 사이에 시료를 넣고, 외통을 천천히 회전시키면, 내통도 시료와 함께 외통도 같은 방향으로 회전하게 된다. 이 때 내통은 나사선에 의해 저항을 받으며, 시료에 의한 힘과 나사선에 의한 저항이 균형을 이루는 회전각에서 정지한다. 이 회전각의 크기로부터 점도를 구한다. 외통의 회전속도를 상승시키고 그 다음 하강시키면서 회전각도를 구하고, 이것을 회전속도에 대하여 플로트하면 히스테리시스(hysteresis)를 나타내게 되는 것이다. 그리고 이와 같은 장치를 이용하여 Creep를 측정할 수 있다. 크리프 측정은 외통을 고정하고 나사선의 상단에 일정 토오크를 주어 내통의 회전각의 변화를 측정함으로써 이루어진다. 유액이나 크림 정도의 점도를 가진 것은 낮은 전단 속도인 경우에 분산 입자의 상호 작용 때문에 점탄성을 나타낸다. 이와 같은 시료에 일정 토오크를 지속하여 주고 내통회전각의 시간 변화로 구한 크리프·컴플라이언스(뒤틀림/응력)를 플로트한다.  많은 화장품이 분산계로서 점성 이외의 탄성을 함께 가지므로 이와 같은 시료의 성질을 측정하기에 적당하다.

 

(5) 콘·플레이트형 점도계

원추(cone)와 평판(plate) 사이에 시료를 끼워 넣고 평판을 모터로 회전시켜서 원추에 가해지는 저항을 용수철로 측정한다. 원추의 크기, 용수철의 강도를 변화시킴에 따라, 유액 정도로부터 크림 정도까지의 시료를 측정할 수 있다. 이 형식에 자동적으로 원추의 회전을 일정한 속도로 상승시키고 연이어 하강시키면서 측정할 수 있도록 설계된 것이고, 화장품과 같은 복잡한 점성 거동을 나타내는 시료를 측정하는데 적당하다.

 

(6) 콘·플레이형 진동 점도계

콘(cone)을 한쪽 방향으로 회전시키는 것이 아니라 왕복 진동시켜 측정한다. 이것을 동적 측정법이라고 한다. 매우 작은 변형 하에서 측정할 수 있다는 이점이 있다. 또 부속 장치를 이용하면, 탄성을 가진 시료에서 나타나는 하이젠버그 효과를 측정하는 것이 가능하다.

 

(7) 평행판 플래스트 메타

이 장치는 크리프 측정에 이용된다. 두 장의 평행한 원판 사이에 시료를 넣고 상판에 하중을 가하여 그 중량에 의해 시료의 두께가 감소되는 속도를 측정하고 크리프 곡선을 구하여 해석한다.

 

(8) 침입도형 점도계

점도계라고 하기보다는 경도계라고 해도 틀리지 않는다. 침 또는 원추형의 단자를 시료에 침입시키는데 필요한 힘을 측정한다. 스틱형 화장품이나 비누 등의 측정에 적당하다.

 

다음은 화장품 그 자체의 레올로지는 아니고 피부의 점탄성과 샴푸나 린스의 사용감을 평가하는 측정기이다.

 

(9) 피부점탄성 측정기 (in vivo)

피부에 작은 부착물을 부착시키고 이것을 기계적으로 직선 방향으로 정현진동시켜 피부에서의 응력을 해석하는 방법이다. 이 측정에서는 센서를 일정한 압력으로 누르고 센서로 주어지는 주기적인 힘에 대한 피부에서의 응력을 측정하여 점탄성 값을 구한다. 그러나 피부와 같은 물질은 어떠한 압력을 받으면 압축되어 본래의 역학적 성질이 변화하기 때문에 점탄성 값도 가해지는 압력의 함수로서 취급할 필요가 있다. 그래서 기기에 압력 센서를 설치하고 항상 피부에 가해지는 압력을 모니터하는 것에 의해 점탄성을 가해지는 압력의 함수로서 취급함으로써, 보다 정밀한 측정이 가능하다.

 

(10) 수류중(水流中)에서의 모발마찰 측정기

헹굴 때의 손에 의한 모발의 마찰 등을 평가하는 장치이다. 물을 흐르게 할 때 생기는 점 두개의 압력차는 모발까리의 마찰에 의한 마찰저항과 대응하며 압력차가 작을수록, 헹굼시의 모발간의 마찰이 작아 모발이 빠지거나 원활하지 않게 된다.

 

(11) 모발 마찰 측정기

모발을 만질 때의 촉감이 어느 정도 좋은가를 평가하기 위해서 모발 마찰 측정기가 개발되었다. 모발을 둘러싸는 발포체를 이용하여 모발과의 마찰력을 측정하고 관능평가와 대응시켜 보면 잘 일치하는데 확인한다.