La medición y el control de la viscosidad en un fluido cosmético

En cosmética creamos muchos productos en estado líquido o semisólido. En todos ellos un paso fundamental es la medición de la viscosidad en un fluido. Esta medición de viscosidad nos dará un valor en función del estado de fluidez del cosmético.

El estudio de la estabilidad de los productos cosméticos es fundamental a la hora de desarrollar un producto cosmético, ya que no solo nos ayudará a determinar la vida útil del producto, sino que, además, veremos cómo se comporta nuestro producto a lo largo del tiempo. Es especialmente importante en el caso de geles (como los geles de baño o los champús) y emulsiones.

Es por ello por lo que debemos establecer qué parámetros analizar a lo largo del estudio de estabilidad y esto lo determinaremos en función del producto cosmético, por ejemplo, para un producto sólido analizaremos la consistencia del producto y si éste no se fragmenta o se agrieta y para un producto con ligera textura, como un gel o una emulsión uno de los parámetros a estudiar puede ser la viscosidad.

Como veremos en los siguientes apartados, la medición y el control de la viscosidad en un fluido cosmético puede no resultar fácil, pero es un paso fundamental a tener en cuenta en las especificaciones técnicas de nuestro producto.

Definición de viscosidad. Un poco de física

Para conocer la viscosidad y entenderla bien, debemos remontarnos a las lecciones de física, ya que este es un fenómeno totalmente físico. En concreto, es la reología la rama de la física que estudia el efecto de la aplicación de fuerzas externas en un fluido. Por ello es la que nos aplica cuando queremos estudiar qué ocurre en la medición de la viscosidad de un fluido. 

Se define viscosidad como “la propiedad de los fluidos que caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus moléculas.” La viscosidad es la medida de la fricción interna de un líquido. Esta fricción se hace evidente cuando movemos una capa de fluido en relación con otra capa. Cuanto mayor sea la fricción, mayor será la cantidad de fuerza necesaria para provocar este movimiento de deslizamiento entre capas. La fuerza necesaria para el deslizamiento de una capa sobre otra se conoce como cizallamiento. El cizallamiento ocurre siempre que el fluido se mueve o distribuye físicamente. Por ejemplo, al agitar el fluido, al verterlo de un recipiente a otro, al aplicarlo sobre una superficie.

Los fluidos muy viscosos necesitarán más fuerza para moverse que los materiales menos viscosos. 

Isaac Newton definió la viscosidad considerando el modelo que vemos en la imagen anterior.  Dos áreas planas paralelas de fluido del mismo tamaño “A” están separadas por una distancia “dx” y se mueven en la misma dirección a diferentes velocidades “V1” y “V2” (“dv” es la diferencia de velocidad entre las dos capas). 

Newton asumió que la fuerza que hay que aplicar (fuerza de cizallamiento) es proporcional al gradiente de velocidad (dx). Es decir, que la fuerza requerida para que se mantenga la velocidad de movimiento de una capa de fluido sobre otra es proporcional. Existe entonces una constante de proporcionalidad a la que, según este modelo, se le denomina viscosidad. En la siguiente fórmula vemos la viscosidad representada con la letra griega η (Eta), usada para representar la viscosidad aparente en fluidos no newtonianos (veremos qué son los fluidos no newtonianos más adelante).

Donde h es una constante para un material dado y se llama su “viscosidad”. La unidad fundamental de medición de la viscosidad es el “poise”. Lo más habitual es encontrar la viscosidad expresada en centipoise. 

Según el razonamiento de Newton, teniendo en cuenta la fórmula anterior, si aplicamos una fuerza determinada sobre un fluido éste se moverá a una velocidad determinada (en función de su viscosidad) y si aplicamos el doble de fuerza, pues se aumentará la velocidad también el doble, ya que la viscosidad es algo constante e inherente al fluido (“su viscosidad”). Sin embargo, veremos que no todos los fluidos tienen en mismo comportamiento frente a la aplicación de una fuerza. 

Tipos de fluidos según su comportamiento

A la hora de realizar la medición de la viscosidad en un fluido cosmético, así como su control, tenemos que tener en cuenta qué tipo de fluido es. En función de la definición que hemos visto de viscosidad y cómo responde el fluido ante la aplicación de fuerza de cizallamiento, tenemos:

• Fluido newtoniano: Son aquellos fluidos que cumplen la definición de Newton. la viscosidad del fluido permanece constante a medida que se varía la velocidad de corte.  Los fluidos newtonianos típicos incluyen agua y aceites. Lo que esto significa en la práctica es que a una temperatura determinada la viscosidad de un fluido de este tipo permanecerá constante independientemente del modelo de viscosímetro, eje o velocidad que utiliza para medirlo. Son los más fáciles de analizar, pero, quizá los más difíciles de encontrar. 

• Fluido no newtoniano: en este tipo de fluido cuando se varía el esfuerzo de corte (fuerza de cizallamiento), la velocidad de corte no varía en la misma proporción (o incluso necesariamente en la misma dirección). La viscosidad de tales fluidos cambiará a medida que se varíe la velocidad de cizallamiento. Por lo tanto, los parámetros experimentales del modelo de viscosímetro, el husillo y la velocidad aquí sí que tienen un efecto. En el siguiente apartado hablaremos sobre qué es un viscosímetro y un husillo. En la práctica, para hacer la medición de la viscosidad de un fluido no newtoniano (viscosidad aparente), debemos medirla siempre con las mismas condiciones, es decir, con el mismo husillo, velocidad y a la misma temperatura. De hecho, es posible realizar gráficas de variación de la viscosidad en función de la temperatura y ver cómo obtenemos distintos valores según cambia la temperatura a la que se realiza la medición y el control de la viscosidad de un fluido cosmético.

• Fluido tixotrópico: además de los anteriores, los tixotrópicos sufren una disminución de viscosidad con el tiempo, mientras se somete a una velocidad de cizallamiento constante. Un ejemplo de fluido tixotrópico serían las lacas de uñas, que reducen su viscosidad cuando se realiza la agitación.

Factores a tener en cuenta en la medición de la viscosidad de un fluido

Para medir la viscosidad de nuestro producto, podemos hacerlo de manera visual, analizando como cae el producto (cuánto más viscoso sea el producto, más tardará en caer) o usando un viscosímetro. 

Los viscosímetros funcionan con husillos o spindles o con cilindros, que se sumergen en el material fluido. Hay diferentes tipos de husillos y se usará uno u otro en función de la viscosidad que se presupone al fluido y del tipo de fluido. 

En la práctica, para el caso de los viscosímetros rotatorios (tipo Brookfield), una vez se sumerge el husillo en el fluido cosmético se activa el viscosímetro que hace girar el husillo. Tras unos segundos se obtiene un valor de viscosidad, que estará relacionado con la resistencia que ofrece el fluido a la rotación del husillo. La medición de la viscosidad de un fluido (sobre todo en los fluidos no newtonianos que son los más comunes) debe ir siempre acompañada de la medición de la temperatura, como comentábamos en el párrafo anterior.

Por lo tanto, además del tamaño del husillo, tal y como hemos hablado anteriormente, tenemos que tener en cuenta:

• Velocidad de cizallamiento: velocidad a la que gira el husillo.
• Temperatura: para los no newtonianos, hemos hablado que la temperatura en la que midamos la viscosidad debe ser siempre la misma, preferentemente a la temperatura en la que el producto se utilice. Podríamos también hacer una simulación de diferentes temperaturas a las que pueda ser expuesto el producto para observar cómo cambia la viscosidad si éste es un parámetro crítico en la estabilidad de nuestro cosmético.
• Tiempo: para los fluidos tixotrópicos, además, tendremos que tener en cuenta el valor de viscosidad a un tiempo dado, y siempre el mismo valor. 

Cambios en la viscosidad del producto

Y cuando vemos cambios de viscosidad, ¿qué significan? Veremos por cada tipo de cosmético que puede estar cambiando:

• Gel: si vemos una disminución de la viscosidad en un gel, el problema puede existir en el gelificante usado, que no aguante la estructura gel del cosmético.
• Emulsión: si cambia la viscosidad de nuestra emulsión, quizá estemos en una fase previa a la rotura de la misma. 

Es por eso que el estudio de la viscosidad de nuestro producto nos puede dar ideas de cómo se va a afectar en cuanto a su vida útil y si necesitamos reforzar nuestra formulación para que la viscosidad se mantenga durante este tiempo.

Hay ciertas materias primas o ajustes que pueden afectar significativamente a la viscosidad, como son los cambios en el pH o la adición de perfumes. Por ello la medición y el control de la viscosidad en un fluido cosmético debe hacerse siempre al final del proceso de fabricación, una vez esté ajustado el color, el olor y el pH. Además, como hemos podido ver, una vez que el producto esté a temperatura ambiente, no antes.

La medición de la viscosidad de un fluido cosmético también es necesaria para las especificaciones del producto. La viscosidad debe ser la misma en la fase de laboratorio y la fase industrial. Además, se debe mantener también de lote a lote de fabricación. Junto con el pH, la viscosidad son parámetros de calidad críticos en la formulación de geles y emulsiones.

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