Schiuma e bolle di sapone
| Bolle e schiume hanno sempre incuriosito ed affascinato gli scienziati. La fisica e la chimica che spiega la formazione delle schiume e delle bolle hanno quel non so che di complesso e intricato che stuzzica le menti. Non mi sorprende che si parli di SCHIUMA QUANTISTICA o che dopo la teoria delle stringhe qualcuno esplori mentalmente universi spalmati sulle bolle di una schiuma. |
La geometria Weaire-Phelan ha ispirato il National aquatic center di Pechino
La schiuma è una componente fondamentale nella percezione sensoriale e qualità di alcuni cosmetici.
Per anni la percezione di qualità di un sapone e di uno shampoo sono stati legati alla schiuma che potevano produrre. Non basta fare tanta schiuma, il cosmetologo può formulare per avere una schiuma:
STABILE
INSTABILE
OMOGENEA
DISOMOGENEA
A BOLLE PICCOLE
A BOLLE MEDIE
ACQUOSA
GELATINOSA
LATTIGINOSA
CREMOSA
OLEOSA
BURROSA
non parlo poi delle problematiche formulative dei detergenti dove si vuole evitare la formazione di schiuma. In lavastoviglie e lavatrici la schiuma può diventare un problema, pertanto i detergenti devono essere dotati di anti-schiuma.
Visto che un effetto bianco-schiumoso si può generare anche in cosmetici skin-care applicati massaggiando velocemente , anche in questi si possono studiare espedienti formulativi per ridurre la formazione di schiume.
Alcune scie bianche lasciata da cosmetici sulla pelle sono in realtà schiume, che non c’entrano nulla con il “presunto” mancato assorbimento del cosmetico.
Ci sono poi schiume cosmetiche, cioè prodotti da applicare dopo aver formato la schiuma: schiume da barba, schiume disinfettanti ecc…
Chiarito che la schiuma di un dentifricio non è la schiuma di uno shamppo, per formulare creando una specifica schiuma si deve conoscere i principali fattori che permettono ad una bolla di formarsi e dissolversi.
Le bolle sono sacche di gas all’interno di un fluido.
Le bolle di sapone sono sacche di gas trattenute all’interno di una pellicola lamellare formata da una pellicola d’acqua in mezzo a 2 pellicole di sapone. La struttura lamellare dell’interfaccia tra l’acqua nelle pareti della bolla e l’aria , interna o esterna, è fondamentale per garantire la formazione e stabilità della bolla. Il sapone o il tensioattivo riducendo la tensione superficiale dell’acqua si dispone sulle pareti, sia l’interfaccia interna che quella esterna, della bolla con le code lipofile orientate verso l’aria. Tra i 2 film si trova l’acqua. Il sistema lamellare ha una sua specifica elasticità e resistenza da cui dipende la capacità di fare bolle con le caratteristiche più svariate: enormi, piccolissime, che si dissolvono rapidamente ecc.Nella parete della bolla, l’acqua può scorrere e per gravità scendere verso il basso.
Questo è il primo fattore , il drenaggio, che porta all’indebolimento delle pareti della bolla e poi alla sua dissoluzione.
La stessa acqua poi può evaporare , attraverso le pellicole di tensioattivo .
Questo è il secondo fattore che porta all’indebolimento delle pareti della bolla e poi alla sua dissoluzione.
L’elasticità della strutture dipende dalle forze che tengo allineate e compatte le molecole di tensioattivo, oltre che dalla loro concentrazione.
Il principio di Marangoni-Gibbs poi fa si che lo spessore della parete sia in relazione con la densità delle molecole di tensioattivo sulla superficie. La parete della bolla si restringe aumentando le dimensioni della bolla.
Ci sono vari test per verificare le qualità di una schiuma. Semplificando molto , possiamo considerare l’altezza e la durata nel tempo di una schiuma che si forma dopo un ben definita agitazione.
Confrontando diversi saponi, sali di acidi grassi di diversa lunghezza, si può verificare che i saponi con una coda idrofoba più lunga possono formare più schiuma.
Più è lunga la catena di atomi di carbonio più è bassa la CMC , ma anche più forze intermolecolari agiscono tra le code idrofobiche che si dispongono a contatto dell’aria sulla superficie della bolla.
Quindi a 40°, un sapone sodium oleate (C18:1), fa più schiuma di un sodium laurate (C12).
Però questi saponi in acqua non distillata formano con i carbonati sali insolubili.
Questi agiscono come antischiuma . Per questa ragione, anche se la capacità schiumogena in acqua distillata del SLS (Sodium Lauryl Sulfate) non è particolarmente superiore a quella di un sodium palmitate, in acqua normale i saponi tradizionali risultano nettamente meno schiumogeni.
In acqua non distillata la schiuma di un sapone a catena più corta può essere più alta della schiuma di un sapone a catena lunga.
Un’altro fattore che influisce sulla schiuma dei saponi tradizionali è il punto di fusione dell’acido grasso , quindi indirettamente la rigidità della molecola del tensioattivo.
Infatti a 40° un sodium palmitate , l’acido palmitico fonde a 61°, fa meno schiuma di un sodium laurate, l’acido laurico fonde a 44°.
In sostanza elasticità e viscosità della pellicola di surfattante che delimita le pareti della bolla sono determinanti perchè questa sia resistente e duratura.
La miscela di diversi surfattanti non sempre migliora elasticità e viscosità delle pareti che formano le bolle, ma piccole quantità di alcuni polietossilati o alkylsolfati possono migliorare la schiumosità di un sapone.
Anche la concentrazione con cui si forma la schiuma più alta dipende dal tipo di surfattante.
Mentre nei sali di acidi grassi ( saponi tradizionali ) la massima altezza della schiuma si ottiene con concentrazioni anche inferiori della CMC ( la concentrazione minima a cui si formano le micelle ) con il SLS ( sodium lauryl sulfate) invece sono necessarie concentrazioni superiori .
La presenza di elettroliti che non formano sali insolubili , come l’ NaCl, può migliorare la formazione di bolle così come quella di idrotropi, glicerina, polimeri o proteine anfifiliche .
Alzando la concentrazione di tensioattivo molto sopra la CMC , come si fa quando si formulano detergenti, questo si organizza in micelle e con l’agitazione o altre tecniche per produrre schiuma, lo spessore della schiuma non aumenta.
BOLLE GIGANTESCHE.
Volendo produrre bolle gigantesche si possono utilizzare sia saponi tradizionali che detergenti basati su SLS o tensioattivi simili.Se si utilizzano saponi è indispensabile dissolverli in acqua distillata. A queste condizioni, un sapone composto prevalentemente da sodium oleate permette di realizzare bolle molto stabili e grandi a patto che non ci siano oli non salificati che si comporterebbero come anti-foam. O si è in grado di titolare l’indice di saponificazione o visto che in funzione dell’olio le tabelle con numeri di saponificazione tipici possono dare saponi con piccoli eccessi o sconti di soda, l’ideale è verificare il pH del sapone dissolto in acqua che deve essere molto vicino al pK(a) del suo acido grasso.
Visto che sostanzialmente gli acidi grassi non si dissociano penso si debba parlare di pKa apparente, ricavata rilevando la curva ad S dalla titolazione della soluzione dei sali.
Kanicky pKa Acidi Grassi a lunga catena
Assumendo come valori di pKa per l’acido
stearico 10,15
oleico 9,85
linoleico 9,24
a-linolenico 8,28
palmitico 7,7
miristico 7,6 ( stimato )
laurico 7,5
caprico 6,45
caprilico 5
quando si utilizzano saponi a catena più corta le bolle migliori si ottengo sempre quando il pH è simile al pKa, quindi nel caso di sodium laurate 7,5
La tesi corrente, ma ci sono poche ricerche in merito, che le differenti distanze e forze intermolecolari regolino la misura del pKa apparente fa si che i sali da miscele di acidi grassi, come sono quelli da oli vegetali, tendano ad avere il pKa apparente dell’acido grasso più corto se presente almeno al 10%.
L’aggiunta di quantità rilevanti di glicerina, anche il 20% se la catena lipofila del tensioattivo è più lunga, produce 2 vantaggi sostanziali:
- aumenta la viscosità e solubilità dell’acqua tra i due film di tensioattivo, riducendo il suo drenaggio per gravità
- riduce l’evaporazione dell’acqua attraverso i due film di tensioattivo.
Nel caso si utilizzino polimeri la quantità di tensioattivo per bolle anche molto stabili nel tempo può essere inferiore.
Nel caso si utilizzi acqua normale, i migliori detergenti per piatti contengono normalmente un 20% di anionici , SLS o simili , e un 5/ 10% di tensioattivi non ionici, sequestranti e sali ed hanno una buona capacità schiumogena. Sufficiente aggiungere glicerina e polimero ed adattare il pH.
Rodolfo Baraldini
pubblicato 3 maggio 2014
Riferimenti:
Basf:Schiuma e Anti-Schiuma
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