Diffusion and distribution of element-labelled surfactants in human hair

• Published in: International journal of cosmetic science Vol. 26; no. 2; pp. 61 - 69
• Main Authors: Wortmann, F.-J., Gotsche, M., Schmidt-Lewerkühne, H.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford, UK Blackwell Science, Ltd 01.04.2004; Blackwell Science
• Subjects: Applied sciences; Chemical industry and chemicals; Cosmetics, toiletries; diffusion; element labelling; Exact sciences and technology; hair; SEM/EDX; surfactants; Washing products. Cosmetics and toiletries. Perfumes; Cosmetic; Human; Scanning electron microscopy; Cationic surfactant; Temperature effect; Raw materials; X ray; Chemical labelling; Dispersive spectrometry; Hair (head); Anionic surfactant; Micellar critical concentration; Energy dispersion; Medium effect; Chlorine Organic compounds; Distribution; Surface properties; pH; Surface tension; Kinetic parameter; Diffusion coefficient; Diffusion; Activation energy
• ISSN: 0142-5463; 1468-2494
• DOI: 10.1111/j.0412-5463.2004.00204.x

Synopsis To directly follow the diffusion process of cosmetically relevant agents into human hair, a specific methodological approach is presented and elucidated for selected surfactants. For this, practically relevant anionic and cationic surfactants were synthesized with a chlorine atom at the end of their alkyl chain. The property changes of the surfactants through the modification are corresponding to an extension of the alkyl chain by about two methylene groups, thus representing a moderate increase of hydrophobicity. After the application of a modified surfactant to hair, it can be localized and quantified through its chlorine atom in cross‐sections by scanning electron microscopy combined with micro X‐ray fluorescence analysis. The determination of the diffusion coefficient D is realized through the application of the Matano‐equation to element intensity profiles. Values for D vary within the chosen range of pH and temperature between 10−14 and 10−16 m2 s−1. The diffusion coefficients for the anionic surfactants increase with decreasing pH and increasing temperature, The temperature dependence follows in all cases the Arrhenius relationship with activation energies EA of 50–100 kJ mol−1, which decrease with pH. The pH‐related effects, with comparable values for D and EA, are opposite for the cationic surfactant. These observations are consistently interpreted on the basis of ionic and hydrophobic interactions in hair. Résumé Afin de suivre directement le processus de diffusion d'agents cosmétiques pertinents dans le cheveu humain, une approche méthodologique spécifique est présentée et approfondie pour des tensio actifs sélectionnés. En pratique, des tensio actifs pertinents, anioniques et cationiques ont été synthétisés en introduisant un atome de Chlore à l'extrémité de leur chaîne alkyle. Les changements de propriétés de ces tensio actifs, via cette modification, correspondent à un allongement de la chaîne alkyle d'environ deux groupes méthylène, représentant ainsi une augmentation modérée de leur caractère hydrophobe. Suite à l'application sur le cheveu d'un tensio actif modifié, il peut être localisé et quantifié par l'atome de Chlore dans des coupes transverses par microscopie électronique à balayage couplée à l'analyse par micro Fluorescence X. La détermination du coefficient de diffusion D est effectuée par l'application de l'équation de Matano aux profils de l'intensité de l'élément. Les valeurs de D varient, selon l'échelle de pH et de température, entre 10−14 et 10−16 m2 s−1. Les coefficients de diffusion pour les tensio actifs anioniques augmentent avec des pH décroissants et des températures croissantes. La dépendance vis à vis de la température suit, dans tous les cas, la relation d'Arrhenius avec des énergies d'activation EA de 50 à 100 kJ mol−1, qui décroît avec le pH. Les effets liés au pH, avec des valeurs comparables de D et EA, sont opposés pour le tensio actif cationique. Ces observations sont constamment interprétées par les interactions de types ioniques et hydrophobes dans le cheveu.