Karakterizacija reološke dinamike mešanic površinsko aktivnih snovi brez sulfatov kokamidopropil betain-natrijev metil kokoil taurata glede na sestavo, pH in ionske pogoje

Uvod

Vodni binarni sistemi površinsko aktivnih snovi, ki vsebujejo nasprotno nabite snovi, se pogosto uporabljajo v številnih industrijskih sektorjih, vključno s kozmetiko, farmacevtsko industrijo, agrokemikalijami in živilskopredelovalno industrijo. Široka uporaba teh sistemov je predvsem posledica njihovih vrhunskih medfaznih in reoloških funkcionalnosti, ki omogočajo izboljšano delovanje v različnih formulacijah. Sinergistično samosestavljanje takšnih površinsko aktivnih snovi v črvaste, prepletene agregate daje zelo nastavljive makroskopske lastnosti, vključno s povečano viskoelastičnostjo in zmanjšano medfazno napetostjo. Zlasti kombinacije anionskih in zwitterionskih površinsko aktivnih snovi kažejo sinergistične izboljšave površinske aktivnosti, viskoznosti in modulacije medfazne napetosti. To vedenje izhaja iz intenziviranih elektrostatičnih in steričnih interakcij med polarnimi glavnimi skupinami in hidrofobnimi repi površinsko aktivnih snovi, v nasprotju s sistemi z eno samo površinsko aktivno snovjo, kjer odbojne elektrostatične sile pogosto omejujejo optimizacijo delovanja.

Kokamidopropil betain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) je pogosto uporabljena amfoterna površinsko aktivna snov v kozmetičnih formulacijah zaradi svoje blage čistilne učinkovitosti in lastnosti nege las. Zwitterionska narava CAPB omogoča elektrostatično sinergijo z anionskimi površinsko aktivnimi snovmi, kar izboljša stabilnost pene in spodbuja vrhunsko delovanje formulacije. V zadnjih petih desetletjih so mešanice CAPB s površinsko aktivnimi snovmi na osnovi sulfatov, kot je CAPB–natrijev lavril eter sulfat (SLES), postale temeljne v izdelkih za osebno nego. Kljub učinkovitosti površinsko aktivnih snovi na osnovi sulfatov pa so pomisleki glede njihovega potenciala za draženje kože in prisotnosti 1,4-dioksana, stranskega produkta procesa etoksilacije, spodbudili zanimanje za alternative brez sulfatov. Med obetavnimi kandidati so površinsko aktivne snovi na osnovi aminokislin, kot so taurati, sarkozinati in glutamati, ki kažejo izboljšano biokompatibilnost in blažje lastnosti [9]. Kljub temu relativno velike polarne glave teh alternativ pogosto ovirajo nastanek močno prepletenih micelarnih struktur, kar zahteva uporabo reoloških modifikatorjev.

Natrijev metil kokoil tavrat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) je anionska površinsko aktivna snov, sintetizirana kot natrijeva sol z amidno vezavo N-metiltavrina (2-metilaminoetansulfonske kisline) z verigo maščobnih kislin, pridobljenih iz kokosa. SMCT ima amidno vezano tavrinsko glavno skupino poleg močno anionske sulfonatne skupine, zaradi česar je biorazgradljiv in združljiv s pH-jem kože, kar ga uvršča med obetavne kandidate za formulacije brez sulfatov. Tavratne površinsko aktivne snovi so značilne po močnem detergentnem delovanju, odpornosti na trdo vodo, blagosti in široki stabilnosti pH-ja.

Reološki parametri, vključno s strižno viskoznostjo, viskoelastičnimi moduli in napetostjo tečenja, so ključni pri določanju stabilnosti, teksture in delovanja izdelkov na osnovi površinsko aktivnih snovi. Na primer, povečana strižna viskoznost lahko izboljša zadrževanje substrata, medtem ko napetost tečenja določa oprijem formulacije na kožo ali lase po nanosu. Te makroskopske reološke lastnosti modulirajo številni dejavniki, vključno s koncentracijo površinsko aktivne snovi, pH, temperaturo in prisotnostjo sotopil ali dodatkov. Nasprotno nabite površinsko aktivne snovi lahko prestanejo različne mikrostrukturne prehode, od sferičnih micelov in veziklov do tekočekristalnih faz, kar posledično močno vpliva na reologijo v razsutem stanju. Mešanice amfoternih in anionskih površinsko aktivnih snovi pogosto tvorijo podolgovate, črvaste micele (WLM), ki znatno izboljšajo viskoelastične lastnosti. Razumevanje odnosov med mikrostrukturo in lastnostmi je zato ključnega pomena za optimizacijo delovanja izdelka.

Številne eksperimentalne študije so raziskovale analogne binarne sisteme, kot je CAPB–SLES, da bi razjasnile mikrostrukturno osnovo njihovih lastnosti. Mitrinova in sodelavci [13] so na primer povezali velikost micelov (hidrodinamični polmer) z viskoznostjo raztopine v mešanicah CAPB–SLES–srednjeverižnih ko-surfaktantov z uporabo reometrije in dinamičnega sipanja svetlobe (DLS). Mehanska reometrija ponuja vpogled v mikrostrukturni razvoj teh mešanic in jo je mogoče dopolniti z optično mikroreologijo z uporabo difuzijske valovne spektroskopije (DWS), ki razširja dostopno frekvenčno domeno in zajema dinamiko v kratkem časovnem obdobju, še posebej pomembno za relaksacijske procese WLM. V mikroreologiji DWS se povprečni kvadratni premik vgrajenih koloidnih sond spremlja skozi čas, kar omogoča ekstrakcijo linearnih viskoelastičnih modulov okoliškega medija prek posplošene Stokes-Einsteinove relacije. Ta tehnika zahteva le minimalne volumne vzorcev in je zato ugodna za preučevanje kompleksnih tekočin z omejeno razpoložljivostjo materialov, npr. formulacij na osnovi beljakovin. Analiza podatkov < Δr²(t)> v širokem frekvenčnem spektru olajša oceno micelarnih parametrov, kot so velikost mrežice, dolžina prepletenosti, dolžina obstojnosti in dolžina konture. Amin in sodelavci so pokazali, da se mešanice CAPB-SLES skladajo z napovedmi Catesove teorije, saj kažejo izrazito povečanje viskoznosti z dodatkom soli do kritične koncentracije soli, po kateri viskoznost strmo pade – tipičen odziv v sistemih WLM. Xu in Amin sta uporabila mehansko reometrijo in DWS za preučevanje mešanic SLES-CAPB-CCB, kar je razkrilo Maxwellov reološki odziv, ki kaže na nastanek prepletenega WLM, kar so dodatno potrdili mikrostrukturni parametri, sklepani iz meritev DWS. Na podlagi teh metodologij trenutna študija združuje mehansko reometrijo in mikroreologijo DWS, da bi pojasnila, kako mikrostrukturne reorganizacije vplivajo na strižno obnašanje mešanic CAPB-SMCT.

Glede na naraščajoče povpraševanje po nežnejših in bolj trajnostnih čistilnih sredstvih je raziskovanje anionskih površinsko aktivnih snovi brez sulfatov dobilo zagon kljub izzivom pri formulaciji. Različne molekularne arhitekture sistemov brez sulfatov pogosto dajejo različne reološke profile, kar otežuje konvencionalne strategije za izboljšanje viskoznosti, kot je zgoščevanje s soljo ali polimeri. Yorke in sodelavci so na primer raziskali nesulfatne alternative s sistematičnim preučevanjem penjenja in reoloških lastnosti binarnih in ternarnih mešanic površinsko aktivnih snovi, ki vsebujejo alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukozid (APG) in lavril hidroksisultain. Razmerje 1:1 med AOS in sultainom je pokazalo strižno redčenje in značilnosti pene, podobne CAPB–SLES, kar kaže na nastanek WLM. Rajput in sodelavci [26] so ocenili drugo anionsko površinsko aktivno snov brez sulfatov, natrijev kokoil glicinat (SCGLY), skupaj z neionskimi ko-površinsko aktivnimi snovmi (kokamid dietanolamin in lavril glukozid) z DLS, SANS in reometrijo. Čeprav je SCGLY sam tvoril pretežno sferične micele, je dodatek ko-surfaktanta omogočil konstrukcijo bolj zapletenih micelarnih morfologij, ki jih je mogoče modulirati s pH-vrednostjo.

Kljub tem napredkom je bilo relativno malo raziskav usmerjenih v reološke lastnosti trajnostnih sistemov brez sulfatov, ki vključujejo CAPB in taurate. Namen te študije je zapolniti to vrzel z eno prvih sistematičnih reoloških karakterizacij binarnega sistema CAPB-SMCT. S sistematičnim spreminjanjem sestave površinsko aktivnih snovi, pH in ionske moči pojasnjujemo dejavnike, ki vplivajo na strižno viskoznost in viskoelastičnost. Z uporabo mehanske reometrije in DWS mikroreologije kvantificiramo mikrostrukturne reorganizacije, ki so podlaga za strižno obnašanje mešanic CAPB-SMCT. Te ugotovitve pojasnjujejo medsebojno delovanje med pH, razmerjem CAPB-SMCT in ionskimi nivoji pri spodbujanju ali zaviranju nastajanja WLM, s čimer ponujajo praktičen vpogled v prilagajanje reoloških profilov trajnostnih izdelkov na osnovi površinsko aktivnih snovi za različne industrijske aplikacije.