Karakterisering av den reologiske dynamikken til sulfatfrie overflateaktive blandinger av kokamidopropylbetain-natriummetylkokoyltaurat på tvers av sammensetning, pH og ioniske forhold

Introduksjon

Vandige binære overflateaktive systemer som omfatter motsatt ladede arter, brukes i stor grad i en rekke industrisektorer, inkludert kosmetikk, legemidler, landbrukskjemikalier og næringsmiddelindustrien. Den utbredte bruken av disse systemene tilskrives først og fremst deres overlegne grenseflate- og reologiske funksjonaliteter, som muliggjør forbedret ytelse i forskjellige formuleringer. Den synergistiske selvorganiseringen av slike overflateaktive stoffer til ormlignende, sammenfiltrede aggregater gir svært justerbare makroskopiske egenskaper, inkludert økt viskoelastisitet og redusert grenseflatespenning. Spesielt viser kombinasjoner av anioniske og zwitterioniske overflateaktive stoffer synergistiske forbedringer i overflateaktivitet, viskositet og modulering av grenseflatespenning. Disse atferdene oppstår fra intensiverte elektrostatiske og steriske interaksjoner mellom de polare hodegruppene og hydrofobe halene til de overflateaktive stoffene, i motsetning til systemer med enkeltoverflateaktive stoffer, hvor frastøtende elektrostatiske krefter ofte begrenser ytelsesoptimalisering.

Kokamidopropylbetain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) er et mye brukt amfotert overflateaktivt middel i kosmetiske formuleringer på grunn av dets milde rensende effekt og hårpleiende egenskaper. Den zwitterioniske naturen til CAPB muliggjør elektrostatisk synergi med anioniske overflateaktive stoffer, noe som forbedrer skumstabiliteten og fremmer overlegen formuleringsytelse. I løpet av de siste fem tiårene har CAPB-blandinger med sulfatbaserte overflateaktive stoffer, som CAPB–natriumlauryletersulfat (SLES), blitt grunnleggende i personlig pleieprodukter. Til tross for effektiviteten til sulfatbaserte overflateaktive stoffer, har bekymringer angående deres potensial for hudirritasjon og tilstedeværelsen av 1,4-dioksan, et biprodukt av etoksyleringsprosessen, drevet interessen for sulfatfrie alternativer. Lovende kandidater inkluderer aminosyrebaserte overflateaktive stoffer, som taurater, sarkosinater og glutamater, som viser forbedret biokompatibilitet og mildere egenskaper [9]. Likevel hindrer de relativt store polare hodegruppene i disse alternativene ofte dannelsen av sterkt sammenfiltrede micellære strukturer, noe som nødvendiggjør bruk av reologiske modifikatorer.

Natriummetylkokoyltaurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) er et anionisk overflateaktivt middel syntetisert som et natriumsalt via amidkobling av N-metyltaurin (2-metylaminoetansulfonsyre) med en kokosnøtt-avledet fettsyrekjede. SMCT har en amidbundet taurin-hodegruppe sammen med en sterkt anionisk sulfonatgruppe, noe som gjør den biologisk nedbrytbar og kompatibel med hudens pH-verdi, noe som posisjonerer den som en lovende kandidat for sulfatfrie formuleringer. Taurat-overflateaktive stoffer kjennetegnes av sin potente vaskeevne, hardvannsbestandighet, mildhet og brede pH-stabilitet.

Reologiske parametere, inkludert skjærviskositet, viskoelastiske moduler og flytegrense, er kritiske for å bestemme stabiliteten, teksturen og ytelsen til produkter basert på overflateaktive stoffer. For eksempel kan forhøyet skjærviskositet forbedre substratretensjonen, mens flytegrense styrer formuleringens adhesjon til hud eller hår etter påføring. Disse makroskopiske reologiske egenskapene moduleres av en rekke faktorer, inkludert konsentrasjon av overflateaktivt middel, pH, temperatur og tilstedeværelsen av ko-løsningsmidler eller tilsetningsstoffer. Motsatt ladede overflateaktive stoffer kan gjennomgå forskjellige mikrostrukturelle overganger, alt fra sfæriske miceller og vesikler til flytende krystallinske faser, som igjen påvirker bulkreologien i stor grad. Blandinger av amfotære og anioniske overflateaktive stoffer danner ofte langstrakte ormlignende miceller (WLM-er), som forbedrer de viskoelastiske egenskapene betydelig. Å forstå forholdet mellom mikrostruktur og egenskaper er derfor avgjørende for å optimalisere produktets ytelse.

Tallrike eksperimentelle studier har undersøkt analoge binære systemer, som CAPB–SLES, for å belyse det mikrostrukturelle grunnlaget for deres egenskaper. For eksempel korrelerte Mitrinova et al. [13] micellstørrelse (hydrodynamisk radius) med løsningsviskositet i CAPB–SLES–mediumkjedede ko-surfaktantblandinger ved hjelp av reometri og dynamisk lysspredning (DLS). Mekanisk reometri gir innsikt i den mikrostrukturelle utviklingen av disse blandingene og kan forsterkes ved optisk mikroreologi ved hjelp av diffuserende bølgespektroskopi (DWS) som utvider det tilgjengelige frekvensdomenet, og fanger opp korttidsdynamikk som er spesielt relevant for WLM-relaksasjonsprosesser. I DWS-mikroreologi spores den gjennomsnittlige kvadratiske forskyvningen av innebygde kolloidale prober over tid, noe som muliggjør ekstraksjon av lineære viskoelastiske moduler i det omkringliggende mediet via den generaliserte Stokes–Einstein-relasjonen. Denne teknikken krever bare minimale prøvevolumer og er dermed fordelaktig for å studere komplekse væsker med begrenset materialtilgjengelighet, f.eks. proteinbaserte formuleringer. Analyse av < Δr²(t)>-data på tvers av brede frekvensspektre forenkler estimering av micellære parametere som maskestørrelse, sammenfiltringslengde, persistenslengde og konturlengde. Amin et al. demonstrerte at CAPB–SLES-blandinger samsvarer med forutsigelser fra Cates' teori, og viser en markant økning i viskositet med salttilsetning inntil en kritisk saltkonsentrasjon, utover hvilken viskositeten synker bratt – en typisk respons i WLM-systemer. Xu og Amin benyttet mekanisk reometri og DWS for å undersøke SLES–CAPB–CCB-blandinger, og avslørte en Maxwellsk reologisk respons som indikerer dannelse av sammenfiltret WLM, som ble ytterligere bekreftet av mikrostrukturelle parametere utledet fra DWS-målingene. Byggende på disse metodologiene integrerer den nåværende studien mekanisk reometri og DWS-mikroreologi for å belyse hvordan mikrostrukturelle reorganiseringer driver skjæroppførselen til CAPB–SMCT-blandinger.

I lys av den økende etterspørselen etter skånsommere og mer bærekraftige rengjøringsmidler har utforskningen av sulfatfrie anioniske overflateaktive stoffer fått momentum til tross for formuleringsutfordringer. De distinkte molekylære arkitekturene til sulfatfrie systemer gir ofte divergerende reologiske profiler, noe som kompliserer konvensjonelle strategier for viskositetsforbedring, for eksempel via salt eller polymerisk fortykning. For eksempel utforsket Yorke et al. ikke-sulfatalternativer ved systematisk å undersøke skummende og reologiske egenskaper til binære og ternære overflateaktive blandinger med alkylolefinsulfonat (AOS), alkylpolyglukosid (APG) og laurylhydroksysultain. Et 1:1-forhold mellom AOS og sultain viste skjærfortynning og skumegenskaper som ligner på CAPB–SLES, noe som indikerer dannelse av WLM. Rajput et al. [26] evaluerte et annet sulfatfritt anionisk overflateaktivt middel, natriumkokoylglycinat (SCGLY), sammen med ikke-ioniske ko-overflateaktive stoffer (kokamiddietanolamin og laurylglukosid) gjennom DLS, SANS og reometri. Selv om SCGLY alene dannet overveiende sfæriske miceller, muliggjorde tilsetning av ko-surfaktant konstruksjonen av mer intrikate micellære morfologier, som er mottakelige for pH-drevet modulering.

Til tross for disse fremskrittene har relativt få undersøkelser rettet seg mot de reologiske egenskapene til bærekraftige sulfatfrie systemer som involverer CAPB og taurater. Denne studien tar sikte på å fylle dette gapet ved å gi en av de første systematiske reologiske karakteriseringene av det binære CAPB–SMCT-systemet. Ved systematisk å variere overflateaktivt stoffsammensetning, pH og ionestyrke, belyser vi faktorene som styrer skjærviskositet og viskoelastisitet. Ved å bruke mekanisk reometri og DWS-mikroreologi kvantifiserer vi de mikrostrukturelle reorganiseringene som ligger til grunn for skjæroppførselen til CAPB–SMCT-blandinger. Disse funnene belyser samspillet mellom pH, CAPB–SMCT-forhold og ionenivåer for å fremme eller hemme dannelse av WLM, og gir dermed praktisk innsikt i å skreddersy de reologiske profilene til bærekraftige overflateaktive produkter for ulike industrielle anvendelser.