Карактеризација реолошке динамике смеша сурфактаната без сулфата, кокамидопропил бетаина и натријум метил кокоил таурата, у зависности од састава, pH вредности и јонских услова

Увод

Водени бинарни сурфактантни системи који садрже супротно наелектрисане врсте се широко користе у бројним индустријским секторима, укључујући козметичку, фармацеутску, агрохемикалну и прехрамбену индустрију. Широко распрострањена примена ових система првенствено се приписује њиховим супериорним међуповршинским и реолошким функционалностима, које омогућавају побољшане перформансе у различитим формулацијама. Синергијско самосклапање таквих сурфактанта у црволике, испреплетене агрегате даје високо подесива макроскопска својства, укључујући повећану вискоеластичност и смањену међуповршинску напетост. Посебно, комбинације анјонских и цвитерјонских сурфактанта показују синергистичка побољшања у површинској активности, вискозности и модулацији међуповршинске напетости. Ова понашања настају услед интензивираних електростатичких и стеричких интеракција између поларних главних група и хидрофобних репова сурфактанта, за разлику од система са једним сурфактантом, где одбојне електростатичке силе често ограничавају оптимизацију перформанси.

Кокамидопропил бетаин (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) је широко коришћени амфотерни сурфактант у козметичким формулацијама због своје благе ефикасности чишћења и својстава кондиционирања косе. Цвитерјонска природа CAPB-а омогућава електростатичку синергију са анјонским сурфактантима, побољшавајући стабилност пене и промовишући супериорне перформансе формулације. Током протеклих пет деценија, смеше CAPB-а са сурфактантима на бази сулфата, као што је CAPB–натријум лаурил етар сулфат (SLES), постале су основне у производима за личну негу. Међутим, упркос ефикасности сурфактанта на бази сулфата, забринутост због њиховог потенцијала за иритацију коже и присуства 1,4-диоксана, нуспроизвода процеса етоксилације, подстакла је интересовање за алтернативе без сулфата. Обећавајући кандидати укључују сурфактанте на бази аминокиселина, као што су таурати, саркозинати и глутамати, који показују побољшану биокомпатибилност и блажа својства [9]. Ипак, релативно велике поларне главе ових алтернатива често ометају формирање јако испреплетених мицеларних структура, што захтева употребу реолошких модификатора.

Натријум метил кокоил таурат (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) је анионски сурфактант синтетисан као натријумова со путем амидног купловања N-метилтаурина (2-метиламиноетансулфонске киселине) са ланцем масних киселина изведених из кокоса. SMCT поседује амидно повезану тауринску главну групу поред јако анионске сулфонатне групе, што га чини биоразградивим и компатибилним са pH вредношћу коже, што га позиционира као обећавајућег кандидата за формулације без сулфата. Тауратни сурфактанти карактеришу се снажним детерџентним дејством, отпорношћу на тврду воду, благошћу и широком pH стабилношћу.

Реолошки параметри, укључујући вискозност смицања, вискоеластичне модуле и границу течења, кључни су за одређивање стабилности, текстуре и перформанси производа на бази сурфактаната. На пример, повишена вискозност смицања може побољшати задржавање супстрата, док граница течења управља приањањем формулације на кожу или косу након наношења. Ове макроскопске реолошке особине модулирају бројни фактори, укључујући концентрацију сурфактаната, pH вредност, температуру и присуство ко-растварача или адитива. Супротно наелектрисани сурфактанти могу проћи кроз различите микроструктурне прелазе, од сферних мицела и везикула до течнокристалних фаза, што, заузврат, дубоко утиче на реологију материјала. Смеше амфотерних и анјонских сурфактаната често формирају издужене црволике мицеле (WLM), које значајно побољшавају вискоеластична својства. Разумевање односа микроструктуре и својстава је, стога, кључно за оптимизацију перформанси производа.

Бројне експерименталне студије су истраживале аналогне бинарне системе, као што су CAPB–SLES, како би се разјаснила микроструктурна основа њихових својстава. На пример, Митринова и др. [13] су корелирали величину мицела (хидродинамички радијус) са вискозитетом раствора у смешама CAPB–SLES–косурфактант средњег ланца користећи реометрију и динамичко расејање светлости (DLS). Механичка реометрија пружа увид у микроструктурну еволуцију ових смеша и може се проширити оптичком микрореологијом коришћењем дифузионе таласне спектроскопије (DWS) која проширује приступачни фреквентни домен, хватајући краткорочну динамику посебно релевантну за WLM процесе релаксације. У DWS микрореологији, средње квадратно померање уграђених колоидних сонди се прати током времена, омогућавајући екстракцију линеарних вискоеластичних модула околне средине путем генерализоване Стокс-Ајнштајнове релације. Ова техника захтева само минималне запремине узорка и стога је повољна за проучавање сложених флуида са ограниченом доступношћу материјала, нпр. формулација на бази протеина. Анализа података < Δr²(t)> у широком фреквентном спектру олакшава процену мицеларних параметара као што су величина мреже, дужина испреплетаности, дужина перзистенције и дужина контуре. Амин и др. су показали да се смеше CAPB–SLES подударају са предвиђањима Кејтсове теорије, показујући изражено повећање вискозности са додатком соли до критичне концентрације соли, након које вискозност нагло пада – типичан одговор у WLM системима. Сју и Амин су користили механичку реометрију и DWS да би испитали смеше SLES–CAPB–CCB, откривајући Максвелов реолошки одговор који указује на формирање испреплетаног WLM-а, што је додатно потврђено микроструктурним параметрима добијеним из DWS мерења. Надовезујући се на ове методологије, тренутна студија интегрише механичку реометрију и DWS микрореологију како би разјаснила како микроструктурне реорганизације покрећу понашање смицања смеша CAPB–SMCT.

У светлу растуће потражње за блажим и одрживијим средствима за чишћење, истраживање анјонских сурфактанта без сулфата добило је на замаху упркос изазовима у формулацији. Различите молекуларне архитектуре система без сулфата често дају различите реолошке профиле, што компликује конвенционалне стратегије за побољшање вискозности, као што је згушњавање сољу или полимерима. На пример, Јорк и др. истраживали су алтернативе без сулфата систематским истраживањем својстава пењења и реолошких својстава бинарних и тернарних смеша сурфактанта које садрже алкил олефин сулфонат (AOS), алкил полиглукозид (APG) и лаурил хидроксисултаин. Однос AOS-султаина 1:1 показао је карактеристике смицања при разређивању и пене сличне CAPB-SLES, што указује на формирање WLM. Раџпут и др. [26] проценили су још један анјонски сурфактант без сулфата, натријум кокоил глицинат (SCGLY), заједно са нејонским ко-сурфактантима (кокамид диетаноламин и лаурил глукозид) путем DLS, SANS и реометрије. Иако је сам SCGLY формирао претежно сферне мицеле, додавање ко-сурфактанта омогућило је изградњу сложенијих мицеларних морфологија, подложних модулацији вођеној pH вредношћу.

Упркос овом напретку, релативно мало истраживања је усмерено на реолошка својства одрживих система без сулфата који укључују CAPB и таурате. Ова студија има за циљ да попуни ову празнину пружањем једне од првих систематских реолошких карактеризација бинарног система CAPB-SMCT. Систематским варирањем састава сурфактаната, pH вредности и јонске јачине, разјашњавамо факторе који управљају вискозитетом смицања и вискоеластичношћу. Користећи механичку реометрију и DWS микрореологију, квантификујемо микроструктурне реорганизације које леже у основи понашања смицања смеша CAPB-SMCT. Ови налази разјашњавају међусобни утицај између pH вредности, односа CAPB-SMCT и јонских нивоа у подстицању или инхибирању формирања WLM, нудећи тако практичан увид у прилагођавање реолошких профила одрживих производа на бази сурфактаната за различите индустријске примене.