Характеризиране на реологичната динамика на безсулфатни повърхностноактивни смеси от кокамидопропил бетаин-натриев метил кокоил таурат в зависимост от състава, pH и йонните условия

Въведение

Водните бинарни повърхностноактивни системи, съдържащи противоположно заредени частици, се използват широко в множество промишлени сектори, включително козметиката, фармацевтиката, агрохимикалите и хранително-вкусовата промишленост. Широкото разпространение на тези системи се дължи главно на техните превъзходни междуфазови и реологични функционалности, които позволяват подобрена производителност в различни формулировки. Синергичното самосглобяване на такива повърхностноактивни вещества в червееподобни, заплетени агрегати придава силно регулируеми макроскопски свойства, включително повишена вискоеластичност и намалено междуфазово напрежение. По-специално, комбинациите от анионни и цвитерйонни повърхностноактивни вещества показват синергични подобрения в повърхностната активност, вискозитета и модулацията на междуфазовото напрежение. Тези поведения произтичат от засилени електростатични и стерични взаимодействия между полярните глави и хидрофобните опашки на повърхностноактивните вещества, за разлика от системите с единично повърхностноактивно вещество, където отблъскващите електростатични сили често ограничават оптимизацията на производителността.

Кокамидопропил бетаин (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) е широко използвано амфотерно повърхностноактивно вещество в козметичните формули, благодарение на меката си почистваща ефикасност и свойствата си за кондициониране на косата. Цвитерйонната природа на CAPB позволява електростатична синергия с анионни повърхностноактивни вещества, повишавайки стабилността на пяната и насърчавайки превъзходни характеристики на формулата. През последните пет десетилетия смесите на CAPB със повърхностноактивни вещества на основата на сулфати, като CAPB–натриев лаурил етер сулфат (SLES), са се превърнали в основополагащи продукти за лична хигиена. Въпреки ефективността на повърхностноактивните вещества на основата на сулфати, опасенията относно потенциала им за дермално дразнене и наличието на 1,4-диоксан, страничен продукт от процеса на етоксилиране, са предизвикали интерес към алтернативи без сулфати. Обещаващи кандидати включват повърхностноактивни вещества на основата на аминокиселини, като таурати, саркозинати и глутамати, които показват подобрена биосъвместимост и по-меки свойства [9]. Въпреки това, относително големите полярни глави на тези алтернативи често възпрепятстват образуването на силно заплетени мицеларни структури, което налага използването на реологични модификатори.

Натриев метил кокоил таурат (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) е анионно повърхностно активно вещество, синтезирано като натриева сол чрез амидно свързване на N-метилтаурин (2-метиламиноетансулфонова киселина) с верига от мастни киселини, получени от кокос. SMCT притежава амидно-свързана тауринова главна група, заедно със силно анионна сулфонатна група, което го прави биоразградим и съвместим с pH на кожата, което го позиционира като обещаващ кандидат за формулировки без сулфати. Тауратните повърхностноактивни вещества се характеризират с мощно детергентно действие, устойчивост на твърда вода, мекота и широка pH стабилност.

Реологичните параметри, включително вискозитетът на срязване, вискоеластичният модул и границата на провлачване, са от решаващо значение за определяне на стабилността, текстурата и производителността на продуктите на базата на повърхностноактивни вещества. Например, повишеният вискозитет на срязване може да подобри задържането на субстрата, докато границата на провлачване определя прилепването на формулировката към кожата или косата след нанасяне. Тези макроскопични реологични атрибути се модулират от множество фактори, включително концентрацията на повърхностноактивно вещество, pH, температура и наличието на съразтворители или добавки. Противоположно заредените повърхностноактивни вещества могат да претърпят различни микроструктурни преходи, вариращи от сферични мицели и везикули до течнокристални фази, които от своя страна оказват силно влияние върху обемната реология. Смеси от амфотерни и анионни повърхностноактивни вещества често образуват удължени червееподобни мицели (WLM), които значително подобряват вискоеластичните свойства. Следователно разбирането на връзките между микроструктура и свойства е от решаващо значение за оптимизиране на производителността на продукта.

Многобройни експериментални изследвания са изследвали аналогични бинарни системи, като CAPB-SLES, за да изяснят микроструктурната основа на техните свойства. Например, Митринова и др. [13] са корелирали размера на мицелите (хидродинамичен радиус) с вискозитета на разтвора в смеси от CAPB-SLES-средноверижни ко-повърхностно активни вещества, използвайки реометрия и динамично разсейване на светлината (DLS). Механичната реометрия предоставя представа за микроструктурната еволюция на тези смеси и може да бъде допълнена от оптична микрореология, използваща дифузионна вълнова спектроскопия (DWS), която разширява достъпния честотен домейн, улавяйки краткосрочната динамика, особено важна за процесите на релаксация на WLM. В DWS микрореологията средноквадратичното изместване на вградените колоидни сонди се проследява във времето, което позволява извличането на линейни вискоеластични модули на околната среда чрез обобщената зависимост на Стоукс-Айнщайн. Тази техника изисква само минимални обеми на пробата и по този начин е предимство за изучаване на сложни флуиди с ограничена наличност на материали, например формулировки на протеинова основа. Анализът на данните от < Δr²(t)> в широк честотен спектър улеснява оценката на мицеларните параметри, като размер на мрежата, дължина на заплитане, дължина на персистенция и дължина на контура. Амин и др. демонстрираха, че смесите CAPB-SLES отговарят на предсказанията от теорията на Кейтс, показвайки изразено увеличение на вискозитета с добавяне на сол до критична концентрация на сол, след която вискозитетът спада рязко - типичен отговор в WLM системите. Сю и Амин използваха механична реометрия и DWS, за да изследват смесите SLES-CAPB-CCB, разкривайки максвелов реологичен отговор, показателен за образуване на заплетени WLM, което беше допълнително потвърдено от микроструктурните параметри, изведени от DWS измерванията. Надграждайки тези методологии, настоящото изследване интегрира механична реометрия и DWS микрореология, за да изясни как микроструктурните реорганизации задвижват поведението на срязване на смесите CAPB-SMCT.

В светлината на нарастващото търсене на по-нежни и по-устойчиви почистващи агенти, изследването на анионни повърхностноактивни вещества без сулфати набра скорост въпреки предизвикателствата пред формулировката. Различните молекулярни архитектури на безсулфатните системи често водят до различни реологични профили, което усложнява конвенционалните стратегии за подобряване на вискозитета, като например чрез сол или полимерно сгъстяване. Например, Yorke et al. изследват несулфатни алтернативи чрез систематично изследване на пенообразуването и реологичните свойства на бинарни и трикомпонентни смеси от повърхностноактивни вещества, съдържащи алкил олефин сулфонат (AOS), алкил полиглюкозид (APG) и лаурил хидроксисултаин. Съотношение 1:1 на AOS-султаин показва характеристики на изтъняване при срязване и пяна, подобни на CAPB-SLES, което показва образуване на WLM. Rajput et al. [26] оценяват друго безсулфатно анионно повърхностноактивно вещество, натриев кокоил глицинат (SCGLY), заедно с нейонни ко-повърхностноактивни вещества (кокамид диетаноламин и лаурил глюкозид) чрез DLS, SANS и реометрия. Въпреки че SCGLY самостоятелно образува предимно сферични мицели, добавянето на ко-сърфактант позволява изграждането на по-сложни мицеларни морфологии, податливи на модулация, обусловена от pH.

Въпреки тези постижения, сравнително малко изследвания са насочени към реологичните свойства на устойчиви безсулфатни системи, които включват CAPB и таурати. Това проучване има за цел да запълни тази празнина, като предостави една от първите систематични реологични характеристики на бинарната система CAPB-SMCT. Чрез систематично вариране на състава на повърхностноактивните вещества, pH и йонната сила, ние изясняваме факторите, определящи вискозитета на срязване и вискоеластичността. Използвайки механична реометрия и DWS микрореология, ние количествено определяме микроструктурните реорганизации, лежащи в основата на поведението на срязване на смесите CAPB-SMCT. Тези открития изясняват взаимодействието между pH, съотношението CAPB-SMCT и йонните нива при насърчаване или инхибиране на образуването на WLM, като по този начин предлагат практическа информация за приспособяване на реологичните профили на устойчиви продукти на базата на повърхностноактивни вещества за различни промишлени приложения.