Карактеризирање на реолошката динамика на мешавини на сурфактанти без сулфат од кокамидопропил бетаин-натриум метил кокоил таурат низ составот, pH вредноста и јонските услови

Вовед

Водните бинарни системи на сурфактанти што содржат спротивно наелектризирани видови се широко користени во бројни индустриски сектори, вклучувајќи козметика, фармацевтска индустрија, агрохемикалии и прехранбена индустрија. Широкото усвојување на овие системи првенствено се должи на нивните супериорни меѓуфазни и реолошки функционалности, кои овозможуваат подобрени перформанси во различни формулации. Синергистичкото самосклопување на ваквите сурфактанти во црвовидни, заплеткани агрегати дава високо прилагодливи макроскопски својства, вклучувајќи зголемена вискоеластичност и намалена меѓуфазна напнатост. Особено, комбинациите на анјонски и цвитерјонски сурфактанти покажуваат синергистички подобрувања во површинската активност, вискозитетот и модулацијата на меѓуфазната напнатост. Овие однесувања произлегуваат од интензивирани електростатски и стерични интеракции помеѓу поларните групи на глави и хидрофобните опашки на сурфактантите, во контраст со системите со единечни сурфактанти, каде што одбивните електростатски сили често ја ограничуваат оптимизацијата на перформансите.

Кокамидопропил бетаин (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) е широко користен амфотерен сурфактант во козметичките формулации поради неговата блага ефикасност на чистење и својства за регенерација на косата. Цвитерионската природа на CAPB овозможува електростатска синергија со анјонски сурфактанти, подобрувајќи ја стабилноста на пената и промовирајќи супериорни перформанси на формулацијата. Во текот на изминатите пет децении, мешавините на CAPB со сурфактанти на база на сулфати, како што е CAPB-натриум лаурил етер сулфат (SLES), станаа основни во производите за лична нега. Сепак, и покрај ефикасноста на сурфактантите на база на сулфати, загриженоста во врска со нивниот потенцијал за иритација на кожата и присуството на 1,4-диоксан, нуспроизвод од процесот на етоксилација, го поттикнаа интересот за алтернативи без сулфати. Ветувачки кандидати вклучуваат сурфактанти на база на аминокиселини, како што се таурати, саркозинати и глутамати, кои покажуваат подобрена биокомпатибилност и поблаги својства [9]. Сепак, релативно големите поларни групи на глави на овие алтернативи често го попречуваат формирањето на високо заплеткани мицеларни структури, што наметнува употреба на реолошки модификатори.

Натриум метил кокоил таурат (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) е анјонски сурфактант синтетизиран како натриумова сол преку амидно спојување на N-метилтаурин (2-метиламиноетансулфонска киселина) со синџир на масни киселини добиени од кокос. SMCT поседува амид-поврзана главна група на таурин заедно со силно анјонска сулфонатна група, што го прави биоразградлив и компатибилен со pH вредноста на кожата, што го позиционира како ветувачки кандидат за формулации без сулфати. Тауратните сурфактанти се карактеризираат со нивната моќна детергентност, отпорност на тврда вода, благост и широка pH стабилност.

Реолошките параметри, вклучувајќи ја вискозноста на смолкнување, вискоеластичните модули и напрегањето на празнење, се критични за одредување на стабилноста, текстурата и перформансите на производите базирани на сурфактанти. На пример, зголемениот вискозитет на смолкнување може да го подобри задржувањето на подлогата, додека напрегањето на празнење го регулира лепењето на формулацијата на кожата или косата по нанесувањето. Овие макроскопски реолошки атрибути се модулирани од бројни фактори, вклучувајќи ја концентрацијата на сурфактант, pH вредноста, температурата и присуството на ко-растворувачи или адитиви. Спротивно наелектризираните сурфактанти можат да претрпат различни микроструктурни транзиции, почнувајќи од сферични мицели и везикули до течни кристални фази, што, пак, длабоко влијае на реологијата на масата. Мешавините од амфотерни и анјонски сурфактанти често формираат издолжени црвовидни мицели (WLM), кои значително ги подобруваат вискоеластичните својства. Затоа, разбирањето на односите помеѓу микроструктурата и својствата е критично за оптимизирање на перформансите на производот.

Бројни експериментални студии истражувале аналогни бинарни системи, како што е CAPB-SLES, за да ја разјаснат микроструктурната основа на нивните својства. На пример, Митринова и сор. [13] ја поврзале големината на мицелата (хидродинамичен радиус) со вискозноста на растворот во мешавини од ко-сурфактанти со среден ланец CAPB-SLES користејќи реометрија и динамичко расејување на светлината (DLS). Механичката реометрија дава увид во микроструктурната еволуција на овие мешавини и може да се зголеми со оптичка микрореологија користејќи дифузна бранова спектроскопија (DWS) која го проширува достапниот фреквентен домен, фаќајќи динамика во краток временски период, особено релевантна за процесите на релаксација на WLM. Во DWS микрореологијата, средното квадратно поместување на вградените колоидни сонди се следи со текот на времето, овозможувајќи екстракција на линеарни вискоеластични модули од околниот медиум преку генерализираната Стоукс-Ајнштајнова релација. Оваа техника бара само минимални волумени на примероци и затоа е предност за проучување на комплексни течности со ограничена достапност на материјал, на пр. формулации базирани на протеини. Анализата на податоците <Δr²(t)> низ широки фреквентни спектри го олеснува проценувањето на мицеларните параметри како што се големината на мрежата, должината на заплеткување, должината на перзистенција и должината на контурата. Амин и сор. покажаа дека мешавините CAPB-SLES се во согласност со предвидувањата од теоријата на Кејтс, покажувајќи изразено зголемување на вискозитетот со додавање на сол сè до критична концентрација на сол, над која вискозитетот нагло опаѓа - типичен одговор во WLM системите. Ксу и Амин користеа механичка реометрија и DWS за да ги испитаат мешавините SLES-CAPB-CCB, откривајќи Максвелов реолошки одговор што укажува на формирање на заплеткан WLM, што беше дополнително потврдено со микроструктурни параметри изведени од мерењата на DWS. Надоврзувајќи се на овие методологии, тековната студија интегрира механичка реометрија и DWS микрореологија за да разјасни како микроструктурните реорганизации го движат однесувањето на смолкнување на мешавините CAPB-SMCT.

Во светлината на растечката побарувачка за понежни и поодржливи средства за чистење, истражувањето на анјонски сурфактанти без сулфати доби на интензитет и покрај предизвиците во формулацијата. Различните молекуларни архитектури на системите без сулфати често даваат различни реолошки профили, комплицирајќи ги конвенционалните стратегии за зголемување на вискозитетот, како што е преку сол или полимерно згуснување. На пример, Јорк и сор. истражуваа алтернативи без сулфати преку систематско истражување на пенењето и реолошките својства на бинарни и тернерни мешавини на сурфактанти кои содржат алкил олефин сулфонат (AOS), алкил полиглукозид (APG) и лаурил хидроксисулфатин. Односот 1:1 на AOS-сулфатин покажа карактеристики на разредување и пена слични на CAPB-SLES, што укажува на формирање на WLM. Рајпут и сор. [26] евалуираа друг анјонски сурфактант без сулфати, натриум кокоил глицинат (SCGLY), заедно со нејонски ко-сурфактанти (кокамид диетаноламин и лаурил глукозид) преку DLS, SANS и реометрија. Иако SCGLY сам формираше претежно сферични мицели, додавањето на ко-сурфактант овозможи конструкција на посложени мицеларни морфологии, подложни на pH-управувана модулација.

И покрај овие напредоци, релативно малку истражувања се насочени кон реолошките својства на одржливите системи без сулфати кои вклучуваат CAPB и таурати. Оваа студија има за цел да ја пополни оваа празнина со обезбедување на една од првите систематски реолошки карактеризации на бинарниот систем CAPB-SMCT. Со систематско менување на составот на сурфактантот, pH вредноста и јонската јачина, ги разјаснуваме факторите што влијаат на вискозитетот на смолкнување и вискоеластичноста. Користејќи механичка реометрија и DWS микрореологија, ги квантифицираме микроструктурните реорганизации што лежат во основата на однесувањето на смолкнување на мешавините CAPB-SMCT. Овие наоди ја разјаснуваат интеракцијата помеѓу pH вредноста, односот CAPB-SMCT и јонските нивоа во промовирањето или инхибирањето на формирањето на WLM, со што се нудат практични сознанија за прилагодување на реолошките профили на одржливи производи базирани на сурфактант за различни индустриски апликации.