Karakterizacija reološke dinamike mješavina surfaktanata bez sulfata, kokamidopropil betaina i natrijum metil kokoil taurata, u zavisnosti od sastava, pH i jonskih uslova.

Uvod

Vodeni binarni surfaktantni sistemi koji sadrže suprotno nabijene vrste široko se koriste u brojnim industrijskim sektorima, uključujući kozmetiku, farmaceutsku industriju, agrohemikalije i industriju prerade hrane. Široko rasprostranjena primjena ovih sistema prvenstveno se pripisuje njihovim superiornim međufaznim i reološkim funkcionalnostima, koje omogućavaju poboljšane performanse u različitim formulacijama. Sinergističko samoorganizovanje takvih surfaktanata u crvolike, isprepletene agregate daje visoko podesiva makroskopska svojstva, uključujući povećanu viskoelastičnost i smanjenu međufaznu napetost. Posebno, kombinacije anionskih i cviterjonskih surfaktanata pokazuju sinergistička poboljšanja površinske aktivnosti, viskoznosti i modulacije međufazne napetosti. Ova ponašanja proizlaze iz intenziviranih elektrostatskih i sternih interakcija između polarnih glavnih grupa i hidrofobnih repova surfaktanata, za razliku od sistema s jednim surfaktantom, gdje odbojne elektrostatske sile često ograničavaju optimizaciju performansi.

Kokamidopropil betain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) je široko korišten amfoterni surfaktant u kozmetičkim formulacijama zbog svoje blage efikasnosti čišćenja i svojstava regeneriranja kose. Cwitterionska priroda CAPB-a omogućava elektrostatsku sinergiju s anionskim surfaktantima, poboljšavajući stabilnost pjene i promovirajući superiorne performanse formulacije. Tokom proteklih pet decenija, mješavine CAPB-a sa surfaktantima na bazi sulfata, kao što je CAPB-natrijum lauril eter sulfat (SLES), postale su osnovne u proizvodima za ličnu njegu. Međutim, uprkos efikasnosti surfaktanata na bazi sulfata, zabrinutost u vezi s njihovim potencijalom iritacije kože i prisustvom 1,4-dioksana, nusprodukta procesa etoksilacije, potaknula je interes za alternative bez sulfata. Obećavajući kandidati uključuju surfaktante na bazi aminokiselina, kao što su taurati, sarkozinati i glutamati, koji pokazuju poboljšanu biokompatibilnost i blaža svojstva [9]. Ipak, relativno velike polarne grupe ovih alternativa često ometaju formiranje visoko isprepletenih micelarnih struktura, što zahtijeva upotrebu reoloških modifikatora.

Natrijum metil kokoil taurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) je anionski surfaktant sintetiziran kao natrijeva sol putem amidnog spajanja N-metiltaurina (2-metilaminoetansulfonske kiseline) s lancem masne kiseline dobivenim iz kokosa. SMCT posjeduje amidno povezanu taurinsku glavnu grupu uz snažno anionsku sulfonatnu grupu, što ga čini biorazgradivim i kompatibilnim s pH vrijednosti kože, što ga pozicionira kao obećavajućeg kandidata za formulacije bez sulfata. Tauratni surfaktanti karakteriziraju se svojim snažnim deterdžentom, otpornošću na tvrdu vodu, blagošću i širokom pH stabilnošću.

Reološki parametri, uključujući viskoznost smicanja, viskoelastične module i granicu tečenja, ključni su za određivanje stabilnosti, teksture i performansi proizvoda na bazi surfaktanata. Na primjer, povišena viskoznost smicanja može poboljšati zadržavanje supstrata, dok granica tečenja upravlja prianjanjem formulacije na kožu ili kosu nakon nanošenja. Ove makroskopske reološke osobine moduliraju brojni faktori, uključujući koncentraciju surfaktanata, pH, temperaturu i prisustvo kosolventa ili aditiva. Suprotno nabijeni surfaktanti mogu proći kroz različite mikrostrukturne prijelaze, od sfernih micelija i vezikula do tečnokristalnih faza, što zauzvrat duboko utječe na reologiju mase. Smjese amfoternih i anionskih surfaktanata često formiraju izdužene micele nalik crvima (WLM), koje značajno poboljšavaju viskoelastična svojstva. Stoga je razumijevanje odnosa mikrostrukture i svojstava ključno za optimizaciju performansi proizvoda.

Brojne eksperimentalne studije istraživale su analogne binarne sisteme, kao što je CAPB-SLES, kako bi se razjasnila mikrostrukturna osnova njihovih svojstava. Na primjer, Mitrinova i saradnici [13] korelirali su veličinu micela (hidrodinamički radijus) s viskoznošću rastvora u smjesama CAPB-SLES-ko-surfaktant srednjeg lanca koristeći reometriju i dinamičko raspršenje svjetlosti (DLS). Mehanička reometrija pruža uvid u mikrostrukturnu evoluciju ovih smjesa i može se proširiti optičkom mikroreologijom korištenjem difuzne talasne spektroskopije (DWS) koja proširuje dostupni frekventni domen, hvatajući dinamiku kratkog vremenskog perioda, posebno relevantnu za procese relaksacije WLM-a. U DWS mikroreologiji, srednji kvadratni pomak ugrađenih koloidnih sondi prati se tokom vremena, omogućavajući ekstrakciju linearnih viskoelastičnih modula okolnog medija putem generalizovane Stokes-Einsteinove relacije. Ova tehnika zahtijeva samo minimalne količine uzorka i stoga je povoljna za proučavanje složenih fluida s ograničenom dostupnošću materijala, npr. formulacija na bazi proteina. Analiza podataka < Δr²(t)> u širokom frekventnom spektru olakšava procjenu micelarnih parametara kao što su veličina mreže, dužina prepletenosti, dužina perzistencije i dužina konture. Amin i saradnici su pokazali da smjese CAPB-SLES odgovaraju predviđanjima Catesove teorije, pokazujući izražen porast viskoznosti s dodavanjem soli do kritične koncentracije soli, nakon koje viskoznost naglo pada - tipičan odgovor u WLM sistemima. Xu i Amin su koristili mehaničku reometriju i DWS za ispitivanje smjesa SLES-CAPB-CCB, otkrivajući Maxwellov reološki odgovor koji ukazuje na formiranje prepletenog WLM-a, što je dodatno potvrđeno mikrostrukturnim parametrima izvedenim iz DWS mjerenja. Nadovezujući se na ove metodologije, trenutna studija integrira mehaničku reometriju i DWS mikroreologiju kako bi se razjasnilo kako mikrostrukturne reorganizacije pokreću ponašanje smicanja smjesa CAPB-SMCT.

U svjetlu rastuće potražnje za blažim i održivijim sredstvima za čišćenje, istraživanje anionskih surfaktanata bez sulfata dobilo je na zamahu uprkos izazovima u formulaciji. Različite molekularne arhitekture sistema bez sulfata često daju različite reološke profile, što komplikuje konvencionalne strategije za poboljšanje viskoznosti, kao što je zgušnjavanje putem soli ili polimera. Na primjer, Yorke i saradnici istraživali su alternative bez sulfata sistematskim ispitivanjem pjenjenja i reoloških svojstava binarnih i ternarnih mješavina surfaktanata koje sadrže alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukozid (APG) i lauril hidroksisultain. Omjer AOS-sultaina od 1:1 pokazao je karakteristike smicanja i pjene slične CAPB-SLES, što ukazuje na formiranje WLM-a. Rajput i saradnici [26] procijenili su još jedan anionski surfaktant bez sulfata, natrijum kokoil glicinat (SCGLY), zajedno s nejonskim ko-surfaktantima (kokamid dietanolamin i lauril glukozid) putem DLS, SANS i reometrije. Iako je SCGLY sam formirao pretežno sferne micele, dodatak ko-surfaktanta omogućio je konstrukciju složenijih micelarnih morfologija, podložnih modulaciji uzrokovanoj pH vrijednošću.

Uprkos ovom napretku, relativno malo istraživanja je usmjereno na reološka svojstva održivih sistema bez sulfata koji uključuju CAPB i taurate. Cilj ove studije je da popuni ovu prazninu pružanjem jedne od prvih sistematskih reoloških karakterizacija binarnog sistema CAPB-SMCT. Sistematskim mijenjanjem sastava surfaktanata, pH i jonske jačine, razjašnjavamo faktore koji upravljaju viskoznošću smicanja i viskoelastičnošću. Koristeći mehaničku reometriju i DWS mikroreologiju, kvantificiramo mikrostrukturne reorganizacije koje leže u osnovi ponašanja smicanja smjesa CAPB-SMCT. Ovi nalazi razjašnjavaju međudjelovanje između pH, odnosa CAPB-SMCT i jonskih nivoa u promovisanju ili inhibiranju formiranja WLM-a, nudeći time praktičan uvid u prilagođavanje reoloških profila održivih proizvoda na bazi surfaktanata za različite industrijske primjene.