Kókamidopropil-betain-nátrium-metil-kokoil-taurát szulfátmentes felületaktív keverékeinek reológiai dinamikájának jellemzése az összetétel, a pH és az ionos körülmények között

Bevezetés

Az ellentétesen töltésű fajokat tartalmazó vizes bináris felületaktív rendszereket széles körben alkalmazzák számos ipari szektorban, beleértve a kozmetikumokat, a gyógyszeripart, az agrokémiai anyagokat és az élelmiszer-feldolgozó ipart. Ezen rendszerek széles körű elterjedése elsősorban kiváló határfelületi és reológiai funkcionalitásaiknak tulajdonítható, amelyek lehetővé teszik a fokozott teljesítményt a különféle készítményekben. Az ilyen felületaktív anyagok féregszerű, összefonódott aggregátumokká történő szinergikus önszerveződése nagymértékben hangolható makroszkopikus tulajdonságokat kölcsönöz, beleértve a megnövekedett viszkoelaszticitást és a csökkent határfelületi feszültséget. Különösen az anionos és ikerionos felületaktív anyagok kombinációi mutatnak szinergikus javulást a felületi aktivitásban, a viszkozitásban és a határfelületi feszültség modulációjában. Ezek a viselkedések a felületaktív anyagok poláris fejcsoportjai és hidrofób farkai közötti fokozott elektrosztatikus és sztérikus kölcsönhatásokból erednek, ellentétben az egyetlen felületaktív anyagot tartalmazó rendszerekkel, ahol a taszító elektrosztatikus erők gyakran korlátozzák a teljesítményoptimalizálást.

A kokamidopropil-betain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) egy széles körben használt amfoter felületaktív anyag a kozmetikai készítményekben, enyhe tisztító hatékonysága és hajkondicionáló tulajdonságai miatt. A CAPB ikerionos jellege lehetővé teszi az elektrosztatikus szinergiát az anionos felületaktív anyagokkal, fokozza a hab stabilitását és elősegíti a kiváló készítményteljesítményt. Az elmúlt öt évtizedben a szulfátalapú felületaktív anyagokkal, például a CAPB-nátrium-lauril-éter-szulfáttal (SLES) alkotott CAPB keverékek alapvető fontosságúvá váltak a személyi ápolási termékekben. A szulfátalapú felületaktív anyagok hatékonysága ellenére azonban a bőrirritációs potenciáljukkal és az etoxilezési folyamat melléktermékének számító 1,4-dioxán jelenlétével kapcsolatos aggodalmak felkeltették az érdeklődést a szulfátmentes alternatívák iránt. Az ígéretes jelöltek közé tartoznak az aminosav-alapú felületaktív anyagok, például a taurátok, szarkozinátok és glutamátok, amelyek fokozott biokompatibilitást és enyhébb tulajdonságokat mutatnak [9]. Mindazonáltal ezen alternatívák viszonylag nagy poláris fejcsoportjai gyakran akadályozzák a szorosan összefonódott micelláris struktúrák kialakulását, ami szükségessé teszi reológiai módosítók használatát.

Nátrium-metil-kokoil-taurát (SMCT; SMILES:
A CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) egy anionos felületaktív anyag, amelyet nátriumsóként szintetizálnak az N-metiltaurin (2-metilaminoetánszulfonsav) és egy kókuszdióból származó zsírsavlánc amidkapcsolásával. Az SMCT egy amidkötésű taurin fejcsoporttal rendelkezik egy erősen anionos szulfonátcsoport mellett, így biológiailag lebomló és a bőr pH-értékével kompatibilis, ami ígéretes jelöltté teszi a szulfátmentes készítmények számára. A taurát felületaktív anyagokat erős mosóhatás, keményvíz-állóság, enyhe hatás és széles pH-stabilitás jellemzi.

A reológiai paraméterek, beleértve a nyírási viszkozitást, a viszkoelasztikus modulust és a folyáshatárt, kritikusak a felületaktív anyagokon alapuló termékek stabilitásának, textúrájának és teljesítményének meghatározásában. Például a megnövekedett nyírási viszkozitás javíthatja az aljzat visszatartását, míg a folyáshatár szabályozza a készítmény tapadását a bőrhöz vagy a hajhoz a felvitel után. Ezeket a makroszkopikus reológiai tulajdonságokat számos tényező befolyásolja, beleértve a felületaktív anyagok koncentrációját, a pH-t, a hőmérsékletet, valamint a társoldószerek vagy adalékanyagok jelenlétét. Az ellentétesen töltésű felületaktív anyagok különböző mikroszerkezeti átmeneteken mehetnek keresztül, a gömb alakú micelláktól és vezikuláktól a folyadékkristályos fázisokig, amelyek viszont mélyrehatóan befolyásolják a teljes reológiát. Az amfoter és anionos felületaktív anyagok keverékei gyakran hosszúkás, féregszerű micellákat (WLM) alkotnak, amelyek jelentősen fokozzák a viszkoelasztikus tulajdonságokat. A mikroszerkezet-tulajdonság kapcsolatok megértése ezért kritikus fontosságú a termék teljesítményének optimalizálása szempontjából.

Számos kísérleti tanulmány vizsgált analóg bináris rendszereket, mint például a CAPB–SLES, tulajdonságaik mikrostrukturális alapjainak megvilágítása érdekében. Mitrinova és munkatársai [13] például reometria és dinamikus fényszórás (DLS) segítségével összefüggésbe hozták a micella méretét (hidrodinamikai sugár) az oldat viszkozitásával a CAPB–SLES–közepes szénláncú ko-felületaktív anyag keverékekben. A mechanikai reometria betekintést nyújt ezen keverékek mikrostrukturális evolúciójába, és kiegészíthető optikai mikroreológiával diffúz hullám spektroszkópiával (DWS), amely kiterjeszti az elérhető frekvenciatartományt, rögzítve a rövid időtartamú dinamikát, amely különösen releváns a WLM relaxációs folyamatokhoz. A DWS mikroreológiában a beágyazott kolloid próbák átlagos négyzetes elmozdulását követik nyomon az idő múlásával, lehetővé téve a környező közeg lineáris viszkoelasztikus modulusainak kinyerését az általánosított Stokes–Einstein összefüggésen keresztül. Ez a technika csak minimális mintamennyiséget igényel, így előnyös a korlátozott anyaghoz való hozzáférésű komplex folyadékok, például fehérje alapú készítmények vizsgálatára. A <Δr²(t)> adatok széles frekvenciaspektrumokon történő elemzése megkönnyíti a micelláris paraméterek, például a hálószemméret, az összefonódási hossz, a perzisztencia hossz és a kontúrhossz becslését. Amin és munkatársai kimutatták, hogy a CAPB–SLES keverékek megfelelnek Cates elméletéből származó jóslatoknak, a viszkozitás kifejezett növekedését mutatva a só hozzáadásával egy kritikus sókoncentrációig, amely felett a viszkozitás meredeken csökken – ez egy tipikus válasz a WLM rendszerekben. Xu és Amin mechanikus reometriát és DWS-t alkalmazott az SLES–CAPB–CCB keverékek vizsgálatára, feltárva egy Maxwell-féle reológiai választ, amely az összefonódott WLM képződésére utal, amit a DWS mérésekből következtetett mikroszerkezeti paraméterek is megerősítettek. Ezen módszerekre építve a jelenlegi tanulmány integrálja a mechanikus reometriát és a DWS mikroreológiát annak magyarázatára, hogy a mikroszerkezeti átszervezések hogyan befolyásolják a CAPB–SMCT keverékek nyírási viselkedését.

A gyengédebb és fenntarthatóbb tisztítószerek iránti növekvő kereslet fényében a szulfátmentes anionos felületaktív anyagok kutatása lendületet vett a formulázási kihívások ellenére. A szulfátmentes rendszerek eltérő molekuláris architektúrája gyakran eltérő reológiai profilokat eredményez, ami bonyolítja a viszkozitásnövelés hagyományos stratégiáit, például a só vagy polimer sűrítés révén. Például Yorke és munkatársai nem szulfátos alternatívákat vizsgáltak az alkil-olefin-szulfonátot (AOS), alkil-poliglükozidot (APG) és lauril-hidroxiszultaint tartalmazó bináris és ternáris felületaktív keverékek habzási és reológiai tulajdonságainak szisztematikus vizsgálatával. Az AOS-szultain 1:1 arányú oldata nyírási hígulást és a CAPB-SLES-hez hasonló habzási jellemzőket mutatott, ami a WLM képződésére utal. Rajput és munkatársai [26] egy másik szulfátmentes anionos felületaktív anyagot, a nátrium-kokoil-glicinátot (SCGLY) értékelték a nemionos ko-felületaktív anyagok (kokamid-dietanol-amin és lauril-glükozid) mellett DLS, SANS és reometria segítségével. Bár az SCGLY önmagában túlnyomórészt gömb alakú micellákat képezett, a ko-felületaktív anyag hozzáadása lehetővé tette a bonyolultabb micelláris morfológiák létrehozását, amelyek pH-vezérelt modulációra voltak alkalmasak.

Ezen eredmények ellenére viszonylag kevés vizsgálat célozta meg a CAPB-t és taurátokat tartalmazó fenntartható szulfátmentes rendszerek reológiai tulajdonságait. Ez a tanulmány célja, hogy betöltse ezt a hiányt a CAPB-SMCT bináris rendszer egyik első szisztematikus reológiai jellemzésével. A felületaktív anyag összetételének, a pH-értékének és az ionerősségnek a szisztematikus változtatásával tisztázzuk a nyírási viszkozitást és a viszkoelaszticitást szabályozó tényezőket. Mechanikai reometria és DWS mikroreológia segítségével számszerűsítjük a CAPB-SMCT keverékek nyírási viselkedését meghatározó mikroszerkezeti átszerveződéseket. Ezek az eredmények tisztázzák a pH, a CAPB-SMCT arány és az ionszintek kölcsönhatását a WLM-képződés elősegítésében vagy gátlásában, ezáltal gyakorlati betekintést nyújtva a fenntartható felületaktív anyag alapú termékek reológiai profiljainak testreszabásába a különböző ipari alkalmazásokhoz.