Karakterisering af den reologiske dynamik af sulfatfrie overfladeaktive blandinger af cocamidopropylbetain-natriummethylcocoyltaurat på tværs af sammensætning, pH og ioniske forhold

Indledning

Vandige binære overfladeaktive systemer omfattende modsat ladede arter anvendes i vid udstrækning i adskillige industrisektorer, herunder kosmetik, lægemidler, agrokemikalier og fødevareforarbejdningsindustrier. Den udbredte anvendelse af disse systemer tilskrives primært deres overlegne grænseflade- og reologiske funktionaliteter, som muliggør forbedret ydeevne i forskellige formuleringer. Den synergistiske selv-assemblage af sådanne overfladeaktive stoffer til ormelignende, sammenfiltrede aggregater giver meget justerbare makroskopiske egenskaber, herunder øget viskoelasticitet og reduceret grænsefladespænding. Især udviser kombinationer af anioniske og zwitterioniske overfladeaktive stoffer synergistiske forbedringer i overfladeaktivitet, viskositet og modulering af grænsefladespænding. Disse adfærdsmønstre stammer fra intensiverede elektrostatiske og steriske interaktioner mellem de polære hovedgrupper og hydrofobe haler af de overfladeaktive stoffer, i modsætning til systemer med enkelt overfladeaktive stoffer, hvor frastødende elektrostatiske kræfter ofte begrænser ydeevneoptimering.

Cocamidopropylbetain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) er et bredt anvendt amfotert overfladeaktivt stof i kosmetiske formuleringer på grund af dets milde rensende effekt og hårplejeegenskaber. CAPB's zwitterioniske natur muliggør elektrostatisk synergi med anioniske overfladeaktive stoffer, hvilket forbedrer skumstabiliteten og fremmer overlegen formuleringsydelse. I løbet af de sidste fem årtier er CAPB-blandinger med sulfatbaserede overfladeaktive stoffer, såsom CAPB-natriumlaurylethersulfat (SLES), blevet grundlæggende i produkter til personlig pleje. På trods af effektiviteten af sulfatbaserede overfladeaktive stoffer har bekymringer vedrørende deres potentiale for hudirritation og tilstedeværelsen af 1,4-dioxan, et biprodukt af ethoxyleringsprocessen, imidlertid drevet interessen for sulfatfri alternativer. Lovende kandidater omfatter aminosyrebaserede overfladeaktive stoffer, såsom taurater, sarkosinater og glutamater, som udviser forbedret biokompatibilitet og mildere egenskaber [9]. Ikke desto mindre hæmmer de relativt store polære hovedgrupper i disse alternativer ofte dannelsen af stærkt sammenfiltrede micellære strukturer, hvilket nødvendiggør brugen af reologiske modifikatorer.

Natriummethylcocoyltaurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) er et anionisk overfladeaktivt stof syntetiseret som et natriumsalt via amidkobling af N-methyltaurin (2-methylaminoethansulfonsyre) med en kokosnøddeafledt fedtsyrekæde. SMCT besidder en amidbundet taurin-hovedgruppe sammen med en stærkt anionisk sulfonatgruppe, hvilket gør det bionedbrydeligt og kompatibelt med hudens pH-værdi, hvilket positionerer det som en lovende kandidat til sulfatfri formuleringer. Taurat-overfladeaktive stoffer er karakteriseret ved deres potente vaskeevne, modstandsdygtighed over for hårdt vand, mildhed og brede pH-stabilitet.

Reologiske parametre, herunder forskydningsviskositet, viskoelastiske moduler og flydespænding, er afgørende for at bestemme stabiliteten, teksturen og ydeevnen af produkter baseret på overfladeaktive stoffer. For eksempel kan forhøjet forskydningsviskositet forbedre substratretentionen, mens flydespænding styrer formuleringens vedhæftning til hud eller hår efter påføring. Disse makroskopiske reologiske egenskaber moduleres af adskillige faktorer, herunder koncentrationen af overfladeaktive stoffer, pH, temperatur og tilstedeværelsen af ​​co-opløsningsmidler eller additiver. Modsat ladede overfladeaktive stoffer kan undergå forskellige mikrostrukturelle overgange, lige fra sfæriske miceller og vesikler til flydende krystallinske faser, som igen har en dybtgående indflydelse på bulk-reologien. Blandinger af amfotere og anioniske overfladeaktive stoffer danner ofte aflange, ormelignende miceller (WLM'er), som forbedrer de viskoelastiske egenskaber betydeligt. Forståelse af mikrostruktur-egenskabsforholdene er derfor afgørende for at optimere produktets ydeevne.

Talrige eksperimentelle studier har undersøgt analoge binære systemer, såsom CAPB-SLES, for at belyse det mikrostrukturelle grundlag for deres egenskaber. For eksempel korrelerede Mitrinova et al. [13] micellestørrelse (hydrodynamisk radius) med opløsningsviskositet i CAPB-SLES-mellemkædede co-surfaktantblandinger ved hjælp af reometri og dynamisk lysspredning (DLS). Mekanisk reometri giver indsigt i den mikrostrukturelle udvikling af disse blandinger og kan forstærkes ved optisk mikroreologi ved hjælp af diffuserende bølgespektroskopi (DWS), som udvider det tilgængelige frekvensdomæne og indfanger korttidsdynamik, der er særligt relevant for WLM-relaksationsprocesser. I DWS-mikroreologi spores den gennemsnitlige kvadratiske forskydning af indlejrede kolloidale prober over tid, hvilket muliggør ekstraktion af lineære viskoelastiske moduler i det omgivende medium via den generaliserede Stokes-Einstein-relation. Denne teknik kræver kun minimale prøvevolumener og er således fordelagtig til undersøgelse af komplekse væsker med begrænset materialetilgængelighed, f.eks. proteinbaserede formuleringer. Analyse af < Δr²(t)> data på tværs af brede frekvensspektre letter estimering af micellære parametre såsom maskestørrelse, sammenfiltringslængde, persistenslængde og konturlængde. Amin et al. demonstrerede, at CAPB-SLES-blandinger er i overensstemmelse med forudsigelser fra Cates' teori, hvilket viser en markant stigning i viskositet med salttilsætning indtil en kritisk saltkoncentration, over hvilken viskositeten falder brat - et typisk respons i WLM-systemer. Xu og Amin anvendte mekanisk reometri og DWS til at undersøge SLES-CAPB-CCB-blandinger, hvilket afslørede et Maxwellsk reologisk respons, der indikerer dannelse af sammenfiltret WLM, hvilket yderligere blev bekræftet af mikrostrukturelle parametre udledt af DWS-målingerne. Byggende på disse metoder integrerer den aktuelle undersøgelse mekanisk reometri og DWS-mikroreologi for at belyse, hvordan mikrostrukturelle reorganiseringer driver forskydningsadfærden af CAPB-SMCT-blandinger.

I lyset af den stigende efterspørgsel efter mildere og mere bæredygtige rengøringsmidler har udforskningen af sulfatfri anioniske overfladeaktive stoffer taget fart på trods af formuleringsudfordringer. De forskellige molekylære arkitekturer i sulfatfri systemer giver ofte divergerende reologiske profiler, hvilket komplicerer konventionelle strategier til viskositetsforbedring, såsom via salt eller polymerisk fortykkelse. For eksempel udforskede Yorke et al. ikke-sulfatalternativer ved systematisk at undersøge de skummende og reologiske egenskaber af binære og ternære overfladeaktive blandinger indeholdende alkylolefinsulfonat (AOS), alkylpolyglucosid (APG) og laurylhydroxysultain. Et 1:1-forhold mellem AOS og sultain viste forskydningsfortynding og skumegenskaber, der lignede CAPB-SLES, hvilket indikerer dannelse af WLM. Rajput et al. [26] evaluerede et andet sulfatfrit anionisk overfladeaktivt stof, natriumcocoylglycinat (SCGLY), sammen med ikke-ioniske co-overfladeaktive stoffer (cocamiddiethanolamin og laurylglucosid) gennem DLS, SANS og reometri. Selvom SCGLY alene overvejende dannede sfæriske miceller, muliggjorde tilsætning af co-surfaktanter konstruktionen af mere indviklede micellære morfologier, der er tilgængelige for pH-drevet modulering.

Trods disse fremskridt har forholdsvis få undersøgelser fokuseret på de reologiske egenskaber ved bæredygtige sulfatfri systemer, der involverer CAPB og taurater. Denne undersøgelse sigter mod at udfylde dette hul ved at give en af de første systematiske reologiske karakteriseringer af det binære CAPB-SMCT-system. Ved systematisk at variere overfladeaktivt stofs sammensætning, pH og ionstyrke, belyser vi de faktorer, der styrer forskydningsviskositet og viskoelasticitet. Ved hjælp af mekanisk reometri og DWS-mikroreologi kvantificerer vi de mikrostrukturelle reorganiseringer, der ligger til grund for forskydningsadfærden af CAPB-SMCT-blandinger. Disse fund belyser samspillet mellem pH, CAPB-SMCT-forhold og ionniveauer i at fremme eller hæmme dannelsen af WLM og giver derved praktisk indsigt i at skræddersy de reologiske profiler af bæredygtige overfladeaktive produkter til forskellige industrielle anvendelser.