Kokamidopropilbetaīna-nātrija metilkokoiltaurāta virsmaktīvo vielu maisījumu bezsulfātu reoloģiskās dinamikas raksturojums atkarībā no sastāva, pH un jonu apstākļiem

Ievads

Ūdens binārās virsmaktīvo vielu sistēmas, kas sastāv no pretēji lādētām sugām, tiek plaši izmantotas daudzās rūpniecības nozarēs, tostarp kosmētikas, farmācijas, agroķimikāliju un pārtikas pārstrādes rūpniecībā. Šo sistēmu plašā ieviešana galvenokārt ir saistīta ar to pārākajām starpfāžu un reoloģiskajām funkcionalitātēm, kas nodrošina uzlabotu veiktspēju dažādās formulās. Šādu virsmaktīvo vielu sinerģiskā pašsalikšanās tārpveida, sapinušos agregātos piešķir ļoti regulējamas makroskopiskas īpašības, tostarp palielinātu viskoelastību un samazinātu starpfāžu spraigumu. Jo īpaši anjonu un cviterjonu virsmaktīvo vielu kombinācijām ir sinerģiski uzlabojumi virsmas aktivitātē, viskozitātē un starpfāžu spraiguma modulācijā. Šīs uzvedības rodas pastiprinātas elektrostatiskās un steriskās mijiedarbības dēļ starp virsmaktīvo vielu polārajām galvas grupām un hidrofobajām "astēm", kas ir pretstatā vienas virsmaktīvās vielas sistēmām, kur atbaidoši elektrostatiskie spēki bieži ierobežo veiktspējas optimizāciju.

Kokamidopropilbetaīns (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ir plaši izmantota amfotēriska virsmaktīvā viela kosmētikas līdzekļos, pateicoties tās vieglajai attīrošajai iedarbībai un matu kondicionējošajām īpašībām. CAPB cviterjoniskā daba nodrošina elektrostatisko sinerģiju ar anjonu virsmaktīvām vielām, uzlabojot putu stabilitāti un veicinot izcilu formulas veiktspēju. Pēdējo piecu gadu desmitu laikā CAPB maisījumi ar sulfātu bāzes virsmaktīvām vielām, piemēram, CAPB-nātrija laurilētera sulfātu (SLES), ir kļuvuši par pamatu personīgās higiēnas līdzekļos. Tomēr, neskatoties uz sulfātu bāzes virsmaktīvo vielu efektivitāti, bažas par to ādas kairinājuma potenciālu un 1,4-dioksāna, etoksilēšanas procesa blakusprodukta, klātbūtni ir izraisījušas interesi par alternatīvām bez sulfātiem. Daudzsološi kandidāti ir aminoskābju bāzes virsmaktīvās vielas, piemēram, taurāti, sarkozināti un glutamāti, kam piemīt uzlabota bioloģiskā saderība un maigākas īpašības [9]. Tomēr šo alternatīvu relatīvi lielās polārās galvas grupas bieži vien kavē ļoti sapinušos micelāro struktūru veidošanos, radot nepieciešamību izmantot reoloģiskos modifikatorus.

Nātrija metilkokoiltaurāts (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) ir anjonu virsmaktīvā viela, kas sintezēta kā nātrija sāls, izmantojot N-metiltaurīna (2-metilaminoetānsulfonskābes) amīda savienojumu ar kokosriekstu taukskābju ķēdi. SMCT ir ar amīdiem saistīta taurīna galvas grupa līdzās spēcīgi anjonu sulfonāta grupai, padarot to bioloģiski noārdāmu un saderīgu ar ādas pH līmeni, kas to novieto kā daudzsološu kandidātu bezsulfātu formulām. Taurātu virsmaktīvās vielas raksturo spēcīga mazgāšanas spēja, izturība pret cietu ūdeni, maigums un plaša pH stabilitāte.

Reoloģiskie parametri, tostarp bīdes viskozitāte, viskoelastīgie moduli un tecēšanas robeža, ir kritiski svarīgi, lai noteiktu virsmaktīvo vielu bāzes produktu stabilitāti, tekstūru un veiktspēju. Piemēram, paaugstināta bīdes viskozitāte var uzlabot substrāta noturību, savukārt tecēšanas robeža nosaka formulas saķeri ar ādu vai matiem pēc uzklāšanas. Šīs makroskopiskās reoloģiskās īpašības modulē daudzi faktori, tostarp virsmaktīvo vielu koncentrācija, pH, temperatūra un līdzšķīdinātāju vai piedevu klātbūtne. Pretēji lādētas virsmaktīvās vielas var piedzīvot dažādas mikrostrukturālas pārejas, sākot no sfēriskām micellām un pūslīšiem līdz šķidro kristālu fāzēm, kas savukārt būtiski ietekmē kopējo reoloģiju. Amfotēru un anjonu virsmaktīvo vielu maisījumi bieži veido iegarenas, tārpveida micellas (WLM), kas ievērojami uzlabo viskoelastīgās īpašības. Tāpēc mikrostruktūras un īpašību attiecību izpratne ir kritiski svarīga, lai optimizētu produkta veiktspēju.

Daudzos eksperimentālos pētījumos ir pētītas analogas binārās sistēmas, piemēram, CAPB–SLES, lai noskaidrotu to īpašību mikrostrukturālo pamatu. Piemēram, Mitrinova et al. [13] korelēja micellu izmēru (hidrodinamisko rādiusu) ar šķīduma viskozitāti CAPB–SLES–vidējas ķēdes virsmaktīvo vielu maisījumos, izmantojot reometriju un dinamisko gaismas izkliedi (DLS). Mehāniskā reometrija sniedz ieskatu šo maisījumu mikrostrukturālajā evolūcijā, un to var papildināt ar optisko mikroreoloģiju, izmantojot difūzo viļņu spektroskopiju (DWS), kas paplašina pieejamo frekvenču domēnu, uztverot īstermiņa dinamiku, kas ir īpaši būtiska WLM relaksācijas procesiem. DWS mikroreoloģijā iegulto koloīdo zondu vidējais kvadrātiskais pārvietojums tiek izsekots laika gaitā, ļaujot iegūt apkārtējās vides lineāros viskoelastīgos moduļus, izmantojot vispārināto Stoksa-Einšteina sakarību. Šī metode prasa tikai minimālus parauga apjomus, un tādējādi tā ir izdevīga sarežģītu šķidrumu ar ierobežotu materiālu pieejamību, piemēram, uz olbaltumvielām balstītu preparātu, pētīšanai. <Δr²(t)> datu analīze plašos frekvenču spektros atvieglo micelāro parametru, piemēram, tīkla acs izmēra, sapīšanās garuma, noturības garuma un kontūras garuma, novērtēšanu. Amins un līdzautori pierādīja, ka CAPB-SLES maisījumi atbilst Keitsa teorijas prognozēm, uzrādot izteiktu viskozitātes pieaugumu, pievienojot sāli, līdz kritiskai sāls koncentrācijai, virs kuras viskozitāte strauji samazinās — tipiska reakcija WLM sistēmās. Xu un Amins izmantoja mehānisko reometriju un DWS, lai pārbaudītu SLES-CAPB-CCB maisījumus, atklājot Maksvela reoloģisko reakciju, kas liecina par sapītu WLM veidošanos, ko vēl vairāk apstiprināja mikrostrukturālie parametri, kas secināti no DWS mērījumiem. Balstoties uz šīm metodoloģijām, pašreizējais pētījums integrē mehānisko reometriju un DWS mikroreoloģiju, lai noskaidrotu, kā mikrostrukturālās reorganizācijas ietekmē CAPB-SMCT maisījumu bīdes uzvedību.

Ņemot vērā pieaugošo pieprasījumu pēc maigākiem un ilgtspējīgākiem tīrīšanas līdzekļiem, sulfātu nesaturošu anjonu virsmaktīvo vielu izpēte ir guvusi impulsu, neskatoties uz formulēšanas izaicinājumiem. Atšķirīgās sulfātu nesaturošu sistēmu molekulārās arhitektūras bieži vien rada atšķirīgus reoloģiskos profilus, sarežģot tradicionālās viskozitātes palielināšanas stratēģijas, piemēram, izmantojot sāli vai polimēru sabiezināšanu. Piemēram, Yorke et al. pētīja nesulfātu alternatīvas, sistemātiski pētot bināro un trīskāršo virsmaktīvo vielu maisījumu, kas satur alkilolefīna sulfonātu (AOS), alkilpoliglikozīdu (APG) un laurilhidroksisultaīnu, putošanas un reoloģiskās īpašības. AOS un sultaīna attiecība 1:1 uzrādīja bīdes retināšanu un putu īpašības, kas līdzīgas CAPB-SLES, norādot uz WLM veidošanos. Rajput et al. [26] novērtēja citu sulfātu nesaturošu anjonu virsmaktīvo vielu, nātrija kokoilglicinātu (SCGLY), līdzās nejonu virsmaktīvajām vielām (kokamīda dietanolamīnu un laurilglikozīdu), izmantojot DLS, SANS un reometriju. Lai gan tikai SCGLY veidoja galvenokārt sfēriskas micellas, virsmaktīvās vielas pievienošana ļāva veidot sarežģītākas micellu morfoloģijas, kas bija piemērotas pH virzītai modulācijai.

Neskatoties uz šiem sasniegumiem, salīdzinoši maz pētījumu ir vērsti uz ilgtspējīgu sulfātu nesaturošu sistēmu, kas ietver CAPB un taurātus, reoloģiskajām īpašībām. Šī pētījuma mērķis ir aizpildīt šo robu, sniedzot vienu no pirmajiem sistemātiskajiem CAPB-SMCT binārās sistēmas reoloģiskajiem raksturojumiem. Sistemātiski mainot virsmaktīvo vielu sastāvu, pH un jonu stiprumu, mēs noskaidrojam faktorus, kas nosaka bīdes viskozitāti un viskoelastību. Izmantojot mehānisko reometriju un DWS mikroreoloģiju, mēs kvantitatīvi nosakām mikrostrukturālās reorganizācijas, kas ir CAPB-SMCT maisījumu bīdes uzvedības pamatā. Šie atklājumi noskaidro pH, CAPB-SMCT attiecības un jonu līmeņu mijiedarbību WLM veidošanās veicināšanā vai kavēšanā, tādējādi piedāvājot praktisku ieskatu ilgtspējīgu virsmaktīvo vielu bāzes produktu reoloģisko profilu pielāgošanā dažādiem rūpnieciskiem pielietojumiem.