Karakterizacija reološke dinamike smjesa surfaktanata bez sulfata kokamidopropil betaina i natrijevog metil kokoil taurata u odnosu na sastav, pH i ionske uvjete

Uvod

Vodeni binarni surfaktanti koji sadrže suprotno nabijene vrste široko se koriste u brojnim industrijskim sektorima, uključujući kozmetiku, farmaceutsku, agrokemijsku i prehrambenu industriju. Široko rasprostranjena primjena ovih sustava prvenstveno se pripisuje njihovim superiornim međupovršinskim i reološkim funkcionalnostima, koje omogućuju poboljšane performanse u različitim formulacijama. Sinergističko samosastavljanje takvih surfaktanata u crvolike, isprepletene agregate daje visoko podesiva makroskopska svojstva, uključujući povećanu viskoelastičnost i smanjenu međupovršinsku napetost. Posebno, kombinacije anionskih i cviterionskih surfaktanata pokazuju sinergistička poboljšanja površinske aktivnosti, viskoznosti i modulacije međupovršinske napetosti. Ova ponašanja proizlaze iz intenziviranih elektrostatskih i sternih interakcija između polarnih glavnih skupina i hidrofobnih repova surfaktanata, za razliku od sustava 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 učinkovitosti čišćenja i svojstava regeneriranja kose. Zwitterionska priroda CAPB-a omogućuje elektrostatsku sinergiju s anionskim surfaktantima, poboljšavajući stabilnost pjene i potičući vrhunske performanse formulacije. Tijekom posljednjih pet desetljeća, smjese CAPB-a sa surfaktantima na bazi sulfata, kao što je CAPB-natrijev lauril eter sulfat (SLES), postale su temeljne u proizvodima za osobnu njegu. Međutim, unatoč učinkovitosti surfaktanata na bazi sulfata, zabrinutost zbog njihovog potencijala iritacije kože i prisutnosti 1,4-dioksana, nusprodukta procesa etoksilacije, potaknula je interes za alternative bez sulfata. Obećavajući kandidati uključuju surfaktante na bazi aminokiselina, poput taurata, sarkozinata i glutamata, koji pokazuju poboljšanu biokompatibilnost i blaža svojstva [9]. Ipak, relativno velike polarne skupine ovih alternativa često ometaju stvaranje visoko isprepletenih micelarnih struktura, što zahtijeva upotrebu reoloških modifikatora.

Natrijev 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 skupinu uz snažno anionsku sulfonatnu skupinu, što ga čini biorazgradivim i kompatibilnim s pH-om 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 smični viskozitet, viskoelastične module i granicu razvlačenja, ključni su u određivanju stabilnosti, teksture i performansi proizvoda na bazi surfaktanata. Na primjer, povišeni smični viskozitet može poboljšati zadržavanje supstrata, dok granica razvlačenja upravlja prianjanjem formulacije na kožu ili kosu nakon nanošenja. Ove makroskopske reološke osobine moduliraju brojni čimbenici, uključujući koncentraciju surfaktanata, pH, temperaturu i prisutnost kosolventa ili aditiva. Suprotno nabijeni surfaktanti mogu proći kroz različite mikrostrukturne prijelaze, od sfernih micelija i vezikula do tekuće kristalne faze, što zauzvrat duboko utječe na reologiju u masi. Smjese amfoternih i anionskih surfaktanata često tvore izdužene crvolike micele (WLM), koje značajno poboljšavaju viskoelastična svojstva. Razumijevanje odnosa mikrostrukture i svojstava stoga je ključno za optimizaciju performansi proizvoda.

Brojne eksperimentalne studije istraživale su analogne binarne sustave, poput CAPB-SLES, kako bi se razjasnila mikrostrukturna osnova njihovih svojstava. Na primjer, Mitrinova i suradnici [13] korelirali su veličinu micela (hidrodinamički radijus) s viskoznošću otopine u smjesama CAPB-SLES-ko-surfaktanta 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 valne spektroskopije (DWS) koja proširuje dostupnu frekvencijsku domenu, bilježeći dinamiku kratkog vremenskog razdoblja posebno relevantnu za procese relaksacije WLM-a. U DWS mikroreologiji, srednji kvadratni pomak ugrađenih koloidnih sondi prati se tijekom vremena, što omogućuje ekstrakciju linearnih viskoelastičnih modula okolnog medija putem generalizirane Stokes-Einsteinove relacije. Ova tehnika zahtijeva samo minimalne volumene uzorka i stoga je povoljna za proučavanje složenih tekućina s ograničenom dostupnošću materijala, npr. formulacija na bazi proteina. Analiza podataka < Δr²(t)> u širokom frekvencijskom spektru olakšava procjenu micelarnih parametara kao što su veličina mreže, duljina isprepletenosti, duljina perzistencije i duljina konture. Amin i suradnici pokazali su da smjese CAPB-SLES odgovaraju predviđanjima Catesove teorije, pokazujući izražen porast viskoznosti s dodatkom soli do kritične koncentracije soli, nakon koje viskoznost naglo pada - tipičan odgovor u WLM sustavima. Xu i Amin koristili su mehaničku reometriju i DWS za ispitivanje smjesa SLES-CAPB-CCB, otkrivajući Maxwellov reološki odgovor koji ukazuje na stvaranje isprepletenog 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 utječu na 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 unatoč izazovima u formuliranju. Različite molekularne arhitekture sustava bez sulfata često daju različite reološke profile, što komplicira konvencionalne strategije za poboljšanje viskoznosti, poput zgušnjavanja solima ili polimerima. Na primjer, Yorke i sur. istražili su alternative bez sulfata sustavnim istraživanjem svojstava pjenjenja i reoloških svojstava binarnih i ternarnih smjesa surfaktanata koje sadrže alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukozid (APG) i lauril hidroksisultain. Omjer AOS-sultaina 1:1 pokazao je karakteristike smicanja i pjene slične CAPB-SLES-u, što ukazuje na stvaranje WLM-a. Rajput i sur. [26] procijenili su još jedan anionski surfaktant bez sulfata, natrijev kokoil glicinat (SCGLY), uz neionske ko-surfaktante (kokamid dietanolamin i lauril glukozid) putem DLS-a, SANS-a i reometrije. Iako je SCGLY sam po sebi formirao pretežno sferne micele, dodatak ko-surfaktanta omogućio je konstrukciju složenijih micelarnih morfologija, podložnih modulaciji pH-om.

Unatoč ovom napretku, relativno malo istraživanja usmjereno je na reološka svojstva održivih sustava bez sulfata koji uključuju CAPB i taurate. Cilj ove studije je popuniti tu prazninu pružanjem jedne od prvih sustavnih reoloških karakterizacija binarnog sustava CAPB-SMCT. Sustavnim mijenjanjem sastava surfaktanata, pH i ionske jakosti, razjašnjavamo čimbenike koji upravljaju viskoznošću smicanja i viskoelastičnošću. Korištenjem mehaničke reometrije i DWS mikroreologije kvantificiramo mikrostrukturne reorganizacije koje leže u osnovi ponašanja smicanja smjesa CAPB-SMCT. Ovi nalazi razjašnjavaju međudjelovanje između pH, omjera CAPB-SMCT i ionskih razina u poticanju ili inhibiranju stvaranja WLM-a, nudeći time praktičan uvid u prilagođavanje reoloških profila održivih proizvoda na bazi surfaktanata za različite industrijske primjene.