Характеристика реологічної динаміки безсульфатних сумішей поверхнево-активних речовин кокамідопропілбетаїну-натрію метилкокоїлтаурату залежно від складу, pH та іонних умов

Вступ

Водні бінарні системи поверхнево-активних речовин, що містять протилежно заряджені частинки, широко використовуються в численних промислових секторах, включаючи косметику, фармацевтику, агрохімічну промисловість та харчову промисловість. Широке поширення цих систем пояснюється головним чином їхніми чудовими міжфазними та реологічними функціями, що забезпечує покращену продуктивність у різноманітних рецептурах. Синергетична самозбірка таких поверхнево-активних речовин у червоподібні, переплетені агрегати надає їм високо регульованих макроскопічних властивостей, включаючи підвищену в'язкопружність та знижений міжфазний натяг. Зокрема, комбінації аніонних та цвітеріонних поверхнево-активних речовин демонструють синергетичне покращення поверхневої активності, в'язкості та модуляції міжфазного натягу. Ці ефекти виникають внаслідок посиленої електростатичної та стеричної взаємодії між полярними головними групами та гідрофобними хвостами поверхнево-активних речовин, на відміну від систем з одним поверхнево-активним речовиною, де сили відштовхування електростатичних речовин часто обмежують оптимізацію продуктивності.

Кокамідопропілбетаїн (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) – це широко використовувана амфотерна поверхнево-активна речовина в косметичних рецептурах завдяки своїй м’якій очищувальній ефективності та властивостям кондиціонування волосся. Цвіттеріонна природа CAPB забезпечує електростатичну синергію з аніонними поверхнево-активними речовинами, підвищуючи стабільність піни та сприяючи покращеній ефективності рецептури. Протягом останніх п’яти десятиліть суміші CAPB з поверхнево-активними речовинами на основі сульфатів, такими як CAPB–лаурилсульфат натрію (SLES), стали основоположними в засобах особистої гігієни. Однак, незважаючи на ефективність поверхнево-активних речовин на основі сульфатів, побоювання щодо їхнього потенціалу подразнення шкіри та наявності 1,4-діоксану, побічного продукту процесу етоксилювання, викликали інтерес до безсульфатних альтернатив. Перспективними кандидатами є поверхнево-активні речовини на основі амінокислот, такі як таурати, саркозинати та глутамати, які демонструють покращену біосумісність та м’якші властивості [9]. Тим не менш, відносно великі полярні головні групи цих альтернатив часто перешкоджають утворенню сильно заплутаних міцелярних структур, що вимагає використання реологічних модифікаторів.

Метилкокоїлтаурат натрію (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) – аніонна поверхнево-активна речовина, синтезована у вигляді натрієвої солі шляхом амідного зв'язування N-метилтаурину (2-метиламіноетансульфонової кислоти) з ланцюгом жирної кислоти, отриманої з кокосового горіха. SMCT має амідно-пов'язану тауринову головну групу поряд із сильно аніонною сульфонатною групою, що робить його біорозкладним та сумісним з pH шкіри, що позиціонує його як перспективного кандидата для безсульфатних рецептур. Тауратні поверхнево-активні речовини характеризуються потужною миючою здатністю, стійкістю до жорсткої води, м'якістю та широкою стабільністю pH.

Реологічні параметри, включаючи в'язкість зсуву, модулі в'язкопружності та межу текучості, є критично важливими для визначення стабільності, текстури та експлуатаційних характеристик продуктів на основі поверхнево-активних речовин. Наприклад, підвищена в'язкість зсуву може покращити утримання субстрату, тоді як межа текучості регулює адгезію рецептури до шкіри або волосся після нанесення. Ці макроскопічні реологічні атрибути модулюються численними факторами, включаючи концентрацію поверхнево-активної речовини, pH, температуру та наявність співрозчинників або добавок. Протилежно заряджені поверхнево-активні речовини можуть зазнавати різноманітних мікроструктурних переходів, починаючи від сферичних міцел і везикул до рідкокристалічних фаз, що, у свою чергу, суттєво впливає на реологію в об'ємі. Суміші амфотерних та аніонних поверхнево-активних речовин часто утворюють витягнуті червоподібні міцели (WLM), які значно покращують в'язкопружні властивості. Тому розуміння взаємозв'язків між мікроструктурою та властивостями є критично важливим для оптимізації експлуатаційних характеристик продукту.

Численні експериментальні дослідження досліджували аналогічні бінарні системи, такі як CAPB–SLES, щоб з'ясувати мікроструктурну основу їхніх властивостей. Наприклад, Мітрінова та ін. [13] корелювали розмір міцел (гідродинамічний радіус) з в'язкістю розчину в сумішах CAPB–SLES–ко-сурфактант із середньою довжиною ланцюга, використовуючи реометрію та динамічне розсіювання світла (DLS). Механічна реометрія дає уявлення про мікроструктурну еволюцію цих сумішей і може бути доповнена оптичною мікрореологією з використанням дифузійної хвильової спектроскопії (DWS), яка розширює доступну частотну область, фіксуючи короткочасну динаміку, особливо актуальну для процесів релаксації WLM. У мікрореології DWS середньоквадратичне зміщення вбудованих колоїдних зондів відстежується з часом, що дозволяє витягувати лінійні в'язкопружні модулі навколишнього середовища за допомогою узагальненого співвідношення Стокса-Ейнштейна. Цей метод вимагає лише мінімальних об'ємів зразків і тому є вигідним для вивчення складних рідин з обмеженою доступністю матеріалів, наприклад, рецептур на основі білків. Аналіз даних < Δr²(t)> у широкому частотному спектрі полегшує оцінку міцелярних параметрів, таких як розмір сітки, довжина заплутаності, довжина персистенції та довжина контуру. Амін та ін. продемонстрували, що суміші CAPB-SLES відповідають передбаченням теорії Кейтса, демонструючи виражене збільшення в'язкості з додаванням солі до критичної концентрації солі, після якої в'язкість різко падає – типова реакція в системах WLM. Сюй та Амін використали механічну реометрію та DWS для дослідження сумішей SLES-CAPB-CCB, виявивши максвеллівську реологічну реакцію, що вказує на утворення заплутаного WLM, що було додатково підтверджено мікроструктурними параметрами, отриманими з вимірювань DWS. Спираючись на ці методології, поточне дослідження інтегрує механічну реометрію та мікрореологію DWS, щоб з'ясувати, як мікроструктурні реорганізації впливають на поведінку зсуву сумішей CAPB-SMCT.

З огляду на зростаючий попит на більш м'які та екологічніші засоби для очищення, дослідження безсульфатних аніонних поверхнево-активних речовин набуло обертів, незважаючи на проблеми з рецептурою. Різні молекулярні архітектури безсульфатних систем часто призводять до різних реологічних профілів, що ускладнює традиційні стратегії підвищення в'язкості, такі як сольове або полімерне загущення. Наприклад, Йорк та ін. досліджували безсульфатні альтернативи, систематично досліджуючи піноутворення та реологічні властивості бінарних та потрійних сумішей поверхнево-активних речовин, що містять алкілолефінсульфонат (AOS), алкілполіглюкозид (APG) та лаурилгідроксисультаїн. Співвідношення AOS-сультаїн 1:1 показало розрідження при зсуві та характеристики піни, подібні до CAPB-SLES, що вказує на утворення WLM. Раджпут та ін. [26] оцінили іншу безсульфатну аніонну поверхнево-активну речовину, кокоїлгліцинат натрію (SCGLY), поряд з неіоногенними ко-поверхнево-активними речовинами (кокаміддіетаноламін та лаурилглюкозид) за допомогою DLS, SANS та реометрії. Хоча SCGLY сам по собі утворював переважно сферичні міцели, додавання ко-сурфактанта дозволило побудувати більш складні міцелярні морфології, що піддаються модуляції, залежно від pH.

Незважаючи на ці досягнення, порівняно мало досліджень було зосереджено на реологічних властивостях стійких безсульфатних систем, що включають CAPB та таурати. Це дослідження має на меті заповнити цю прогалину, надаючи одну з перших систематичних реологічних характеристик бінарної системи CAPB-SMCT. Систематично змінюючи склад поверхнево-активних речовин, pH та іонну силу, ми з'ясовуємо фактори, що визначають зсувну в'язкість та в'язкопружність. Використовуючи механічну реометрію та мікрореологію DWS, ми кількісно визначаємо мікроструктурні реорганізації, що лежать в основі зсувної поведінки сумішей CAPB-SMCT. Ці результати пояснюють взаємодію між pH, співвідношенням CAPB-SMCT та іонними рівнями у сприянні або інгібуванні утворення WLM, тим самим пропонуючи практичне розуміння щодо адаптації реологічних профілів стійких продуктів на основі поверхнево-активних речовин для різноманітного промислового застосування.