Karakterisering van die reologiese dinamika van sulfaatvrye oppervlakaktiewe mengsels van kokamidopropielbetaïne-natriummetielkokoïeltauraat oor samestelling, pH en ioniese toestande heen.

Inleiding

Waterige binêre oppervlakaktiewe stelsels wat teenoorgesteld gelaaide spesies bevat, word wyd gebruik in talle industriële sektore, insluitend skoonheidsmiddels, farmaseutiese produkte, landbouchemikalieë en voedselverwerkingsbedrywe. Die wydverspreide aanvaarding van hierdie stelsels word hoofsaaklik toegeskryf aan hul superieure tussenvlak- en reologiese funksionaliteite, wat verbeterde werkverrigting in diverse formulerings moontlik maak. Die sinergistiese self-samestelling van sulke oppervlakaktiewe stowwe in wurmagtige, verstrengelde aggregate verleen hoogs verstelbare makroskopiese eienskappe, insluitend verhoogde viskoelastisiteit en verminderde tussenvlakspanning. In die besonder toon kombinasies van anioniese en zwitterioniese oppervlakaktiewe stowwe sinergistiese verbeterings in oppervlakaktiwiteit, viskositeit en tussenvlakspanningsmodulasie. Hierdie gedrag ontstaan ​​uit versterkte elektrostatiese en steriese interaksies tussen die polêre kopgroepe en hidrofobiese sterte van die oppervlakaktiewe stowwe, in teenstelling met enkel-oppervlakaktiewe stelsels, waar afstotende elektrostatiese kragte dikwels werkverrigtingsoptimalisering beperk.

Kokamidopropielbetaïne (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) is 'n wydgebruikte amfoteriese oppervlakaktiewe middel in kosmetiese formulerings as gevolg van sy sagte reinigingsdoeltreffendheid en haarversorgingseienskappe. Die zwitterioniese aard van CAPB maak elektrostatiese sinergie met anioniese oppervlakaktiewe stowwe moontlik, wat skuimstabiliteit verbeter en beter formuleringsprestasie bevorder. Oor die afgelope vyf dekades het CAPB-mengsels met sulfaat-gebaseerde oppervlakaktiewe stowwe, soos CAPB-natriumlaurieletersulfaat (SLES), fundamenteel geword in persoonlike versorgingsprodukte. Ten spyte van die doeltreffendheid van sulfaat-gebaseerde oppervlakaktiewe stowwe, het kommer oor hul dermale irritasiepotensiaal en die teenwoordigheid van 1,4-dioksaan, 'n neweproduk van die etoksileringsproses, egter belangstelling in sulfaatvrye alternatiewe gedryf. Belowende kandidate sluit in aminosuur-gebaseerde oppervlakaktiewe stowwe, soos taurate, sarkosinate en glutamate, wat verbeterde biokompatibiliteit en milder eienskappe toon [9]. Nietemin belemmer die relatief groot polêre kopgroepe van hierdie alternatiewe dikwels die vorming van hoogs verstrengelde micellêre strukture, wat die gebruik van reologiese modifiseerders noodsaak.

Natriummetielkokoïeltauraat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) is 'n anioniese oppervlakaktiewe middel wat gesintetiseer word as 'n natriumsout via amiedkoppeling van N-metieltaurien (2-metielaminoetaansulfonzuur) met 'n klapper-afgeleide vetsuurketting. SMCT besit 'n amied-gekoppelde taurienkopgroep saam met 'n sterk anioniese sulfonaatgroep, wat dit bioafbreekbaar en versoenbaar maak met die vel se pH, wat dit as 'n belowende kandidaat vir sulfaatvrye formulasies posisioneer. Tauraat-oppervlakaktiewe stowwe word gekenmerk deur hul kragtige skoonmaakvermoë, hardewaterveerkragtigheid, sagheid en breë pH-stabiliteit.

Reologiese parameters, insluitend skuifviskositeit, visko-elastiese moduli en vloeispanning, is van kritieke belang om die stabiliteit, tekstuur en werkverrigting van produkte op grond van oppervlakaktiewe stowwe te bepaal. Verhoogde skuifviskositeit kan byvoorbeeld die substraatretensie verbeter, terwyl vloeispanning die formulering se adhesie aan vel of hare na toediening bepaal. Hierdie makroskopiese reologiese eienskappe word deur talle faktore gemoduleer, insluitend die konsentrasie van oppervlakaktiewe stowwe, pH, temperatuur en die teenwoordigheid van mede-oplosmiddels of bymiddels. Teenoorgestelde gelaaide oppervlakaktiewe stowwe kan diverse mikrostrukturele oorgange ondergaan, wat wissel van sferiese miselle en vesikels tot vloeibare kristallyne fases, wat weer die bulkreologie diepgaande beïnvloed. Mengsels van amfotere en anioniese oppervlakaktiewe stowwe vorm dikwels verlengde wurmagtige miselle (WLM's), wat die viskoelastiese eienskappe aansienlik verbeter. Begrip van die mikrostruktuur-eienskapsverhoudings is dus van kritieke belang om produkprestasie te optimaliseer.

Talle eksperimentele studies het analoog binêre stelsels, soos CAPB-SLES, ondersoek om die mikrostrukturele basis van hul eienskappe te verduidelik. Mitrinova et al. [13] het byvoorbeeld miselgrootte (hidrodinamiese radius) gekorreleer met oplossingsviskositeit in CAPB-SLES-mediumketting-ko-surfaktantmengsels deur reometrie en dinamiese ligverstrooiing (DLS). Meganiese reometrie bied insig in die mikrostrukturele evolusie van hierdie mengsels en kan aangevul word deur optiese mikroreologie met behulp van diffuse golfspektroskopie (DWS) wat die toeganklike frekwensiedomein uitbrei en korttydskaaldinamika vaslê wat veral relevant is vir WLM-relaksasieprosesse. In DWS-mikroreologie word die gemiddelde kwadraatverplasing van ingebedde kolloïdale probes oor tyd gevolg, wat die ekstraksie van lineêre visko-elastiese moduli van die omliggende medium via die veralgemeende Stokes-Einstein-verhouding moontlik maak. Hierdie tegniek vereis slegs minimale monstervolumes en is dus voordelig vir die bestudering van komplekse vloeistowwe met beperkte materiaalbeskikbaarheid, bv. proteïengebaseerde formulerings. Analise van < Δr²(t)> data oor breë frekwensiespektra vergemaklik die beraming van misellêre parameters soos maasgrootte, verstrengelingslengte, persistensielengte en kontoerlengte. Amin et al. het gedemonstreer dat CAPB-SLES-mengsels ooreenstem met voorspellings van Cates se teorie, wat 'n duidelike toename in viskositeit met soutbyvoeging toon tot 'n kritieke soutkonsentrasie, waarna die viskositeit skielik daal - 'n tipiese reaksie in WLM-stelsels. Xu en Amin het meganiese reometrie en DWS gebruik om SLES-CAPB-CCB-mengsels te ondersoek, wat 'n Maxwelliaanse reologiese reaksie onthul wat dui op verstrengelings-WLM-vorming, wat verder bevestig is deur mikrostrukturele parameters afgelei van die DWS-metings. Voortbouend op hierdie metodologieë, integreer die huidige studie meganiese reometrie en DWS-mikroreologie om te verduidelik hoe mikrostrukturele herorganisasies die skuifgedrag van CAPB-SMCT-mengsels dryf.

In die lig van die toenemende vraag na sagter en meer volhoubare skoonmaakmiddels, het die verkenning van sulfaatvrye anioniese oppervlakaktiewe stowwe momentum gekry ten spyte van formuleringsuitdagings. Die verskillende molekulêre argitekture van sulfaatvrye stelsels lewer dikwels uiteenlopende reologiese profiele op, wat konvensionele strategieë vir viskositeitsverbetering, soos via sout of polimeerverdikking, kompliseer. Yorke et al. het byvoorbeeld nie-sulfaat alternatiewe ondersoek deur die skuim- en reologiese eienskappe van binêre en ternêre oppervlakaktiewe mengsels met alkiel-olefiensulfonaat (AOS), alkielpoliglukosied (APG) en laurielhidroksisultaïne sistematies te ondersoek. 'n 1:1 verhouding van AOS-sultaïne het skuifverdunning en skuimeienskappe soortgelyk aan CAPB-SLES getoon, wat dui op WLM-vorming. Rajput et al. [26] het 'n ander sulfaatvrye anioniese oppervlakaktiewe stof, natriumkokoïelglisinaat (SCGLY), saam met nie-ioniese ko-oppervlakaktiewe stowwe (kokamieddiëtanolamien en laurielglukosied) deur DLS, SANS en reometrie geëvalueer. Alhoewel SCGLY alleen oorwegend sferiese miselle gevorm het, het die byvoeging van ko-surfaktant die konstruksie van meer ingewikkelde misellêre morfologieë moontlik gemaak, wat vatbaar is vir pH-gedrewe modulasie.

Ten spyte van hierdie vooruitgang, het relatief min ondersoeke die reologiese eienskappe van volhoubare sulfaatvrye stelsels wat CAPB en taurate insluit, geteiken. Hierdie studie poog om hierdie gaping te vul deur een van die eerste sistematiese reologiese karakteriserings van die CAPB-SMCT binêre stelsel te verskaf. Deur die samestelling van oppervlakaktiewe middel, pH en ioniese sterkte sistematies te varieer, verduidelik ons die faktore wat skuifviskositeit en viskoelastisiteit beheer. Deur meganiese reometrie en DWS-mikroreologie te gebruik, kwantifiseer ons die mikrostrukturele herorganisasies onderliggend aan die skuifgedrag van CAPB-SMCT-mengsels. Hierdie bevindinge verduidelik die wisselwerking tussen pH, CAPB-SMCT-verhouding en ioniese vlakke in die bevordering of inhibering van WLM-vorming, en bied sodoende praktiese insigte in die aanpassing van die reologiese profiele van volhoubare oppervlakaktiewe produkte vir diverse industriële toepassings.