Mencirikan dinamik reologi campuran surfaktan bebas sulfat cocamidopropyl betaine-sodium metil cocoyl taurate merentas komposisi, pH dan keadaan ionik

pengenalan

Sistem surfaktan binari akueus yang terdiri daripada spesies bercas bertentangan digunakan secara meluas merentasi pelbagai sektor perindustrian, termasuk industri kosmetik, farmaseutikal, agrokimia dan pemprosesan makanan. Penggunaan meluas sistem ini terutamanya disebabkan oleh kefungsian antara muka dan rheologi yang unggul, yang membolehkan prestasi dipertingkatkan dalam pelbagai formulasi. Pengumpulan diri sinergistik surfaktan sedemikian menjadi seperti cacing, agregat terjerat memberikan sifat makroskopik yang sangat boleh dilaras, termasuk peningkatan kelikatan dan mengurangkan ketegangan antara muka. Khususnya, gabungan surfaktan anionik dan zwitterionik mempamerkan peningkatan sinergistik dalam aktiviti permukaan, kelikatan, dan modulasi tegangan antara muka. Tingkah laku ini timbul daripada interaksi elektrostatik dan sterik yang dipergiatkan antara kumpulan kepala kutub dan ekor hidrofobik surfaktan, berbeza dengan sistem surfaktan tunggal, di mana daya elektrostatik yang menolak sering mengehadkan pengoptimuman prestasi.

Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ialah surfaktan amfoterik yang digunakan secara meluas dalam formulasi kosmetik kerana keberkesanan pembersihan yang lembut dan sifat penyaman rambut. Sifat zwitterionik CAPB membolehkan sinergi elektrostatik dengan surfaktan anionik, meningkatkan kestabilan buih dan menggalakkan prestasi penggubalan yang unggul. Sepanjang lima dekad yang lalu, campuran CAPB dengan surfaktan berasaskan sulfat, seperti CAPB–sodium lauryl ether sulfate (SLES), telah menjadi asas dalam produk penjagaan diri. Walau bagaimanapun, di sebalik keberkesanan surfaktan berasaskan sulfat, kebimbangan mengenai potensi kerengsaan kulit mereka dan kehadiran 1,4-dioksana, hasil sampingan proses etoksilasi, telah mendorong minat terhadap alternatif bebas sulfat. Calon yang menjanjikan termasuk surfaktan berasaskan asid amino, seperti taurat, sarkosinat, dan glutamat, yang mempamerkan biokompatibiliti yang dipertingkatkan dan sifat yang lebih ringan [9]. Walau bagaimanapun, kumpulan kepala kutub yang agak besar bagi alternatif ini sering menghalang pembentukan struktur misel yang sangat terikat, yang memerlukan penggunaan pengubah reologi.

Sodium methyl cocoyl taurate (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) ialah surfaktan anionik yang disintesis sebagai garam natrium melalui gandingan amida N-methyltaurine (asid 2-methylaminoethanesulfonic) dengan rantai asid lemak terbitan kelapa. SMCT mempunyai kumpulan kepala taurin yang dikaitkan dengan amida bersama kumpulan sulfonat anionik, menjadikannya terbiodegradasi dan serasi dengan pH kulit, yang meletakkannya sebagai calon yang menjanjikan untuk formulasi bebas sulfat. Surfaktan Taurat dicirikan oleh detergensi yang kuat, keanjalan air keras, kelembutan, dan kestabilan pH yang luas.

Parameter reologi, termasuk kelikatan ricih, modulus viskoelastik, dan tegasan alah, adalah kritikal dalam menentukan kestabilan, tekstur dan prestasi produk berasaskan surfaktan. Sebagai contoh, kelikatan ricih yang tinggi boleh meningkatkan pengekalan substrat, manakala tegasan hasil mengawal pematuhan formulasi pada kulit atau rambut selepas penggunaan. Atribut reologi makroskopik ini dimodulasi oleh banyak faktor, termasuk kepekatan surfaktan, pH, suhu, dan kehadiran pelarut bersama atau aditif. Surfaktan bercas bertentangan boleh mengalami peralihan mikrostruktur yang pelbagai, dari misel sfera dan vesikel kepada fasa kristal cecair, yang seterusnya memberi kesan yang mendalam kepada reologi pukal. Campuran surfaktan amfoterik dan anionik sering membentuk misel seperti cacing memanjang (WLM), yang meningkatkan sifat viskoelastik dengan ketara. Oleh itu, memahami perhubungan struktur mikro-harta adalah penting untuk mengoptimumkan prestasi produk.

Banyak kajian eksperimen telah menyiasat sistem binari analog, seperti CAPB-SLES, untuk menjelaskan asas mikrostruktur sifat mereka. Sebagai contoh, Mitrinova et al. [13] mengaitkan saiz misel (jejari hidrodinamik) dengan kelikatan larutan dalam campuran ko-surfaktan rantaian sederhana CAPB–SLES menggunakan rheometri dan serakan cahaya dinamik (DLS). Rheometri mekanikal memberikan gambaran tentang evolusi mikrostruktur bagi campuran ini dan boleh ditambah dengan mikrorheologi optik menggunakan spektroskopi gelombang meresap (DWS) yang memanjangkan domain frekuensi boleh diakses, menangkap dinamik skala masa pendek terutamanya berkaitan dengan proses kelonggaran WLM. Dalam mikrorheologi DWS, min anjakan segi empat sama probe koloid tertanam dijejaki dari semasa ke semasa, membolehkan pengekstrakan modulus viskoelastik linear medium sekeliling melalui perhubungan umum Stokes-Einstein. Teknik ini hanya memerlukan jumlah sampel yang minimum dan oleh itu berfaedah untuk mengkaji cecair kompleks dengan ketersediaan bahan yang terhad, contohnya formulasi berasaskan protein. Analisis data < Δr²(t)> merentas spektrum frekuensi luas memudahkan anggaran parameter misel seperti saiz jejaring, panjang belitan, panjang kegigihan dan panjang kontur. Amin et al menunjukkan bahawa campuran CAPB-SLES mematuhi ramalan dari teori Cates, menunjukkan peningkatan ketara dalam kelikatan dengan penambahan garam sehingga kepekatan garam kritikal, di luar kelikatan menurun dengan mendadak-tindak balas tipikal dalam sistem WLM Xu dan Amin menggunakan rheometri mekanikal dan DWS untuk memeriksa tindak balas terjerat SLES–CAPB–CCB yang terserlah secara maksima. Pembentukan WLM, yang selanjutnya disokong oleh parameter mikrostruktur yang disimpulkan daripada pengukuran DWS. Membina metodologi ini, kajian semasa mengintegrasikan rheometri mekanikal dan mikrorheologi DWS untuk menjelaskan bagaimana penyusunan semula mikrostruktur memacu tingkah laku ricih campuran CAPB-SMCT.

Memandangkan permintaan yang semakin meningkat untuk agen pembersih yang lebih lembut dan lebih mampan, penerokaan surfaktan anionik bebas sulfat telah mendapat momentum walaupun menghadapi cabaran penggubalan. Seni bina molekul sistem bebas sulfat yang berbeza selalunya menghasilkan profil rheologi yang berbeza, menyukarkan strategi konvensional untuk peningkatan kelikatan seperti melalui garam atau pemekatan polimer. Sebagai contoh, Yorke et al. meneroka alternatif bukan sulfat dengan menyiasat secara sistematik sifat berbuih dan reologi campuran surfaktan binari dan terner yang menampilkan alkil olefin sulfonat (AOS), alkil polyglucoside (APG), dan lauril hidroksisultain. Nisbah 1:1 AOS-sultaine menunjukkan ciri penipisan ricih dan buih serupa dengan CAPB-SLES, menunjukkan pembentukan WLM. Rajput et al. [26] menilai satu lagi surfaktan anionik bebas sulfat, sodium cocoyl glycinate (SCGLY), bersama-sama surfaktan bukan ionik (cocamide diethanolamine dan lauryl glucoside) melalui DLS, SANS, dan rheometri. Walaupun SCGLY sahaja membentuk sebahagian besar misel sfera, penambahan ko-surfaktan membolehkan pembinaan morfologi misel yang lebih rumit, sesuai dengan modulasi yang dipacu pH.

Walaupun kemajuan ini, agak sedikit penyiasatan telah menyasarkan sifat reologi sistem bebas sulfat lestari yang melibatkan CAPB dan taurat. Kajian ini bertujuan untuk mengisi jurang ini dengan menyediakan salah satu pencirian reologi sistematik pertama sistem binari CAPB-SMCT. Dengan mengubah komposisi surfaktan, pH dan kekuatan ion secara sistematik, kami menjelaskan faktor-faktor yang mengawal kelikatan ricih dan kelikatan. Menggunakan rheometri mekanikal dan mikrorheologi DWS, kami mengukur penyusunan semula mikrostruktur yang mendasari tingkah laku ricih campuran CAPB-SMCT. Penemuan ini menjelaskan interaksi antara pH, nisbah CAPB-SMCT dan tahap ionik dalam menggalakkan atau menghalang pembentukan WLM, dengan itu menawarkan pandangan praktikal untuk menyesuaikan profil reologi produk berasaskan surfaktan mampan untuk aplikasi industri yang pelbagai.