Mencirikan dinamik reologi campuran surfaktan bebas sulfat bagi kokamidopropil betain-natrium metil kokoil taurat merentasi komposisi, pH dan keadaan ionik

Pengenalan

Sistem surfaktan binari akueus yang terdiri daripada spesies bercas bertentangan digunakan secara meluas merentasi pelbagai sektor perindustrian, termasuk kosmetik, farmaseutikal, agrokimia dan industri pemprosesan makanan. Penerimaan meluas sistem ini terutamanya disebabkan oleh fungsi antara muka dan reologi yang unggul, yang membolehkan prestasi yang dipertingkatkan dalam pelbagai formulasi. Pemasangan kendiri sinergi surfaktan sedemikian menjadi agregat seperti cacing yang berbelit memberikan sifat makroskopik yang sangat boleh ditala, termasuk peningkatan viskoelastik dan pengurangan ketegangan antara muka. Khususnya, gabungan surfaktan anionik dan zwitterionik mempamerkan peningkatan sinergi dalam aktiviti permukaan, kelikatan dan modulasi ketegangan 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 tolakan sering mengehadkan pengoptimuman prestasi.

Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ialah surfaktan amfoterik yang digunakan secara meluas dalam formulasi kosmetik kerana keberkesanan pembersihannya yang ringan dan sifat pelembut rambut. Sifat zwitterionik CAPB membolehkan sinergi elektrostatik dengan surfaktan anionik, meningkatkan kestabilan buih dan menggalakkan prestasi formulasi yang unggul. Sepanjang lima dekad yang lalu, campuran CAPB dengan surfaktan berasaskan sulfat, seperti CAPB–natrium lauril eter sulfat (SLES), telah menjadi asas dalam produk penjagaan diri. Walau bagaimanapun, meskipun terdapat keberkesanan surfaktan berasaskan sulfat, kebimbangan mengenai potensi kerengsaan kulitnya 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 biokeserasian 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.

Natrium metil kokoil taurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) ialah surfaktan anionik yang disintesis sebagai garam natrium melalui gandingan amida N-metiltaurina (2-metilaminoetanasulfonat) dengan rantai asid lemak terbitan kelapa. SMCT mempunyai kumpulan kepala taurina berkaitan amida di samping kumpulan sulfonat anionik yang kuat, menjadikannya terbiodegradasi dan serasi dengan pH kulit, yang meletakkannya sebagai calon yang berpotensi untuk formulasi bebas sulfat. Surfaktan taurat dicirikan oleh detergensi yang kuat, daya tahan air keras, kelembutan, dan kestabilan pH yang luas.

Parameter reologi, termasuk kelikatan ricih, moduli viskoelastik dan tegasan alah, adalah penting dalam menentukan kestabilan, tekstur dan prestasi produk berasaskan surfaktan. Contohnya, kelikatan ricih yang tinggi boleh meningkatkan pengekalan substrat, manakala tegasan alah mengawal lekatan formulasi pada kulit atau rambut selepas penggunaan. Atribut reologi makroskopik ini dimodulasi oleh pelbagai faktor, termasuk kepekatan surfaktan, pH, suhu dan kehadiran pelarut bersama atau bahan tambahan. Surfaktan bercas bertentangan boleh menjalani pelbagai peralihan mikrostruktur, daripada misel dan vesikel sfera kepada fasa kristal cecair, yang seterusnya, memberi kesan mendalam kepada reologi pukal. Campuran surfaktan amfoterik dan anionik selalunya membentuk misel seperti cacing memanjang (WLM), yang meningkatkan sifat viskoelastik dengan ketara. Oleh itu, memahami hubungan mikrostruktur-sifat adalah penting untuk mengoptimumkan prestasi produk.

Banyak kajian eksperimen telah mengkaji sistem binari analog, seperti CAPB–SLES, untuk menjelaskan asas mikrostruktur sifatnya. Contohnya, Mitrinova et al. [13] mengaitkan saiz misel (jejari hidrodinamik) dengan kelikatan larutan dalam campuran ko-surfaktan rantaian sederhana CAPB–SLES menggunakan reometri dan penyerakan cahaya dinamik (DLS). Reometri mekanikal memberikan wawasan tentang evolusi mikrostruktur campuran ini dan boleh ditambah dengan mikroreologi optik menggunakan spektroskopi gelombang meresap (DWS) yang meluaskan domain frekuensi yang boleh diakses, menangkap dinamik skala masa pendek terutamanya yang berkaitan dengan proses relaksasi WLM. Dalam mikroreologi DWS, anjakan kuasa dua min prob koloid terbenam dijejaki dari semasa ke semasa, membolehkan pengekstrakan moduli viskoelastik linear medium sekeliling melalui hubungan Stokes–Einstein umum. Teknik ini hanya memerlukan isipadu sampel minimum dan oleh itu berfaedah untuk mengkaji cecair kompleks dengan ketersediaan bahan yang terhad, contohnya formulasi berasaskan protein. Analisis data <Δr²(t)> merentasi spektrum frekuensi luas memudahkan anggaran parameter misel seperti saiz jejaring, panjang keterikatan, panjang kegigihan dan panjang kontur. Amin et al menunjukkan bahawa campuran CAPB–SLES mematuhi ramalan daripada teori Cates, menunjukkan peningkatan kelikatan yang ketara dengan penambahan garam sehingga kepekatan garam kritikal, di luar itu kelikatan menurun dengan mendadak—tindak balas biasa dalam sistem WLM. Xu dan Amin menggunakan reometri mekanikal dan DWS untuk memeriksa campuran SLES–CAPB–CCB, mendedahkan tindak balas reologi Maxwellian yang menunjukkan pembentukan WLM yang terikat, yang selanjutnya disokong oleh parameter mikrostruktur yang disimpulkan daripada pengukuran DWS. Berdasarkan metodologi ini, kajian semasa mengintegrasikan reometri mekanikal dan mikroreologi 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 meskipun terdapat cabaran formulasi. Seni bina molekul sistem bebas sulfat yang berbeza sering menghasilkan profil reologi yang berbeza, merumitkan strategi konvensional untuk peningkatan kelikatan seperti melalui garam atau penebalan polimer. Contohnya, Yorke et al. meneroka alternatif bukan sulfat dengan menyiasat secara sistematik sifat pembuih dan reologi campuran surfaktan binari dan ternari yang menampilkan alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukosida (APG), dan lauril hidroksisultaina. Nisbah 1:1 AOS–sultaina menunjukkan penipisan ricih dan ciri-ciri buih yang serupa dengan CAPB–SLES, yang menunjukkan pembentukan WLM. Rajput et al. [26] menilai surfaktan anionik bebas sulfat yang lain, natrium kokoil glisinat (SCGLY), di samping ko-surfaktan bukan ionik (kokamida dietanolamina dan lauril glukosida) melalui DLS, SANS, dan reometri. Walaupun SCGLY sahaja membentuk misel sfera yang dominan, penambahan ko-surfaktan membolehkan pembinaan morfologi misel yang lebih rumit, yang sesuai dengan modulasi dipacu pH.

Walaupun terdapat kemajuan ini, agak sedikit kajian yang 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 bagi sistem binari CAPB-SMCT. Dengan mengubah komposisi surfaktan, pH dan kekuatan ionik secara sistematik, kami menjelaskan faktor-faktor yang mengawal kelikatan ricih dan viskoelastik. Menggunakan reometri mekanikal dan mikroreologi DWS, kami mengukur penyusunan semula mikrostruktur yang mendasari kelakuan ricih campuran CAPB-SMCT. Penemuan ini menjelaskan interaksi antara pH, nisbah CAPB-SMCT dan tahap ionik dalam menggalakkan atau menghalang pembentukan WLM, sekali gus menawarkan pandangan praktikal dalam menyesuaikan profil reologi produk berasaskan surfaktan lestari untuk pelbagai aplikasi perindustrian.