Kokamidopropyylibetaiini-natriummetyylikokoyylitauraatin sulfaatittomien pinta-aktiivisten aineiden seosten reologisen dynamiikan karakterisointi koostumuksen, pH:n ja ioniolosuhteiden mukaan

Johdanto

Vastakkaisesti varautuneita lajeja sisältäviä vesipitoisia binaarisia pinta-aktiivisia aineita käytetään laajasti useilla teollisuudenaloilla, kuten kosmetiikka-, lääke-, maatalouskemikaali- ja elintarviketeollisuudessa. Näiden järjestelmien laajalle levinnyt käyttöönotto johtuu pääasiassa niiden ylivoimaisista rajapinta- ja reologisista toiminnallisuuksista, jotka mahdollistavat paremman suorituskyvyn erilaisissa formulaatioissa. Tällaisten pinta-aktiivisten aineiden synergistinen itsejärjestäytyminen matomaisiksi, kietoutuneiksi aggregaateiksi antaa erittäin säädettäviä makroskooppisia ominaisuuksia, mukaan lukien lisääntynyt viskoelastisuus ja pienentynyt rajapintajännitys. Erityisesti anionisten ja tsvitterionisten pinta-aktiivisten aineiden yhdistelmät parantavat synergistisesti pinta-aktiivisuutta, viskositeettia ja rajapintajännityksen modulointia. Nämä käyttäytymismallit johtuvat pinta-aktiivisten aineiden polaaristen pääryhmien ja hydrofobisten häntäryhmien välisten tehostettujen sähköstaattisten ja steeristen vuorovaikutusten seurauksena, toisin kuin yhden pinta-aktiivisen aineen järjestelmissä, joissa hylkivät sähköstaattiset voimat usein rajoittavat suorituskyvyn optimointia.

Kokamidopropyylibetaiini (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) on laajalti käytetty amfoteerinen pinta-aktiivinen aine kosmeettisissa valmisteissa sen miedon puhdistustehon ja hiuksia hoitavien ominaisuuksien ansiosta. CAPB:n tsvitterioninen luonne mahdollistaa sähköstaattisen synergian anionisten pinta-aktiivisten aineiden kanssa, mikä parantaa vaahdon vakautta ja edistää erinomaista formulaation suorituskykyä. Viimeisten viiden vuosikymmenen aikana CAPB-seokset sulfaattipohjaisten pinta-aktiivisten aineiden, kuten CAPB:n ja natriumlauryylieetterisulfaatin (SLES), kanssa ovat tulleet perustavanlaatuisiksi henkilökohtaisen hygienian tuotteissa. Sulfaattipohjaisten pinta-aktiivisten aineiden tehokkuudesta huolimatta huolenaiheet niiden ihoärsytystä aiheuttavasta potentiaalista ja etoksylointiprosessin sivutuotteena syntyvän 1,4-dioksaanin läsnäolosta ovat kuitenkin lisänneet kiinnostusta sulfaatittomiin vaihtoehtoihin. Lupaavia ehdokkaita ovat aminohappopohjaiset pinta-aktiiviset aineet, kuten tauraatit, sarkosinaatit ja glutamaatit, joilla on parempi bioyhteensopivuus ja miedommat ominaisuudet [9]. Näiden vaihtoehtojen suhteellisen suuret polaariset päätyryhmät kuitenkin usein estävät erittäin kietoutuneiden misellirakenteiden muodostumista, mikä edellyttää reologisten modifioijien käyttöä.

Natriummetyylikokoyylitauraatti (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) on anioninen pinta-aktiivinen aine, joka syntetisoidaan natriumsuolana N-metyylitauriinin (2-metyyliaminoetaanisulfonihappo) ja kookoksesta peräisin olevan rasvahappoketjun amidikytkentäreaktiolla. SMCT:llä on amidisidottu tauriinipääryhmä vahvasti anionisen sulfonaattiryhmän rinnalla, mikä tekee siitä biohajoavan ja yhteensopivan ihon pH-arvon kanssa. Tämä tekee siitä lupaavan ehdokkaan sulfaatittomille koostumuksille. Tauraattipinta-aktiivisille aineille on ominaista tehokas pesukyky, kovan veden kestävyys, mietous ja laaja pH-stabiilius.

Reologiset parametrit, mukaan lukien leikkausviskositeetti, viskoelastiset moduulit ja myötöraja, ovat ratkaisevan tärkeitä pinta-aktiivisiin aineisiin perustuvien tuotteiden stabiilisuuden, rakenteen ja suorituskyvyn määrittämisessä. Esimerkiksi kohonnut leikkausviskositeetti voi parantaa substraatin pysyvyyttä, kun taas myötöraja säätelee formulaation tarttumista ihoon tai hiuksiin levityksen jälkeen. Näitä makroskooppisia reologisia ominaisuuksia säätelevät lukuisat tekijät, kuten pinta-aktiivisten aineiden pitoisuus, pH, lämpötila ja apuliuottimien tai lisäaineiden läsnäolo. Vastakkaisesti varautuneet pinta-aktiiviset aineet voivat läpikäydä erilaisia mikrorakenteellisia muutoksia, aina pallomaisista miselleistä ja vesikkeleistä nestekidefaaseihin, jotka puolestaan vaikuttavat syvällisesti massan reologiaan. Amfoteeristen ja anionisten pinta-aktiivisten aineiden seokset muodostavat usein pitkänomaisia matomaisia misellejä (WLM), jotka parantavat merkittävästi viskoelastisia ominaisuuksia. Mikrorakenteen ja ominaisuuksien välisten suhteiden ymmärtäminen on siksi ratkaisevan tärkeää tuotteen suorituskyvyn optimoimiseksi.

Lukuisissa kokeellisissa tutkimuksissa on tutkittu analogisia binaarisia systeemejä, kuten CAPB–SLES, selvittääkseen niiden ominaisuuksien mikrorakenteellista perustaa. Esimerkiksi Mitrinova ym. [13] korreloivat misellin koon (hydrodynaamisen säteen) liuoksen viskositeettiin CAPB–SLES:n ja keskipitkäketjuisten pinta-aktiivisten aineiden seoksissa käyttäen reometriaa ja dynaamista valonsirontaa (DLS). Mekaaninen reometria antaa tietoa näiden seosten mikrorakenteellisesta kehityksestä ja sitä voidaan täydentää optisella mikroreologialla käyttäen diffuusioaaltospektroskopiaa (DWS), joka laajentaa saavutettavaa taajuusaluetta ja tallentaa lyhyen aikavälin dynamiikkaa, joka on erityisen olennaista WLM-relaksaatioprosesseille. DWS-mikroreologiassa upotettujen kolloidisten koettimien keskimääräistä neliösiirtymää seurataan ajan kuluessa, mikä mahdollistaa ympäröivän väliaineen lineaaristen viskoelastisten moduulien erottamisen yleistetyn Stokes–Einstein-relaation avulla. Tämä tekniikka vaatii vain minimaaliset näytetilavuudet ja on siten edullinen tutkittaessa monimutkaisia nesteitä, joilla on rajoitetusti materiaalia saatavilla, esim. proteiinipohjaiset formulaatiot. <Δr²(t)>-datan analysointi laajoilla taajuusspektreillä helpottaa miselliparametrien, kuten verkkokoon, kietoutumispituuden, pysyvyyspituuden ja ääriviivan pituuden, arviointia. Amin ym. osoittivat, että CAPB–SLES-seokset ovat Catesin teorian ennusteiden mukaisia ja osoittavat voimakasta viskositeetin kasvua suolan lisäyksen myötä kriittiseen suolapitoisuuteen asti, jonka jälkeen viskositeetti laskee jyrkästi – tyypillinen vaste WLM-järjestelmissä. Xu ja Amin käyttivät mekaanista reometriaa ja DWS:ää tutkiakseen SLES–CAPB–CCB-seoksia, paljastaen Maxwellin reologisen vasteen, joka viittaa kietoutuneiden WLM-seosten muodostumiseen. Tätä vahvistivat edelleen DWS-mittauksista johdetut mikrorakenteelliset parametrit. Näiden menetelmien pohjalta nykyinen tutkimus yhdistää mekaanisen reometrian ja DWS-mikroreologian selvittääkseen, miten mikrorakenteelliset uudelleenjärjestelyt ohjaavat CAPB–SMCT-seosten leikkauskäyttäytymistä.

Hellävaraisempien ja kestävämpien puhdistusaineiden kasvavan kysynnän valossa sulfaatittomien anionisten pinta-aktiivisten aineiden tutkimus on saanut vauhtia formulaatiohaasteista huolimatta. Sulfaatittomien järjestelmien erilaiset molekyyliarkkitehtuurit johtavat usein erilaisiin reologisiin profiileihin, mikä monimutkaistaa perinteisiä viskositeetin parantamisstrategioita, kuten suola- tai polymeerisellä sakeuttamisella. Esimerkiksi Yorke ym. tutkivat sulfaatittomia vaihtoehtoja systemaattisesti tutkimalla alkyyliolefiinisulfonaattia (AOS), alkyylipolyglukosidia (APG) ja lauryylihydroksisultaiinia sisältävien binaaristen ja ternaaristen pinta-aktiivisten aineiden seosten vaahtoamis- ja reologisia ominaisuuksia. AOS:n ja sultaiinin suhde 1:1 osoitti leikkausohenemista ja vaahtoamisominaisuuksia, jotka muistuttivat CAPB-SLES:ää, mikä viittaa WLM:n muodostumiseen. Rajput ym. [26] arvioivat toista sulfaatitonta anionista pinta-aktiivista ainetta, natriumkokoyyliglysinaattia (SCGLY), ionittomien ko-pinta-aktiivisten aineiden (kokamidietanoliamiini ja lauryyliglukosidi) rinnalla DLS:n, SANS:n ja reometrian avulla. Vaikka SCGLY yksinään muodosti pääasiassa pallomaisia misellejä, pinta-aktiivisen aineen lisääminen mahdollisti monimutkaisempien misellimorfologioiden rakentamisen, jotka soveltuvat pH-ohjattuun modulointiin.

Näistä edistysaskeleista huolimatta suhteellisen harvat tutkimukset ovat keskittyneet kestävien sulfaatittomien järjestelmien reologisiin ominaisuuksiin, joissa on CAPB:tä ja tauraatteja. Tämä tutkimus pyrkii täyttämään tämän aukon tarjoamalla yhden ensimmäisistä systemaattisista CAPB–SMCT-binäärijärjestelmän reologisista karakterisoinneista. Muuttamalla systemaattisesti pinta-aktiivisen aineen koostumusta, pH:ta ja ionivahvuutta selvitämme leikkausviskositeettia ja viskoelastisuutta säätelevät tekijät. Mekaanisen reometrian ja DWS-mikroreologian avulla kvantifioimme CAPB–SMCT-seosten leikkauskäyttäytymisen taustalla olevia mikrorakenteellisia uudelleenjärjestelyjä. Nämä löydökset selvittävät pH:n, CAPB–SMCT-suhteen ja ionitasojen välistä vuorovaikutusta WLM:n muodostumisen edistämisessä tai estämisessä, tarjoten siten käytännön näkemyksiä kestävien pinta-aktiivisen aineen pohjalta valmistettujen tuotteiden reologisten profiilien räätälöintiin erilaisiin teollisiin sovelluksiin.