Sulfatų neturinčių kokamidopropilo betaino ir natrio metilkokoiltaurato paviršinio aktyvumo medžiagų mišinių reologinės dinamikos apibūdinimas, atsižvelgiant į sudėtį, pH ir jonines sąlygas

Įvadas

Vandeninės binarinės paviršinio aktyvumo medžiagų sistemos, sudarytos iš priešingai įkrautų rūšių, yra plačiai naudojamos daugelyje pramonės sektorių, įskaitant kosmetikos, farmacijos, agrochemijos ir maisto perdirbimo pramonę. Plačiai paplitę šios sistemos pirmiausia dėl jų geresnių tarpfazinių ir reologinių funkcijų, kurios leidžia pagerinti įvairių formulių veikimą. Sinergetinis tokių paviršinio aktyvumo medžiagų savaiminis susirinkimas į kirminų pavidalo, susipynusius agregatus suteikia labai reguliuojamas makroskopines savybes, įskaitant padidėjusį klampumą ir sumažintą tarpfazinį įtempimą. Visų pirma, anijoninių ir cviterjoninių paviršinio aktyvumo medžiagų deriniai pasižymi sinergetiniu paviršiaus aktyvumo, klampumo ir tarpfazinio įtempimo moduliacijos padidėjimu. Šis elgesys atsiranda dėl sustiprėjusios elektrostatinės ir sterinės sąveikos tarp paviršinio aktyvumo medžiagų polinių galvų grupių ir hidrofobinių uodegų, priešingai nei vienos paviršinio aktyvumo medžiagos sistemose, kur stumiančios elektrostatinės jėgos dažnai riboja našumo optimizavimą.

Kokamidopropilo betainas (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) yra plačiai naudojama amfoterinė paviršinio aktyvumo medžiaga kosmetikos formulėse dėl savo švelnaus valomojo efektyvumo ir plaukų kondicionavimo savybių. Cviterjoninė CAPB prigimtis leidžia pasiekti elektrostatinę sinergiją su anijoninėmis paviršinio aktyvumo medžiagomis, padidindama putų stabilumą ir skatindama geresnes formulės savybes. Per pastaruosius penkis dešimtmečius CAPB mišiniai su sulfatų pagrindu pagamintomis paviršinio aktyvumo medžiagomis, tokiomis kaip CAPB ir natrio laurilo eterio sulfatas (SLES), tapo pagrindine asmens priežiūros priemonių dalimi. Tačiau, nepaisant sulfatų pagrindu pagamintų paviršinio aktyvumo medžiagų veiksmingumo, susirūpinimas dėl jų odos dirginimo potencialo ir 1,4-dioksano, etoksilinimo proceso šalutinio produkto, buvimo paskatino susidomėjimą alternatyvomis be sulfatų. Perspektyvūs kandidatai yra aminorūgščių pagrindu pagamintos paviršinio aktyvumo medžiagos, tokios kaip tauratai, sarkozinatai ir glutamatai, kurios pasižymi geresniu biologiniu suderinamumu ir švelnesnėmis savybėmis [9]. Nepaisant to, santykinai didelės šių alternatyvų polinės galvučių grupės dažnai trukdo susidaryti labai susipynusiems miceliniams dariniams, todėl reikia naudoti reologinius modifikatorius.

Natrio metilkokoiltauratas (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) yra anijoninė paviršinio aktyvumo medžiaga, susintetinta kaip natrio druska, jungiant N-metiltauriną (2-metilaminoetansulfonrūgštį) su kokoso riebalų rūgščių grandine, sujungta amido jungtimi. SMCT turi amidu sujungtą taurino galvos grupę kartu su stipriai anijonine sulfonato grupe, todėl jis yra biologiškai skaidus ir suderinamas su odos pH, todėl yra perspektyvus kandidatas į formules be sulfatų. Taurato tipo paviršinio aktyvumo medžiagos pasižymi stipriu plovimu, atsparumu kietam vandeniui, švelnumu ir plačiu pH stabilumu.

Reologiniai parametrai, įskaitant šlyties klampumą, klampos elastingumo modulius ir takumo ribą, yra labai svarbūs nustatant paviršinio aktyvumo medžiagų pagrindu pagamintų produktų stabilumą, tekstūrą ir savybes. Pavyzdžiui, padidėjęs šlyties klampumas gali pagerinti substrato sulaikymą, o takumo riba lemia formulės sukibimą su oda ar plaukais po panaudojimo. Šias makroskopines reologines savybes moduliuoja daugybė veiksnių, įskaitant paviršinio aktyvumo medžiagų koncentraciją, pH, temperatūrą ir tirpiklių ar priedų buvimą. Priešingai įkrautos paviršinio aktyvumo medžiagos gali patirti įvairius mikrostruktūrinius pokyčius – nuo sferinių micelių ir pūslelių iki skystųjų kristalų fazių, kurios savo ruožtu daro didelę įtaką bendros reologijos savybėms. Amfoterinių ir anijoninių paviršinio aktyvumo medžiagų mišiniai dažnai sudaro pailgas kirmino formos miceles (WLM), kurios žymiai pagerina klampos elastingumo savybes. Todėl mikrostruktūros ir savybių ryšių supratimas yra labai svarbus norint optimizuoti produkto savybes.

Daugybė eksperimentinių tyrimų tyrė analogiškas binarines sistemas, tokias kaip CAPB–SLES, siekdami išsiaiškinti jų savybių mikrostruktūrinį pagrindą. Pavyzdžiui, Mitrinova ir kt. [13] koreliavo micelių dydį (hidrodinaminį spindulį) su tirpalo klampumu CAPB–SLES ir vidutinės grandinės bendro paviršiaus aktyviosios medžiagos mišiniuose, naudodami reometriją ir dinaminį šviesos sklaidą (DLS). Mechaninė reometrija suteikia įžvalgų apie šių mišinių mikrostruktūrinę evoliuciją ir gali būti papildyta optine mikroreologija naudojant difuzinių bangų spektroskopiją (DWS), kuri išplečia prieinamą dažnių sritį, užfiksuodama trumpalaikę dinamiką, ypač svarbią WLM relaksacijos procesams. DWS mikroreologijoje įterptųjų koloidinių zondų vidutinis kvadratinis poslinkis yra stebimas laikui bėgant, o tai leidžia išskirti aplinkinės terpės linijinius klampos elastingumo modulius per apibendrintą Stokso-Einšteino sąryšį. Šiai technikai reikia tik minimalių mėginio tūrių, todėl ji yra naudinga tiriant sudėtingus skysčius, kuriuose yra ribotas medžiagų prieinamumas, pvz., baltymų pagrindu pagamintas formules. <Δr²(t)> duomenų analizė plačiuose dažnių spektruose palengvina micelinių parametrų, tokių kaip tinklelio dydis, susipynimo ilgis, išsilaikymo ilgis ir kontūro ilgis, įvertinimą. Amin ir kt. parodė, kad CAPB–SLES mišiniai atitinka Cateso teorijos prognozes, rodydami ryškų klampumo padidėjimą pridedant druskos iki kritinės druskos koncentracijos, kurią viršijus klampumas staigiai sumažėja – tipiškas atsakas WLM sistemose. Xu ir Amin, naudodami mechaninę reometriją ir DWS, ištyrė SLES–CAPB–CCB mišinius, atskleisdami Maksvelo reologinį atsaką, rodantį susipynusio WLM susidarymą, kurį dar labiau patvirtino mikrostruktūros parametrai, nustatyti iš DWS matavimų. Remiantis šiomis metodikomis, šiame tyrime integruojama mechaninė reometrija ir DWS mikroreologija, siekiant išsiaiškinti, kaip mikrostruktūros reorganizacijos lemia CAPB–SMCT mišinių šlyties elgseną.

Didėjant švelnesnių ir tvaresnių valymo priemonių paklausai, nepaisant formulavimo iššūkių, įsibėgėjo anijoninių paviršinio aktyvumo medžiagų be sulfatų tyrimai. Skirtingos be sulfatų sistemų molekulinės architektūros dažnai lemia skirtingus reologinius profilius, o tai apsunkina įprastas klampumo didinimo strategijas, tokias kaip druskos ar polimerinis tirštinimas. Pavyzdžiui, Yorke ir kt. tyrinėjo nesulfatines alternatyvas, sistemingai tirdami dvejetainių ir tretinių paviršinio aktyvumo medžiagų mišinių, kurių sudėtyje yra alkilolefino sulfonato (AOS), alkilpoligliukozido (APG) ir laurilo hidroksisultaino, putojimo ir reologines savybes. 1:1 AOS ir sultaino santykis parodė šlyties retėjimą ir putojimo savybes, panašias į CAPB-SLES, o tai rodo WLM susidarymą. Rajput ir kt. [26] įvertino kitą be sulfatų anijoninę paviršinio aktyvumo medžiagą, natrio kokoilglicinatą (SCGLY), kartu su nejoninėmis bendromis paviršinio aktyvumo medžiagomis (kokamido dietanolaminu ir laurilo gliukozidu), naudodami DLS, SANS ir reometriją. Nors vien SCGLY sudarė daugiausia sferines miceles, bendro paviršiaus aktyviųjų medžiagų pridėjimas leido sukurti sudėtingesnes micelines morfologijas, pritaikytas pH sukeltai moduliacijai.

Nepaisant šios pažangos, palyginti nedaug tyrimų buvo skirti tvarių sulfatų neturinčių sistemų, kuriose dalyvauja CAPB ir tauratai, reologinėms savybėms tirti. Šio tyrimo tikslas – užpildyti šią spragą pateikiant vieną pirmųjų sistemingų CAPB-SMCT binarinės sistemos reologinių charakteristikų. Sistemingai keisdami paviršinio aktyvumo medžiagų sudėtį, pH ir joninę stiprybę, išsiaiškiname veiksnius, lemiančius šlyties klampumą ir klampos elastingumą. Naudodami mechaninę reometriją ir DWS mikroreologiją, kiekybiškai įvertiname mikrostruktūrinius reorganizavimus, lemiančius CAPB-SMCT mišinių šlyties elgseną. Šie rezultatai paaiškina pH, CAPB-SMCT santykio ir jonų lygių sąveiką skatinant arba slopinant WLM susidarymą, taip pateikiant praktinių įžvalgų, kaip pritaikyti tvarių paviršinio aktyvumo medžiagų pagrindu pagamintų produktų reologinius profilius įvairioms pramonės reikmėms.