Χαρακτηρισμός της ρεολογικής δυναμικής μιγμάτων επιφανειοδραστικών ουσιών κοκαμιδοπροπυλ βεταΐνης-μεθυλοκοκοϋλοταυρικού νατρίου χωρίς θειικά άλατα σε σχέση με τη σύνθεση, το pH και τις ιοντικές συνθήκες

Εισαγωγή

Τα υδατικά δυαδικά συστήματα επιφανειοδραστικών ουσιών που περιλαμβάνουν αντίθετα φορτισμένα είδη χρησιμοποιούνται εκτενώς σε πολυάριθμους βιομηχανικούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων των καλλυντικών, των φαρμακευτικών, των αγροχημικών και των βιομηχανιών επεξεργασίας τροφίμων. Η ευρεία υιοθέτηση αυτών των συστημάτων αποδίδεται κυρίως στις ανώτερες διεπιφανειακές και ρεολογικές λειτουργικότητές τους, οι οποίες επιτρέπουν βελτιωμένη απόδοση σε ποικίλες συνθέσεις. Η συνεργιστική αυτοσυναρμολόγηση τέτοιων επιφανειοδραστικών ουσιών σε σκωληκοειδείς, εμπλεγμένες συσσωματώσεις προσδίδει εξαιρετικά ρυθμιζόμενες μακροσκοπικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της αυξημένης ιξωδοελαστικότητας και της μειωμένης διεπιφανειακής τάσης. Συγκεκριμένα, οι συνδυασμοί ανιονικών και αμφιτεριονικών επιφανειοδραστικών ουσιών εμφανίζουν συνεργιστικές βελτιώσεις στην επιφανειακή δραστηριότητα, το ιξώδες και τη διαμόρφωση της διεπιφανειακής τάσης. Αυτές οι συμπεριφορές προκύπτουν από εντατικές ηλεκτροστατικές και στερεοχημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πολικών ομάδων κεφαλής και των υδρόφοβων ουρών των επιφανειοδραστικών ουσιών, σε αντίθεση με τα συστήματα μεμονωμένων επιφανειοδραστικών ουσιών, όπου οι απωστικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις συχνά περιορίζουν τη βελτιστοποίηση της απόδοσης.

Η κοκαμιδοπροπυλική βεταΐνη (CAPB· SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο αμφοτερικό επιφανειοδραστικό σε καλλυντικά σκευάσματα λόγω της ήπιας καθαριστικής του αποτελεσματικότητας και των ιδιοτήτων περιποίησης των μαλλιών. Η αμφιτεριονική φύση του CAPB επιτρέπει την ηλεκτροστατική συνέργεια με ανιονικά επιφανειοδραστικά, ενισχύοντας τη σταθερότητα του αφρού και προωθώντας ανώτερη απόδοση των σκευασμάτων. Τις τελευταίες πέντε δεκαετίες, τα μείγματα CAPB με επιφανειοδραστικά με βάση τα θειικά, όπως το CAPB-θειικό λαυρυλαιθέρα νατρίου (SLES), έχουν γίνει θεμελιώδη στα προϊόντα προσωπικής φροντίδας. Ωστόσο, παρά την αποτελεσματικότητα των επιφανειοδραστικών με βάση τα θειικά, οι ανησυχίες σχετικά με το δυναμικό ερεθισμού του δέρματος και την παρουσία 1,4-διοξανίου, ενός υποπροϊόντος της διαδικασίας αιθοξυλίωσης, έχουν οδηγήσει το ενδιαφέρον για εναλλακτικές λύσεις χωρίς θειικά. Υποσχόμενοι υποψήφιοι περιλαμβάνουν επιφανειοδραστικά με βάση τα αμινοξέα, όπως ταυρικά, τα σαρκοσινικά και τα γλουταμινικά, τα οποία εμφανίζουν βελτιωμένη βιοσυμβατότητα και ηπιότερες ιδιότητες [9]. Παρ 'όλα αυτά, οι σχετικά μεγάλες πολικές ομάδες κεφαλών αυτών των εναλλακτικών λύσεων συχνά εμποδίζουν τον σχηματισμό ιδιαίτερα εμπλεκόμενων μικκυλιακών δομών, καθιστώντας απαραίτητη τη χρήση ρεολογικών τροποποιητών.

Μεθυλοκοκοϋλοταυρικό νάτριο (SMCT· SMILES:
Το CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) είναι ένα ανιονικό επιφανειοδραστικό που συντίθεται ως άλας νατρίου μέσω σύζευξης αμιδίου της Ν-μεθυλοταυρίνης (2-μεθυλαμινοαιθανοσουλφονικού οξέος) με μια αλυσίδα λιπαρού οξέος που προέρχεται από καρύδα. Το SMCT διαθέτει μια ομάδα κεφαλής ταυρίνης συνδεδεμένη με αμίδιο παράλληλα με μια ισχυρά ανιονική σουλφονική ομάδα, καθιστώντας την βιοδιασπώμενη και συμβατή με το pH του δέρματος, γεγονός που την καθιστά έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για σκευάσματα χωρίς θειικά άλατα. Τα ταυρικά επιφανειοδραστικά χαρακτηρίζονται από την ισχυρή απορρυπαντικότητά τους, την ανθεκτικότητα στο σκληρό νερό, την απαλότητα και την ευρεία σταθερότητα του pH.

Οι ρεολογικές παράμετροι, συμπεριλαμβανομένου του ιξώδους διάτμησης, των ιξωδοελαστικών μέτρων και της τάσης διαρροής, είναι κρίσιμες για τον προσδιορισμό της σταθερότητας, της υφής και της απόδοσης των προϊόντων με βάση τα επιφανειοδραστικά. Για παράδειγμα, το αυξημένο ιξώδες διάτμησης μπορεί να βελτιώσει τη συγκράτηση του υποστρώματος, ενώ η τάση διαρροής διέπει την προσκόλληση της σύνθεσης στο δέρμα ή τα μαλλιά μετά την εφαρμογή. Αυτά τα μακροσκοπικά ρεολογικά χαρακτηριστικά διαμορφώνονται από πολλούς παράγοντες, όπως η συγκέντρωση επιφανειοδραστικών, το pH, η θερμοκρασία και η παρουσία συνδιαλυτών ή προσθέτων. Τα αντίθετα φορτισμένα επιφανειοδραστικά μπορούν να υποβληθούν σε ποικίλες μικροδομικές μεταβάσεις, που κυμαίνονται από σφαιρικά μικκύλια και κυστίδια έως υγρές κρυσταλλικές φάσεις, οι οποίες, με τη σειρά τους, επηρεάζουν βαθιά τη ρεολογία του όγκου. Τα μείγματα αμφοτερικών και ανιονικών επιφανειοδραστικών συχνά σχηματίζουν επιμήκη σκωληκοειδή μικκύλια (WLM), τα οποία ενισχύουν σημαντικά τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες. Η κατανόηση των σχέσεων μικροδομής-ιδιοτήτων είναι, επομένως, κρίσιμη για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του προϊόντος.

Πολυάριθμες πειραματικές μελέτες έχουν διερευνήσει ανάλογα δυαδικά συστήματα, όπως το CAPB-SLES, για να διευκρινίσουν τη μικροδομική βάση των ιδιοτήτων τους. Για παράδειγμα, οι Mitrinova et al. [13] συσχέτισαν το μέγεθος των μικκυλίων (υδροδυναμική ακτίνα) με το ιξώδες του διαλύματος σε μείγματα συν-επιφανειοδραστικών ουσιών CAPB-SLES μεσαίας αλυσίδας χρησιμοποιώντας ρεομετρία και δυναμική σκέδαση φωτός (DLS). Η μηχανική ρεομετρία παρέχει πληροφορίες για την μικροδομική εξέλιξη αυτών των μειγμάτων και μπορεί να ενισχυθεί με οπτική μικρορεολογία χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία διάχυσης κύματος (DWS), η οποία επεκτείνει το προσβάσιμο πεδίο συχνότητας, καταγράφοντας δυναμικές βραχείας χρονικής κλίμακας, ιδιαίτερα σχετικές με τις διεργασίες χαλάρωσης WLM. Στη μικρορεολογία DWS, η μέση τετραγωνική μετατόπιση των ενσωματωμένων κολλοειδών ανιχνευτών παρακολουθείται με την πάροδο του χρόνου, επιτρέποντας την εξαγωγή γραμμικών ιξωδοελαστικών μέτρου ελαστικότητας του περιβάλλοντος μέσου μέσω της γενικευμένης σχέσης Stokes-Einstein. Αυτή η τεχνική απαιτεί μόνο ελάχιστους όγκους δείγματος και επομένως είναι πλεονεκτική για τη μελέτη σύνθετων ρευστών με περιορισμένη διαθεσιμότητα υλικών, π.χ. σκευάσματα με βάση πρωτεΐνες. Η ανάλυση δεδομένων <Δr²(t)> σε φάσματα ευρείας συχνότητας διευκολύνει την εκτίμηση μικκυλιακών παραμέτρων όπως το μέγεθος του πλέγματος, το μήκος εμπλοκής, το μήκος επιμονής και το μήκος του περιγράμματος. Οι Amin et al. απέδειξαν ότι τα μείγματα CAPB-SLES συμμορφώνονται με τις προβλέψεις της θεωρίας του Cates, δείχνοντας μια έντονη αύξηση στο ιξώδες με την προσθήκη άλατος μέχρι μια κρίσιμη συγκέντρωση άλατος, πέρα από την οποία το ιξώδες μειώνεται απότομα - μια τυπική απόκριση σε συστήματα WLM. Οι Xu και Amin χρησιμοποίησαν μηχανική ρεομετρία και DWS για να εξετάσουν μείγματα SLES-CAPB-CCB, αποκαλύπτοντας μια Maxwellian ρεολογική απόκριση ενδεικτική του σχηματισμού εμπλοκής WLM, η οποία επιβεβαιώθηκε περαιτέρω από μικροδομικές παραμέτρους που συνάγονται από τις μετρήσεις DWS. Βασιζόμενη σε αυτές τις μεθοδολογίες, η παρούσα μελέτη ενσωματώνει μηχανική ρεομετρία και μικρορεολογία DWS για να διευκρινίσει πώς οι μικροδομικές αναδιοργανώσεις οδηγούν στη συμπεριφορά διάτμησης των μειγμάτων CAPB-SMCT.

Λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για πιο ήπια και βιώσιμα καθαριστικά, η εξερεύνηση ανιονικών επιφανειοδραστικών ουσιών χωρίς θειικά έχει αποκτήσει δυναμική παρά τις προκλήσεις στη σύνθεση. Οι ξεχωριστές μοριακές αρχιτεκτονικές των συστημάτων χωρίς θειικά συχνά αποδίδουν αποκλίνοντα ρεολογικά προφίλ, περιπλέκοντας τις συμβατικές στρατηγικές για την ενίσχυση του ιξώδους, όπως μέσω πάχυνσης με άλατα ή πολυμερή. Για παράδειγμα, οι Yorke et al. διερεύνησαν εναλλακτικές λύσεις χωρίς θειικά, διερευνώντας συστηματικά τις αφριστικές και ρεολογικές ιδιότητες δυαδικών και τριαδικών μειγμάτων επιφανειοδραστικών ουσιών που περιλαμβάνουν αλκυλο-ολεφινοσουλφονικό (AOS), αλκυλο-πολυγλυκοζίτη (APG) και λαυρυλο-υδροξυσουλταΐνη. Μια αναλογία 1:1 AOS-σουλταΐνης έδειξε χαρακτηριστικά αραίωσης διάτμησης και αφρισμού παρόμοια με το CAPB-SLES, υποδεικνύοντας σχηματισμό WLM. Οι Rajput et al. [26] αξιολόγησαν ένα άλλο ανιονικό επιφανειοδραστικό ουσία χωρίς θειικά, το κοκοϋλογλυκινικό νάτριο (SCGLY), μαζί με μη ιονικά συν-επιφανειοδραστικά (κοκαμιδική διαιθανολαμίνη και λαυρυλο-γλυκοζίτη) μέσω DLS, SANS και ρεομετρίας. Αν και το SCGLY από μόνο του σχημάτισε κυρίως σφαιρικά μικκύλια, η προσθήκη συν-επιφανειοδραστικής ουσίας επέτρεψε την κατασκευή πιο περίπλοκων μικκυλιακών μορφολογιών, επιδεκτικών διαμόρφωσης που εξαρτάται από το pH.

Παρά τις προόδους αυτές, συγκριτικά λίγες έρευνες έχουν στοχεύσει στις ρεολογικές ιδιότητες βιώσιμων συστημάτων χωρίς θειικά άλατα που περιλαμβάνουν CAPB και ταυρικά άλατα. Αυτή η μελέτη στοχεύει να καλύψει αυτό το κενό παρέχοντας έναν από τους πρώτους συστηματικούς ρεολογικούς χαρακτηρισμούς του δυαδικού συστήματος CAPB-SMCT. Μεταβάλλοντας συστηματικά τη σύνθεση των επιφανειοδραστικών ουσιών, το pH και την ιοντική ισχύ, διευκρινίζουμε τους παράγοντες που διέπουν το ιξώδες διάτμησης και την ιξωδοελαστικότητα. Χρησιμοποιώντας μηχανική ρεομετρία και μικρορεολογία DWS, ποσοτικοποιούμε τις μικροδομικές αναδιοργανώσεις που αποτελούν τη βάση της συμπεριφοράς διάτμησης των μειγμάτων CAPB-SMCT. Αυτά τα ευρήματα διευκρινίζουν την αλληλεπίδραση μεταξύ του pH, της αναλογίας CAPB-SMCT και των ιοντικών επιπέδων στην προώθηση ή την αναστολή του σχηματισμού WLM, προσφέροντας έτσι πρακτικές γνώσεις για την προσαρμογή των ρεολογικών προφίλ βιώσιμων προϊόντων με βάση τα επιφανειοδραστικά για ποικίλες βιομηχανικές εφαρμογές.