Karakterisering av den reologiska dynamiken hos sulfatfria tensidblandningar av kokamidopropylbetain-natriummetylkokoyltaurat över sammansättning, pH och jonförhållanden

Introduktion

Vattenbaserade binära tensidsystem innefattande motsatt laddade ämnen används i stor utsträckning inom ett flertal industrisektorer, inklusive kosmetika, läkemedel, jordbrukskemikalier och livsmedelsförädlingsindustrier. Den utbredda användningen av dessa system tillskrivs främst deras överlägsna gränssnitts- och reologiska funktioner, vilket möjliggör förbättrad prestanda i olika formuleringar. Den synergistiska självorganiseringen av sådana tensider till maskliknande, intrasslade aggregat ger mycket avstämbara makroskopiska egenskaper, inklusive ökad viskoelasticitet och minskad gränssnittsspänning. I synnerhet uppvisar kombinationer av anjoniska och zwitterjoniska tensider synergistiska förbättringar i ytaktivitet, viskositet och modulering av gränssnittsspänning. Dessa beteenden uppstår från intensifierade elektrostatiska och steriska interaktioner mellan de polära huvudgrupperna och hydrofoba svansarna hos de tensider som används, i kontrast till system med en enda tensid, där repulsiva elektrostatiska krafter ofta begränsar prestandaoptimering.

Kokamidopropylbetain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) är ett allmänt använt amfotärt tensid i kosmetiska formuleringar på grund av dess milda rengörande effekt och hårbalsamerande egenskaper. CAPB:s zwitterjoniska natur möjliggör elektrostatisk synergi med anjoniska tensider, vilket förbättrar skumstabiliteten och främjar överlägsen formuleringsprestanda. Under de senaste fem decennierna har CAPB-blandningar med sulfatbaserade tensider, såsom CAPB-natriumlauryletersulfat (SLES), blivit grundläggande i personliga hygienprodukter. Trots effektiviteten hos sulfatbaserade tensider har dock oro över deras potential för hudirritation och närvaron av 1,4-dioxan, en biprodukt från etoxyleringsprocessen, drivit intresset för sulfatfria alternativ. Lovande kandidater inkluderar aminosyrabaserade tensider, såsom taurater, sarkosinater och glutamater, vilka uppvisar förbättrad biokompatibilitet och mildare egenskaper [9]. Icke desto mindre hindrar de relativt stora polära huvudgrupperna i dessa alternativ ofta bildandet av starkt intrasslade micellära strukturer, vilket nödvändiggör användningen av reologiska modifierare.

Natriummetylkokoyltaurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) är ett anjoniskt tensid som syntetiseras som ett natriumsalt via amidkoppling av N-metyltaurin (2-metylaminoetansulfonsyra) med en kokosnötsderiverad fettsyrakedja. SMCT har en amidbunden taurinhuvudgrupp tillsammans med en starkt anjonisk sulfonatgrupp, vilket gör den biologiskt nedbrytbar och kompatibel med hudens pH-värde, vilket positionerar den som en lovande kandidat för sulfatfria formuleringar. Taurattensider kännetecknas av sin potenta rengöringsförmåga, motståndskraft mot hårt vatten, mildhet och breda pH-stabilitet.

Reologiska parametrar, inklusive skjuvviskositet, viskoelastiska moduler och sträckgräns, är avgörande för att bestämma stabiliteten, texturen och prestandan hos produkter baserade på surfaktanter. Till exempel kan förhöjd skjuvviskositet förbättra substratretentionen, medan sträckgränsen styr formuleringens vidhäftning till hud eller hår efter applicering. Dessa makroskopiska reologiska egenskaper moduleras av ett flertal faktorer, inklusive koncentrationen av surfaktanter, pH, temperatur och närvaron av lösningsmedel eller tillsatser. Motsatt laddade surfaktanter kan genomgå olika mikrostrukturella övergångar, allt från sfäriska miceller och vesiklar till flytande kristallina faser, vilket i sin tur djupt påverkar bulkreologin. Blandningar av amfotära och anjoniska surfaktanter bildar ofta avlånga maskliknande miceller (WLM), vilket avsevärt förbättrar de viskoelastiska egenskaperna. Att förstå sambanden mellan mikrostruktur och egenskaper är därför avgörande för att optimera produktens prestanda.

Många experimentella studier har undersökt analoga binära system, såsom CAPB–SLES, för att belysa den mikrostrukturella grunden för deras egenskaper. Till exempel korrelerade Mitrinova et al. [13] micellstorlek (hydrodynamisk radie) med lösningsviskositet i CAPB–SLES–medellånga ko-surfaktantblandningar med hjälp av reometri och dynamisk ljusspridning (DLS). Mekanisk reometri ger insikt i den mikrostrukturella utvecklingen av dessa blandningar och kan förstärkas med optisk mikroreologi med hjälp av diffusionsvågspektroskopi (DWS) som utökar den tillgängliga frekvensdomänen och fångar korttidsdynamik som är särskilt relevant för WLM-relaxationsprocesser. I DWS-mikroreologi spåras den genomsnittliga kvadratiska förskjutningen av inbäddade kolloidala prober över tid, vilket möjliggör extraktion av linjära viskoelastiska moduler i det omgivande mediet via den generaliserade Stokes–Einstein-relationen. Denna teknik kräver endast minimala provvolymer och är således fördelaktig för att studera komplexa vätskor med begränsad materialtillgänglighet, t.ex. proteinbaserade formuleringar. Analys av < Δr²(t)>-data över breda frekvensspektra underlättar uppskattning av micellära parametrar såsom maskstorlek, intrasslingslängd, persistenslängd och konturlängd. Amin et al. visade att CAPB–SLES-blandningar överensstämmer med förutsägelser från Cates teori, och visar en uttalad ökning av viskositeten med salttillsats tills en kritisk saltkoncentration, bortom vilken viskositeten sjunker brant – ett typiskt svar i WLM-system. Xu och Amin använde mekanisk reometri och DWS för att undersöka SLES–CAPB–CCB-blandningar, vilket avslöjade ett Maxwellskt reologiskt svar som indikerar bildning av intrasslad WLM, vilket ytterligare bekräftades av mikrostrukturella parametrar som härletts från DWS-mätningarna. Byggande på dessa metoder integrerar den aktuella studien mekanisk reometri och DWS-mikroreologi för att belysa hur mikrostrukturella omorganisationer driver skjuvningsbeteendet hos CAPB–SMCT-blandningar.

Mot bakgrund av den ökande efterfrågan på skonsammare och mer hållbara rengöringsmedel har utforskandet av sulfatfria anjoniska tensider tagit fart trots formuleringsutmaningar. De distinkta molekylära arkitekturerna hos sulfatfria system ger ofta divergerande reologiska profiler, vilket komplicerar konventionella strategier för viskositetsförbättring, såsom via salt- eller polymerförtjockning. Yorke et al. utforskade till exempel icke-sulfatbaserade alternativ genom att systematiskt undersöka skumbildnings- och reologiska egenskaper hos binära och ternära tensidblandningar innehållande alkylolefinsulfonat (AOS), alkylpolyglukosid (APG) och laurylhydroxisultain. Ett 1:1-förhållande av AOS-sultain visade skjuvförtunning och skumegenskaper liknande CAPB-SLES, vilket indikerar WLM-bildning. Rajput et al. [26] utvärderade ett annat sulfatfritt anjoniskt tensid, natriumkokoylglycinat (SCGLY), tillsammans med nonjoniska samtensider (kokamiddietanolamin och laurylglukosid) genom DLS, SANS och reometri. Även om SCGLY ensamt bildade övervägande sfäriska miceller, möjliggjorde tillsats av samaktivt ämne konstruktionen av mer invecklade micellära morfologier, mottagliga för pH-driven modulering.

Trots dessa framsteg har jämförelsevis få undersökningar inriktat sig på de reologiska egenskaperna hos hållbara sulfatfria system som involverar CAPB och taurater. Denna studie syftar till att fylla detta gap genom att tillhandahålla en av de första systematiska reologiska karakteriseringarna av det binära CAPB-SMCT-systemet. Genom att systematiskt variera surfaktantsammansättning, pH och jonstyrka belyser vi de faktorer som styr skjuvviskositet och viskoelasticitet. Med hjälp av mekanisk reometri och DWS-mikroreologi kvantifierar vi de mikrostrukturella omorganisationerna som ligger bakom skjuvningsbeteendet hos CAPB-SMCT-blandningar. Dessa fynd belyser samspelet mellan pH, CAPB-SMCT-förhållande och jonnivåer för att främja eller hämma WLM-bildning, och erbjuder därmed praktiska insikter i att skräddarsy de reologiska profilerna för hållbara surfaktantbaserade produkter för olika industriella tillämpningar.