Pagkilala sa rheological dynamics ng mga sulfate-free surfactant mixtures ng cocamidopropyl betaine-sodium methyl cocoyl taurate sa komposisyon, pH, at ionic conditions.

Panimula

Ang mga aqueous binary surfactant system na binubuo ng mga magkasalungat na kargadong species ay malawakang ginagamit sa maraming industriyal na sektor, kabilang ang mga kosmetiko, parmasyutiko, agrochemical, at mga industriya ng pagproseso ng pagkain. Ang malawakang pag-aampon ng mga sistemang ito ay pangunahing maiuugnay sa kanilang superior na interfacial at rheological functionalities, na nagbibigay-daan sa pinahusay na pagganap sa iba't ibang pormulasyon. Ang synergistic self-assembly ng mga naturang surfactant sa mga parang bulate, magkakaugnay na aggregate ay nagbibigay ng lubos na naaayos na macroscopic properties, kabilang ang pagtaas ng viscoelasticity at nabawasang interfacial tension. Sa partikular, ang mga kumbinasyon ng anionic at zwitterionic surfactant ay nagpapakita ng mga synergistic enhancement sa surface activity, viscosity, at interfacial tension modulation. Ang mga pag-uugaling ito ay nagmumula sa pinatindi na electrostatic at steric interactions sa pagitan ng mga polar head group at hydrophobic tails ng mga surfactant, na kabaligtaran sa mga single-surfactant system, kung saan ang mga repulsive electrostatic forces ay kadalasang naglilimita sa performance optimization.

Ang Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ay isang malawakang ginagamit na amphoteric surfactant sa mga kosmetikong pormulasyon dahil sa banayad nitong bisa sa paglilinis at mga katangian nito sa pagpapakondisyon ng buhok. Ang zwitterionic na katangian ng CAPB ay nagbibigay-daan sa electrostatic synergy sa mga anionic surfactant, na nagpapahusay sa katatagan ng foam at nagtataguyod ng higit na mahusay na pagganap ng pormulasyon. Sa nakalipas na limang dekada, ang mga pinaghalong CAPB na may mga sulfate-based surfactant, tulad ng CAPB–sodium lauryl ether sulfate (SLES), ay naging pundasyon sa mga produktong pangangalaga sa sarili. Gayunpaman, sa kabila ng bisa ng mga sulfate-based surfactant, ang mga alalahanin tungkol sa kanilang potensyal na pangangati sa balat at ang pagkakaroon ng 1,4-dioxane, isang byproduct ng proseso ng ethoxylation, ay nagtulak ng interes sa mga alternatibong walang sulfate. Kabilang sa mga promising candidate ang mga amino-acid-based surfactant, tulad ng taurates, sarcosinates, at glutamate, na nagpapakita ng pinahusay na biocompatibility at mas banayad na mga katangian [9]. Gayunpaman, ang medyo malalaking polar head group ng mga alternatibong ito ay kadalasang humahadlang sa pagbuo ng mga lubos na magkakaugnay na istruktura ng micellar, na nangangailangan ng paggamit ng mga rheological modifier.

Sodium methyl cocoyl taurate (SMCT; MGA NGITI:
Ang CCCCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) ay isang anionic surfactant na na-synthesize bilang sodium salt sa pamamagitan ng amide coupling ng N-methyltaurine (2-methylaminoethanesulfonic acid) na may coconut-derived fatty acid chain. Ang SMCT ay nagtataglay ng amide-linked taurine headgroup kasama ang isang strongly anionic sulfonate group, na ginagawa itong biodegradable at compatible sa pH ng balat, na nagpoposisyon dito bilang isang promising candidate para sa mga sulfate-free formulation. Ang mga taurate surfactant ay nailalarawan sa pamamagitan ng kanilang potent detergent, hard-water resilience, mildness, at malawak na pH stability.

Ang mga rheological parameter, kabilang ang shear viscosity, viscoelastic moduli, at yield stress, ay kritikal sa pagtukoy ng estabilidad, tekstura, at pagganap ng mga produktong nakabatay sa surfactant. Halimbawa, ang mataas na shear viscosity ay maaaring mapabuti ang pagpapanatili ng substrate, habang ang yield stress ay namamahala sa pagdikit ng pormulasyon sa balat o buhok pagkatapos ng aplikasyon. Ang mga macroscopic rheological na katangiang ito ay binabago ng maraming salik, kabilang ang konsentrasyon ng surfactant, pH, temperatura, at ang pagkakaroon ng mga co-solvent o additives. Ang mga opposite charged surfactant ay maaaring sumailalim sa iba't ibang microstructural transitions, mula sa spherical micelles at vesicles hanggang sa liquid crystalline phases, na siya namang nakakaapekto nang malaki sa bulk rheology. Ang mga halo ng amphoteric at anionic surfactants ay kadalasang bumubuo ng mga elongated wormlike micelles (WLMs), na makabuluhang nagpapahusay sa mga viscoelastic properties. Samakatuwid, ang pag-unawa sa mga ugnayan ng microstructure-property ay mahalaga para sa pag-optimize ng pagganap ng produkto.

Maraming eksperimental na pag-aaral ang nag-imbestiga sa mga analogong binary system, tulad ng CAPB–SLES, upang linawin ang microstructural na batayan ng kanilang mga katangian. Halimbawa, iniugnay nina Mitrinova et al. [13] ang laki ng micelle (hydrodynamic radius) sa solution viscosity sa mga CAPB–SLES–medium-chain co-surfactant mixtures gamit ang rheometry at dynamic light scattering (DLS). Ang mechanical rheometry ay nagbibigay ng pananaw sa microstructural evolution ng mga mixture na ito at maaaring dagdagan ng optical microrheology gamit ang diffusing wave spectroscopy (DWS) na nagpapalawak sa accessible frequency domain, na kumukuha ng mga short-timescale dynamics na partikular na nauugnay sa mga proseso ng relaxation ng WLM. Sa DWS microrheology, ang mean square displacement ng mga naka-embed na colloidal probes ay sinusubaybayan sa paglipas ng panahon, na nagbibigay-daan sa pagkuha ng linear viscoelastic moduli ng nakapalibot na medium sa pamamagitan ng generalized Stokes–Einstein relation. Ang pamamaraang ito ay nangangailangan lamang ng kaunting sample volume at samakatuwid ay kapaki-pakinabang para sa pag-aaral ng mga kumplikadong likido na may limitadong availability ng materyal, hal. mga formulation na nakabatay sa protina. Ang pagsusuri ng datos na <Δr²(t)> sa malawak na frequency spectra ay nagpapadali sa pagtantya ng mga micellar parameter tulad ng laki ng mesh, haba ng pagkakabuhol-buhol, haba ng persistence, at haba ng contour. Ipinakita nina Amin et al. na ang mga pinaghalong CAPB–SLES ay sumusunod sa mga hula mula sa teorya ni Cates, na nagpapakita ng isang malinaw na pagtaas sa lagkit kasabay ng pagdaragdag ng asin hanggang sa isang kritikal na konsentrasyon ng asin, na lampas dito ay biglang bumababa ang lagkit—isang tipikal na tugon sa mga sistema ng WLM. Gumamit sina Xu at Amin ng mechanical rheometry at DWS upang suriin ang mga pinaghalong SLES–CAPB–CCB, na nagpapakita ng isang Maxwellian rheological response na nagpapahiwatig ng magkakabuhol-buhol na pagbuo ng WLM, na higit pang pinatunayan ng mga microstructural parameter na nahinuha mula sa mga sukat ng DWS. Batay sa mga metodolohiyang ito, isinasama ng kasalukuyang pag-aaral ang mechanical rheometry at DWS microrheology upang linawin kung paano pinapagana ng mga microstructural reorganization ang shear behavior ng mga pinaghalong CAPB–SMCT.

Dahil sa tumataas na pangangailangan para sa mas banayad at mas napapanatiling mga ahente ng paglilinis, ang paggalugad ng mga sulfate-free anionic surfactant ay nakakuha ng momentum sa kabila ng mga hamon sa pormulasyon. Ang natatanging arkitektura ng molekular ng mga sistemang sulfate-free ay kadalasang nagbubunga ng magkakaibang mga profile ng rheological, na nagpapakomplikado sa mga kumbensyonal na estratehiya para sa pagpapahusay ng lagkit tulad ng sa pamamagitan ng asin o polymeric thickening. Halimbawa, sinaliksik nina Yorke et al. ang mga alternatibong non-sulfate sa pamamagitan ng sistematikong pagsisiyasat sa mga foaming at rheological na katangian ng binary at ternary surfactant mixtures na nagtatampok ng alkyl olefin sulfonate (AOS), alkyl polyglucoside (APG), at lauryl hydroxysultaine. Ang 1:1 ratio ng AOS–sultaine ay nagpakita ng shear-thinning at mga katangian ng foam na katulad ng CAPB–SLES, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng WLM. Sinuri nina Rajput et al. [26] ang isa pang sulfate-free anionic surfactant, ang sodium cocoyl glycinate (SCGLY), kasama ang mga nonionic co-surfactant (cocamide diethanolamine at lauryl glucoside) sa pamamagitan ng DLS, SANS, at rheometry. Bagama't ang SCGLY lamang ang nakabuo ng halos spherical micelles, ang pagdaragdag ng co-surfactant ay nagbigay-daan sa pagbuo ng mas masalimuot na morpolohiya ng micellar, na maaaring i-modulate gamit ang pH.

Sa kabila ng mga pagsulong na ito, medyo kakaunti ang mga imbestigasyon na tumutok sa mga katangiang reolohikal ng mga napapanatiling sistemang walang sulfate na kinasasangkutan ng CAPB at taurates. Nilalayon ng pag-aaral na ito na punan ang kakulangang ito sa pamamagitan ng pagbibigay ng isa sa mga unang sistematikong katangiang reolohikal ng binary system na CAPB–SMCT. Sa pamamagitan ng sistematikong pag-iiba-iba ng komposisyon ng surfactant, pH, at lakas ng ionic, nililinaw namin ang mga salik na namamahala sa shear viscosity at viscoelasticity. Gamit ang mechanical rheometry at DWS microrheology, binibilang namin ang mga microstructural reorganization na pinagbabatayan ng shear behavior ng mga pinaghalong CAPB–SMCT. Nililinaw ng mga natuklasang ito ang interaksyon sa pagitan ng pH, ratio ng CAPB–SMCT, at mga antas ng ionic sa pagtataguyod o pagpigil sa pagbuo ng WLM, sa gayon ay nag-aalok ng mga praktikal na pananaw sa pag-aangkop ng mga rheological profile ng mga napapanatiling produktong nakabatay sa surfactant para sa magkakaibang aplikasyon sa industriya.