Nailalarawan ang rheological dynamics ng sulfate-free surfactant mixtures ng cocamidopropyl betaine-sodium methyl cocoyl taurate sa komposisyon, pH, at ionic na kondisyon

Panimula

Ang mga aqueous binary surfactant system na binubuo ng magkasalungat na singil na species ay malawakang ginagamit sa maraming sektor ng industriya, kabilang ang mga kosmetiko, parmasyutiko, agrochemical, at industriya ng pagproseso ng pagkain. Ang malawakang paggamit ng mga sistemang ito ay pangunahing iniuugnay sa kanilang mga superyor na interfacial at rheological functionality, na nagbibigay-daan sa pinahusay na pagganap sa magkakaibang mga formulation. Ang synergistic na self-assembly ng naturang mga surfactant sa parang worm, entangled aggregate ay nagbibigay ng lubos na tunable macroscopic properties, kabilang ang tumaas na viscoelasticity at nabawasan ang interfacial tension. Sa partikular, ang mga kumbinasyon ng anionic at zwitterionic surfactant ay nagpapakita ng mga synergistic na pagpapahusay sa aktibidad sa ibabaw, lagkit, at interfacial tension modulation. Ang mga pag-uugali na ito ay nagmumula sa pinatindi na electrostatic at steric na mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga polar head group at hydrophobic tails ng mga surfactant, na naiiba sa mga single-surfactant system, kung saan madalas na nililimitahan ng mga repulsive electrostatic force ang pag-optimize ng pagganap.

Ang Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ay isang malawakang ginagamit na amphoteric surfactant sa mga cosmetic formulation dahil sa pagiging epektibo nito sa banayad na paglilinis at mga katangian ng hair-conditioning. Ang zwitterionic na katangian ng CAPB ay nagbibigay-daan sa electrostatic synergy na may mga anionic surfactant, na nagpapahusay sa katatagan ng foam at nagpo-promote ng mahusay na pagganap ng pagbabalangkas. Sa nakalipas na limang dekada, ang mga pinaghalong CAPB na may mga surfactant na nakabatay sa sulfate, gaya ng CAPB–sodium lauryl ether sulfate (SLES), ay naging pundasyon sa mga produkto ng personal na pangangalaga. Gayunpaman, sa kabila ng pagiging epektibo ng mga surfactant na nakabatay sa sulfate, ang mga alalahanin tungkol sa kanilang potensyal na pangangati ng balat at ang pagkakaroon ng 1,4-dioxane, isang byproduct ng proseso ng ethoxylation, ay nagdulot ng interes sa mga alternatibong walang sulfate. Ang mga nangangako na kandidato ay kinabibilangan ng mga surfactant na nakabatay sa amino-acid, 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 madalas na humahadlang sa pagbuo ng mga lubos na gusot na istruktura ng micellar, na nangangailangan ng paggamit ng mga rheological modifier.

Sodium methyl cocoyl taurate (SMCT; NGITI:
Ang CCCCCCCCCCCC(=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 isang amide-linked taurine headgroup sa tabi ng isang malakas na anionic sulfonate group, na ginagawa itong biodegradable at tugma sa pH ng balat, na nagpoposisyon dito bilang isang promising candidate para sa sulfate-free formulations . Ang mga Taurate surfactant ay nailalarawan sa pamamagitan ng kanilang potent detergency, hard-water resilience, kahinahunan, at malawak na pH stability.

Ang mga rheological parameter, kabilang ang shear viscosity, viscoelastic moduli, at yield stress, ay kritikal sa pagtukoy ng stability, texture, at performance ng mga produktong nakabatay sa surfactant. Halimbawa, ang mataas na lagkit ng paggugupit ay maaaring mapabuti ang pagpapanatili ng substrate, habang ang yield stress ay namamahala sa pagsunod ng formulation sa balat o buhok pagkatapos ng aplikasyon. Ang mga macroscopic rheological na katangian na ito ay binago ng maraming mga kadahilanan, kabilang ang konsentrasyon ng surfactant, pH, temperatura, at pagkakaroon ng mga co-solvent o additives. Ang mga surfactant na magkasalungat na sinisingil ay maaaring sumailalim sa magkakaibang microstructural transition, mula sa spherical micelles at vesicles hanggang sa mga likidong crystalline na phase, na kung saan, ay lubos na nakakaapekto sa bulk rheology. Ang mga pinaghalong amphoteric at anionic surfactant ay kadalasang bumubuo ng mga elongated wormlike micelles (WLMs), na makabuluhang nagpapahusay ng viscoelastic properties. Ang pag-unawa sa microstructure–property relationships, samakatuwid, ay kritikal para sa pag-optimize ng performance ng produkto.

Maraming mga eksperimentong pag-aaral ang nag-imbestiga ng mga analogous binary system, tulad ng CAPB-SLES, upang ipaliwanag ang microstructural na batayan ng kanilang mga katangian. Halimbawa, Mitrinova et al. [13] nauugnay ang laki ng micelle (hydrodynamic radius) na may lapot ng solusyon sa CAPB–SLES–medium-chain co-surfactant mixtures gamit ang rheometry at dynamic light scattering (DLS). Ang mekanikal na rheometry ay nagbibigay ng insight sa microstructural evolution ng mga mixture na ito at maaaring dagdagan ng optical microrheology gamit ang diffusing wave spectroscopy (DWS) na nagpapalawak ng accessible frequency domain, na kumukuha ng short-timescale dynamics partikular na nauugnay sa mga proseso ng pagpapahinga ng WLM. Sa DWS microrheology, ang ibig sabihin ng square displacement ng mga naka-embed na colloidal probes ay sinusubaybayan sa paglipas ng panahon, na nagpapagana sa pagkuha ng linear viscoelastic moduli ng nakapaligid na medium sa pamamagitan ng generalised Stokes–Einstein relation. Ang pamamaraan na ito ay nangangailangan lamang ng kaunting dami ng sample at sa gayon ay kapaki-pakinabang para sa pag-aaral ng mga kumplikadong likido na may limitadong kakayahang magamit ng materyal, hal. Ang pagsusuri ng < Δr²(t)> na data sa malawak na frequency spectra ay nagpapadali sa pagtatantya ng mga parameter ng micellar gaya ng laki ng mesh, haba ng pagkakabuhol, haba ng persistence, at haba ng contour. Ipinakita ng Amin et al na ang mga pinaghalong CAPB-SLES ay umaayon sa mga hula mula sa teorya ni Cates, na nagpapakita ng isang malinaw na pagtaas ng lagkit na may pagdaragdag ng asin hanggang sa isang kritikal na konsentrasyon ng asin, na higit sa kung saan ang lagkit ay mabilis na bumababa-isang tipikal na tugon sa mga sistema ng WLM na sina Xu at Amin ay gumagamit ng mechanical rheometry at DWS upang suriin ang SLES-CAPB-CCB na pagtugon, na nagpapakita ng masasamang pagtugon sa SLES-CAPB-CCB. Ang pagbuo ng WLM, na higit na pinatunayan ng mga parameter ng microstructural na inferred mula sa mga sukat ng DWS. Batay sa mga pamamaraang ito, isinasama ng kasalukuyang pag-aaral ang mechanical rheometry at DWS microrheology upang linawin kung paano hinihimok ng mga microstructural reorganizations ang shear behavior ng CAPB-SMCT mixtures.

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 pagbabalangkas. Ang mga natatanging molekular na arkitektura ng mga sistemang walang sulfate ay kadalasang nagbubunga ng magkakaibang mga rheolohikal na profile, na nagpapakumplikado sa mga tradisyonal na diskarte para sa pagpapahusay ng lagkit tulad ng sa pamamagitan ng asin o polymeric na pampalapot. Halimbawa, ang Yorke et al. nag-explore ng mga alternatibong non-sulfate sa pamamagitan ng sistematikong pagsisiyasat sa foaming at rheological na katangian ng binary at ternary surfactant mixture na nagtatampok ng alkyl olefin sulfonate (AOS), alkyl polyglucoside (APG), at lauryl hydroxysultaine. Ang isang 1:1 ratio ng AOS-sultaine ay nagpakita ng shear-thinning at foam na mga katangian na katulad ng CAPB-SLES, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng WLM. Rajput et al. Sinuri ng [26] ang isa pang sulfate-free anionic surfactant, sodium cocoyl glycinate (SCGLY), kasama ng mga nonionic co-surfactant (cocamide diethanolamine at lauryl glucoside) sa pamamagitan ng DLS, SANS, at rheometry. Bagama't ang SCGLY lamang ang nakabuo ng karamihan sa mga spherical micelle, ang pagdaragdag ng co-surfactant ay nagbigay-daan sa pagbuo ng mas masalimuot na micellar morphologies, na pumapayag sa pH-driven na modulasyon.

Sa kabila ng mga pag-unlad na ito, medyo kakaunting pagsisiyasat ang nagta-target sa mga rheological na katangian ng mga sustainable sulfate-free system na kinasasangkutan ng CAPB at taurates. Nilalayon ng pag-aaral na ito na punan ang puwang na ito sa pamamagitan ng pagbibigay ng isa sa mga unang sistematikong rheological na katangian ng CAPB–SMCT binary system. Sa pamamagitan ng sistematikong pag-iiba-iba ng komposisyon ng surfactant, pH, at lakas ng ionic, nililinaw namin ang mga salik na namamahala sa lagkit ng paggupit at viscoelasticity. Gamit ang mechanical rheometry at DWS microrheology, binibilang namin ang microstructural reorganizations na pinagbabatayan ng shear behavior ng CAPB-SMCT mixtures. Ang mga natuklasang ito ay nagpapaliwanag ng interplay sa pagitan ng pH, CAPB–SMCT ratio, at mga antas ng ionic sa pag-promote o pag-iwas sa pagbuo ng WLM, sa gayon ay nag-aalok ng mga praktikal na insight sa pag-angkop sa mga rheological na profile ng napapanatiling surfactant-based na mga produkto para sa magkakaibang mga pang-industriyang aplikasyon.