Характеристика реологической динамики поверхностно-активных смесей кокамидопропилбетаина и метилкокоилтаурата натрия, не содержащих сульфатов, в зависимости от состава, pH и ионных условий

Введение

Водные бинарные поверхностно-активные системы, содержащие противоположно заряженные частицы, широко используются во многих отраслях промышленности, включая косметику, фармацевтику, агрохимию и пищевую промышленность. Широкое внедрение этих систем обусловлено, прежде всего, их превосходными межфазными и реологическими свойствами, которые обеспечивают улучшенные характеристики в разнообразных рецептурах. Синергетическая самоорганизация таких поверхностно-активных веществ в червеобразные, переплетенные агрегаты придает им высокорегулируемые макроскопические свойства, включая повышенную вязкоупругость и сниженное межфазное натяжение. В частности, комбинации анионных и цвиттер-ионных поверхностно-активных веществ демонстрируют синергетическое усиление поверхностной активности, вязкости и модуляции межфазного натяжения. Такое поведение обусловлено усилением электростатических и стерических взаимодействий между полярными головными группами и гидрофобными хвостами поверхностно-активных веществ, в отличие от систем с одним поверхностно-активным веществом, где отталкивающие электростатические силы часто ограничивают оптимизацию характеристик.

Кокамидопропилбетаин (CAPB; SMILES: CC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) — широко используемый амфотерный поверхностно-активный агент в косметических рецептурах благодаря своей мягкой очищающей эффективности и свойствам кондиционирования волос. Цвиттер-ионная природа CAPB обеспечивает электростатическую синергию с анионными поверхностно-активными веществами, повышая стабильность пены и способствуя превосходной эффективности рецептуры. За последние пять десятилетий смеси CAPB с поверхностно-активными веществами на основе сульфатов, такими как CAPB–лаурилэфирсульфат натрия (SLES), стали основополагающими в средствах личной гигиены. Однако, несмотря на эффективность поверхностно-активных веществ на основе сульфатов, опасения относительно их потенциального раздражения кожи и наличия 1,4-диоксана, побочного продукта процесса этоксилирования, вызвали интерес к альтернативам без сульфатов. Перспективными кандидатами являются поверхностно-активные вещества на основе аминокислот, такие как таураты, саркозинаты и глутаматы, которые обладают повышенной биосовместимостью и более мягкими свойствами [9]. Тем не менее, относительно большие полярные головные группы этих альтернатив часто препятствуют образованию сильно запутанных мицеллярных структур, что требует использования реологических модификаторов.

Метил кокоил таурат натрия (SMCT; SMILES:
CCSC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) — анионное поверхностно-активное вещество, синтезированное в виде натриевой соли путем амидной связи N-метилтаурина (2-метиламиноэтансульфоновой кислоты) с жирнокислотной цепью, полученной из кокоса. SMCT содержит связанную с амидом тауриновую головную группу и сильно анионную сульфонатную группу, что делает его биоразлагаемым и совместимым с pH кожи, что делает его перспективным кандидатом для бессульфатных формул. Тауратные поверхностно-активные вещества характеризуются высокой моющей способностью, устойчивостью к жесткой воде, мягкостью и стабильностью в широком диапазоне pH.

Реологические параметры, включая сдвиговую вязкость, вязкоупругие модули и предел текучести, имеют решающее значение для определения стабильности, текстуры и эксплуатационных характеристик продуктов на основе поверхностно-активных веществ. Например, повышенная сдвиговая вязкость может улучшить удержание субстрата, в то время как предел текучести определяет адгезию состава к коже или волосам после нанесения. Эти макроскопические реологические характеристики модулируются множеством факторов, включая концентрацию поверхностно-активного вещества, pH, температуру и присутствие сорастворителей или добавок. Противоположно заряженные поверхностно-активные вещества могут претерпевать разнообразные микроструктурные переходы, варьирующиеся от сферических мицелл и везикул до жидкокристаллических фаз, что, в свою очередь, существенно влияет на объемную реологию. Смеси амфотерных и анионных поверхностно-активных веществ часто образуют удлиненные червеобразные мицеллы (WLM), которые значительно улучшают вязкоупругие свойства. Поэтому понимание взаимосвязи между микроструктурой и свойствами имеет решающее значение для оптимизации характеристик продукта.

Многочисленные экспериментальные исследования были посвящены изучению аналогичных бинарных систем, таких как CAPB–SLES, для выяснения микроструктурной основы их свойств. Например, Митринова и др. [13] сопоставили размер мицелл (гидродинамический радиус) с вязкостью раствора в смесях CAPB–SLES–со-ПАВ средней цепи, используя реометрию и динамическое рассеяние света (DLS). Механическая реометрия дает представление об эволюции микроструктуры этих смесей и может быть дополнена оптической микрореологией с использованием спектроскопии диффузных волн (DWS), которая расширяет доступную частотную область, захватывая динамику коротких временных масштабов, особенно характерную для процессов релаксации WLM. В микрореологии DWS отслеживается среднеквадратичное смещение внедренных коллоидных зондов во времени, что позволяет извлекать линейные вязкоупругие модули окружающей среды с помощью обобщенного соотношения Стокса–Эйнштейна. Этот метод требует лишь минимальных объемов образцов и, таким образом, является выгодным для изучения сложных жидкостей с ограниченной доступностью материала, например, составов на основе белка. Анализ данных < Δr²(t)> в широком частотном спектре облегчает оценку мицеллярных параметров, таких как размер ячеек, длина запутывания, длина персистенции и длина контура. Амин и др. продемонстрировали, что смеси CAPB–SLES соответствуют предсказаниям теории Кейтса, показывая выраженное увеличение вязкости с добавлением соли до критической концентрации соли, после которой вязкость резко падает — типичный отклик в системах WLM Сюй и Амин использовали механическую реометрию и DWS для исследования смесей SLES–CAPB–CCB, обнаружив максвелловский реологический отклик, указывающий на образование запутанного WLM, что дополнительно подтверждалось микроструктурными параметрами, выведенными из измерений DWS. Основываясь на этих методологиях, текущее исследование объединяет механическую реометрию и микрореологию DWS, чтобы выяснить, как микроструктурные реорганизации влияют на сдвиговые свойства смесей CAPB–SMCT.

В свете растущего спроса на более мягкие и устойчивые очищающие средства, исследование бессульфатных анионных поверхностно-активных веществ набирает обороты, несмотря на трудности с рецептурами. Различная молекулярная архитектура бессульфатных систем часто приводит к расходящимся реологическим профилям, усложняя традиционные стратегии повышения вязкости, такие как загущение солями или полимерами. Например, Йорк и др. исследовали несульфатные альтернативы, систематически исследуя пенообразование и реологические свойства бинарных и тройных смесей поверхностно-активных веществ, содержащих алкилолефинсульфонат (AOS), алкилполиглюкозид (APG) и лаурилгидроксисультаин. Соотношение AOS–сультаин 1:1 показало разжижение при сдвиге и характеристики пены, сходные с CAPB–SLES, что указывает на образование WLM. Раджпут и др. [26] оценили другой безсульфатный анионоактивный поверхностно-активный агент, кокоилглицинат натрия (SCGLY), наряду с неионогенными ко-ПАВ (кокамиддиэтаноламин и лаурилглюкозид) с помощью динамического рассеянного света (DLS), малоуглового рассеяния (SANS) и реометрии. Хотя сам SCGLY формировал преимущественно сферические мицеллы, добавление ко-ПАВ позволило сформировать более сложную морфологию мицелл, поддающуюся регуляции pH.

Несмотря на эти достижения, сравнительно мало исследований было посвящено реологическим свойствам устойчивых бессульфатных систем, содержащих CAPB и таураты. Целью данного исследования является восполнение этого пробела путем предоставления одной из первых систематических реологических характеристик бинарной системы CAPB–SMCT. Систематически варьируя состав поверхностно-активного вещества, pH и ионную силу, мы выявляем факторы, определяющие сдвиговую вязкость и вязкоупругость. Используя механическую реометрию и микрореологию DWS, мы количественно оцениваем микроструктурные перестройки, лежащие в основе сдвигового поведения смесей CAPB–SMCT. Эти результаты проливают свет на взаимодействие между pH, соотношением CAPB–SMCT и ионными уровнями, способствующими или препятствующими образованию WLM, тем самым предлагая практические идеи для адаптации реологических профилей устойчивых продуктов на основе поверхностно-активных веществ для различных промышленных применений.