Характеристика реологической динамики безсульфатных смесей поверхностно-активных веществ кокамидопропилбетаин-метил кокоил таурат натрия в зависимости от состава, pH и ионных условий.

Введение

Водные бинарные системы поверхностно-активных веществ, состоящие из противоположно заряженных частиц, широко используются во многих отраслях промышленности, включая косметику, фармацевтику, агрохимию и пищевую промышленность. Широкое распространение этих систем в первую очередь объясняется их превосходными межфазными и реологическими свойствами, которые обеспечивают улучшенные характеристики в различных составах. Синергетическая самосборка таких поверхностно-активных веществ в червеобразные, запутанные агрегаты придает им высокорегулируемые макроскопические свойства, включая повышенную вязкоупругость и пониженное межфазное натяжение. В частности, комбинации анионных и цвиттерионных поверхностно-активных веществ демонстрируют синергетическое улучшение поверхностной активности, вязкости и модуляции межфазного натяжения. Эти свойства обусловлены 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: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) — широко используемый амфотерный поверхностно-активный агент в косметических рецептурах благодаря своим мягким очищающим свойствам и кондиционирующим свойствам для волос. Цвиттерионная природа CAPB обеспечивает электростатическую синергию с анионными поверхностно-активными веществами, повышая стабильность пены и способствуя улучшению характеристик рецептуры. За последние пять десятилетий смеси CAPB с сульфатными поверхностно-активными веществами, такими как CAPB–лауриловый эфир сульфат натрия (SLES), стали основополагающими в средствах личной гигиены. Однако, несмотря на эффективность сульфатных поверхностно-активных веществ, опасения по поводу их потенциального раздражения кожи и наличия 1,4-диоксана, побочного продукта процесса этоксилирования, стимулировали интерес к безсульфатным альтернативам. К числу перспективных кандидатов относятся поверхностно-активные вещества на основе аминокислот, такие как таураты, саркозинаты и глутаматы, которые обладают улучшенной 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:
CCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) — это анионное поверхностно-активное вещество, синтезированное в виде натриевой соли путем амидного связывания N-метилтаурина (2-метиламиноэтансульфоновой кислоты) с жирнокислотной цепью, полученной из кокоса. SMCT содержит амидно-связанную головную группу таурина наряду с сильно анионной сульфонатной группой, что делает его биоразлагаемым и совместимым с pH кожи, что делает его перспективным кандидатом для безсульфатных составов. Тауратные поверхностно-активные вещества характеризуются сильными моющими свойствами, устойчивостью к жесткой воде, мягкостью и широкой стабильностью pH.

Реологические параметры, включая вязкость сдвига, вязкоупругие модули и предел текучести, имеют решающее значение для определения стабильности, текстуры и характеристик продуктов на основе поверхностно-активных веществ. Например, повышенная вязкость сдвига может улучшить удержание субстрата, в то время как предел текучести определяет адгезию состава к коже или волосам после нанесения. Эти макроскопические реологические свойства модулируются многочисленными факторами, включая концентрацию поверхностно-активного вещества, pH, температуру и наличие сорастворителей или добавок. Поверхностно-активные вещества с противоположным зарядом могут претерпевать различные микроструктурные переходы, от сферических мицелл и везикул до жидкокристаллических фаз, что, в свою очередь, существенно влияет на реологию в объеме. Смеси амфотерных и анионных поверхностно-активных веществ часто образуют вытянутые червеобразные мицеллы (WLM), которые значительно улучшают вязкоупругие свойства. Поэтому понимание взаимосвязи микроструктуры и свойств имеет решающее значение для оптимизации характеристик продукта.

Многочисленные экспериментальные исследования изучали аналогичные бинарные системы, такие как CAPB–SLES, чтобы выяснить микроструктурную основу их свойств. Например, Митринова и др. [13] соотнесли размер мицелл (гидродинамический радиус) с вязкостью раствора в смесях CAPB–SLES–среднецепочечных со-ПАВ с помощью реометрии и динамического рассеяния света (ДРС). Механическая реометрия позволяет получить представление об эволюции микроструктуры этих смесей и может быть дополнена оптической микрореологией с использованием спектроскопии диффузионных волн (СВВ), которая расширяет доступный частотный диапазон, улавливая динамику в ближнем временном масштабе, особенно актуальную для процессов релаксации WLM. В микрореологии СВВ среднеквадратичное смещение встроенных коллоидных зондов отслеживается во времени, что позволяет извлекать линейные вязкоупругие модули окружающей среды с помощью обобщенного соотношения Стокса–Эйнштейна. Этот метод требует лишь минимального объема образцов и, следовательно, выгоден для изучения сложных жидкостей с ограниченным количеством доступных материалов, например, белковых составов. Анализ данных < Δr²(t)> в широком диапазоне частот облегчает оценку параметров мицелл, таких как размер ячейки, длина зацепления, длина персистентности и контурная длина. Амин и др. продемонстрировали, что смеси CAPB–SLES соответствуют предсказаниям теории Кейтса, показывая выраженное увеличение вязкости при добавлении соли до критической концентрации соли, за пределами которой вязкость резко падает — типичная реакция в системах WLM. Сюй и Амин использовали механическую реометрию и DWS для исследования смесей SLES–CAPB–CCB, выявив максвелловскую реологическую реакцию, указывающую на образование зацепленных WLM, что было дополнительно подтверждено микроструктурными параметрами, полученными из измерений DWS. Основываясь на этих методологиях, в данном исследовании интегрируются механическая реометрия и микрореология DWS для выяснения того, как микроструктурные перестройки определяют поведение смесей CAPB–SMCT при сдвиге.

В свете растущего спроса на более мягкие и экологичные чистящие средства, несмотря на сложности с разработкой рецептур, исследования анионных поверхностно-активных веществ без сульфатов набирают обороты. Различные молекулярные структуры систем без сульфатов часто приводят к различным реологическим профилям, что усложняет традиционные стратегии повышения вязкости, такие как загущение солью или полимерами. Например, Йорк и др. исследовали несульфатные альтернативы, систематически изучая пенообразование и реологические свойства бинарных и тройных смесей поверхностно-активных веществ, содержащих алкилолефинсульфонат (AOS), алкилполиглюкозид (APG) и лаурилгидроксисультаин. Соотношение AOS–сультаин 1:1 показало неньютоновское поведение и пенообразование, аналогичное CAPB–SLES, что указывает на образование WLM. Раджпут и др. [26] оценили другой анионный поверхностно-активный агент без сульфатов, кокоилглицинат натрия (SCGLY), наряду с неионогенными со-поверхностно-активными веществами (кокамиддиэтаноламин и лаурилглюкозид) с помощью DLS, SANS и реометрии. Хотя SCGLY сам по себе образовывал преимущественно сферические мицеллы, добавление со-поверхностно-активного вещества позволило создать более сложные мицеллярные структуры, поддающиеся модуляции в зависимости от pH.

Несмотря на эти достижения, сравнительно мало исследований было посвящено реологическим свойствам экологически чистых безсульфатных систем, содержащих CAPB и таураты. Цель данного исследования — восполнить этот пробел, представив одну из первых систематических реологических характеристик бинарной системы CAPB–SMCT. Путем систематического изменения состава поверхностно-активных веществ, pH и ионной силы мы выявляем факторы, определяющие вязкость при сдвиге и вязкоупругость. Используя механическую реометрию и микрореологию DWS, мы количественно оцениваем микроструктурные перестройки, лежащие в основе поведения смесей CAPB–SMCT при сдвиге. Эти результаты проясняют взаимодействие между pH, соотношением CAPB–SMCT и ионными уровнями в стимулировании или ингибировании образования WLM, тем самым предлагая практические рекомендации по оптимизации реологических профилей экологически чистых продуктов на основе поверхностно-активных веществ для различных промышленных применений.