Caracterizarea dinamicii reologice a amestecurilor de surfactanți fără sulfați de cocamidopropil betaină-metil cocoil taurat de sodiu în funcție de compoziție, pH și condiții ionice

Introducere

Sistemele binare apoase de surfactanți, care cuprind specii încărcate opus, sunt utilizate pe scară largă în numeroase sectoare industriale, inclusiv în industria cosmetică, farmaceutică, agrochimică și în industria de procesare a alimentelor. Adoptarea pe scară largă a acestor sisteme este atribuită în primul rând funcționalităților lor interfaciale și reologice superioare, care permit performanțe îmbunătățite în diverse formulări. Autoasamblarea sinergică a acestor surfactanți în agregate încurcate, asemănătoare viermilor, conferă proprietăți macroscopice extrem de reglabile, inclusiv o viscoelasticitate crescută și o tensiune interfacială redusă. În special, combinațiile de surfactanți anionici și zwitterionici prezintă îmbunătățiri sinergice ale activității de suprafață, vâscozității și modulării tensiunii interfaciale. Aceste comportamente apar din interacțiunile electrostatice și sterice intensificate dintre grupurile capului polar și cozile hidrofobe ale surfactanților, în contrast cu sistemele cu un singur surfactant, unde forțele electrostatice repulsive limitează adesea optimizarea performanței.

Cocamidopropil betaina (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCCN+ (C)CC([O−])=O) este un surfactant amfoteric utilizat pe scară largă în formulările cosmetice datorită eficacității sale de curățare ușoară și proprietăților de hidratare a părului. Natura zwitterionică a CAPB permite sinergia electrostatică cu surfactanții anionici, sporind stabilitatea spumei și promovând performanțe superioare ale formulării. În ultimele cinci decenii, amestecurile de CAPB cu surfactanți pe bază de sulfați, cum ar fi CAPB-lauril etersulfat de sodiu (SLES), au devenit fundamentale în produsele de îngrijire personală. Cu toate acestea, în ciuda eficacității surfactanților pe bază de sulfați, preocupările legate de potențialul lor de iritație dermică și prezența 1,4-dioxanului, un produs secundar al procesului de etoxilare, au stârnit interesul pentru alternativele fără sulfați. Candidații promițători includ surfactanții pe bază de aminoacizi, cum ar fi taurații, sarcosinații și glutamații, care prezintă o biocompatibilitate îmbunătățită și proprietăți mai blânde [9]. Cu toate acestea, grupurile polare relativ mari ale acestor alternative împiedică adesea formarea structurilor micelare puternic încurcate, necesitând utilizarea modificatorilor reologici.

Metil cocoil taurat de sodiu (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) este un surfactant anionic sintetizat ca sare de sodiu prin cuplarea amidei N-metiltaurinei (acid 2-metilaminoetansulfonic) cu un lanț de acid gras derivat din nucă de cocos. SMCT posedă o grupare principală taurină legată de amidă alături de o grupare sulfonat puternic anionică, ceea ce îl face biodegradabil și compatibil cu pH-ul pielii, ceea ce îl poziționează ca un candidat promițător pentru formulări fără sulfați. Agenții tensioactivi taurați se caracterizează prin detergența lor puternică, rezistența la apă dură, blândețea și stabilitatea largă a pH-ului.

Parametrii reologici, inclusiv vâscozitatea de forfecare, modulii vâscoelastici și tensiunea de curgere, sunt critici în determinarea stabilității, texturii și performanței produselor pe bază de surfactanți. De exemplu, o vâscozitate ridicată de forfecare poate îmbunătăți retenția substratului, în timp ce tensiunea de curgere guvernează aderența formulării la piele sau păr după aplicare. Aceste atribute reologice macroscopice sunt modulate de numeroși factori, inclusiv concentrația de surfactant, pH-ul, temperatura și prezența cosolvenților sau aditivilor. Agenții tensioactivi încărcați opus pot suferi diverse tranziții microstructurale, de la micele și vezicule sferice la faze cristaline lichide, care, la rândul lor, afectează profund reologia în vrac. Amestecurile de surfactanți amfoteri și anionici formează adesea micele alungite, asemănătoare viermilor (WLM), care îmbunătățesc semnificativ proprietățile vâscoelastice. Prin urmare, înțelegerea relațiilor microstructură-proprietate este esențială pentru optimizarea performanței produsului.

Numeroase studii experimentale au investigat sisteme binare analoge, cum ar fi CAPB-SLES, pentru a elucida baza microstructurală a proprietăților lor. De exemplu, Mitrinova și colab. [13] au corelat dimensiunea micelelor (raza hidrodinamică) cu vâscozitatea soluției în amestecuri de co-surfactanți cu lanț mediu CAPB-SLES folosind reometrie și împrăștiere dinamică a luminii (DLS). Reometria mecanică oferă informații despre evoluția microstructurală a acestor amestecuri și poate fi îmbunătățită prin microreologie optică folosind spectroscopia cu unde difuze (DWS), care extinde domeniul de frecvență accesibil, captând dinamica la scară scurtă de timp, relevantă în special pentru procesele de relaxare WLM. În microreologia DWS, deplasarea medie pătratică a sondelor coloidale încorporate este urmărită în timp, permițând extragerea modulilor vâscoelastici liniari ai mediului înconjurător prin intermediul relației Stokes-Einstein generalizate. Această tehnică necesită doar volume minime de probă și este, prin urmare, avantajoasă pentru studierea fluidelor complexe cu disponibilitate limitată a materialelor, de exemplu, formulările pe bază de proteine. Analiza datelor < Δr²(t)> pe spectre largi de frecvență facilitează estimarea parametrilor micelari, cum ar fi dimensiunea ochiurilor, lungimea de încurcare, lungimea de persistență și lungimea conturului. Amin și colab. au demonstrat că amestecurile CAPB-SLES sunt conforme cu predicțiile din teoria lui Cates, arătând o creștere pronunțată a vâscozității odată cu adăugarea de sare până la o concentrație critică de sare, dincolo de care vâscozitatea scade brusc - un răspuns tipic în sistemele WLM. Xu și Amin au utilizat reometrie mecanică și DWS pentru a examina amestecurile SLES-CAPB-CCB, dezvăluind un răspuns reologic maxwellian indicativ al formării WLM încurcate, care a fost coroborat în continuare de parametrii microstructurali deduși din măsurătorile DWS. Bazându-se pe aceste metodologii, studiul actual integrează reometria mecanică și microreologia DWS pentru a elucida modul în care reorganizările microstructurale determină comportamentul de forfecare al amestecurilor CAPB-SMCT.

Având în vedere cererea tot mai mare de agenți de curățare mai blânzi și mai sustenabili, explorarea surfactanților anionici fără sulfați a câștigat teren, în ciuda provocărilor legate de formulare. Arhitecturile moleculare distincte ale sistemelor fără sulfați produc adesea profiluri reologice divergente, complicând strategiile convenționale de creștere a vâscozității, cum ar fi prin sare sau îngroșare polimerică. De exemplu, Yorke și colab. au explorat alternative non-sulfate investigând sistematic proprietățile de spumare și reologice ale amestecurilor binare și ternare de surfactanți care conțin alchil olefin sulfonat (AOS), alchil poliglucozidă (APG) și lauril hidroxisultaină. Un raport 1:1 AOS-sultaină a prezentat caracteristici de subțiere prin forfecare și spumare similare cu CAPB-SLES, indicând formarea de WLM. Rajput și colab. [26] au evaluat un alt surfactant anionic fără sulfați, cocoil glicinatul de sodiu (SCGLY), alături de co-surfactanți neionici (cocamid dietanolamină și lauril glucozidă) prin DLS, SANS și reometrie. Deși SCGLY singur a format micele predominant sferice, adăugarea de co-surfactanți a permis construirea unor morfologii micelare mai complexe, susceptibile de modulație determinată de pH.

În ciuda acestor progrese, relativ puține investigații au vizat proprietățile reologice ale sistemelor sustenabile fără sulfați care implică CAPB și taurați. Acest studiu își propune să umple această lacună prin furnizarea uneia dintre primele caracterizări reologice sistematice ale sistemului binar CAPB-SMCT. Prin variația sistematică a compoziției surfactanților, pH-ului și a forței ionice, elucidăm factorii care guvernează vâscozitatea la forfecare și viscoelasticitatea. Folosind reometria mecanică și microreologia DWS, cuantificăm reorganizările microstructurale care stau la baza comportamentului la forfecare al amestecurilor CAPB-SMCT. Aceste descoperiri elucidează interacțiunea dintre pH, raportul CAPB-SMCT și nivelurile ionice în promovarea sau inhibarea formării WLM, oferind astfel perspective practice asupra adaptării profilelor reologice ale produselor sustenabile pe bază de surfactanți pentru diverse aplicații industriale.