Charakterizácia reologickej dynamiky zmesí povrchovo aktívnych látok bez obsahu síranov na báze kokamidopropylbetaínu a metylkokoyltaurátu sodného v závislosti od zloženia, pH a iónových podmienok

Úvod

Vodné binárne povrchovo aktívne látky obsahujúce opačne nabité látky sa vo veľkej miere používajú v mnohých priemyselných odvetviach vrátane kozmetiky, farmaceutického priemyslu, agrochemikálií a potravinárskeho priemyslu. Rozšírené prijatie týchto systémov sa pripisuje predovšetkým ich vynikajúcim medzifázovým a reologickým funkciám, ktoré umožňujú lepší výkon v rôznych formuláciách. Synergické samoskladanie takýchto povrchovo aktívnych látok do červovitých, prepletených agregátov dodáva vysoko laditeľné makroskopické vlastnosti vrátane zvýšenej viskoelasticity a zníženého medzifázového napätia. Najmä kombinácie aniónových a zwitteriónových povrchovo aktívnych látok vykazujú synergické zlepšenie povrchovej aktivity, viskozity a modulácie medzifázového napätia. Toto správanie vzniká zo zintenzívnených elektrostatických a sterických interakcií medzi polárnymi hlavicami a hydrofóbnymi koncami povrchovo aktívnych látok, na rozdiel od systémov s jednou povrchovo aktívnou látkou, kde odpudivé elektrostatické sily často obmedzujú optimalizáciu výkonu.

Kokamidopropylbetaín (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) je široko používaná amfotérna povrchovo aktívna látka v kozmetických prípravkoch vďaka svojej miernej čistiacej účinnosti a vlastnostiam kondicionovania vlasov. Zwitteriónová povaha CAPB umožňuje elektrostatickú synergiu s aniónovými povrchovo aktívnymi látkami, čím zvyšuje stabilitu peny a podporuje vynikajúci výkon prípravku. Za posledných päť desaťročí sa zmesi CAPB s povrchovo aktívnymi látkami na báze sulfátov, ako je CAPB – laurylétersulfát sodný (SLES), stali základom produktov osobnej starostlivosti. Napriek účinnosti povrchovo aktívnych látok na báze sulfátov však obavy týkajúce sa ich potenciálu podráždenia pokožky a prítomnosti 1,4-dioxánu, vedľajšieho produktu etoxylačného procesu, podnietili záujem o alternatívy bez sulfátov. Medzi sľubných kandidátov patria povrchovo aktívne látky na báze aminokyselín, ako sú tauráty, sarkozináty a glutamáty, ktoré vykazujú zvýšenú biokompatibilitu a miernejšie vlastnosti [9]. Napriek tomu relatívne veľké polárne skupiny hláv týchto alternatív často bránia tvorbe vysoko prepletených micelárnych štruktúr, čo si vyžaduje použitie reologických modifikátorov.

Metylkokoyltaurát sodný (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) je aniónová povrchovo aktívna látka syntetizovaná ako sodná soľ amidovou väzbou N-metyltaurínu (kyseliny 2-metylaminoetánsulfónovej) s reťazcom mastnej kyseliny odvodenej z kokosového orecha. SMCT má amidovo viazanú taurínovú hlavnú skupinu spolu so silne aniónovou sulfonátovou skupinou, vďaka čomu je biologicky odbúrateľná a kompatibilná s pH pokožky, čo ju stavia medzi sľubných kandidátov na bezsulfátové formulácie. Taurátové povrchovo aktívne látky sa vyznačujú silnými detergentnými účinkami, odolnosťou voči tvrdej vode, jemnosťou a širokou stabilitou pH.

Reologické parametre vrátane šmykovej viskozity, viskoelastických modulov a medze klzu sú rozhodujúce pri určovaní stability, textúry a výkonu produktov na báze povrchovo aktívnych látok. Napríklad zvýšená šmyková viskozita môže zlepšiť retenciu substrátu, zatiaľ čo medza klzu riadi priľnavosť formulácie k pokožke alebo vlasom po aplikácii. Tieto makroskopické reologické atribúty sú modulované mnohými faktormi vrátane koncentrácie povrchovo aktívnych látok, pH, teploty a prítomnosti kosolventov alebo prísad. Opačne nabité povrchovo aktívne látky môžu prechádzať rôznymi mikroštrukturálnymi premenami, od sférických micel a vezikúl až po kvapalné kryštalické fázy, ktoré následne výrazne ovplyvňujú reológiu objemu. Zmesi amfotérnych a aniónových povrchovo aktívnych látok často tvoria predĺžené červovité micely (WLM), ktoré významne zlepšujú viskoelastické vlastnosti. Pochopenie vzťahov medzi mikroštruktúrou a vlastnosťami je preto rozhodujúce pre optimalizáciu výkonu produktu.

Mnohé experimentálne štúdie skúmali analogické binárne systémy, ako napríklad CAPB-SLES, s cieľom objasniť mikroštrukturálny základ ich vlastností. Napríklad Mitrinova a kol. [13] korelovali veľkosť micely (hydrodynamický polomer) s viskozitou roztoku v zmesiach CAPB-SLES-medziremeňové ko-surfaktanty pomocou reometrie a dynamického rozptylu svetla (DLS). Mechanická reometria poskytuje pohľad na mikroštrukturálny vývoj týchto zmesí a možno ju rozšíriť o optickú mikroreológiu pomocou difúznej vlnovej spektroskopie (DWS), ktorá rozširuje dostupnú frekvenčnú doménu a zachytáva dynamiku v krátkom časovom horizonte, ktorá je obzvlášť relevantná pre relaxačné procesy WLM. V mikroreológii DWS sa v priebehu času sleduje stredný štvorcový posun vložených koloidných sond, čo umožňuje extrakciu lineárnych viskoelastických modulov okolitého média prostredníctvom zovšeobecneného Stokesovho-Einsteinovho vzťahu. Táto technika vyžaduje iba minimálne objemy vzorky, a preto je výhodná na štúdium komplexných tekutín s obmedzenou dostupnosťou materiálu, napr. formulácií na báze proteínov. Analýza údajov < Δr²(t)> v širokom frekvenčnom spektre uľahčuje odhad micelárnych parametrov, ako je veľkosť ôk, dĺžka previazania, dĺžka perzistencie a dĺžka kontúry. Amin a kol. preukázali, že zmesi CAPB-SLES zodpovedajú predpovediam Catesovej teórie, pričom vykazujú výrazný nárast viskozity s pridaním soli až do kritickej koncentrácie soli, po ktorej viskozita prudko klesá – typická reakcia v systémoch WLM. Xu a Amin použili mechanickú reometriu a DWS na preskúmanie zmesí SLES-CAPB-CCB, pričom odhalili Maxwellovu reologickú reakciu svedčiacu o tvorbe previazaného WLM, ktorú ďalej potvrdili mikroštrukturálne parametre odvodené z meraní DWS. Na základe týchto metodík súčasná štúdia integruje mechanickú reometriu a mikroreológiu DWS, aby objasnila, ako mikroštrukturálne reorganizácie ovplyvňujú šmykové správanie zmesí CAPB-SMCT.

Vzhľadom na rastúci dopyt po šetrnejších a udržateľnejších čistiacich prostriedkoch nabralo na obrátkach skúmanie aniónových povrchovo aktívnych látok bez obsahu sulfátov napriek problémom s formuláciou. Rôzne molekulárne architektúry systémov bez obsahu sulfátov často prinášajú odlišné reologické profily, čo komplikuje konvenčné stratégie na zvýšenie viskozity, napríklad prostredníctvom soľného alebo polymérneho zahusťovania. Napríklad Yorke a kol. skúmali alternatívy bez obsahu sulfátov systematickým skúmaním peniacich a reologických vlastností binárnych a ternárnych zmesí povrchovo aktívnych látok obsahujúcich alkylolefínsulfonát (AOS), alkylpolyglukozid (APG) a laurylhydroxysultaín. Pomer AOS a sultaínu 1:1 vykazoval riedenie pri strihu a charakteristiky peny podobné CAPB-SLES, čo naznačuje tvorbu WLM. Rajput a kol. [26] hodnotili ďalšiu aniónovú povrchovo aktívnu látku bez obsahu sulfátov, kokoylglycinát sodný (SCGLY), spolu s neiónovými ko-povrchovo aktívnymi látkami (kokamiddietanolamín a laurylglukozid) pomocou DLS, SANS a reometrie. Hoci samotný SCGLY tvoril prevažne sférické micely, pridanie ko-surfaktantu umožnilo konštrukciu zložitejších micelárnych morfológií, ktoré sú prístupné modulácii riadenej pH.

Napriek tomuto pokroku sa relatívne málo výskumov zameralo na reologické vlastnosti udržateľných bezsulfátových systémov, ktoré zahŕňajú CAPB a tauráty. Cieľom tejto štúdie je vyplniť túto medzeru poskytnutím jednej z prvých systematických reologických charakterizácií binárneho systému CAPB-SMCT. Systematickou zmenou zloženia povrchovo aktívnych látok, pH a iónovej sily objasňujeme faktory ovplyvňujúce šmykovú viskozitu a viskoelasticitu. Pomocou mechanickej reometrie a DWS mikroreológie kvantifikujeme mikroštrukturálne reorganizácie, ktoré sú základom šmykového správania zmesí CAPB-SMCT. Tieto zistenia objasňujú vzájomné pôsobenie medzi pH, pomerom CAPB-SMCT a iónovými hladinami pri podpore alebo inhibícii tvorby WLM, a tým ponúkajú praktické poznatky o prispôsobení reologických profilov udržateľných produktov na báze povrchovo aktívnych látok pre rôzne priemyselné aplikácie.