توصیف دینامیک رئولوژیکی مخلوط‌های سورفکتانت بدون سولفات کوکامیدوپروپیل بتائین-سدیم متیل کوکویل تائورات در ترکیب، pH و شرایط یونی

مقدمه

سیستم‌های سورفکتانت دوتایی آبی شامل گونه‌های با بار مخالف، به طور گسترده در بخش‌های صنعتی متعددی از جمله لوازم آرایشی، دارویی، مواد شیمیایی کشاورزی و صنایع فرآوری مواد غذایی به کار گرفته می‌شوند. پذیرش گسترده این سیستم‌ها در درجه اول به ویژگی‌های برتر بین سطحی و رئولوژیکی آنها نسبت داده می‌شود که عملکرد بهبود یافته را در فرمولاسیون‌های متنوع امکان‌پذیر می‌سازد. خودآرایی هم‌افزایی چنین سورفکتانت‌هایی به صورت توده‌های کرم‌مانند و درهم‌تنیده، خواص ماکروسکوپی بسیار قابل تنظیمی از جمله افزایش ویسکوالاستیسیته و کاهش کشش بین سطحی را به همراه دارد. به طور خاص، ترکیبات سورفکتانت‌های آنیونی و زویتریونیک، بهبودهای هم‌افزایی در فعالیت سطحی، ویسکوزیته و تعدیل کشش بین سطحی نشان می‌دهند. این رفتارها از برهمکنش‌های الکترواستاتیک و فضایی تشدید شده بین گروه‌های سر قطبی و دم‌های آبگریز سورفکتانت‌ها ناشی می‌شوند، برخلاف سیستم‌های تک سورفکتانتی که در آنها نیروهای الکترواستاتیک دافعه اغلب بهینه‌سازی عملکرد را محدود می‌کنند.

کوکامیدوپروپیل بتائین (CAPB؛ SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) یک سورفکتانت آمفوتریک است که به دلیل اثر پاک‌کنندگی ملایم و خواص نرم‌کنندگی مو، به طور گسترده در فرمولاسیون‌های آرایشی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماهیت زویتریونی CAPB امکان هم‌افزایی الکترواستاتیک با سورفکتانت‌های آنیونی را فراهم می‌کند، پایداری کف را افزایش می‌دهد و عملکرد برتر فرمولاسیون را ارتقا می‌دهد. در طول پنج دهه گذشته، مخلوط‌های CAPB با سورفکتانت‌های پایه سولفات، مانند CAPB-سدیم لوریل اتر سولفات (SLES)، در محصولات مراقبت شخصی به پایه و اساس تبدیل شده‌اند. با این حال، علیرغم اثربخشی سورفکتانت‌های پایه سولفات، نگرانی‌ها در مورد پتانسیل تحریک پوستی آنها و وجود 1،4-دی‌اکسان، یک محصول جانبی فرآیند اتوکسیلاسیون، علاقه به جایگزین‌های بدون سولفات را برانگیخته است. کاندیداهای امیدوارکننده شامل سورفکتانت‌های مبتنی بر اسید آمینه، مانند تورات‌ها، سارکوزینات‌ها و گلوتامات‌ها هستند که زیست‌سازگاری بهبود یافته و خواص ملایم‌تری از خود نشان می‌دهند [9]. با این وجود، گروه‌های قطبی نسبتاً بزرگ این جایگزین‌ها اغلب مانع تشکیل ساختارهای میسلی بسیار درهم‌تنیده می‌شوند و استفاده از اصلاح‌کننده‌های رئولوژیکی را ضروری می‌سازند.

سدیم متیل کوکوئیل تائورات (SMCT؛ SMILES:)
CCCCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) یک سورفکتانت آنیونی است که به صورت نمک سدیم از طریق جفت شدن آمیدی N-متیل تورین (2-متیل آمینو اتان سولفونیک اسید) با یک زنجیره اسید چرب مشتق شده از نارگیل سنتز می‌شود. SMCT دارای یک سرگروه تورین متصل به آمید در کنار یک گروه سولفونات آنیونی قوی است که آن را زیست تخریب پذیر و سازگار با pH پوست می‌کند، که آن را به عنوان یک کاندیدای امیدوارکننده برای فرمولاسیون‌های بدون سولفات قرار می‌دهد. سورفکتانت‌های تاورات با شویندگی قوی، مقاومت در برابر آب سخت، ملایمت و پایداری pH گسترده مشخص می‌شوند.

پارامترهای رئولوژیکی، از جمله ویسکوزیته برشی، مدول‌های ویسکوالاستیک و تنش تسلیم، در تعیین پایداری، بافت و عملکرد محصولات مبتنی بر سورفکتانت بسیار مهم هستند. به عنوان مثال، ویسکوزیته برشی بالا می‌تواند ماندگاری سوبسترا را بهبود بخشد، در حالی که تنش تسلیم، چسبندگی فرمولاسیون به پوست یا مو پس از استفاده را کنترل می‌کند. این ویژگی‌های رئولوژیکی ماکروسکوپی توسط عوامل متعددی از جمله غلظت سورفکتانت، pH، دما و وجود حلال‌های کمکی یا افزودنی‌ها تعدیل می‌شوند. سورفکتانت‌های با بار مخالف می‌توانند دستخوش تغییرات ریزساختاری متنوعی شوند، از میسل‌ها و وزیکول‌های کروی گرفته تا فازهای کریستالی مایع، که به نوبه خود، به شدت بر رئولوژی توده تأثیر می‌گذارند. مخلوط‌های سورفکتانت‌های آمفوتریک و آنیونی اغلب میسل‌های کرم‌مانند کشیده (WLM) تشکیل می‌دهند که به طور قابل توجهی خواص ویسکوالاستیک را افزایش می‌دهند. بنابراین، درک روابط ریزساختار-ویژگی برای بهینه‌سازی عملکرد محصول بسیار مهم است.

مطالعات تجربی متعددی سیستم‌های دوتایی مشابه، مانند CAPB-SLES، را برای روشن کردن اساس ریزساختاری خواص آنها بررسی کرده‌اند. به عنوان مثال، میترینووا و همکارانش [13] با استفاده از رئومتری و پراکندگی نور پویا (DLS)، اندازه میسل (شعاع هیدرودینامیکی) را با ویسکوزیته محلول در مخلوط‌های کو-سورفکتانت زنجیره متوسط CAPB-SLES مرتبط کردند. رئومتری مکانیکی بینشی در مورد تکامل ریزساختاری این مخلوط‌ها ارائه می‌دهد و می‌تواند با استفاده از طیف‌سنجی موج پخش (DWS) که دامنه فرکانس قابل دسترسی را گسترش می‌دهد و دینامیک‌های مقیاس زمانی کوتاه را به ویژه مربوط به فرآیندهای آرامش WLM ثبت می‌کند، تقویت شود. در میکرورئولوژی DWS، میانگین مربع جابجایی پروب‌های کلوئیدی تعبیه شده در طول زمان ردیابی می‌شود و امکان استخراج مدول‌های ویسکوالاستیک خطی محیط اطراف را از طریق رابطه تعمیم‌یافته استوکس-اینشتین فراهم می‌کند. این تکنیک فقط به حجم نمونه حداقل نیاز دارد و بنابراین برای مطالعه سیالات پیچیده با دسترسی محدود به مواد، مانند فرمولاسیون‌های مبتنی بر پروتئین، مفید است. تجزیه و تحلیل داده‌های <Δr²(t)> در طیف‌های فرکانسی گسترده، تخمین پارامترهای میسلی مانند اندازه مش، طول درهم‌تنیدگی، طول پایداری و طول کانتور را تسهیل می‌کند. امین و همکارانش نشان دادند که مخلوط‌های CAPB-SLES با پیش‌بینی‌های نظریه کیتس مطابقت دارند و افزایش قابل توجهی در ویسکوزیته با افزودن نمک تا غلظت بحرانی نمک نشان می‌دهند، که فراتر از آن ویسکوزیته به شدت کاهش می‌یابد - یک پاسخ معمول در سیستم‌های WLM. ژو و امین از رئومتری مکانیکی و DWS برای بررسی مخلوط‌های SLES-CAPB-CCB استفاده کردند و یک پاسخ رئولوژیکی ماکسولی را نشان دادند که نشان‌دهنده تشکیل WLM درهم‌تنیده است، که بیشتر توسط پارامترهای ریزساختاری استنباط شده از اندازه‌گیری‌های DWS تأیید شد. بر اساس این روش‌ها، مطالعه حاضر رئومتری مکانیکی و میکرورئولوژی DWS را برای روشن کردن چگونگی هدایت رفتار برشی مخلوط‌های CAPB-SMCT توسط سازماندهی مجدد ریزساختاری ادغام می‌کند.

با توجه به افزایش تقاضا برای عوامل پاک‌کننده ملایم‌تر و پایدارتر، اکتشاف سورفکتانت‌های آنیونی بدون سولفات، علیرغم چالش‌های فرمولاسیون، شتاب بیشتری گرفته است. معماری‌های مولکولی متمایز سیستم‌های بدون سولفات اغلب منجر به پروفایل‌های رئولوژیکی متفاوتی می‌شوند و استراتژی‌های مرسوم برای افزایش ویسکوزیته مانند غلیظ‌سازی از طریق نمک یا پلیمری را پیچیده می‌کنند. به عنوان مثال، یورک و همکارانش با بررسی سیستماتیک خواص کف‌کنندگی و رئولوژیکی مخلوط‌های سورفکتانت دوتایی و سه‌تایی شامل آلکیل اولفین سولفونات (AOS)، آلکیل پلی‌گلوکوزید (APG) و لوریل هیدروکسی سولتین، جایگزین‌های غیر سولفاتی را بررسی کردند. نسبت 1:1 از AOS-سولتین، رقیق‌شوندگی برشی و ویژگی‌های کف مشابه CAPB-SLES را نشان داد که نشان‌دهنده تشکیل WLM است. راجپوت و همکارانش. [26] یک سورفکتانت آنیونی بدون سولفات دیگر، سدیم کوکویل گلیسینات (SCGLY)، را در کنار کمک‌سورفکتانت‌های غیریونی (کوکامید دی اتانول آمین و لوریل گلوکوزید) از طریق DLS، SANS و رئومتری ارزیابی کرد. اگرچه SCGLY به تنهایی میسل‌های عمدتاً کروی تشکیل داد، اما افزودن کمک‌سورفکتانت امکان ساخت مورفولوژی‌های میسلی پیچیده‌تر را فراهم کرد که قابل تنظیم با pH هستند.

با وجود این پیشرفت‌ها، تحقیقات نسبتاً کمی خواص رئولوژیکی سیستم‌های پایدار بدون سولفات که شامل CAPB و تائورات‌ها هستند را هدف قرار داده‌اند. هدف این مطالعه پر کردن این شکاف با ارائه یکی از اولین توصیفات رئولوژیکی سیستماتیک سیستم دوتایی CAPB-SMCT است. با تغییر سیستماتیک ترکیب سورفکتانت، pH و قدرت یونی، عوامل حاکم بر ویسکوزیته برشی و ویسکوالاستیسیته را روشن می‌کنیم. با استفاده از رئومتری مکانیکی و میکرورئولوژی DWS، سازماندهی مجدد ریزساختاری زیربنایی رفتار برشی مخلوط‌های CAPB-SMCT را کمی‌سازی می‌کنیم. این یافته‌ها، تعامل بین pH، نسبت CAPB-SMCT و سطوح یونی را در ترویج یا مهار تشکیل WLM روشن می‌کنند و در نتیجه بینش‌های عملی در مورد تنظیم پروفایل‌های رئولوژیکی محصولات پایدار مبتنی بر سورفکتانت برای کاربردهای صنعتی متنوع ارائه می‌دهند.