Kokamidopropil betain-sodyum metil kokoil taurat sülfatsız yüzey aktif madde karışımlarının kompozisyon, pH ve iyonik koşullara göre reolojik dinamiklerinin karakterize edilmesi

giriiş

Zıt yüklü türlerden oluşan sulu ikili yüzey aktif madde sistemleri, kozmetik, ilaç, tarım kimyasalları ve gıda işleme endüstrileri de dahil olmak üzere çok sayıda endüstriyel sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin yaygın olarak benimsenmesi, öncelikle çeşitli formülasyonlarda gelişmiş performans sağlayan üstün arayüzey ve reolojik işlevselliklerine atfedilmektedir. Bu tür yüzey aktif maddelerin solucan benzeri, dolaşık agregalara sinerjik olarak kendiliğinden birleşmesi, artan viskoelastisite ve azaltılmış arayüzey gerilimi gibi oldukça ayarlanabilir makroskobik özellikler kazandırır. Özellikle anyonik ve zwitteriyonik yüzey aktif madde kombinasyonları, yüzey aktivitesi, viskozite ve arayüzey gerilimi modülasyonunda sinerjik iyileştirmeler sergiler. Bu davranışlar, itici elektrostatik kuvvetlerin genellikle performans optimizasyonunu sınırladığı tek yüzey aktif maddeli sistemlerin aksine, yüzey aktif maddelerin polar baş grupları ve hidrofobik kuyrukları arasındaki yoğun elektrostatik ve sterik etkileşimlerden kaynaklanır.

Kokamidopropil betain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O), hafif temizleme etkinliği ve saç bakım özellikleri nedeniyle kozmetik formülasyonlarında yaygın olarak kullanılan amfoterik bir yüzey aktif maddedir. CAPB'nin zwitteriyonik yapısı, anyonik yüzey aktif maddelerle elektrostatik sinerji sağlayarak köpük stabilitesini artırır ve üstün formülasyon performansını destekler. Son elli yılda, CAPB-sodyum lauril eter sülfat (SLES) gibi sülfat bazlı yüzey aktif maddelerle CAPB karışımları kişisel bakım ürünlerinde temel haline gelmiştir. Bununla birlikte, sülfat bazlı yüzey aktif maddelerin etkinliğine rağmen, dermal tahriş potansiyelleri ve etoksilasyon sürecinin bir yan ürünü olan 1,4-dioksanın varlığı konusundaki endişeler, sülfatsız alternatiflere olan ilgiyi artırmıştır. Umut vadeden adaylar arasında, gelişmiş biyouyumluluk ve daha hafif özellikler sergileyen tauratlar, sarkosinatlar ve glutamatlar gibi amino asit bazlı yüzey aktif maddeler yer almaktadır [9]. Bununla birlikte, bu alternatiflerin nispeten büyük polar baş grupları, sıklıkla oldukça dolaşık misel yapıların oluşumunu engellemekte ve bu da reolojik düzenleyicilerin kullanımını gerektirmektedir.

Sodyum metil kokoil taurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]), N-metiltaurinin (2-metilaminoetansülfonik asit) hindistancevizi türevi bir yağ asidi zinciriyle amid bağlanmasıyla sodyum tuzu olarak sentezlenen anyonik bir yüzey aktif maddedir. SMCT, güçlü bir anyonik sülfonat grubunun yanı sıra amid bağlı bir taurin baş grubuna sahiptir ve bu da onu biyolojik olarak parçalanabilir ve cilt pH'ıyla uyumlu hale getirir; bu da onu sülfatsız formülasyonlar için umut verici bir aday konumuna getirir. Taurat yüzey aktif maddeleri, güçlü deterjanlıkları, sert suya dayanıklılıkları, yumuşaklıkları ve geniş pH stabiliteleriyle karakterize edilir.

Kayma viskozitesi, viskoelastik modüller ve akma gerilimi gibi reolojik parametreler, yüzey aktif madde bazlı ürünlerin kararlılığını, dokusunu ve performansını belirlemede kritik öneme sahiptir. Örneğin, yüksek kayma viskozitesi substrat tutunmasını iyileştirebilirken, akma gerilimi formülasyonun uygulama sonrası cilde veya saça yapışmasını yönetir. Bu makroskobik reolojik özellikler, yüzey aktif madde konsantrasyonu, pH, sıcaklık ve yardımcı çözücülerin veya katkı maddelerinin varlığı dahil olmak üzere çok sayıda faktör tarafından düzenlenir. Zıt yüklü yüzey aktif maddeler, küresel misel ve veziküllerden sıvı kristal fazlara kadar değişen çeşitli mikro yapısal geçişlere uğrayabilir ve bu da toplu reolojiyi önemli ölçüde etkiler. Amfoterik ve anyonik yüzey aktif madde karışımları genellikle viskoelastik özellikleri önemli ölçüde artıran uzun solucan benzeri miseller (WLM'ler) oluşturur. Bu nedenle, mikro yapı-özellik ilişkilerini anlamak, ürün performansını optimize etmek için kritik öneme sahiptir.

Çok sayıda deneysel çalışma, özelliklerinin mikro yapısal temelini açıklamak için CAPB-SLES gibi benzer ikili sistemleri araştırmıştır. Örneğin, Mitrinova ve ark. [13], reometri ve dinamik ışık saçılımı (DLS) kullanarak CAPB-SLES orta zincirli eş-yüzey aktif madde karışımlarındaki misel boyutunu (hidrodinamik yarıçap) çözelti viskozitesiyle ilişkilendirmiştir. Mekanik reometri, bu karışımların mikro yapısal evrimine dair içgörü sağlar ve erişilebilir frekans alanını genişleten ve özellikle WLM gevşeme süreçleriyle ilgili kısa zaman ölçekli dinamikleri yakalayan difüzyon dalgası spektroskopisi (DWS) kullanan optik mikroreoloji ile zenginleştirilebilir. DWS mikroreolojisinde, gömülü kolloidal probların ortalama kare yer değiştirmesi zaman içinde izlenir ve bu da genelleştirilmiş Stokes-Einstein ilişkisi aracılığıyla çevreleyen ortamın doğrusal viskoelastik modüllerinin çıkarılmasını sağlar. Bu teknik yalnızca asgari örnek hacimleri gerektirir ve bu nedenle sınırlı malzeme bulunabilirliğine sahip karmaşık sıvıların, örneğin protein bazlı formülasyonların incelenmesi için avantajlıdır. Geniş frekans spektrumlarında < Δr²(t)> verilerinin analizi, ağ boyutu, dolanıklık uzunluğu, kalıcılık uzunluğu ve kontur uzunluğu gibi misel parametrelerinin tahminini kolaylaştırır. Amin ve arkadaşları, CAPB-SLES karışımlarının Cates teorisinden elde edilen öngörülere uyduğunu, kritik bir tuz konsantrasyonuna kadar tuz eklenmesiyle viskozitede belirgin bir artış olduğunu, bu konsantrasyonun ötesinde viskozitenin ani bir şekilde düştüğünü gösterdi; bu, WLM sistemlerinde tipik bir tepkidir. Xu ve Amin, SLES-CAPB-CCB karışımlarını incelemek için mekanik reometri ve DWS kullandılar ve dolanık WLM oluşumunu gösteren bir Maxwellian reolojik tepkisi ortaya koydular; bu, DWS ölçümlerinden çıkarılan mikro yapısal parametrelerle daha da doğrulandı. Bu metodolojilere dayanarak, mevcut çalışma mekanik reometri ve DWS mikroreolojisini entegre ederek mikro yapısal yeniden düzenlemelerin CAPB-SMCT karışımlarının kayma davranışını nasıl yönlendirdiğini açıklığa kavuşturmaktadır.

Daha nazik ve daha sürdürülebilir temizleme ajanlarına olan talebin artması ışığında, formülasyon zorluklarına rağmen sülfatsız anyonik yüzey aktif maddelerin keşfi ivme kazanmıştır. Sülfatsız sistemlerin farklı moleküler mimarileri genellikle farklı reolojik profiller ortaya çıkararak, tuz veya polimerik koyulaştırma gibi viskozite artırmaya yönelik geleneksel stratejileri karmaşık hale getirir. Örneğin, Yorke ve arkadaşları, alkil olefin sülfonat (AOS), alkil poliglukozit (APG) ve lauril hidroksisültain içeren ikili ve üçlü yüzey aktif madde karışımlarının köpürme ve reolojik özelliklerini sistematik olarak inceleyerek sülfatsız alternatifleri araştırmıştır. 1:1 AOS-sültain oranı, CAPB-SLES'e benzer kayma incelmesi ve köpük özellikleri göstererek WLM oluşumunu işaret etmiştir. Rajput ve arkadaşları [26], DLS, SANS ve reometri yoluyla, iyonik olmayan yardımcı yüzey aktif maddelerle (kokamid dietanolamin ve lauril glukozit) birlikte, sülfatsız bir başka anyonik yüzey aktif madde olan sodyum kokoil glisinatı (SCGLY) değerlendirdi. SCGLY tek başına baskın olarak küresel misel oluştursa da, yardımcı yüzey aktif madde eklenmesi, pH odaklı modülasyona uygun, daha karmaşık misel morfolojilerinin oluşturulmasını sağladı.

Bu gelişmelere rağmen, CAPB ve tauratları içeren sürdürülebilir sülfatsız sistemlerin reolojik özelliklerini hedef alan nispeten az sayıda araştırma bulunmaktadır. Bu çalışma, CAPB-SMCT ikili sisteminin ilk sistematik reolojik karakterizasyonlarından birini sağlayarak bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır. Yüzey aktif madde bileşimini, pH'ı ve iyonik kuvveti sistematik olarak değiştirerek, kayma viskozitesini ve viskoelastisiteyi yöneten faktörleri açıklığa kavuşturuyoruz. Mekanik reometri ve DWS mikroreolojisini kullanarak, CAPB-SMCT karışımlarının kayma davranışının altında yatan mikro yapısal yeniden düzenlemeleri niceliksel olarak belirliyoruz. Bu bulgular, pH, CAPB-SMCT oranı ve iyonik seviyeler arasındaki etkileşimi açıklayarak, WLM oluşumunu teşvik etme veya engellemede sürdürülebilir yüzey aktif madde bazlı ürünlerin reolojik profillerinin çeşitli endüstriyel uygulamalar için uyarlanmasına yönelik pratik bilgiler sunmaktadır.