Sülfat içermeyen kokamidopropil betain-sodyum metil kokoil taurat yüzey aktif madde karışımlarının bileşim, pH ve iyonik koşullar altındaki reolojik dinamiklerinin karakterizasyonu

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 atfedilir. Bu tür yüzey aktif maddelerin solucan benzeri, birbirine dolanmış agregatlar halinde sinerjik kendi kendine birleşmesi, artan viskoelastisite ve azalan arayüzey gerilimi de dahil olmak üzere son derece ayarlanabilir makroskopik özellikler kazandırır. Özellikle, anyonik ve zwitteriyonik yüzey aktif maddelerin kombinasyonları, yüzey aktivitesi, viskozite ve arayüzey gerilimi modülasyonunda sinerjik iyileştirmeler sergiler. Bu davranışlar, itici elektrostatik kuvvetlerin genellikle performans optimizasyonunu sınırladığı tek yüzey aktif madde sistemlerinin aksine, yüzey aktif maddelerin polar baş grupları ve hidrofobik kuyrukları arasındaki yoğunlaştırılmış 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 formülasyonlarda 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 bir unsur haline gelmiştir. Bununla birlikte, sülfat bazlı yüzey aktif maddelerin etkinliğine rağmen, dermal tahriş potansiyeli ve etoksilasyon işleminin bir yan ürünü olan 1,4-dioksanın varlığına ilişkin endişeler, sülfat içermeyen alternatiflere olan ilgiyi artırmıştır. Umut vadeden adaylar arasında, gelişmiş biyouyumluluk ve daha yumuşak 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, yüksek oranda birbirine dolanmış misel yapılarının oluşumunu sıklıkla engellemekte ve reolojik değiştiricilerin kullanımını gerektirmektedir.

Sodyum metil kokoil taurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]), N-metiltaurin (2-metilaminoetansülfonik asit) ile hindistan cevizinden türetilmiş bir yağ asidi zincirinin amid bağlanması yoluyla sodyum tuzu olarak sentezlenen anyonik bir yüzey aktif maddedir. SMCT, amid bağlantılı bir taurin baş grubunun yanı sıra güçlü bir anyonik sülfonat grubuna sahiptir; bu da onu biyolojik olarak parçalanabilir ve cilt pH'ı ile uyumlu hale getirerek sülfat içermeyen formülasyonlar için umut vadeden bir aday yapar. Taurat yüzey aktif maddeler, güçlü deterjan özellikleri, sert suya dayanıklılıkları, yumuşaklıkları ve geniş pH stabiliteleri ile karakterize edilir.

Kayma viskozitesi, viskoelastik modüller ve akma gerilimi gibi reolojik parametreler, yüzey aktif madde bazlı ürünlerin stabilitesini, 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 makroskopik reolojik özellikler, yüzey aktif madde konsantrasyonu, pH, sıcaklık ve yardımcı çözücülerin veya katkı maddelerinin varlığı dahil olmak üzere çok sayıda faktör tarafından modüle edilir. Zıt yüklü yüzey aktif maddeler, küresel miseller ve veziküllerden sıvı kristal fazlara kadar çeşitli mikro yapısal geçişlere uğrayabilir ve bu da genel reolojiyi derinden etkiler. Amfoterik ve anyonik yüzey aktif maddelerin 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.

CAPB–SLES gibi benzer ikili sistemlerin özelliklerinin mikro yapısal temelini aydınlatmak için çok sayıda deneysel çalışma yapılmıştır. Örneğin, Mitrinova ve ark. [13], reometri ve dinamik ışık saçılımı (DLS) kullanarak CAPB–SLES–orta zincirli yardımcı yüzey aktif madde karışımlarında misel boyutunu (hidrodinamik yarıçap) çözelti viskozitesiyle ilişkilendirmiştir. Mekanik reometri, bu karışımların mikro yapısal evrimine dair fikir verir ve erişilebilir frekans alanını genişleten, özellikle WLM gevşeme süreçleriyle ilgili kısa zaman ölçekli dinamikleri yakalayan difüz dalga spektroskopisi (DWS) kullanan optik mikrorheoloji ile desteklenebilir. DWS mikrorheolojisinde, gömülü koloidal probların ortalama kare yer değiştirmesi zaman içinde izlenir ve genelleştirilmiş Stokes–Einstein ilişkisi yoluyla çevredeki ortamın doğrusal viskoelastik modüllerinin çıkarılması sağlanır. Bu teknik yalnızca minimum numune hacimleri gerektirir ve bu nedenle sınırlı malzeme bulunabilirliğine sahip karmaşık akışkanların, örneğin protein bazlı formülasyonların incelenmesi için avantajlıdır. Geniş frekans spektrumları boyunca < Δr²(t)> verilerinin analizi, ağ boyutu, dolaşma uzunluğu, kalıcılık uzunluğu ve kontur uzunluğu gibi misel parametrelerinin tahminini kolaylaştırır. Amin ve ark. CAPB–SLES karışımlarının Cates teorisinden gelen tahminlere uygun olduğunu, kritik bir tuz konsantrasyonuna kadar tuz ilavesiyle viskozitede belirgin bir artış gösterdiğini, bu konsantrasyonun ötesinde viskozitenin hızla düştüğünü göstermiştir; bu, WLM sistemlerinde tipik bir tepkidir. Xu ve Amin, SLES–CAPB–CCB karışımlarını incelemek için mekanik reometri ve DWS kullanmış ve dolaşmış WLM oluşumunu gösteren Maxwell tipi bir reolojik tepki ortaya koymuştur; bu, DWS ölçümlerinden çıkarılan mikro yapısal parametrelerle daha da doğrulanmıştır. Bu metodolojilerden yola çıkan mevcut çalışma, CAPB–SMCT karışımlarının kayma davranışını mikro yapısal yeniden düzenlemelerin nasıl yönlendirdiğini aydınlatmak için mekanik reometri ve DWS mikrorheolojisini entegre etmektedir.

Daha nazik ve sürdürülebilir temizlik maddelerine yönelik artan talep ışığında, formülasyon zorluklarına rağmen sülfat içermeyen anyonik yüzey aktif maddelerin araştırılması ivme kazanmıştır. Sülfat içermeyen sistemlerin farklı moleküler mimarileri genellikle farklı reolojik profiller ortaya çıkararak, tuz veya polimerik koyulaştırma gibi viskozite artırmaya yönelik geleneksel stratejileri karmaşıklaştırır. Örneğin, Yorke ve ark., 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 sülfat içermeyen alternatifleri araştırmıştır. 1:1 oranında AOS-sültain, CAPB-SLES'e benzer kayma incelmesi ve köpük özellikleri göstermiş ve WLM oluşumunu işaret etmiştir. Rajput ve ark. [26], DLS, SANS ve reometri yoluyla, iyonik olmayan yardımcı yüzey aktif maddeler (kokamid dietanolamin ve lauril glukozit) ile birlikte sülfat içermeyen başka bir anyonik yüzey aktif madde olan sodyum kokoil glisinatı (SCGLY) değerlendirdi. SCGLY tek başına ağırlıklı olarak küresel miseller oluşturmasına rağmen, yardımcı yüzey aktif madde ilavesi, pH'a bağlı modülasyona uygun daha karmaşık misel morfolojilerinin oluşturulmasını sağladı.

Bu ilerlemelere rağmen, CAPB ve tauratları içeren sürdürülebilir sülfat içermeyen sistemlerin reolojik özelliklerini hedef alan araştırmalar nispeten azdır. Bu çalışma, CAPB-SMCT ikili sisteminin ilk sistematik reolojik karakterizasyonlarından birini sağlayarak bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır. Sürfaktan bileşimini, pH'ı ve iyonik kuvveti sistematik olarak değiştirerek, kayma viskozitesini ve viskoelastisiteyi yöneten faktörleri aydınlatıyoruz. Mekanik reometri ve DWS mikrorheolojisini kullanarak, CAPB-SMCT karışımlarının kayma davranışının altında yatan mikro yapısal yeniden düzenlemeleri nicelendiriyoruz. Bu bulgular, WLM oluşumunu teşvik etmede veya engellemede pH, CAPB-SMCT oranı ve iyonik seviyeler arasındaki etkileşimi aydınlatarak, çeşitli endüstriyel uygulamalar için sürdürülebilir sürfaktan bazlı ürünlerin reolojik profillerini uyarlamaya yönelik pratik bilgiler sunmaktadır.