Karakterizimi i dinamikës reologjike të përzierjeve surfaktante pa sulfate të kokamidopropil betainës-metil kokoil tauratit të natriumit në të gjitha kushtet e përbërjes, pH-it dhe jonike.

Hyrje

Sistemet ujore binare surfaktante që përbëhen nga specie me ngarkesë të kundërt përdoren gjerësisht në sektorë të shumtë industrialë, duke përfshirë kozmetikën, farmaceutikën, agrokimikatet dhe industritë e përpunimit të ushqimit. Përhapja e gjerë e këtyre sistemeve i atribuohet kryesisht funksionaliteteve të tyre superiore ndërfaqësore dhe reologjike, të cilat mundësojnë performancë të përmirësuar në formulime të ndryshme. Vetë-montimi sinergjik i surfaktantëve të tillë në agregate të ngatërruara në formë krimbi jep veti makroskopike shumë të akordueshme, duke përfshirë rritjen e viskoelasticitetit dhe uljen e tensionit ndërfaqësor. Në veçanti, kombinimet e surfaktantëve anionikë dhe zwitterionikë shfaqin përmirësime sinergjike në aktivitetin sipërfaqësor, viskozitetin dhe modulimin e tensionit ndërfaqësor. Këto sjellje lindin nga ndërveprimet e intensifikuara elektrostatike dhe sterike midis grupeve polare të kokës dhe bishtave hidrofobike të surfaktantëve, në kontrast me sistemet me një surfaktant të vetëm, ku forcat elektrostatike shtytëse shpesh kufizojnë optimizimin e performancës.

Betaina kokamidopropil (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) është një surfaktant amfoterik i përdorur gjerësisht në formulimet kozmetike për shkak të efikasitetit të tij të butë pastrues dhe vetive të kondicionimit të flokëve. Natyra zwitterionike e CAPB mundëson sinergji elektrostatike me surfaktantët anionikë, duke rritur stabilitetin e shkumës dhe duke promovuar performancë superiore të formulimit. Gjatë pesë dekadave të fundit, përzierjet CAPB me surfaktantë me bazë sulfati, siç është CAPB-sulfati lauril eter natriumi (SLES), janë bërë themelore në produktet e kujdesit personal. Megjithatë, pavarësisht efektivitetit të surfaktantëve me bazë sulfati, shqetësimet në lidhje me potencialin e tyre për acarim të lëkurës dhe praninë e 1,4-dioksanit, një nënprodukt i procesit të etoksilimit, kanë nxitur interesin për alternativa pa sulfate. Kandidatët premtues përfshijnë surfaktantë me bazë aminoacidesh, të tillë si tauratet, sarkozinatet dhe glutamatet, të cilët shfaqin biokompatibilitet të përmirësuar dhe veti më të buta [9]. Megjithatë, grupet relativisht të mëdha polare të kokave të këtyre alternativave shpesh pengojnë formimin e strukturave micelare shumë të ngatërruara, duke bërë të domosdoshme përdorimin e modifikuesve reologjikë.

Taurat metil kokoil natriumi (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) është një surfaktant anionik i sintetizuar si kripë natriumi nëpërmjet çiftëzimit amid të N-metiltaurinës (acid 2-metilaminoetansulfonik) me një zinxhir acidi yndyror të derivuar nga kokosi. SMCT zotëron një grup kryesor taurine të lidhur me amid së bashku me një grup sulfonat anionik të fortë, duke e bërë atë të biodegradueshëm dhe të pajtueshëm me pH-in e lëkurës, gjë që e pozicionon atë si një kandidat premtues për formulime pa sulfate. Surfaktantët tauratë karakterizohen nga detergjenti i tyre i fuqishëm, rezistenca ndaj ujit të fortë, butësia dhe stabiliteti i gjerë i pH-it.

Parametrat reologjikë, duke përfshirë viskozitetin e prerjes, modulet viskoelastike dhe stresin e rrjedhshmërisë, janë kritikë në përcaktimin e stabilitetit, strukturës dhe performancës së produkteve me bazë surfaktanti. Për shembull, viskoziteti i lartë i prerjes mund të përmirësojë mbajtjen e substratit, ndërsa stresi i rrjedhshmërisë rregullon ngjitjen e formulës në lëkurë ose flokë pas aplikimit. Këto atribute reologjike makroskopike modulohen nga faktorë të shumtë, duke përfshirë përqendrimin e surfaktantit, pH-in, temperaturën dhe praninë e bashkë-tretësve ose aditivëve. Surfaktantët me ngarkesë të kundërt mund të pësojnë tranzicione të ndryshme mikrostrukturore, duke filluar nga micelet dhe fshikëzat sferike deri te fazat kristalore të lëngshme, të cilat, nga ana tjetër, ndikojnë thellësisht në reologjinë e masës. Përzierjet e surfaktantëve amfoterikë dhe anionikë shpesh formojnë micela të zgjatura si krimba (WLM), të cilat rrisin ndjeshëm vetitë viskoelastike. Prandaj, të kuptuarit e marrëdhënieve mikrostrukturë-veti është kritike për optimizimin e performancës së produktit.

Studime të shumta eksperimentale kanë hetuar sisteme binare analoge, të tilla si CAPB-SLES, për të sqaruar bazën mikrostrukturore të vetive të tyre. Për shembull, Mitrinova et al. [13] kanë korreluar madhësinë e micelës (rrezja hidrodinamike) me viskozitetin e tretësirës në përzierjet bashkë-surfaktante CAPB-SLES me zinxhir të mesëm duke përdorur reometrinë dhe shpërndarjen dinamike të dritës (DLS). Reometria mekanike ofron një pasqyrë të evolucionit mikrostrukturor të këtyre përzierjeve dhe mund të rritet nga mikroreologjia optike duke përdorur spektroskopinë e valëve difuzuese (DWS) e cila zgjeron domenin e frekuencës së arritshme, duke kapur dinamikën në shkallë të shkurtër kohore, veçanërisht të rëndësishme për proceset e relaksimit WLM. Në mikroreologjinë DWS, zhvendosja mesatare katrore e sondave koloidale të ngulitura gjurmohet me kalimin e kohës, duke mundësuar nxjerrjen e moduleve lineare viskoelastike të mjedisit përreth nëpërmjet marrëdhënies së përgjithësuar Stokes-Ajnshtajn. Kjo teknikë kërkon vetëm vëllime minimale të mostrës dhe kështu është e dobishme për studimin e lëngjeve komplekse me disponueshmëri të kufizuar materialesh, p.sh. formulimet me bazë proteinash. Analiza e të dhënave <Δr²(t)> në spektrat e frekuencave të gjera lehtëson vlerësimin e parametrave micelularë si madhësia e rrjetës, gjatësia e ngatërresës, gjatësia e persistencës dhe gjatësia e konturit. Amin et al. demonstruan se përzierjet CAPB-SLES përputhen me parashikimet nga teoria e Cates, duke treguar një rritje të theksuar të viskozitetit me shtimin e kripës deri në një përqendrim kritik të kripës, përtej të cilit viskoziteti bie ndjeshëm - një përgjigje tipike në sistemet WLM. Xu dhe Amin përdorën reometrinë mekanike dhe DWS për të shqyrtuar përzierjet SLES-CAPB-CCB, duke zbuluar një përgjigje reologjike Maksuelliane që tregon formimin e WLM të ngatërruar, e cila u vërtetua më tej nga parametrat mikrostrukturorë të nxjerrë nga matjet DWS. Duke u bazuar në këto metodologji, studimi aktual integron reometrinë mekanike dhe mikroreologjinë DWS për të sqaruar se si riorganizimet mikrostrukturore nxisin sjelljen e prerjes së përzierjeve CAPB-SMCT.

Në dritën e kërkesës në rritje për agjentë pastrimi më të butë dhe më të qëndrueshëm, eksplorimi i surfaktantëve anionikë pa sulfate ka fituar vrull pavarësisht sfidave të formulimit. Arkitekturat e dallueshme molekulare të sistemeve pa sulfate shpesh japin profile reologjike divergjente, duke ndërlikuar strategjitë konvencionale për rritjen e viskozitetit, siç është nëpërmjet trashjes së kripës ose polimerit. Për shembull, Yorke et al. eksploruan alternativa jo-sulfate duke hetuar sistematikisht vetitë e shkumëzimit dhe reologjike të përzierjeve surfaktante binare dhe ternare që përmbajnë alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukozid (APG) dhe lauril hidroksisultainë. Një raport 1:1 i AOS-sultainës tregoi karakteristika të hollimit të prerjes dhe shkumës të ngjashme me CAPB-SLES, duke treguar formimin e WLM. Rajput et al. [26] vlerësuan një tjetër surfaktant anionik pa sulfate, kokoilin glicinat natriumi (SCGLY), së bashku me bashkë-surfaktantët jojonikë (kokamidë dietanolaminë dhe lauril glukozid) nëpërmjet DLS, SANS dhe reometrisë. Edhe pse SCGLY vetëm formoi micela kryesisht sferike, shtimi i bashkë-surfaktantëve mundësoi ndërtimin e morfologjive micelare më të ndërlikuara, të përshtatshme për modulim të drejtuar nga pH-i.

Pavarësisht këtyre përparimeve, relativisht pak hetime kanë synuar vetitë reologjike të sistemeve të qëndrueshme pa sulfate që përfshijnë CAPB dhe taurate. Ky studim synon të mbushë këtë boshllëk duke ofruar një nga karakterizimet e para sistematike reologjike të sistemit binar CAPB-SMCT. Duke ndryshuar sistematikisht përbërjen e surfaktantit, pH-in dhe forcën jonike, ne sqarojmë faktorët që qeverisin viskozitetin e prerjes dhe viskoelasticitetin. Duke përdorur reometrinë mekanike dhe mikroreologjinë DWS, ne përcaktojmë sasinë e riorganizimeve mikrostrukturore që qëndrojnë në themel të sjelljes së prerjes së përzierjeve CAPB-SMCT. Këto gjetje sqarojnë ndërveprimin midis pH-it, raportit CAPB-SMCT dhe niveleve jonike në promovimin ose pengimin e formimit të WLM-së, duke ofruar kështu njohuri praktike në përshtatjen e profileve reologjike të produkteve të qëndrueshme me bazë surfaktante për aplikime të ndryshme industriale.