Charakterizace reologické dynamiky směsí povrchově aktivních látek bez obsahu síranů na bázi kokamidopropylbetainu a methylkokoyltaurátu sodného v závislosti na složení, pH a iontových podmínkách

Zavedení

Vodné binární systémy povrchově aktivních látek obsahující opačně nabité částice se hojně používají v mnoha průmyslových odvětvích, včetně kosmetiky, farmacie, agrochemikálií a potravinářského průmyslu. Široké přijetí těchto systémů je primárně přičítáno jejich vynikajícím mezifázovým a reologickým funkcím, které umožňují lepší výkon v různých formulacích. Synergické samouspořádání těchto povrchově aktivních látek do červovitých, propletených agregátů propůjčuje vysoce laditelné makroskopické vlastnosti, včetně zvýšené viskoelasticity a sníženého mezifázového napětí. Zejména kombinace aniontových a zwitteriontových povrchově aktivních látek vykazují synergické zlepšení povrchové aktivity, viskozity a modulace mezifázového napětí. Toto chování vzniká zesílenými elektrostatickými a sterickými interakcemi mezi polárními hlavicemi a hydrofobními konci povrchově aktivních látek, na rozdíl od systémů s jednou povrchově aktivní látkou, kde odpudivé elektrostatické síly často omezují optimalizaci výkonu.

Kokamidopropylbetain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) je široce používaná amfoterní povrchově aktivní látka v kosmetických přípravcích díky své mírné čisticí účinnosti a vlastnostem kondicionujícím vlasy. Zwitterionická povaha CAPB umožňuje elektrostatickou synergii s aniontovými povrchově aktivními látkami, čímž zvyšuje stabilitu pěny a podporuje vynikající výkonnost přípravku. Během posledních pěti desetiletí se směsi CAPB se povrchově aktivními látkami na bázi síranů, jako je CAPB–laurylsulfát sodný (SLES), staly základem produktů osobní péče. Navzdory účinnosti povrchově aktivních látek na bázi síranů však obavy ohledně jejich potenciálu dráždit pokožku a přítomnosti 1,4-dioxanu, vedlejšího produktu ethoxylačního procesu, vedly k zájmu o alternativy bez síranů. Mezi slibné kandidáty patří povrchově aktivní látky na bázi aminokyselin, jako jsou tauráty, sarkosináty a glutamáty, které vykazují zvýšenou biokompatibilitu a mírnější vlastnosti [9]. Nicméně relativně velké polární skupiny hlav těchto alternativ často brání tvorbě vysoce propletených micelárních struktur, což vyžaduje použití reologických modifikátorů.

Methylkokoyltaurát sodný (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) je aniontová povrchově aktivní látka syntetizovaná jako sodná sůl amidovou vazbou N-methyltaurinu (kyseliny 2-methylaminoethansulfonové) s řetězcem mastné kyseliny odvozeným z kokosového ořechu. SMCT má amidově vázanou taurinovou skupinu vedle silně aniontové sulfonátové skupiny, díky čemuž je biologicky odbouratelný a kompatibilní s pH pokožky, což jej řadí mezi slibné kandidáty pro bezsulfátové formulace. Taurátové povrchově aktivní látky se vyznačují silnými detergentními účinky, odolností vůči tvrdé vodě, jemností a širokou stabilitou pH.

Reologické parametry, včetně smykové viskozity, viskoelastických modulů a meze kluzu, jsou klíčové pro určení stability, textury a výkonu produktů na bázi povrchově aktivních látek. Například zvýšená smyková viskozita může zlepšit retenci substrátu, zatímco mez kluzu řídí přilnavost formulace k pokožce nebo vlasům po aplikaci. Tyto makroskopické reologické vlastnosti jsou modulovány řadou faktorů, včetně koncentrace povrchově aktivní látky, pH, teploty a přítomnosti pomocných rozpouštědel nebo aditiv. Opačně nabité povrchově aktivní látky mohou procházet různými mikrostrukturálními přechody, od sférických micel a vezikul až po kapalně krystalické fáze, které následně zásadně ovlivňují reologii objemu. Směsi amfoterních a aniontových povrchově aktivních látek často tvoří protáhlé červovité micely (WLM), které významně zlepšují viskoelastické vlastnosti. Pochopení vztahů mezi mikrostrukturou a vlastnostmi je proto zásadní pro optimalizaci výkonu produktu.

Četné experimentální studie zkoumaly analogické binární systémy, jako je CAPB-SLES, s cílem objasnit mikrostrukturní základ jejich vlastností. Například Mitrinova a kol. [13] korelovali velikost micel (hydrodynamický poloměr) s viskozitou roztoku ve směsích CAPB-SLES-ko-surfaktant se středně dlouhým řetězcem pomocí reometrie a dynamického rozptylu světla (DLS). Mechanická reometrie poskytuje vhled do mikrostrukturálního vývoje těchto směsí a může být rozšířena o optickou mikroreologii s využitím difuzní vlnové spektroskopie (DWS), která rozšiřuje dostupnou frekvenční doménu a zachycuje dynamiku v krátkodobém měřítku, zejména relevantní pro relaxační procesy WLM. V DWS mikroreologii se v čase sleduje střední kvadratický posun vložených koloidních sond, což umožňuje extrakci lineárních viskoelastických modulů okolního média pomocí zobecněného Stokesova-Einsteinova vztahu. Tato technika vyžaduje pouze minimální objemy vzorku, a je proto výhodná pro studium komplexních tekutin s omezenou dostupností materiálu, např. formulací na bázi proteinů. Analýza dat < Δr²(t)> v širokém frekvenčním spektru usnadňuje odhad micelárních parametrů, jako je velikost ok, délka provázání, délka perzistence a délka kontury. Amin a kol. prokázali, že směsi CAPB-SLES odpovídají predikcím Catesovy teorie, což ukazuje výrazný nárůst viskozity s přidáním soli až do kritické koncentrace soli, za kterou viskozita prudce klesá – typická odezva v systémech WLM. Xu a Amin použili mechanickou reometrii a DWS ke zkoumání směsí SLES-CAPB-CCB, což odhalilo Maxwellovu reologickou odezvu svědčící o tvorbě provázaného WLM, což bylo dále potvrzeno mikrostrukturálními parametry odvozenými z měření DWS. V návaznosti na tyto metodologie integruje současná studie mechanickou reometrii a mikroreologii DWS, aby objasnila, jak mikrostrukturální reorganizace ovlivňují smykové chování směsí CAPB-SMCT.

Vzhledem k rostoucí poptávce po šetrnějších a udržitelnějších čisticích prostředcích nabral na obrátkách výzkum aniontových povrchově aktivních látek bez obsahu síranů, a to i přes problémy s jejich formulací. Různé molekulární architektury systémů bez obsahu síranů často vedou k odlišným reologickým profilům, což komplikuje konvenční strategie pro zvýšení viskozity, například pomocí solí nebo polymerního zahušťování. Například Yorke a kol. zkoumali nesulfátové alternativy systematickým zkoumáním pěnivých a reologických vlastností binárních a ternárních směsí povrchově aktivních látek s alkylolefinsulfonátem (AOS), alkylpolyglukosidem (APG) a laurylhydroxysultainem. Poměr AOS-sultain 1:1 vykazoval smykové ztenčování a vlastnosti pěny podobné CAPB-SLES, což naznačuje tvorbu WLM. Rajput a kol. [26] hodnotili další aniontovou povrchově aktivní látku bez obsahu síranů, kokoylglycinát sodný (SCGLY), spolu s neiontovými ko-povrchově aktivními látkami (kokamiddiethanolamin a laurylglukosid) pomocí DLS, SANS a reometrie. Ačkoli samotný SCGLY tvořil převážně sférické micely, přidání pomocné povrchově aktivní látky umožnilo konstrukci složitějších micelárních morfologií, které jsou přístupné modulaci řízené pH.

Navzdory těmto pokrokům se poměrně málo výzkumů zaměřilo na reologické vlastnosti udržitelných bezsulfátových systémů, které zahrnují CAPB a tauráty. Tato studie si klade za cíl tuto mezeru zaplnit poskytnutím jedné z prvních systematických reologických charakterizací binárního systému CAPB-SMCT. Systematickou změnou složení povrchově aktivních látek, pH a iontové síly objasňujeme faktory ovlivňující smykovou viskozitu a viskoelasticitu. Pomocí mechanické reometrie a DWS mikroreologie kvantifikujeme mikrostrukturální reorganizace, které jsou základem smykového chování směsí CAPB-SMCT. Tato zjištění objasňují vzájemné působení mezi pH, poměrem CAPB-SMCT a iontovými hladinami při podpoře nebo inhibici tvorby WLM, a tím nabízejí praktické poznatky o přizpůsobení reologických profilů udržitelných produktů na bázi povrchově aktivních látek pro různé průmyslové aplikace.