Құрамы, рН және иондық жағдайлары бойынша кокамидопропил бетаин-натрий метилкокоил тауратының сульфатсыз беттік белсенді қоспаларының реологиялық динамикасын сипаттау

Кіріспе

Қарама-қарсы зарядталған түрлерден тұратын сулы бинарлы беттік белсенді заттар жүйесі косметика, фармацевтика, агрохимия және тамақ өңдеу өнеркәсібін қоса алғанда, көптеген өнеркәсіп салаларында кеңінен қолданылады. Бұл жүйелердің кеңінен қолданылуы, ең алдымен, олардың әртүрлі құрамдарда жақсартылған өнімділікке мүмкіндік беретін жоғары фазааралық және реологиялық функционалдық мүмкіндіктеріне байланысты. Мұндай беттік белсенді заттардың құрт тәрізді, шиеленіскен агрегаттарға синергетикалық өздігінен жиналуы тұтқыр серпімділіктің жоғарылауын және фазааралық кернеудің төмендеуін қоса, жоғары реттелетін макроскопиялық қасиеттерді береді. Атап айтқанда, аниондық және цвитериондық беттік белсенді заттардың комбинациясы беттік белсенділікте, тұтқырлықта және фазааралық кернеу модуляциясында синергетикалық жақсартуларды көрсетеді. Бұл әрекеттер полярлық бас топтары мен беттік-белсенді заттардың гидрофобты құйрықтары арасындағы күшейтілген электростатикалық және стерикалық өзара әрекеттесулерден туындайды, бұл бір беттік-белсенді заттар жүйелеріне қарама-қайшы келеді, мұнда итеруші электростатикалық күштер өнімділікті оңтайландыруды жиі шектейді.

Кокамидопропил бетаин (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) жұмсақ тазарту тиімділігі мен шашты жайландыратын қасиеттеріне байланысты косметикалық препараттарда кеңінен қолданылатын амфотерлі беттік белсенді зат. CAPB-ның цвитериондық табиғаты анионды беттік белсенді заттармен электростатикалық синергияға мүмкіндік береді, көбік тұрақтылығын арттырады және рецептураның жоғары өнімділігін арттырады. Соңғы бес онжылдықта CAPB-натрий лаурил эфир сульфаты (SLES) сияқты сульфат негізіндегі беттік белсенді заттармен CAPB қоспалары жеке күтім өнімдерінде негіз болды. Дегенмен, сульфат негізіндегі беттік белсенді заттардың тиімділігіне қарамастан, олардың тері тітіркену әлеуеті мен этоксилдену процесінің жанама өнімі 1,4-диоксанның болуына қатысты алаңдаушылық сульфатсыз баламаларға қызығушылықты тудырды. Болашағы бар кандидаттарға биоүйлесімділік пен жұмсақ қасиеттерді көрсететін таураттар, саркозинаттар және глутаматтар сияқты амин қышқылы негізіндегі беттік белсенді заттар жатады [9]. Осыған қарамастан, бұл баламалардың салыстырмалы түрде үлкен полярлық бас топтары реологиялық модификаторларды қолдануды қажет ететін өте шатастырылған мицеллярлық құрылымдардың қалыптасуына жиі кедергі жасайды.

Натрий метилкокоил таураты (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) – N-метилтауриннің (2-метиламиноэтансульфон қышқылы) кокос жаңғағынан алынған май қышқылының тізбегімен амидті байланысы арқылы натрий тұзы ретінде синтезделген анионды беттік белсенді зат. SMCT күшті анионды сульфонат тобымен қатар амидпен байланысқан тауриннің бас тобына ие, бұл оны биологиялық ыдырайтын және терінің рН-мен үйлесімді етеді, бұл оны сульфатсыз құрамдар үшін перспективалы үміткер ретінде көрсетеді. Таурат беттік-белсенді заттар олардың күшті жуғыштығымен, қатты суға төзімділігімен, жұмсақтығымен және кең рН тұрақтылығымен сипатталады.

Реологиялық параметрлер, соның ішінде ығысу тұтқырлығы, тұтқыр серпімділік модулі және шығымдылық кернеуі беттік белсенді зат негізіндегі өнімдердің тұрақтылығын, құрылымын және өнімділігін анықтауда маңызды болып табылады. Мысалы, жоғары ығысу тұтқырлығы субстраттың сақталуын жақсарта алады, ал шығымдылық кернеуі препараттың қолданғаннан кейінгі теріге немесе шашқа жабысуын басқарады. Бұл макроскопиялық реологиялық атрибуттар беттік белсенді заттың концентрациясы, рН, температура және бірлескен еріткіштердің немесе қоспалардың болуын қоса, көптеген факторлармен модуляцияланады. Қарама-қарсы зарядталған беттік белсенді заттар сфералық мицеллалар мен везикулалардан сұйық кристалды фазаларға дейінгі әртүрлі микроқұрылымдық ауысулардан өтуі мүмкін, бұл өз кезегінде көлемді реологияға терең әсер етеді. Амфотерлі және анионды беттік белсенді заттардың қоспалары көбінесе тұтқыр серпімділік қасиеттерін едәуір жақсартатын ұзартылған құрт тәрізді мицеллаларды (WLM) құрайды. Микроқұрылым мен меншік қатынастарын түсіну өнімнің өнімділігін оңтайландыру үшін өте маңызды.

Көптеген эксперименттік зерттеулер олардың қасиеттерінің микроқұрылымдық негізін түсіндіру үшін CAPB–SLES сияқты ұқсас екілік жүйелерді зерттеді. Мысалы, Митринова және т.б. [13] реометрия мен динамикалық жарық шашырауын (DLS) қолданатын CAPB–SLES – орташа тізбекті қос беттік белсенді зат қоспаларындағы ерітінді тұтқырлығымен корреляцияланған мицелла өлшемі (гидродинамикалық радиус). Механикалық реометрия осы қоспалардың микроқұрылымдық эволюциясын түсінуді қамтамасыз етеді және қол жетімді жиілік аймағын кеңейтетін, әсіресе WLM релаксация процестеріне қатысты қысқа уақыттық динамикасын түсіретін диффузиялық толқындық спектроскопияны (DWS) пайдаланып оптикалық микрореологиямен толықтырылуы мүмкін. DWS микрореологиясында енгізілген коллоидты зондтардың орташа квадраттық орын ауыстыруы уақыт өте келе бақыланады, бұл жалпыланған Стокс-Эйнштейн қатынасы арқылы қоршаған ортаның сызықтық тұтқыр серпімді модульдерін алуға мүмкіндік береді. Бұл әдіс тек ең аз үлгі көлемін қажет етеді, сондықтан материал қолжетімділігі шектеулі күрделі сұйықтықтарды, мысалы, ақуыз негізіндегі құрамдарды зерттеу үшін тиімді. Кең жиілік спектрлері бойынша < Δr²(t)> деректерін талдау тор өлшемі, шатасу ұзындығы, тұрақтылық ұзындығы және контур ұзындығы сияқты мицеллярлық параметрлерді бағалауды жеңілдетеді. Амин және басқалар CAPB-SLES қоспалары Кейтс теориясының болжамдарына сәйкес келетінін көрсетті, бұл тұзды қосқанда критикалық тұз концентрациясына дейін тұтқырлықтың айқын жоғарылауын көрсетеді, оның шегінен тыс тұтқырлық тез төмендейді — WLM жүйелеріндегі типтік жауап Сю және Амин механикалық реометрия мен DWS-ді зерттеу үшін Maxwell-CAP-CAPB қоспасын анықтады. реологиялық жауап қатып қалған WLM түзілуін көрсетеді, ол әрі қарай DWS өлшемдерінен алынған микроқұрылымдық параметрлермен расталды. Осы әдістемелерге сүйене отырып, ағымдағы зерттеу микроқұрылымдық қайта құрулар CAPB-SMCT қоспаларының ығысу әрекетін қалай басқаратынын түсіндіру үшін механикалық реометрия мен DWS микрореологиясын біріктіреді.

Неғұрлым жұмсақ және тұрақты тазартқыш агенттерге сұраныстың артуы аясында сульфатсыз анионды беттік белсенді заттардың барлауы тұжырымдау қиындықтарына қарамастан қарқын алды. Сульфатсыз жүйелердің ерекше молекулалық архитектурасы көбінесе әртүрлі реологиялық профильдерді береді, бұл тұз немесе полимерлі қоюландыру сияқты тұтқырлықты арттырудың дәстүрлі стратегияларын қиындатады. Мысалы, Yorke et al. алкилолефин сульфонаты (АОС), алкилполиглюкозид (APG) және лаурил гидроксисултайн бар екілік және үштік беттік белсенді заттар қоспаларының көбіктену және реологиялық қасиеттерін жүйелі түрде зерттеу арқылы сульфатты емес баламаларды зерттеді. AOS-sultaine 1:1 қатынасы CAPB-SLES-ге ұқсас ығысу жіңішкеру және көбік сипаттамаларын көрсетті, бұл WLM түзілуін көрсетеді. Раджпут және т.б. [26] басқа сульфатсыз анионды беттік белсенді затты, натрий кокоил глицинатын (SCGLY) DLS, SANS және реометрия арқылы иондық емес ко-беттік белсенді заттармен (кокамид дитаноламин және лаурил глюкозид) бағалады. SCGLY негізінен сфералық мицеллаларды түзсе де, қосымша беттік белсенді затты қосу рН-басқару модуляциясына бейім мицеллярлық морфологиялардың күрделірек құрылысына мүмкіндік берді.

Осы жетістіктерге қарамастан, салыстырмалы түрде аз зерттеулер CAPB және таураттарды қамтитын тұрақты сульфатсыз жүйелердің реологиялық қасиеттеріне бағытталған. Бұл зерттеу CAPB–SMCT екілік жүйесінің алғашқы жүйелі реологиялық сипаттамаларының бірін қамтамасыз ету арқылы осы олқылықты толтыруға бағытталған. Беттік-белсенді заттардың құрамын, рН және иондық күшін жүйелі түрде өзгерту арқылы біз ығысу тұтқырлығы мен тұтқыр серпімділікті реттейтін факторларды түсіндіреміз. Механикалық реометрия мен DWS микрореологиясын пайдалана отырып, біз CAPB-SMCT қоспаларының ығысу әрекетінің негізінде жатқан микроқұрылымдық қайта құруларды сандық түрде анықтаймыз. Бұл нәтижелер рН, CAPB–SMCT қатынасы және WLM түзілуін ынталандыру немесе тежеудегі иондық деңгейлер арасындағы өзара әрекетті түсіндіреді, осылайша әртүрлі өнеркәсіптік қолданбалар үшін тұрақты беттік белсенді заттардың негізіндегі өнімдердің реологиялық профильдерін бейімдеу бойынша практикалық түсініктер ұсынады.