Đặc điểm động lực học lưu biến của hỗn hợp chất hoạt động bề mặt không chứa sulfat của cocamidopropyl betaine-natri methyl cocoyl taurate trên các điều kiện thành phần, pH và ion

Giới thiệu

Hệ thống chất hoạt động bề mặt nhị phân nước bao gồm các chất mang điện tích trái dấu được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm mỹ phẩm, dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm. Việc áp dụng rộng rãi các hệ thống này chủ yếu là do các chức năng giao diện và lưu biến vượt trội của chúng, cho phép nâng cao hiệu suất trong các công thức đa dạng. Sự tự lắp ráp hiệp đồng của các chất hoạt động bề mặt như vậy thành các tập hợp giống như giun, rối rắm mang lại các đặc tính vĩ mô có thể điều chỉnh cao, bao gồm tăng độ nhớt đàn hồi và giảm sức căng giao diện. Đặc biệt, sự kết hợp của chất hoạt động bề mặt anion và lưỡng tính thể hiện sự tăng cường hiệp đồng về hoạt động bề mặt, độ nhớt và điều chế sức căng giao diện. Những hành vi này phát sinh từ các tương tác tĩnh điện và không gian tăng cường giữa các nhóm đầu phân cực và đuôi kỵ nước của chất hoạt động bề mặt, trái ngược với các hệ thống chất hoạt động bề mặt đơn lẻ, trong đó lực tĩnh điện đẩy thường hạn chế việc tối ưu hóa hiệu suất.

Cocamidopropyl betaine (CAPB; CƯỜI: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) là chất hoạt động bề mặt lưỡng tính được sử dụng rộng rãi trong các công thức mỹ phẩm do hiệu quả làm sạch nhẹ nhàng và đặc tính dưỡng tóc. Bản chất lưỡng tính của CAPB cho phép tạo ra sự hiệp đồng tĩnh điện với chất hoạt động bề mặt anion, tăng cường độ ổn định của bọt và thúc đẩy hiệu suất công thức vượt trội. Trong năm thập kỷ qua, hỗn hợp CAPB với chất hoạt động bề mặt gốc sulfat, chẳng hạn như CAPB–natri lauryl ether sulfat (SLES), đã trở thành nền tảng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân. Tuy nhiên, bất chấp hiệu quả của chất hoạt động bề mặt gốc sulfat, mối lo ngại về khả năng gây kích ứng da của chúng và sự hiện diện của 1,4-dioxane, một sản phẩm phụ của quá trình ethoxyl hóa, đã thúc đẩy sự quan tâm đến các chất thay thế không chứa sulfat. Các ứng cử viên đầy hứa hẹn bao gồm các chất hoạt động bề mặt gốc axit amin, chẳng hạn như taurat, sarcosinat và glutamat, có khả năng tương thích sinh học cao hơn và đặc tính nhẹ hơn [9]. Tuy nhiên, các nhóm đầu phân cực tương đối lớn của các chất thay thế này thường cản trở sự hình thành các cấu trúc micellar có độ rối cao, đòi hỏi phải sử dụng các chất điều chỉnh lưu biến.

Natri methyl cocoyl taurate (SMCT; CƯỜI:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) là một chất hoạt động bề mặt anion được tổng hợp dưới dạng muối natri thông qua liên kết amide của N-methyltaurine (axit 2-methylaminoethanesulfonic) với chuỗi axit béo có nguồn gốc từ dừa. SMCT sở hữu nhóm đầu taurine liên kết amide cùng với nhóm sulfonat anion mạnh, giúp nó có khả năng phân hủy sinh học và tương thích với độ pH của da, trở thành một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các công thức không chứa sulfate. Chất hoạt động bề mặt taurine được đặc trưng bởi khả năng tẩy rửa mạnh, khả năng phục hồi trong nước cứng, tính dịu nhẹ và độ ổn định pH rộng.

Các thông số lưu biến, bao gồm độ nhớt cắt, mô đun nhớt đàn hồi và ứng suất chảy, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ ổn định, kết cấu và hiệu suất của các sản phẩm gốc chất hoạt động bề mặt. Ví dụ, độ nhớt cắt cao có thể cải thiện khả năng giữ lại chất nền, trong khi ứng suất chảy chi phối khả năng bám dính của công thức lên da hoặc tóc sau khi sử dụng. Các thuộc tính lưu biến vĩ mô này được điều chỉnh bởi nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ chất hoạt động bề mặt, độ pH, nhiệt độ và sự hiện diện của các dung môi đồng hoặc phụ gia. Các chất hoạt động bề mặt mang điện tích trái dấu có thể trải qua nhiều quá trình chuyển đổi cấu trúc vi mô khác nhau, từ các micelle và túi hình cầu đến các pha tinh thể lỏng, từ đó ảnh hưởng sâu sắc đến lưu biến khối. Hỗn hợp chất hoạt động bề mặt lưỡng tính và anion thường tạo thành các micelle hình giun dài (WLM), giúp tăng cường đáng kể các đặc tính nhớt đàn hồi. Do đó, việc hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và đặc tính là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất sản phẩm.

Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã khảo sát các hệ nhị phân tương tự, chẳng hạn như CAPB–SLES, để làm sáng tỏ cơ sở vi cấu trúc của các đặc tính của chúng. Ví dụ, Mitrinova và cộng sự [13] đã tương quan kích thước micelle (bán kính thủy động) với độ nhớt của dung dịch trong hỗn hợp chất hoạt động bề mặt đồng thời chuỗi trung bình CAPB–SLES bằng phương pháp đo lưu biến và tán xạ ánh sáng động (DLS). Phương pháp đo lưu biến cơ học cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa vi cấu trúc của các hỗn hợp này và có thể được tăng cường bằng phương pháp vi lưu biến quang học sử dụng phổ sóng khuếch tán (DWS) giúp mở rộng miền tần số có thể tiếp cận, nắm bắt động lực học quy mô thời gian ngắn, đặc biệt liên quan đến các quá trình thư giãn WLM. Trong phương pháp vi lưu biến DWS, độ dịch chuyển bình phương trung bình của các đầu dò keo nhúng được theo dõi theo thời gian, cho phép trích xuất các mô đun đàn hồi nhớt tuyến tính của môi trường xung quanh thông qua mối quan hệ Stokes–Einstein tổng quát. Kỹ thuật này chỉ yêu cầu thể tích mẫu tối thiểu và do đó có lợi cho việc nghiên cứu các chất lỏng phức tạp với khả năng cung cấp vật liệu hạn chế, ví dụ như các công thức dựa trên protein. Phân tích dữ liệu < Δr²(t)> trên phổ tần số rộng giúp ước tính các tham số micellar như kích thước lưới, độ dài vướng víu, độ dài bền bỉ và độ dài đường viền. Amin và cộng sự đã chứng minh rằng hỗn hợp CAPB–SLES phù hợp với dự đoán từ lý thuyết Cates, cho thấy độ nhớt tăng rõ rệt khi thêm muối cho đến khi đạt nồng độ muối tới hạn, vượt quá nồng độ này độ nhớt giảm mạnh—một phản ứng điển hình trong hệ thống WLM Xu và Amin đã sử dụng phép đo lưu biến cơ học và DWS để kiểm tra hỗn hợp SLES–CAPB–CCB, phát hiện ra phản ứng lưu biến Maxwellian biểu thị sự hình thành WLM vướng víu, điều này được xác nhận thêm bằng các tham số vi cấu trúc suy ra từ các phép đo DWS. Dựa trên các phương pháp luận này, nghiên cứu hiện tại tích hợp phép đo lưu biến cơ học và vi lưu biến DWS để làm sáng tỏ cách thức tổ chức lại vi cấu trúc thúc đẩy hành vi cắt của hỗn hợp CAPB–SMCT.

Trước nhu cầu ngày càng tăng đối với các chất làm sạch dịu nhẹ và bền vững hơn, việc khám phá các chất hoạt động bề mặt anion không chứa sulfat đã đạt được đà phát triển bất chấp những thách thức trong công thức. Cấu trúc phân tử riêng biệt của các hệ thống không chứa sulfat thường tạo ra các cấu hình lưu biến khác nhau, làm phức tạp các chiến lược thông thường để tăng độ nhớt như thông qua quá trình làm đặc muối hoặc polyme. Ví dụ, Yorke và cộng sự đã khám phá các lựa chọn thay thế không chứa sulfat bằng cách nghiên cứu một cách có hệ thống các đặc tính tạo bọt và lưu biến của hỗn hợp chất hoạt động bề mặt nhị phân và tam phân gồm alkyl olefin sulfonat (AOS), alkyl polyglucoside (APG) và lauryl hydroxysultaine. Tỷ lệ 1:1 của AOS-sultaine cho thấy đặc tính làm loãng và tạo bọt tương tự như CAPB-SLES, cho thấy sự hình thành WLM. Rajput và cộng sự [26] đã đánh giá một chất hoạt động bề mặt anion không chứa sulfat khác, natri cocoyl glycinate (SCGLY), cùng với các chất đồng hoạt động bề mặt không ion (cocamide diethanolamine và lauryl glucoside) thông qua DLS, SANS và phép đo lưu biến. Mặc dù SCGLY tự nó hình thành chủ yếu các micelle hình cầu, nhưng việc bổ sung chất hoạt động bề mặt đồng thời cho phép xây dựng các hình thái micelle phức tạp hơn, dễ điều chỉnh theo pH.

Bất chấp những tiến bộ này, tương đối ít nghiên cứu nhắm vào các đặc tính lưu biến của các hệ thống bền vững không chứa sulfat liên quan đến CAPB và taurat. Nghiên cứu này nhằm mục đích lấp đầy khoảng trống này bằng cách cung cấp một trong những đặc tính lưu biến có hệ thống đầu tiên của hệ thống nhị phân CAPB–SMCT. Bằng cách thay đổi một cách có hệ thống thành phần chất hoạt động bề mặt, độ pH và cường độ ion, chúng tôi làm sáng tỏ các yếu tố chi phối độ nhớt cắt và độ nhớt đàn hồi. Sử dụng lưu biến học cơ học và vi lưu biến DWS, chúng tôi định lượng các tái tổ chức vi cấu trúc làm cơ sở cho hành vi cắt của hỗn hợp CAPB–SMCT. Những phát hiện này làm sáng tỏ sự tương tác giữa độ pH, tỷ lệ CAPB–SMCT và mức độ ion trong việc thúc đẩy hoặc ức chế sự hình thành WLM, từ đó cung cấp những hiểu biết thực tế về việc điều chỉnh các đặc tính lưu biến của các sản phẩm gốc chất hoạt động bề mặt bền vững cho các ứng dụng công nghiệp đa dạng.