Nghiên cứu đặc tính động học lưu biến của hỗn hợp chất hoạt động bề mặt không chứa sulfat gồm cocamidopropyl betaine-natri methyl cocoyl taurate theo thành phần, độ pH và điều kiện ion.

Giới thiệu

Hệ thống chất hoạt động bề mặt nhị phân trong nước bao gồm các loài mang điện tích trái dấu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm mỹ phẩm, dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm. Việc sử dụng rộng rãi các hệ thống này chủ yếu là do 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 này thành các cụm dạng sợi, rối rắm mang lại các tính chất vĩ mô có thể điều chỉnh cao, bao gồm tăng độ nhớt đàn hồi và giảm sức căng bề mặt. Đặc biệt, sự kết hợp của các chất hoạt động bề mặt anion và lưỡng tính thể hiện sự tăng cường hiệp đồng trong hoạt tính bề mặt, độ nhớt và điều chỉnh sức căng bề mặt. Những hành vi này phát sinh từ sự tương tác tĩnh điện và không gian mạnh mẽ giữa các nhóm đầu phân cực và đuôi kỵ nước của các chất hoạt động bề mặt, trái ngược với các hệ thống chất hoạt động bề mặt đơn lẻ, nơi lực tĩnh điện đẩy thường hạn chế việc tối ưu hóa hiệu suất.

Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) là một 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 của nó. Bản chất lưỡng cực của CAPB cho phép sự hiệp đồng tĩnh điện với các 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 các 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 các chất hoạt động bề mặt gốc sulfat, những lo ngại về khả năng gây kích ứng da 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, thể hiện khả năng tương thích sinh học được nâng cao và các đặc tính nhẹ nhàng 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 micelle rối phức, đòi hỏi phải sử dụng các chất điều chỉnh lưu biến.

Natri metyl cocoyl taurat (SMCT; SMILES:
SMCT (=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 phản ứng ghép nối amit của N-methyltaurine (axit 2-methylaminoethanesulfonic) với chuỗi axit béo có nguồn gốc từ dừa. SMCT sở hữu nhóm đầu taurine liên kết amit cùng với nhóm sulfonate mang điện tích âm mạnh, giúp nó có khả năng phân hủy sinh học và tương thích với độ pH của da, điều này khiến nó trở thành một ứng cử viên đầy triển vọng cho các công thức không chứa sulfat. Các chất hoạt động bề mặt taurat được đặc trưng bởi khả năng tẩy rửa mạnh, khả năng chống nước cứng, độ dịu nhẹ và độ ổn định pH rộng.

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

Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã điều tra 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 et al. [13] đã liên hệ kích thước micelle (bán kính thủy động học) với độ nhớt của dung dịch trong hỗn hợp đồng hoạt động bề mặt chuỗi trung bình CAPB–SLES bằng cách sử dụng phép đo lưu biến và tán xạ ánh sáng động (DLS). Phép 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 bổ sung bằng phép đo lưu biến quang học vi mô sử dụng quang phổ sóng khuếch tán (DWS), mở rộng miền tần số có thể truy cập, nắm bắt động lực học ở thang thời gian ngắn đặc biệt liên quan đến các quá trình thư giãn WLM. Trong phép đo lưu biến DWS vi mô, độ dịch chuyển bình phương trung bình của các đầu dò keo được nhúng được theo dõi theo thời gian, cho phép trích xuất các mô đun đàn hồi nhớ 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 nguồn 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 thông số micelle như kích thước mắt lưới, chiều dài vướng mắc, chiều dài bền vững và chiều dài đường viền. Amin et al đã chứng minh rằng hỗn hợp CAPB–SLES phù hợp với dự đoán từ lý thuyết của Cates, cho thấy độ nhớt tăng rõ rệt khi thêm muối cho đến một nồng độ muối tới hạn, sau đó 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, cho thấy phản ứng lưu biến Maxwellian biểu thị sự hình thành WLM vướng mắc, điều này được củng cố thêm bởi các thông số vi cấu trúc suy ra từ các phép đo DWS. Dựa trên các phương pháp này, nghiên cứu hiện tại tích hợp phép đo lưu biến cơ học và vi lưu biến DWS để làm sáng tỏ cách thức tái cấu trúc vi mô thúc đẩy hành vi cắt của hỗn hợp CAPB–SMCT.

Trước nhu cầu ngày càng tăng đối với các chất tẩy rửa nhẹ nhàng và bền vững hơn, việc nghiên cứu các chất hoạt động bề mặt anion không chứa sulfat đã được đẩy mạnh mặc dù gặp nhiều thách thức trong công thức. Cấu trúc phân tử khác biệt của các hệ thống không chứa sulfat thường tạo ra các đặc tính lưu biến khác nhau, làm phức tạp các chiến lược tăng cường độ nhớt thông thường như thông qua muối hoặc làm đặc bằng polyme. Ví dụ, Yorke et al. đã khám phá các chất 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 có chứa alkyl olefin sulfonate (AOS), alkyl polyglucoside (APG) và lauryl hydroxysultaine. Tỷ lệ 1:1 của AOS–sultaine cho thấy đặc tính giảm độ nhớt khi cắt và tạo bọt tương tự như CAPB–SLES, cho thấy sự hình thành WLM. Rajput et al. [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 đo lưu biến. Mặc dù SCGLY đơn độc chủ yếu tạo thành các micelle hình cầu, việc bổ sung chất hoạt động bề mặt phụ trợ cho phép tạo ra các hình thái micelle phức tạp hơn, có thể điều chỉnh bằng pH.

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