Karakterisering van de reologische dynamiek van sulfaatvrije oppervlakteactieve mengsels van cocamidopropylbetaïne-natriummethylcocoyltauraat op basis van samenstelling, pH en ionische omstandigheden

Invoering

Waterige binaire oppervlakteactieve systemen bestaande uit tegengesteld geladen deeltjes worden veelvuldig toegepast in tal van industriële sectoren, waaronder de cosmetica-, farmaceutische, agrochemische en voedingsmiddelenindustrie. De brede toepassing van deze systemen wordt voornamelijk toegeschreven aan hun superieure grensvlak- en reologische functionaliteiten, die verbeterde prestaties in diverse formuleringen mogelijk maken. De synergetische zelfassemblage van dergelijke oppervlakteactieve stoffen tot wormachtige, verstrengelde aggregaten zorgt voor zeer instelbare macroscopische eigenschappen, waaronder verhoogde visco-elasticiteit en verlaagde grensvlakspanning. Met name combinaties van anionische en zwitterionische oppervlakteactieve stoffen vertonen synergetische verbeteringen in oppervlakteactiviteit, viscositeit en modulatie van grensvlakspanning. Deze gedragingen ontstaan door geïntensiveerde elektrostatische en sterische interacties tussen de polaire kopgroepen en hydrofobe staarten van de oppervlakteactieve stoffen, in tegenstelling tot systemen met één oppervlakteactieve stof, waar afstotende elektrostatische krachten de prestatieoptimalisatie vaak beperken.

Cocamidopropylbetaïne (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) is een veelgebruikte amfotere oppervlakteactieve stof in cosmetische formuleringen vanwege de milde reinigende werking en haarverzorgende eigenschappen. De zwitterionische aard van CAPB maakt elektrostatische synergie met anionische oppervlakteactieve stoffen mogelijk, waardoor de schuimstabiliteit wordt verbeterd en superieure formuleringprestaties worden bevorderd. In de afgelopen vijf decennia zijn CAPB-mengsels met op sulfaat gebaseerde oppervlakteactieve stoffen, zoals CAPB–natriumlaurylethersulfaat (SLES), fundamenteel geworden in persoonlijke verzorgingsproducten. Ondanks de effectiviteit van op sulfaat gebaseerde oppervlakteactieve stoffen hebben zorgen over hun potentieel voor huidirritatie en de aanwezigheid van 1,4-dioxaan, een bijproduct van het ethoxyleringsproces, de interesse in sulfaatvrije alternatieven aangewakkerd. Veelbelovende kandidaten zijn onder meer oppervlakteactieve stoffen op basis van aminozuren, zoals tauraten, sarcosinaten en glutamaten, die een verbeterde biocompatibiliteit en mildere eigenschappen vertonen [9]. Niettemin belemmeren de relatief grote polaire kopgroepen van deze alternatieven vaak de vorming van sterk verstrengelde micellaire structuren, waardoor het gebruik van reologische modificatoren noodzakelijk is.

Natriummethylcocoyltauraat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) is een anionische oppervlakteactieve stof die wordt gesynthetiseerd als natriumzout via de amidekoppeling van N-methyltaurine (2-methylaminoethaansulfonzuur) met een vetzuurketen afkomstig van kokosnoot. SMCT bezit een amidegebonden taurinekopgroep naast een sterk anionische sulfonaatgroep, waardoor het biologisch afbreekbaar is en compatibel met de pH-waarde van de huid, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor sulfaatvrije formuleringen. Tauraatoppervlakteactieve stoffen worden gekenmerkt door hun krachtige reinigende werking, hardwaterbestendigheid, mildheid en brede pH-stabiliteit.

Reologische parameters, waaronder schuifviscositeit, visco-elastische moduli en vloeispanning, zijn cruciaal voor het bepalen van de stabiliteit, textuur en prestaties van producten op basis van oppervlakteactieve stoffen. Een verhoogde schuifviscositeit kan bijvoorbeeld de substraatretentie verbeteren, terwijl de vloeispanning de hechting van de formulering aan huid of haar na applicatie bepaalt. Deze macroscopische reologische eigenschappen worden beïnvloed door tal van factoren, waaronder de concentratie van de oppervlakteactieve stof, pH, temperatuur en de aanwezigheid van co-solventen of additieven. Tegengesteld geladen oppervlakteactieve stoffen kunnen diverse microstructurele overgangen ondergaan, variërend van bolvormige micellen en vesikels tot vloeibaar kristallijne fasen, die op hun beurt de reologie van het bulkmateriaal aanzienlijk beïnvloeden. Mengsels van amfotere en anionische oppervlakteactieve stoffen vormen vaak langwerpige wormachtige micellen (WLM's), die de visco-elastische eigenschappen aanzienlijk verbeteren. Inzicht in de relaties tussen microstructuur en eigenschappen is daarom cruciaal voor het optimaliseren van de productprestaties.

Talrijke experimentele studies hebben analoge binaire systemen, zoals CAPB–SLES, onderzocht om de microstructurele basis van hun eigenschappen te verduidelijken. Mitrinova et al. [13] correleerden bijvoorbeeld micelgrootte (hydrodynamische straal) met oplossingsviscositeit in CAPB–SLES–medium-chain co-surfactantmengsels met behulp van reometrie en dynamische lichtverstrooiing (DLS). Mechanische reometrie biedt inzicht in de microstructurele evolutie van deze mengsels en kan worden uitgebreid met optische microreologie met behulp van diffusing wave spectroscopie (DWS), die het toegankelijke frequentiedomein uitbreidt en dynamiek op korte tijdschaal vastlegt die met name relevant is voor WLM-relaxatieprocessen. Bij DWS-microreologie wordt de gemiddelde kwadratische verplaatsing van ingebedde colloïdale probes in de tijd gevolgd, waardoor lineaire visco-elastische moduli van het omringende medium kunnen worden geëxtraheerd via de gegeneraliseerde Stokes–Einstein-relatie. Deze techniek vereist slechts minimale monstervolumes en is daarom voordelig voor het bestuderen van complexe vloeistoffen met beperkte materiaalbeschikbaarheid, bijvoorbeeld op eiwitten gebaseerde formuleringen. Analyse van < Δr²(t)>-gegevens over brede frequentiespectra vergemakkelijkt de schatting van micellaire parameters zoals maaswijdte, verstrengelingslengte, persistentielengte en contourlengte. Amin et al. toonden aan dat CAPB-SLES-mengsels voldoen aan de voorspellingen van de theorie van Cates. Ze lieten een duidelijke toename in viscositeit zien bij zouttoevoeging tot een kritische zoutconcentratie, waarna de viscositeit abrupt daalt – een typische respons in WLM-systemen. Xu en Amin gebruikten mechanische reometrie en DWS om SLES-CAPB-CCB-mengsels te onderzoeken. Dit toonde een Maxwelliaanse reologische respons aan die wees op de vorming van verstrengelde WLM's. Deze respons werd verder bevestigd door microstructurele parameters afgeleid uit de DWS-metingen. Voortbouwend op deze methodologieën integreert de huidige studie mechanische reometrie en DWS-microreologie om te verduidelijken hoe microstructurele reorganisaties het schuifgedrag van CAPB-SMCT-mengsels beïnvloeden.

Gezien de toenemende vraag naar mildere en duurzamere reinigingsmiddelen, heeft de ontwikkeling van sulfaatvrije anionische oppervlakteactieve stoffen aan momentum gewonnen, ondanks de uitdagingen op het gebied van formulering. De verschillende moleculaire architecturen van sulfaatvrije systemen leveren vaak uiteenlopende reologische profielen op, waardoor conventionele strategieën voor viscositeitsverbetering, zoals via zout- of polymere verdikking, complexer worden. Zo onderzochten Yorke et al. sulfaatvrije alternatieven door systematisch de schuimvorming en reologische eigenschappen van binaire en ternaire oppervlakteactieve mengsels met alkylolefinesulfonaat (AOS), alkylpolyglucoside (APG) en laurylhydroxysultaïne te onderzoeken. Een 1:1-verhouding van AOS-sultaïne vertoonde schuifverdunning en schuimeigenschappen die vergelijkbaar waren met die van CAPB-SLES, wat wijst op WLM-vorming. Rajput et al. [26] evalueerde een andere sulfaatvrije anionische oppervlakteactieve stof, natriumcocoylglycinaat (SCGLY), samen met niet-ionische co-oppervlakteactieve stoffen (cocamidediethanolamine en laurylglucoside) via DLS, SANS en reometrie. Hoewel SCGLY alleen voornamelijk bolvormige micellen vormde, maakte de toevoeging van co-oppervlakteactieve stoffen de constructie van complexere micellaire morfologieën mogelijk, die geschikt zijn voor pH-gestuurde modulatie.

Ondanks deze vooruitgang zijn er relatief weinig onderzoeken gericht op de reologische eigenschappen van duurzame sulfaatvrije systemen met CAPB en tauraten. Deze studie beoogt deze lacune te vullen door een van de eerste systematische reologische karakteriseringen van het binaire CAPB-SMCT-systeem te bieden. Door systematisch de samenstelling van oppervlakteactieve stoffen, pH en ionsterkte te variëren, verhelderen we de factoren die de schuifviscositeit en visco-elasticiteit bepalen. Met behulp van mechanische reometrie en DWS-microreologie kwantificeren we de microstructurele reorganisaties die ten grondslag liggen aan het schuifgedrag van CAPB-SMCT-mengsels. Deze bevindingen verhelderen de wisselwerking tussen pH, CAPB-SMCT-verhouding en ionenniveaus bij het bevorderen of remmen van WLM-vorming, en bieden daarmee praktische inzichten in het afstemmen van de reologische profielen van duurzame producten op basis van oppervlakteactieve stoffen voor diverse industriële toepassingen.