Karakterisering van de reologische dynamiek van sulfaatvrije oppervlakteactieve mengsels van cocamidopropylbetaïne-natriummethylcocoyltauraat over verschillende samenstellingen, pH-waarden en ionische omstandigheden.

Invoering

Waterige binaire oppervlakteactieve systemen bestaande uit tegengesteld geladen deeltjes worden op grote schaal gebruikt in diverse industriële sectoren, waaronder de cosmetica-, farmaceutische, landbouwchemische en voedingsmiddelenindustrie. De wijdverbreide toepassing van deze systemen is voornamelijk te danken aan hun superieure grensvlak- en reologische eigenschappen, die zorgen voor verbeterde prestaties in uiteenlopende formuleringen. De synergetische zelfassemblage van dergelijke oppervlakteactieve stoffen tot wormachtige, verstrengelde aggregaten zorgt voor zeer goed instelbare macroscopische eigenschappen, waaronder een verhoogde visco-elasticiteit en een verlaagde grensvlakspanning. Met name combinaties van anionische en zwitterionische oppervlakteactieve stoffen vertonen synergetische verbeteringen in oppervlakteactiviteit, viscositeit en modulatie van de grensvlakspanning. Dit gedrag is het gevolg van intensievere elektrostatische en sterische interacties tussen de polaire kopgroepen en hydrofobe staarten van de oppervlakteactieve stoffen, in tegenstelling tot systemen met één enkele oppervlakteactieve stof, waar afstotende elektrostatische krachten vaak de optimalisatie van de prestaties 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 de verzorgende eigenschappen voor het haar. Het zwitterionische karakter van CAPB maakt elektrostatische synergie met anionische oppervlakteactieve stoffen mogelijk, wat de schuimstabiliteit verbetert en zorgt voor betere prestaties van de formulering. In de afgelopen vijftig jaar zijn CAPB-mengsels met sulfaat-gebaseerde oppervlakteactieve stoffen, zoals CAPB-natriumlaurylethersulfaat (SLES), een basis geworden in producten voor persoonlijke verzorging. Ondanks de effectiviteit van sulfaat-gebaseerde oppervlakteactieve stoffen hebben zorgen over mogelijke huidirritatie en de aanwezigheid van 1,4-dioxaan, een bijproduct van het ethoxylatieproces, geleid tot een groeiende interesse in sulfaatvrije alternatieven. veelbelovende kandidaten zijn onder andere op aminozuren gebaseerde oppervlakteactieve stoffen, zoals tauraten, sarcosinaten en glutamaten, die een verbeterde biocompatibiliteit en mildere eigenschappen vertonen [9]. De relatief grote polaire kopgroepen van deze alternatieven belemmeren echter 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 is gesynthetiseerd als een natriumzout via amidekoppeling van N-methyltaurine (2-methylaminoethaansulfonzuur) met een van kokosnoot afgeleide vetzuurketen. SMCT bezit een amide-gekoppelde taurinekopgroep naast een sterk anionische sulfonaatgroep, waardoor het biologisch afbreekbaar en compatibel met de pH-waarde van de huid is. Dit maakt het een veelbelovende kandidaat voor sulfaatvrije formuleringen. Tauraat-oppervlakteactieve stoffen worden gekenmerkt door hun krachtige reinigende werking, weerstand tegen hard water, mildheid en brede pH-stabiliteit.

Reologische parameters, waaronder schuifviscositeit, visco-elastische moduli en vloeigrens, zijn cruciaal voor het bepalen van de stabiliteit, textuur en prestaties van producten op basis van oppervlakteactieve stoffen. Zo kan een verhoogde schuifviscositeit de hechting aan het substraat verbeteren, terwijl de vloeigrens de hechting van de formulering aan huid of haar na aanbrenging bepaalt. Deze macroscopische reologische eigenschappen worden gemoduleerd door tal van factoren, waaronder de concentratie van de oppervlakteactieve stof, de pH-waarde, de temperatuur en de aanwezigheid van co-oplosmiddelen of additieven. Tegengesteld geladen oppervlakteactieve stoffen kunnen diverse microstructurele overgangen ondergaan, variërend van sferische micellen en blaasjes tot vloeibare kristallijne fasen, die op hun beurt de bulkreologie sterk beïnvloeden. Mengsels van amfotere en anionische oppervlakteactieve stoffen vormen vaak langwerpige wormvormige micellen (WLM's), die de visco-elastische eigenschappen aanzienlijk verbeteren. Inzicht in de relatie tussen microstructuur en eigenschappen is daarom essentieel voor het optimaliseren van de productprestaties.

Talrijke experimentele studies hebben analoge binaire systemen, zoals CAPB–SLES, onderzocht om de microstructurele basis van hun eigenschappen op te helderen. Mitrinova et al. [13] correleerden bijvoorbeeld de micelgrootte (hydrodynamische straal) met de viscositeit van de oplossing in CAPB–SLES–middellangeketen co-surfactantmengsels met behulp van rheometrie en dynamische lichtverstrooiing (DLS). Mechanische rheometrie biedt inzicht in de microstructurele evolutie van deze mengsels en kan worden aangevuld met optische microrheologie met behulp van diffunderende golfspectroscopie (DWS), die het toegankelijke frequentiedomein uitbreidt en dynamische processen op korte tijdschaal vastlegt die met name relevant zijn voor WLM-relaxatieprocessen. Bij DWS-microrheologie wordt de gemiddelde kwadratische verplaatsing van ingebedde colloïdale sondes in de tijd gevolgd, waardoor de lineaire visco-elastische moduli van het omringende medium kunnen worden afgeleid 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 formuleringen op basis van eiwitten. Analyse van < Δr²(t)>-gegevens over brede frequentiespectra maakt het mogelijk om micellaire parameters zoals maasgrootte, verstrengelingslengte, persistentielengte en contourlengte te schatten. Amin et al. toonden aan dat CAPB-SLES-mengsels voldoen aan de voorspellingen van Cates' theorie, waarbij een uitgesproken toename in viscositeit wordt waargenomen bij toevoeging van zout tot een kritische zoutconcentratie, waarna de viscositeit abrupt daalt – een typische respons in WLM-systemen. Xu en Amin gebruikten mechanische rheometrie en DWS om SLES-CAPB-CCB-mengsels te onderzoeken, waarbij een Maxwelliaanse reologische respons werd onthuld die wijst op de vorming van verstrengelde WLM. Dit werd verder bevestigd door microstructurele parameters afgeleid uit de DWS-metingen. Voortbouwend op deze methodologieën integreert de huidige studie mechanische rheometrie en DWS-microrheologie om te verhelderen hoe microstructurele reorganisaties het schuifgedrag van CAPB-SMCT-mengsels beïnvloeden.

Gezien de toenemende vraag naar mildere en duurzamere reinigingsmiddelen, heeft het onderzoek naar sulfaatvrije anionische oppervlakteactieve stoffen aan momentum gewonnen, ondanks de uitdagingen bij de formulering. De verschillende moleculaire architecturen van sulfaatvrije systemen leiden vaak tot uiteenlopende reologische profielen, wat conventionele strategieën voor viscositeitsverhoging, zoals via zout- of polymeerverdikking, bemoeilijkt. Yorke et al. onderzochten bijvoorbeeld sulfaatvrije alternatieven door systematisch de schuimvorming en reologische eigenschappen te onderzoeken van binaire en ternaire mengsels van oppervlakteactieve stoffen met alkylolefinesulfonaat (AOS), alkylpolyglucoside (APG) en laurylhydroxysultaine. Een verhouding van 1:1 AOS-sultaine vertoonde schuifverdunning en schuimkarakteristieken vergelijkbaar met CAPB-SLES, wat wijst op de vorming van WLM. Rajput et al. [26] evalueerde een andere sulfaatvrije anionische oppervlakteactieve stof, natriumcocoylglycinaat (SCGLY), samen met niet-ionische co-oppervlakteactieve stoffen (cocamidediethanolamine en laurylglucoside) door middel van DLS, SANS en rheometrie. Hoewel SCGLY alleen voornamelijk bolvormige micellen vormde, maakte de toevoeging van co-oppervlakteactieve stoffen de constructie van complexere micellaire morfologieën mogelijk, die vatbaar zijn voor pH-gestuurde modulatie.

Ondanks deze vooruitgang is er relatief weinig onderzoek gedaan naar de reologische eigenschappen van duurzame, sulfaatvrije systemen met CAPB en tauraten. Deze studie beoogt deze lacune op te vullen door een van de eerste systematische reologische karakteriseringen van het binaire CAPB-SMCT-systeem te presenteren. Door systematisch de surfactantsamenstelling, pH en ionsterkte te variëren, brengen we de factoren in kaart die de schuifviscositeit en visco-elasticiteit bepalen. Met behulp van mechanische reometrie en DWS-microrheologie kwantificeren we de microstructurele veranderingen die ten grondslag liggen aan het schuifgedrag van CAPB-SMCT-mengsels. Deze bevindingen verhelderen de wisselwerking tussen pH, CAPB-SMCT-verhouding en ionsterkte bij het bevorderen of remmen van WLM-vorming, en bieden daarmee praktische inzichten voor het afstemmen van de reologische profielen van duurzame, op surfactanten gebaseerde producten voor diverse industriële toepassingen.