Að einkenna seigjufræðilega virkni súlfatlausra yfirborðsvirkra efnablandna af kókamídóprópýl betaíni og natríummetýl kókoýl taurati, allt eftir samsetningu, sýrustigi og jónaskilyrðum.

Inngangur

Vatnskennd tvíþætt yfirborðsvirk kerfi sem innihalda gagnstæðar hleðslur eru mikið notuð í fjölmörgum iðnaðargeirum, þar á meðal snyrtivörum, lyfjafyrirtækjum, landbúnaðarefnum og matvælavinnslu. Víðtæk notkun þessara kerfa er fyrst og fremst rakin til framúrskarandi viðmóts- og seigjufræðilegra eiginleika þeirra, sem gera kleift að bæta afköst í fjölbreyttum samsetningum. Samverkandi sjálfsamsetning slíkra yfirborðsvirkra efna í ormalík, flækt samanlögð efni veitir mjög stillanlega makróskópíska eiginleika, þar á meðal aukna seigjuteygju og minnkaða viðmótsspennu. Einkum sýna samsetningar anjónískra og zwitterjónískra yfirborðsvirkra efna samverkandi aukningu á yfirborðsvirkni, seigju og mótun á viðmótsspennu. Þessi hegðun stafar af auknum rafstöðuvirkni og sterískum víxlverkunum milli pólhópanna og vatnsfælinna hala yfirborðsvirku efnanna, ólíkt kerfum með einu yfirborðsvirku efni, þar sem fráhrindandi rafstöðuvirkni takmarkar oft afköst.

Kókamídóprópýl betaín (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) er mikið notað amfótert yfirborðsefni í snyrtivörum vegna vægrar hreinsandi áhrifa þess og hárnæringareiginleika. Zwitterjónísk eðli CAPB gerir kleift að hafa rafstöðuvirkni með anjónískum yfirborðsefnum, sem eykur stöðugleika froðunnar og stuðlar að betri árangri í blöndunni. Á síðustu fimm áratugum hafa CAPB blöndur með súlfat-bundnum yfirborðsefnum, svo sem CAPB-natríumlaurýletersúlfati (SLES), orðið grundvallaratriði í persónulegum snyrtivörum. Þrátt fyrir virkni súlfat-bundinna yfirborðsefna hafa áhyggjur af hugsanlegri ertingu þeirra í húð og nærveru 1,4-díoxans, aukaafurðar etoxýleringsferlisins, vakið áhuga á súlfatlausum valkostum. Meðal efnilegra efnilegra efnis eru amínósýru-bundin yfirborðsefni, svo sem tauröt, sarkósínöt og glútamat, sem sýna aukna lífsamhæfni og vægari eiginleika [9]. Engu að síður hindra tiltölulega stóru pólhóparnir í þessum valkostum oft myndun mjög flæktra mísellubygginga, sem kallar á notkun seigjubreytenda.

Natríummetýl kókoýl taurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) er anjónískt yfirborðsefni sem er myndað sem natríumsalt með amíðtengingu N-metýltauríns (2-metýlamínóetansúlfónsýru) við fitusýrukeðju sem er unnin úr kókos. SMCT hefur amíðtengdan taurínhóp ásamt sterkum anjónískum súlfónathópi, sem gerir það lífbrjótanlegt og samhæft við sýrustig húðarinnar, sem gerir það að efnilegum frambjóðanda fyrir súlfatlausar samsetningar. Taurat yfirborðsefni einkennast af öflugum þvottaefnum, seiglu í hörðu vatni, mildi og breiðum sýrustigsstöðugleika.

Seigjufræðilegir þættir, þar á meðal skerseigja, seigjuteygjueiginleikar og strekkja, eru mikilvægir til að ákvarða stöðugleika, áferð og virkni afurða sem byggjast á yfirborðsvirkum efnum. Til dæmis getur aukin skerseigja bætt viðloðun undirlagsins, en strekkja stjórnar viðloðun formúlunnar við húð eða hár eftir notkun. Þessir makróskópísku seigjueiginleikar eru mótaðir af fjölmörgum þáttum, þar á meðal styrk yfirborðsvirks efnis, sýrustigi, hitastigi og nærveru meðleysiefna eða aukefna. Andstæð hlaðin yfirborðsvirk efni geta gengist undir fjölbreyttar örbyggingarbreytingar, allt frá kúlulaga mísellum og blöðrum til fljótandi kristallafasa, sem aftur hafa mikil áhrif á seigjuna í heild. Blöndur af amfóterum og anjónískum yfirborðsvirkum efnum mynda oft aflangar ormalíkar mísellur (WLM), sem auka seigjuteygjueiginleika verulega. Því er mikilvægt að skilja tengsl örbyggingar og eiginleika til að hámarka afköst vörunnar.

Fjölmargar tilraunarannsóknir hafa rannsakað hliðstæð tvíþætt kerfi, eins og CAPB–SLES, til að skýra örbyggingarlegan grunn eiginleika þeirra. Til dæmis tengdu Mitrinova o.fl. [13] stærð mísellu (vatnsfræðilegan radíus) við seigju lausnar í CAPB–SLES–miðlungskeðju sam-yfirborðsvirkum blöndum með því að nota mælingu og kraftmikla ljósdreifingu (DLS). Vélræn mæling veitir innsýn í örbyggingarþróun þessara blandna og er hægt að auka hana með ljósfræðilegri örmælingu með því að nota dreifingarbylgjuspektroskopíu (DWS) sem víkkar út aðgengilegt tíðnisvið og nær stuttum tímavirkni sem er sérstaklega viðeigandi fyrir slökunarferli WLM. Í DWS örmælingu er meðalkvaðratfærsla innfelldra kolloidalra rannsaka fylgst með tímanum, sem gerir kleift að draga út línulegar seigjuteygjueiningar í umhverfismiðlinum með alhæfðu Stokes-Einstein sambandi. Þessi tækni krefst aðeins lágmarks sýnisrúmmáls og er því kostur til að rannsaka flóknar vökvar með takmarkaða efnisframboð, t.d. próteinbundnar efnasamsetningar. Greining á < Δr²(t)> gögnum yfir breið tíðniróf auðveldar mat á mísellubreytum eins og möskvastærð, flækjulengd, viðvarandi lengd og útlínulengd. Amin o.fl. sýndu fram á að CAPB-SLES blöndur eru í samræmi við spár úr kenningu Cates og sýndu fram á verulega aukningu á seigju með saltbætingu þar til mikilvæg saltþéttni næst, en umfram það lækkar seigjan hratt - dæmigerð svörun í WLM kerfum. Xu og Amin notuðu vélræna seigjumælingu og DWS til að skoða SLES-CAPB-CCB blöndur, sem leiddi í ljós Maxwellian seigjusvörun sem bendir til myndunar flæktra WLM, sem var frekar staðfest með örbyggingarbreytum sem fengnar voru úr DWS mælingunum. Byggjandi á þessum aðferðafræði samþættir núverandi rannsókn vélræna seigjumælingu og DWS örseigjumælingu til að skýra hvernig örbyggingarendurskipulagningar knýja áfram skerhegðun CAPB-SMCT blandna.

Í ljósi vaxandi eftirspurnar eftir mildari og sjálfbærari hreinsiefnum hefur könnun á súlfatlausum anjónískum yfirborðsvirkum efnum náð skriðþunga þrátt fyrir áskoranir í samsetningu. Mismunandi sameindabyggingar súlfatlausra kerfa leiða oft til mismunandi seigjufræðilegra sniða, sem flækir hefðbundnar aðferðir til að auka seigju, svo sem með salt- eða fjölliðuþykknun. Til dæmis könnuðu Yorke o.fl. valkosti án súlfata með því að rannsaka kerfisbundið froðumyndun og seigjueiginleika tvíþættra og þríþættra yfirborðsvirkra efnablanda sem innihalda alkýlólefínsúlfónat (AOS), alkýlpólýglúkósíð (APG) og laurýlhýdroxýsúltaín. 1:1 hlutfall af AOS og súltaíni sýndi skerþynningu og froðueiginleika svipaða og CAPB-SLES, sem bendir til myndunar WLM. Rajput o.fl. [26] rannsökuðu annað súlfatlaust anjónískt yfirborðsvirkt efni, natríumkókóýlglýsínat (SCGLY), ásamt ójónískum meðyfirborðsvirkum efnum (kókamíðdíetanólamín og laurýlglúkósíð) með DLS, SANS og seigjumælingum. Þó að SCGLY eitt og sér myndaði aðallega kúlulaga mísellur, gerði viðbót með-yfirborðsvirkra efna kleift að smíða flóknari míselluformfræði sem hentar fyrir pH-stýrða stjórnun.

Þrátt fyrir þessar framfarir hafa tiltölulega fáar rannsóknir beint sjónum sínum að seigjueiginleikum sjálfbærra súlfatlausra kerfa sem innihalda CAPB og tauröt. Þessi rannsókn miðar að því að fylla þetta skarð með því að veita eina af fyrstu kerfisbundnu seigjufræðilegu greiningunum á tvíþáttakerfinu CAPB-SMCT. Með því að breyta kerfisbundið samsetningu yfirborðsvirkra efna, sýrustigi og jónastyrk, skýrum við þætti sem stjórna seigju og seigjuteygju. Með því að nota vélræna seigjufræði og DWS örseigjufræði magngreinum við örbyggingarbreytingar sem liggja að baki skerhegðun CAPB-SMCT blandna. Þessar niðurstöður skýra samspil sýrustigs, CAPB-SMCT hlutfalls og jónastigs við að stuðla eða hindra myndun WLM, og veita þannig hagnýta innsýn í að sníða seigjufræðileg snið sjálfbærra vara sem byggjast á yfirborðsvirkum efnum fyrir fjölbreytt iðnaðarframleiðslu.