კოკამიდოპროპილ ბეტაინისა და ნატრიუმის მეთილ კოკოილ ტაურატის სულფატისგან თავისუფალი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების ნარევების რეოლოგიური დინამიკის დახასიათება შემადგენლობის, pH-ისა და იონური პირობების მიხედვით.

შესავალი

საპირისპიროდ დამუხტული სახეობების შემცველი წყალხსნარული ბინარული ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების სისტემები ფართოდ გამოიყენება მრავალ სამრეწველო სექტორში, მათ შორის კოსმეტიკაში, ფარმაცევტულ, აგროქიმიკატულ და კვების გადამამუშავებელ მრეწველობაში. ამ სისტემების ფართოდ გამოყენება, პირველ რიგში, განპირობებულია მათი უმაღლესი ხარისხის ზედაპირულად და რეოლოგიურ ფუნქციონალურობით, რაც უზრუნველყოფს გაუმჯობესებულ მუშაობას სხვადასხვა ფორმულირებებში. ასეთი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების სინერგიული თვითაწყობა ჭიაყელა, ჩახლართულ აგრეგატებად ანიჭებს მაღალრეგულირებად მაკროსკოპულ თვისებებს, მათ შორის გაზრდილი ვისკოელასტიურობით და შემცირებული ზედაპირულად დაჭიმულობით. კერძოდ, ანიონური და ცვიტერიონული ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების კომბინაციები ავლენენ სინერგიულ გაძლიერებას ზედაპირულ აქტივობაში, სიბლანტესა და ზედაპირულად დაჭიმულობის მოდულაციაში. ეს ქცევები წარმოიქმნება ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების პოლარულ თავებსა და ჰიდროფობულ კუდებს შორის გაძლიერებული ელექტროსტატიკური და სტერიული ურთიერთქმედებიდან, რაც განსხვავდება ერთზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების სისტემებთან, სადაც ელექტროსტატიკური ძალები ხშირად ზღუდავენ მუშაობის ოპტიმიზაციას.

კოკამიდოპროპილ ბეტაინი (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ფართოდ გამოიყენება ამფოტერული ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება კოსმეტიკურ ფორმულირებებში მისი მსუბუქი გამწმენდი ეფექტურობისა და თმის კონდიცირების თვისებების გამო. CAPB-ის ცვიტერიონული ბუნება უზრუნველყოფს ელექტროსტატიკურ სინერგიას ანიონურ ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებთან, რაც აუმჯობესებს ქაფის სტაბილურობას და ხელს უწყობს ფორმულირების უკეთეს ეფექტურობას. ბოლო ხუთი ათწლეულის განმავლობაში, CAPB-ის ნარევები სულფატზე დაფუძნებულ ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებთან, როგორიცაა CAPB-ნატრიუმის ლაურილ ეთერ სულფატი (SLES), ფუნდამენტური გახდა პირადი მოვლის საშუალებებში. თუმცა, სულფატზე დაფუძნებული ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ეფექტურობის მიუხედავად, მათი კანის გაღიზიანების პოტენციალის და 1,4-დიოქსანის, ეთოქსილირების პროცესის თანმდევი პროდუქტის, არსებობის შესახებ შეშფოთებამ გამოიწვია ინტერესი სულფატის გარეშე ალტერნატივების მიმართ. პერსპექტიული კანდიდატებია ამინომჟავებზე დაფუძნებული ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები, როგორიცაა ტაურატები, სარკოზინატები და გლუტამატები, რომლებიც ავლენენ გაძლიერებულ ბიოშეთავსებადობას და უფრო რბილ თვისებებს [9]. მიუხედავად ამისა, ამ ალტერნატივების შედარებით დიდი პოლარული თავების ჯგუფები ხშირად ხელს უშლიან ძლიერ ჩახლართული მიცელარული სტრუქტურების ფორმირებას, რაც რეოლოგიური მოდიფიკატორების გამოყენების აუცილებლობას იწვევს.

ნატრიუმის მეთილ კოკოილ ტაურატი (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) არის ანიონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება, რომელიც სინთეზირდება ნატრიუმის მარილის სახით N-მეთილტაურინის (2-მეთილამინოეთანსულფონის მჟავა) ქოქოსის ცხიმოვანი მჟავების ჯაჭვთან ამიდური შეერთების გზით. SMCT-ს გააჩნია ამიდთან დაკავშირებული ტაურინის თავიანი ჯგუფი ძლიერ ანიონურ სულფონატ ჯგუფთან ერთად, რაც მას ბიოდეგრადირებადს და კანის pH-თან თავსებადს ხდის, რაც მას სულფატისგან თავისუფალი ფორმულირებების პერსპექტიულ კანდიდატად აქცევს. ტაურატის ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ხასიათდება ძლიერი სარეცხი უნარით, ხისტი წყლისადმი მდგრადობით, რბილი და pH-ის ფართო სტაბილურობით.

რეოლოგიური პარამეტრები, მათ შორის ძვრის სიბლანტე, ვისკოელასტიური მოდულები და დენადობის ზღვარი, კრიტიკულად მნიშვნელოვანია ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების სტაბილურობის, ტექსტურისა და მახასიათებლების დასადგენად. მაგალითად, მომატებულ ძვრის სიბლანტეს შეუძლია გააუმჯობესოს სუბსტრატის შეკავება, ხოლო დენადობის ზღვარი განსაზღვრავს ფორმულის კანზე ან თმაზე ადჰეზიას გამოყენების შემდეგ. ეს მაკროსკოპული რეოლოგიური ატრიბუტები მოდულირდება მრავალი ფაქტორით, მათ შორის ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაციით, pH-ით, ტემპერატურით და თანაგამხსნელების ან დანამატების არსებობით. საპირისპიროდ დამუხტულ ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებს შეუძლიათ გაიარონ მრავალფეროვანი მიკროსტრუქტურული გადასვლები, სფერული მიცელებიდან და ვეზიკულებიდან თხევად კრისტალურ ფაზებამდე, რაც, თავის მხრივ, ღრმა გავლენას ახდენს მოცულობით რეოლოგიაზე. ამფოტერული და ანიონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ნარევები ხშირად წარმოქმნიან წაგრძელებულ ჭიაყელა მიცელებს (WLM), რაც მნიშვნელოვნად აძლიერებს ვისკოელასტურ თვისებებს. ამიტომ, მიკროსტრუქტურა-თვისებების ურთიერთკავშირის გაგება კრიტიკულად მნიშვნელოვანია პროდუქტის მახასიათებლების ოპტიმიზაციისთვის.

მრავალრიცხოვანმა ექსპერიმენტულმა კვლევებმა შეისწავლა ანალოგიური ბინარული სისტემები, როგორიცაა CAPB-SLES, მათი თვისებების მიკროსტრუქტურული საფუძვლის გასარკვევად. მაგალითად, მიტრინოვა და სხვ. [13] აკავშირებდნენ მიცელის ზომას (ჰიდროდინამიკურ რადიუსს) ხსნარის სიბლანტესთან CAPB-SLES-საშუალო ჯაჭვის თანაზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ნარევებში რეომეტრიისა და დინამიური სინათლის გაფანტვის (DLS) გამოყენებით. მექანიკური რეომეტრია იძლევა ამ ნარევების მიკროსტრუქტურული ევოლუციის შესახებ ინფორმაციას და შეიძლება გაძლიერდეს ოპტიკური მიკრორეოლოგიით დიფუზიური ტალღური სპექტროსკოპიის (DWS) გამოყენებით, რომელიც აფართოებს ხელმისაწვდომ სიხშირულ დომენს, აღბეჭდავს მოკლევადიან დინამიკას, განსაკუთრებით WLM რელაქსაციის პროცესებისთვის. DWS მიკრორეოლოგიაში, ჩაშენებული კოლოიდური ზონდების საშუალო კვადრატული გადაადგილება დროთა განმავლობაში კონტროლდება, რაც საშუალებას იძლევა მიმდებარე გარემოს წრფივი ვისკოელასტიური მოდულების ექსტრაქციის განზოგადებული სტოქსის-აინშტაინის ურთიერთობის მეშვეობით. ეს ტექნიკა მოითხოვს მხოლოდ მინიმალურ ნიმუშის მოცულობებს და ამგვარად, უპირატესობაა შეზღუდული მასალის ხელმისაწვდომობის მქონე რთული სითხეების შესასწავლად, მაგ. ცილაზე დაფუძნებული ფორმულირებები. ფართო სიხშირის სპექტრებში <Δr²(t)> მონაცემების ანალიზი ხელს უწყობს მიცელარული პარამეტრების, როგორიცაა ბადის ზომა, ჩახლართულობის სიგრძე, მდგრადობის სიგრძე და კონტურის სიგრძე, შეფასებას. ამინმა და სხვებმა აჩვენეს, რომ CAPB-SLES ნარევები შეესაბამება კეიტსის თეორიის პროგნოზებს, რაც აჩვენებს სიბლანტის მკვეთრ ზრდას მარილის დამატებისას მარილის კრიტიკულ კონცენტრაციამდე, რომლის მიღმაც სიბლანტე მკვეთრად ეცემა - ტიპიური რეაქცია WLM სისტემებში. ქსუმ და ამინმა გამოიყენეს მექანიკური რეომეტრია და DWS მეთოდი SLES-CAPB-CCB ნარევების შესასწავლად, რამაც გამოავლინა მაქსველის რეოლოგიური რეაქცია, რომელიც მიუთითებს ჩახლართული WLM-ის წარმოქმნაზე, რაც დამატებით დადასტურდა DWS გაზომვებიდან მიღებული მიკროსტრუქტურული პარამეტრებით. ამ მეთოდოლოგიებზე დაყრდნობით, მიმდინარე კვლევა აერთიანებს მექანიკურ რეომეტრიას და DWS მიკრორეოლოგიას, რათა გაერკვია, თუ როგორ იწვევს მიკროსტრუქტურული რეორგანიზაციები CAPB-SMCT ნარევების ძვრის ქცევას.

უფრო ნაზი და მდგრადი საწმენდი საშუალებების მზარდი მოთხოვნის გათვალისწინებით, სულფატისგან თავისუფალი ანიონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შესწავლამ იმპულსი მოიპოვა ფორმულირების სირთულეების მიუხედავად. სულფატისგან თავისუფალი სისტემების განსხვავებული მოლეკულური არქიტექტურა ხშირად განსხვავებულ რეოლოგიურ პროფილებს იძლევა, რაც ართულებს სიბლანტის გაზრდის ტრადიციულ სტრატეგიებს, როგორიცაა მარილის ან პოლიმერული გასქელება. მაგალითად, იორკმა და სხვებმა შეისწავლეს არასულფატური ალტერნატივები ალკილ ოლეფინის სულფონატის (AOS), ალკილ პოლიგლუკოზიდის (APG) და ლაურილ ჰიდროქსისულტაინის შემცველი ბინარული და სამმაგი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ნარევების ქაფწარმოქმნისა და რეოლოგიური თვისებების სისტემატური შესწავლით. AOS-სულტაინის 1:1 თანაფარდობამ აჩვენა CAPB-SLES-ის მსგავსი გათხელება და ქაფის მახასიათებლები, რაც მიუთითებს WLM-ის წარმოქმნაზე. რაჯპუტმა და სხვებმა [26] შეაფასეს კიდევ ერთი სულფატისგან თავისუფალი ანიონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები, ნატრიუმის კოკოილ გლიცინატი (SCGLY), არაიონურ თანაზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებთან (კოკამიდ დიათენოლამინი და ლაურილ გლუკოზიდი) ერთად DLS, SANS და რეომეტრიის გამოყენებით. მიუხედავად იმისა, რომ SCGLY მხოლოდ მასით უპირატესად სფერული მიცელები წარმოიქმნება, თანაზედაპირულად აქტიური ნივთიერების დამატებამ უფრო რთული მიცელარული მორფოლოგიების აგების საშუალება მისცა, რომლებიც pH-ით განპირობებული მოდულაციისთვის ექვემდებარებოდა.

ამ მიღწევების მიუხედავად, შედარებით მცირე რაოდენობის კვლევაა მიმართული მდგრადი, სულფატებისგან თავისუფალი სისტემების რეოლოგიურ თვისებებზე, რომლებიც მოიცავს CAPB-ს და ტაურატებს. ამ კვლევის მიზანია ამ ხარვეზის შევსება CAPB-SMCT ბინარული სისტემის ერთ-ერთი პირველი სისტემატური რეოლოგიური დახასიათების მიწოდებით. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების შემადგენლობის, pH-ის და იონური სიძლიერის სისტემატური ცვალებადობით, ჩვენ განვსაზღვრავთ ფაქტორებს, რომლებიც არეგულირებენ ძვრის სიბლანტეს და ვისკოელასტიურობას. მექანიკური რეომეტრიისა და DWS მიკრორეოლოგიის გამოყენებით, ჩვენ ვადგენთ მიკროსტრუქტურულ რეორგანიზაციებს, რომლებიც საფუძვლად უდევს CAPB-SMCT ნარევების ძვრის ქცევას. ეს დასკვნები განმარტავს pH-ს, CAPB-SMCT თანაფარდობასა და იონურ დონეებს შორის ურთიერთქმედებას WLM-ის წარმოქმნის ხელშეწყობაში ან ინჰიბირებაში, რითაც გვთავაზობს პრაქტიკულ ხედვას მდგრადი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების საფუძველზე დამზადებული პროდუქტების რეოლოგიური პროფილების მორგებაში მრავალფეროვანი სამრეწველო გამოყენებისთვის.