Կոկամիդոպրոպիլ բետաին-նատրիումի մեթիլ կոկոյիլ տաուրատ սուլֆատ չպարունակող մակերևութային ակտիվ նյութերի խառնուրդների ռեոլոգիական դինամիկայի բնութագրումը՝ կախված կազմից, pH-ից և իոնային պայմաններից։

Ներածություն

Հակառակ լիցքավորված տեսակներ պարունակող ջրային երկուական մակերևութային ակտիվ համակարգերը լայնորեն կիրառվում են բազմաթիվ արդյունաբերական ոլորտներում, այդ թվում՝ կոսմետիկայի, դեղագործության, գյուղատնտեսական քիմիայի և սննդի վերամշակման արդյունաբերություններում: Այս համակարգերի լայն տարածումը հիմնականում պայմանավորված է դրանց գերազանց միջերեսային և ռեոլոգիական ֆունկցիոնալությամբ, որոնք հնարավորություն են տալիս բարելավել արդյունավետությունը տարբեր բանաձևերում: Նման մակերևութային ակտիվ նյութերի սիներգետիկ ինքնահավաքը որդանման, խճճված ագրեգատների մեջ հաղորդում է բարձր կարգավորվող մակրոսկոպիկ հատկություններ, այդ թվում՝ մածուցիկության բարձրացում և միջերեսային լարվածության նվազում: Մասնավորապես, անիոնային և ցվիտերիոնային մակերևութային ակտիվ նյութերի համադրությունները ցուցաբերում են մակերևութային ակտիվության, մածուցիկության և միջերեսային լարվածության մոդուլյացիայի սիներգետիկ բարելավումներ: Այս վարքագծերը առաջանում են մակերևութային ակտիվ նյութերի բևեռային գլխային խմբերի և հիդրոֆոբ պոչերի միջև ուժեղացված էլեկտրաստատիկ և ստերիկ փոխազդեցություններից, ի տարբերություն մեկ մակերևութային ակտիվ նյութերի համակարգերի, որտեղ վանող էլեկտրաստատիկ ուժերը հաճախ սահմանափակում են արդյունավետության օպտիմալացումը:

Կոկամիդոպրոպիլ բետաինը (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) կոսմետիկ բանաձևերում լայնորեն օգտագործվող ամֆոտերային մակերևութային ակտիվ նյութ է՝ իր մեղմ մաքրող արդյունավետության և մազերի կոնդիցիոն հատկությունների շնորհիվ: CAPB-ի ցվիտերիոնային բնույթը հնարավորություն է տալիս էլեկտրաստատիկ սիներգիա ունենալ անիոնային մակերևութային ակտիվ նյութերի հետ՝ բարելավելով փրփուրի կայունությունը և խթանելով բանաձևի գերազանց արդյունավետությունը: Վերջին հինգ տասնամյակների ընթացքում CAPB խառնուրդները սուլֆատային հիմքով մակերևութային ակտիվ նյութերի հետ, ինչպիսիք են CAPB-նատրիումի լաուրիլ եթեր սուլֆատը (SLES), դարձել են անձնական խնամքի միջոցների հիմնարար: Այնուամենայնիվ, սուլֆատային հիմքով մակերևութային ակտիվ նյութերի արդյունավետությանը չնայած, դրանց մաշկի գրգռման ներուժի և էթօքսիլացման գործընթացի ենթամթերք հանդիսացող 1,4-դիօքսանի առկայության վերաբերյալ մտահոգությունները հետաքրքրություն են առաջացրել սուլֆատ չպարունակող այլընտրանքների նկատմամբ: Խոստումնալից թեկնածուների թվում են ամինաթթվային հիմքով մակերևութային ակտիվ նյութերը, ինչպիսիք են տաուրատները, սարկոզինատները և գլուտամատները, որոնք ցուցաբերում են բարելավված կենսահամատեղելիություն և ավելի մեղմ հատկություններ [9]: Այնուամենայնիվ, այս այլընտրանքների համեմատաբար մեծ բևեռային գլխիկների խմբերը հաճախ խոչընդոտում են խիստ խճճված միցելյար կառուցվածքների ձևավորմանը, ինչը անհրաժեշտ է դարձնում ռեոլոգիական մոդիֆիկատորների օգտագործումը։

Նատրիումի մեթիլ կոկոյիլ տաուրատ (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na])-ը անիոնային մակերևութային ակտիվ նյութ է, որը սինթեզվում է որպես նատրիումի աղ՝ N-մեթիլտաուրինի (2-մեթիլամինոէթանսուլֆոնաթթվի) և կոկոսի յուղից ստացված ճարպաթթվային շղթայի ամիդային միացման միջոցով: SMCT-ն ունի ամիդային կապված տաուրինային գլխախումբ՝ ուժեղ անիոնային սուլֆոնատային խմբի հետ միասին, ինչը այն դարձնում է կենսաքայքայվող և համատեղելի մաշկի pH-ի հետ, ինչը այն դասում է որպես խոստումնալից թեկնածու սուլֆատ չպարունակող բանաձևերի համար: Տաուրատային մակերևութային ակտիվ նյութերը բնութագրվում են իրենց հզոր լվացող հատկությամբ, կոշտ ջրի նկատմամբ դիմադրողականությամբ, մեղմությամբ և pH-ի լայն կայունությամբ:

Ռեոլոգիական պարամետրերը, ներառյալ սղման մածուցիկությունը, մածուցիկ առաձգական մոդուլները և հոսունության լարվածությունը, կարևոր են մակերևութային ակտիվ նյութերի վրա հիմնված արտադրանքի կայունությունը, կառուցվածքը և կատարողականությունը որոշելու համար: Օրինակ, բարձր սղման մածուցիկությունը կարող է բարելավել հիմքի պահպանումը, մինչդեռ հոսունության լարվածությունը որոշում է բանաձևի կպչունությունը մաշկին կամ մազերին կիրառումից հետո: Այս մակրոսկոպիկ ռեոլոգիական հատկանիշները մոդուլացվում են բազմաթիվ գործոններով, ներառյալ մակերևութային ակտիվ նյութի կոնցենտրացիան, pH-ը, ջերմաստիճանը և համալուծիչների կամ հավելումների առկայությունը: Հակառակ լիցքավորված մակերևութային ակտիվ նյութերը կարող են ենթարկվել տարբեր միկրոկառուցվածքային անցումների՝ սկսած գնդաձև միցելներից և վեզիկուլներից մինչև հեղուկ բյուրեղային փուլեր, որոնք, իրենց հերթին, խորապես ազդում են ծավալային ռեոլոգիայի վրա: Ամֆոտերային և անիոնային մակերևութային ակտիվ նյութերի խառնուրդները հաճախ ձևավորում են երկարավուն որդնանման միցելներ (WLM), որոնք զգալիորեն բարելավում են մածուցիկ առաձգական հատկությունները: Հետևաբար, միկրոկառուցվածք-հատկություններ փոխհարաբերությունների հասկացումը կարևոր է արտադրանքի կատարողականությունը օպտիմալացնելու համար:

Բազմաթիվ փորձարարական ուսումնասիրություններում ուսումնասիրվել են անալոգային երկուական համակարգեր, ինչպիսին է CAPB-SLES-ը, դրանց հատկությունների միկրոկառուցվածքային հիմքը պարզաբանելու համար: Օրինակ՝ Միտրինովան և այլք [13] համեմատել են միցելի չափը (հիդրոդինամիկ շառավիղը) լուծույթի մածուցիկության հետ CAPB-SLES-միջին շղթայի համատեղ մակերևութային ակտիվ նյութերի խառնուրդներում՝ օգտագործելով ռեոմետրիա և դինամիկ լույսի ցրում (DLS): Մեխանիկական ռեոմետրիան հնարավորություն է տալիս պատկերացում կազմել այս խառնուրդների միկրոկառուցվածքային էվոլյուցիայի մասին և կարող է լրացվել օպտիկական միկրոռեոլոգիայի միջոցով՝ օգտագործելով դիֆուզորային ալիքային սպեկտրոսկոպիա (DWS), որը ընդլայնում է հասանելի հաճախականության տիրույթը՝ արձանագրելով կարճաժամկետ դինամիկան, որը հատկապես կարևոր է WLM թուլացման գործընթացների համար: DWS միկրոռեոլոգիայում ներդրված կոլոիդային զոնդերի միջին քառակուսի տեղաշարժը հետևվում է ժամանակի ընթացքում, ինչը հնարավորություն է տալիս շրջակա միջավայրի գծային մածուցիկ-առաձգական մոդուլները արդյունահանել ընդհանրացված Սթոքս-Այնշտեյնի հարաբերության միջոցով: Այս տեխնիկան պահանջում է միայն նվազագույն նմուշի ծավալներ և, հետևաբար, առավելություն ունի սահմանափակ նյութական հասանելիությամբ բարդ հեղուկների ուսումնասիրության համար, օրինակ՝ սպիտակուցային բանաձևերի վրա հիմնված բանաձևերի: Լայն հաճախականության սպեկտրներում <Δr²(t)> տվյալների վերլուծությունը հեշտացնում է միցելյար պարամետրերի, ինչպիսիք են ցանցի չափը, խճճվածքի երկարությունը, կայունության երկարությունը և ուրվագծի երկարությունը, գնահատումը: Ամինը և այլք ցույց տվեցին, որ CAPB-SLES խառնուրդները համապատասխանում են Քեյթսի տեսության կանխատեսումներին՝ ցույց տալով մածուցիկության զգալի աճ աղի ավելացման հետ մինչև աղի կրիտիկական կոնցենտրացիա, որից հետո մածուցիկությունը կտրուկ նվազում է՝ WLM համակարգերում բնորոշ արձագանք: Շյու և Ամինը SLES-CAPB-CCB խառնուրդները ուսումնասիրելու համար օգտագործել են մեխանիկական ռեոմետրիա և DWS՝ բացահայտելով Մաքսվելյան ռեոլոգիական արձագանք, որը վկայում է խճճված WLM ձևավորման մասին, որը հետագայում հաստատվել է DWS չափումներից ստացված միկրոկառուցվածքային պարամետրերով: Այս մեթոդաբանությունների հիման վրա ներկայիս ուսումնասիրությունը ինտեգրում է մեխանիկական ռեոմետրիան և DWS միկրոռեոլոգիան՝ պարզաբանելու համար, թե ինչպես են միկրոկառուցվածքային վերակազմակերպումները որոշում CAPB-SMCT խառնուրդների կտրման վարքագիծը:

Ավելի մեղմ և կայուն մաքրող միջոցների աճող պահանջարկի լույսի ներքո, սուլֆատ չպարունակող անիոնային մակերևութային ակտիվ նյութերի ուսումնասիրությունը թափ է ստացել՝ չնայած բանաձևի հետ կապված դժվարություններին: Սուլֆատ չպարունակող համակարգերի տարբեր մոլեկուլային ճարտարապետությունները հաճախ հանգեցնում են տարբեր ռեոլոգիական պրոֆիլների, որոնք բարդացնում են մածուցիկության բարձրացման ավանդական ռազմավարությունները, ինչպիսիք են աղի կամ պոլիմերային խտացման միջոցով: Օրինակ, Յորքը և այլք ուսումնասիրել են ոչ սուլֆատային այլընտրանքներ՝ համակարգված ուսումնասիրելով ալկիլ օլեֆին սուլֆոնատ (AOS), ալկիլ պոլիգլյուկոզիդ (APG) և լաուրիլ հիդրօքսիսուլտաին պարունակող երկուական և եռակի մակերևութային ակտիվ նյութերի խառնուրդների փրփրացման և ռեոլոգիական հատկությունները: AOS-սուլտաինի 1:1 հարաբերակցությունը ցույց է տվել CAPB-SLES-ին նման նոսրացման և փրփրացման բնութագրեր, ինչը վկայում է WLM-ի առաջացման մասին: Ռաջպուտը և այլք [26] գնահատել են մեկ այլ սուլֆատ չպարունակող անիոնային մակերևութային ակտիվ նյութ՝ նատրիումի կոկոյիլ գլիցինատը (SCGLY), ոչ իոնային համամակերևութային ակտիվ նյութերի (կոկամիդ դիէթանոլամին և լաուրիլ գլյուկոզիդ) հետ միասին՝ DLS, SANS և ռեոմետրիայի միջոցով: Չնայած SCGLY-ն միայնակ ձևավորել է հիմնականում գնդաձև միցելներ, համատեղ մակերևութային ակտիվ նյութի ավելացումը հնարավորություն է տվել կառուցել ավելի բարդ միցելյար ձևաբանություններ, որոնք ենթակա են pH-ով պայմանավորված մոդուլյացիայի։

Այս առաջընթացներին չնայած, համեմատաբար քիչ հետազոտություններ են ուղղված CAPB-ի և տաուրատների ներառող կայուն սուլֆատ չպարունակող համակարգերի ռեոլոգիական հատկություններին: Այս ուսումնասիրությունը նպատակ ունի լրացնել այս բացը՝ տրամադրելով CAPB-SMCT երկուական համակարգի առաջին համակարգված ռեոլոգիական բնութագրումներից մեկը: Մակերևութային ակտիվ նյութի կազմը, pH-ը և իոնային ուժը համակարգված փոփոխելով՝ մենք պարզաբանում ենք սղման մածուցիկությունը և մածուցիկ առաձգականությունը կարգավորող գործոնները: Մեխանիկական ռեոմետրիայի և DWS միկրոռեոլոգիայի միջոցով մենք քանակականացնում ենք CAPB-SMCT խառնուրդների սղման վարքագծի հիմքում ընկած միկրոկառուցվածքային վերակազմակերպումները: Այս արդյունքները պարզաբանում են pH-ի, CAPB-SMCT հարաբերակցության և իոնային մակարդակների փոխազդեցությունը WLM-ի ձևավորումը խթանելու կամ զսպելու գործում, այդպիսով առաջարկելով գործնական պատկերացումներ կայուն մակերևութային ակտիվ նյութի վրա հիմնված արտադրանքի ռեոլոգիական պրոֆիլները բազմազան արդյունաբերական կիրառությունների համար հարմարեցնելու վերաբերյալ: