การกำหนดลักษณะพลวัตรีโอโลยีของสารลดแรงตึงผิวที่ปราศจากซัลเฟตของโคคามิโดโพรพิลเบทาอีน-โซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรตในองค์ประกอบ ค่า pH และสภาวะไอออนิก

การแนะนำ

ระบบสารลดแรงตึงผิวแบบไบนารีในน้ำซึ่งประกอบด้วยสปีชีส์ที่มีประจุตรงข้ามกันนั้นถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรมมากมาย รวมถึงอุตสาหกรรมเครื่องสำอาง ยา เคมีเกษตร และอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร การนำระบบเหล่านี้ไปใช้อย่างแพร่หลายส่วนใหญ่เป็นผลมาจากคุณสมบัติที่เหนือกว่าของส่วนต่อประสานและรีโอโลยี ซึ่งช่วยให้ประสิทธิภาพในสูตรผสมที่หลากหลายดีขึ้น การประกอบตัวเองของสารลดแรงตึงผิวเหล่านี้เข้าด้วยกันเป็นมวลรวมคล้ายหนอนพันกันทำให้เกิดคุณสมบัติมหภาคที่ปรับแต่งได้สูง รวมถึงความหนืดที่เพิ่มขึ้นและแรงตึงผิวที่ส่วนต่อประสานลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การรวมกันของสารลดแรงตึงผิวแบบแอนไอออนิกและซวิตเตอร์ไอออนิกแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มประสิทธิภาพที่เสริมกันในด้านกิจกรรมพื้นผิว ความหนืด และการปรับแรงตึงผิวที่ส่วนต่อประสาน พฤติกรรมเหล่านี้เกิดจากปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าสถิตและสเตอริกที่เข้มข้นขึ้นระหว่างกลุ่มหัวขั้วและหางไฮโดรโฟบิกของสารลดแรงตึงผิว ซึ่งแตกต่างจากระบบที่มีสารลดแรงตึงผิวชนิดเดียว ซึ่งแรงไฟฟ้าสถิตแบบผลักมักจำกัดประสิทธิภาพการทำงานสูงสุด

โคคามิโดโพรพิลบีเทน (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) เป็นสารลดแรงตึงผิวแอมโฟเทอริกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสูตรเครื่องสำอาง เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการทำความสะอาดอย่างอ่อนโยนและคุณสมบัติในการบำรุงเส้นผม คุณสมบัติแบบสวิตเตอร์ไอออนของ CAPB ทำให้เกิดการประสานกันทางไฟฟ้าสถิตกับสารลดแรงตึงผิวแอนไอออนิก ช่วยเพิ่มความเสถียรของโฟมและส่งเสริมประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของสูตร ในช่วงห้าทศวรรษที่ผ่านมา ส่วนผสมของ CAPB ที่มีสารลดแรงตึงผิวที่มีซัลเฟตเป็นส่วนประกอบ เช่น CAPB–โซเดียมลอริลอีเทอร์ซัลเฟต (SLES) ได้กลายเป็นพื้นฐานในผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล อย่างไรก็ตาม แม้ว่าสารลดแรงตึงผิวที่มีซัลเฟตเป็นส่วนประกอบจะมีประสิทธิภาพ แต่ความกังวลเกี่ยวกับศักยภาพในการระคายเคืองผิวหนังและการมีอยู่ของ 1,4-ไดออกเซน ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการเอทอกซิเลชัน ได้ผลักดันให้เกิดความสนใจในผลิตภัณฑ์ทางเลือกที่ปราศจากซัลเฟต สารลดแรงตึงผิวที่มีแนวโน้มดี ได้แก่ สารลดแรงตึงผิวที่มีกรดอะมิโนเป็นส่วนประกอบ เช่น ทอเรต ซาร์โคซิเนต และกลูตาเมต ซึ่งมีคุณสมบัติทางชีวภาพที่ดีขึ้นและมีคุณสมบัติที่อ่อนกว่า [9] อย่างไรก็ตาม กลุ่มหัวขั้วที่ค่อนข้างใหญ่ของสารทดแทนเหล่านี้มักขัดขวางการก่อตัวของโครงสร้างไมเซลล์ที่พันกันอย่างมาก จึงจำเป็นต้องใช้สารปรับเปลี่ยนรีโอโลยี

โซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรต (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่สังเคราะห์ขึ้นเป็นเกลือโซเดียมโดยอาศัยพันธะเอไมด์ของ N-เมทิลทอรีน (กรด 2-เมทิลอะมิโนเอเทนซัลโฟนิก) กับสายกรดไขมันที่ได้จากมะพร้าว SMCT มีหมู่หัวทอรีนที่เชื่อมต่อกับเอไมด์ร่วมกับหมู่ซัลโฟเนตประจุลบสูง ทำให้ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและเข้ากันได้กับค่า pH ของผิวหนัง ซึ่งทำให้เป็นสารลดแรงตึงผิวที่มีแนวโน้มดีสำหรับสูตรที่ปราศจากซัลเฟต สารลดแรงตึงผิวทอเรตมีคุณสมบัติเด่นคือคุณสมบัติในการชะล้างที่ทรงพลัง ความยืดหยุ่นของน้ำกระด้าง ความอ่อนโยน และความเสถียรของค่า pH ที่กว้าง

พารามิเตอร์ทางรีโอโลยี ได้แก่ ความหนืดเฉือน โมดูลัสหยุ่นหนืด และความเค้นคราก มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดความเสถียร เนื้อสัมผัส และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่ใช้สารลดแรงตึงผิว ตัวอย่างเช่น ความหนืดเฉือนที่สูงขึ้นสามารถปรับปรุงการคงตัวของสารตั้งต้น ในขณะที่ความเค้นครากจะควบคุมการยึดเกาะของสูตรกับผิวหนังหรือเส้นผมหลังการใช้ คุณสมบัติทางรีโอโลยีระดับมหภาคเหล่านี้ถูกปรับเปลี่ยนโดยปัจจัยหลายประการ ได้แก่ ความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว ค่า pH อุณหภูมิ และการมีอยู่ของตัวทำละลายร่วมหรือสารเติมแต่ง สารลดแรงตึงผิวที่มีประจุตรงข้ามกันสามารถผ่านการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างจุลภาคที่หลากหลาย ตั้งแต่ไมเซลล์และเวสิเคิลทรงกลมไปจนถึงเฟสผลึกเหลว ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อรีโอโลยีแบบปริมาตร ส่วนผสมของสารลดแรงตึงผิวแอมโฟเทอริกและแอนไอออนิกมักจะก่อตัวเป็นไมเซลล์รูปหนอนยาว (WLM) ซึ่งช่วยเพิ่มคุณสมบัติหยุ่นหนืดได้อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

การศึกษาเชิงทดลองจำนวนมากได้ศึกษาระบบไบนารีที่คล้ายคลึงกัน เช่น CAPB–SLES เพื่ออธิบายพื้นฐานทางโครงสร้างจุลภาคของคุณสมบัติของระบบเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น Mitrinova และคณะ [13] ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดไมเซลล์ (รัศมีไฮโดรไดนามิก) กับความหนืดของสารละลายในสารผสมโคเซอร์แฟกต์ของสายโซ่กลาง CAPB–SLES โดยใช้รีโอเมทรีและการกระเจิงแสงแบบไดนามิก (DLS) รีโอเมทรีเชิงกลให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิวัฒนาการทางโครงสร้างจุลภาคของสารผสมเหล่านี้ และสามารถเสริมด้วยไมโครรีโอโลยีเชิงแสงโดยใช้สเปกโทรสโกปีคลื่นกระจาย (DWS) ซึ่งขยายโดเมนความถี่ที่เข้าถึงได้ โดยบันทึกพลวัตในช่วงเวลาสั้นๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผ่อนคลาย WLM โดยเฉพาะอย่างยิ่งในไมโครรีโอโลยี DWS การเคลื่อนที่เฉลี่ยกำลังสองของโพรบคอลลอยด์ที่ฝังอยู่จะถูกติดตามเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้สามารถสกัดโมดูลัสความหนืดยืดหยุ่นเชิงเส้นของตัวกลางโดยรอบผ่านความสัมพันธ์แบบสโตกส์–ไอน์สไตน์ทั่วไป เทคนิคนี้ต้องการปริมาตรตัวอย่างเพียงเล็กน้อย จึงเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษาของไหลเชิงซ้อนที่มีปริมาณวัสดุจำกัด เช่น สูตรผสมที่มีโปรตีนเป็นองค์ประกอบ การวิเคราะห์ข้อมูล < Δr²(t)> ในสเปกตรัมความถี่กว้าง ช่วยให้สามารถประมาณค่าพารามิเตอร์ไมเซลล์ เช่น ขนาดตาข่าย ความยาวการพันกัน ความยาวการคงอยู่ และความยาวคอนทัวร์ได้ Amin และคณะ แสดงให้เห็นว่าสารผสม CAPB-SLES สอดคล้องกับการทำนายจากทฤษฎีของ Cates โดยแสดงให้เห็นความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเติมเกลือจนถึงความเข้มข้นของเกลือวิกฤต ซึ่งหากเกินความเข้มข้นดังกล่าวความหนืดจะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นการตอบสนองทั่วไปในระบบ WLM Xu และ Amin ใช้รีโอเมทรีเชิงกลและ DWS เพื่อตรวจสอบสารผสม SLES-CAPB-CCB ซึ่งเผยให้เห็นการตอบสนองทางรีโอโลยีแบบแมกซ์เวลล์ที่บ่งชี้ถึงการก่อตัวของ WLM แบบพันกัน ซึ่งได้รับการยืนยันเพิ่มเติมด้วยพารามิเตอร์โครงสร้างจุลภาคที่อนุมานได้จากการวัดด้วย DWS โดยอาศัยวิธีการเหล่านี้ การศึกษาปัจจุบันผสานรีโอเมทรีเชิงกลและไมโครรีโอโลยีของ DWS เพื่ออธิบายว่าการจัดระเบียบโครงสร้างจุลภาคขับเคลื่อนพฤติกรรมการเฉือนของส่วนผสม CAPB–SMCT ได้อย่างไร

เนื่องจากความต้องการสารทำความสะอาดที่อ่อนโยนและยั่งยืนมากขึ้น การสำรวจสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่ปราศจากซัลเฟตจึงได้รับแรงผลักดันมากขึ้น แม้จะมีความท้าทายด้านสูตรผสม โครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันของระบบที่ปราศจากซัลเฟตมักให้คุณสมบัติรีโอโลยีที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้กลยุทธ์ทั่วไปในการเพิ่มความหนืด เช่น การใช้เกลือหรือการทำให้ข้นด้วยพอลิเมอร์มีความซับซ้อน ยกตัวอย่างเช่น Yorke และคณะ ได้สำรวจทางเลือกอื่นที่ไม่ใช่ซัลเฟต โดยการศึกษาคุณสมบัติการเกิดฟองและรีโอโลยีของสารผสมสารลดแรงตึงผิวแบบไบนารีและเทอร์นารีที่มีอัลคิลโอเลฟินซัลโฟเนต (AOS), อัลคิลโพลีกลูโคไซด์ (APG) และลอริลไฮดรอกซีซัลเทนอย่างเป็นระบบ อัตราส่วน 1:1 ของ AOS ต่อซัลเทนแสดงลักษณะการบางแบบเฉือนและการเกิดฟองคล้ายกับ CAPB ต่อ SLES ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของ WLM Rajput และคณะ [26] ได้ประเมินสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่ปราศจากซัลเฟตอีกชนิดหนึ่ง คือ โซเดียมโคโคอิลไกลซิเนต (SCGLY) ร่วมกับสารลดแรงตึงผิวร่วมที่ไม่ใช่ไอออนิก (โคคาไมด์ไดเอทาโนลามีนและลอริลกลูโคไซด์) ผ่าน DLS, SANS และรีโอเมทรี แม้ว่า SCGLY เพียงอย่างเดียวจะสร้างไมเซลล์ทรงกลมเป็นส่วนใหญ่ แต่การเติมสารลดแรงตึงผิวร่วมทำให้สามารถสร้างไมเซลล์ที่มีสัณฐานวิทยาที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถปรับค่า pH ได้

แม้จะมีความก้าวหน้าเหล่านี้ แต่ยังมีงานวิจัยที่ศึกษาคุณสมบัติรีโอโลยีของระบบที่ปราศจากซัลเฟตอย่างยั่งยืนซึ่งเกี่ยวข้องกับ CAPB และทอเรตอยู่น้อยมาก การศึกษานี้มุ่งเป้าไปที่การเติมเต็มช่องว่างนี้โดยการนำเสนอคุณลักษณะรีโอโลยีเชิงระบบแรกๆ ของระบบคู่ CAPB–SMCT ด้วยการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของสารลดแรงตึงผิว ค่า pH และความแข็งแรงไอออนิกอย่างเป็นระบบ เราจึงสามารถอธิบายปัจจัยที่ควบคุมความหนืดเฉือนและความหนืดหยุ่นได้ โดยใช้รีโอเมทรีเชิงกลและไมโครรีโอโลยี DWS เราวัดปริมาณการปรับโครงสร้างจุลภาคที่เป็นพื้นฐานของพฤติกรรมเฉือนของสารผสม CAPB–SMCT ผลการวิจัยเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างค่า pH อัตราส่วน CAPB–SMCT และระดับไอออนิกในการส่งเสริมหรือยับยั้งการก่อตัวของ WLM จึงนำเสนอข้อมูลเชิงลึกเชิงปฏิบัติในการปรับแต่งโปรไฟล์รีโอโลยีของผลิตภัณฑ์ที่ใช้สารลดแรงตึงผิวอย่างยั่งยืนสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย