การศึกษาลักษณะเฉพาะของพลวัตทางรีโอโลยีของสารลดแรงตึงผิวผสมที่ปราศจากซัลเฟต ได้แก่ โคคามิโดโพรพิลเบทาอีนและโซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรต ในทุกองค์ประกอบ ค่า pH และสภาวะไอออนิก

การแนะนำ

ระบบสารลดแรงตึงผิวแบบไบนารีในน้ำที่ประกอบด้วยสารที่มีประจุตรงข้ามกันถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย รวมถึงเครื่องสำอาง ยา สารเคมีทางการเกษตร และอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร การนำระบบเหล่านี้มาใช้อย่างแพร่หลายนั้นเป็นผลมาจากคุณสมบัติการทำงานที่พื้นผิวและคุณสมบัติทางรีโอโลยีที่เหนือกว่า ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในสูตรต่างๆ การรวมตัวกันเองของสารลดแรงตึงผิวเหล่านี้เป็นกลุ่มก้อนที่พันกันคล้ายหนอน ทำให้ได้คุณสมบัติระดับมหภาคที่สามารถปรับแต่งได้สูง รวมถึงความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นและแรงตึงผิวที่ลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การผสมผสานระหว่างสารลดแรงตึงผิวประจุลบและประจุคู่ แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มประสิทธิภาพร่วมกันในกิจกรรมบนพื้นผิว ความหนืด และการปรับแรงตึงผิว พฤติกรรมเหล่านี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิตและเชิงสเตอริกที่เข้มข้นขึ้นระหว่างกลุ่มหัวขั้วและหางที่ไม่ชอบน้ำของสารลดแรงตึงผิว ซึ่งแตกต่างจากระบบสารลดแรงตึงผิวเดี่ยวที่แรงผลักทางไฟฟ้าสถิตมักจำกัดการเพิ่มประสิทธิภาพ

โคคามิโดโพรพิลเบทาอีน (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) เป็นสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสูตรเครื่องสำอาง เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการทำความสะอาดอย่างอ่อนโยนและคุณสมบัติในการบำรุงเส้นผม ลักษณะที่เป็นซวิตเตอร์ไอออนิกของ CAPB ช่วยให้เกิดการทำงานร่วมกันทางไฟฟ้าสถิตกับสารลดแรงตึงผิวแบบแอนไอออนิก ช่วยเพิ่มความเสถียรของฟองและส่งเสริมประสิทธิภาพของสูตรผลิตภัณฑ์ให้ดียิ่งขึ้น ในช่วงห้าทศวรรษที่ผ่านมา ส่วนผสมของ CAPB กับสารลดแรงตึงผิวแบบซัลเฟต เช่น CAPB–โซเดียมลอริลอีเทอร์ซัลเฟต (SLES) ได้กลายเป็นพื้นฐานในผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล อย่างไรก็ตาม แม้ว่าสารลดแรงตึงผิวแบบซัลเฟตจะมีประสิทธิภาพ แต่ความกังวลเกี่ยวกับศักยภาพในการระคายเคืองผิวหนังและการมีอยู่ของ 1,4-ไดออกเซน ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการเอทอกซิเลชัน ได้กระตุ้นความสนใจในทางเลือกที่ปราศจากซัลเฟต สารลดแรงตึงผิวที่มีกรดอะมิโนเป็นส่วนประกอบ เช่น ทอเรต ซาร์โคซิเนต และกลูตาเมต เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางชีวภาพที่ดีขึ้นและอ่อนโยนกว่า [9] อย่างไรก็ตาม กลุ่มหัวขั้วที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ของสารทางเลือกเหล่านี้มักจะขัดขวางการก่อตัวของโครงสร้างไมเซลล์ที่พันกันอย่างแน่นหนา จึงจำเป็นต้องใช้สารปรับแต่งทางรีโอโลยี

โซเดียมเมทิลโคโคอิลทอเรต (SMCT; SMILES:
SMCT (Surface Membrane Cutanes CT) เป็นสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่สังเคราะห์ขึ้นเป็นเกลือโซเดียมโดยการเชื่อมต่อแบบอะไมด์ของ N-methyltaurine (กรด 2-methylaminoethanesulfonic) กับโซ่กรดไขมันที่ได้จากมะพร้าว SMCT มีหมู่หัวทอรีนที่เชื่อมต่อแบบอะไมด์ควบคู่ไปกับหมู่ซัลโฟเนตประจุลบที่แข็งแรง ทำให้สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพและเข้ากันได้กับค่า pH ของผิวหนัง ซึ่งทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับสูตรปราศจากซัลเฟต สารลดแรงตึงผิวทอเรตมีคุณสมบัติเด่นคือ ความสามารถในการทำความสะอาดสูง ทนทานต่อน้ำกระด้าง อ่อนโยน และมีเสถียรภาพในช่วง pH กว้าง

พารามิเตอร์ทางรีโอโลยี รวมถึงความหนืดเฉือน โมดูลัสความยืดหยุ่น และความเค้นคราด มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดความเสถียร เนื้อสัมผัส และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่มีสารลดแรงตึงผิวเป็นส่วนประกอบ ตัวอย่างเช่น ความหนืดเฉือนที่สูงขึ้นสามารถปรับปรุงการยึดเกาะของสารตั้งต้น ในขณะที่ความเค้นคราดจะควบคุมการยึดเกาะของสูตรกับผิวหนังหรือเส้นผมหลังการใช้งาน คุณลักษณะทางรีโอโลยีระดับมหภาคเหล่านี้ถูกปรับเปลี่ยนโดยปัจจัยหลายประการ รวมถึงความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว ค่า pH อุณหภูมิ และการมีอยู่ของตัวทำละลายร่วมหรือสารเติมแต่ง สารลดแรงตึงผิวที่มีประจุตรงข้ามกันสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคที่หลากหลาย ตั้งแต่ไมเซลทรงกลมและเวสิเคิลไปจนถึงเฟสผลึกเหลว ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อรีโอโลยีโดยรวม สารผสมของสารลดแรงตึงผิวแบบแอมโฟเทอริกและแอนไอออนิกมักจะก่อตัวเป็นไมเซลรูปทรงหนอนยาว (WLMs) ซึ่งช่วยเพิ่มคุณสมบัติความยืดหยุ่นอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

การศึกษาเชิงทดลองจำนวนมากได้ตรวจสอบระบบไบนารีที่คล้ายคลึงกัน เช่น CAPB–SLES เพื่ออธิบายพื้นฐานโครงสร้างจุลภาคของคุณสมบัติของระบบเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น Mitrinova et al. [13] ได้เชื่อมโยงขนาดไมเซลล์ (รัศมีไฮโดรไดนามิก) กับความหนืดของสารละลายในส่วนผสม CAPB–SLES–สารลดแรงตึงผิวร่วมสายโซ่ขนาดกลางโดยใช้การวัดความหนืดและการกระเจิงแสงแบบไดนามิก (DLS) การวัดความหนืดเชิงกลให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคของส่วนผสมเหล่านี้ และสามารถเสริมด้วยการวัดความหนืดจุลภาคด้วยแสงโดยใช้สเปกโทรสโกปีคลื่นกระจาย (DWS) ซึ่งขยายโดเมนความถี่ที่เข้าถึงได้ จับพลวัตในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผ่อนคลาย WLM โดยเฉพาะ ในการวัดความหนืดจุลภาคด้วย DWS การกระจัดเฉลี่ยกำลังสองของโพรบคอลลอยด์ที่ฝังอยู่จะถูกติดตามเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้สามารถดึงค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นเชิงเส้นของตัวกลางโดยรอบผ่านความสัมพันธ์ Stokes–Einstein แบบทั่วไปได้ เทคนิคนี้ต้องการปริมาณตัวอย่างน้อยมาก จึงเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษาของเหลวที่ซับซ้อนซึ่งมีวัสดุจำกัด เช่น สูตรที่ใช้โปรตีน การวิเคราะห์ข้อมูล < Δr²(t)> ในช่วงความถี่กว้างช่วยให้สามารถประมาณค่าพารามิเตอร์ของไมเซลล์ เช่น ขนาดตาข่าย ความยาวของการพันกัน ความยาวคงที่ และความยาวของเส้นขอบได้ Amin และคณะได้แสดงให้เห็นว่าส่วนผสม CAPB–SLES สอดคล้องกับการคาดการณ์จากทฤษฎีของ Cates โดยแสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดของความหนืดเมื่อเติมเกลือจนถึงความเข้มข้นของเกลือวิกฤต ซึ่งหลังจากนั้นความหนืดจะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นการตอบสนองทั่วไปในระบบ WLM Xu และ Amin ใช้การวัดความหนืดเชิงกลและ DWS เพื่อตรวจสอบส่วนผสม SLES–CAPB–CCB เผยให้เห็นการตอบสนองทางรีโอโลยีแบบ Maxwellian ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของ WLM ที่พันกัน ซึ่งได้รับการยืนยันเพิ่มเติมโดยพารามิเตอร์โครงสร้างจุลภาคที่อนุมานได้จากการวัด DWS งานวิจัยปัจจุบันนี้ต่อยอดจากระเบียบวิธีดังกล่าว โดยบูรณาการการวัดความหนืดเชิงกลและการวัดความหนืดระดับจุลภาคด้วยวิธี DWS เพื่ออธิบายว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระดับจุลภาคส่งผลต่อพฤติกรรมการเฉือนของส่วนผสม CAPB–SMCT อย่างไร

เนื่องจากความต้องการสารทำความสะอาดที่อ่อนโยนและยั่งยืนมากขึ้นเพิ่มสูงขึ้น การค้นหาสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่ปราศจากซัลเฟตจึงได้รับความสนใจมากขึ้น แม้จะมีปัญหาในการคิดค้นสูตรก็ตาม โครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันของระบบที่ปราศจากซัลเฟตมักให้คุณสมบัติทางรีโอโลยีที่แตกต่างกัน ทำให้กลยุทธ์แบบดั้งเดิมในการเพิ่มความหนืด เช่น การใช้เกลือหรือสารเพิ่มความข้นโพลีเมอร์นั้นซับซ้อนขึ้น ตัวอย่างเช่น Yorke และคณะ ได้สำรวจทางเลือกที่ไม่ใช้ซัลเฟตโดยการตรวจสอบคุณสมบัติการเกิดฟองและรีโอโลยีของสารลดแรงตึงผิวแบบไบนารีและเทอร์นารีผสมกันอย่างเป็นระบบ ซึ่งประกอบด้วยอัลคิลโอเลฟินซัลโฟเนต (AOS) อัลคิลโพลีกลูโคไซด์ (APG) และลอริลไฮดรอกซีซัลเทน อัตราส่วน 1:1 ของ AOS–ซัลเทนแสดงคุณสมบัติการลดความหนืดเมื่อถูกแรงเฉือนและการเกิดฟองคล้ายกับ CAPB–SLES ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของ WLM Rajput และคณะ [26] ประเมินสารลดแรงตึงผิวประจุลบที่ปราศจากซัลเฟตอีกตัวหนึ่ง คือ โซเดียมโคโคอิลไกลซิเนต (SCGLY) ควบคู่ไปกับสารลดแรงตึงผิวร่วมที่ไม่มีประจุ (โคคาไมด์ไดเอทานอลอะมีนและลอริลกลูโคไซด์) ผ่าน DLS, SANS และการวัดความหนืด แม้ว่า SCGLY เพียงอย่างเดียวจะก่อตัวเป็นไมเซลทรงกลมเป็นส่วนใหญ่ แต่การเพิ่มสารลดแรงตึงผิวร่วมทำให้สามารถสร้างโครงสร้างไมเซลที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงค่า pH ได้

แม้จะมีความก้าวหน้าเหล่านี้ แต่การศึกษาที่มุ่งเน้นไปที่สมบัติทางรีโอโลยีของระบบที่ยั่งยืนปราศจากซัลเฟตซึ่งประกอบด้วย CAPB และทอเรตนั้นค่อนข้างน้อย งานวิจัยนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเติมเต็มช่องว่างดังกล่าวโดยนำเสนอการวิเคราะห์ลักษณะทางรีโอโลยีอย่างเป็นระบบครั้งแรกของระบบไบนารี CAPB–SMCT โดยการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของสารลดแรงตึงผิว ค่า pH และความเข้มข้นของไอออนอย่างเป็นระบบ เราได้อธิบายปัจจัยที่ควบคุมความหนืดเฉือนและความยืดหยุ่น โดยใช้การวัดรีโอโลยีเชิงกลและไมโครรีโอโลยี DWS เราได้วัดปริมาณการจัดระเบียบโครงสร้างจุลภาคที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมเฉือนของส่วนผสม CAPB–SMCT ผลการค้นพบเหล่านี้ชี้ให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างค่า pH อัตราส่วน CAPB–SMCT และระดับไอออนในการส่งเสริมหรือยับยั้งการก่อตัวของ WLM ซึ่งให้ข้อมูลเชิงปฏิบัติในการปรับแต่งโปรไฟล์ทางรีโอโลยีของผลิตภัณฑ์ที่ใช้สารลดแรงตึงผิวที่ยั่งยืนสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย