Caracterització de la dinàmica reològica de mescles tensioactives sense sulfat de cocamidopropil betaïna-metil cocoil taurat de sodi en funció de la composició, el pH i les condicions iòniques

Introducció

Els sistemes tensioactius binaris aquosos que comprenen espècies amb càrrega oposada s'utilitzen àmpliament en nombrosos sectors industrials, com ara els cosmètics, els farmacèutics, els agroquímics i les indústries de processament d'aliments. L'adopció generalitzada d'aquests sistemes s'atribueix principalment a les seves funcionalitats interfacials i reològiques superiors, que permeten un rendiment millorat en diverses formulacions. L'autoacoblament sinèrgic d'aquests tensioactius en agregats entrellaçats en forma de cuc confereix propietats macroscòpiques altament ajustables, com ara una viscoelasticitat augmentada i una tensió interfacial reduïda. En particular, les combinacions de tensioactius aniònics i zwitteriònics presenten millores sinèrgiques en l'activitat superficial, la viscositat i la modulació de la tensió interfacial. Aquests comportaments sorgeixen de la intensificació de les interaccions electrostàtiques i estèriques entre els grups del cap polar i les cues hidrofòbiques dels tensioactius, en contrast amb els sistemes d'un sol tensioactiu, on les forces electrostàtiques repulsives sovint limiten l'optimització del rendiment.

La cocamidopropil betaïna (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCCN+ (C)CC([O−])=O) és un tensioactiu amfòter àmpliament utilitzat en formulacions cosmètiques a causa de la seva eficàcia netejadora suau i les seves propietats condicionadores del cabell. La naturalesa zwitteriònica del CAPB permet la sinergia electrostàtica amb els tensioactius aniònics, millorant l'estabilitat de l'escuma i promovent un rendiment superior de la formulació. Durant les últimes cinc dècades, les mescles de CAPB amb tensioactius a base de sulfat, com ara el CAPB-lauril èter sulfat de sodi (SLES), s'han convertit en fonamentals en els productes de cura personal. Tanmateix, malgrat l'eficàcia dels tensioactius a base de sulfat, les preocupacions sobre el seu potencial d'irritació dèrmica i la presència d'1,4-dioxà, un subproducte del procés d'etoxilació, han impulsat l'interès per alternatives sense sulfat. Entre els candidats prometedors hi ha els tensioactius a base d'aminoàcids, com ara els taurats, els sarcosinats i els glutamats, que presenten una biocompatibilitat millorada i propietats més suaus [9]. No obstant això, els grups de caps polars relativament grans d'aquestes alternatives sovint impedeixen la formació d'estructures micel·lars altament entrellaçades, cosa que requereix l'ús de modificadors reològics.

Metil cocoil taurat de sodi (SMCT; SMILES:
El CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) és un tensioactiu aniònic sintetitzat com a sal de sodi mitjançant l'acoblament d'amida de N-metiltaurina (àcid 2-metilaminoetanosulfònic) amb una cadena d'àcids grassos derivada del coco. El SMCT posseeix un grup principal de taurina unit a amida juntament amb un grup sulfonat fortament aniònic, cosa que el fa biodegradable i compatible amb el pH de la pell, cosa que el posiciona com un candidat prometedor per a formulacions sense sulfats. Els tensioactius taurats es caracteritzen per la seva potent detergència, resistència a l'aigua dura, suavitat i àmplia estabilitat del pH.

Els paràmetres reològics, com ara la viscositat de cisallament, els mòduls viscoelàstics i la tensió elàstica, són crítics per determinar l'estabilitat, la textura i el rendiment dels productes basats en tensioactius. Per exemple, una viscositat de cisallament elevada pot millorar la retenció del substrat, mentre que la tensió elàstica regeix l'adherència de la formulació a la pell o al cabell després de l'aplicació. Aquests atributs reològics macroscòpics estan modulats per nombrosos factors, com ara la concentració de tensioactius, el pH, la temperatura i la presència de co-solvents o additius. Els tensioactius amb càrrega oposada poden experimentar diverses transicions microestructurals, que van des de micel·les i vesícules esfèriques fins a fases cristal·lines líquides, que, al seu torn, afecten profundament la reologia a granel. Les mescles de tensioactius amfòters i aniònics sovint formen micel·les allargades en forma de cuc (WLM), que milloren significativament les propietats viscoelàstiques. Per tant, comprendre les relacions microestructura-propietat és fonamental per optimitzar el rendiment del producte.

Nombrosos estudis experimentals han investigat sistemes binaris anàlegs, com ara CAPB-SLES, per elucidar la base microestructural de les seves propietats. Per exemple, Mitrinova et al. [13] van correlacionar la mida de les micel·les (radi hidrodinàmic) amb la viscositat de la solució en mescles de cotensioactius de cadena mitjana CAPB-SLES mitjançant reometria i dispersió dinàmica de la llum (DLS). La reometria mecànica proporciona informació sobre l'evolució microestructural d'aquestes mescles i es pot augmentar mitjançant microreologia òptica mitjançant espectroscòpia d'ona difusora (DWS), que estén el domini de freqüència accessible, capturant dinàmiques a curt termini particularment pertinents per als processos de relaxació WLM. En la microreologia DWS, el desplaçament quadràtic mitjà de les sondes col·loïdals incrustades es rastreja al llarg del temps, permetent l'extracció de mòduls viscoelàstics lineals del medi circumdant mitjançant la relació generalitzada de Stokes-Einstein. Aquesta tècnica només requereix volums de mostra mínims i, per tant, és avantatjosa per estudiar fluids complexos amb disponibilitat limitada de materials, com ara formulacions basades en proteïnes. L'anàlisi de dades < Δr²(t)> a través d'amplis espectres de freqüència facilita l'estimació de paràmetres micel·lars com la mida de la malla, la longitud d'entrellaçament, la longitud de persistència i la longitud del contorn. Amin et al. van demostrar que les mescles CAPB-SLES s'ajusten a les prediccions de la teoria de Cates, mostrant un augment pronunciat de la viscositat amb l'addició de sal fins a una concentració crítica de sal, més enllà de la qual la viscositat cau en pic, una resposta típica en sistemes WLM. Xu i Amin van emprar reometria mecànica i DWS per examinar les mescles SLES-CAPB-CCB, revelant una resposta reològica maxwelliana indicativa de la formació de WLM entrellaçat, que es va corroborar encara més pels paràmetres microestructurals inferits a partir de les mesures DWS. Basant-se en aquestes metodologies, l'estudi actual integra la reometria mecànica i la microreologia DWS per dilucidar com les reorganitzacions microestructurals impulsen el comportament de cisallament de les mescles CAPB-SMCT.

A la llum de la creixent demanda d'agents de neteja més suaus i sostenibles, l'exploració de tensioactius aniònics sense sulfats ha guanyat impuls malgrat els reptes de formulació. Les diferents arquitectures moleculars dels sistemes sense sulfats sovint produeixen perfils reològics divergents, cosa que complica les estratègies convencionals per a la millora de la viscositat, com ara mitjançant sals o espessiment polimèric. Per exemple, Yorke et al. van explorar alternatives sense sulfats investigant sistemàticament les propietats espumants i reològiques de mescles de tensioactius binàries i ternàries que contenien alquil olefina sulfonat (AOS), alquil poliglucòsid (APG) i lauril hidroxisultaïna. Una proporció 1:1 d'AOS-sultaïna va mostrar característiques de dilució per cisallament i escuma similars a CAPB-SLES, cosa que indica la formació de WLM. Rajput et al. [26] van avaluar un altre tensioactiu aniònic sense sulfats, el cocoil glicinat de sodi (SCGLY), juntament amb cotensioactius no iònics (cocamida dietanolamina i lauril glucòsid) mitjançant DLS, SANS i reometria. Tot i que SCGLY per si sol va formar micel·les predominantment esfèriques, l'addició de co-tensioactiu va permetre la construcció de morfologies micel·lars més complexes, susceptibles de modulació impulsada pel pH.

Malgrat aquests avenços, comparativament poques investigacions s'han centrat en les propietats reològiques de sistemes sostenibles sense sulfats que impliquen CAPB i taurats. Aquest estudi pretén omplir aquesta bretxa proporcionant una de les primeres caracteritzacions reològiques sistemàtiques del sistema binari CAPB-SMCT. Variant sistemàticament la composició del tensioactiu, el pH i la força iònica, elucidem els factors que governen la viscositat de cisallament i la viscoelasticitat. Mitjançant la reometria mecànica i la microreologia DWS, quantifiquem les reorganitzacions microestructurals subjacents al comportament de cisallament de les mescles CAPB-SMCT. Aquestes troballes eluciden la interacció entre el pH, la relació CAPB-SMCT i els nivells iònics en la promoció o inhibició de la formació de WLM, oferint així informació pràctica sobre l'adaptació dels perfils reològics de productes sostenibles basats en tensioactius per a diverses aplicacions industrials.