Hichtepunten
● Reology fan binêre sulfaatfrije surfactantmingsels wurdt eksperiminteel karakterisearre.
● Effekten fan pH, gearstalling en ionyske konsintraasje wurde systematysk ûndersocht.
● CAPB:SMCT surfactant massaferhâlding fan 1:0.5 bouwt maksimale skuorviskositeit op.
● In wichtige sâltkonsintraasje is nedich om in maksimum fan skuorviskositeit te berikken.
● De micellêre kontoerlingte ôflaat fan DWS korrelearret sterk mei de skuorviskositeit.
Abstrakt
Yn it stribjen nei sulfaatfrije surfactantplatfoarms fan 'e folgjende generaasje, leveret it hjoeddeiske wurk ien fan 'e earste systematyske reologyske ûndersiken fan wetterige Cocamidopropyl Betaine (CAPB)-Sodium Methyl Cocoyl Taurate (SMCT)-mingsels oer ferskate gearstalling, pH en ionsterkte. CAPB-SMCT wetterige oplossingen (totale aktive surfactantkonsintraasje fan 8-12 gewichtsprosent) waarden taret by ferskate surfactantgewichtsferhâldingen, oanpast oan pH's fan 4,5 en 5,5, en titrearre mei NaCl. Stabile en ossillerende skuormjittingen kwantifisearren makroskopyske skuorviskositeit, wylst diffúsjende golfspektroskopie (DWS) mikrorheology frekwinsje-oploste visko-elastyske moduli en karakteristike micellêre lingteskalen levere. Under sâltfrije omstannichheden lieten de formulearringen Newtoniaanske reology sjen mei maksimale skuorviskositeiten by in CAPB:SMCT-gewichtsferhâlding fan 1:0,5, wat oanjout op ferbettere kationyske-anionyske kopgroepbrêgen. It ferleegjen fan 'e pH fan 5,5 nei 4,5 joech in gruttere netto positive lading oan CAPB, wêrtroch't de elektrostatyske kompleksearing mei de folslein anionyske SMCT fersterke waard en robústere micellêre netwurken generearre waarden. Systematyske sâlttafoeging modulearre kopgroep-kopgroep-ôfstjit, wat de morfologyske evolúsje fan aparte micellen nei langwerpige, wjirmfoarmige aggregaten oandreaun hat. Nul-skuorviskositeiten lieten ûnderskate maksima sjen by krityske sâlt-oant-surfaktantferhâldingen (R), wat de yngewikkelde lykwicht tusken elektrostatyske dûbellaachscreening en micellêre ferlinging markearre. DWS-mikroreology befêstige dizze makroskopyske waarnimmings, en ûntbleate ûnderskate Maxwelliaanske spektra by R ≥ 1, yn oerienstimming mei reptaasje-dominearre brek-rekombinaasjemeganismen. It is opmerklik dat de ferstrengeling- en persistinsjelingten relatyf invariant bleaunen mei ionsterkte, wylst de kontoerlingte sterke korrelaasjes liet sjen mei nul-skuorviskositeit. Dizze befiningen beklamje de krityske rol fan micellêre ferlinging en termodynamyske synergie by it regeljen fan floeistofviskoelastisiteit, en leverje in ramt foar it ûntwikkeljen fan hege prestaasjes sulfaatfrije surfactants fia krekte kontrôle fan ladingstichtens, gearstalling en ionyske omstannichheden.
Grafyske Abstrakt
Ynlieding
Wetterige binêre surfactantsystemen mei tsjinoersteld laden soarten wurde breed brûkt yn ferskate yndustriële sektoaren, ynklusyf kosmetika, farmaseutika, agrochemicals en fiedingsferwurkingsyndustry. De wiidfersprate oannimmen fan dizze systemen wurdt primêr taskreaun oan har superieure ynterfaciale en reologyske funksjonaliteiten, dy't ferbettere prestaasjes yn ferskate formulearringen mooglik meitsje. De synergistyske selsassemblaazje fan sokke surfactants yn wjirmfoarmige, ferstripte aggregaten jout tige ynstelbere makroskopyske eigenskippen, ynklusyf ferhege viskositeit en fermindere ynterfaciale spanning. Yn it bysûnder litte kombinaasjes fan anionyske en zwitterionyske surfactants synergistyske ferbetteringen sjen yn oerflakaktiviteit, viskositeit en modulaasje fan ynterfaciale spanning. Dizze gedrach ûntsteane út yntinsive elektrostatyske en steryske ynteraksjes tusken de poalkopgroepen en hydrofobe sturten fan 'e surfactants, yn tsjinstelling ta systemen mei ien surfactant, wêr't ôfstjittende elektrostatyske krêften faak prestaasjesoptimalisaasje beheine.
Cocamidopropyl betaïne (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) is in breed brûkte amfotere surfactant yn kosmetyske formulearrings fanwegen syn mylde reinigingseffektiviteit en hierfersoargjende eigenskippen. De zwitterionyske aard fan CAPB makket elektrostatyske synergie mei anionyske surfactants mooglik, wêrtroch't de skomstabiliteit ferbettere wurdt en superieure formulearringsprestaasjes befoardere wurde. Yn 'e ôfrûne fiif desennia binne CAPB-mingsels mei surfactants op basis fan sulfaat, lykas CAPB-natriumlaurylethersulfaat (SLES), fûneminteel wurden yn persoanlike fersoargingsprodukten. Nettsjinsteande de effektiviteit fan surfactants op basis fan sulfaat, hawwe soargen oer har potinsjeel foar hûdirritaasje en de oanwêzigens fan 1,4-dioxaan, in byprodukt fan it etoxylaasjeproses, de belangstelling foar sulfaatfrije alternativen oandreaun. Taseine kandidaten omfetsje surfactants op basis fan aminosoeren, lykas tauraten, sarkosinaten en glutamaten, dy't ferbettere biokompatibiliteit en myldere eigenskippen sjen litte [9]. Dochs hinderje de relatyf grutte poalkopgroepen fan dizze alternativen faak de foarming fan sterk ferstripte micellêre struktueren, wêrtroch it gebrûk fan reologyske modifiers needsaaklik is.
Natriummethylkokoyltauraat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) is in anionyske surfactant dy't synthetisearre wurdt as in natriumsâlt fia amidekoppeling fan N-methyltaurine (2-methylaminoethansulfonzuur) mei in fan kokosnoot ôflaat fetsoerketen. SMCT hat in amide-keppele taurinekopgroep neist in sterk anionyske sulfonaatgroep, wêrtroch't it bio-ôfbrekber en kompatibel is mei de pH-wearde fan 'e hûd, wat it in beloftefolle kandidaat foar sulfaatfrije formulearringen posysjonearret. Tauraatsurfactanten wurde karakterisearre troch har krêftige reinigingsfermogen, hurdwetterbestendigheid, myldens en brede pH-stabiliteit.
Reologyske parameters, ynklusyf skuorviskositeit, visko-elastyske moduli en rekspanning, binne kritysk by it bepalen fan 'e stabiliteit, tekstuer en prestaasjes fan produkten op basis fan surfactants. Bygelyks, ferhege skuorviskositeit kin de behâld fan it substraat ferbetterje, wylst rekspanning de oanhing fan 'e formulearring oan hûd of hier nei tapassing bepaalt. Dizze makroskopyske reologyske eigenskippen wurde modulearre troch ferskate faktoaren, ynklusyf surfactant-konsintraasje, pH, temperatuer en de oanwêzigens fan ko-oplosmiddels of tafoegings. Tsjinoersteld laden surfactants kinne ferskate mikrostrukturele oergongen ûndergean, fariearjend fan sferyske micellen en fesikels oant floeibere kristallijne fazen, dy't op har beurt de bulkreology djip beynfloedzje. Mingsels fan amfotere en anionyske surfactants foarmje faak langwerpige wjirmfoarmige micellen (WLM's), dy't de viskoelastyske eigenskippen signifikant ferbetterje. It begripen fan 'e relaasjes tusken mikrostruktuer en eigenskippen is dêrom kritysk foar it optimalisearjen fan produktprestaasjes.
Tal fan eksperimintele stúdzjes hawwe analoge binêre systemen ûndersocht, lykas CAPB-SLES, om de mikrostrukturele basis fan har eigenskippen te ferdúdlikjen. Bygelyks, Mitrinova et al. [13] korrelearren micellegrutte (hydrodynamyske radius) mei oplossingsviskositeit yn CAPB-SLES-medium-chain co-surfactant-mingsels mei help fan rheometry en dynamyske ljochtfersprieding (DLS). Mechanyske rheometry jout ynsjoch yn 'e mikrostrukturele evolúsje fan dizze mingsels en kin wurde fergrutte troch optyske mikroreology mei help fan diffúsjende wellespektroskopie (DWS) dy't it tagonklike frekwinsjedomein útwreidet, en koarte-tiidskaaldynamika fêstleit dy't benammen relevant is foar WLM-relaksaasjeprosessen. Yn DWS-mikroreology wurdt de gemiddelde kwadraatferpleatsing fan ynbêde kolloïdale probes oer de tiid folge, wêrtroch't lineêre viskoelastyske moduli fan it omlizzende medium kinne wurde ekstrahearre fia de generalisearre Stokes-Einstein-relaasje. Dizze technyk fereasket allinich minimale samplevoluminten en is dus foardielich foar it bestudearjen fan komplekse floeistoffen mei beheinde beskikberens fan materiaal, bygelyks formulearringen op basis fan proteïne. Analyse fan < Δr²(t)> gegevens oer brede frekwinsjespektra makket it mooglik om micellêre parameters lykas gaasgrutte, ferstrengelingslingte, persistinsjelingte en kontoerlingte te skatten. Amin et al. hawwe oantoand dat CAPB-SLES-mingsels oerienkomme mei foarsizzingen út 'e teory fan Cates, en in útsprutsen tanimming fan viskositeit sjen litte mei sâlttafoeging oant in krityske sâltkonsintraasje, wêrnei't de viskositeit skerp sakket - in typyske reaksje yn WLM-systemen. Xu en Amin brûkten meganyske rheometry en DWS om SLES-CAPB-CCB-mingsels te ûndersykjen, en lieten in Maxwelliaanske rheologyske reaksje sjen dy't oanjout op ferstrenge WLM-foarming, wat fierder befestige waard troch mikrostrukturele parameters ôflaat fan 'e DWS-mjittingen. Bouwend op dizze metodologyen yntegreart de hjoeddeiske stúdzje meganyske rheometry en DWS-mikroreology om te ferdúdlikjen hoe't mikrostrukturele reorganisaasjes it skuorgedrach fan CAPB-SMCT-mingsels oandriuwe.
Yn it ljocht fan 'e tanimmende fraach nei sêftere en duorsumer reinigingsmiddels, hat it ûndersyk nei sulfaatfrije anionyske surfactants momentum krigen nettsjinsteande formulearringsútdagings. De ûnderskate molekulêre arsjitektueren fan sulfaatfrije systemen jouwe faak ferskillende reologyske profilen, wat konvinsjonele strategyen foar viskositeitsferbettering komplisearret, lykas fia sâlt of polymearyske verdikking. Bygelyks, Yorke et al. ûndersochten net-sulfaatalternativen troch systematysk de skomjende en reologyske eigenskippen fan binêre en ternaire surfactantmingsels mei alkylolefinesulfonaat (AOS), alkylpolyglucoside (APG) en laurylhydroxysultaïne te ûndersykjen. In 1:1 ferhâlding fan AOS-sultaïne liet skuorferdunning en skomkarakteristiken sjen dy't fergelykber binne mei CAPB-SLES, wat oanjout op WLM-foarming. Rajput et al. [26] evaluearren in oare sulfaatfrije anionyske surfactant, natriumkokoylglycinaat (SCGLY), neist net-ionyske ko-surfaktanten (kokamidediethanolamine en laurylglucoside) fia DLS, SANS en rheometry. Hoewol SCGLY allinnich foaral sferyske micellen foarme, makke de tafoeging fan ko-surfaktant de konstruksje fan mear yngewikkelde micellêre morfologyen mooglik, dy't gefoelich binne foar pH-oandreaune modulaasje.
Nettsjinsteande dizze foarútgong hawwe relatyf pear ûndersiken har rjochte op 'e reologyske eigenskippen fan duorsume sulfaatfrije systemen dy't CAPB en tauraten omfetsje. Dizze stúdzje hat as doel dizze gat te foljen troch ien fan 'e earste systematyske reologyske karakterisaasjes fan it binêre systeem CAPB-SMCT te jaan. Troch systematysk de gearstalling fan surfactants, pH en ionsterkte te fariearjen, ferdúdlikje wy de faktoaren dy't de skuorviskositeit en viskoelastisiteit regelje. Mei help fan meganyske rheometry en DWS-mikroreology kwantifisearje wy de mikrostrukturele reorganisaasjes dy't ûnderlizze oan it skuorgedrach fan CAPB-SMCT-mingsels. Dizze befiningen ferdúdlikje de ynteraksje tusken pH, CAPB-SMCT-ferhâlding en ionnivo's by it befoarderjen of ynhibearjen fan WLM-foarming, en biede dêrmei praktyske ynsjoch yn it oanpassen fan 'e reologyske profilen fan duorsume produkten op basis fan surfactants foar ferskate yndustriële tapassingen.
Pleatsingstiid: 5 augustus 2025