Nodweddu dynameg rheolegol cymysgeddau syrffactydd di-sylffad o cocamidopropyl betaine-sodiwm methyl cocoyl taurate ar draws cyfansoddiad, pH, ac amodau ïonig

Cyflwyniad

Defnyddir systemau syrffactyddion deuaidd dyfrllyd sy'n cynnwys rhywogaethau â gwefr gyferbyniol yn helaeth ar draws nifer o sectorau diwydiannol, gan gynnwys colur, fferyllol, agrogemegau, a diwydiannau prosesu bwyd. Priodolir mabwysiadu eang y systemau hyn yn bennaf i'w swyddogaethau rhyngwynebol a rheolegol uwchraddol, sy'n galluogi perfformiad gwell mewn fformwleiddiadau amrywiol. Mae hunan-gydosod synergaidd y syrffactyddion hyn yn agregau tebyg i fwydod, wedi'u clymu yn rhoi priodweddau macrosgopig hynod diwniadwy, gan gynnwys gludedd cynyddol a thensiwn rhyngwynebol is. Yn benodol, mae cyfuniadau o syrffactyddion anionig a zwitterionig yn arddangos gwelliannau synergaidd mewn gweithgaredd arwyneb, gludedd, a modiwleiddio tensiwn rhyngwynebol. Mae'r ymddygiadau hyn yn deillio o ryngweithiadau electrostatig a sterig dwysáu rhwng y grwpiau pen pegynol a chynffonau hydroffobig y syrffactyddion, gan gyferbynnu â systemau un syrffactydd, lle mae grymoedd electrostatig gwrthyrrol yn aml yn cyfyngu ar optimeiddio perfformiad.

Mae cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) yn syrffactydd amffoterig a ddefnyddir yn helaeth mewn fformwleiddiadau cosmetig oherwydd ei effeithiolrwydd glanhau ysgafn a'i briodweddau cyflyru gwallt. Mae natur zwitterionig CAPB yn galluogi synergedd electrostatig â syrffactyddion anionig, gan wella sefydlogrwydd ewyn a hyrwyddo perfformiad fformwleiddiad uwch. Dros y pum degawd diwethaf, mae cymysgeddau CAPB â syrffactyddion sy'n seiliedig ar sylffad, fel CAPB–sodiwm lauryl ether sylffad (SLES), wedi dod yn hanfodol mewn cynhyrchion gofal personol. Fodd bynnag, er gwaethaf effeithiolrwydd syrffactyddion sy'n seiliedig ar sylffad, mae pryderon ynghylch eu potensial llid croenol a phresenoldeb 1,4-diocsan, sgil-gynnyrch y broses ethocsyleiddio, wedi ysgogi diddordeb mewn dewisiadau amgen di-sylffad. Mae ymgeiswyr addawol yn cynnwys syrffactyddion sy'n seiliedig ar asidau amino, fel tawradau, sarcosinadau, a glwtamatau, sy'n arddangos biogydnawsedd gwell a phriodweddau ysgafnach [9]. Serch hynny, mae grwpiau pen pegynol cymharol fawr y dewisiadau amgen hyn yn aml yn rhwystro ffurfio strwythurau micellar sydd wedi'u clymu'n fawr, gan olygu bod angen defnyddio addaswyr rheolegol.

Sodiwm methyl cocoyl tawrad (SMCT; SMILES:
Mae CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) yn syrffactydd anionig sy'n cael ei syntheseiddio fel halen sodiwm trwy gyplu amid o N-methyltaurin (asid 2-methylaminoethanesulfonig) â chadwyn asid brasterog sy'n deillio o gnau coco. Mae gan SMCT grŵp pen taurin sy'n gysylltiedig ag amid ochr yn ochr â grŵp sylffonad anionig cryf, gan ei wneud yn fioddiraddadwy ac yn gydnaws â pH y croen, sy'n ei osod fel ymgeisydd addawol ar gyfer fformwleiddiadau heb sylffad. Nodweddir syrffactyddion taurad gan eu glanedydd cryf, eu gwydnwch dŵr caled, eu ysgafnder, a'u sefydlogrwydd pH eang.

Mae paramedrau rheolegol, gan gynnwys gludedd cneifio, modiwlau fiscoelastig, a straen cynnyrch, yn hanfodol wrth bennu sefydlogrwydd, gwead a pherfformiad cynhyrchion sy'n seiliedig ar syrffactyddion. Er enghraifft, gall gludedd cneifio uchel wella cadw swbstrad, tra bod straen cynnyrch yn llywodraethu adlyniad y fformiwla i groen neu wallt ar ôl ei gymhwyso. Mae'r priodoleddau rheolegol macrosgopig hyn yn cael eu modiwleiddio gan nifer o ffactorau, gan gynnwys crynodiad syrffactydd, pH, tymheredd, a phresenoldeb cyd-doddyddion neu ychwanegion. Gall syrffactyddion â gwefr gyferbyniol fynd trwy drawsnewidiadau microstrwythurol amrywiol, yn amrywio o fiselau a fesiglau sfferig i gyfnodau crisialog hylifol, sydd, yn eu tro, yn effeithio'n ddwfn ar y rheoleg swmp. Mae cymysgeddau o syrffactyddion amffoterig ac anionig yn aml yn ffurfio fiselau hirgul tebyg i fwydod (WLMs), sy'n gwella priodweddau fiscoelastig yn sylweddol. Felly, mae deall y berthnasoedd microstrwythur-priodwedd yn hanfodol ar gyfer optimeiddio perfformiad cynnyrch.

Mae nifer o astudiaethau arbrofol wedi ymchwilio i systemau deuaidd analog, fel CAPB–SLES, i egluro sail microstrwythurol eu priodweddau. Er enghraifft, roedd Mitrinova et al. [13] yn cydberthyn maint micelle (radiws hydrodynamig) â gludedd hydoddiant mewn cymysgeddau cyd-syrffactydd cadwyn ganolig CAPB–SLES gan ddefnyddio rheometreg a gwasgariad golau deinamig (DLS). Mae rheometreg fecanyddol yn rhoi cipolwg ar esblygiad microstrwythurol y cymysgeddau hyn a gellir ei gynyddu gan ficrorheoleg optegol gan ddefnyddio sbectrosgopeg tonnau tryledu (DWS) sy'n ymestyn y parth amledd hygyrch, gan ddal deinameg amser byr sy'n arbennig o berthnasol i brosesau ymlacio WLM. Mewn microrheoleg DWS, mae dadleoliad sgwâr cymedrig chwiliedydd coloidaidd mewnosodedig yn cael ei olrhain dros amser, gan alluogi echdynnu modiwlau fiscoelastig llinol y cyfrwng cyfagos trwy'r berthynas Stokes–Einstein gyffredinol. Dim ond cyfeintiau sampl lleiaf sydd eu hangen ar y dechneg hon ac felly mae'n fanteisiol ar gyfer astudio hylifau cymhleth gydag argaeledd deunydd cyfyngedig, e.e. fformwleiddiadau sy'n seiliedig ar brotein. Mae dadansoddi data < Δr²(t)> ar draws sbectrwm amledd eang yn hwyluso amcangyfrif paramedrau micellar megis maint y rhwyll, hyd y cydblethiad, hyd y parhad, a hyd y cyfuchlin. Dangosodd Amin et al fod cymysgeddau CAPB–SLES yn cydymffurfio â rhagfynegiadau o theori Cates, gan ddangos cynnydd amlwg mewn gludedd gydag ychwanegu halen nes cyrraedd crynodiad halen critigol, y tu hwnt i hynny mae'r gludedd yn gostwng yn sydyn—ymateb nodweddiadol mewn systemau WLM. Defnyddiodd Xu ac Amin reometreg fecanyddol a DWS i archwilio cymysgeddau SLES–CAPB–CCB, gan ddatgelu ymateb rheolegol Maxwellaidd sy'n dynodi ffurfio WLM cydblethedig, a gadarnhawyd ymhellach gan baramedrau microstrwythurol a gasglwyd o'r mesuriadau DWS. Gan adeiladu ar y methodolegau hyn, mae'r astudiaeth gyfredol yn integreiddio rheometreg fecanyddol a microrheoleg DWS i egluro sut mae ad-drefniadau microstrwythurol yn gyrru ymddygiad cneifio cymysgeddau CAPB–SMCT.

Yng ngoleuni'r galw cynyddol am asiantau glanhau mwy tyner a chynaliadwy, mae archwilio syrffactyddion anionig heb sylffad wedi ennill momentwm er gwaethaf heriau llunio. Mae pensaernïaeth foleciwlaidd gwahanol systemau heb sylffad yn aml yn cynhyrchu proffiliau rheolegol gwahanol, gan gymhlethu strategaethau confensiynol ar gyfer gwella gludedd megis trwy halen neu dewychu polymerig. Er enghraifft, archwiliodd Yorke et al. ddewisiadau amgen di-sylffad trwy ymchwilio'n systematig i briodweddau ewynnog a rheolegol cymysgeddau syrffactydd deuaidd a theraidd sy'n cynnwys sylffonad olefin alcyl (AOS), polyglucosid alcyl (APG), a lauryl hydroxysultain. Dangosodd cymhareb 1:1 o AOS–swltain deneuo cneifio a nodweddion ewyn tebyg i CAPB–SLES, gan ddangos ffurfio WLM. Gwerthusodd Rajput et al. [26] syrffactydd anionig heb sylffad arall, sodiwm cocoyl glycinate (SCGLY), ochr yn ochr â chyd-syrffactyddion an-ionig (cocamide diethanolamine a lauryl glucosid) trwy DLS, SANS, a rheometreg. Er bod SCGLY ar ei ben ei hun wedi ffurfio micelles sfferig yn bennaf, roedd ychwanegu cyd-syrffactydd yn galluogi adeiladu morffolegau micelar mwy cymhleth, sy'n addas ar gyfer modiwleiddio gan pH.

Er gwaethaf y datblygiadau hyn, ychydig iawn o ymchwiliadau sydd wedi targedu priodweddau rheolegol systemau cynaliadwy heb sylffad sy'n cynnwys CAPB a thawradau. Nod yr astudiaeth hon yw llenwi'r bwlch hwn trwy ddarparu un o'r nodweddion rheolegol systematig cyntaf o'r system ddeuaidd CAPB-SMCT. Trwy amrywio cyfansoddiad syrffactydd, pH, a chryfder ïonig yn systematig, rydym yn egluro'r ffactorau sy'n llywodraethu gludedd cneifio a gludedd-elastigedd. Gan ddefnyddio rheometreg fecanyddol a microrheoleg DWS, rydym yn meintioli'r ad-drefniadau microstrwythurol sy'n sail i ymddygiad cneifio cymysgeddau CAPB-SMCT. Mae'r canfyddiadau hyn yn egluro'r rhyngweithio rhwng pH, cymhareb CAPB-SMCT, a lefelau ïonig wrth hyrwyddo neu atal ffurfio WLM, a thrwy hynny gynnig mewnwelediadau ymarferol i deilwra proffiliau rheolegol cynhyrchion cynaliadwy sy'n seiliedig ar syrffactydd ar gyfer amrywiol gymwysiadau diwydiannol.