रचना, पीएच आणि आयनिक परिस्थितीत कोकामिडोप्रोपाइल बेटेन-सोडियम मिथाइल कोकोयल टॉरेटच्या सल्फेट-मुक्त सर्फॅक्टंट मिश्रणाच्या रिओलॉजिकल गतिशीलतेचे वैशिष्ट्यीकरण

परिचय

कॉस्मेटिक्स, फार्मास्युटिकल्स, अ‍ॅग्रोकेमिकल्स आणि फूड प्रोसेसिंग उद्योगांसह अनेक औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये विरुद्ध चार्ज केलेल्या प्रजातींचा समावेश असलेल्या जलीय बायनरी सर्फॅक्टंट सिस्टमचा मोठ्या प्रमाणात वापर केला जातो. या सिस्टमचा व्यापक वापर प्रामुख्याने त्यांच्या उत्कृष्ट इंटरफेशियल आणि रिओलॉजिकल फंक्शनॅलिटीजमुळे होतो, ज्यामुळे विविध फॉर्म्युलेशनमध्ये वाढलेली कार्यक्षमता शक्य होते. अशा सर्फॅक्टंट्सचे कृमीसारख्या, अडकलेल्या समुच्चयांमध्ये सहक्रियात्मक स्व-असेंब्ली केल्याने उच्च ट्यून करण्यायोग्य मॅक्रोस्कोपिक गुणधर्म मिळतात, ज्यामध्ये वाढलेली व्हिस्कोइलास्टिकिटी आणि कमी इंटरफेशियल टेन्शन समाविष्ट आहे. विशेषतः, अ‍ॅनिओनिक आणि झ्विटेरिओनिक सर्फॅक्टंट्सचे संयोजन पृष्ठभागाच्या क्रियाकलाप, स्निग्धता आणि इंटरफेशियल टेन्शन मॉड्युलेशनमध्ये सहक्रियात्मक सुधारणा दर्शविते. हे वर्तन ध्रुवीय डोके गट आणि सर्फॅक्टंट्सच्या हायड्रोफोबिक शेपटींमधील तीव्र इलेक्ट्रोस्टॅटिक आणि स्टेरिक परस्परसंवादातून उद्भवते, जे सिंगल-सर्फॅक्टंट सिस्टमच्या विपरीत आहे, जिथे तिरस्करणीय इलेक्ट्रोस्टॅटिक फोर्स अनेकदा कामगिरी ऑप्टिमायझेशन मर्यादित करतात.

कोकामिडोप्रोपिल बेटेन (CAPB; स्माईल: CCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) हे कॉस्मेटिक फॉर्म्युलेशनमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे अँफोटेरिक सर्फॅक्टंट आहे कारण त्याची सौम्य स्वच्छता कार्यक्षमता आणि केसांना कंडिशनिंग गुणधर्म आहेत. CAPB चे zwitterionic स्वरूप अॅनिओनिक सर्फॅक्टंट्ससह इलेक्ट्रोस्टॅटिक समन्वय सक्षम करते, फोम स्थिरता वाढवते आणि उत्कृष्ट फॉर्म्युलेशन कार्यप्रदर्शन वाढवते. गेल्या पाच दशकांमध्ये, CAPB-सोडियम लॉरिल इथर सल्फेट (SLES) सारख्या सल्फेट-आधारित सर्फॅक्टंट्ससह CAPB मिश्रण वैयक्तिक काळजी उत्पादनांमध्ये पायाभूत बनले आहे. तथापि, सल्फेट-आधारित सर्फॅक्टंट्सची प्रभावीता असूनही, त्यांच्या त्वचेच्या जळजळीच्या क्षमतेबद्दलच्या चिंता आणि इथॉक्सिलेशन प्रक्रियेचे उप-उत्पादन असलेल्या 1,4-डायऑक्सेनच्या उपस्थितीमुळे सल्फेट-मुक्त पर्यायांमध्ये रस निर्माण झाला आहे. आशादायक उमेदवारांमध्ये अमीनो-अ‍ॅसिड-आधारित सर्फॅक्टंट्स, जसे की टॉरेट्स, सारकोसिनेट्स आणि ग्लूटामेट्स यांचा समावेश आहे, जे वाढीव जैविक सुसंगतता आणि सौम्य गुणधर्म प्रदर्शित करतात [9]. तरीसुद्धा, या पर्यायांचे तुलनेने मोठे ध्रुवीय डोके गट अनेकदा अत्यंत गुंतागुंतीच्या मायसेलर संरचनांच्या निर्मितीमध्ये अडथळा आणतात, ज्यामुळे रिओलॉजिकल मॉडिफायर्सचा वापर आवश्यक होतो.

सोडियम मिथाइल कोकोयल टॉरेट (SMCT; स्माईल्स:
CCCCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) हे एक अ‍ॅनिओनिक सर्फॅक्टंट आहे जे नारळापासून मिळवलेल्या फॅटी अ‍ॅसिड साखळीसह एन-मिथाइलटॉरिन (२-मिथाइलअमिनोएथेनसल्फोनिक अ‍ॅसिड) च्या अमाइड कपलिंगद्वारे सोडियम मीठ म्हणून संश्लेषित केले जाते. SMCT मध्ये अ‍ॅनिओनिक सल्फोनेट गटासोबत अ‍ॅमाइड-लिंक्ड टॉरिन हेडग्रुप असतो, जो त्याला बायोडिग्रेडेबल बनवतो आणि त्वचेच्या pH शी सुसंगत बनवतो, ज्यामुळे ते सल्फेट-मुक्त फॉर्म्युलेशनसाठी एक आशादायक उमेदवार म्हणून स्थान देते. टॉरेट सर्फॅक्टंट्स त्यांच्या शक्तिशाली डिटर्जन्सी, कडक-पाणी लवचिकता, सौम्यता आणि व्यापक pH स्थिरतेद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत.

सर्फॅक्टंट-आधारित उत्पादनांची स्थिरता, पोत आणि कार्यक्षमता निश्चित करण्यासाठी शीअर व्हिस्कोसिटी, व्हिस्कोइलास्टिक मॉड्यूली आणि उत्पन्न ताण यासह रीओलॉजिकल पॅरामीटर्स महत्त्वपूर्ण आहेत. उदाहरणार्थ, वाढलेली शीअर व्हिस्कोसिटी सब्सट्रेट रिटेंशन सुधारू शकते, तर उत्पन्न ताण फॉर्म्युलेशनच्या त्वचेवर किंवा केसांना वापरल्यानंतर चिकटून राहण्याचे नियमन करते. हे मॅक्रोस्कोपिक रीओलॉजिकल गुणधर्म सर्फॅक्टंट एकाग्रता, पीएच, तापमान आणि सह-विद्रावक किंवा अॅडिटीव्हजची उपस्थिती यासह अनेक घटकांद्वारे नियंत्रित केले जातात. विरुद्ध चार्ज केलेले सर्फॅक्टंट गोलाकार मायसेल्स आणि वेसिकल्सपासून ते द्रव स्फटिकासारखे टप्प्यांपर्यंत विविध सूक्ष्म संरचनात्मक संक्रमणांमधून जाऊ शकतात, जे यामधून, बल्क रीओलॉजीवर खोलवर परिणाम करतात. अँफोटेरिक आणि अ‍ॅनिओनिक सर्फॅक्टंट्सचे मिश्रण बहुतेकदा लांबलचक वर्मसारखे मायसेल्स (WLMs) तयार करतात, जे व्हिस्कोइलास्टिक गुणधर्मांमध्ये लक्षणीय वाढ करतात. म्हणून, उत्पादन कामगिरी ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी सूक्ष्म संरचना-गुणधर्म संबंध समजून घेणे महत्वाचे आहे.

असंख्य प्रायोगिक अभ्यासांनी CAPB-SLES सारख्या समान बायनरी प्रणालींचा तपास केला आहे जेणेकरून त्यांच्या गुणधर्मांचा सूक्ष्म संरचनात्मक आधार स्पष्ट होईल. उदाहरणार्थ, मित्रिनोवा आणि इतर. [13] रिओमेट्री आणि डायनॅमिक लाइट स्कॅटरिंग (DLS) वापरून CAPB-SLES-मध्यम-साखळी सह-सर्फॅक्टंट मिश्रणांमध्ये द्रावण व्हिस्कोसिटीसह सहसंबंधित मायसेल आकार (हायड्रोडायनामिक त्रिज्या). यांत्रिक रिओमेट्री या मिश्रणांच्या सूक्ष्म संरचनात्मक उत्क्रांतीमध्ये अंतर्दृष्टी प्रदान करते आणि ऑप्टिकल मायक्रोरेओलॉजीद्वारे डिफ्यूजिंग वेव्ह स्पेक्ट्रोस्कोपी (DWS) वापरून वाढवता येते जे प्रवेशयोग्य वारंवारता डोमेन वाढवते, विशेषतः WLM विश्रांती प्रक्रियांशी संबंधित शॉर्ट-टाइमस्केल डायनॅमिक्स कॅप्चर करते. DWS मायक्रोरेओलॉजीमध्ये, एम्बेडेड कोलाइडल प्रोबचे सरासरी चौरस विस्थापन कालांतराने ट्रॅक केले जाते, ज्यामुळे सामान्यीकृत स्टोक्स-आइंस्टाईन संबंधाद्वारे आसपासच्या माध्यमाच्या रेषीय व्हिस्कोइलास्टिक मॉड्यूलीचे निष्कर्षण शक्य होते. या तंत्राला फक्त किमान नमुना खंडांची आवश्यकता असते आणि त्यामुळे मर्यादित सामग्री उपलब्धतेसह जटिल द्रवांचा अभ्यास करण्यासाठी फायदेशीर आहे, उदा. प्रथिने-आधारित फॉर्म्युलेशन. <Δr²(t)> डेटाचे ब्रॉड फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रामधील विश्लेषणामुळे मेष आकार, एंटँगलमेंट लांबी, पर्सिस्टन्स लांबी आणि कॉन्टूर लांबी यासारख्या मायसेलर पॅरामीटर्सचा अंदाज सुलभ होतो. अमीन आणि इतरांनी असे दाखवून दिले की CAPB-SLES मिश्रणे केट्सच्या सिद्धांतातील भाकितेशी जुळतात, ज्यामुळे मीठ जोडणीसह चिपचिपापनात लक्षणीय वाढ दिसून येते जोपर्यंत गंभीर मीठ एकाग्रता होत नाही, ज्याच्या पलीकडे स्निग्धता झपाट्याने कमी होते - WLM प्रणालींमध्ये एक सामान्य प्रतिसाद जू आणि अमीन यांनी SLES-CAPB-CCB मिश्रणांचे परीक्षण करण्यासाठी यांत्रिक रिओमेट्री आणि DWS चा वापर केला, ज्यामुळे मॅक्सवेलियन रिओलॉजिकल प्रतिसाद उघड झाला जो अडकलेल्या WLM निर्मितीचे सूचक आहे, ज्याला DWS मोजमापांमधून अनुमानित सूक्ष्म संरचनात्मक पॅरामीटर्सद्वारे आणखी पुष्टी मिळाली. या पद्धतींवर आधारित, सध्याचा अभ्यास यांत्रिक रिओमेट्री आणि DWS मायक्रोरेओलॉजी एकत्रित करतो जेणेकरून सूक्ष्म संरचनात्मक पुनर्रचना CAPB-SMCT मिश्रणांच्या कातरण्याच्या वर्तनाला कसे चालना देतात हे स्पष्ट होईल.

सौम्य आणि अधिक शाश्वत क्लींजिंग एजंट्सच्या वाढत्या मागणीच्या पार्श्वभूमीवर, फॉर्म्युलेशन आव्हानांना न जुमानता सल्फेट-मुक्त अ‍ॅनिओनिक सर्फॅक्टंट्सच्या शोधाला गती मिळाली आहे. सल्फेट-मुक्त प्रणालींच्या विशिष्ट आण्विक रचनांमुळे अनेकदा वेगवेगळे रिओलॉजिकल प्रोफाइल मिळतात, ज्यामुळे मीठ किंवा पॉलिमरिक जाड होणे यासारख्या स्निग्धता वाढविण्यासाठी पारंपारिक धोरणे गुंतागुंतीची होतात. उदाहरणार्थ, यॉर्क आणि इतरांनी अल्काइल ओलेफिन सल्फोनेट (AOS), अल्काइल पॉलीग्लुकोसाइड (APG) आणि लॉरिल हायड्रॉक्सीसुलटेन असलेल्या बायनरी आणि टर्नरी सर्फॅक्टंट मिश्रणांच्या फोमिंग आणि रिओलॉजिकल गुणधर्मांची पद्धतशीरपणे तपासणी करून नॉन-सल्फेट पर्यायांचा शोध लावला. AOS-सल्टेनच्या 1:1 गुणोत्तराने CAPB-SLES सारखी कातरणे-पातळ होणे आणि फोम वैशिष्ट्ये दर्शविली, जी WLM निर्मिती दर्शवते. राजपूत आणि इतर. [26] ने DLS, SANS आणि रिओमेट्री द्वारे नॉनिओनिक सह-सर्फॅक्टंट्स (कोकामाइड डायथेनॉलामाइन आणि लॉरिल ग्लुकोसाइड) सोबत आणखी एक सल्फेट-मुक्त अ‍ॅनिओनिक सर्फॅक्टंट, सोडियम कोकोयल ग्लाइसीनेट (SCGLY) चे मूल्यांकन केले. जरी SCGLY एकट्याने प्रामुख्याने गोलाकार मायसेल्स तयार केले असले तरी, सह-सर्फॅक्टंट जोडणीमुळे pH-चालित मॉड्युलेशनसाठी अनुकूल असलेल्या अधिक जटिल मायसेलर मॉर्फोलॉजीजचे बांधकाम सक्षम झाले.

या प्रगती असूनही, तुलनेने कमी तपासांनी CAPB आणि टॉरेट्सचा समावेश असलेल्या शाश्वत सल्फेट-मुक्त प्रणालींच्या रिओलॉजिकल गुणधर्मांना लक्ष्य केले आहे. या अभ्यासाचे उद्दिष्ट CAPB-SMCT बायनरी प्रणालीच्या पहिल्या पद्धतशीर रिओलॉजिकल वैशिष्ट्यांपैकी एक प्रदान करून ही पोकळी भरून काढणे आहे. सर्फॅक्टंट रचना, pH आणि आयनिक शक्तीमध्ये पद्धतशीरपणे बदल करून, आम्ही शीअर व्हिस्कोसिटी आणि व्हिस्कोइलास्टिसिटी नियंत्रित करणारे घटक स्पष्ट करतो. यांत्रिक रिओमेट्री आणि DWS मायक्रोरिओलॉजी वापरून, आम्ही CAPB-SMCT मिश्रणांच्या शीअर वर्तनाच्या अंतर्गत असलेल्या सूक्ष्म संरचनात्मक पुनर्रचनांचे प्रमाण मोजतो. हे निष्कर्ष WLM निर्मितीला प्रोत्साहन देण्यासाठी किंवा प्रतिबंधित करण्यासाठी pH, CAPB-SMCT गुणोत्तर आणि आयनिक पातळींमधील परस्परसंवाद स्पष्ट करतात, ज्यामुळे विविध औद्योगिक अनुप्रयोगांसाठी शाश्वत सर्फॅक्टंट-आधारित उत्पादनांच्या रिओलॉजिकल प्रोफाइल तयार करण्यासाठी व्यावहारिक अंतर्दृष्टी मिळते.