कोकामिडोप्रोपिल बेटाइन-सोडियम मिथाइल कोकोइल टॉरेटच्या सल्फेट-मुक्त सर्फॅक्टंट मिश्रणांच्या रचना, pH आणि आयनिक परिस्थितींमध्ये त्यांच्या रियोलॉजिकल गतिशीलतेचे वैशिष्ट्यीकरण करणे.

प्रस्तावना

विरुद्ध चार्ज असलेल्या प्रजातींचा समावेश असलेल्या जलीय बायनरी सर्फॅक्टंट प्रणालींचा वापर सौंदर्यप्रसाधने, औषधनिर्माण, कृषी रसायने आणि अन्न प्रक्रिया उद्योगांसह अनेक औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. या प्रणालींचा व्यापक स्वीकार प्रामुख्याने त्यांच्या उत्कृष्ट इंटरफेशियल (आंतरपृष्ठीय) आणि रिओलॉजिकल (प्रवाहशास्त्रीय) कार्यक्षमतेमुळे होतो, ज्यामुळे विविध फॉर्म्युलेशन्समध्ये (सूत्रांमध्ये) सुधारित कामगिरी शक्य होते. अशा सर्फॅक्टंट्सचे कृमीसारख्या, गुंतागुंतीच्या समूहांमध्ये होणारे सहक्रियात्मक स्व-संयोजन, वाढलेली व्हिस्कोइलास्टिसिटी (स्निग्ध-लवचिकता) आणि कमी झालेला इंटरफेशियल टेन्शन (आंतरपृष्ठीय तणाव) यांसारखे अत्यंत बदलण्यायोग्य मॅक्रोस्कोपिक (स्थूल) गुणधर्म प्रदान करते. विशेषतः, ॲनायनिक (ऋणायनी) आणि झ्विटरआयनिक (झ्विटरआयनिक) सर्फॅक्टंट्सचे संयोजन पृष्ठभागावरील क्रियाशीलता, स्निग्धता आणि इंटरफेशियल टेन्शन मॉड्युलेशनमध्ये सहक्रियात्मक सुधारणा दर्शवते. हे वर्तन सर्फॅक्टंट्सच्या पोलर (ध्रुवीय) हेड ग्रुप्स आणि हायड्रोफोबिक (जलविरोधी) टेल्समधील तीव्र इलेक्ट्रोस्टॅटिक (स्थिरविद्युत) आणि स्टेरिक (अवकाशीय) आंतरक्रियांमुळे उद्भवते, जे सिंगल-सर्फॅक्टंट प्रणालींच्या विरुद्ध आहे, जिथे प्रतिकारक इलेक्ट्रोस्टॅटिक शक्ती अनेकदा कामगिरीच्या ऑप्टिमायझेशनला (इष्टतमतेला) मर्यादित करतात.

कोकामिडोप्रोपिल बेटाइन (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) हे त्याच्या सौम्य स्वच्छता क्षमतेमुळे आणि केसांना कंडिशनिंग करण्याच्या गुणधर्मांमुळे सौंदर्यप्रसाधनांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे एक उभयधर्मी सर्फॅक्टंट आहे. CAPB चे झ्विटरआयनिक स्वरूप ॲनायनिक सर्फॅक्टंट्ससोबत इलेक्ट्रोस्टॅटिक सिनर्जी साधण्यास मदत करते, ज्यामुळे फेसची स्थिरता वाढते आणि फॉर्म्युलेशनची उत्कृष्ट कामगिरी होते. गेल्या पाच दशकांमध्ये, CAPB-सोडियम लॉरिल इथर सल्फेट (SLES) सारख्या सल्फेट-आधारित सर्फॅक्टंट्ससोबतची CAPB ची मिश्रणे वैयक्तिक काळजी उत्पादनांमध्ये (personal care products) मूलभूत बनली आहेत. तथापि, सल्फेट-आधारित सर्फॅक्टंट्सच्या प्रभावीतेनंतरही, त्यांच्यामुळे त्वचेला होणाऱ्या संभाव्य जळजळीबद्दल आणि इथॉक्सिलेशन प्रक्रियेचा उप-उत्पादक असलेल्या १,४-डायऑक्सेनच्या उपस्थितीबद्दलच्या चिंतांमुळे सल्फेट-मुक्त पर्यायांमध्ये रस वाढला आहे. आश्वासक उमेदवारांमध्ये अमिनो-अ‍ॅसिड-आधारित सर्फॅक्टंट्सचा समावेश आहे, जसे की टॉरेट्स, सार्कोसिनेट्स आणि ग्लूटामेट्स, जे वर्धित जैवसुसंगतता आणि सौम्य गुणधर्म प्रदर्शित करतात [9]. तथापि, या पर्यायांचे तुलनेने मोठे ध्रुवीय हेड ग्रुप्स अनेकदा अत्यंत गुंतागुंतीच्या मायसेलर संरचनांच्या निर्मितीमध्ये अडथळा आणतात, ज्यामुळे रिओलॉजिकल मॉडिफायर्सचा वापर करणे आवश्यक होते.

सोडियम मिथाइल कोकोइल टॉरेट (एसएमसीटी; स्माइल्स:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) हे एक ॲनायोनिक सर्फॅक्टंट आहे, जे एन-मिथाइलटॉरिन (२-मिथाइलअमिनोइथेनसल्फॉनिक ॲसिड) आणि नारळापासून मिळवलेल्या फॅटी ॲसिड साखळीच्या अमाइड कपलिंगद्वारे सोडियम सॉल्ट म्हणून संश्लेषित केले जाते. SMCT मध्ये अमाइड-लिंक्ड टॉरिन हेडग्रुप आणि त्यासोबतच एक तीव्र ॲनायोनिक सल्फोनेट ग्रुप असतो, ज्यामुळे ते बायोडिग्रेडेबल आणि त्वचेच्या pH शी सुसंगत बनते, आणि यामुळेच ते सल्फेट-मुक्त फॉर्म्युलेशन्ससाठी एक आश्वासक पर्याय ठरते. टॉरेट सर्फॅक्टंट्स त्यांच्या प्रभावी डिटर्जन्सी, कठीण पाण्यातील प्रतिकारशक्ती, सौम्यता आणि विस्तृत pH स्थिरतेसाठी ओळखले जातात.

शियर व्हिस्कोसिटी, व्हिस्कोइलास्टिक मॉड्यूलाय आणि यील्ड स्ट्रेस यांसारखे रिओलॉजिकल पॅरामीटर्स, सर्फॅक्टंट-आधारित उत्पादनांची स्थिरता, पोत आणि कार्यक्षमता निश्चित करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहेत. उदाहरणार्थ, वाढलेली शियर व्हिस्कोसिटी सबस्ट्रेट रिटेंशन सुधारू शकते, तर यील्ड स्ट्रेस वापरानंतर त्वचेला किंवा केसांना फॉर्म्युलेशनच्या चिकटण्यावर नियंत्रण ठेवतो. हे मॅक्रोस्कोपिक रिओलॉजिकल गुणधर्म सर्फॅक्टंटची कॉन्सन्ट्रेशन, pH, तापमान आणि को-सॉल्व्हेंट्स किंवा अॅडिटिव्ह्जच्या उपस्थितीसह अनेक घटकांद्वारे नियंत्रित केले जातात. विरुद्ध चार्ज असलेले सर्फॅक्टंट्स गोलाकार मायसेल्स आणि वेसिकल्सपासून ते लिक्विड क्रिस्टलाइन टप्प्यांपर्यंत विविध सूक्ष्म-संरचनात्मक संक्रमणांमधून जाऊ शकतात, जे परिणामी, बल्क रिओलॉजीवर खोलवर परिणाम करतात. अँफोटेरिक आणि अॅनायोनिक सर्फॅक्टंट्सचे मिश्रण अनेकदा लांबट वर्मलाइक मायसेल्स (WLMs) तयार करते, जे व्हिस्कोइलास्टिक गुणधर्मांमध्ये लक्षणीय वाढ करतात. त्यामुळे, उत्पादनाची कार्यक्षमता ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी सूक्ष्म-संरचना-गुणधर्म संबंध समजून घेणे महत्त्वपूर्ण आहे.

त्यांच्या गुणधर्मांचा सूक्ष्म-संरचनात्मक आधार स्पष्ट करण्यासाठी, CAPB–SLES सारख्या अनुरूप द्वि-घटक प्रणालींचा अनेक प्रायोगिक अभ्यासांमध्ये तपास केला गेला आहे. उदाहरणार्थ, मिट्रिनोव्हा आणि सहकाऱ्यांनी [13] ऱ्हीओमेट्री आणि डायनॅमिक लाईट स्कॅटरिंग (DLS) वापरून CAPB–SLES–मध्यम-साखळी सह-सरफॅक्टंट मिश्रणांमध्ये मायसेलच्या आकाराचा (हायड्रोडायनॅमिक त्रिज्या) द्रावणाच्या स्निग्धतेशी सहसंबंध जोडला. यांत्रिक ऱ्हीओमेट्री या मिश्रणांच्या सूक्ष्म-संरचनात्मक उत्क्रांतीबद्दल अंतर्दृष्टी प्रदान करते आणि डिफ्यूजिंग वेव्ह स्पेक्ट्रोस्कोपी (DWS) वापरून ऑप्टिकल मायक्रोऱ्हीओलॉजीद्वारे ती वाढवता येते, जी उपलब्ध वारंवारता डोमेनचा विस्तार करते आणि विशेषतः WLM शिथिलता प्रक्रियांशी संबंधित अल्प-कालावधीतील गतिशीलता टिपते. DWS मायक्रोऱ्हीओलॉजीमध्ये, अंतर्भूत कोलाइडल प्रोब्सच्या सरासरी वर्ग विस्थापनाचा वेळेनुसार मागोवा घेतला जातो, ज्यामुळे सामान्यीकृत स्टोक्स-आइन्स्टाईन संबंधाद्वारे सभोवतालच्या माध्यमाचे रेषीय व्हिस्कोइलास्टिक मापांक काढणे शक्य होते. या तंत्रासाठी केवळ कमीतकमी नमुन्याच्या प्रमाणाची आवश्यकता असते आणि त्यामुळे मर्यादित सामग्री उपलब्ध असलेल्या जटिल द्रवांचा, उदा. प्रथिन-आधारित फॉर्म्युलेशन्सचा अभ्यास करण्यासाठी हे फायदेशीर आहे. विस्तृत वारंवारता स्पेक्ट्रममधील < Δr²(t)> डेटाच्या विश्लेषणाने मेश आकार, गुंतागुंतीची लांबी, सातत्य लांबी आणि कन्टूर लांबी यांसारख्या मायसेलर पॅरामीटर्सचा अंदाज लावणे सोपे होते. अमीन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी दाखवून दिले की CAPB–SLES मिश्रणे केट्सच्या सिद्धांताच्या अंदाजांशी सुसंगत आहेत, ज्यात एका विशिष्ट क्षार सांद्रतेपर्यंत मीठ टाकल्यावर स्निग्धतेत लक्षणीय वाढ दिसून येते, ज्यानंतर स्निग्धता झपाट्याने कमी होते—हा WLM प्रणालींमधील एक सामान्य प्रतिसाद आहे. शू आणि अमीन यांनी SLES–CAPB–CCB मिश्रणांची तपासणी करण्यासाठी मेकॅनिकल ऱ्हीओमेट्री आणि DWS चा वापर केला, ज्यातून गुंतागुंतीच्या WLM निर्मितीचे सूचक असलेला मॅक्सवेलियन ऱ्हीओलॉजिकल प्रतिसाद समोर आला, ज्याला DWS मापनांवरून अनुमानित केलेल्या सूक्ष्म-संरचनात्मक पॅरामीटर्सद्वारे अधिक पुष्टी मिळाली. या पद्धतींवर आधारित, प्रस्तुत अभ्यास CAPB–SMCT मिश्रणांच्या शियर वर्तनावर सूक्ष्म-संरचनात्मक पुनर्रचना कशा परिणाम करतात हे स्पष्ट करण्यासाठी मेकॅनिकल ऱ्हीओमेट्री आणि DWS मायक्रोऱ्हीओलॉजी यांचे एकत्रीकरण करतो.

अधिक सौम्य आणि अधिक टिकाऊ स्वच्छता घटकांच्या वाढत्या मागणीच्या पार्श्वभूमीवर, फॉर्म्युलेशनमधील आव्हाने असूनही सल्फेट-मुक्त ॲनिओनिक सर्फॅक्टंट्सच्या संशोधनाला गती मिळाली आहे. सल्फेट-मुक्त प्रणालींची विशिष्ट आण्विक रचना अनेकदा भिन्न रिओलॉजिकल प्रोफाइल देते, ज्यामुळे मीठ किंवा पॉलिमेरिक थिकनिंगद्वारे व्हिस्कोसिटी वाढवण्याच्या पारंपारिक पद्धती गुंतागुंतीच्या होतात. उदाहरणार्थ, यॉर्क आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी अल्काइल ओलेफिन सल्फोनेट (AOS), अल्काइल पॉलीग्लुकोसाइड (APG), आणि लॉरिल हायड्रॉक्सिसल्टेन यांचा समावेश असलेल्या बायनरी आणि टर्नरी सर्फॅक्टंट मिश्रणांच्या फोमिंग आणि रिओलॉजिकल गुणधर्मांचा पद्धतशीरपणे अभ्यास करून नॉन-सल्फेट पर्यायांचा शोध घेतला. AOS-सल्टेनच्या १:१ गुणोत्तराने CAPB-SLES सारखे शियर-थिनिंग आणि फोमचे गुणधर्म दर्शवले, जे WLM निर्मिती दर्शवते. राजपूत आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी... [26] ने DLS, SANS आणि ऱ्हीओमेट्रीद्वारे आणखी एका सल्फेट-मुक्त ॲनिओनिक सर्फॅक्टंट, सोडियम कोकोइल ग्लायसिनेट (SCGLY), चे नॉनआयनिक को-सर्फॅक्टंट्स (कोकामाइड डायइथेनॉलमाइन आणि लॉरिल ग्लुकोसाइड) सोबत मूल्यांकन केले. जरी एकट्याने SCGLY ने प्रामुख्याने गोलाकार मायसेल्स तयार केले, तरी को-सर्फॅक्टंटच्या समावेशामुळे अधिक गुंतागुंतीच्या मायसेलर मॉर्फोलॉजीची निर्मिती शक्य झाली, जी pH-चालित मॉड्युलेशनसाठी अनुकूल होती.

या प्रगतीनंतरही, CAPB आणि टॉरेट्सचा समावेश असलेल्या शाश्वत सल्फेट-मुक्त प्रणालींच्या रियोलॉजिकल गुणधर्मांवर तुलनेने कमी संशोधन झाले आहे. CAPB–SMCT द्विक प्रणालीचे पहिले पद्धतशीर रियोलॉजिकल वैशिष्ट्यीकरण सादर करून ही उणीव भरून काढण्याचा या अभ्यासाचा उद्देश आहे. सर्फॅक्टंटची रचना, pH आणि आयनिक सामर्थ्य यामध्ये पद्धतशीरपणे बदल करून, आम्ही शियर व्हिस्कोसिटी आणि व्हिस्कोइलास्टिसिटी नियंत्रित करणाऱ्या घटकांवर प्रकाश टाकतो. मेकॅनिकल रियोमेट्री आणि DWS मायक्रोरियोलॉजीचा वापर करून, आम्ही CAPB–SMCT मिश्रणांच्या शियर वर्तनामागे असलेल्या सूक्ष्म-संरचनात्मक पुनर्रचनांचे परिमाणीकरण करतो. हे निष्कर्ष WLM निर्मितीला प्रोत्साहन देण्यासाठी किंवा रोखण्यासाठी pH, CAPB–SMCT गुणोत्तर आणि आयनिक पातळ्या यांच्यातील परस्परसंबंध स्पष्ट करतात, ज्यामुळे विविध औद्योगिक उपयोगांसाठी शाश्वत सर्फॅक्टंट-आधारित उत्पादनांचे रियोलॉजिकल प्रोफाइल तयार करण्याकरिता व्यावहारिक अंतर्दृष्टी मिळते.