توصيف الديناميكيات الريولوجية لمخاليط المواد الخافضة للتوتر السطحي الخالية من الكبريتات من كوكاميدوبروبيل بيتايين-ميثيل كوكويل تورات الصوديوم عبر التركيب والرقم الهيدروجيني والظروف الأيونية

مقدمة

تُستخدم أنظمة المواد الخافضة للتوتر السطحي الثنائية المائية، التي تتكون من أنواع ذات شحنات متعاكسة، على نطاق واسع في العديد من القطاعات الصناعية، بما في ذلك مستحضرات التجميل، والأدوية، والكيماويات الزراعية، وصناعات تجهيز الأغذية. ويُعزى انتشار هذه الأنظمة بشكل رئيسي إلى وظائفها السطحية والريولوجية المتفوقة، مما يُمكّن من تحسين الأداء في تركيبات متنوعة. يُضفي التجميع الذاتي التآزري لهذه المواد الخافضة للتوتر السطحي في تجمعات متشابكة شبيهة بالديدان خصائص عيانية قابلة للضبط بدرجة عالية، بما في ذلك زيادة اللزوجة المرنة وانخفاض التوتر السطحي. وعلى وجه الخصوص، تُظهر توليفات المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية والثنائية الأيونية تحسينات تآزرية في نشاط السطح، واللزوجة، وتعديل التوتر السطحي. تنشأ هذه السلوكيات من تفاعلات كهروستاتيكية ومكانية مكثفة بين مجموعات الرؤوس القطبية والذيول الكارهة للماء للمواد الخافضة للتوتر السطحي، على عكس أنظمة المواد الخافضة للتوتر السطحي المفردة، حيث غالبًا ما تُحد القوى الكهروستاتيكية التنافرية من تحسين الأداء.

كوكاميدوبروبيل بيتاين (CAPB؛ SMILES: CCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) هو مادة خافضة للتوتر السطحي أمفوتيرية تُستخدم على نطاق واسع في مستحضرات التجميل نظرًا لفعاليتها في التنظيف المعتدل وخصائصها في ترطيب الشعر. تُمكّن الطبيعة الثنائية الأيونات لـ CAPB من التآزر الكهروستاتيكي مع المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية، مما يعزز ثبات الرغوة ويعزز أداء التركيبة المتفوق. على مدى العقود الخمسة الماضية، أصبحت مخاليط CAPB مع المواد الخافضة للتوتر السطحي القائمة على الكبريتات، مثل CAPB-كبريتات لوريل إيثر الصوديوم (SLES)، أساسية في منتجات العناية الشخصية. ومع ذلك، على الرغم من فعالية المواد الخافضة للتوتر السطحي القائمة على الكبريتات، إلا أن المخاوف بشأن احتمالية تهيج الجلد ووجود 1,4-ديوكسان، وهو ناتج ثانوي لعملية الإيثوكسيل، قد دفعت إلى الاهتمام بالبدائل الخالية من الكبريتات. تشمل المواد المرشحة الواعدة مواد خافضة للتوتر السطحي قائمة على الأحماض الأمينية، مثل التورات والساركوزينات والغلوتامات، والتي تتميز بتوافق حيوي مُحسَّن وخصائص أكثر اعتدالًا [9]. ومع ذلك، فإن مجموعات الرؤوس القطبية الكبيرة نسبيًا لهذه البدائل غالبًا ما تعيق تكوين هياكل ميسيلارية شديدة التشابك، مما يستلزم استخدام مُعدّلات ريولوجية.

تورات كوكويل ميثيل الصوديوم (SMCT؛ SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) هو مادة فعالة سطحية أنيونية، تُصنّع كملح صوديوم عن طريق اقتران أميد لـ N-ميثيل تورين (حمض 2-ميثيل أمينو إيثان سلفونيك) مع سلسلة أحماض دهنية مشتقة من جوز الهند. يحتوي SMCT على مجموعة رأس تورين مرتبطة بالأميد إلى جانب مجموعة سلفونات أنيونية قوية، مما يجعله قابلاً للتحلل الحيوي ومتوافقًا مع درجة حموضة الجلد، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتركيبات الخالية من الكبريتات. تتميز مواد الفعالية السطحية التوراتية بقدرتها العالية على التنظيف، ومرونتها في المياه العسرة، ولطفها، وثباتها العالي لدرجة الحموضة.

تُعدُّ المعلمات الريولوجية، بما في ذلك لزوجة القص، ومعاملات اللزوجة المرنة، وإجهاد الخضوع، عوامل بالغة الأهمية في تحديد استقرار المنتجات القائمة على المواد الخافضة للتوتر السطحي وملمسها وأدائها. على سبيل المثال، يُمكن أن تُحسِّن لزوجة القص المرتفعة من ثبات الركيزة، بينما يُحدِّد إجهاد الخضوع التصاق التركيبة بالجلد أو الشعر بعد الاستخدام. تُعَدَّل هذه الخصائص الريولوجية العيانية بعوامل عديدة، بما في ذلك تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي، ودرجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، ووجود مذيبات أو إضافات مُصاحبة. يُمكن للمواد الخافضة للتوتر السطحي ذات الشحنات المتقابلة أن تخضع لتحولات مجهرية متنوعة، تتراوح من الميسيلات الكروية والحويصلات إلى الأطوار البلورية السائلة، والتي بدورها تُؤثِّر تأثيرًا بالغًا على ريولوجيا الكتلة. غالبًا ما تُشكِّل مخاليط المواد الخافضة للتوتر السطحي الأمفوتيرية والأنيونية ميسيلات دودية مُمدودة (WLMs)، مما يُحسِّن خصائص اللزوجة المرنة بشكل كبير. لذا، يُعدُّ فهم العلاقة بين البنية الدقيقة والخصائص أمرًا بالغ الأهمية لتحسين أداء المنتج.

لقد بحثت العديد من الدراسات التجريبية في أنظمة ثنائية مماثلة، مثل CAPB–SLES، لتوضيح الأساس المجهري لخصائصها. على سبيل المثال، ربط ميترينوفا وآخرون [13] حجم الميسيل (نصف القطر الهيدروديناميكي) بلزوجة المحلول في مخاليط CAPB–SLES–السطحي المشترك متوسط السلسلة باستخدام الريومترية وتشتت الضوء الديناميكي (DLS). يوفر الريومترية الميكانيكية نظرة ثاقبة على التطور المجهري لهذه المخاليط، ويمكن تعزيزها من خلال الريومترية الضوئية الدقيقة باستخدام مطيافية الموجة المنتشرة (DWS) التي توسع نطاق التردد المتاح، ملتقطةً ديناميكيات قصيرة المدى ذات صلة خاصة بعمليات استرخاء WLM. في الريومترية الدقيقة DWS، يتم تتبع متوسط الإزاحة التربيعية للمسبارات الغروانية المضمنة بمرور الوقت، مما يتيح استخراج وحدات اللزوجة المرنة الخطية للوسط المحيط عبر علاقة ستوكس-أينشتاين المعممة. تتطلب هذه التقنية أحجام عينات ضئيلة فقط وبالتالي فهي مفيدة لدراسة السوائل المعقدة ذات توافر المواد المحدود، مثل التركيبات القائمة على البروتين. يسهل تحليل بيانات <Δr²(t)> عبر أطياف التردد الواسعة تقدير معلمات الميسيلا مثل حجم الشبكة وطول التشابك وطول الثبات وطول المحيط. أظهر أمين وآخرون أن مخاليط CAPB-SLES تتوافق مع التنبؤات من نظرية كيتس، مما يدل على زيادة واضحة في اللزوجة مع إضافة الملح حتى تركيز ملح حرج، وبعد ذلك تنخفض اللزوجة بشكل حاد - وهي استجابة نموذجية في أنظمة WLM استخدم Xu و Amin القياس الميكانيكي للروماتيزم و DWS لفحص مخاليط SLES-CAPB-CCB، وكشفوا عن استجابة رومولوجية ماكسويلية تدل على تكوين WLM المتشابك، والتي تم تأكيدها بشكل أكبر من خلال المعلمات المجهرية المستنتجة من قياسات DWS. بناءً على هذه المنهجيات، تدمج الدراسة الحالية القياس الميكانيكي للروماتيزم وعلم الروماتيزم الدقيق DWS لتوضيح كيفية قيادة عمليات إعادة التنظيم البنيوي الدقيق لسلوك القص لمخاليط CAPB–SMCT.

في ضوء الطلب المتزايد على عوامل تنظيف ألطف وأكثر استدامة، اكتسب استكشاف المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية الخالية من الكبريتات زخمًا كبيرًا على الرغم من تحديات صياغتها. غالبًا ما تُسفر البنيات الجزيئية المتميزة للأنظمة الخالية من الكبريتات عن أنماط ريولوجية متباينة، مما يُعقّد الاستراتيجيات التقليدية لتعزيز اللزوجة، مثل استخدام الملح أو التكثيف البوليمري. على سبيل المثال، استكشف يورك وآخرون بدائل غير كبريتية من خلال دراسة منهجية لخصائص الرغوة والريولوجية لمخاليط المواد الخافضة للتوتر السطحي الثنائية والثلاثية التي تحتوي على ألكيل أوليفين سلفونات (AOS)، وألكيل بولي غلوكوزيد (APG)، ولوريل هيدروكسي سولتين. أظهرت نسبة 1:1 من AOS-سولتين خصائص ترقق القص ورغوة تُشبه خصائص CAPB-SLES، مما يُشير إلى تكوين WLM. راجبوت وآخرون. [26] قيّموا مادة خافضة للتوتر السطحي أنيونية أخرى خالية من الكبريتات، وهي كوكويل جليسينات الصوديوم (SCGLY)، إلى جانب مواد خافضة للتوتر السطحي غير أيونية (كوكاميد ثنائي إيثانول أمين ولوريل جلوكوزيد) من خلال تقنية DLS وSANS وقياس الروماتيزم. على الرغم من أن SCGLY وحده شكّل ميسيلات كروية في الغالب، إلا أن إضافة المادة الخافضة للتوتر السطحي مكّنت من بناء مورفولوجيات ميسيلاتية أكثر تعقيدًا، قابلة للتعديل بتأثير الرقم الهيدروجيني.

على الرغم من هذه التطورات، لم تُركز سوى دراسات قليلة نسبيًا على الخصائص الريولوجية للأنظمة المستدامة الخالية من الكبريتات التي تتضمن CAPB والتورات. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال تقديم أحد أوائل التوصيفات الريولوجية المنهجية للنظام الثنائي CAPB-SMCT. من خلال التغيير المنهجي لتركيب المواد الخافضة للتوتر السطحي، ودرجة الحموضة (pH)، والقوة الأيونية، نُوضح العوامل التي تُحدد لزوجة القص ومرونة اللزوجة. باستخدام قياس الروماتيزم الميكانيكي والريولوجيا الدقيقة DWS، نُحدد كميًا عمليات إعادة التنظيم المجهرية التي تُحدد سلوك القص لمخاليط CAPB-SMCT. تُوضح هذه النتائج التفاعل بين درجة الحموضة (pH)، ونسبة CAPB-SMCT، والمستويات الأيونية في تعزيز أو تثبيط تكوين WLM، مما يُقدم رؤى عملية لتصميم السمات الريولوجية للمنتجات المستدامة القائمة على المواد الخافضة للتوتر السطحي لتطبيقات صناعية متنوعة.