Mengkarakterisasi dinamika reologi campuran surfaktan bebas sulfat dari cocamidopropyl betaine-sodium methyl cocoyl taurate berdasarkan komposisi, pH, dan kondisi ionik

Perkenalan

Sistem surfaktan biner berair yang terdiri dari spesies bermuatan berlawanan banyak digunakan di berbagai sektor industri, termasuk industri kosmetik, farmasi, agrokimia, dan pengolahan makanan. Adopsi sistem ini secara luas terutama disebabkan oleh fungsionalitas antarmuka dan reologinya yang unggul, yang memungkinkan peningkatan kinerja dalam beragam formulasi. Perakitan mandiri yang sinergis dari surfaktan tersebut menjadi agregat yang terjerat seperti cacing memberikan sifat makroskopis yang sangat mudah diatur, termasuk peningkatan viskoelastisitas dan penurunan tegangan antarmuka. Secara khusus, kombinasi surfaktan anionik dan zwitterionik menunjukkan peningkatan sinergis dalam aktivitas permukaan, viskositas, dan modulasi tegangan antarmuka. Perilaku ini muncul dari interaksi elektrostatik dan sterik yang intensif antara gugus kepala polar dan ekor hidrofobik surfaktan, berbeda dengan sistem surfaktan tunggal, di mana gaya elektrostatik tolak-menolak seringkali membatasi optimalisasi kinerja.

Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) merupakan surfaktan amfoterik yang banyak digunakan dalam formulasi kosmetik karena efikasi pembersihannya yang ringan dan sifat pengondisian rambut. Sifat zwitterionik CAPB memungkinkan sinergi elektrostatik dengan surfaktan anionik, meningkatkan stabilitas busa dan mendorong kinerja formulasi yang unggul. Selama lima dekade terakhir, campuran CAPB dengan surfaktan berbasis sulfat, seperti CAPB–natrium lauril eter sulfat (SLES), telah menjadi dasar dalam produk perawatan pribadi. Namun, terlepas dari efektivitas surfaktan berbasis sulfat, kekhawatiran mengenai potensi iritasi kulit dan keberadaan 1,4-dioksan, produk sampingan dari proses etoksilasi, telah mendorong minat terhadap alternatif bebas sulfat. Kandidat yang menjanjikan termasuk surfaktan berbasis asam amino, seperti taurat, sarkosinat, dan glutamat, yang menunjukkan biokompatibilitas yang lebih baik dan sifat yang lebih ringan [9]. Namun demikian, gugus kepala polar yang relatif besar dari alternatif ini sering kali menghambat pembentukan struktur misel yang sangat kusut, sehingga memerlukan penggunaan pengubah reologi.

Natrium metil kokoil taurat (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) adalah surfaktan anionik yang disintesis sebagai garam natrium melalui penggabungan amida N-metiltaurin (asam 2-metilaminoetanasulfonat) dengan rantai asam lemak turunan kelapa. SMCT memiliki gugus kepala taurin yang terikat amida bersama gugus sulfonat anionik yang kuat, membuatnya terurai secara hayati dan kompatibel dengan pH kulit, yang menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk formulasi bebas sulfat. Surfaktan taurat dicirikan oleh deterjensi yang kuat, ketahanan terhadap air sadah, kelembutan, dan stabilitas pH yang luas.

Parameter reologi, termasuk viskositas geser, modulus viskoelastis, dan tegangan luluh, sangat penting dalam menentukan stabilitas, tekstur, dan kinerja produk berbasis surfaktan. Misalnya, viskositas geser yang tinggi dapat meningkatkan retensi substrat, sementara tegangan luluh mengatur daya rekat formulasi pada kulit atau rambut pasca-aplikasi. Atribut reologi makroskopis ini dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk konsentrasi surfaktan, pH, suhu, dan keberadaan ko-pelarut atau aditif. Surfaktan bermuatan berlawanan dapat mengalami beragam transisi mikrostruktur, mulai dari misel dan vesikel bulat hingga fase kristal cair, yang pada gilirannya, sangat memengaruhi reologi massal. Campuran surfaktan amfoterik dan anionik sering membentuk misel mirip cacing memanjang (WLM), yang secara signifikan meningkatkan sifat viskoelastis. Oleh karena itu, memahami hubungan mikrostruktur-sifat sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja produk.

Sejumlah studi eksperimental telah menyelidiki sistem biner analog, seperti CAPB–SLES, untuk menjelaskan dasar mikrostruktur propertinya. Misalnya, Mitrinova dkk. [13] mengorelasikan ukuran misel (jari-jari hidrodinamik) dengan viskositas larutan dalam campuran ko-surfaktan rantai menengah CAPB–SLES menggunakan rheometri dan hamburan cahaya dinamis (DLS). Rheometri mekanis memberikan wawasan tentang evolusi mikrostruktur campuran ini dan dapat ditambah dengan mikrorheologi optik menggunakan spektroskopi gelombang difusi (DWS) yang memperluas domain frekuensi yang dapat diakses, menangkap dinamika skala waktu pendek yang khususnya berkaitan dengan proses relaksasi WLM. Dalam mikrorheologi DWS, perpindahan kuadrat rata-rata dari probe koloid yang tertanam dilacak dari waktu ke waktu, memungkinkan ekstraksi modulus viskoelastis linear dari media di sekitarnya melalui hubungan Stokes–Einstein yang digeneralisasi. Teknik ini hanya memerlukan volume sampel minimal dan dengan demikian menguntungkan untuk mempelajari fluida kompleks dengan ketersediaan material terbatas, misalnya formulasi berbasis protein. Analisis data < Δr²(t)> di seluruh spektrum frekuensi yang luas memfasilitasi estimasi parameter misel seperti ukuran mesh, panjang belitan, panjang persistensi, dan panjang kontur. Amin dkk. menunjukkan bahwa campuran CAPB–SLES sesuai dengan prediksi dari teori Cates, menunjukkan peningkatan viskositas yang nyata dengan penambahan garam hingga konsentrasi garam kritis, di mana viskositas turun drastis—respons khas dalam sistem WLM Xu dan Amin menggunakan rheometri mekanis dan DWS untuk memeriksa campuran SLES–CAPB–CCB, mengungkapkan respons rheologi Maxwellian yang menunjukkan pembentukan WLM yang terbelit, yang selanjutnya diperkuat oleh parameter mikrostruktur yang disimpulkan dari pengukuran DWS. Berdasarkan metodologi ini, studi terkini mengintegrasikan rheometri mekanis dan mikrorheologi DWS untuk menjelaskan bagaimana reorganisasi mikrostruktur mendorong perilaku geser campuran CAPB–SMCT.

Mengingat meningkatnya permintaan akan agen pembersih yang lebih lembut dan berkelanjutan, eksplorasi surfaktan anionik bebas sulfat telah mendapatkan momentum meskipun terdapat tantangan formulasi. Arsitektur molekuler yang berbeda dari sistem bebas sulfat seringkali menghasilkan profil reologi yang berbeda, sehingga menyulitkan strategi konvensional untuk meningkatkan viskositas, seperti melalui pengentalan garam atau polimer. Misalnya, Yorke dkk. mengeksplorasi alternatif non-sulfat dengan menyelidiki secara sistematis sifat pembusaan dan reologi campuran surfaktan biner dan terner yang mengandung alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukosida (APG), dan lauril hidroksisultain. Rasio 1:1 AOS–sultain menunjukkan karakteristik penipisan geser dan busa yang mirip dengan CAPB–SLES, yang mengindikasikan pembentukan WLM. Rajput dkk. [26] mengevaluasi surfaktan anionik bebas sulfat lainnya, natrium kokoil glisinat (SCGLY), bersama ko-surfaktan nonionik (kokamida dietanolamina dan lauril glukosida) melalui DLS, SANS, dan rheometri. Meskipun SCGLY sendiri membentuk misel yang sebagian besar berbentuk bulat, penambahan ko-surfaktan memungkinkan pembentukan morfologi misel yang lebih rumit, yang dapat dimodulasi oleh pH.

Meskipun kemajuan ini, relatif sedikit penelitian yang menargetkan sifat reologi sistem bebas sulfat berkelanjutan yang melibatkan CAPB dan taurat. Studi ini bertujuan untuk mengisi kesenjangan ini dengan menyediakan salah satu karakterisasi reologi sistematis pertama dari sistem biner CAPB–SMCT. Dengan memvariasikan komposisi surfaktan, pH, dan kekuatan ion secara sistematis, kami menguraikan faktor-faktor yang mengatur viskositas geser dan viskoelastisitas. Dengan menggunakan rheometri mekanis dan mikrorheologi DWS, kami mengkuantifikasi reorganisasi mikrostruktur yang mendasari perilaku geser campuran CAPB–SMCT. Temuan ini menguraikan interaksi antara pH, rasio CAPB–SMCT, dan kadar ion dalam mendorong atau menghambat pembentukan WLM, sehingga menawarkan wawasan praktis dalam menyesuaikan profil reologi produk berbasis surfaktan berkelanjutan untuk beragam aplikasi industri.