Menganalisis dinamika reologi campuran surfaktan bebas sulfat cocamidopropyl betaine-natrium metil kokoil taurat pada berbagai komposisi, pH, dan kondisi ionik.

Perkenalan

Sistem surfaktan biner berair yang terdiri dari spesies bermuatan berlawanan banyak digunakan di berbagai sektor industri, termasuk kosmetik, farmasi, agrokimia, dan industri pengolahan makanan. Adopsi luas sistem ini terutama disebabkan oleh fungsionalitas antarmuka dan reologi yang unggul, yang memungkinkan peningkatan kinerja dalam berbagai formulasi. Perakitan mandiri sinergis surfaktan tersebut menjadi agregat seperti cacing yang saling terkait memberikan sifat makroskopik yang sangat mudah disesuaikan, termasuk peningkatan viskoelastisitas dan pengurangan 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 sering membatasi optimasi kinerja.

Cocamidopropyl betaine (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) adalah surfaktan amfoterik yang banyak digunakan dalam formulasi kosmetik karena efektivitas pembersihannya yang lembut dan sifat pengkondisian rambutnya. 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-dioksana, produk sampingan dari proses etoksilasi, telah mendorong minat pada alternatif bebas sulfat. Kandidat yang menjanjikan meliputi surfaktan berbasis asam amino, seperti taurat, sarkosinat, dan glutamat, yang menunjukkan biokompatibilitas yang lebih baik dan sifat yang lebih lembut [9]. Namun demikian, gugus kepala polar yang relatif besar dari alternatif ini sering 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 kopling amida N-metiltaurin (asam 2-metilaminoetanesulfonat) dengan rantai asam lemak yang berasal dari kelapa. SMCT memiliki gugus kepala taurin yang terikat amida di samping gugus sulfonat yang sangat anionik, sehingga membuatnya mudah terurai secara hayati dan kompatibel dengan pH kulit, yang menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk formulasi bebas sulfat. Surfaktan taurat dicirikan oleh daya pembersihnya yang kuat, ketahanan terhadap air sadah, kelembutan, dan stabilitas pH yang luas.

Parameter reologi, termasuk viskositas geser, modulus viskoelastik, 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 lekat formulasi pada kulit atau rambut setelah aplikasi. Atribut reologi makroskopik ini dimodulasi oleh berbagai faktor, termasuk konsentrasi surfaktan, pH, suhu, dan keberadaan pelarut tambahan atau aditif. Surfaktan bermuatan berlawanan dapat mengalami beragam transisi mikrostruktural, 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 seperti cacing memanjang (WLM), yang secara signifikan meningkatkan sifat viskoelastik. Oleh karena itu, pemahaman tentang hubungan mikrostruktur-sifat sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja produk.

Banyak studi eksperimental telah menyelidiki sistem biner analog, seperti CAPB–SLES, untuk menjelaskan dasar mikrostruktural dari sifat-sifatnya. Misalnya, Mitrinova et al. [13] mengkorelasikan ukuran misel (jari-jari hidrodinamik) dengan viskositas larutan dalam campuran CAPB–SLES–surfaktan rantai menengah menggunakan reometri dan hamburan cahaya dinamis (DLS). Reometri mekanik memberikan wawasan tentang evolusi mikrostruktural campuran ini dan dapat ditingkatkan dengan mikrorheologi optik menggunakan spektroskopi gelombang difusi (DWS) yang memperluas domain frekuensi yang dapat diakses, menangkap dinamika skala waktu pendek yang sangat relevan dengan proses relaksasi WLM. Dalam mikrorheologi DWS, perpindahan kuadrat rata-rata dari probe koloid yang tertanam dilacak dari waktu ke waktu, memungkinkan ekstraksi modulus viskoelastik linier dari medium sekitarnya melalui hubungan Stokes–Einstein yang digeneralisasi. Teknik ini hanya membutuhkan volume sampel minimal dan karenanya menguntungkan untuk mempelajari cairan kompleks dengan ketersediaan material yang terbatas, misalnya formulasi berbasis protein. Analisis data < Δr²(t)> di seluruh spektrum frekuensi yang luas memfasilitasi estimasi parameter misel seperti ukuran jala, panjang keterikatan, 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 luar itu viskositas turun drastis—respons tipikal dalam sistem WLM. Xu dan Amin menggunakan reometri mekanik dan DWS untuk memeriksa campuran SLES–CAPB–CCB, mengungkapkan respons reologi Maxwellian yang menunjukkan pembentukan WLM yang terjerat, yang selanjutnya dikuatkan oleh parameter mikrostruktural yang disimpulkan dari pengukuran DWS. Berdasarkan metodologi ini, studi saat ini mengintegrasikan reometri mekanik dan mikrorheologi DWS untuk menjelaskan bagaimana reorganisasi mikrostruktural 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 sering menghasilkan profil reologi yang berbeda, yang mempersulit strategi konvensional untuk peningkatan viskositas seperti melalui pengentalan garam atau polimer. Misalnya, Yorke dkk. mengeksplorasi alternatif non-sulfat dengan secara sistematis menyelidiki sifat pembusaan dan reologi campuran surfaktan biner dan terner yang menampilkan alkil olefin sulfonat (AOS), alkil poliglukosida (APG), dan lauril hidroksisultain. Rasio 1:1 AOS–sultain menunjukkan karakteristik pengenceran geser dan busa yang mirip dengan CAPB–SLES, yang menunjukkan pembentukan WLM. Rajput dkk. [26] mengevaluasi surfaktan anionik bebas sulfat lainnya, natrium kokoil glisinat (SCGLY), bersama dengan ko-surfaktan nonionik (kokamida dietanolamin dan lauril glukosida) melalui DLS, SANS, dan reometri. Meskipun SCGLY saja sebagian besar membentuk misel bulat, penambahan ko-surfaktan memungkinkan pembentukan morfologi misel yang lebih rumit, yang dapat dimodulasi oleh pH.

Terlepas dari kemajuan ini, relatif sedikit penelitian yang menargetkan sifat reologi dari sistem bebas sulfat berkelanjutan yang melibatkan CAPB dan taurat. Studi ini bertujuan untuk mengisi celah ini dengan menyediakan salah satu karakterisasi reologi sistematis pertama dari sistem biner CAPB–SMCT. Dengan secara sistematis memvariasikan komposisi surfaktan, pH, dan kekuatan ionik, kami menjelaskan faktor-faktor yang mengatur viskositas geser dan viskoelastisitas. Menggunakan reometri mekanik dan mikrorheologi DWS, kami mengkuantifikasi reorganisasi mikrostruktural yang mendasari perilaku geser campuran CAPB–SMCT. Temuan ini menjelaskan interaksi antara pH, rasio CAPB–SMCT, dan tingkat ionik dalam mempromosikan atau menghambat pembentukan WLM, sehingga menawarkan wawasan praktis untuk menyesuaikan profil reologi produk berbasis surfaktan berkelanjutan untuk berbagai aplikasi industri.