રચના, pH અને આયનીય પરિસ્થિતિઓમાં કોકેમિડોપ્રોપીલ બેટેઈન-સોડિયમ મિથાઈલ કોકોયલ ટૌરેટના સલ્ફેટ-મુક્ત સર્ફેક્ટન્ટ મિશ્રણની રિઓલોજિકલ ગતિશીલતાનું લક્ષણ.

પરિચય

કોસ્મેટિક્સ, ફાર્માસ્યુટિકલ્સ, એગ્રોકેમિકલ્સ અને ફૂડ પ્રોસેસિંગ ઉદ્યોગો સહિત અનેક ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રોમાં જલીય દ્વિસંગી સર્ફેક્ટન્ટ સિસ્ટમ્સનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. આ સિસ્ટમોનો વ્યાપક ઉપયોગ મુખ્યત્વે તેમની શ્રેષ્ઠ ઇન્ટરફેસિયલ અને રિઓલોજિકલ કાર્યક્ષમતાઓને આભારી છે, જે વિવિધ ફોર્મ્યુલેશનમાં કાર્યક્ષમતા વધારવામાં સક્ષમ બનાવે છે. આવા સર્ફેક્ટન્ટ્સને કૃમિ જેવા, ફસાયેલા સમૂહોમાં સિનર્જિસ્ટિક સ્વ-એસેમ્બલી ખૂબ જ ટ્યુનેબલ મેક્રોસ્કોપિક ગુણધર્મો પ્રદાન કરે છે, જેમાં વધેલી વિસ્કોઇલાસ્ટીસીટી અને ઘટાડેલા ઇન્ટરફેસિયલ તણાવનો સમાવેશ થાય છે. ખાસ કરીને, એનિઓનિક અને ઝ્વિટેરોનિક સર્ફેક્ટન્ટ્સના સંયોજનો સપાટી પ્રવૃત્તિ, સ્નિગ્ધતા અને ઇન્ટરફેસિયલ ટેન્શન મોડ્યુલેશનમાં સિનર્જિસ્ટિક ઉન્નતીકરણ દર્શાવે છે. આ વર્તણૂકો ધ્રુવીય હેડ જૂથો અને સર્ફેક્ટન્ટ્સના હાઇડ્રોફોબિક પૂંછડીઓ વચ્ચે તીવ્ર ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક અને સ્ટીરિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓમાંથી ઉદ્ભવે છે, જે સિંગલ-સર્ફેક્ટન્ટ સિસ્ટમ્સથી વિપરીત છે, જ્યાં પ્રતિકૂળ ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક બળો ઘણીવાર પ્રદર્શન ઑપ્ટિમાઇઝેશનને મર્યાદિત કરે છે.

કોકામિડોપ્રોપીલ બેટેઈન (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) એ કોસ્મેટિક ફોર્મ્યુલેશનમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતું એમ્ફોટેરિક સર્ફેક્ટન્ટ છે જે તેની હળવી સફાઈ અસરકારકતા અને વાળ-કન્ડીશનિંગ ગુણધર્મોને કારણે છે. CAPB ની ઝ્વિટેરોનિક પ્રકૃતિ એનિઓનિક સર્ફેક્ટન્ટ્સ સાથે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક સિનર્જીને સક્ષમ બનાવે છે, ફોમ સ્થિરતા વધારે છે અને શ્રેષ્ઠ ફોર્મ્યુલેશન કામગીરીને પ્રોત્સાહન આપે છે. છેલ્લા પાંચ દાયકાઓમાં, CAPB-સોડિયમ લૌરીલ ઈથર સલ્ફેટ (SLES) જેવા સલ્ફેટ-આધારિત સર્ફેક્ટન્ટ્સ સાથે CAPB મિશ્રણો વ્યક્તિગત સંભાળ ઉત્પાદનોમાં પાયારૂપ બની ગયા છે. જો કે, સલ્ફેટ-આધારિત સર્ફેક્ટન્ટ્સની અસરકારકતા હોવા છતાં, તેમની ત્વચાની બળતરા ક્ષમતા અને ઇથોક્સિલેશન પ્રક્રિયાના આડપેદાશ 1,4-ડાયોક્સેનની હાજરી અંગેની ચિંતાઓએ સલ્ફેટ-મુક્ત વિકલ્પોમાં રસ જગાવ્યો છે. આશાસ્પદ ઉમેદવારોમાં એમિનો-એસિડ-આધારિત સર્ફેક્ટન્ટ્સ, જેમ કે ટૌરેટ્સ, સાર્કોસિનેટ્સ અને ગ્લુટામેટ્સનો સમાવેશ થાય છે, જે ઉન્નત બાયોકોમ્પેટિબિલિટી અને હળવા ગુણધર્મો દર્શાવે છે [9]. તેમ છતાં, આ વિકલ્પોના પ્રમાણમાં મોટા ધ્રુવીય વડા જૂથો ઘણીવાર ખૂબ જ ગૂંચવાયેલા માઇકેલર માળખાના નિર્માણમાં અવરોધ ઉભો કરે છે, જેના કારણે રિઓલોજિકલ મોડિફાયરનો ઉપયોગ જરૂરી બને છે.

સોડિયમ મિથાઈલ કોકોયલ ટૌરેટ (SMCT; સ્માઈલ્સ:
CCCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) એ એક એનિઓનિક સર્ફેક્ટન્ટ છે જે નારિયેળમાંથી મેળવેલા ફેટી એસિડ ચેઇન સાથે N-મિથાઈલટૌરિન (2-મિથાઈલામોનોઈથેનેસલ્ફોનિક એસિડ) ના એમાઈડ કપ્લીંગ દ્વારા સોડિયમ મીઠા તરીકે સંશ્લેષિત થાય છે. SMCT પાસે મજબૂત એનિઓનિક સલ્ફોનેટ જૂથની સાથે એમાઈડ-લિંક્ડ ટૌરિન હેડગ્રુપ છે, જે તેને બાયોડિગ્રેડેબલ અને ત્વચા pH સાથે સુસંગત બનાવે છે, જે તેને સલ્ફેટ-મુક્ત ફોર્મ્યુલેશન માટે આશાસ્પદ ઉમેદવાર તરીકે સ્થાન આપે છે. ટૌરેટ સર્ફેક્ટન્ટ્સ તેમની શક્તિશાળી ડિટરજન્સી, સખત-પાણી સ્થિતિસ્થાપકતા, નમ્રતા અને વ્યાપક pH સ્થિરતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે.

સર્ફેક્ટન્ટ-આધારિત ઉત્પાદનોની સ્થિરતા, પોત અને કામગીરી નક્કી કરવા માટે રિઓલોજિકલ પરિમાણો મહત્વપૂર્ણ છે. ઉદાહરણ તરીકે, એલિવેટેડ શીયર સ્નિગ્ધતા સબસ્ટ્રેટ રીટેન્શનમાં સુધારો કરી શકે છે, જ્યારે યીલ્ડ સ્ટ્રેસ એપ્લિકેશન પછી ત્વચા અથવા વાળ સાથે ફોર્મ્યુલેશનના જોડાણને નિયંત્રિત કરે છે. આ મેક્રોસ્કોપિક રિઓલોજિકલ ગુણધર્મો અસંખ્ય પરિબળો દ્વારા મોડ્યુલેટ કરવામાં આવે છે, જેમાં સર્ફેક્ટન્ટ સાંદ્રતા, pH, તાપમાન અને સહ-દ્રાવકો અથવા ઉમેરણોની હાજરીનો સમાવેશ થાય છે. વિરુદ્ધ ચાર્જ્ડ સર્ફેક્ટન્ટ્સ ગોળાકાર માઇસેલ્સ અને વેસિકલ્સથી લઈને પ્રવાહી સ્ફટિકીય તબક્કાઓ સુધીના વિવિધ માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ સંક્રમણોમાંથી પસાર થઈ શકે છે, જે બદલામાં, બલ્ક રિઓલોજીને ગંભીર અસર કરે છે. એમ્ફોટેરિક અને એનિઓનિક સર્ફેક્ટન્ટ્સના મિશ્રણો ઘણીવાર વિસ્તરેલ કૃમિ જેવા માઇસેલ્સ (WLMs) બનાવે છે, જે વિસ્કોએલાસ્ટિક ગુણધર્મોને નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. તેથી, ઉત્પાદન પ્રદર્શનને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર-પ્રોપર્ટી સંબંધોને સમજવું મહત્વપૂર્ણ છે.

અસંખ્ય પ્રાયોગિક અભ્યાસોએ CAPB-SLES જેવી સમાન દ્વિસંગી પ્રણાલીઓની તપાસ કરી છે, જેથી તેમના ગુણધર્મોના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ આધારને સ્પષ્ટ કરી શકાય. ઉદાહરણ તરીકે, મિટ્રિનોવા એટ અલ. [13] રિઓમેટ્રી અને ડાયનેમિક લાઇટ સ્કેટરિંગ (DLS) નો ઉપયોગ કરીને CAPB-SLES-મધ્યમ-સાંકળ સહ-સર્ફેક્ટન્ટ મિશ્રણમાં દ્રાવણ સ્નિગ્ધતા સાથે સહસંબંધિત માઇકેલ કદ (હાઇડ્રોડાયનેમિક ત્રિજ્યા). યાંત્રિક રિઓમેટ્રી આ મિશ્રણોના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ ઉત્ક્રાંતિમાં આંતરદૃષ્ટિ પ્રદાન કરે છે અને ડિફ્યુઝિંગ વેવ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (DWS) નો ઉપયોગ કરીને ઓપ્ટિકલ માઇક્રોરિયોલોજી દ્વારા વધારી શકાય છે જે સુલભ ફ્રીક્વન્સી ડોમેનને વિસ્તૃત કરે છે, ખાસ કરીને WLM રિલેક્સેશન પ્રક્રિયાઓ માટે સંબંધિત ટૂંકા-સમયના સ્કેલ ગતિશીલતાને કેપ્ચર કરે છે. DWS માઇક્રોરિયોલોજીમાં, એમ્બેડેડ કોલોઇડલ પ્રોબ્સના સરેરાશ ચોરસ વિસ્થાપનને સમય જતાં ટ્રેક કરવામાં આવે છે, જે સામાન્યકૃત સ્ટોક્સ-આઈન્સ્ટાઈન સંબંધ દ્વારા આસપાસના માધ્યમના રેખીય વિસ્કોએલાસ્ટિક મોડ્યુલીના નિષ્કર્ષણને સક્ષમ કરે છે. આ તકનીકને ફક્ત ન્યૂનતમ નમૂના વોલ્યુમની જરૂર છે અને તેથી મર્યાદિત સામગ્રી ઉપલબ્ધતાવાળા જટિલ પ્રવાહીનો અભ્યાસ કરવા માટે ફાયદાકારક છે, દા.ત. પ્રોટીન-આધારિત ફોર્મ્યુલેશન. <Δr²(t)> ડેટાનું વ્યાપક આવર્તન સ્પેક્ટ્રામાં વિશ્લેષણ મેશ કદ, ગૂંચવણ લંબાઈ, પર્સિસ્ટન્સ લંબાઈ અને સમોચ્ચ લંબાઈ જેવા માઇકેલર પરિમાણોના અંદાજને સરળ બનાવે છે. અમીન અને અન્ય લોકોએ દર્શાવ્યું કે CAPB-SLES મિશ્રણો કેટ્સના સિદ્ધાંતની આગાહીઓને અનુરૂપ છે, જેમાં મીઠાના ઉમેરા સાથે સ્નિગ્ધતામાં સ્પષ્ટ વધારો દર્શાવે છે જ્યાં સુધી મીઠાની સાંદ્રતામાં નિર્ણાયક વધારો ન થાય, જેનાથી આગળ સ્નિગ્ધતા ઝડપથી ઘટી જાય છે - WLM સિસ્ટમોમાં એક લાક્ષણિક પ્રતિભાવ ઝુ અને અમીને SLES-CAPB-CCB મિશ્રણોની તપાસ કરવા માટે યાંત્રિક રિઓમેટ્રી અને DWS નો ઉપયોગ કર્યો, જે ગૂંચવણભર્યા WLM રચનાના સૂચક મેક્સવેલિયન રિઓલોજિકલ પ્રતિભાવને છતી કરે છે, જે DWS માપનમાંથી અનુમાનિત માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ પરિમાણો દ્વારા વધુ સમર્થન આપવામાં આવ્યું હતું. આ પદ્ધતિઓ પર નિર્માણ કરીને, વર્તમાન અભ્યાસ યાંત્રિક રિઓમેટ્રી અને DWS માઇક્રોરિયોલોજીને એકીકૃત કરે છે જેથી સ્પષ્ટ થાય કે માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ પુનર્ગઠન CAPB-SMCT મિશ્રણોના શીયર વર્તનને કેવી રીતે ચલાવે છે.

હળવા અને વધુ ટકાઉ સફાઈ એજન્ટોની વધતી માંગને ધ્યાનમાં રાખીને, ફોર્મ્યુલેશન પડકારો છતાં સલ્ફેટ-મુક્ત એનિઓનિક સર્ફેક્ટન્ટ્સની શોધને વેગ મળ્યો છે. સલ્ફેટ-મુક્ત સિસ્ટમોના વિશિષ્ટ પરમાણુ સ્થાપત્ય ઘણીવાર અલગ અલગ રિઓલોજિકલ પ્રોફાઇલ્સ ઉત્પન્ન કરે છે, જે મીઠા અથવા પોલિમરીક જાડાપણું દ્વારા સ્નિગ્ધતા વધારવા માટેની પરંપરાગત વ્યૂહરચનાઓ જટિલ બનાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, યોર્ક એટ અલ. એલ્કિલ ઓલેફિન સલ્ફોનેટ (AOS), આલ્કિલ પોલીગ્લુકોસાઇડ (APG), અને લૌરીલ હાઇડ્રોક્સીસુલટેઇન ધરાવતા બાયનરી અને ટર્નરી સર્ફેક્ટન્ટ મિશ્રણના ફોમિંગ અને રિઓલોજિકલ ગુણધર્મોની વ્યવસ્થિત તપાસ કરીને બિન-સલ્ફેટ વિકલ્પોની શોધ કરી. AOS-સલ્ટેનના 1:1 ગુણોત્તરમાં CAPB-SLES જેવી શીયર-થિનિંગ અને ફોમ લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવવામાં આવી છે, જે WLM રચના સૂચવે છે. રાજપૂત એટ અલ. [26] એ DLS, SANS અને રિઓમેટ્રી દ્વારા નોનિયોનિક કો-સર્ફેક્ટન્ટ્સ (કોકામાઇડ ડાયથેનોલામાઇન અને લૌરીલ ગ્લુકોસાઇડ) ની સાથે બીજા સલ્ફેટ-મુક્ત એનિઓનિક સર્ફેક્ટન્ટ, સોડિયમ કોકોઇલ ગ્લાયસિનેટ (SCGLY) નું મૂલ્યાંકન કર્યું. જોકે SCGLY એકલા મુખ્યત્વે ગોળાકાર માઇસેલ્સ બનાવે છે, સહ-સર્ફેક્ટન્ટ ઉમેરાથી pH-સંચાલિત મોડ્યુલેશન માટે સક્ષમ વધુ જટિલ માઇસેલર મોર્ફોલોજીનું નિર્માણ શક્ય બન્યું.

આ પ્રગતિ છતાં, તુલનાત્મક રીતે ઓછી તપાસમાં CAPB અને ટૌરેટ્સનો સમાવેશ કરતી ટકાઉ સલ્ફેટ-મુક્ત સિસ્ટમોના રિઓલોજિકલ ગુણધર્મોને લક્ષ્ય બનાવવામાં આવ્યું છે. આ અભ્યાસનો હેતુ CAPB-SMCT દ્વિસંગી સિસ્ટમના પ્રથમ વ્યવસ્થિત રિઓલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓમાંથી એક પ્રદાન કરીને આ અંતર ભરવાનો છે. સર્ફેક્ટન્ટ રચના, pH અને આયનીય શક્તિને વ્યવસ્થિત રીતે બદલીને, અમે શીયર સ્નિગ્ધતા અને વિસ્કોઇલાસ્ટીસીટીને નિયંત્રિત કરતા પરિબળોને સ્પષ્ટ કરીએ છીએ. યાંત્રિક રિઓમેટ્રી અને DWS માઇક્રોરિયોલોજીનો ઉપયોગ કરીને, અમે CAPB-SMCT મિશ્રણના શીયર વર્તણૂક હેઠળના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ પુનર્ગઠનોનું પ્રમાણ નક્કી કરીએ છીએ. આ તારણો WLM રચનાને પ્રોત્સાહન આપવા અથવા અટકાવવામાં pH, CAPB-SMCT ગુણોત્તર અને આયનીય સ્તરો વચ્ચેના આંતરક્રિયાને સ્પષ્ટ કરે છે, જેનાથી વિવિધ ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનો માટે ટકાઉ સર્ફેક્ટન્ટ-આધારિત ઉત્પાદનોના રિઓલોજિકલ પ્રોફાઇલ્સને અનુરૂપ બનાવવા માટે વ્યવહારુ આંતરદૃષ્ટિ પ્રદાન કરે છે.