코카미도프로필 베타인-나트륨 메틸 코코일 타우레이트의 무황산염 계면활성제 혼합물의 조성, pH 및 이온 조건에 따른 유변학적 역학 특성 분석

소개

반대 전하를 띤 종으로 구성된 수성 이성 계면활성제 시스템은 화장품, 제약, 농약, 식품 가공 산업 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 시스템의 광범위한 채택은 주로 우수한 계면 및 유변학적 기능에 기인하며, 이는 다양한 제형에서 향상된 성능을 가능하게 합니다. 이러한 계면활성제들이 벌레처럼 얽힌 응집체로 시너지 효과를 내며 자가조립되면 점탄성 증가 및 계면장력 감소와 같은 매우 조정 가능한 거시적 특성을 부여합니다. 특히, 음이온성 계면활성제와 쌍이온성 계면활성제의 조합은 표면 활성, 점도 및 계면장력 조절에 있어 시너지 효과를 나타냅니다. 이러한 거동은 계면활성제의 극성 머리 부분과 소수성 꼬리 부분 사이의 강화된 정전기적 및 입체적 상호작용에서 비롯되며, 이는 반발력으로 인해 성능 최적화가 제한되는 단일 계면활성제 시스템과는 대조적입니다.

코카미도프로필 베타인(CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O)은 순한 세정 효과와 모발 컨디셔닝 효과로 인해 화장품 제형에 널리 사용되는 양쪽성 계면활성제입니다. CAPB의 쌍이온성 특성은 음이온성 계면활성제와 정전기적 시너지 효과를 발휘하여 거품 안정성을 높이고 제형 성능을 향상시킵니다. 지난 50년 동안 CAPB-라우릴에테르황산나트륨(SLES)과 같은 황산염 기반 계면활성제와 CAPB 혼합물은 개인 관리 제품의 기본이 되었습니다. 그러나 황산염 기반 계면활성제의 효과에도 불구하고, 피부 자극 가능성과 에톡실화 공정의 부산물인 1,4-디옥산의 존재에 대한 우려로 인해 황산염이 없는 대체 제품에 대한 관심이 높아졌습니다. 유망한 후보 물질로는 타우레이트, 사르코시네이트, 글루탐산염과 같은 아미노산 기반 계면활성제가 있으며, 이는 향상된 생체적합성과 더 온화한 특성을 나타냅니다[9]. 그러나 이러한 대체 물질들은 상대적으로 큰 극성 헤드기를 가지고 있어 고도로 얽힌 미셀 구조 형성을 방해하여 유변학적 개질제를 사용해야 하는 경우가 많습니다.

나트륨 메틸 코코일 타우레이트(SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na])는 코코넛 유래 지방산 사슬과 N-메틸타우린(2-메틸아미노에탄설폰산)의 아미드 결합을 통해 나트륨염으로 합성된 음이온성 계면활성제입니다. SMCT는 강력한 음이온성 설폰산기와 함께 아미드 결합된 타우린 헤드기를 가지고 있어 생분해성이 뛰어나고 피부 pH와 호환되므로 무황산염 제형의 유망한 후보 물질로 자리매김하고 있습니다. 타우레이트 계면활성제는 강력한 세정력, 경수 복원력, 순함, 그리고 광범위한 pH 안정성을 특징으로 합니다.

전단 점도, 점탄성 계수, 항복 응력을 포함한 유변학적 매개변수는 계면활성제 기반 제품의 안정성, 질감 및 성능을 결정하는 데 매우 중요합니다. 예를 들어, 높은 전단 점도는 기질 유지력을 향상시키고, 항복 응력은 도포 후 피부 또는 모발에 대한 제형의 접착력을 좌우합니다. 이러한 거시적인 유변학적 특성은 계면활성제 농도, pH, 온도, 공용매 또는 첨가제의 존재 여부 등 다양한 요인에 의해 조절됩니다. 반대로 전하를 띤 계면활성제는 구형 미셀과 소포에서 액정상까지 다양한 미세 구조 전이를 겪을 수 있으며, 이는 결국 체적 유변학에 큰 영향을 미칩니다. 양쪽성 계면활성제와 음이온성 계면활성제의 혼합물은 종종 길쭉한 벌레 모양 미셀(WLM)을 형성하여 점탄성 특성을 크게 향상시킵니다. 따라서 미세 구조-물성 관계를 이해하는 것은 제품 성능 최적화에 매우 중요합니다.

수많은 실험 연구에서 CAPB-SLES와 같은 유사한 이원 시스템을 조사하여 그 특성의 미세 구조적 기초를 밝혔습니다. 예를 들어, Mitrinova et al. [13]은 유변학 및 동적 광산란(DLS)을 사용하여 CAPB-SLES-중쇄 공계면활성제 혼합물에서 미셀 크기(유체역학적 반경)와 용액 점도를 연관시켰습니다. 기계적 유변학은 이러한 혼합물의 미세 구조 진화에 대한 통찰력을 제공하며, 접근 가능한 주파수 영역을 확장하여 WLM 이완 공정과 특히 관련된 단시간 규모 동역학을 포착하는 확산파 분광법(DWS)을 사용한 광학 미세유변학으로 보강할 수 있습니다. DWS 미세유변학에서 매립된 콜로이드 프로브의 평균 제곱 변위를 시간에 따라 추적하여 일반화된 Stokes-Einstein 관계를 통해 주변 매질의 선형 점탄성 계수를 추출할 수 있습니다. 이 기술은 최소한의 샘플 볼륨만 필요하므로 단백질 기반 제형과 같이 재료 가용성이 제한된 복잡한 유체를 연구하는 데 유리합니다.광범위한 주파수 스펙트럼에서 <Δr²(t)> 데이터를 분석하면 메시 크기, 얽힘 길이, 지속 길이 및 윤곽선 길이와 같은 미셀 매개변수를 추정하는 데 도움이 됩니다.Amin 등은 CAPB-SLES 혼합물이 Cates 이론의 예측과 일치하며, 임계 염 농도까지 염을 첨가하면 점도가 현저하게 증가한 후 점도가 급격히 떨어지는 것을 보여 WLM 시스템에서 일반적인 응답임을 보였습니다.Xu와 Amin은 기계적 유변학 및 DWS를 사용하여 SLES-CAPB-CCB 혼합물을 조사하여 얽힌 WLM 형성을 나타내는 맥스웰 유변학적 응답을 밝혀냈으며, 이는 DWS 측정에서 추론된 미세 구조 매개변수에 의해 더욱 뒷받침되었습니다. 이러한 방법론을 바탕으로 본 연구에서는 기계적 유변학 및 DWS 미세유변학을 통합하여 미세구조 재조직이 CAPB-SMCT 혼합물의 전단 거동을 어떻게 좌우하는지 설명합니다.

더욱 순하고 지속 가능한 세정제에 대한 수요가 증가함에 따라, 제형상의 어려움에도 불구하고 무황산염 음이온 계면활성제 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 무황산염 시스템의 독특한 분자 구조는 종종 서로 다른 유변학적 특성을 나타내어, 염 또는 중합체 증점제와 같은 기존의 점도 향상 전략을 복잡하게 만듭니다. 예를 들어, Yorke 등은 알킬 올레핀 설포네이트(AOS), 알킬 폴리글루코사이드(APG), 라우릴 하이드록시설테인을 포함하는 이원 및 삼원 계면활성제 혼합물의 발포 및 유변학적 특성을 체계적으로 조사하여 비황산염 대체물을 탐색했습니다. AOS와 설테인의 1:1 비율은 CAPB와 SLES와 유사한 전단 희석 및 기포 특성을 보였으며, 이는 WLM 형성을 시사합니다. Rajput 등은 [26]은 DLS, SANS 및 유변학적 분석을 통해 비이온성 공계면활성제(코카마이드 디에탄올아민 및 라우릴 글루코사이드)와 함께 또 다른 무황산염 음이온성 계면활성제인 소듐 코코일 글리시네이트(SCGLY)를 평가했습니다. SCGLY 단독으로는 주로 구형 미셀을 형성했지만, 공계면활성제를 첨가하면 pH에 따른 조절이 가능한 더욱 복잡한 미셀 형태를 구축할 수 있었습니다.

이러한 발전에도 불구하고, CAPB와 타우레이트를 포함하는 지속가능한 무황산염 시스템의 유변학적 특성을 연구한 연구는 상대적으로 적습니다. 본 연구는 CAPB-SMCT 이원계에 대한 최초의 체계적인 유변학적 특성 분석 중 하나를 제공함으로써 이러한 공백을 메우는 것을 목표로 합니다. 계면활성제 조성, pH, 이온 강도를 체계적으로 변화시킴으로써 전단 점도와 점탄성을 지배하는 요인들을 규명합니다. 기계적 유변학 및 DWS 미세유변학을 이용하여 CAPB-SMCT 혼합물의 전단 거동에 영향을 미치는 미세구조적 재편을 정량화합니다. 이러한 연구 결과는 WLM 형성을 촉진하거나 억제하는 데 있어 pH, CAPB-SMCT 비율, 그리고 이온 농도 간의 상호작용을 규명하여, 다양한 산업 응용 분야에 적합한 지속가능한 계면활성제 기반 제품의 유변학적 프로파일을 맞춤화하는 데 실질적인 통찰력을 제공합니다.