코카미도프로필 베타인-소듐 메틸 코코일 타우레이트의 황산염 무첨가 계면활성제 혼합물의 조성, pH 및 이온 조건에 따른 유변학적 동역학 특성 분석

소개

서로 반대 전하를 띠는 분자로 구성된 수용성 이성분 계면활성제 시스템은 화장품, 의약품, 농약, 식품 가공 산업을 비롯한 수많은 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 시스템이 널리 채택되는 주된 이유는 다양한 제형에서 향상된 성능을 가능하게 하는 우수한 계면 및 유변학적 특성 때문입니다. 이러한 계면활성제들이 시너지 효과를 내며 벌레처럼 얽힌 응집체를 형성하는 자가 조립 현상은 점탄성 증가 및 계면 장력 감소를 포함한 다양한 거시적 특성을 조절할 수 있게 해줍니다. 특히, 음이온성 및 양쪽성 계면활성제의 조합은 표면 활성, 점도 및 계면 장력 조절에서 시너지 효과를 나타냅니다. 이러한 현상은 계면활성제의 극성 머리 부분과 소수성 꼬리 부분 사이의 강화된 정전기적 및 입체적 상호작용에서 비롯되며, 반발적인 정전기력이 성능 최적화를 제한하는 단일 계면활성제 시스템과는 대조적입니다.

코카미도프로필 베타인(CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O)은 순한 세정력과 모발 컨디셔닝 특성으로 인해 화장품 제형에 널리 사용되는 양쪽성 계면활성제입니다. CAPB의 양쪽성 이온 특성은 음이온성 계면활성제와의 정전기적 시너지 효과를 가능하게 하여 거품 안정성을 향상시키고 우수한 제형 성능을 촉진합니다. 지난 50년 동안 CAPB와 황산염계 계면활성제(예: CAPB-소듐 라우릴 에테르 설페이트(SLES))의 혼합물은 퍼스널 케어 제품의 기본이 되어 왔습니다. 그러나 황산염계 계면활성제의 효과에도 불구하고 피부 자극 가능성과 에톡실화 공정의 부산물인 1,4-다이옥산의 존재에 대한 우려로 인해 황산염이 없는 대체재에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 유망한 후보로는 타우레이트, 사르코시네이트, 글루탐산염과 같은 아미노산계 계면활성제가 있으며, 이들은 향상된 생체 적합성과 순한 특성을 나타냅니다[9]. 하지만 이러한 대체 물질들의 비교적 큰 극성 머리 부분은 종종 고도로 얽힌 미셀 구조의 형성을 방해하여 유변학적 조절제를 사용해야 할 필요성을 야기합니다.

소듐 메틸 코코일 타우레이트(SMCT; SMILES:
SMCT(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na])는 N-메틸타우린(2-메틸아미노에탄설폰산)과 코코넛 유래 지방산 사슬의 아미드 커플링을 통해 합성된 나트륨염 형태의 음이온성 계면활성제입니다. SMCT는 아미드 결합된 타우린 헤드그룹과 강한 음이온성을 지닌 설포네이트 그룹을 가지고 있어 생분해성이 뛰어나고 피부 pH에 적합하므로 황산염 무첨가 제형에 유망한 후보 물질입니다. 타우레이트 계면활성제는 강력한 세정력, 경수 내성, 순한 사용감, 그리고 넓은 pH 범위에서의 안정성이 특징입니다.

전단 점도, 점탄성 계수, 항복 응력을 포함한 유변학적 매개변수는 계면활성제 기반 제품의 안정성, 질감 및 성능을 결정하는 데 매우 중요합니다. 예를 들어, 전단 점도가 높으면 기질 유지력이 향상되고, 항복 응력은 도포 후 피부나 모발에 대한 제형의 점착성을 좌우합니다. 이러한 거시적인 유변학적 특성은 계면활성제 농도, pH, 온도, 공용매 또는 첨가제의 존재 등 다양한 요인에 의해 조절됩니다. 반대 전하를 띠는 계면활성제는 구형 미셀 및 소포에서 액정상에 이르기까지 다양한 미세구조적 변화를 겪을 수 있으며, 이는 전체적인 유변학적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 양쪽성 계면활성제와 음이온성 계면활성제의 혼합물은 종종 길쭉한 벌레 모양 미셀(WLM)을 형성하여 점탄성 특성을 크게 향상시킵니다. 따라서 미세구조와 특성 간의 관계를 이해하는 것은 제품 성능을 최적화하는 데 매우 중요합니다.

수많은 실험 연구에서 CAPB-SLES와 같은 유사한 이진 시스템을 조사하여 그 특성의 미세구조적 기반을 규명했습니다. 예를 들어, Mitrinova 등[13]은 유변학 및 동적 광산란(DLS)을 사용하여 CAPB-SLES-중간 사슬 공계면활성제 혼합물에서 미셀 크기(유체역학적 반경)와 용액 점도 사이의 상관관계를 분석했습니다. 기계적 유변학은 이러한 혼합물의 미세구조적 변화에 대한 통찰력을 제공하며, 확산파 분광법(DWS)을 이용한 광학 미세유변학으로 보완할 수 있습니다. DWS는 접근 가능한 주파수 영역을 확장하여 특히 WLM 이완 과정과 관련된 단시간 스케일의 동적 변화를 포착합니다. DWS 미세유변학에서는 내장된 콜로이드 프로브의 평균 제곱 변위를 시간에 따라 추적하여 일반화된 스토크스-아인슈타인 관계를 통해 주변 매질의 선형 점탄성 계수를 추출할 수 있습니다. 이 기술은 최소한의 시료량만 필요로 하므로 단백질 기반 제형과 같이 시료량이 제한적인 복잡한 유체를 연구하는 데 유리합니다. 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 <Δr²(t)> 데이터를 분석하면 메쉬 크기, 얽힘 길이, 지속 길이, 윤곽 길이와 같은 미셀 매개변수를 추정할 수 있습니다. Amin 등은 CAPB-SLES 혼합물이 Cates 이론의 예측과 일치함을 보여주었는데, 염 첨가에 따라 점도가 임계 염 농도까지 현저하게 증가하다가 그 이후에는 급격히 감소하는 양상을 보였습니다. 이는 WLM 시스템에서 흔히 나타나는 반응입니다. Xu와 Amin은 기계적 유변학 및 DWS를 이용하여 SLES-CAPB-CCB 혼합물을 분석했고, 얽힌 WLM 형성을 나타내는 맥스웰 분포를 따르는 유변학적 반응을 관찰했으며, 이는 DWS 측정에서 추론한 미세구조 매개변수에 의해 더욱 뒷받침되었습니다. 본 연구는 이러한 방법론을 바탕으로 기계적 유변학 및 DWS 미세유변학을 통합하여 미세구조 재구성이 CAPB-SMCT 혼합물의 전단 거동에 어떻게 영향을 미치는지 규명하고자 합니다.

보다 순하고 지속 가능한 세정제에 대한 수요가 증가함에 따라, 제형상의 어려움에도 불구하고 황산염이 없는 음이온 계면활성제에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 황산염이 없는 시스템의 독특한 분자 구조는 종종 서로 다른 유변학적 특성을 나타내어 염이나 고분자 증점제와 같은 기존의 점도 향상 전략을 복잡하게 만듭니다. 예를 들어, Yorke 등은 알킬 올레핀 설포네이트(AOS), 알킬 폴리글루코사이드(APG), 라우릴 하이드록시술테인을 포함하는 이성분 및 삼성분 계면활성제 혼합물의 발포 및 유변학적 특성을 체계적으로 조사하여 비황산염 대체제를 탐색했습니다. AOS-술테인 1:1 비율은 CAPB-SLES와 유사한 전단 박화 및 거품 특성을 보여 WLM 형성을 나타냈습니다. Rajput 등은... [26]은 DLS, SANS 및 레오미터를 통해 비이온성 보조 계면활성제(코카마이드 디에탄올아민 및 라우릴 글루코사이드)와 함께 또 다른 황산염이 없는 음이온성 계면활성제인 소듐 코코일 글리시네이트(SCGLY)를 평가했습니다. SCGLY 단독으로는 주로 구형 미셀을 형성했지만, 보조 계면활성제를 첨가하면 pH에 따라 조절 가능한 더욱 복잡한 미셀 형태를 만들 수 있었습니다.

이러한 발전에도 불구하고, CAPB와 타우레이트를 포함하는 지속 가능한 무황산염 시스템의 유변학적 특성에 대한 연구는 상대적으로 적습니다. 본 연구는 CAPB-SMCT 이원계 계면활성제의 체계적인 유변학적 특성 분석을 통해 이러한 연구 공백을 메우고자 합니다. 계면활성제 조성, pH, 이온 강도를 체계적으로 변화시키면서 전단 점도와 점탄성을 좌우하는 요인을 규명했습니다. 기계적 유변측정법과 DWS 미세유변학을 이용하여 CAPB-SMCT 혼합물의 전단 거동에 영향을 미치는 미세구조적 변화를 정량화했습니다. 이러한 연구 결과는 pH, CAPB-SMCT 비율, 이온 농도가 WLM 형성을 촉진하거나 억제하는 데 미치는 상호작용을 밝혀내어, 다양한 산업 분야에 적용 가능한 지속 가능한 계면활성제 기반 제품의 유변학적 특성을 최적화하는 데 실질적인 통찰력을 제공합니다.