Caracterización de la dinámica reológica de mezclas de surfactantes libres de sulfato de cocamidopropil betaína-metil cocoil taurato de sodio en diferentes composiciones, pH y condiciones iónicas.

Introducción

Los sistemas acuosos binarios de surfactantes, compuestos por especies de carga opuesta, se emplean ampliamente en numerosos sectores industriales, como el cosmético, el farmacéutico, el agroquímico y el de procesamiento de alimentos. Su amplia adopción se atribuye principalmente a sus funcionalidades interfaciales y reológicas superiores, que permiten un rendimiento mejorado en diversas formulaciones. El autoensamblaje sinérgico de estos surfactantes en agregados entrelazados con forma de gusano imparte propiedades macroscópicas altamente ajustables, incluyendo mayor viscoelasticidad y menor tensión interfacial. En particular, las combinaciones de surfactantes aniónicos y zwitteriónicos presentan mejoras sinérgicas en la actividad superficial, la viscosidad y la modulación de la tensión interfacial. Estos comportamientos surgen de la intensificación de las interacciones electrostáticas y estéricas entre los grupos de cabeza polar y las colas hidrofóbicas de los surfactantes, a diferencia de los sistemas de un solo surfactante, donde las fuerzas electrostáticas repulsivas a menudo limitan la optimización del rendimiento.

La cocamidopropil betaína (CAPB; SMILES: GGCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) es un surfactante anfotérico ampliamente utilizado en formulaciones cosméticas debido a su suave eficacia limpiadora y propiedades acondicionadoras del cabello. La naturaleza zwitteriónica de la CAPB permite la sinergia electrostática con surfactantes aniónicos, mejorando la estabilidad de la espuma y promoviendo un rendimiento superior de la formulación. Durante las últimas cinco décadas, las mezclas de CAPB con surfactantes a base de sulfato, como CAPB-lauril éter sulfato de sodio (SLES), se han vuelto fundamentales en productos de cuidado personal. Sin embargo, a pesar de la efectividad de los surfactantes a base de sulfato, las preocupaciones con respecto a su potencial de irritación dérmica y la presencia de 1,4-dioxano, un subproducto del proceso de etoxilación, han impulsado el interés en alternativas sin sulfato. Los candidatos prometedores incluyen surfactantes a base de aminoácidos, como tauratos, sarcosinatos y glutamatos, que exhiben una biocompatibilidad mejorada y propiedades más suaves [9]. Sin embargo, los grupos de cabeza polar relativamente grandes de estas alternativas a menudo impiden la formación de estructuras micelares altamente enredadas, lo que hace necesario el uso de modificadores reológicos.

Metil cocoil taurato de sodio (SMCT; SMILES:
CCSS(=O)(=O)O[Na]) es un tensioactivo aniónico sintetizado como sal sódica mediante el acoplamiento amida de N-metiltaurina (ácido 2-metilaminoetanosulfónico) con una cadena de ácido graso derivada del coco. El SMCT posee un grupo de cabeza de taurina con enlaces amida junto con un grupo sulfonato fuertemente aniónico, lo que lo hace biodegradable y compatible con el pH de la piel, lo que lo posiciona como un candidato prometedor para formulaciones sin sulfatos. Los tensioactivos de taurato se caracterizan por su potente detergencia, resistencia al agua dura, suavidad y amplia estabilidad del pH.

Los parámetros reológicos, como la viscosidad de cizallamiento, los módulos viscoelásticos y el límite elástico, son fundamentales para determinar la estabilidad, la textura y el rendimiento de los productos a base de surfactantes. Por ejemplo, una viscosidad de cizallamiento elevada puede mejorar la retención del sustrato, mientras que el límite elástico regula la adherencia de la formulación a la piel o el cabello tras su aplicación. Estos atributos reológicos macroscópicos se ven modulados por numerosos factores, como la concentración de surfactante, el pH, la temperatura y la presencia de codisolventes o aditivos. Los surfactantes con carga opuesta pueden experimentar diversas transiciones microestructurales, desde micelas esféricas y vesículas hasta fases cristalinas líquidas, que, a su vez, afectan profundamente la reología en masa. Las mezclas de surfactantes anfóteros y aniónicos suelen formar micelas vermiformes elongadas (WLM), que mejoran significativamente las propiedades viscoelásticas. Por lo tanto, comprender las relaciones entre la microestructura y las propiedades es fundamental para optimizar el rendimiento del producto.

Numerosos estudios experimentales han investigado sistemas binarios análogos, como CAPB–SLES, para dilucidar la base microestructural de sus propiedades. Por ejemplo, Mitrinova et al. [13] correlacionaron el tamaño de micela (radio hidrodinámico) con la viscosidad de la solución en mezclas de CAPB–SLES–co-surfactante de cadena media mediante reometría y dispersión dinámica de la luz (DLS). La reometría mecánica proporciona información sobre la evolución microestructural de estas mezclas y puede complementarse con microrreología óptica mediante espectroscopia de onda difusa (DWS), que extiende el dominio de frecuencia accesible y captura dinámicas a corto plazo, particularmente pertinentes para los procesos de relajación WLM. En la microrreología DWS, se rastrea el desplazamiento cuadrático medio de las sondas coloidales integradas a lo largo del tiempo, lo que permite la extracción de módulos viscoelásticos lineales del medio circundante mediante la relación generalizada de Stokes–Einstein. Esta técnica requiere solo volúmenes de muestra mínimos y, por lo tanto, es ventajosa para estudiar fluidos complejos con disponibilidad limitada de material, p. ej., formulaciones basadas en proteínas. El análisis de datos < Δr²(t)> en espectros de frecuencia amplios facilita la estimación de parámetros micelares como el tamaño de malla, la longitud de enredo, la longitud de persistencia y la longitud del contorno. Amin et al. demostraron que las mezclas CAPB–SLES se ajustan a las predicciones de la teoría de Cates, mostrando un aumento pronunciado en la viscosidad con la adición de sal hasta una concentración crítica de sal, más allá de la cual la viscosidad cae precipitadamente, una respuesta típica en sistemas WLM Xu y Amin emplearon reometría mecánica y DWS para examinar mezclas SLES–CAPB–CCB, revelando una respuesta reológica maxwelliana indicativa de la formación de WLM enredado, que fue corroborada además por parámetros microestructurales inferidos a partir de las mediciones DWS. Basándose en estas metodologías, el estudio actual integra la reometría mecánica y la microrreología DWS para dilucidar cómo las reorganizaciones microestructurales impulsan el comportamiento de corte de las mezclas CAPB-SMCT.

Ante la creciente demanda de agentes de limpieza más suaves y sostenibles, la exploración de tensioactivos aniónicos sin sulfatos ha cobrado impulso a pesar de los desafíos de formulación. Las distintas arquitecturas moleculares de los sistemas sin sulfatos suelen presentar perfiles reológicos divergentes, lo que complica las estrategias convencionales para mejorar la viscosidad, como el espesamiento con sales o polímeros. Por ejemplo, Yorke et al. exploraron alternativas sin sulfato mediante la investigación sistemática de las propiedades espumantes y reológicas de mezclas de tensioactivos binarios y ternarios que contienen sulfonato de alquilo olefina (AOS), poliglucósido de alquilo (APG) y lauril hidroxisultaína. Una proporción 1:1 de AOS-sultaína mostró características de pseudoplástico y espuma similares a las de CAPB-SLES, lo que indica la formación de WLM. Rajput et al. [26] evaluaron otro surfactante aniónico sin sulfato, el cocoil glicinato de sodio (SCGLY), junto con co-surfactantes no iónicos (cocamida dietanolamina y lauril glucósido) mediante DLS, SANS y reometría. Si bien el SCGLY por sí solo formó micelas predominantemente esféricas, la adición de co-surfactante permitió la construcción de morfologías micelares más complejas, susceptibles de modulación por pH.

A pesar de estos avances, comparativamente pocas investigaciones se han centrado en las propiedades reológicas de sistemas sostenibles sin sulfatos que incluyen CAPB y tauratos. Este estudio busca llenar este vacío proporcionando una de las primeras caracterizaciones reológicas sistemáticas del sistema binario CAPB-SMCT. Mediante la variación sistemática de la composición del surfactante, el pH y la fuerza iónica, dilucidamos los factores que rigen la viscosidad de cizallamiento y la viscoelasticidad. Mediante reometría mecánica y microrreología DWS, cuantificamos las reorganizaciones microestructurales subyacentes al comportamiento de cizallamiento de las mezclas CAPB-SMCT. Estos hallazgos dilucidan la interacción entre el pH, la relación CAPB-SMCT y los niveles iónicos en la promoción o inhibición de la formación de WLM, ofreciendo así perspectivas prácticas para adaptar los perfiles reológicos de productos sostenibles basados en surfactantes a diversas aplicaciones industriales.