Caracterización de la dinámica reológica de mezclas de surfactantes libres de sulfato de cocamidopropil betaína-metil cocoil taurato de sodio en función de la composición, el pH y las condiciones iónicas.

Introducción

Los sistemas acuosos binarios de surfactantes con cargas opuestas se emplean ampliamente en numerosos sectores industriales, como la cosmética, la farmacéutica, la agroquímica y la alimentaria. Su uso generalizado se debe principalmente a sus excelentes propiedades reológicas e interfaciales, que permiten un rendimiento superior en diversas formulaciones. El autoensamblaje sinérgico de estos surfactantes en agregados entrelazados con forma de gusano confiere propiedades macroscópicas altamente ajustables, como una mayor viscoelasticidad y una 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 se deben a la intensificación de las interacciones electrostáticas y estéricas entre los grupos polares y las colas hidrofóbicas de los surfactantes, a diferencia de los sistemas de un solo surfactante, donde las fuerzas electrostáticas repulsivas suelen limitar la optimización del rendimiento.

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

metil cocoil taurato de sodio (SMCT; SMILES:
SMCT es un surfactante aniónico sintetizado como sal sódica mediante acoplamiento amida de N-metiltaurina (ácido 2-metilaminoetanosulfónico) con una cadena de ácido graso derivada del coco. SMCT posee un grupo de cabeza de taurina unido por enlace 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 surfactantes de taurato se caracterizan por su potente detergencia, resistencia al agua dura, suavidad y amplia estabilidad de 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 rige 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 del surfactante, el pH, la temperatura y la presencia de cosolventes o aditivos. Los surfactantes con cargas opuestas pueden experimentar diversas transiciones microestructurales, desde micelas y vesículas esféricas hasta fases cristalinas líquidas, que, a su vez, afectan profundamente a la reología global. Las mezclas de surfactantes anfotéricos y aniónicos suelen formar micelas alargadas con forma de gusano (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 la micela (radio hidrodinámico) con la viscosidad de la solución en mezclas de CAPB–SLES–cosurfactante de cadena media utilizando reometría y dispersión dinámica de luz (DLS). La reometría mecánica proporciona información sobre la evolución microestructural de estas mezclas y puede complementarse con microrreología óptica utilizando espectroscopia de onda difusa (DWS), que extiende el dominio de frecuencia accesible, capturando dinámicas de escala de tiempo corta particularmente pertinentes a los procesos de relajación WLM. En la microrreología DWS, el desplazamiento cuadrático medio de sondas coloidales incrustadas se rastrea a lo largo del tiempo, lo que permite la extracción de módulos viscoelásticos lineales del medio circundante a través de la relación generalizada de Stokes–Einstein. Esta técnica requiere solo volúmenes mínimos de muestra y, por lo tanto, es ventajosa para estudiar fluidos complejos con disponibilidad limitada de material, por ejemplo, formulaciones a base de proteínas. El análisis de datos < Δr²(t)> en amplios espectros de frecuencia facilita la estimación de parámetros micelares como el tamaño de la malla, la longitud de enredo, la longitud de persistencia y la longitud de 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 enredados, que fue corroborada además por parámetros microestructurales inferidos de las mediciones de DWS. Partiendo de estas metodologías, el presente estudio 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 sulfato ha cobrado impulso a pesar de los desafíos de formulación. Las distintas arquitecturas moleculares de los sistemas sin sulfato suelen generar perfiles reológicos divergentes, lo que complica las estrategias convencionales para mejorar la viscosidad, como mediante el espesamiento con sales o polímeros. Por ejemplo, Yorke et al. exploraron alternativas sin sulfato investigando sistemáticamente las propiedades espumantes y reológicas de mezclas de tensioactivos binarios y ternarios que contienen alquil olefin sulfonato (AOS), alquil poliglucósido (APG) y lauril hidroxisultaína. Una proporción 1:1 de AOS-sultaína mostró características de adelgazamiento por cizallamiento y espuma similares a las de CAPB-SLES, lo que indica la formación de WLM. Rajput et al. [26] evaluaron otro surfactante aniónico libre de sulfato, el cocoil glicinato de sodio (SCGLY), junto con cosurfactantes no iónicos (cocamida dietanolamina y lauril glucósido) mediante DLS, SANS y reometría. Aunque el SCGLY por sí solo formó micelas predominantemente esféricas, la adición de cosurfactantes permitió la construcción de morfologías micelares más complejas, susceptibles de modulación por pH.

A pesar de estos avances, relativamente pocas investigaciones se han centrado en las propiedades reológicas de sistemas sostenibles libres de sulfatos que incluyen CAPB y tauratos. Este estudio busca subsanar esta deficiencia mediante una de las primeras caracterizaciones reológicas sistemáticas del sistema binario CAPB-SMCT. Al variar sistemáticamente 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 de CAPB-SMCT. Estos hallazgos aclaran la interacción entre el pH, la proporción CAPB-SMCT y los niveles iónicos en la promoción o inhibición de la formación de WLM, ofreciendo así información práctica para adaptar los perfiles reológicos de productos sostenibles a base de surfactantes para diversas aplicaciones industriales.