Charakterisierung der rheologischen Dynamik sulfatfreier Tensidmischungen aus Cocamidopropylbetain und Natriummethylcocoyltaurat in Abhängigkeit von Zusammensetzung, pH-Wert und Ionenkonzentration

Einführung

Wässrige binäre Tensidsysteme mit entgegengesetzt geladenen Spezies finden in zahlreichen Industriezweigen, darunter Kosmetik, Pharmazie, Agrochemie und Lebensmittelverarbeitung, breite Anwendung. Die weite Verbreitung dieser Systeme ist vor allem auf ihre überlegenen Grenzflächen- und rheologischen Eigenschaften zurückzuführen, die eine verbesserte Leistung in verschiedenen Formulierungen ermöglichen. Die synergistische Selbstorganisation solcher Tenside zu wurmartigen, verknäuelten Aggregaten führt zu hochgradig einstellbaren makroskopischen Eigenschaften, wie erhöhter Viskoelastizität und reduzierter Grenzflächenspannung. Insbesondere Kombinationen von anionischen und zwitterionischen Tensiden zeigen synergistische Verbesserungen der Oberflächenaktivität, der Viskosität und der Grenzflächenspannungsmodulation. Diese Eigenschaften beruhen auf verstärkten elektrostatischen und sterischen Wechselwirkungen zwischen den polaren Kopfgruppen und den hydrophoben Schwänzen der Tenside, im Gegensatz zu Systemen mit nur einem Tensid, bei denen abstoßende elektrostatische Kräfte die Leistungsoptimierung oft einschränken.

Cocamidopropylbetain (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) ist aufgrund seiner milden Reinigungswirkung und haarpflegenden Eigenschaften ein weit verbreitetes amphoteres Tensid in Kosmetikprodukten. Die zwitterionische Natur von CAPB ermöglicht eine elektrostatische Synergie mit anionischen Tensiden, wodurch die Schaumstabilität verbessert und die Formulierungsleistung optimiert wird. In den letzten fünf Jahrzehnten haben sich CAPB-Mischungen mit sulfatbasierten Tensiden, wie z. B. CAPB-Natriumlaurylethersulfat (SLES), als Grundlage in Körperpflegeprodukten etabliert. Trotz der Wirksamkeit sulfatbasierter Tenside haben Bedenken hinsichtlich ihres Hautreizungspotenzials und des Vorhandenseins von 1,4-Dioxan, einem Nebenprodukt der Ethoxylierung, das Interesse an sulfatfreien Alternativen geweckt. Vielversprechende Kandidaten sind Aminosäure-basierte Tenside wie Taurate, Sarcosinate und Glutamate, die eine verbesserte Biokompatibilität und mildere Eigenschaften aufweisen [9]. Allerdings behindern die relativ großen polaren Kopfgruppen dieser Alternativen häufig die Bildung stark verknäuelter Mizellenstrukturen, was den Einsatz rheologischer Modifikatoren erforderlich macht.

Natriummethylcocoyltaurat (SMCT; SMILES:
SMCT ist ein anionisches Tensid, das als Natriumsalz durch Amidkupplung von N-Methyltaurin (2-Methylaminoethansulfonsäure) mit einer aus Kokosnuss gewonnenen Fettsäurekette synthetisiert wird. SMCT besitzt eine amidverknüpfte Taurin-Kopfgruppe sowie eine stark anionische Sulfonatgruppe, wodurch es biologisch abbaubar und pH-kompatibel mit der Haut ist. Dies macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für sulfatfreie Formulierungen. Taurat-Tenside zeichnen sich durch ihre starke Reinigungswirkung, Beständigkeit gegenüber hartem Wasser, Milde und breite pH-Stabilität aus.

Rheologische Parameter wie Scherviskosität, viskoelastische Moduli und Fließgrenze sind entscheidend für die Stabilität, Textur und Leistungsfähigkeit von Produkten auf Tensidbasis. Beispielsweise kann eine erhöhte Scherviskosität die Substrathaftung verbessern, während die Fließgrenze die Haftung der Formulierung auf Haut oder Haar nach der Anwendung bestimmt. Diese makroskopischen rheologischen Eigenschaften werden durch zahlreiche Faktoren beeinflusst, darunter die Tensidkonzentration, der pH-Wert, die Temperatur und die Anwesenheit von Co-Lösungsmitteln oder Additiven. Entgegengesetzt geladene Tenside können vielfältige mikrostrukturelle Übergänge durchlaufen, von sphärischen Mizellen und Vesikeln bis hin zu flüssigkristallinen Phasen, was wiederum die Rheologie des Produkts maßgeblich beeinflusst. Mischungen aus amphoteren und anionischen Tensiden bilden häufig längliche, wurmartige Mizellen (WLMs), die die viskoelastischen Eigenschaften deutlich verbessern. Das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften ist daher entscheidend für die Optimierung der Produktleistung.

Zahlreiche experimentelle Studien haben analoge binäre Systeme wie CAPB–SLES untersucht, um die mikrostrukturellen Grundlagen ihrer Eigenschaften aufzuklären. So korrelierten beispielsweise Mitrinova et al. [13] die Mizellengröße (hydrodynamischer Radius) mit der Lösungsviskosität in CAPB–SLES–mittelkettigen Co-Tensid-Mischungen mittels Rheometrie und dynamischer Lichtstreuung (DLS). Die mechanische Rheometrie ermöglicht Einblicke in die mikrostrukturelle Entwicklung dieser Mischungen und kann durch optische Mikrorheologie mittels Diffusionswellenspektroskopie (DWS) ergänzt werden. DWS erweitert den zugänglichen Frequenzbereich und erfasst Dynamiken auf kurzen Zeitskalen, die insbesondere für WLM-Relaxationsprozesse relevant sind. In der DWS-Mikrorheologie wird die mittlere quadratische Verschiebung eingebetteter kolloidaler Sonden über die Zeit verfolgt. Dies ermöglicht die Bestimmung der linearen viskoelastischen Moduli des umgebenden Mediums über die verallgemeinerte Stokes-Einstein-Gleichung. Diese Technik benötigt nur minimale Probenvolumina und ist daher vorteilhaft für die Untersuchung komplexer Fluide mit begrenzter Materialverfügbarkeit, z. B. proteinbasierter Formulierungen. Die Analyse von < Δr²(t)>-Daten über breite Frequenzspektren ermöglicht die Bestimmung von Mizellparametern wie Maschenweite, Verschlaufungslänge, Persistenzlänge und Konturlänge. Amin et al. zeigten, dass CAPB-SLES-Mischungen den Vorhersagen der Cates-Theorie entsprechen und einen deutlichen Viskositätsanstieg mit Salzzugabe bis zu einer kritischen Salzkonzentration aufweisen, oberhalb derer die Viskosität rapide abfällt – ein typisches Verhalten in WLM-Systemen. Xu und Amin untersuchten SLES-CAPB-CCB-Mischungen mittels mechanischer Rheometrie und dynamischer Wellenspektroskopie (DWS) und stellten ein Maxwellsches rheologisches Verhalten fest, das auf die Bildung verschlungener WLM hindeutet. Dies wurde durch mikrostrukturelle Parameter, die aus den DWS-Messungen abgeleitet wurden, weiter bestätigt. Aufbauend auf diesen Methoden integriert die vorliegende Studie mechanische Rheometrie und DWS-Mikrorheologie, um zu klären, wie mikrostrukturelle Reorganisationen das Scherverhalten von CAPB-SMCT-Mischungen beeinflussen.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach milderen und nachhaltigeren Reinigungsmitteln hat die Erforschung sulfatfreier anionischer Tenside trotz Formulierungsherausforderungen an Bedeutung gewonnen. Die unterschiedlichen Molekülarchitekturen sulfatfreier Systeme führen oft zu divergierenden rheologischen Profilen, was herkömmliche Strategien zur Viskositätserhöhung, wie beispielsweise durch Salz- oder Polymerverdickung, erschwert. So untersuchten Yorke et al. sulfatfreie Alternativen, indem sie systematisch die Schaumbildung und die rheologischen Eigenschaften binärer und ternärer Tensidmischungen mit Alkylolefinsulfonat (AOS), Alkylpolyglucosid (APG) und Laurylhydroxysultain analysierten. Ein 1:1-Verhältnis von AOS zu Sultain zeigte strukturviskose und schäumende Eigenschaften ähnlich wie CAPB zu SLES, was auf die Bildung von wasserlöslichen Flüssigkeiten (WLM) hindeutet. Rajput et al. [26] untersuchten ein weiteres sulfatfreies anionisches Tensid, Natriumcocoylglycinat (SCGLY), zusammen mit nichtionischen Co-Tensiden (Cocamiddiethanolamin und Laurylglucosid) mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS), Kleinwinkelstreuung (SANS) und Rheometrie. Obwohl SCGLY allein überwiegend sphärische Mizellen bildete, ermöglichte die Zugabe von Co-Tensiden die Bildung komplexerer Mizellstrukturen, die sich pH-abhängig modulieren ließen.

Trotz dieser Fortschritte haben sich vergleichsweise wenige Untersuchungen mit den rheologischen Eigenschaften nachhaltiger, sulfatfreier Systeme auf Basis von CAPB und Tauraten befasst. Diese Studie schließt diese Lücke durch eine der ersten systematischen rheologischen Charakterisierungen des binären Systems CAPB–SMCT. Durch systematische Variation der Tensidzusammensetzung, des pH-Werts und der Ionenstärke klären wir die Faktoren auf, die die Scherviskosität und Viskoelastizität bestimmen. Mithilfe mechanischer Rheometrie und DWS-Mikrorheologie quantifizieren wir die mikrostrukturellen Reorganisationen, die dem Scherverhalten von CAPB–SMCT-Mischungen zugrunde liegen. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Zusammenspiel von pH-Wert, CAPB–SMCT-Verhältnis und Ionenkonzentrationen bei der Förderung oder Hemmung der WLM-Bildung und liefern somit praktische Erkenntnisse für die gezielte Anpassung der rheologischen Profile nachhaltiger, tensidbasierter Produkte für diverse industrielle Anwendungen.