コカミドプロピルベタインとココイルメチルタウリンナトリウムの硫酸塩を含まない界面活性剤混合物のレオロジーダイナミクスを、組成、pH、イオン条件にわたって評価する

導入

反対電荷を帯びた種からなる水性二成分界面活性剤系は、化粧品、医薬品、農薬、食品加工産業など、数多くの産業分野で広く利用されています。これらの系が広く採用されている主な理由は、優れた界面機能とレオロジー特性を有し、多様な処方において優れた性能を発揮することです。これらの界面活性剤は、相乗的に自己組織化し、ミミズ状の絡み合った集合体を形成することで、粘弾性の向上や界面張力の低下など、高度に調整可能なマクロ特性を付与します。特に、陰イオン界面活性剤と両性イオン界面活性剤を組み合わせることで、表面活性、粘度、界面張力の調整において相乗的な向上が見られます。これらの挙動は、界面活性剤の極性基と疎水性末端との間の静電的および立体的相互作用の強化に起因しており、静電反発力によって性能の最適化が制限されることが多い単一界面活性剤系とは対照的です。

コカミドプロピルベタイン（CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O）は、穏やかな洗浄効果とヘアコンディショニング特性のため、化粧品処方で広く使用されている両性界面活性剤です。CAPBの両性イオン性により、陰イオン界面活性剤との静電的相乗効果が可能になり、泡の安定性が向上し、処方の性能が優れています。過去50年間で、CAPB–ラウリルエーテル硫酸ナトリウム（SLES）などの硫酸塩ベースの界面活性剤とCAPBの混合物は、パーソナルケア製品の基礎となっています。しかし、硫酸塩ベースの界面活性剤の有効性にもかかわらず、皮膚刺激の可能性とエトキシル化プロセスの副産物である1,4-ジオキサンの存在に関する懸念から、硫酸塩を含まない代替品への関心が高まっています。有望な候補としては、タウリン酸塩、サルコシン酸塩、グルタミン酸塩などのアミノ酸系界面活性剤が挙げられ、これらは生体適合性が高く、より穏やかな性質を示す[9]。しかしながら、これらの代替界面活性剤は比較的大きな極性基を有するため、高度に絡み合ったミセル構造の形成が阻害されることが多く、レオロジー改質剤の使用が必要となる。

メチルココイルタウリンナトリウム（SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na])は、N-メチルタウリン（2-メチルアミノエタンスルホン酸）とココナッツ由来の脂肪酸鎖とのアミド結合によりナトリウム塩として合成された陰イオン界面活性剤です。SMCTは、アミド結合したタウリンヘッドグループと強力な陰イオン性スルホン酸基を持ち、生分解性があり、皮膚のpHに適合するため、硫酸塩を含まない処方の有望な候補となっています。タウレート界面活性剤は、強力な洗浄力、硬水耐性、マイルド性、広いpH安定性を特徴としています。

せん断粘度、粘弾性係数、降伏応力などのレオロジーパラメータは、界面活性剤ベースの製品の安定性、質感、性能を決定する上で非常に重要です。例えば、せん断粘度が高いと基質保持力が向上し、降伏応力は塗布後の皮膚や髪への製剤の密着性を左右します。これらのマクロなレオロジー特性は、界面活性剤濃度、pH、温度、共溶媒や添加剤の存在など、多くの要因によって変化します。逆電荷を持つ界面活性剤は、球状ミセルやベシクルから液晶相に至るまで、多様な微細構造転移を起こす可能性があり、これがバルクレオロジーに大きな影響を与えます。両性界面活性剤と陰イオン界面活性剤の混合物は、しばしば細長い虫状ミセル（WLM）を形成し、粘弾性特性を大幅に向上させます。したがって、微細構造と特性の関係を理解することは、製品性能を最適化する上で非常に重要です。

CAPB-SLES などの類似の 2 成分系を調査した実験研究は数多くあり、それらの特性の微細構造的根拠を解明しています。たとえば、Mitrinova ら [13] はレオメトリーと動的光散乱 (DLS) を用いて、CAPB-SLES-中鎖共界面活性剤混合物のミセルサイズ (流体力学的半径) と溶液粘度の相関関係を調べました。機械レオメトリーはこれらの混合物の微細構造の進化に関する洞察を提供し、拡散波分光法 (DWS) を使用した光マイクロレオロジーによって補強することができます。DWS はアクセス可能な周波数領域を拡張し、特に WLM 緩和プロセスに関連する短い時間スケールのダイナミクスを捉えます。DWS マイクロレオロジーでは、埋め込まれたコロイドプローブの平均二乗変位を時間とともに追跡し、一般化ストークス・アインシュタインの関係を介して周囲の媒体の線形粘弾性係数を抽出できます。この技術では、最小限のサンプル量しか必要としないため、タンパク質ベースの製剤など、材料の入手が限られている複雑な流体の研究に有利です。広い周波数スペクトルにわたる < Δr²(t)> データの分析により、メッシュサイズ、絡み合い長、持続長、輪郭長などのミセルパラメータの推定が容易になります。 Amin らは、CAPB–SLES 混合物が Cates 理論の予測に適合し、臨界塩濃度までは塩の添加とともに粘度が顕著に増加し、それを超えると粘度が急激に低下することを実証しました。これは WLM システムで一般的な応答です。 Xu と Amin は、機械的レオメトリーと DWS を使用して SLES、CAPB、CCB 混合物を調べ、絡み合った WLM 形成を示すマクスウェル粘弾性応答を明らかにしました。これは、DWS 測定から推測される微細構造パラメータによってさらに裏付けられました。これらの方法論を基に、本研究では機械的レオメトリーと DWS マイクロレオロジーを統合し、微細構造の再編成が CAPB-SMCT 混合物のせん断挙動をどのように促進するかを解明します。

より優しく持続可能な洗浄剤への需要の高まりを受けて、配合上の課題にもかかわらず、硫酸塩を含まない陰イオン界面活性剤の研究が活発化している。硫酸塩を含まないシステムの独特な分子構造は、しばしば相反するレオロジープロファイルを生じ、塩やポリマーの増粘剤などによる従来の粘度向上策を複雑にしている。例えば、Yorke らは、アルキルオレフィンスルホン酸塩 (AOS)、アルキルポリグルコシド (APG)、ラウリルヒドロキシスルタインを特徴とする 2 成分および 3 成分界面活性剤混合物の泡立ちとレオロジー特性を系統的に調査することにより、硫酸塩を含まない代替物を検討した。AOS とスルタインの比率が 1:1 の場合、CAPB と SLES に類似した剪断減粘性と泡特性を示し、WLM 形成を示唆している。Rajput らは、 [26]は、硫酸塩を含まない別の陰イオン界面活性剤であるココイルグリシンナトリウム（SCGLY）を、非イオン性共界面活性剤（コカミドジエタノールアミンおよびラウリルグルコシド）と共に、DLS、SANS、およびレオメトリーを用いて評価した。SCGLY単独では主に球状のミセルを形成したが、共界面活性剤を添加することで、pH制御に適したより複雑なミセル形態を構築することが可能になった。

これらの進歩にもかかわらず、CAPBとタウリン酸塩を含む持続可能な硫酸塩フリーシステムのレオロジー特性を対象とした研究は比較的少ない。本研究は、CAPB-SMCT二成分系の初めての体系的なレオロジー特性評価の1つを提供することで、このギャップを埋めることを目指している。界面活性剤の組成、pH、イオン強度を体系的に変化させることで、剪断粘度と粘弾性を支配する因子を解明する。機械レオメトリーとDWSマイクロレオロジーを用いて、CAPB-SMCT混合物の剪断挙動の基礎となる微細構造の再編成を定量化する。これらの知見は、WLM形成を促進または阻害する際のpH、CAPB-SMCT比、およびイオンレベルの相互作用を解明し、多様な産業用途向けに持続可能な界面活性剤ベースの製品のレオロジープロファイルをカスタマイズするための実用的な知見を提供する。