コカミドプロピルベタイン-ココイルメチルタウリン酸ナトリウムの硫酸塩フリー界面活性剤混合物のレオロジー特性を、組成、pH、およびイオン条件にわたって特徴付ける。

導入

反対の電荷を持つ二成分界面活性剤からなる水性界面活性剤系は、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にあり、多様な製剤において性能向上を可能にしています。このような界面活性剤が相乗的に自己組織化してワーム状の絡み合った凝集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、高度に調整可能な巨視的特性が得られます。特に、アニオン性界面活性剤と両性イオン性界面活性剤の組み合わせは、表面活性、粘度、界面張力の調節において相乗的な向上を示します。これらの挙動は、界面活性剤の極性頭部と疎水性尾部の間の静電的および立体的な相互作用の強化に起因しており、反発的な静電力が性能最適化を制限す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、その穏やかな洗浄効果と毛髪コンディショニング特性により、化粧品処方に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得られ、泡の安定性が向上し、優れた処方性能が促進されます。過去50年間、CAPBと硫酸系界面活性剤（CAPB-ラウリルエーテル硫酸ナトリウム（SLES）など）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、硫酸系界面活性剤の有効性にもかかわらず、皮膚刺激の可能性やエトキシ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あり、これらは生体適合性が向上し、より穏やかな特性を示します[9]。しかしながら、これらの代替品の比較的大きな極性ヘッドグループは、高度に絡み合ったミセル構造の形成を妨げることが多く、レオロジー調整剤の使用が必要となります。

メチルココイルタウリン酸ナトリウム（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のアミド結合によりナトリウム塩として合成される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有しており、生分解性があり、皮膚のpHと適合するため、硫酸塩フリー製剤の有望な候補となっています。タウリン系界面活性剤は、強力な洗浄力、硬水耐性、マイルドさ、および幅広いpH安定性を特徴としています。

せん断粘度、粘弾性率、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、および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材の保持性が向上し、降伏応力は塗布後の皮膚や毛髪への製剤の付着性を左右します。これらの巨視的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。反対の電荷を持つ界面活性剤は、球状ミセルや小胞から液晶相まで、多様な微細構造変化を起こす可能性があり、そ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、しばしば細長いワーム状ミセル（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。

数多くの実験研究が、CAPB–SLES などの類似の二成分系を調査し、その特性の微細構造的基盤を明らかにしてきました。たとえば、Mitrinova ら [13] は、レオロジーと動的光散乱 (DLS) を使用して、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) と溶液粘度との相関関係を調べました。機械的レオロジーは、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) を使用した光学的マイクロレオロジーによって強化できます。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が時間とともに追跡され、一般化されたストークス–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。この手法は最小限のサンプル量しか必要としないため、例えばタンパク質ベースの製剤など、材料の入手可能性が限られている複雑な流体の研究に有利です。< Δr²(t)> データを広範囲の周波数スペクトルにわたって分析すると、メッシュサイズ、絡み合いの長さ、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 の理論の予測に合致し、臨界塩濃度まで塩の添加によって粘度が著しく増加し、それを超えると粘度が急激に低下することを示しました。これは WLM システムにおける典型的な応答です。Xu と Amin は、機械的レオロジー測定と DWS を使用して SLES–CAPB–CCB 混合物を調べ、絡み合った WLM の形成を示す Maxwellian レオロジー応答を明らかにし、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。これらの手法を基に、本研究では機械的レオロジーと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する。

より穏やかで持続可能な洗浄剤に対する需要の高まりを受けて、硫酸塩を含まない陰イオン界面活性剤の探索は、製剤上の課題にもかかわらず勢いを増している。硫酸塩を含まないシステムの独特な分子構造は、しばしば異なるレオロジー特性をもたらし、塩やポリマー増粘剤による粘度向上などの従来の戦略を複雑にする。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)、およびラウリルヒドロキシスルタインを特徴とする二成分および三成分界面活性剤混合物の発泡性およびレオロジー特性を体系的に調査することにより、非硫酸塩代替品を探索した。AOS–スルタインの 1:1 比は、CAPB–SLES に似たせん断減粘性および発泡特性を示し、WLM の形成を示唆した。Rajput ら[26]は、別の硫酸塩を含まない陰イオン界面活性剤であるココイルグリシン酸ナトリウム（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）とともに、DLS、SANS、およびレオロジー測定によって評価した。SCGLY単独では主に球状ミセルが形成されたが、共界面活性剤の添加により、pH駆動による調節が可能な、より複雑なミセル形態の構築が可能になった。

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二成分系の体系的なレオロジー特性評価を初めて行うことで、このギャップを埋めることを目的としている。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、せん断粘度と粘弾性を支配する要因を明らかにする。機械的レオロジー測定とDWSマイクロレオロジーを用いて、CAPB–SMCT混合物のせん断挙動の根底にある微細構造の再編成を定量化する。これらの知見は、pH、CAPB–SMCT比、イオンレベルがWLM形成を促進または阻害する際の相互作用を明らかにし、持続可能な界面活性剤ベース製品のレオロジー特性を多様な産業用途に合わせて調整するための実用的な洞察を提供する。