Caractérisation de la dynamique rhéologique de mélanges tensioactifs sans sulfate de cocamidopropyl bétaïne-cocoyl taurate de méthyle de sodium en fonction de la composition, du pH et des conditions ioniques

Introduction

Les systèmes tensioactifs binaires aqueux, composés d'espèces de charges opposées, sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels, notamment les cosmétiques, les produits pharmaceutiques, les produits agrochimiques et l'industrie agroalimentaire. Leur adoption généralisée est principalement due à leurs propriétés interfaciales et rhéologiques supérieures, qui permettent d'améliorer les performances de diverses formulations. L'auto-assemblage synergique de ces tensioactifs en agrégats vermiformes et enchevêtrés leur confère des propriétés macroscopiques hautement modulables, telles qu'une viscoélasticité accrue et une tension interfaciale réduite. En particulier, les combinaisons de tensioactifs anioniques et zwitterioniques présentent des améliorations synergiques de l'activité de surface, de la viscosité et de la modulation de la tension interfaciale. Ces comportements résultent d'interactions électrostatiques et stériques intensifiées entre les têtes polaires et les queues hydrophobes des tensioactifs, contrairement aux systèmes à tensioactif unique où les forces électrostatiques répulsives limitent souvent l'optimisation des performances.

La cocamidopropyl bétaïne (CAPB ; SMILES : CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) est un tensioactif amphotère largement utilisé dans les formulations cosmétiques en raison de son efficacité nettoyante douce et de ses propriétés revitalisantes pour les cheveux. La nature zwitterionique de la CAPB permet une synergie électrostatique avec les tensioactifs anioniques, améliorant ainsi la stabilité de la mousse et optimisant les performances des formulations. Au cours des cinquante dernières années, les mélanges de CAPB avec des tensioactifs à base de sulfate, tels que le CAPB-lauryléthersulfate de sodium (SLES), sont devenus des ingrédients de base des produits de soins personnels. Cependant, malgré l'efficacité des tensioactifs à base de sulfate, les préoccupations liées à leur potentiel irritant cutané et à la présence de 1,4-dioxane, un sous-produit de l'éthoxylation, ont suscité un intérêt pour les alternatives sans sulfate. Parmi les candidats prometteurs figurent les tensioactifs à base d'acides aminés, tels que les taurates, les sarcosinates et les glutamates, qui présentent une biocompatibilité accrue et des propriétés plus douces [9]. Néanmoins, les groupes polaires relativement volumineux de ces alternatives empêchent souvent la formation de structures micellaires très enchevêtrées, ce qui nécessite l'utilisation de modificateurs rhéologiques.

Taurate de méthyl cocoyl de sodium (SMCT ; SMILES :
Le CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) est un tensioactif anionique synthétisé sous forme de sel de sodium par couplage amide de la N-méthyltaurine (acide 2-méthylaminoéthanesulfonique) avec une chaîne d'acide gras dérivée de la noix de coco. Le SMCT possède un groupement taurine lié par une liaison amide ainsi qu'un groupement sulfonate fortement anionique, ce qui le rend biodégradable et compatible avec le pH cutané, faisant de lui un candidat prometteur pour les formulations sans sulfate. Les tensioactifs à base de taurate sont caractérisés par leur fort pouvoir détergent, leur résistance à l'eau dure, leur douceur et leur stabilité sur une large plage de pH.

Les paramètres rhéologiques, tels que la viscosité de cisaillement, les modules viscoélastiques et la contrainte seuil, sont essentiels pour déterminer la stabilité, la texture et les performances des produits à base de tensioactifs. Par exemple, une viscosité de cisaillement élevée peut améliorer la rétention sur le substrat, tandis que la contrainte seuil détermine l'adhérence de la formulation à la peau ou aux cheveux après application. Ces propriétés rhéologiques macroscopiques sont modulées par de nombreux facteurs, notamment la concentration en tensioactif, le pH, la température et la présence de cosolvants ou d'additifs. Les tensioactifs de charges opposées peuvent subir diverses transitions microstructurales, allant des micelles et vésicules sphériques aux phases cristallines liquides, ce qui, à son tour, affecte profondément la rhéologie globale. Les mélanges de tensioactifs amphotères et anioniques forment souvent des micelles vermiformes allongées (MV), ce qui améliore considérablement les propriétés viscoélastiques. La compréhension des relations entre microstructure et propriétés est donc cruciale pour optimiser les performances du produit.

De nombreuses études expérimentales ont examiné des systèmes binaires analogues, tels que CAPB–SLES, afin d'élucider les bases microstructurales de leurs propriétés. Par exemple, Mitrinova et al. [13] ont établi une corrélation entre la taille des micelles (rayon hydrodynamique) et la viscosité de la solution dans des mélanges CAPB–SLES–co-tensioactif à chaîne moyenne, en utilisant la rhéométrie et la diffusion dynamique de la lumière (DLS). La rhéométrie mécanique permet d'étudier l'évolution microstructurale de ces mélanges et peut être complétée par la microrhéologie optique, notamment par spectroscopie d'ondes diffuses (DWS), qui étend le domaine fréquentiel accessible et permet de capturer les dynamiques à court terme particulièrement pertinentes pour les processus de relaxation des molécules à faible mobilité (WLM). En microrhéologie DWS, le déplacement quadratique moyen de sondes colloïdales immergées est suivi au cours du temps, ce qui permet d'extraire les modules viscoélastiques linéaires du milieu environnant via la relation de Stokes-Einstein généralisée. Cette technique ne nécessite que des volumes d'échantillon minimes et est donc avantageuse pour l'étude de fluides complexes avec une quantité de matériau limitée, comme les formulations à base de protéines. L'analyse des données < Δr²(t)> sur un large spectre de fréquences facilite l'estimation des paramètres micellaires tels que la taille des mailles, la longueur d'enchevêtrement, la longueur de persistance et la longueur de contour. Amin et al. ont démontré que les mélanges CAPB–SLES sont conformes aux prédictions de la théorie de Cates, présentant une augmentation marquée de la viscosité avec l'ajout de sel jusqu'à une concentration critique, au-delà de laquelle la viscosité chute brutalement – ​​une réponse typique des systèmes WLM. Xu et Amin ont utilisé la rhéométrie mécanique et la microrhéologie DWS pour examiner les mélanges SLES–CAPB–CCB, révélant une réponse rhéologique maxwellienne indicative de la formation de WLM enchevêtrés, ce qui a été corroboré par les paramètres microstructuraux déduits des mesures DWS. S'appuyant sur ces méthodologies, la présente étude intègre la rhéométrie mécanique et la microrhéologie DWS pour élucider comment les réorganisations microstructurales déterminent le comportement au cisaillement des mélanges CAPB–SMCT.

Face à la demande croissante d'agents nettoyants plus doux et plus durables, la recherche sur les tensioactifs anioniques sans sulfate s'est intensifiée malgré les difficultés de formulation. Les architectures moléculaires distinctes des systèmes sans sulfate engendrent souvent des profils rhéologiques divergents, complexifiant les stratégies conventionnelles d'augmentation de la viscosité, telles que l'épaississement par sel ou polymère. Par exemple, Yorke et al. ont exploré des alternatives sans sulfate en étudiant systématiquement les propriétés moussantes et rhéologiques de mélanges binaires et ternaires de tensioactifs contenant de l'alkyl oléfine sulfonate (AOS), de l'alkyl polyglucoside (APG) et de la lauryl hydroxysultaine. Un mélange AOS-sultaine à un ratio 1:1 a présenté des caractéristiques de fluidification par cisaillement et de formation de mousse similaires à celles du mélange CAPB-SLES, indiquant la formation de gouttelettes liquides. Rajput et al. [26] ont évalué un autre tensioactif anionique sans sulfate, le cocoylglycinate de sodium (SCGLY), ainsi que des co-tensioactifs non ioniques (cocamide diéthanolamine et lauryl glucoside) par DLS, SANS et rhéométrie. Bien que le SCGLY seul forme principalement des micelles sphériques, l'ajout de co-tensioactifs a permis la construction de morphologies micellaires plus complexes, modulables par le pH.

Malgré ces avancées, peu d'études se sont intéressées aux propriétés rhéologiques des systèmes durables sans sulfate contenant du CAPB et des taurates. Cette étude vise à combler cette lacune en fournissant l'une des premières caractérisations rhéologiques systématiques du système binaire CAPB–SMCT. En faisant varier systématiquement la composition en tensioactif, le pH et la force ionique, nous avons élucidé les facteurs régissant la viscosité de cisaillement et la viscoélasticité. Grâce à la rhéométrie mécanique et à la microrhéologie DWS, nous avons quantifié les réorganisations microstructurales sous-jacentes au comportement au cisaillement des mélanges CAPB–SMCT. Ces résultats mettent en lumière l'interaction entre le pH, le rapport CAPB–SMCT et les concentrations ioniques dans la promotion ou l'inhibition de la formation de gouttelettes lipidiques (WLM), offrant ainsi des perspectives pratiques pour l'adaptation des profils rhéologiques de produits durables à base de tensioactifs à diverses applications industrielles.