[논문 리뷰] Silicone incorporation into an esterquat based fabric softener in presence of guar polymers

Evdokia K. Oikonomou, Camille Grandisson외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 18.

Pickering emulsions and particle stabilization참고 문헌 52인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 에스터쿼터너 기반 섬유연출제에 구아르 고분자를 포함하면서도 표면활성제를 사용하지 않고 아미노기 수정 실리콘 오일을 도입하기 위한 새로운 전략을 제안한다. 이는 에스터쿼터너 비스클 또는 히드록시프로필 구아르(H-P-Guar)를 안정제로 사용함으로써 이루어지며, 실리콘 오일은 벨리큘러 구조를 해치지 않고 안정적인 나노에서 마이크로 크기의 다공성 구조를 형성한다. 이로 인해 소프트닝 성능 향상이 가능한 장기적으로 안정된 제형이 구현된다.

ABSTRACT

Fabric softeners are widely used to make clothes soft and impart nice smell. Household conditioners are water-based formulations consisting of quaternary ammonium surfactants assembled in vesicles. On the other hand, formulations used for textiles finishing are typically silicone oil emulsions. Here, these technologies are combined in a novel industrial formulation which contains both surfactant vesicles and silicone oil. In particular, we insert an amino-modified silicone oil into a recently developed softener comprising vesicles of an esterquat and guar polymers. Two strategies based on the use of esterquat or guar gum as stabilizers for the silicone incorporation in the fabric softener are proposed. Dynamic light scattering (DLS), cryogenic transmission electron microscopy (cryoTEM), optical and fluorescent microscopy are applied to study the stability and the insertion of the silicone oil into the softener. It is shown that silicone oil is stabilized by the surfactant and the guar gum in nano- or micro-metric droplets. The vesicles structure and properties are not affected by the silicone oil while the formulation stability is preserved. These findings suggest that the proposed route for adding silicone oil into a topical conditioner is a promising route for multipurpose fabric softener development.

연구 동기 및 목표

• 에스터쿼터너 비스클과 아미노기 수정 실리콘 오일을 조합하여 소프트닝 성능을 햖고, 다기능성을 갖춘 섬유연출제를 개발하기.
• 표면활성제 없이 수용성 이외의 실리콘 오일을 저에스터쿼터너, 구아르를 포함하는 제형에 안정적으로 도입하는 데 도전하는 것.
• 에스터쿼터너 비스클 또는 H-P-Guar를 에멀션제로 사용하는 두 가지 새로운 표면활성제 없는 안정화 전략을 탐색하기.
• 실리콘 오일 첨가가 비스클 구조, 다공성 크기, 장기적 제형 안정성에 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 다이나믹 라이트 산산법(DLS)을 사용하여 실리콘 오일 에멀션 및 최종 연출제의 다공성 크기 분포를 측정하였다.
• 냉각 전자현미경(cryo-TEM)을 통해 나노스케일에서 비스클 및 다공성 형태를 직접 시각화하였다.
• 광학 현미경 및 형광 현미경을 활용하여 다공성 크기, 분포 및 시간 경과에 따른 안정성을 분석하였다.
• 두 가지 다른 전략을 시험하였다: (1) 에스터쿼터너(TEQ)를 분산제로 사용하여 실리콘 오일을 사전에 에멀션화하는 것, (2) H-P-Guar를 사용하여 최종 제형 내에서 실리콘 오일 에멀션을 직접 안정화하는 것.
• 에스터쿼터너 농도를 감소시켜(6 wt.%), 양이온성 구아르(C-Guar) 및 H-P-Guar를 소량 첨가하여 점성 및 구조적 특성을 유지하였다.
• 장기적 안정성은 5개월 동안 반복적인 광학 현미경 관찰 및 시각적 관찰을 통해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면활성제 없이 에스터쿼터너/구아르 기반 섬유연출제에 아미노기 수정 실리콘 오일을 효과적으로 안정화할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 오일 도입이 에스터쿼터너 표면활성제의 비스클 구조를 해치거나 이중층 특성을 변화시키는가?
• RQ3 에스터쿼터너 비스클 또는 H-P-Guar 중 어느 안정제가 실리콘 다공성의 장기적 안정성에 더 우수한 성능을 보이는가?
• RQ4 비스클과 실리콘 다공성이 동시에 존재할 경우, 섬유 표면에 외부 및 내부의 이중 기능성 흡착 메커니즘을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 최종 제형에서 에스터쿼터너 또는 H-P-Guar로 안정화된 실리콘 상의 다공성 크기 분포는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 두 전략 모두 실리콘 오일이 50–80 nm의 나노미터 수준의 다공성으로 안정화되었으며, DLS 및 cryo-TEM로 확인된 다공성 크기 분포가 일관되게 유지되었다.
• 실리콘 오일 도입 후에도 에스터쿼터너 비스클은 구조적 완전성과 이중층 두께를 유지하여 핵심 연출제 구조에 영향을 주지 않았다.
• H-P-Guar로 안정화된 실리콘 에멀션은 2개월 이상 균일한 상태를 유지했으며, TEQ로 안정화된 에멀션은 25일 후에 상분리가 시작되었다.
• 최종 연출제 제형(SOFT 1 및 SOFT 2)은 최소 5개월 동안 안정되었으며, 다공성 크기나 질감의 변화가 없었다.
• cryo-TEM를 통한 확인을 통해 비스클과 실리콘 다공성이 동시에 존재함을 입증하였으며, 이는 상호보완적인 섬유 흡착 메커니즘의 가능성을 시사한다.
• H-P-Guar를 안정제로 사용함으로써 별도의 에멀션화 공정이 필요 없어져 제형 제조 과정이 단순화되었다.