Comment quantifier la solubilité ?

action sur le support (ex : détrempe d’une matière plastique, ou pénétration cutanée), inflammabilité, toxicité, coût, etc.

4.1 Comment quantifier la solubilité ?

4.1.1 Le phénomène de dissolution

La dissolution d’un polymère est un processus lent qui peut parfois prendre plusieurs

heures, voire plusieurs jours, selon la structure du polymère (poids moléculaire, taux de cristallinité, polarité, taux de réticulation, etc.). Plusieurs phénomènes se produisent lors du processus de dissolution : gonflement des particules solides, formation d’un gel,

puis obtention d’une solution translucide (voir figure 4.1).

Figure 4.1 – Dissolution d’un polymère. Les différentes étapes du processus.

Définition 4.1.1 — solution. Mélange homogène (monophasique) résultant de la disso-

lution d’un ou plusieurs soluté(s) dans un solvant. On reconnaît généralement une

solution à son aspect translucide.

Comment interpréter ces phénomènes ? Examinons pour cela ce qui se produit au

niveau microscopique. Un polymère solide correspond à un ensemble de macromolécules enchevêtrées et en interaction les unes avec les autres. Lorsque l’on introduit un solvant, ses molécules pénètrent progressivement le polymère afin d’interagir avec les macromolé-cules. Les chaînes macromoléculaires s’éloignent, leurs interactions mutuelles diminuent, et ces macromolécules finissent par ne plus se « voir » : elles sont indépendantes et libres

de leurs mouvements (voir figure 4.2) !

4.1 Comment quantifier la solubilité ? 53

Figure 4.2 – Dissolution d’un polymère. Aspect microscopique.

4.1.2 Quelques définitions

Définition 4.1.2 — Solvant vrai. Liquide volatil pouvant dissoudre totalement une

substance donnée (ici un polymère), dans les conditions d’utilisation.

Définition 4.1.3 — Plastifiant. Liquide non volatil pouvant dissoudre totalement une

substance donnée (ici un polymère), dans les conditions d’utilisation.

Définition 4.1.4 — Diluant. Liquide non volatil au pouvoir solvant limité, voire nul.

Cependant, une certaine quantité peut être tolérée en présence d’un solvant vrai. Il

est ajouté pour réduire les coûts en solvant.

Définition 4.1.5 — Solvant latent. Liquide volatil dont le pouvoir solvant est quasi-nul

lorsqu’il est employé seul. Cependant, il permet d’augmenter la solubilité lorsqu’il est

utilisé conjointement à un autre solvant.

Exemple 4.1.1 Cas de la nitrocellulose :

• Solvants vrais : cétones (acétone, méthyléthylcétone, méthylisobutylcétone). • Solvants latents : alcools (éthanol, butanol, isopropanol)

4.1.3 Les grandes familles de solvants

On peut classer les solvants selon :

• Leur polarité. Celle-ci est caractérisée par le moment dipolaire µ du solvant.

• Leur capacité à engager des liaisons hydrogènes. C’est le cas lorsqu’un solvant

possède des atomes d’hydrogènes liés à des hétéroatomes (O, N, S principalement).

54 Chapitre 4. Formuler en phase solvant

Il est ainsi d’usage de définir 3 groupes :

1. Solvants apolaires aprotiques : hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, etc. 2. Solvants polaires protiques : eau, alcools, éthers de glycol, acides carboxyliques,

amines primaires et secondaires, etc.

3. Solvants polaires aprotiques : cétones, esters, etc.

4.1.4 Estimation du pouvoir solvant

Le pouvoir solvant peut être simplement défini comme l’aptitude d’un solvant à

mettre en solution une substance donnée. Cependant, une telle définition ne permet pas de quantification. Plusieurs méthodes permettent d’évaluer empiriquement le pouvoir solvant. Citons les 4 principales.

Mesures viscosimétriques

Il s’agit d’une évaluation comparative, pratique lorsqu’on veut comparer le pouvoir

solvant de différents solvants vis-à-vis d’une substance donnée. Il s’agit alors de réaliser des solutions de même extrait sec et de comparer les viscosités à bas gradient de vitesse de ces différentes solutions. Plus la viscosité de la solution est basse, plus le pouvoir solvant est élevé.

Figure 4.3 – Mise en évidence par viscosimétrie du rôle de solvant latent de l’éthanol dans un système nitrocellulose / acétate de butyle.

Taux de gonflement

Une pastille de polymère sec est réalisée, pesée, puis immergée dans le solvant étudié

pendant 48 heures (le temps peut différer selon les méthodes et suivant la cinétique de gonflement du polymère). Cette pastille est à nouveau pesée et on peut alors calculer le taux de gonflement comme suit :

mg − mi

G = (4.1)

m i

Où m est la masse initiale de polymère sec, et la masse de polymère gonflé. On peut i m g

dès lors estimer que le pouvoir solvant sera d’autant plus grand que G sera élevé. 4.2 Comment prévoir le pouvoir solvant ? 55