Stabilisation des milieux dispersés

Formulation des suspensions

Formulation des émulsions

Cas des mousses

 

3. Stabilisation des milieux dispersés

 

Les méthodes de stabilisation des milieux dispersés sont très variables. Elles dépendent du type de milieu dispersé (suspension, émulsion, etc.), du milieu de dispersion (phase aqueuse ou phase solvant, pH, salinité, etc.), des constituants de la formule, ainsi que de l’utilisation prévue pour le produit formulé. Le but de ce chapitre est de décrire plusieurs méthodes permettant d’obtenir une formulation homogène et stable.

 

3.1 Formulation des suspensions

Exemple 3.1.1 Suspensions utilisées en formulation :

Produit Phase dispersée Milieu de dispersion

Pâte dentifrice acide silicique (abrasif) eau Crème solaire dioxyde de titane eau Peinture dioxyde de titane eau Encre grasse pigment solvant organique Pâte à crêpe farine lait

 

3.1.1 Influence du milieu sur la stabilité

Dans cette section, nous évoquerons uniquement le cas de la phase aqueuse, l’influence du milieu jouant un rôle bien moins important dans un solvant organique.

Charges de surface

En dispersion dans l’eau (milieu polaire), la plupart des solides acquièrent des charges de surface. Celles-ci peuvent avoir plusieurs origines :

• Groupements ionisables en surface (exemple : les particules d’alumine possèdent à

leur surface des groupements Al − OH basiques) ;

• Solubilisation préférentielle d’ions (exemple : chlorure d’argent : les ions argent

sont préférentiellement solvatés, laissant une surface chargée négativement) ;

32 Chapitre 3. Stabilisation des milieux dispersés

• Adsorption d’ions (exemple : tensioactifs ioniques).

Plus cette charge de surface est importante, plus stable est la suspension. En effet,

celle-ci crée une force de répulsion entre les particules, susceptible de vaincre les forces

intermoléculaires.

Influence du pH

La charge de surface peut être modifiée avec le pH. Dans le cas de l’alumine, par

exemple, la surface des particules se charge positivement lorsque le pH est suffisamment bas :

 

Al + + − OH + H −→ Al − OH

2

 

En milieu très basique, les particules vont au contraire acquérir une charge négative en raison de la réaction suivante :

 

Al − + − OH −→ Al − O + H

 

Il existe donc une valeur de pH (appelée point isoélectrique) pour laquelle la charge

de surface s’annule (voir figure 3.1 ; en réalité, on ne peut pas mesurer directement la charge de surface, on mesure un potentiel électrique appelé potentiel zéta). À ce pH, la suspension flocule. Il est donc impératif, que le pH d’une suspension ne passe jamais par le point isoélectrique, au moment de sa fabrication ou de son utilisation : même une fluctuation de pH passant par le point isoélectrique est susceptible de provoquer une floculation.

 

Figure 3.1 – Point isolélectrique de l’alumine 3.1 Formulation des suspensions 33

Lorsque l’on formule en phase aqueuse, il convient d’éviter au maximum les fortes

variations de pH (« choc de pH »).

Influence de la salinité

En ajoutant un sel dans l’eau (milieu de dispersion), les charges apportées par celui-ci jouent un rôle d’écran entre les particules, ce qui affaiblit les forces répulsives dues aux charges de surface. Ainsi, plus la salinité augmente, plus il y a risque de floculation. La qualité de l’eau est donc une composante essentielle de la stabilité d’une dispersion (utilisation d’eau déminéralisée, ou d’eau purifiée).

 

R La formation des deltas, à l’embouchure des cours d’eau est une bonne illustration

de l’influence de la salinité sur la stabilité des suspensions. La figure 3.4, représente l’eau d’une rivière (à droite), contenant des particules d’argile en suspension. La rencontre avec l’eau saline de l’océan (à gauche) provoque la floculation, puis la sédimentation de ces particules, ce qui crée le delta.

 

Figure 3.2 – Formation des deltas

Influence de la taille des particules

Plus les particules en suspension sont petites, plus stable est cette suspension. Un processus de dispersion efficace lors de la fabrication d’un produit formulé est donc la première condition d’une bonne stabilité.

Influence des autres constituants

Supposons que la suspension à stabiliser soit une suspension de dioxyde de titane enrobé d’alumine, et que l’on se trouve en milieu légèrement acide. Nous avons vu

(section 3.1.1) que dans ce cas, les particules présentent une charge de surface positive. Supposons également que la formule contienne un polymère dispersé dans l’eau (un liant par exemple) : il est alors préférable que ce polymère soit stabilisé en acquérant des charges de surface également positives. Dans le cas contraire, il y a risque de floculation avec le pigment.

34 Chapitre 3. Stabilisation des milieux dispersés

3.1.2 Méthodes de stabilisation

Mouillants et dispersants

Lors de la fabrication d’une suspension deux processus interviennent successivement :

• Mouillage : les agglomérats de particules solides renferment de l’air. Le mouillage

consiste à remplacer l’interface solide-air, par une interface solide-liquide (le liquide étant le milieu de dispersion). Pour favoriser ce processus, on peut employer des agents mouillants, c’est-à-dire des tensioactifs permettant d’abaisser la tension superficielle du milieu de dispersion (voir chapitre consacré au mouillage).

 

Figure 3.3 – Mouillage de pigments de « bleu phtalo » par l’eau

• Dispersion : il s’agit de la destruction des agglomérats pour obtenir des particules

isolées, dites particules primaires. Cette opération est réalisée par apport d’énergie mécanique, par exemple à l’aide d’un disperseur. Les dispersants sont utilisés pour stabiliser la suspension obtenue, c’est-à-dire éviter le processus inverse de

floculation (leur mode d’action est détaillé à la section 3.1.3).

 

Figure 3.4 – Processus d’obtention d’une suspension stable

 

R Il n’est pas possible de diminuer la taille des particules par simple dispersion. Cela

nécessite une opération de broyage.

3.1 Formulation des suspensions 35

Épaississement de la phase continue

Certaines suspensions peuvent être stabilisées sans l’emploi d’agents dispersants. On peut en effet également recourir à un épaississant : par augmentation de la viscosité du milieu, les mouvements sont bloqués, ce qui permet d’éviter le phénomène de floculation (cette méthode est par exemple utilisée pour stabiliser la pâte dentifrice, ou certaines suspensions alimentaires).

 

3.1.3 Mode d’action des agents dispersants

Les agents dispersants sont des additifs permettant d’empêcher le phénomène de floculation en créant des forces de répulsion entre les particules. Leur structure dépend du type de solide à disperser (organique ou inorganique) et de la phase continue (phase aqueuse ou phase solvant). Deux mécanismes interviennent principalement :

• répulsion électrostatique ;

• répulsion stérique.

Stabilisation électrostatique

Cette méthode convient lorsque le milieu de dispersion est l’eau. Il s’agit d’augmenter la charge de surface des particules de manière à créer des forces de répulsion électrosta-tique. Les contre-ions se concentrent à proximité de la surface des pigments (dans la

phase liquide) pour former une double couche électrique (figure 3.5).

 

Figure 3.5 – Stabilisation électrostatique

 

Plus cette couche est épaisse, plus la stabilisation sera performante. Les additifs utilisés dans de tels systèmes sont des polyélectrolytes (polymères chargés), tels que les polyphosphates, ou le polyacrylate de sodium.

Exemple 3.1.4 Le polyacrylate de sodium est un agent dispersant utilisé notamment

dans la formulation des peintures. Il s’agit d’un polymère anionique formé en milieu

basique :

 −    HO CH2 CH −−−→ CH2 CH

   

n n

COOH − COO

En s’enroulant autour des particules solides, ce polymère augmente la densité de

charge à leur surface.