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RÉSUMÉ
Cet article propose une introduction aux émulsions et traite les aspects fondamentaux de leur formation et de leur stabilité, mais aussi leur caractérisation et leur contrôle au niveau industriel. Après quelques définitions, l'aspect physico-chimique de ces systèmes est abordé : mécanismes de rupture des gouttes, instabilités, rôle et critère de choix des émulsifiants. Sont ensuite exposées les stratégies de formulation, le choix des constituants, l'importance du mode opératoire, les difficultés posées par le transfert d'échelle et les techniques par inversion de phases. Les techniques et les procédures de caractérisation des émulsions sont passées en revue : inspection visuelle, microscopie, granulomètre, rhéologie, stabilité à long terme et techniques dites de "vieillissement accéléré". Cet article se termine en évoquant le cas d'émulsions moins ordinaires, comme les émulsions transparentes, concentrées, multiples et stimulables.
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Pascal BROCHETTE : Docteur de l'Université Paris VI, HDR, France - Atellane sarl, l'herbergement, France - Fondateur, formateur et consultant
INTRODUCTION
Le terme émulsion vient probablement du latin « emulgere », qui signifie traire. Ce terme désigne aujourd'hui un système comprenant au moins deux liquides non miscibles, dont l'un est dispersé dans l'autre, sous une forme plus ou moins stable. Rigoureusement parlant, une émulsion est instable du point de vue de la thermodynamique. En pratique, on constate des stabilités qui peuvent atteindre plusieurs années. La stabilisation du système dépend à la fois de l'énergie dépensée pour disperser un liquide dans l'autre, et du savoir-faire du formulateur à qui revient le choix des stabilisants.
La fabrication des émulsions est connue depuis l'antiquité, mais leur étude scientifique ne date que du début du XX e siècle . En quelque 100 ans, la connaissance et l'utilisation des émulsions dans différentes applications a pris une ampleur extraordinaire. Cet article tente de décrire de manière concise, d'une part la physique des émulsions, et d'autre part un aspect pratique de l'élaboration et de l'étude de ces systèmes.
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- Version archivée 1 de déc. 1999 par Pascal BROCHETTE
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3. Stratégies pour la formulation
3.1 Rationalisation du choix des constituants
Il est conseillé d'adopter une approche rationnelle du choix des constituants. Le formulateur doit commencer par choisir le type d'émulsion qu'il veut réaliser : eau dans huile (E/H) ou huile dans eau (H/E). Il devrait ensuite s'efforcer de justifier la présence de chacun des constituants en le mettant en correspondance avec les fonctions attendues telles qu'elles pourraient découler d'une analyse fonctionnelle du produit (matrice QFD ).
Il est utile de bien spécifier les composants émulsifiants (tensioactifs, polymères, particules solides).
Une démarche saine en formulation est de choisir un couple de tensioactifs dont l'un est lipophile et l'autre hydrophile. Leur mélange permet d'ajuster très finement les propriétés du film interfacial et de profiter éventuellement d'une adsorption rapide permettant des tailles de goutte réduites. Si une réaction chimique dans la formulation peut permettre de générer des tensioactifs in situ (c'est par exemple le cas des sels d'acides gras que l'on peut former a pH alcalin), il convient de compter ce type de composé dans les tensioactifs et non dans la phase grasse. La teneur en tensioactif pour une émulsion réalisée au rotor-stator est de l'ordre de 1 à 3 % en masse, ce qui – pour des émulsions ayant des gouttes micrométriques – correspond à un assez large excès de tensioactifs. Cet excès est cependant nécessaire car il assure une couverture plus rapide des surfaces créées lors de l'émulsification et permet une plus grande finesse de l'émulsion. Pour des nanoémulsions, il peut par contre être nécessaire de mettre plus d'émulsifiant car la surface développée par litre peut dépasser 15 000 m2 (surface interfaciale pour une émulsion contenant 10 % en volume d'huile sous forme de gouttelettes de 20 nm).
Les polymères utilisés pour le contrôle du comportement rhéologique de l'émulsion (le comportement en écoulement que doit posséder l'émulsion aura été décrit dans le cahier des charges fonctionnel) permettent aussi souvent d'améliorer la stabilité...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LISSANT (K.J.) - Emulsification and demulsification – An historical overview (Émulsification et désémulsion. Tour d'horizon historique). - Colloids Surf., 29, p. 1-5 (1988).
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(2) - BANCROFT (W.D.) - The theory of emulsification I, II, III, IV(La théorie de l'émulsification). - J. Phys. Chem., 16, p. 34-54, Ibid. 345-372, Ibid. 475-512, Ibid. 739-758 (1912).
-
(3) - BOURREL (M.), SCHECHTER (R.S.) - Microemulsions and related systems (Microémulsions et systèmes connexes). - Surfactant Sciences Serie, DEKKER (M.) (1988).
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(4) - BIBETTE (J.), LEAL-CALDERON (F.) - Surfactant-stabilized emulsions (Émulsions stabilisées par des tensioactifs). - Current Opinion in Colloid & Interface Science, 1(6), p. 746-751 (1996).
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(5) - KOKAL (S.), ARAMCO (S.) - Crude oil emulsions : A state-of-the-art review (Émulsions de brut pétrolier : revue de l'état de l'art). - Society of Petroleum Engineers (SPE Annaul Technical Conference and Exhibition). Disponible en ligne http://www.onepetro.org (doc ID : 77 497-MS)
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
MALVERN INSTRUMENTS SA (zetamétrie, granulométrie par corrélation de photons [PCS] et diffraction laser [SLS], Analyse d"images) http://www.malvern.co.uk
CORDOUAN TECHNOLOGIE (granulométrie par corrélation de photons [PCS], zetamétrie, systèmes concentrés) http://www.cordouan-tech.com
DISPERSION TECHNOLOGY, INC. (granulométrie par atténuation acoustique, systèmes concentrés) http://www.dispersion.com
COULTRONICS FRANCE S.A. (granulométrie par compteur Coulter, corrélation de photons [diffusion dynamique] et diffraction laser [diffusion statique]) http://www.beckman-coulter.com
BROOKHAVEN INSTRUMENTS, S.A.R.L. (zetamétrie, granulométrie par corrélation de photons [PCS] et diffraction laser [SLS]) http://www.brookhaveninstruments.com
CILAS (granulométrie par corrélation de photons [PCS] et diffraction laser [SLS]) http://www.cilas.com
HORIBA FRANCE SARL (granulométrie par analyse d"images et par diffraction laser [SLS]) http://www.horiba.com/fr/scientific/products/particle-characterization/
SYMPATEC GMBH, System-Partikel-Technik (granulométrie par diffraction laser [diffusion statique] et atténuation...
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