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RÉSUMÉ
Les dispersions sont des systèmes formés d’un liquide dans lequel sont immergées des petites particules solides. Il existe différents types de dispersion, qui sont majoritairement utilisées comme intermédiaire de fabrication. Mais ces dispersions sont complexes à utiliser car elles ne sont jamais stables et possèdent des propriétés mécaniques, optiques et physico-chimiques originales. Ainsi le formulateur, par son action sur les compositions des deux phases, doit obtenir une dispersion dont les propriétés d’usage justifient les efforts déployés lors de sa fabrication.
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Bernard CABANE : Directeur de recherche au CNRS École supérieure de physique et de chimie industrielles (ESPCI) Laboratoire de physique et de mécanique de la matière hétérogène - Membre correspondant de l’Académie des sciences
INTRODUCTION
Les dispersions solide/liquide sont des systèmes formés d’un liquide dans lequel sont immergées des petites particules solides. Typiquement, la phase continue liquide est une phase aqueuse ou une huile ; les particules solides sont constituées d’oxydes métalliques ou de polymères organiques. Des exemples typiques sont les peintures et toutes les pâtes colorées utilisées pour faire des revêtements, certains matériaux de structure (ciments, élastomères renforcés) et un bon nombre de produits pharmaceutiques ou cosmétiques.
La plupart des dispersions sont utilisées comme intermédiaires de fabrication : on fabrique une dispersion qui est dans un état liquide, on l’applique par étalement, extrusion ou injection, et on fait une transformation physique (évaporation) ou chimique (réaction) pour faire passer le film ou le matériau à l’état solide. D’autres sont utilisées telles quelles, comme vecteurs de molécules actives (en pharmacie ou dans les produits de soins corporels), ou comme agents de capture de molécules cibles (dans les tests de diagnostic médical).
Pour le formulateur, les dispersions posent deux types de problèmes. Tout d’abord, ce ne sont jamais des systèmes stables, au sens de la thermodynamique. En effet, les particules solides sont séparées de la phase continue liquide par des interfaces, qui augmentent l’énergie libre de la dispersion par rapport à un système dans lequel tout le solide serait rassemblé en un seul domaine homogène. Il y a donc plusieurs évolutions possibles, par agrégation, mûrissement ou coalescence, que le formulateur doit maîtriser. Ensuite, les dispersions ont des propriétés originales, qui différent des propriétés des phases constituantes. Ces propriétés sont des propriétés mécaniques (écoulement de la dispersion lorsqu’elle est à l’état fluide, résistance mécanique lorsqu’elle est à l’état solide), des propriétés optiques (transparence ou opacité, réflectance ou diffusion de lumière), et des propriétés physico-chimiques (mouillage, adsorption ou adhésion, libération ou capture d’actifs).
Le formulateur doit assurer, par son action sur les compositions de la phase dispersée et de la phase continue, que les propriétés d’usage de la dispersion justifient les efforts qu’on a déployés pour la fabriquer.
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3. Instabilité ou métastabilité
Aucune dispersion n’est réellement stable ; les affirmations qui décrivent certaines dispersions comme « stables » ou « très stables » sont fallacieuses. En fait, les dispersions sont soit instables, soit métastables. La maîtrise de leur instabilité est le problème principal que doit résoudre le formulateur. En effet, tout le monde (ou presque) peut fabriquer une formule, en appliquant des principes connus ; par contre, il est souvent très difficile de garantir la stabilité de ces formules, sauf dans le cas de systèmes modèles.
Le contrôle de la stabilité à long terme d’une dispersion est un problème particulièrement difficile : comment savoir maintenant si, dans un an, l’état de la dispersion ne sera pas partiellement dégradé ? Il est illusoire d’espérer déterminer les conditions de stabilité optimales par des variations systématiques des paramètres de formulation. En effet, cette approche demanderait la variation d’un nombre beaucoup trop grand de paramètres, et, de plus, ces variations ont des effets non réguliers sur la stabilité, ce qui exclut les représentations linéaires ou polynomiales habituellement utilisées. En fait, on ne peut espérer contrôler la stabilité d’une dispersion que si l’on comprend quels facteurs font que cette dispersion n’est pas un système stable, et quels chemins elle risque de suivre pour retourner à un état plus favorable, du point de vue de son énergie libre. L’identification de ces chemins de dégradation n’est, en général, pas très difficile ; on peut ensuite mesurer les vitesses de dégradation ou les seuils qui s’opposent à la dégradation spontanée et, enfin, manipuler les coefficients cinétiques ou les seuils de manière à obtenir une stabilité compatible avec l’application envisagée.
3.1 Causes d’instabilité
3.1.1 Énergie gravitationnelle
Dans la mesure où leurs particules sont très petites, les dispersions colloïdales sont peu sensibles à l’action de la gravité, et l’agitation thermique suffit généralement à disperser les particules. Cependant, lorsque les particules ont une densité élevée...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - EVANS (D.F.), WENNERSTRÖM (H.) - The colloidal domain - . Wiley, New York (1994).
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