Fiche de révision : Milieux dispersés et émulsions

📋 Plan du Cours

1. Types de milieux dispersés
2. Fabrication et stabilité des dispersions
3. Instabilités des suspensions et émulsions
4. Structure et sens des émulsions
5. Émulsifiants et choix du HLB
6. Calcul du HLB et formulation

📖 1. Types de milieux dispersés

🔑 Notions clés & Définitions

• Milieu dispersé : Système qui paraît souvent homogène à l’œil nu, mais comporte au microscope plusieurs phases incompatibles sous forme de particules, de gouttelettes ou de bulles.
• Émulsion : Dispersion de gouttelettes d’un liquide dans un autre liquide non miscible.

📝 Points essentiels

• Une mousse disperse des bulles de gaz dans un liquide, tandis qu’une mousse solide disperse des bulles de gaz dans un solide.

• Une fumée disperse des particules solides dans un gaz, tandis qu’un brouillard disperse des gouttelettes liquides dans un gaz.

• Une émulsion à gouttelettes de taille supérieure au micromètre est opaque, tandis qu’une microémulsion, dont la phase dispersée est très inférieure au micromètre, est limpide ou opalescente.

📖 2. Fabrication et stabilité des dispersions

★ À maîtriser

• La fabrication d’une émulsion nécessite un mélange énergique, parfois complété par un cisaillement qui étire et coupe les gouttelettes.

• La fabrication d’une suspension consiste à mouiller la poudre avec peu de liquide et un additif mouillant, puis à disperser les particules et détruire les agglomérats avec un disperseur à disque denté à grande vitesse.

Compléments

• Un broyeur à billes réduit la taille des particules primaires en les écrasant.

• La stabilité est définie dans le cours comme un mouvement des particules inférieur à 1 mm par jour.

💡 Astuce mémo

Particules plus petites, milieu plus visqueux et densités rapprochées → migration ralentie.

📖 3. Instabilités des suspensions et émulsions

★ À maîtriser

📐 Formule - La loi de Stokes donne la vitesse de migration d’une particule : $V=\frac{2r^2g\Delta\rho}{9\mu}$.

• La vitesse de migration est réduite par :
  • Une petite taille de particule.
  • Une viscosité élevée de la phase continue.
  • Un faible écart de masse volumique entre les particules et le milieu.

📌 Dans une suspension, les particules solides floculent sous l’effet de liaisons intermoléculaires telles que les liaisons hydrogène et les interactions de Van der Waals; la sédimentation concerne les particules plus denses que le liquide, tandis que le crémage concerne celles qui sont moins denses.

📌 Dans une émulsion, la floculation peut précéder la coalescence, au cours de laquelle les gouttelettes fusionnent et réduisent l’aire interfaciale et l’énergie du système.

Compléments

📐 Formule - À la vitesse constante, le poids moins la poussée d’Archimède est équilibré par la force visqueuse : $\Delta\rho\,\frac{4}{3}\pi r^3g=6\pi\mu Vr$.

• La centrifugation teste la stabilité en augmentant artificiellement la pesanteur.

• Le mûrissement d’Ostwald transfère des molécules dissoutes de la phase dispersée des petites gouttelettes vers les plus grosses, et peut concerner des huiles aromatiques plus ou moins hydrosolubles ou l’éthanol.

💡 Astuce mémo

Suspension : particules solides ; émulsion : gouttelettes liquides.

📖 4. Structure et sens des émulsions

★ À maîtriser

📐 Formule - La fraction volumique de la phase interne est le rapport de son volume au volume total de l’émulsion : $\varphi=\frac{V_{\text{phase interne}}}{V_{\text{total}}}$.

📌 Une émulsion directe disperse l’huile dans l’eau (H/E, O/W ou L/H), tandis qu’une émulsion inverse disperse l’eau dans l’huile (E/H, W/O ou H/L).

Compléments

• Une émulsion très concentrée présente des gouttelettes en contact lorsque la fraction volumique dépasse 30 %; elle devient visqueuse au-delà de 74 %.

• Le sens d’une émulsion peut être identifié par la diffusion sélective d’un colorant, la conductance, le mélange à l’eau ou le rinçage sur la peau : colorant hydrophile diffusant ou conductance non nulle indiquent une phase continue aqueuse; une émulsion directe se disperse dans l’eau et se rince facilement, contrairement à une émulsion inverse qui forme des gouttes grasses et laisse un film gras.

💡 Astuce mémo

H/E : huile dispersée dans l’eau ; E/H : eau dispersée dans l’huile.

📖 5. Émulsifiants et choix du HLB

🔑 Notions clés & Définitions

• Émulsifiant : Tensioactif qui facilite la formation des émulsions et les stabilise en réduisant la tension interfaciale entre l’eau et l’huile, donc l’énergie de surface.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie de surface d’une interface est donnée par $E=\gamma S$, où $\gamma$ est la tension interfaciale et $S$ l’aire de l’interface.

📌 Le HLB est une grandeur sans unité comprise entre 0 et 20 pour les tensioactifs neutres et supérieure à 20 pour les tensioactifs ioniques; un HLB plus élevé correspond à un tensioactif plus hydrophile et plus miscible à l’eau.

Compléments

• La tension interfaciale eau-huile est de 30 à 50 mJ·m⁻² sans tensioactif adapté et de 0,1 à 10 mJ·m⁻² avec un tensioactif adapté.

📌 La règle de Bancroft indique que la phase continue est celle dans laquelle le tensioactif est le plus soluble, mais le cours précise que cette règle n’est pas toujours respectée.

• Les tensioactifs éthoxylés comme les Tween, à longues chaînes hydrophiles encombrantes, stabilisent les émulsions directes par répulsion stérique.

💡 Astuce mémo

Tension interfaciale réduite → énergie de surface réduite → émulsion plus stable.

📖 6. Calcul du HLB et formulation

🔑 Notions clés & Définitions

• HLB requis : Valeur de HLB du tensioactif qui produit la meilleure émulsion avec cette phase grasse dans le sens choisi.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le HLB d’un mélange de tensioactifs est la moyenne pondérée par leurs masses : $HLB_m=\frac{\sum_i m_iHLB_i}{\sum_i m_i}$, où les masses sont celles des tensioactifs seulement.

• Pour formuler une émulsion, on choisit la phase grasse, détermine son HLB requis, puis sélectionne un mélange de tensioactifs de HLB correspondant à environ 0,5 ou 1 près; le choix tient aussi compte de la stabilité, du sens voulu, de l’efficacité, du coût, de la disponibilité, de la facilité d’emploi et de la réglementation.

Compléments

• Dans 100 g d’émulsion contenant 3,5 g d’un tensioactif de HLB 5,7 et 1,5 g d’un tensioactif de HLB 14,3, le HLB du mélange de tensioactifs est 8,3.

📐 Formule - Le HLB requis d’un mélange de matières grasses est la moyenne pondérée par leurs masses ou leurs fractions massiques : $RHLB_m=\frac{\sum_i m_iRHLB_i}{\sum_i m_i}=\sum_i x_iRHLB_i$.

• La masse totale de tensioactifs utilisée est inférieure à 10 % de la masse totale de l’émulsion, ou parfois de la phase dispersée, et se détermine à partir des fiches techniques et d’essais de fabrication.

💡 Astuce mémo

Phase grasse → HLB requis → mélange de tensioactifs adapté.