Émulsion - Emulsion

  1. Deux liquides non miscibles, pas encore émulsionnés
  2. Une émulsion de Phase II dispersée dans la Phase I
  3. L'émulsion instable se sépare progressivement
  4. Le tensioactif (contour autour des particules) se positionne sur les interfaces entre la Phase II et la Phase I, stabilisant l'émulsion

Une émulsion est un mélange de deux ou plusieurs liquides qui sont normalement non miscibles (ne pouvant être mélangés ou mélangés) en raison de la séparation des phases liquide-liquide . Les émulsions font partie d'une classe plus générale de systèmes de matière à deux phases appelés colloïdes . Bien que les termes colloïde et émulsion soient parfois utilisés de manière interchangeable, l' émulsion doit être utilisée lorsque les deux phases, dispersée et continue, sont des liquides. Dans une émulsion, un liquide (la phase dispersée ) est dispersé dans l'autre (la phase continue). Des exemples d'émulsions comprennentvinaigrettes , lait homogénéisé , condensats biomoléculaires liquides et certains fluides de coupe pour le travail des métaux .

Deux liquides peuvent former différents types d'émulsions. A titre d'exemple, l'huile et l'eau peuvent former, tout d'abord, une émulsion huile-dans-eau, dans laquelle l'huile est la phase dispersée, et l'eau est la phase continue. Deuxièmement, ils peuvent former une émulsion eau-dans-huile, dans laquelle l'eau est la phase dispersée et l'huile est la phase continue. Des émulsions multiples sont également possibles, dont une émulsion « eau-dans-huile-dans-eau » et une émulsion « huile-dans-eau-dans-huile ».

Les émulsions, étant liquides, ne présentent pas de structure interne statique. Les gouttelettes dispersées dans la phase continue (parfois appelée "milieu de dispersion") sont généralement supposées être distribuées statistiquement pour produire des gouttelettes grossièrement sphériques.

Le terme « émulsion » est également utilisé pour désigner le côté photosensible du film photographique . Une telle émulsion photographique est constituée de particules colloïdales d' halogénure d'argent dispersées dans une matrice de gélatine . Les émulsions nucléaires sont similaires aux émulsions photographiques, sauf qu'elles sont utilisées en physique des particules pour détecter les particules élémentaires de haute énergie .

Étymologie

Le mot « émulsion » vient du latin emulgere « to milk out », de ex « out » + mulgere « to milk », car le lait est une émulsion de graisse et d'eau, ainsi que d'autres composants, dont les micelles de caséine colloïdale (un type de condensat biomoléculaire sécrété ).

Apparence et propriétés

Définition IUPAC

Système fluide dans lequel des gouttelettes de liquide sont dispersées dans un liquide.

Note 1 : La définition est basée sur la définition de la réf.

Note 2 : Les gouttelettes peuvent être amorphes, cristallines liquides ou tout
mélange de celles-ci.

Note 3 : Les diamètres des gouttelettes constituant la phase dispersée sont
généralement compris entre environ 10 nm et 100 µm ; c'est-à-dire que les gouttelettes
peuvent dépasser les limites de taille habituelles pour les particules colloïdales .

Note 4 : Une émulsion est dite émulsion huile/eau (o/w) si la
phase dispersée est une matière organique et la phase continue est de l'
eau ou une solution aqueuse et est dite eau/huile (e/o) si la
phase dispersée est de l'eau ou une solution aqueuse et la phase continue est un
liquide organique (une "huile").

Note 5 : Une émulsion w/o est parfois appelée émulsion inverse.
Le terme « émulsion inverse » est trompeur, suggérant à tort que
l'émulsion a des propriétés opposées à celles d'une émulsion.
Son utilisation est donc déconseillée.

Les émulsions contiennent à la fois une phase dispersée et une phase continue, la limite entre les phases étant appelée « interface ». Les émulsions ont tendance à avoir un aspect trouble car les nombreuses interfaces de phases diffusent la lumière lorsqu'elle traverse l'émulsion. Les émulsions apparaissent blanches lorsque toute la lumière est diffusée de manière égale. Si l'émulsion est suffisamment diluée, la lumière à haute fréquence (faible longueur d'onde) sera davantage diffusée et l'émulsion apparaîtra plus bleue  – c'est ce qu'on appelle « l' effet Tyndall ». Si l'émulsion est suffisamment concentrée, la couleur sera déformée vers des longueurs d'onde comparativement plus longues et apparaîtra plus jaune . Ce phénomène est facilement observable lorsque l'on compare le lait écrémé , qui contient peu de matière grasse, à la crème , qui contient une concentration beaucoup plus élevée de matière grasse laitière. Un exemple serait un mélange d'eau et d'huile.

Deux classes spéciales d'émulsions – les microémulsions et les nanoémulsions, avec des tailles de gouttelettes inférieures à 100 nm – semblent translucides. Cette propriété est due au fait que les ondes lumineuses ne sont diffusées par les gouttelettes que si leurs tailles dépassent environ un quart de la longueur d'onde de la lumière incidente. Étant donné que le spectre visible de la lumière est composé de longueurs d'onde comprises entre 390 et 750 nanomètres (nm), si la taille des gouttelettes dans l'émulsion est inférieure à environ 100 nm, la lumière peut pénétrer à travers l'émulsion sans être diffusée. En raison de leur similitude d'apparence, les nanoémulsions et les microémulsions translucides sont fréquemment confondues. Contrairement aux nanoémulsions translucides, qui nécessitent un équipement spécialisé pour être produites, les microémulsions sont spontanément formées en "solubilisant" les molécules d'huile avec un mélange de tensioactifs , de co-tensioactifs et de co- solvants . La concentration en tensioactif requise dans une microémulsion est cependant plusieurs fois supérieure à celle d'une nanoémulsion translucide et dépasse largement la concentration de la phase dispersée. En raison de nombreux effets secondaires indésirables provoqués par les tensioactifs, leur présence est désavantageuse ou prohibitive dans de nombreuses applications. De plus, la stabilité d'une microémulsion est souvent facilement compromise par dilution, par chauffage ou par modification des niveaux de pH.

Les émulsions courantes sont intrinsèquement instables et, par conséquent, n'ont pas tendance à se former spontanément. L'apport d'énergie - par agitation, agitation, homogénéisation ou exposition à des ultrasons de puissance  - est nécessaire pour former une émulsion. Au fil du temps, les émulsions ont tendance à revenir à l'état stable des phases constituant l'émulsion. Un exemple de ceci est vu dans la séparation des composants d'huile et de vinaigre de la vinaigrette , une émulsion instable qui se séparera rapidement à moins d'être secouée presque continuellement. Il existe d'importantes exceptions à cette règle : les microémulsions sont thermodynamiquement stables, tandis que les nanoémulsions translucides sont cinétiquement stables.

Le fait qu'une émulsion d'huile et d'eau se transforme en une émulsion « eau dans huile » ou une émulsion « huile dans eau » dépend de la fraction volumique des deux phases et du type d'émulsifiant (tensioactif) (voir Émulsifiant ci-dessous) présent.

Instabilité

La stabilité de l'émulsion fait référence à la capacité d'une émulsion à résister au changement de ses propriétés au fil du temps. Il existe quatre types d'instabilité dans les émulsions : floculation , crémage / sédimentation , coalescence et maturation d'Ostwald . La floculation se produit lorsqu'il y a une force d'attraction entre les gouttelettes, de sorte qu'elles forment des flocs, comme des grappes de raisin. Ce processus peut être souhaité, s'il est contrôlé dans son étendue, pour ajuster les propriétés physiques des émulsions telles que leur comportement d'écoulement. La coalescence se produit lorsque les gouttelettes se heurtent et se combinent pour former une gouttelette plus grosse, de sorte que la taille moyenne des gouttelettes augmente avec le temps. Les émulsions peuvent également subir un crémage , où les gouttelettes montent au sommet de l'émulsion sous l'influence de la flottabilité , ou sous l'influence de la force centripète induite lors de l'utilisation d'une centrifugeuse . Le crémage est un phénomène courant dans les boissons laitières et non laitières (c'est-à-dire le lait, le lait de café, le lait d'amande, le lait de soja) et ne modifie généralement pas la taille des gouttelettes. La sédimentation est le phénomène inverse du crémage et normalement observé dans les émulsions eau-dans-huile. La sédimentation se produit lorsque la phase dispersée est plus dense que la phase continue et que les forces gravitationnelles tirent les globules les plus denses vers le fond de l'émulsion. Semblable au crémage, la sédimentation suit la loi de Stokes.

Un "agent de surface" (ou " tensioactif ") approprié peut augmenter la stabilité cinétique d'une émulsion de sorte que la taille des gouttelettes ne change pas de manière significative avec le temps. La stabilité d'une émulsion, comme d'une suspension , peut être étudiée en termes de potentiel zêta , qui indique la répulsion entre gouttelettes ou particules. Si la taille et la dispersion des gouttelettes ne changent pas dans le temps, on dit qu'elles sont stables. Par exemple, des émulsions huile-dans-eau contenant des mono- et diglycérides et des protéines de lait comme tensioactif ont montré que la taille des gouttelettes d'huile était stable pendant 28 jours de stockage à 25°C.

Surveillance de la stabilité physique

La stabilité des émulsions peut être caractérisée à l'aide de techniques telles que la diffusion de la lumière, la mesure de la réflectance du faisceau focalisé, la centrifugation et la rhéologie . Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients.

Accélérer les méthodes de prévision de la durée de conservation

Le processus cinétique de déstabilisation peut être assez long – jusqu'à plusieurs mois, voire des années pour certains produits. Souvent, le formulateur doit accélérer ce processus afin de tester les produits dans un délai raisonnable lors de la conception du produit. Les méthodes thermiques sont les plus couramment utilisées - elles consistent à augmenter la température de l'émulsion pour accélérer la déstabilisation (si elle est inférieure aux températures critiques pour l'inversion de phase ou la dégradation chimique). La température affecte non seulement la viscosité mais aussi la tension interfaciale dans le cas des tensioactifs non ioniques ou, sur une plus large portée, les interactions entre les gouttelettes au sein du système. Le stockage d'une émulsion à haute température permet de simuler des conditions réalistes pour un produit (par exemple, un tube d'émulsion solaire dans une voiture sous la chaleur estivale), mais accélère également les processus de déstabilisation jusqu'à 200 fois.

Des méthodes mécaniques d'accélération, y compris la vibration, la centrifugation et l'agitation, peuvent également être utilisées.

Ces méthodes sont presque toujours empiriques, sans fondement scientifique solide.

Émulsifiants

Un émulsifiant (également appelé « émulsifiant ») est une substance qui stabilise une émulsion en augmentant sa stabilité cinétique . Les émulsifiants font partie d'un groupe plus large de composés connus sous le nom de tensioactifs , ou "agents tensioactifs". Les tensioactifs (émulsifiants) sont des composés typiquement amphiphiles , c'est-à-dire qu'ils ont une partie polaire ou hydrophile (c'est-à-dire soluble dans l'eau) et une partie non polaire (c'est-à-dire hydrophobe ou lipophile ). Pour cette raison, les émulsifiants ont tendance à avoir plus ou moins de solubilité dans l'eau ou dans l'huile. Les émulsifiants plus solubles dans l'eau (et inversement, moins solubles dans l'huile) formeront généralement des émulsions huile-dans-eau, tandis que les émulsifiants plus solubles dans l'huile formeront des émulsions eau-dans-huile.

Des exemples d'émulsifiants alimentaires sont :

Les détergents sont une autre classe de tensioactifs et interagissent physiquement avec l' huile et l' eau , stabilisant ainsi l'interface entre l'huile et les gouttelettes d'eau en suspension. Ce principe est exploité dans le savon , pour dégraisser à des fins de nettoyage . De nombreux émulsifiants différents sont utilisés en pharmacie pour préparer des émulsions telles que des crèmes et des lotions . Les exemples courants incluent la cire émulsifiante , le polysorbate 20 et le ceteareth 20 .

Parfois, la phase interne elle-même peut agir comme un émulsifiant, et le résultat est une nanoémulsion, où l'état interne se disperse en gouttelettes « nanométriques » au sein de la phase externe. Un exemple bien connu de ce phénomène, « l' effet ouzo », se produit lorsque l'on verse de l'eau dans une boisson alcoolisée forte à base d' anis , comme l' ouzo , le pastis , l' absinthe , l' arak ou le raki . Les composés anisoliques, solubles dans l' éthanol , forment alors des gouttelettes de taille nanométrique et s'émulsionnent dans l'eau. La couleur résultante de la boisson est opaque et blanc laiteux.

Mécanismes d'émulsification

Un certain nombre de processus et de mécanismes chimiques et physiques différents peuvent être impliqués dans le processus d'émulsification :

  • Théorie de la tension superficielle - selon cette théorie, l'émulsification a lieu par réduction de la tension interfaciale entre deux phases
  • Théorie de la répulsion - l'agent émulsifiant crée un film sur une phase qui forme des globules qui se repoussent. Cette force de répulsion les fait rester en suspension dans le milieu de dispersion
  • Modification de la viscosité - les émulsifiants comme l' acacia et la gomme adragante , qui sont des hydrocolloïdes, ainsi que le PEG (ou polyéthylène glycol ), la glycérine et d'autres polymères comme la CMC ( carboxyméthylcellulose ), augmentent tous la viscosité du milieu, ce qui aide à créer et à maintenir la suspension de globules de phase dispersée

Les usages

Dans la nourriture

Les émulsions huile dans eau sont courantes dans les produits alimentaires :

  • Crema (mousse) dans l' espresso – huile de café dans l'eau (café infusé), colloïde instable
  • Sauces mayonnaise et hollandaise - ce sont des émulsions huile dans eau stabilisées avec de la lécithine de jaune d'œuf ou avec d'autres types d'additifs alimentaires, tels que le stéaroyl lactylate de sodium
  • Lait homogénéisé - une émulsion de matière grasse du lait dans l'eau, avec des protéines de lait comme émulsifiant
  • Vinaigrette - une émulsion d'huile végétale dans du vinaigre, si elle est préparée en utilisant uniquement de l'huile et du vinaigre (c'est-à-dire sans émulsifiant), une émulsion instable se produit

Les émulsions eau-dans-huile sont moins courantes dans les aliments, mais existent toujours :

D'autres aliments peuvent être transformés en produits similaires aux émulsions, par exemple l' émulsion de viande est une suspension de viande dans un liquide similaire aux vraies émulsions.

Soins de santé

En pharmacie , en coiffure , en hygiène personnelle et en cosmétique , les émulsions sont fréquemment utilisées. Ce sont généralement des émulsions d'huile et d'eau mais dispersées, et dont la continuité dépend dans de nombreux cas de la formulation pharmaceutique . Ces émulsions peuvent être appelées crèmes , onguents , liniments (baumes), pâtes , films ou liquides , en fonction principalement de leurs rapports huile/eau, d'autres additifs et de leur voie d'administration prévue . Les 5 premiers sont des formes posologiques topiques et peuvent être utilisés à la surface de la peau , par voie transdermique , ophtalmique , rectale ou vaginale . Une émulsion très liquide peut également être utilisée par voie orale , ou peut être injectée dans certains cas.

Les microémulsions sont utilisées pour administrer des vaccins et tuer les microbes . Les émulsions typiques utilisées dans ces techniques sont des nanoémulsions d' huile de soja , avec des particules de 400 à 600 nm de diamètre. Le processus n'est pas chimique, comme avec d'autres types de traitements antimicrobiens , mais mécanique. Plus la goutte est petite, plus la tension superficielle est élevée et donc plus la force nécessaire pour fusionner avec d'autres lipides est importante . L'huile est émulsifiée avec des détergents à l'aide d'un mélangeur à cisaillement élevé pour stabiliser l'émulsion. Ainsi, lorsqu'ils rencontrent les lipides dans la membrane cellulaire ou l'enveloppe des bactéries ou des virus , ils forcent les lipides à fusionner avec eux-mêmes. À grande échelle, cela désintègre en effet la membrane et tue l'agent pathogène. L'émulsion d'huile de soja n'endommage pas les cellules humaines normales, ni les cellules de la plupart des autres organismes supérieurs , à l'exception des spermatozoïdes et des cellules sanguines , qui sont vulnérables aux nanoémulsions en raison des particularités de leurs structures membranaires. Pour cette raison, ces nanoémulsions ne sont actuellement pas utilisées par voie intraveineuse (IV). L'application la plus efficace de ce type de nanoémulsion est pour la désinfection des surfaces. Il a été démontré que certains types de nanoémulsions détruisent efficacement les agents pathogènes du VIH-1 et de la tuberculose sur des surfaces non poreuses .

Dans la lutte contre les incendies

Les agents émulsifiants sont efficaces pour éteindre les incendies sur de petits déversements en couche mince de liquides inflammables ( feux de classe B ). De tels agents encapsulent le carburant dans une émulsion carburant-eau, piégeant ainsi les vapeurs inflammables dans la phase aqueuse. Cette émulsion est obtenue en appliquant une solution aqueuse de tensioactif sur le carburant à travers une buse haute pression. Les émulsifiants ne sont pas efficaces pour éteindre les grands incendies impliquant des combustibles liquides en vrac/en profondeur, car la quantité d'agent émulsifiant nécessaire pour l'extinction est fonction du volume du combustible, alors que d'autres agents tels que la mousse aqueuse filmogène ne doivent couvrir que la surface de le carburant pour obtenir une atténuation des vapeurs.

Synthèse chimique

Les émulsions sont utilisées pour fabriquer des dispersions de polymères – la production de polymères dans une « phase » d'émulsion présente un certain nombre d'avantages de procédé, notamment la prévention de la coagulation du produit. Les produits produits par de telles polymérisations peuvent être utilisés comme émulsions – des produits comprenant des composants primaires pour les colles et les peintures. Des latex synthétiques (caoutchoucs) sont également produits par ce procédé.

Voir également

Les références

Autres sources