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Vers des émulsions plus efficaces et moins énergivores

Christian Guyard
Vers des émulsions plus efficaces et moins énergivores

Application d'une émulsion de bitume de synthèse pour la réalisation d'un produit coloré. Ci-contre, détail de cette émulsion observé au microscope optique.

© D.R.

Lyon, 3 - 6 octobre 2006. Riche programme pour ce congrès qui se tient tous les quatre ans avec, en particulier, un accent mis sur des procédés moins gourmands en énergie.

L'émulsion est un moyen privilégié de véhiculer des composés chimiques sous la forme la plus adaptée à un usage. Chaussées, nourriture, peintures, produits d'entretien en général, cosmétique, pharmacie... tous font appel aux émulsions. Ce sont des mélanges intimes d'au moins deux liquides non-miscibles grâce à la présence d'un troisième (appelé tensioactif ou émulsifiant). L'objectif est d'obtenir des propriétés fonctionnelles dédiées à une application : changer la consistance d'un produit pour le rendre pompable (huiles lourdes), protéger une substance jusqu'à son arrivée au point précis d'utilisation (bitume, fond de teint, etc.).

Dans certaines applications, le mélange devient vraiment complexe : besoin de propriétés complémentaires comme le parfum, la couleur, etc. Fréquemment l'émulsion si difficile à créer, à stabiliser, doit se décomposer au moment précis de l'application selon une vitesse contrôlée.

Le métier n'est pas simple, l'empirisme est très présent dans les formulations et le besoin pressant de connaissances scientifiques se fait sentir. « Tous ces systèmes sont hors d'équilibre, la thermodynamique classique ne sait pas les décrire », explique Dominique Langevin de l'université Paris- Sud, qui ajoute « ayant travaillé sur des émulsions de bitume et des produits laitiers, j'ai relevé de nombreux points communs. Il semble donc qu'il existe une vraie transversalité scientifique aux applications techniques. »

Une foule de problèmes se pose : choisir le meilleur émulsifiant, le procédé adapté à l'émulsion, formuler... Avec des contraintes supplémentaires aujourd'hui, dont deux essentielles : les économies d'énergie dans les procédés, l'arrivée de la circulaire Reach. Il faut de nouveaux procédés moins consommateurs d'énergie, trouver des substances plus "vertes" en remplacement de celles qui vont forcément disparaître du marché en raison de Reach.

1. Amélioration de la préparation

De la trilogie des émulsions, formulation-conception-préparation, la préparation est incontestablement le problème dominant pour les industriels. La manière très classique de préparer une émulsion consiste à injecter de l'énergie mécanique avec la plus forte puissance possible, d'où les classiques turbines. Le procédé se compare à la production de poudres où le principe est de "taper" au maximum sur la matière pour l'éclater et créer des surfaces nouvelles.

Dans les deux cas la méthode est "bestiale". Le rendement est déplorable - de l'ordre de 1 % -, le reste étant dissipé en chaleur. Est-il possible de dépenser moins d'énergie ? Cela entre dans la préoccupation générique d'intensification des procédés (une des composantes de la chimie verte).

Enrico Drioli de l'université de Calabre (Italie), spécialiste des membranes, apporte une réponse au travers du procédé DCME (Direct Crossflow Membrane Emulsification). Dans leurs nombreuses applications industrielles actuelles, les membranes séparent des mélanges. Pour faire une émulsion, la membrane est utilisée "à l'envers". De chaque côté une phase ; en appliquant un différentiel de pression aux liquides, l'une des phases sera forcée à travers la membrane et sortira sous forme dispersée au niveau de chaque pore de la membrane : des millions de gouttelettes émergent dans la phase continue qui circule de l'autre côté. Le contrôle effectif de la dimension des gouttelettes dépend de nombreux paramètres, et particulièrement l'environnement immédiat à la surface de la membrane où se forment les gouttelettes.

Intuitivement, on comprend que si la porosité de la membrane est très uniforme, toutes les gouttelettes auront le même diamètre (ce n'est pas suffisant). On résout ainsi l'un des défis pour les scientifiques et les formulateurs, disposer d'une émulsion monodisperse (taille unique des gouttes). Enrico Drioli indique qu'il existe des modèles mathématiques pour décrire le phénomène. Ces émulsions ont des propriétés particulières, impossibles à atteindre par les moyens classiques : orientation vers une forme cristalline particulière d'un composé polymorphe par exemple, lequel aura des applications en pharmacie.

Beaucoup plus spéculatif, la méthode exposée par Patrick Perrin de l'ESPCI qui utilise la lumière pour déclencher la formation et le cassage d'une émulsion. Curiosité de laboratoire pour l'instant (un contact industriel est tout de même en cours), la méthode est intéressante car la lumière est ici un réactif "pur" laissant inchangée la composition du mélange à la différence d'un réactif chimique.

Autre méthode physique de création d'émulsion, le changement de phase induit, par exemple, par un changement de température : passage du liquide au solide par refroidissement. La dépense énergétique est minime, mais le phénomène difficilement contrôlable car il passe par des phases hors d'équilibre.

Une autre méthode émerge, qui trouve déjà des applications industrielles pour les aliments et les cosmétiques, la microfluidique, fort prometteuse comme l'exposait Erich Windhab de l'ETH Zurich (Suisse). En faisant circuler et se rencontrer les deux phases à émulsifier dans des canaux de quelques dizaines ou centaines de microns, on contrôle très finement les dimensions des gouttes. Mieux encore, il est possible de réaliser facilement des émulsions multiples (une goutte elle-même constituée d'une émulsion) avec des phases sursaturées en certains composés ; application : par exemple le renforcement en certains composés de nourriture destinée à des enfants dénutris ou de grands malades.

2. De nouveaux défis

Les émulsions participent déjà au développement durable en remplaçant des solvants dangereux pour le dégraissage ou pour la remédiation des sols. Dans les bitumes, elles permettent de réduire la consommation d'énergie en abaissant les températures d'application. Mais les émulsions peuvent être encore plus "vertes" en utilisant des matières premières issues du végétal. Les émulsions de bitume commencent à être formulées avec des huiles végétales comme diluant. Les émulsifiants eux-mêmes peuvent être produits à partir de matières premières végétales renouvelables. Leur biodégradabilité est généralement meilleure mais on s'aperçoit aussi que les performances émulsifiantes sont meilleures.

Une voie très explorée actuellement est un changement radical du concept d'émulsifiant. Classiquement, ce sont des molécules avec une extrémité hydrophile et l'autre lipophile, situation idéale pour se placer à l'interface entre phases aqueuse et huileuse. Pickering, dès 1905, avait constaté que des émulsions se formaient sans émulsifiant "chimique" mais grâce à la dispersion de microparticules dans le liquide. Les moyens modernes d'investigation, de caractérisation et de production de micro- et nanoparticules relancent l'intérêt pour ce type de stabilisation d'émulsion. Il est même possible de jouer sur les caractéristiques de ces particules, leur morphologie, leur mouillabilité, leurs propriétés magnétiques. Dans ce dernier cas, le cassage d'émulsion est très facile, par action d'un champ magnétique.

ENTENDU AU CONGRÈS

L'émulsion est vraiment un domaine dynamique. Les concepts discutés il y a quatre ans, au précédent congrès, sont aujourd'hui en application industrielle. » Jacqueline Lecourtier, directrice de l'Agence nationale de la recherche

RENDEZ-VOUS DANS QUATRE ANS

CONGRÈS CHERCHE SPONSORS

- Près de 1 000 participants de plus de 60 pays, chercheurs académiques et privés, techniciens de tous les secteurs d'application se sont "émulsionnés" pendant cinq jours. Le congrès a été créé sur le thème des émulsions routières (bitume à froid) par la société Colas, sponsor unique des trois premières éditions. La troisième édition, en 2002, s'était déjà ouverte largement à d'autres domaines d'application. Devant le succès, Colas a pensé que sur un thème aussi porteur, un congrès pouvait vivre de manière autonome et cette année plusieurs grandes sociétés finançaient le congrès. « Le cinquième congrès, s'il a lieu, devra faire appel aux industriels car ils ont les moyens financiers. Mais cela ne suffit pas à légitimer son existence. Il nous faut la caution et l'engagement des meilleurs scientifiques », déclare Jean-Éric Poirier, animateur du conseil scientifique du 4e congrès qui avait pour présidente Dominique Langevin de l'université Paris-Sud, et comme premier orateur Jean-Marie Lehn, prix Nobel de chimie 1987.

PAS SI SIMPLE !

LA MESURE, UN PROBLÈME

Hélène Dihang, de Formulaction, a insisté sur la nécessité pour un industriel d'utiliser la méthode de mesure la plus pertinente par rapport à l'application visée. Francis Rondelez, de l'Institut Curie, insiste pour que les industriels ne s'arrêtent pas à une seule méthode de mesure (et généralement un seul point de mesure) pour caractériser leurs produits. Les paramètres d'une émulsion sont nombreux : viscosité, taille des gouttes, répartition granulaire, morphologie, potentiel électrique, etc. Autant de grandeurs utiles aux scientifiques pour développer des théories et aux techniciens pour surveiller le procédé et anticiper la qualité finale. Avec la tendance actuelle aux émulsions concentrées, il est difficile de faire entrer de la lumière pour les analyser. De nouvelles théories (photons multiréfléchis, méthode DWS, Diffusing Wave Spectroscopy), des méthodes basées sur la RMN se développent pour extraire des signaux utilisables. Voir par exemple www.lsinstruments.ch

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