Les tensioactifs ont une structure chimique variée. En conséquence, ils se caractérisent par toute une gamme de propriétés et ont de nombreuses fonctions différentes. Ces substances sont donc utilisées dans presque toutes les industries. Un seul tensioactif a généralement de multiples propriétés, qui affectent son utilisation finale. La sélection appropriée des matières premières est la clé de la production de tensioactifs. C’est cette étape qui décide des paramètres et propriétés physico-chimiques des tensioactifs obtenus, et donc de leur utilisation ultérieure. Par exemple, les agents de lessive et de lavage utilisent des tensioactifs avec d’excellentes propriétés de formation de mousse et de mouillage, tandis que les cosmétiques utilisent des tensioactifs qui sont de bons émulsifiants.
Après dissolution ou dispersion dans un liquide, les tensioactifs sont adsorbés à la limite de phase , modifiant la tension superficielle interphase. Ces composés ont également une qualité commune qui leur permet de former des micelles . Les tensioactifs se caractérisent par une résistance aux effets des alcalis et de l’eau dure.
Solubilité des tensioactifs dans l’eau
En raison de leur structure hydrophile-hydrophobe , les tensioactifs sont solubles dans de nombreux solvants différents.
La solubilité des agents tensioactifs ioniques découle de leur capacité à se dissocier et à produire des ions. La solubilité des tensioactifs non ioniques appartenant aux groupes des composés polyoxyéthylénés ou polyoxypropylénés est, par contre, provoquée par la formation d’un réseau de liaisons hydrogène entre les molécules d’eau et l’oxygène de l’éther.
La solubilité dans les composés polaires provient de la présence du fragment hydrophile dans la molécule. Cependant, plus la chaîne hydrocarbonée est longue et moins ramifiée, plus la solubilité dans l’eau diminue.
La solubilité dans l’eau des tensioactifs peut être ajustée en modifiant leur structure. L’augmentation de la solubilité est possible en introduisant une partie polyoxyéthylénée dans la molécule ou en franchissant le point de Krafft, qui est une température particulière au-dessus de laquelle se produit une augmentation brutale de la solubilité due à la formation de micelles. La solubilité dans l’eau d’un agent tensioactif peut être réduite en incorporant de l’oxyde de propylène dans sa structure.
La solubilité dans l’eau des tensioactifs est également directement liée à la valeur de l’équilibre hydrophile-lipophile (HLB).
Tension superficielle des tensioactifs
La tension superficielle correspond aux forces qui agissent sur la frontière interphasique . Il s’agit d’une caractéristique de quantité constante pour chaque liquide individuel, fortement dépendante de la température et de l’environnement avec lesquels le liquide est en contact. La tension superficielle est le résultat d’un déséquilibre des forces agissant sur les molécules situées à la surface du liquide et dans sa masse.
Les molécules de tensioactif sont adsorbées à la surface de la phase liquide, se positionnant avec leurs têtes polaires vers la masse du liquide, et avec la queue hydrophobe vers l’air. À la suite d’un tel arrangement des molécules, la tension superficielle d’un liquide est réduite . Lorsqu’une plus grande quantité d’un tensioactif est ajoutée, ses molécules se dispersent dans toute la masse du liquide de manière non ordonnée, jusqu’à ce que la concentration micellaire critique (CMC) soit dépassée. Les molécules commencent alors à s’organiser sous des formes sphériques appelées micelles .
Lorsque la concentration d’un tensioactif dans une solution augmente, sa tension superficielle chute à un certain niveau et reste constante, indépendamment de toute augmentation ultérieure de la concentration. Les agents tensioactifs non ioniques sont les plus efficaces pour réduire la tension superficielle.
Connaître la concentration micellaire critique est très important lors de l’utilisation d’agents tensioactifs. En effet, elle détermine la concentration seuil la plus adaptée à une utilisation dans un produit pour un tensioactif donné.
Les méthodes qui permettent de mesurer la tension superficielle comprennent la méthode stalagmométrique, la méthode de remontée capillaire et la méthode de pression de bulle maximale.
Propriétés moussantes des tensioactifs
Les propriétés de production de mousse des tensioactifs sont la capacité des tensioactifs à produire de la mousse. Leur mesure est le volume de mousse produit à partir d’une solution contenant des tensioactifs dans des conditions spécifiques. Cette propriété des tensioactifs provient de leur capacité à s’organiser en micelles et à stabiliser les bulles d’air.
Dans les liquides purs, aucun processus de formation de mousse ne se produit. Pour produire de la mousse, de l’air ou un autre gaz est introduit dans un liquide avec un tensioactif approprié. Les molécules de tensioactif sont alors ordonnées sur la frontière d’interphase liquide-gaz. Si la concentration en tensioactif dans la solution est élevée, les molécules de l’agent tensioactif s’arrangent perpendiculairement à la limite de phase liquide-gaz. Les « têtes » hydrophiles se positionnent vers la masse du liquide, tandis que les « queues » hydrophobes pointent vers l’air. Lorsque des bulles de gaz sont libérées de la phase liquide, les molécules de tensioactif sont adsorbées à la surface du gaz, formant une mousse.
La capacité des tensioactifs à former des mousses dépend de plusieurs facteurs, tels que la concentration et la structure chimique du tensioactif, la valeur du pH de la solution, la présence d’autres ingrédients dans la solution, ainsi que la dureté de l’eau. Les molécules de tensioactif avec une chaîne alkyle de 12 à 15 atomes de long, ou avec une chaîne polyoxyéthylène contenant 10 à 12 groupes oxyéthylène, ont les meilleures propriétés de formation de mousse. D’autre part, les molécules tensioactives avec une chaîne alkyle plus courte que 10 ou plus longue que 16 atomes de carbone ont les pires propriétés de formation de mousse.
Le pouvoir moussant de chaque tensioactif peut être ajusté en modifiant sa structure. L’insertion d’une partie polyoxypropylène dans la molécule d’un agent tensioactif permet de réduire son moussage, tandis qu’un ajout d’oxyde d’éthylène augmente la capacité de formation de mousse d’un tensioactif.
Les propriétés de production de mousse des tensioactifs jouent un rôle important dans de nombreuses applications industrielles , par exemple la flottation minérale, la production de détergents et dans l’industrie alimentaire. Dans certains cas, le moussage est indésirable, voire nocif. Ce phénomène est un obstacle principalement dans l’industrie textile, les processus de lavage et de blanchissage industriels et dans les machines à laver automatiques domestiques. Pour supprimer ou limiter le pouvoir moussant du tensioactif, un ajout d’agents anti-mousse peut être utilisé (par exemple des préparations silicones ou certains agents tensioactifs non ioniques).
Les tensioactifs qui appartiennent aux agents anti-moussants ont une valeur d’équilibre hydrophile-lipophile comprise entre 1,5 et 3. Lorsque la capacité de production de mousse des tensioactifs est testée, la stabilité et la densité de la mousse sont évaluées en plus de son volume.
Propriétés mouillantes des tensioactifs
La mouillabilité est une autre qualité caractéristique des agents tensioactifs. Grâce à la capacité des molécules à réduire la tension superficielle entre un liquide et un solide, et à éliminer l’air des surfaces solides, la déliquescence des gouttelettes liquides à la surface est fortement augmentée. En d’autres termes, la mouillabilité est la capacité des molécules de tensioactifs et de leurs solutions à s’étaler sur la surface sur laquelle elles sont appliquées. Un résultat de ce phénomène est une barrière énergétique abaissée entre la solution et la surface mouillée. Ce phénomène entraîne une augmentation de la surface de contact, ce qui améliore l’efficacité et la rapidité d’un processus donné.
Lorsqu’un liquide pur est comparé à un liquide additionné d’un tensioactif, une différence dans les zones occupées par l’une ou l’autre des gouttelettes est clairement visible.
Grâce aux propriétés mouillantes des tensioactifs, les textiles peuvent être mouillés plus rapidement à l’eau, ce qui accélère le processus de lavage. Cette qualité est également utilisée en agrochimie (par exemple, mouillage de la surface des feuilles par le liquide pulvérisé), dans l’industrie des peintures et vernis et dans le bâtiment.
La quantité qui décrit la capacité d’un liquide à mouiller les solides est l’angle de mouillage , qui est l’angle entre la surface mouillée et la gouttelette de mouillage. Lorsque l’angle est égal à zéro, cela signifie le mouillage total d’une surface donnée par la gouttelette de liquide. Un angle 0° < < 90° est caractéristique pour les liquides partiellement mouillants, tandis que les angles 90° < Θ < 180° signifient des liquides partiellement non mouillants. Les liquides complètement dépourvus de capacité de mouillage ont un angle de mouillage de 180°.
Émulsification
L’émulsification implique la formation d’une suspension de deux substances mutuellement insolubles et non miscibles, dont au moins l’une est un liquide. À la suite de ce processus, un système dispersif hétérogène est formé , ce qu’on appelle une émulsion . Si les deux composants sont liquides, l’émulsion est une suspension de gouttelettes d’une phase dans l’autre. L’un des liquides est la phase continue ou externe, l’autre la phase dispersée ou interne. Cependant, pour qu’un tel système soit stable, il est nécessaire d’utiliser un tensioactif, qui entoure les gouttelettes d’un liquide, les sépare de l’autre phase et les empêche de se combiner en plus gros agrégats. Cela se produit grâce à l’ordonnancement des molécules d’agent tensioactif. Ils s’arrangent avec la tête hydrophile vers le solvant polaire, et avec la queue hydrophobe vers la phase apolaire. C’est ainsi que se forment les émulsions huile-dans-eau , où la phase continue est de l’eau polaire avec une phase huileuse non polaire dispersée, ou à l’inverse – des émulsions E/H, c’est-à-dire eau-dans-huile .
Le terme émulsion ne peut pas être utilisé pour décrire les mélanges de gaz ou de solides dans les liquides, les suspensions de composés d’argent dans les liquides (dite émulsion photographique) et les mélanges utilisés dans les moteurs à combustion (dite émulsion carburant-air).
L’affinité de l’émulsionnant pour la phase huileuse et la phase aqueuse est donnée par le paramètre HLB (balance hydrophile-lipophile). Sa valeur détermine si un agent tensioactif spécifique est meilleur pour stabiliser les émulsions eau-dans-huile ou huile-dans-eau. Les émulsifiants avec un HLB inférieur à 10 stabilisent généralement les émulsions eau-dans-huile, tandis que les émulsifiants avec un HLB supérieur à 10 stabilisent les émulsions huile-dans-eau.
Au cours d’un processus d’émulsification, la stabilité des émulsions résultantes et leur facilité de formation sont des problèmes importants. Les émulsifiants peuvent avoir un certain nombre de propriétés et d’applications utiles pour leur fonction prévue. Les exigences imposées aux émulsifiants comprennent : la réduction de la tension superficielle à la limite d’interphase, la prévention du phénomène d’inversion, la stabilisation de l’émulsion et l’absence de toxicité ou d’odeur. Habituellement, les émulsifiants individuels ne possèdent que certaines des propriétés souhaitées, de sorte qu’un mélange d’émulsifiants appropriés est souvent utilisé.
La capacité à former des émulsions permet aux tensioactifs d’être utilisés dans de nombreuses industries. Avec ce phénomène, nous sommes en mesure de produire des cosmétiques, des peintures, des adhésifs, des vernis et des plastiques. De plus, les tensioactifs sont utilisés comme émulsifiants dans la métallurgie, l’alimentation, l’extraction de ressources, le carburant, le textile, la chimie, la construction et de nombreuses autres industries.
Détergence
La détergence est un processus d’élimination des impuretés . Il se produit avec la participation de tensioactifs, qui entourent les particules de saleté, se positionnant avec les queues non polaires, c’est-à-dire leurs chaînes hydrocarbonées vers elles. Ensuite, ils cassent la saleté de la surface et l’entourent de tous les côtés, formant une micelle . Une émulsion ainsi réalisée permet d’éliminer facilement les impuretés.
A noter que les tensioactifs présentent un effet synergique lorsqu’ils sont combinés avec d’autres agents tensioactifs. La synergie est un phénomène où l’effet de deux composants ou plus est supérieur à la somme de leurs effets individuels pris séparément.
