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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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Comment préparer et utiliser une dispersion ?
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1. Les différentes catégories de dispersions
1.1 Différents types de mélanges
On appelle formulation l’utilisation de transformations physiques, principalement des opérations de mélange, en vue d’obtenir une ou plusieurs propriétés d’application.
Certains mélanges se font spontanément, à l’échelle moléculaire : par exemple, les molécules de certains liquides se mélangent spontanément avec celles d’autres liquides (eau et éthanol, huiles lourdes et légères). D’autres mélanges ne se font pas spontanément (il faut appliquer une énergie mécanique ou chimique), et pas à l’échelle moléculaire : en examinant la structure du mélange, on trouve des particules ou des gouttes d’une phase (B) dispersées dans une autre phase (A). De manière générale, on appelle matériaux dispersés tous les systèmes formés de petits domaines d’une phase, dispersés dans une autre phase à . Ces phases peuvent être des liquides homogènes (par exemple, des solutions), des solides ou des gaz. Les différents types de dispersions qu’on peut obtenir en mélangeant ces phases sont présentés dans le tableau 1.
Tous ces systèmes ont des propriétés originales par rapport à celles des phases qui les composent. Par exemple, une pâte formée de particules mouillées par l’eau n’a pas les propriétés de l’eau, ni celles du solide macroscopique correspondant aux particules. De même, une mousse a des propriétés originales par rapport à celles des liquides qui forment les parois des cellules et par rapport à celles des gaz qui les remplissent. Ces propriétés originales viennent des relations obligées entre la phase dispersante et la phase dispersée et, en particulier, des comportements des interfaces.
Un paramètre important qui exprime ces...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - ISRAELACHVILI (J.) - Intermolecular and surface forces - . Academic Press (1991).
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