1. Introduction
Le terme « émulsion de cire » peut être quelque peu trompeur, car il s’agit en réalité d’une dispersion de particules solides de cire dans une phase continue d’eau. Une émulsion proprement dite (définie comme un mélange de deux liquides non miscibles) n’existe que lorsque la cire est en phase fondue, au moment où l’émulsion se forme à haute température. Comme mentionné précédemment, une émulsion de cire doit être stabilisée, soit par des émulsifiants non ioniques (mécanisme stérique), des émulsifiants ioniques (mécanisme électrostatique), ou une combinaison des deux types afin de profiter des deux mécanismes de stabilisation. D’autres ingrédients, tels que des électrolytes, des épaississants ou des conservateurs, peuvent également être ajoutés pour aider à stabiliser la dispersion.
Les émulsions de cire sont largement utilisées comme additifs dans de nombreuses applications industrielles. Elles permettent de contrôler la processabilité des produits ou d’améliorer les propriétés des revêtements utilisés pour protéger les surfaces contre l’abrasion ou l’humidité. Les propriétés fondamentales des cires proviennent de leur composition chimique, de leur point de fusion et de leur polarité.
La taille des particules de cire dans les émulsions est un facteur crucial à prendre en compte lors du développement d’une émulsion pour un objectif spécifique. Pour modifier les propriétés tactiles, il est essentiel que les particules de cire émergent à travers la couche de revêtement, ce qui nécessite une taille de particule supérieure à l’épaisseur du film. Cependant, des particules trop grosses peuvent entraîner des défauts dans le film ou des échecs du produit. En revanche, une taille de particule très fine assure une incorporation homogène dans la formulation, maximisant les effets souhaités et évitant les défauts du film. De plus, cela permet de conserver des finitions très brillantes.
Concentrol offre des solutions spécifiques à des problèmes définis grâce à son expertise dans la production d’émulsions de cire. La taille des particules peut être contrôlée pendant le processus d’émulsification afin de répondre à des spécifications précises. Le cas présenté ci-dessous est un bon exemple de réglage de la taille des particules dans une émulsion de cire à base de polyéthylène.
2. Procédure d’émulsification
Pour démontrer le concept, nous avons utilisé la formulation EMULTROL EPH, une émulsion de cire de polyéthylène non ionique/anionique à base d’eau. En raison de son point de fusion élevé, la cire ne peut être émulsionnée que sous pression dans un système fermé. De plus, nous avons utilisé la technique d’émulsification indirecte, car elle permet d’obtenir des émulsions de haute qualité avec une grande constance. Cette technique d’émulsification par dilution sous pression consiste à créer initialement une émulsion de cire et de tensioactif à haute concentration en solides, en retenant une partie de l’eau. Cela permet une meilleure formation de micelles plus homogène. Cependant, cela nécessite l’utilisation de deux récipients sous pression pour la fabrication.
La procédure suivie est la suivante : la cire de polyéthylène a été chargée dans un réacteur autoclave avec l’émulsifiant non ionique, un alcali, du disulfate de sodium et une partie de l’eau à température ambiante. L’autoclave a ensuite été fermé et chauffé à 125-135 °C tout en agitant, et la température a été maintenue pendant 30 minutes. La deuxième partie de l’eau, préalablement chauffée à 100 °C, a ensuite été injectée sous pression. À ce stade, le refroidissement jusqu’à la température ambiante a été réalisé aussi rapidement que possible (refroidissement par choc) pour garantir les meilleurs résultats. Un conservateur doit être ajouté pour prolonger la durée de conservation de l’émulsion.
3. Résultats
Le type et la concentration du tensioactif sont des aspects critiques à considérer pour la taille et la stabilité des gouttelettes de cire dans la phase continue (eau). Sur la Figure 1, nous pouvons distinguer les différentes émulsions d’EMULTROL EPH obtenues en variant la quantité d’émulsifiant. Le même tensioactif a été utilisé dans toutes les émulsions, mais sa concentration a été progressivement réduite de l’échantillon A à l’échantillon C.
Figure 1 – EMULTROL EPH avec différentes tailles de particules
Comme mentionné précédemment, les émulsions contiennent à la fois une phase dispersée et une phase continue, avec une interface qui les sépare. Les émulsions apparaissent généralement troubles ou blanches, car la lumière est dispersée aux interfaces des composants du mélange. Cependant, les microémulsions et nanoémulsions, ayant une taille de gouttelettes inférieure à 100 nm, sont translucides. Cela est dû au fait que les ondes lumineuses ne sont dispersées par les gouttelettes que si leur taille dépasse environ un quart de la longueur d’onde de la lumière incidente. Étant donné que le spectre visible de la lumière se situe entre 390 et 750 nm, si la taille des gouttelettes est inférieure à 100 nm, la lumière peut traverser l’émulsion sans être dispersée. Cette particularité est bien visible dans l’émulsion A de la Figure 1 et est également corroborée par la mesure de la taille des particules de l’émulsion présentée à la Figure 2.
Figure 2 – Mesures de la taille des particules des émulsions A, B et C respectivement
De plus, lorsqu’une émulsion est diluée, la lumière bleue de courte longueur d’onde est davantage dispersée, ce qui donne à l’émulsion une apparence plus bleutée. Ce phénomène est connu sous le nom d’ »Effet Tyndall ». En revanche, si l’émulsion est suffisamment concentrée, la lumière est déformée vers des longueurs d’onde plus longues, et elle apparaît plus jaune. Cette particularité peut être observée sur la Figure 3, où les émulsions A et B ont été diluées à 10 % de leur concentration initiale dans de l’eau déionisée (A’ et B’, respectivement).
Figure 3 – Apparence des émulsions originales A et B et de leurs dilutions à 10 %, A’ et B’
4. Avantages du contrôle de la taille des particules
Les émulsions sont intrinsèquement instables et nécessitent un apport énergétique pour se former. Avec le temps, elles ont tendance à revenir à un état stable, ce qui conduit à la séparation des phases. C’est pourquoi des émulsifiants sont utilisés pour réduire la tension interfaciale et stabiliser l’émulsion. Les microémulsions sont thermodynamiquement stables, tandis que les nanoémulsions translucides sont cinétiquement stables.
Dans les systèmes de vernis et de peinture, les particules de cire forment un réseau qui réduit la sédimentation des agents matifiants (anti-brillance), améliorant ainsi leur effet. La taille des particules de cire affecte également le niveau de brillance du revêtement.
Cependant, une taille de particule trop fine peut entraîner une baisse d’efficacité de la cire en tant qu’additif de revêtement. Pour que la cire soit efficace, les particules doivent dépasser la surface du revêtement. Les particules plus petites sont moins susceptibles de le faire, surtout dans les revêtements pigmentés. Dans les applications où la perméabilité ou la transparence sont des facteurs importants (comme dans les finitions de fibres et les applications de polissage), une émulsion avec des particules très petites peut être souhaitable.
5. Conclusions
Le choix de l’émulsifiant est essentiel dans la formulation des émulsions, car il joue un rôle clé à la fois dans la formation et la stabilisation de l’émulsion. La sélection de l’émulsifiant dépend des caractéristiques du produit final, de la méthode de préparation de l’émulsion, des propriétés chimiques et physiques de chaque phase, ainsi que de la présence d’autres composants fonctionnels dans le mélange.
Une fois l’émulsifiant choisi, sa concentration influence fortement toutes les propriétés de l’émulsion, telles que la stabilité, la distribution de la taille des gouttelettes, la tension superficielle et interfaciale, la capacité de mouillage, la viscosité, etc. Dans cet article, nous avons démontré que la concentration d’émulsifiant est fortement liée à la taille des particules de l’émulsion. Son efficacité augmente avec l’ajout d’une plus grande quantité de tensioactif, entraînant une diminution de la taille des particules. À cette fin, nous avons utilisé l’émulsion EMULTROL EPH et, en variant la quantité d’émulsifiant, nous avons obtenu différentes tailles de particules. En conséquence, les émulsions présentent une apparence clairement distincte.
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