Stabilité des dispersions expliquée

Figure 1 : Les émulsions telles que l'huile dans l'eau sont souvent instables sans l'ajout de stabilisants. Cela signifie que de petites gouttes d'huile se combinent pour former de plus grosses gouttes au fil du temps. Ce processus est appelé coalescence.
La stabilité de la dispersion décrit la durée pendant laquelle une dispersion conserve ses propriétés d'origine. Au fil du temps, divers mécanismes de déstabilisation modifient la distribution des particules dans une dispersion. En pratique, l'étude et la détermination de ces processus sont cruciales si les dispersions doivent être stockées pendant de longues périodes sans modifier leurs propriétés.
Comment peut-on étudier la stabilité des dispersions ?
Les dispersions sont des systèmes hétérogènes composés d'au moins deux phases immiscibles. La stabilité de ces systèmes décrit la durée pendant laquelle une dispersion conserve ses propriétés d'origine pendant le stockage, également connue sous le nom de stabilité au stockage.
Les scientifiques, le personnel de laboratoire et les développeurs de produits étudient souvent la stabilité des dispersions en utilisant un "test de durée de vie". Les échantillons sont stockés dans des conditions de stockage spécifiées pour étudier à quel moment les processus de déstabilisation deviennent visibles. Ces tests sont souvent réalisés à l'œil nu, ce qui les rend subjectifs et seulement partiellement comparables. De plus, il faut souvent du temps pour que les changements dans la dispersion deviennent visibles à l'œil nu.
Une alternative est une analyse optique de la stabilité en utilisant un instrument d'analyse de la stabilité des dispersions tel que le MultiScan MS 20 de DataPhysics Instruments. Un tel appareil peut détecter même les plus petits changements dans la dispersion. Le logiciel associé quantifie les résultats et les rend comparables.
Quels processus peuvent affecter la stabilité des dispersions ?
Plusieurs processus de déstabilisation peuvent se produire dans les dispersions, entraînant des changements et affectant leur stabilité. Les processus de déstabilisation importants incluent la sédimentation, le crémage, la coalescence, l'agglomération et l'agrégation.
La sédimentation et le crémage se produisent en raison de la gravité et de la différence de densité des différents composants de la dispersion. Les particules ou gouttelettes plus denses ("plus lourdes") coulent au fond, formant des sédiments et contribuant à la séparation des phases. Les deux processus sont représentés schématiquement dans la Figure 2.
Les composants moins denses ("plus légers") montent dans la phase continue, un processus connu sous le nom de crémage. Le crémage se produit, par exemple, dans les dispersions contenant des gouttelettes d'huile immergées dans l'eau. La vitesse de sédimentation ou de crémage dépend essentiellement de la différence de densité entre les phases dispersée et continue, de la taille des particules ou des gouttelettes et de la viscosité de la phase continue.
La coalescence est un processus par lequel les gouttelettes ou particules de la phase dispersée fusionnent entre elles (voir Figure 3). Cela est dû au mouvement brownien, qui provoque des collisions entre les gouttelettes ou particules dispersées. Lors de ces collisions, les particules dispersées fusionnent et forment un composé plus grand. Les particules initiales deviennent alors indiscernables les unes des autres. Ce processus entraîne une augmentation progressive de la taille des particules ou des gouttelettes et peut accélérer les processus de déstabilisation tels que la sédimentation.
L'agglomération et l'agrégation sont des processus similaires et sont souvent utilisés de manière interchangeable dans la littérature, car il est difficile de les distinguer expérimentalement. Lors de l'agglomération, les particules ou gouttelettes dispersées forment comme des grappes de raisin dont les grains sont reliés par des forces attractives faibles telles que les forces de van der Waals, tout en restant identifiables en tant que composants individuels (voir Figure 3). Ces amas peuvent généralement être dissous par des influences mécaniques telles que l'agitation de la dispersion.
Lors de l'agrégation, plusieurs gouttelettes ou particules forment des amas maintenus ensemble par des forces plus fortes telles que les liaisons hydrogène, les rendant plus difficiles à séparer (voir Figure 3). Cependant, il n'y a pas de fusion complète comme dans la coalescence. L'agglomération et l'agrégation peuvent être favorisées par une concentration plus élevée en sel dans la solution, qui affaiblit les forces électrostatiques répulsives entre les composants.
Ce sont les processus les plus courants qui affectent la stabilité des dispersions. En plus de ces processus, il en existe d'autres tels que la maturation d'Ostwald, la déshydratation et la séparation des phases par gélification ou cristallisation. Ils peuvent se produire simultanément ou successivement. Les facteurs externes ou les conditions environnementales, tels que le pH et la température, peuvent également affecter la stabilité des dispersions et doivent donc être contrôlés dans les configurations expérimentales.
Pourquoi est-il important d'étudier la stabilité des dispersions ?
La stabilité des dispersions est cruciale dans de nombreux domaines, tels que l'industrie alimentaire, pharmaceutique, cosmétique, environnementale et l’industrie chimique comme la fabrication de peintures. Assurer que les dispersions conservent les propriétés souhaitées pendant leur stockage et leur utilisation est essentiel pour la qualité, l'efficacité et la sécurité des produits.
Des substances supplémentaires telles que des additifs chimiques, des émulsifiants, des stabilisants ou des épaississants sont souvent utilisées pour assurer la stabilité à long terme des dispersions. Ces substances modifient les interactions entre les particules ou les gouttelettes, réduisant ainsi la tendance à l'agrégation ou à la coalescence. Le contrôle ciblé de ces processus est bénéfique dans de nombreuses applications pour obtenir une texture, une libération de médicament, un goût ou une apparence désirés. Par conséquent, des recherches et des développements continus sont menés pour élaborer de nouvelles stratégies de stabilisation des dispersions afin de répondre aux exigences des différentes applications. Dans tous les cas, l'analyse quantitative de la stabilité des dispersions est essentielle.