I. Quelques notions sur les agents de surface.
La propriété qui permet de réduire la tension superficielle du solvant est appelée activité de surface, et la substance ayant une activité de surface est appelée substance active de surface. La substance active en surface qui peut associer des molécules en solution aqueuse et former des micelles et d'autres associations, qui a une activité de surface élevée et qui a également les fonctions de mouillage, d'émulsification, de moussage et de lavage est appelée surfactant. La force de contraction d'une unité de longueur sur la surface d'un liquide est appelée tension superficielle, et l'unité est le N-m-1.
Deuxièmement, les caractéristiques de la structure moléculaire des agents de surface.
Les surfactants sont des composés organiques dotés de structures et de propriétés particulières qui peuvent modifier de manière significative la tension interfaciale entre deux phases ou la tension superficielle d'un liquide (généralement de l'eau), et qui ont des propriétés telles que le mouillage, la formation de mousse, l'émulsification et le lavage. En termes de structure, les surfactants ont tous une caractéristique commune : leurs molécules contiennent deux groupes aux propriétés différentes. L'une des extrémités est un groupe non polaire à longue chaîne, soluble dans l'huile mais insoluble dans l'eau, également connu sous le nom de groupe hydrophobe ou de groupe hydrophobe. À l'autre extrémité du spectre, on trouve les groupes solubles dans l'eau, à savoir les groupes hydrophiles ou les groupes hydrophiles. Le groupe hydrophile doit être suffisamment hydrophile pour que l'ensemble de l'agent de surface soit soluble dans l'eau et présente la solubilité nécessaire. Comme les agents de surface contiennent à la fois des groupes hydrophiles et hydrophobes, ils sont donc solubles dans au moins une des phases liquides. Cette propriété des agents de surface qui sont à la fois hydrophiles et lipophiles est appelée amphiphilie.
Il existe également sur le marché un type particulier d'agent de surface biphilique, dont l'agent de surface à base de kynurénine glycol est l'un des produits représentatifs. Il possède deux paires de groupes hydrophobes et hydrophiles structurellement liés par un groupe fonctionnel symétrique et relativement "rigide" au milieu. Les agents de surface baryoniques sont des mousses moins stables et ont une mouillabilité dynamique spécifique exceptionnelle.
Types d'agents de surface.
L'agent tensioactif est une molécule amphiphile comportant des groupes hydrophobes et hydrophiles. Les groupes hydrophobes des agents de surface sont généralement composés de longues chaînes d'hydrocarbures, telles que les chaînes d'alkyle droites C8 à C20, les chaînes d'alkyle ramifiées C8 à C20, les groupes d'alkylbenzène (nombre d'atomes de carbone d'alkyle 8 à 16), etc. La différence entre les groupes hydrophobes réside principalement dans les changements structurels des chaînes d'hydrocarbures, qui sont plus petits, tandis que la variété des groupes hydrophiles est plus grande. Par conséquent, les propriétés des agents de surface sont principalement liées aux groupes hydrophiles, en plus de la taille et de la forme des groupes hydrophobes. La structure des groupes hydrophiles varie davantage que celle des groupes hydrophobes, de sorte que la classification des agents de surface repose généralement sur la structure des groupes hydrophiles. Cette classification est basée sur le caractère ionique ou non du groupe hydrophile et se divise en surfactants anioniques, cationiques, non ioniques, amphotères et autres types spéciaux de surfactants.
IV. Caractéristiques des solutions aqueuses d'agents de surface.
1. Adsorption des surfactants à l'interface. Les molécules d'agents de surface possèdent des groupes lipophiles et hydrophiles, qui sont des molécules amphiphiles. L'eau est un liquide fortement polaire et lorsque l'agent de surface est dissous dans l'eau, son groupe hydrophile est attiré par l'eau et dissous dans l'eau selon le principe de similitude et de répulsion de la polarité, et son groupe lipophile est repoussé par l'eau et quitte l'eau, de sorte que les molécules d'agent de surface (ou les ions) sont adsorbées à l'interface de deux phases, ce qui réduit la tension interfaciale entre les deux phases. Plus il y a de molécules (ou d'ions) de surfactants adsorbés à l'interface, plus la réduction de la tension interfaciale est importante.
2、Certaines propriétés des membranes d'adsorption.
Pression de surface du film d'adsorption : l'agent de surface est adsorbé à l'interface gaz-liquide pour former un film d'adsorption, par exemple en plaçant un flotteur mobile sans frottement à l'interface pour pousser le film d'adsorption le long de la surface de la solution, le film génère une pression sur le flotteur, et cette pression est appelée pression de surface.
Viscosité de surface : identique à la pression de surface, la viscosité de surface est une propriété du film moléculaire insoluble. Suspension d'un anneau de platine en fil métallique fin, de sorte que son plan soit en contact avec la surface de l'eau du réservoir, rotation de l'anneau de platine, l'anneau de platine est obstrué par la viscosité de l'eau, l'amplitude diminue progressivement, ce qui permet de mesurer la viscosité de surface. La méthode est la suivante : d'abord dans des expériences de surface d'eau pure, mesure de la diminution de l'amplitude, puis mesure de la diminution de la formation du film de surface, à partir de la différence entre les deux pour trouver la viscosité du film de surface. La viscosité de surface est étroitement liée à la solidité du film de surface, puisque le film d'adsorption a une pression de surface et une viscosité, il doit avoir de l'élasticité. Plus la pression de surface et la viscosité du film adsorbé sont élevées, plus son module d'élasticité est élevé. Le module d'élasticité du film d'adsorption de surface joue un rôle important dans le processus de stabilisation de la bulle.
3、La formation de micelles.
La solution diluée de tensioactif obéit à la loi suivie par la solution idéale. La quantité de surfactant adsorbé à la surface de la solution augmente avec la concentration de la solution, et lorsque la concentration atteint ou dépasse une certaine valeur, la quantité d'adsorption n'augmente plus. Ces molécules excédentaires d'agents de surface sont désordonnées dans la solution ou existent de manière régulière. La pratique et la théorie suggèrent qu'elles forment des associations au sein de la solution, appelées micelles. La concentration minimale d'agents de surface en solution pour former des micelles est appelée concentration critique en micelles (CMC).
HLB est l'abréviation de hydrophile lipophile balance, qui indique l'équilibre hydrophile et lipophile des groupes hydrophiles et lipophiles de l'agent de surface, c'est-à-dire la valeur HLB de l'agent de surface. Une valeur HLB élevée indique une molécule fortement hydrophile et une molécule faiblement lipophile ; inversement, une molécule fortement lipophile et une molécule faiblement hydrophile. La valeur HLB est une valeur relative ; ainsi, lorsque la valeur HLB est définie, la valeur HLB de la cire de paraffine, qui n'a pas de propriétés hydrophiles, est fixée à 0, tandis que la valeur HLB du dodécylsulfate de sodium, qui est plus soluble dans l'eau, est fixée à 40. D'une manière générale, les émulsifiants dont la valeur HLB est inférieure à 10 sont lipophiles, tandis que ceux dont la valeur est supérieure à 10 sont hydrophiles. Par conséquent, le point d'inflexion entre lipophile et hydrophile est d'environ 10.
En fonction de la valeur HLB de l'agent tensioactif, les utilisations possibles peuvent être grossièrement comprises, comme le montre le tableau de gauche, la valeur HLB de l'agent tensioactif utilisable comme émulsifiant eau dans l'huile est comprise entre 3,5 et 6, tandis que la valeur HLB de l'émulsifiant eau dans l'huile est comprise entre 8 et 18.
Cinquièmement, le rôle de l'émulsification et de la solubilisation.
Deux liquides insolubles l'un dans l'autre, l'un avec des particules (gouttelettes ou cristaux liquides) dispersées dans l'autre pour former un système appelé émulsion. La formation d'une émulsion est due à l'augmentation de la zone limite entre les deux liquides, de sorte que ce système est thermodynamiquement instable. Pour rendre l'émulsion stable, il faut ajouter un troisième composant, l'émulsifiant, afin de réduire l'énergie interfaciale du système. L'émulsifiant fait partie des agents de surface, sa fonction principale est de jouer le rôle de l'émulsion. L'émulsion en présence de gouttelettes de cette phase est appelée phase dispersée (ou phase interne ﹑ phase discontinue), reliée à une autre phase appelée milieu de dispersion (ou phase externe ﹑ phase continue).
1, émulsifiants et émulsions. Dans une émulsion courante, une phase est de l'eau ou une solution aqueuse, l'autre phase n'est pas miscible avec l'eau et les substances organiques, telles que la graisse, la cire, etc. Les émulsions d'eau et d'huile formées, selon leur dispersion, peuvent être divisées en deux sortes : l'huile dispersée dans l'eau pour former une émulsion huile dans eau, dite O/E (huile/eau) : l'eau dispersée dans l'huile pour former une émulsion huile dans eau, dite W/O (eau/huile). Des émulsions multiples complexes de type eau dans huile dans eau E/H/E et huile dans eau dans huile E/H/E peuvent également être formées.
Les émulsifiants sont utilisés pour stabiliser les émulsions en réduisant la tension interfaciale et en formant des films interfaciaux à molécule unique. Dans l'émulsification, l'émulsifiant doit pouvoir adsorber ou enrichir l'interface entre les deux phases, de sorte que la tension interfaciale soit réduite ; b, l'émulsifiant doit conférer aux particules une charge, de sorte que la répulsion électrostatique entre les particules, ou la formation d'une viscosité ﹑ stable autour des particules d'un film protecteur particulièrement élevé. Par conséquent, la substance utilisée comme émulsifiant doit comporter des groupes amphiphiles afin d'émulsifier, et les agents de surface peuvent répondre à cette exigence.
2, les méthodes de préparation des émulsions et les facteurs affectant la stabilité des émulsions.
Il existe deux méthodes de préparation des émulsions : l'une consiste à utiliser la méthode mécanique pour disperser le liquide sous forme de minuscules particules dans un autre liquide, ce qui est principalement utilisé dans l'industrie pour préparer les émulsions ; l'autre consiste à dissoudre le liquide à l'état moléculaire dans un autre liquide, puis à le rassembler de manière appropriée pour former une émulsion.
La stabilité d'une émulsion est sa capacité à résister à l'agrégation des particules qui conduirait à la séparation des phases. Les émulsions sont des systèmes thermodynamiquement instables avec de grandes énergies libres. Par conséquent, la soi-disant stabilité d'une émulsion est en fait le temps nécessaire pour que le système atteigne un état d'équilibre, c'est-à-dire le temps nécessaire pour que la séparation de l'un des liquides du système se produise. Lorsque la membrane interfaciale contient des molécules organiques polaires telles que des alcools gras, des acides gras et des amines grasses, la résistance de la membrane augmente considérablement. En effet, dans la couche interfaciale d'adsorption des molécules d'émulsifiants et des alcools, des acides et des amines et d'autres molécules polaires pour former un "complexe", la résistance de la membrane interfaciale augmente.
Plus de deux types d'agents de surface composés d'émulsifiants sont appelés émulsifiants mixtes. L'émulsifiant mixte est adsorbé à l'interface eau/huile, l'action intermoléculaire peut former des complexes. En raison de la forte action intermoléculaire, la tension interfaciale est considérablement réduite, la quantité d'émulsifiant adsorbé à l'interface est considérablement augmentée, la formation de la densité du film interfacial augmente, la force augmente.
La charge des billes liquides a un effet significatif sur la stabilité de l'émulsion. Dans les émulsions stables, les billes liquides sont généralement chargées. Lorsque l'on utilise un émulsifiant ionique, son groupe lipophile est adsorbé à l'interface de l'émulsifiant ionique et inséré dans la phase huileuse, son groupe hydrophile dans la phase aqueuse, ce qui rend les billes liquides chargées. Comme l'émulsion des billes liquides a la même charge, elles se repoussent les unes les autres, ne s'agglomèrent pas facilement, ce qui augmente la stabilité. On peut constater que plus il y a d'ions émulsifiants adsorbés sur les billes, plus la charge est importante, plus la capacité à empêcher les billes de s'agglomérer est grande, plus le système d'émulsion est stable.
La viscosité du milieu de dispersion de l'émulsion a une certaine influence sur la stabilité de l'émulsion. En général, plus la viscosité du milieu de dispersion est élevée, plus la stabilité de l'émulsion est importante. En effet, la viscosité du milieu de dispersion est élevée, ce qui a un effet important sur le mouvement brownien des billes liquides et ralentit la collision entre les billes liquides, de sorte que le système reste stable. En général, les substances polymères qui peuvent être dissoutes dans les émulsions peuvent augmenter la viscosité du système et accroître la stabilité des émulsions. En outre, les polymères peuvent former un film interfacial solide, ce qui rend le système d'émulsion plus stable.
Dans certains cas, l'ajout de poudre solide peut également stabiliser l'émulsion. La poudre solide se trouve dans l'eau, l'huile ou l'interface, en fonction de l'huile, de l'eau, de la capacité de mouillage de la poudre solide, si la poudre solide est complètement mouillée par l'eau, et peut être mouillée par l'huile, elle ne sera retenue que dans l'interface eau-huile. La poudre solide ne rend pas l'émulsion stable car la poudre rassemblée à l'interface renforce le film d'interface, ce qui est similaire à l'adsorption des molécules d'émulsifiant à l'interface ; par conséquent, plus la poudre solide est disposée étroitement à l'interface, plus l'émulsion est stable.
L'agent de surface a la capacité d'augmenter considérablement la solubilité des substances organiques insolubles ou légèrement solubles après avoir formé des micelles dans une solution aqueuse, et la solution est alors transparente ; cet effet des micelles est appelé solubilisation. L'agent de surface qui peut produire la solubilisation est appelé solubilisateur, et la matière organique qui est solubilisée est appelée matière solubilisée.
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