Émulsions et suspensions - Définition

Théorie de l'émulsification, surface et interface, tension interfaciale

Les molécules se trouvant à l'interface entre deux liquides ne sont pas en équilibre, car elles ne sont pas uniformément entourées de molécules de même nature. Les forces développées à l'interface ne sont pas en équilibre: les résultantes de ces forces sont dirigées vers l'intérieur des liquides respectifs et ont pour effet de contracter la surface de contact entre les deux liquides. La force que l'on devrait appliquer parallèlement à l'interface pour contrebalancer exactement ces forces résultantes s'appelle la tension interfaciale.

Le travail d'émulsification est directement proportionnel au produit de la tension interfaciale par l'accroissement de surface de contact entre les deux liquides. L'énergie fournie par ce travail est emmagasinée par le système qui devient alors hautement énergétique. Son énergie libre de surface est égale au travail fourni et est d'autant plus élevée que la tension interfaciale entre les deux liquides est importante.

Rupture de l'émulsion

Une émulsion est rompue soit:

• par inversion de phase
• par crémage ou sédimentation
• par coalescence
• à la fois par coalescence et crémage ou sédimentation

La rupture de l'émulsion est une séparation complète qui se produit en deux étapes. Dans un premier temps, lors de la floculation, les gouttelettes de la phase dispersée forment des agrégats et chacun de ces agrégats conserve encore son identité; l'agrégation est réversible. Il y a seulement crémage ou sédimentation, donc l'homogénéité peut être facilement rétablie par simple agitation. Théoriquement, le crémage et la sédimentation sont des phénomènes réversibles, car il suffit en principe d'agiter modérément les préparations pour redistribuer les particules de façon homogène. Par contre, s'il y a coalescence, alors il y a rupture complète et irréversible de l'émulsion. Mais, il doit être compris que si la floculation constitue l'étape nécessaire à la coalescence des particules, elle n'est cependant pas une étape suffisante. Il n'est pas rare, en effet, de constater que des émulsions floculées rentent stables pendant très longtemps sans présenter de coalescence. Le phénomène de coalescence dépend de la tension interfaciale entre les deux phases liquides. La tension interfaciale entre deux liquides tend à rendre la surface de séparation aussi petite que possible. En faisant une émulsion, on augmente la surface de séparation de façon considérable et ceci d'autant plus que les gouttelettes dispersées sont très fines. On accroît ainsi l'énergie libre du système, donc son instabilité.

La vitesse de crémage ou de sédimentation d'une particule sphérique dans un milieu liquide et visqueux est exprimée par la loi de Stokes.

Un des facteurs les plus importants est le rayon des particules. L'opération d'homogénéisation a précisément pour but de réduire au maximum ce rayon et en même temps de le rendre aussi uniforme que possible; il en résulte alors une amélioration de la stabilité et un accroissement de la viscosité du milieu. D'autre part, le crémage sera d'autant plus spontané que la différence entre les densités des deux phases sera plus grande. Si la phase dispersée est plus dense que la phase continue, la vitesse de sédimentation est positive, c'est-à-dire que les globules huileux sédimenteront vers le bas. Inversement, quand la phase dispersée a une densité moindre que la phase continue, la vitesse de sédimentation est négative, c'est-à-dire que les globules vont s'accumuler en surface. On peut réduire la vitesse de crémage (ou de sédimentation) soit en réduisant la dimension des globules par homogénéisation, soit en augmentant la viscosité de la phase externe par addition, en concentration appropriée, d'un agent épaississant. La stabilité des émulsions n'est pratiquement jamais conditionnée par un seul facteur, mais résulte de l'action concomitante de plusieurs propriétés, parmi lesquelles la viscosité du système dans son ensemble joue un rôle de premier plan. La vitesse de sédimentation peut être notablement accélérée par centrifugation, ce qui augmente l'action de la pesanteur.