Tensioactif

Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. Les composés tensioactifs sont des molécules amphiphiles, c'est-à-dire qu'elles présentent deux parties de polarité différente, l'une lipophile (qui retient les matières grasses) et apolaire, l'autre hydrophile (miscible dans l'eau) et polaire.

Il permet ainsi de solubiliser deux phases non miscibles, en interagissant avec l'une apolaire (c'est-à-dire lipophile donc hydrophobe), par sa partie hydrophobe; tandis qu'avec l'autre phase qui est polaire, il interagira par sa partie hydrophile.

Au Canada notamment, on parle aussi de surfactif, transposition du mot anglais surfactant qui est la compression de « surface active agent » (agent de surface actif). On trouve aussi parfois le terme de tenside.

Propriétés des tensioactifs

Les propriétés des tensioactifs sont dues à leur structure amphiphile. Cette structure leur confère une affinité particulière pour les interfaces de type huile/eau et eau/huile et donc, par là même, leur donne la capacité d'abaisser l'énergie libre de ces interfaces. Ce phénomène est à la base de la stabilisation de systèmes dispersés.

En tant qu'agents émulsifiants ou stabilisants, on peut détailler leur action en trois points:

• ils facilitent la formation de gouttes en diminuant cette tension de surface, car l'énergie nécessaire à leur formation est directement proportionnelle à la tension de surface. Ils permettent également d'empêcher la recombinaison immédiate de gouttes nouvellement créées via l'effet Marangoni, ce qui rend possible l'émulsification.
• ils stabilisent les gouttes formées en diminuant le gradient de pression au niveau de l'interface
• ils stabilisent les gouttes vis-à-vis de l'agrégation, en apportant des répulsions électrostatiques ou stériques entre les gouttes

Un agent tensio-actif est un corps qui, même utilisé en faible quantité, modifie de façon importante la tension superficielle, en particulier celle de l'eau. Ainsi, à l'exception des sels minéraux ou des bases (sauf l'ammoniac), la majorité des agents tensio-actifs abaissent la tension superficielle de l'eau. Cependant pour connaitre leur caractère hydrophile ou hydrophobe majoritaire, on peut raisonner sur la valeur de leur HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance, balance hydrophile/hydrophobe)^[1], proposée en 1949 par Griffin^[2]. Cette méthode permet de déterminer des repères numériques qui chiffrent l'équilibre existant entre la partie hydrophile et la partie lipophile de la molécule de tensioactif, et qui sont liés à la solubilité dans l'eau. L'échelle varie de 0 à 40 (bornes exclues car sinon les molécules ne sont plus des tensioactifs) : plus la valeur est élevée, plus la solubilité dans l'eau est grande.

D'après la méthode de Davies,

$HLB = \sum HLB_{groupes\;hydrophiles} - \sum HLB_{groupes\;hydrophobes} + 7$

Il existe des tables de HLB pour différents groupes classiques^[3]. Si on obtient une HLB comprise entre 1 et 6, on a typiquement affaire à un tensioactif hydrophobe qui donnera préférentiellement des émulsions inverses (E/H). Pour une HLB supérieure à 10, il aura clairement un caractère hydrophile et donnera surtout des émulsions directes (H/E).

Le principal avantage de la HLB est son additivité, très utile lorsque deux tensioactifs doivent être utilisés en mélange pour obtenir une formulation stable. En effet, il existe une HLB requise par la phase hydrophobe pour une stabilité optimale, par exemple l'huile de paraffine nécessite une HLB de 11; s'il n'existe pas de tensioactif adéquat ayant cette valeur de HLB, il suffit de mélanger deux tensioactifs de manière à ce que la HLB du mélange soit à la valeur requise. En revanche la HLB ne permet pas de tenir compte de l'ensemble des paramètres du système (température, proportion et nature de l'huile etc).

Fonctions des tensioactifs

Les tensioactifs sont parfois dénommés selon la fonction qu'ils remplissent.

Détergents

Article détaillé : détergent.

Un détergent (ou agent de surface, détersif, surfactant) est un composé chimique, généralement issu du pétrole, doté de propriétés tensioactives, ce qui le rend capable d'enlever les salissures sur un support solide. La détersion est un élément d'hygiène fondamental, puisqu'il permet d'éliminer une grande partie des bactéries présentes sur les surfaces nettoyées, en particulier la peau, les ustensiles servant à la préparation et à la consommation des repas. Le pouvoir détersif des tensioactifs découle essentiellement de leur pouvoir solubilisant.

Les agents détergents ont souvent une HLB comprise entre 13 et 15.

Agents de solubilisation

À très faible concentration, les tensioactifs sont capables de former des solutions vraies dans une phase aqueuse. Lorsque leur concentration dépasse une valeur particulière (la concentration micellaire critique), les molécules du tensioactif se regroupent en agrégats appelés micelles. Ce regroupement se fait de sorte que leur pôle hydrophile soit le seul en contact avec les molécules d'eau. Par ce biais, certains tensioactifs sont capables de faire passer en "solution" des substances normalement insolubles dans le solvant utilisé. La substance insoluble est prise en charge par les micelles et s'y insère.

Les agents solubilisants ont souvent une HLB comprise entre 18 et 20.

Agents moussants

La formation de mousse, dispersion d’un volume important de gaz dans un faible volume de liquide, nécessite la présence d’agents tensioactifs qui s’adsorbent à l’interface eau-air.

Les agents moussants ont souvent une HLB comprise entre 3 et 8.

Agents mouillants

Le mouillage d'un solide par un liquide correspond à l'étalement du liquide sur le solide. En diminuant la tension superficielle solide-liquide, les agents mouillants permettent un plus grand étalement du liquide. Ce pouvoir mouillant participe à la mise en suspension de particules solides dans un liquide dans lequel elles sont insolubles, en chassant la couche d'air adhérant aux particules qui gêne la dispersion dans la phase liquide.

Les agents mouillants ont souvent une HLB comprise entre 6 et 8.

Agents dispersants

Les agents dispersants permettent de fixer les particules hydrophobes contenus dans une solution hydrophile, telle que de l'eau, ce qui permet de créer une dispersion, c'est-à-dire une solution aqueuse contenant des particules en suspension. Ces agents préviennent la floculation des particules, c'est-à-dire leur regroupement en plus grosses parties, qui pourraient alors facilement sédimenter dans le fond de la solution.

Agents émulsifiants

Un émulsifiant facilite la formation d'une émulsion entre deux liquides non miscibles (par exemple de l'eau et de l'huile). Dans une émulsion, le premier liquide (appelé phase discontinue) est dispersé dans le second liquide (appelé phase continue) sous forme de petites gouttelettes. Le rôle du tensioactif est de diminuer la tension de surface entre les deux phases liquides, en formant un film autour des gouttelettes dispersées.

Pour une émulsion E/H, plutôt utiliser un tensioactif dont la HLB est inférieure à 6. Pour une émulsion H/E, plutôt utiliser un tensioactif dont la HLB est supérieure à 10.

Tensioactifs antiseptiques

Certains tensioactifs (principalement les sels d'ammonium quaternaire) sont aussi utilisés pour leur pouvoir bactériostatique ou bactéricide dans des formulations pharmaceutiques ou cosmétiques. À faible dose, le cation du sel d'ammonium quaternaire se fixe les groupements terminaux acides ou autres anions de la membrane bactérienne, ce qui perturbe les fonctions de respiration et de reproduction de la bactérie. À plus fortes doses, on observe même la destruction complète de la membrane bactérienne (mais ces doses sont généralement toxiques pour l'homme).

Types de tensioactifs

On distingue quatre types de composés tensioactifs, regroupés selon la nature de la partie hydrophile :

1. tensioactifs anioniques : leur partie hydrophile est chargée négativement.
2. tensioactifs cationiques : leur partie hydrophile est chargée positivement.
3. tensioactifs zwitterioniques ou amphotères : leur partie hydrophile comporte une charge positive et une charge négative, la charge globale est nulle.
4. tensioactifs non ioniques : la molécule ne comporte aucune charge nette.

Tensioactifs anioniques

Les tensioactifs anioniques libèrent une charge négative (anion) en solution aqueuse. Ils ont une balance Hydrophile/Lipophile (HLB) relativement élevée (8 à 18) car ils ont une tendance hydrophile plus marquée. Ils orientent l'émulsion dans le sens H/E, Huile/Eau (si HLB>18 alors détergent).

Parmi ce type de tensioactifs, on peut citer les savons, qui sont des sels d'acides gras, de formule générale RCOOM (R= longue chaîne hydrocarboné, M=un métal, un alcalin ou une base organique). Selon la nature du groupement M, on distingue les savons alcalins (savons de Na+, K+, NH4+), les savons métalliques (de calcium surtout) et les savons organiques (savon de triéthanolamine par exemple, dont le stéarate de triéthanolamine). On retrouve aussi des dérivés sulfatés (ex: laurylsulfate de sodium et laurylsulfate de triéthanolamine), très utilisés comme agents émulsionnants ou moussants, et des dérivés sulfonés (ex: dioctylsufosuccinate de sodium) souvent caractérisés par un fort pouvoir mouillant.

Ils ne sont pas compatibles avec les Tensioactifs cationiques.

Tensioactifs cationiques

Les tensioactifs cationiques libèrent une charge positive (cation) en solution aqueuse. Ce sont généralement des produits azotés (avec un atome d'azote chargé positivement). On peut notamment citer les sels d'ammonium quaternaire : sels d'alkyltrimethylammonium (bromure d'alkyltrimethylammonium), sels d'alkylbenzyldimethylammonium (ex: chlorure de benzalkonium). Ils ont des propriétés bactériostatiques et émulsionnantes. Ils ont une affinité avec la kératine de la peau ou des cheveux, car chargée négativement ; ils se combinent avec elle pour former un film lisse.

On les utilise dans les après-shampoing, les antipelliculaires, certaines teintures, les déodorants. C'est le produit actif des assouplissants textiles en feuilles et liquides (Bounce, Fleecy, etc.). Ils s'adsorbent à la surface des tissus, les chargeant négativement, réduisant les forces électrostatiques présentes, et par là l'électricité statique présente. Ils rendent les tissus plus souples. Ils sont irritants pour la muqueuse oculaire.

Ils ne sont pas compatibles avec les tensioactifs anioniques.

Tensioactifs zwitterioniques ou amphotères ou ampholytes

Les tensioactifs amphotères contiennent à la fois des groupements acides et basiques. En conséquence, suivant le pH du milieu où ils se trouvent, ils libèrent un ion positif ou un ion négatif.

• en pH alcalin, ils se comportent comme des tensioactifs anioniques,
• en pH acide, ils se comportent comme des tensioactifs cationiques.

Les tensioactifs amphotères ont une HLB élevée ; et sont donc utilisés comme détergents. Moins agressifs que les anioniques, ils sont recommandés pour les peaux fragiles.

Il existe différentes classes chimiques de tensioactifs amphotères. On peut notamment citer :

• les bétaïnes, qui contiennent un groupement ammonium quaternaire et un groupement acide carboxylique (utilisées comme agents moussants et détergents)
• les dérivés de l'imidazoline (moussants et antiseptiques bien tolérés par la peau et les muqueuses, dont la muqueuse oculaire)
• les polypeptides, peu irritants pour la peau (utilisés dans les shampoings, crèmes, laits démaquillants...)
• les lipoaminoacides, qui ont une grande similitude avec les lipoaminoacides présents dans l'épiderme, ce qui en fait des tensioactifs "physiologiques", utilisés dans les crèmes, dentifrices, lotions capillaires

Ils sont compatibles avec les autres tensioactifs.

Tensioactifs non ioniques

Leur molécule ne comporte aucune charge nette (ne s'ionise pas dans l'eau). On^{[Qui ?]} dit qu'ils comptent parmi les meilleurs détergents. Ils peuvent être classés en fonction de la nature de la liaison entre les parties hydrophile et hydrophobe de la molécule.

Les tensioactifs non ioniques sont généralement compatibles avec les autres tensioactifs.

Tensioactifs à liaison ester (R-CO-O-R')

On peut citer les esters de glycol (ex: stéarate d'éthylène glycol), les esters de glycérol (ex: stéarate de glycérol, utilisé comme émulsionnant), les esters de polyoxyethylèneglycol (obtenus par action d'oxyde d'éthylène sur un acide gras ou un mélange d'acides gras), les esters de sorbitane, mais surtout les esters de sorbitane polyoxyéthyléniques, plus couramment appelés Tweens ou polysorbates.

Un agent tensioactif non ionique connu et très fréquemment utilisé en chimie et en biologie est le Tween (Tween 20, 60, 80...) ou ester de sorbitan, mais on utilise aussi des esters de saccharose. Ces membres de la famille des esters de sucre sont constitués d'un groupement osidique hydrophile et d'une chaîne grasse hydrophobe. Les esters de sucre ont plusieurs avantages en tant que tensioactifs :

• matières premières peu coûteuses et renouvelables
• biodégradabilité complète en aérobiose et en anaérobiose
• molécules ne présentant ni toxicité ni caractère irritant
• absence de goût et d'odeur
• molécule non ionique
• large gamme de structures disponibles

Tensioactifs à liaison éther (R-O-R')

Exemple: les ethers d'alcools gras et de polyoxyethylèneglycol, utilisés comme émulsionnants.

Tensioactifs à liaison amide (R-CO-NH-R')

Ex: COMPERLAN(R), qui a des propriétés moussantes, émulsionnantes, détergentes, épaississantes.

Notes et références

1. ↑ Davies JT: "A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent," Gas/Liquid and Liquid/Liquid Interface. Proceedings of the International Congress of Surface Activity (1957): 426-438
2. ↑ Griffin WC: "Classification of Surface-Active Agents by 'HLB,'" Journal of the Society of Cosmetic Chemists 1 (1949): 311.
3. ↑ http://www.surface.akzonobel.com/bulletins/newlogoemulsions.pdf

Voir aussi

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• « Tensioactif », sur le Wiktionnaire (dictionnaire universel)

Articles connexes

• Chimie
• Chimie fine

Liens externes

• (fr) La nature et le rôle des tensioactifs dans la formulation des mousses anti-incendie de forêt, P. Jones, mémoire de maîtrise de chimie ([PDF], 32p, 1,1 Mo)
• (fr) Balance hydrophile-lipophile (hlb) d'une série d'alcools gras polyéthoxylés
• (en) Focus on Surfactants ; revue spécialisée (An International Newsletter Monitoring Technical and Commercial Developments for all Surface Active Agents), Elservier, en anglais

Bibliographie

Biologie/médecine=

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• B. Escande, P. Kuhn, S. Rivera, J. Messer, Les déficits secondaires en surfactant Archives de Pédiatrie, Volume 11, Issue 11, November 2004, Pages 1351-1359
• Evens Emmanuel, Khalil Hanna, Christine Bazin, Gérard Keck, Bernard Clément, Yves Perrodin, Fate of glutaraldehyde in hospital wastewater and combined effects of glutaraldehyde and surfactants on aquatic organisms  ; Environment International, Volume 31, Issue 3, April 2005, Pages 399-406
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Références