Comment stabiliser une émulsion ?
Quand on travaille en formulation, on se retrouve souvent face à un défi bien connu : faire cohabiter des composés qui n’ont pas vraiment envie de se mélanger. D’un côté, les substances hydrophobes (qui n’aiment pas l’eau), de l’autre, les hydrophiles (qui l’adorent). C’est un peu comme essayer de mélanger de l’huile et du vinaigre pour faire une mayonnaise : sans un "pont" entre les deux, ça ne prend pas.
Ce pont, c’est l’émulsifiant. Un ingrédient capable de jouer les entremetteurs grâce à sa double affinité – à la fois pour l’eau et pour l’huile. On parle alors de molécule amphiphile. Mais voilà, choisir le bon émulsifiant n’est pas toujours simple. Tout dépend des ingrédients que vous voulez mélanger, de leurs proportions, et du résultat que vous cherchez à obtenir.
C’est là qu’entre en jeu un concept clé : la balance hydrophile-hydrophobe, ou HLB pour les intimes. Comprendre cette notion, c’est déjà avoir un coup d’avance pour formuler des émulsions stables et efficaces.
Je ne vais pas ici vous faire un cours théorique sur la chimie des colloïdes ou les systèmes hétérogènes. Ce que je vous propose, c’est de partir ensemble sur des bases concrètes. L’idée, c’est de vous donner des repères utiles pour comprendre ce qui se joue vraiment dans une émulsion, et pourquoi certains choix en formulation font toute la différence.
Cet article est le premier d’une série qui vise à construire une formation complète sur la formulation des détergents et désinfectants. On va commencer par trois points essentiels : comprendre le rôle et les exigences d’un détergent, découvrir l’importance des tensioactifs, et plonger dans la notion de HLB, un véritable levier pour améliorer l’efficacité de vos formules.
Qu'est ce qu'un détergent ?
Un détergent est une substance chimique conçue pour éliminer les impuretés, graisses et salissures sur une variété de supports (textiles, vaisselle, sols, etc.), en facilitant le détachement physique et chimique des particules indésirables. Pour accomplir cette fonction, les détergents agissent en réduisant la tension superficielle de l'eau, ce qui facilite l'émulsification des graisses et la formation de micelles qui piègent et enrobent les salissures.
Au-delà du nettoyage de base, les formulations de détergents doivent respecter plusieurs critères, tels que la compatibilité avec les matériaux (préservant la qualité des surfaces et des textiles), l'innocuité pour l'utilisateur et l'environnement, ainsi que la stabilité du produit pendant son stockage.
Les détergents varient considérablement selon la nature de la salissure, le type de surface à nettoyer, la température d'application, le temps disponible, etc. Ils sont souvent composés de plusieurs ingrédients actifs, parmi lesquels les tensioactifs jouent un rôle clé.
Qu'est ce qu'un tensioactif ?
Les agents tensioactifs, ou surfactants, jouent un rôle essentiel dans l'action des détergents grâce à leur structure amphiphile, c'est-à-dire une tête hydrophile (attirant l'eau) et une queue lipophile (attirant l'huile). Cette configuration unique leur permet de s'orienter à l'interface entre l'eau et les surfaces solides ou huileuses. Là, ils réduisent la tension superficielle et aident à disperser les particules de saleté dans la phase aqueuse.
Lorsqu'ils sont en solution, et dès que leur concentration dépasse ce qu'on appelle la "concentration micellaire critique" (CMC), les tensioactifs forment des micelles. Ces structures capturent les impuretés hydrophobes, rendant ainsi leur élimination plus facile et plus efficace lors du rinçage, ce qui est indispensable pour un nettoyage optimal.
Avant d'aller plus loin, sachez qu'un outil précieux pour bien choisir et combiner vos tensioactifs est l'indice de balance hydrophile-hydrophobe (HLB). Ce système, simple mais puissant, vous aide à optimiser l'émulsion, la solubilisation et la stabilité de vos formulations.
Qu'est ce que la HLB ?
La HLB (Hydrophile-Lipophile Balance) est un nombre sans unité qui reflète le rapport entre la partie hydrophile (affine à l’eau) et la partie lipophile (affine aux huiles) d’un agent tensioactif.
Sous cette forme, un même composé peut être classé selon son comportement en solution aqueuse ou huileuse, ce qui guide la conception de formulations ciblant soit des émulsions eau-dans-huile, soit des émulsions huile-dans-eau.
C’est William C. Griffin qui, dans deux publications de 1949 et 1954, a proposé de quantifier le caractère hydrophile ou lipophile d’un surfactant par un calcul basé sur ses masses molaires.
Ce système, d’abord appliqué aux tensioactifs non ioniques, a rapidement trouvé des prolongements dans l’industrie cosmétique et pharmaceutique pour prédire la nature des émulsions formées.
En 1957, Davies a étendu la notion d’HLB en associant des valeurs « groupes chimiques » plus fines, permettant d’affiner la prédiction de propriétés tensioactives pour des molécules plus complexes.
Sur l’échelle HLB, qui va de 0 (entièrement lipophile) à 20 (entièrement hydrophile), chaque palier correspond à un comportement précis en émulsification ou solubilisation:
- HLB 1–4 : agents anti-mousses ou émulsions eau-dans-huile (W/O).
- HLB 7–9 : agents mouillants et dispersants.
- HLB 8–16 : émulsifiants huile-dans-eau (O/W) ; les valeurs autour de 13–16 sont typiques des détergents ménagers.
- HLB >16 : solubilisants et hydrotropes, conçus pour rendre complètement miscibles certains additifs apolaires dans l’eau.
Comment calculer la HLB d'un tensioactif ?
Méthode de Griffin (non ioniques)
Pour un tensioactif non ionique, l’HLB se calcule très simplement en rapportant la masse molaire de la partie « hydrophile » (Mh) à la masse molaire totale (M) :
Cette approche rapide a été appliquée dès l’origine aux polyéthoxylates, phénols éthoxylés et sorbitan esters.
Méthode de Davies (groupes chimiques)
Davies a proposé de décomposer chaque molécule en groupes hydrophiles et lipophiles, en attribuant à chacun une contribution positive dans le cas des hydrophiles et négatives dans le cas des lipophiles.
Les groupements hydrophiles ont une contribution en fonction de leur nature chimique, par exemple un groupement carboxylate de Na+ aura une contribution de 19,1. Alors que la partie lipophile ou hydrophobe sera estimée comme suit : n x -0,475 où n est le nombre de groupement CH3, CH2 ou CH.
Comment la HLB impacte t'elle la détergence ?
Émulsification
Un tensioactif à HLB intermédiaire (8–16) oriente la formation d’émulsions huile-dans-eau (O/W), typiques des détergents aqueux, car il place les gouttelettes d’huile à l’intérieur de micelles hydrophiles stables en phase aqueuse.
Inversement, les HLB faibles (3–8) favorisent les émulsions eau-dans-huile (W/O), où l’eau est dispersée dans la phase huileuse, utiles pour des applications en milieu organique ou pour certaines crèmes protectrices.
Solubilisation
Au-delà de l’émulsification, les tensioactifs très hydrophiles (HLB >16) agissent comme solubilisants : ils rendent miscibles dans l’eau des composés apolaires (par ex. parfums ou huiles essentielles) en les encapsulant dans des micelles.
Cette propriété est exploitée dans les formules « tout-en-un » où l’on cherche à intégrer plusieurs ingrédients hydrophobes sans phase séparée.
Mouillage
Les tensioactifs au HLB intermédiaire (7–9) diminuent la tension de surface des liquides et améliorent le contact avec les substrats, favorisant le mouillage des fibres textiles ou des surfaces rigides.
Ce rôle de mouillant est essentiel pour que l’eau pénètre efficacement dans les tissus ou sous les particules adhérentes.
Dispersion
Enfin, l’HLB conditionne la capacité à disperser des particules solides (sabbres, pigments, taches tenaces) en suspension stable : un HLB adapté inhibe la ré-agglomération et maintient les polluants en phase dispersée jusqu’au rinçage.
HLB optimal pour détergents aqueux vs détergents en milieu organique
- Détergents aqueux (O/W) : on vise typiquement un HLB de 13 à 16 pour assurer un compromis entre solubilisation des corps gras et stabilité micellaire.
- Détergents en milieu organique ou émulsions W/O : on oriente vers un HLB de 3 à 8, permettant à la phase aqueuse de se disperser sous forme de petites gouttes dans la matrice huileuse.
- Formulations hybrides : pour des systèmes complexes (nettoyants bicouches, gels bi-phasiques), on combine deux tensioactifs de HLB complémentaire pour atteindre la « HLB requise » du mélange, assurant ainsi l’émulsion multiple et la libération contrôlée d’ingrédients actifs.
Influence de la HLB sur la stabilité des formulations & la détergence
La stabilité d’une émulsion ou d’un détergent repose sur le fait que l’HLB du ou des tensioactifs employés corresponde étroitement à l’ « HLB requise » de la phase dispersante.
Lorsque l’écart entre HLB du tensioactif et HLB requis est minime, l’émulsion présente une fine couche interfaciale élastique et faible tension résiduelle, retardant la coalescence des gouttelettes et la séparation de phase.
Inversement, un mauvais choix de HLB conduit à des phénomènes de floculation, de crème ou de sédimentation rapide, compromettant l’efficacité et la durée de vie du produit.
Enfin, la sélection d’un mélange de tensioactifs aux HLB légèrement différents permet de « verrouiller » les couches interfaciales, augmentant la résistance aux variations de température et au stress mécanique (agitation, stockage prolongé).
Ce panorama met en lumière l’importance capitale de l’HLB pour concevoir des détergents performants et durables, que ce soit en milieu aqueux, huileux ou hybride. En maîtrisant cet indice, le formulateur dispose d’un levier simple mais puissant pour moduler l’émulsification, la solubilisation, le mouillage et la dispersion, tout en garantissant la stabilité et la longévité de ses produits.
Cette section explique comment, à partir de la nature des salissures et de la surface à traiter, on détermine la valeur HLB optimale et le rôle des mélanges de tensioactifs pour atteindre cette HLB « requise » tout en tirant parti d’effets de synergie.
Identifier la nature des salissures
Pour choisir judicieusement un tensioactif, il faut d’abord caractériser la ou les salissures à éliminer :
- Salissures graisseuses (huiles, graisses animales ou végétales, sébum) qui exigent des tensioactifs à pouvoir lipophile modéré, capables de solubiliser les corps gras.
- Salissures protéiques (sang, œuf, lait, kératine) nécessitant souvent un prétraitement enzymatique ou un pH élevé pour dénaturer les protéines avant la phase tensioactive.
- Salissures mixtes (mélange de graisses et de composés organiques divers) où l’on combinera plusieurs catégories de surfactants pour couvrir simultanément différents mécanismes d’action.
Adapter l’HLB à la cible
Le support et l’usage final orientent le choix de la plage HLB :
- Surfaces dures (parois, plan de travail, sols) : les détergents aqueux à émulsion huile-dans-eau (O/W) sont privilégiés, avec des tensioactifs d’HLB 13 – 16 pour maximiser la solubilisation des graisses dans la phase aqueuse.
- Textiles : au rôle d’émulsification s’ajoute la nécessité de mouillage, d’où l’emploi de tensioactifs à HLB 7 – 9, optimaux pour abaisser la tension de surface et favoriser la pénétration des fibres.
- Usage cosmétique (crèmes, lotions) : on choisit des émulsifiants W/O (émulsion eau-dans-huile) à HLB 3 – 6 pour stabiliser de fines gouttelettes d’eau dans une phase huileuse, assurant confort et toucher non gras.
Mélange de tensioactifs pour ajuster l’HLB global
La HLB « requise » d’un système est souvent obtenue en combinant deux ou trois tensioactifs aux caractéristiques complémentaires :
- En associant un tensioactif non ionique (HLB élevé) à un anionique (HLB moyen), on réduit la CMC et on renforce l’abaissement de la tension de surface, tout en stabilisant la mousse et l’émulsion.
- Des études montrent qu’un mélange sur-mesure, calibré sur la HLB requise par le système, forme une interface plus élastique et résiste mieux aux chocs thermiques et mécaniques.
- Cette approche permet également d’optimiser l’efficacité détergente sans surdoser chaque surfactant, limitant ainsi l’impact environnemental et le coût de formulation.
En appliquant ces principes—diagnostic des salissures, choix ciblé de la plage HLB et dosage synergique de tensioactifs—le formulateur dispose d’une méthode rigoureuse pour concevoir des détergents performants, stables et adaptés à chaque application.
Cas pratiques et exemples
Avant de plonger dans les applications concrètes, retenez que la sélection de la valeur HLB ne se limite pas à un choix théorique : elle façonne directement les performances de vos produits, de la lessive que vous utilisez chaque matin aux solutions de nettoyage industriel dégraissant, tout en influençant l’empreinte environnementale et le coût de fabrication.
Détergents domestiques : HLB typique des tensioactifs utilisés
Dans la plupart des lessives et gels vaisselle grand public, on privilégie des tensioactifs non ioniques ou anioniques dont la HLB se situe entre 13 et 16. Cette plage assure à la fois une excellente solubilisation des graisses et une stabilité des micelles dans l’eau.
Par exemple, les alkylphénols éthoxylés (Triton X-100) présentent un HLB de 13,6, tandis que les esters sorbitan-polyéthoxylés (Tween 80) sont autour de 13,4, idéaux pour des émulsions huile-dans-eau efficaces et durables.
Plus encore, des études recommandent même le recours à des HLB 13–15 pour maximiser le pouvoir nettoyant tout en limitant l’agressivité vis-à-vis des surfaces et des fibres.
Nettoyage industriel : besoin d’HLB plus spécifique selon les polluants
En contexte industriel, la nature des salissures varie beaucoup : huiles lourdes, goudrons, résines ou pigments. Les formules doivent donc s’ajuster :
- Pour le dégoudronnage et le nettoyage de pièces fortement encrassées, on utilise souvent des surfactants dont l’HLB se situe autour de 8–12, favorisant les émulsions huile-dans-eau tout en restant assez lipophiles pour solubiliser les huiles lourdes.
- Dans certaines applications spécifiques, comme la stabilisation d’émulsions d’asphalte pour la voirie, on observe qu’un mélange avec un HLB précis (tracté autour de 2–6 pour la phase huileuse) améliore considérablement la stabilité et la résistance à la séparation de phase.
- Des recherches en dépollution montrent que, pour extraire des hydrocarbures ou des contaminants organiques du sol, on recourt à des surfactants dont la HLB est finement calibrée (parfois très basse, 1,8–8,6), maximisant ainsi l’efficacité des micelles sur les composés hydrophobes.
Compromis entre efficacité, compatibilité environnementale et coût
Formuler un nettoyant performant ne suffit pas :
- Efficacité versus innocuité : des surfactants à HLB élevés nettoient mieux, mais peuvent être plus irritants ou moins biodégradables, posant un risque environnemental et sanitaire.
- Remplacement des substances controversées : les pressions réglementaires poussent à substituer les tensioactifs fluorés (PFAS) par des alternatives plus sûres, souvent avec des HLB différents, ce qui peut nuire à l’efficacité sans ajustement soigneux de la formule.
- Optimisation des coûts : les non ioniques très hydrophiles (HLB >16) sont souvent plus coûteux. Les formules hybrides, combinant plusieurs tensioactifs pour atteindre la HLB requise, permettent de réduire la part de composants onéreux tout en conservant la performance.
Ces cas pratiques illustrent que la maîtrise de l’HLB n’est pas un luxe académique, mais un levier opérationnel : en ajustant la valeur HLB à la fois au type de salissures et aux contraintes réglementaires, vous créez des produits qui nettoient mieux, tout en respectant l’utilisateur, l’environnement et votre budget.
Stabiliser une émulsion avec l'effet mécanique
La mécanique de mélange joue un rôle aussi crucial que la chimie : en chimie en continu, l’utilisation de mélangeurs statiques—tubes garnis d’éléments géométriques fixes—assure un cisaillement laminaire régulier qui fragmente la phase dispersée en gouttelettes de taille uniforme, limitant drastiquement la coalescence et renforçant la stabilité des émulsions. Contrairement aux batteurs classiques où l’intensité et la localisation du mélange varient d’un lot à l’autre, la configuration en continu des mélangeurs statiques garantit une reproductibilité exceptionnelle, imperméable aux fluctuations de débit et de température. L’action mécanique homogène crée des striations fines dont l’épaisseur est dictée par la géométrie des éléments internes, permettant d’optimiser la distribution granulométrique des gouttelettes en fonction de la valeur HLB du ou des surfactants employés.
En pratique, un tensioactif choisi pour son HLB adapté (par exemple HLB 13–16 pour des émulsions huile-dans-eau) verra son film interfacial « verrouillé » par l’énergie de cisaillement, ce qui rend le film surfactant plus élastique et résistant aux chocs thermiques ou mécaniques. Des études sur des mélanges non ioniques (sorbitan monooleate/polysorbate 80) montrent que la combinaison d’un taux de mélange élevé (5 000–15 000 rpm) et d’un dosage ajusté maximise la stabilité jusqu’à plusieurs jours, indépendamment du vieillissement. De plus, la montée en échelle linéaire propre à la chimie continue—grâce à la modularité des modules statiques—offre un bilan énergétique et un contrôle du processus nettement supérieurs aux procédés batch, véritable atout pour les formulations détergentes industrielles.
Enfin, l’association d’une HLB requise précisément ajustée et d’un mélangeur statique conçu pour délivrer le cisaillement nécessaire crée une synergie mécanique/chemique : la taille uniforme des gouttelettes et l’élasticité accrue de l’interface retardent le phénomène de crémage ou de sédimentation, prolongeant la durée de vie et l’efficacité du produit sans surdoser les surfactants ni recourir à des agents épaississants coûteux.
Conclusion : consultance en formulation Belgique et France
La balance hydrophile-lipophile (HLB) reste au cœur de la formulation détergente, offrant un repère clair pour sélectionner et doser les tensioactifs en fonction de leur affinité pour l’eau ou pour l’huile, et conditionnant directement l’émulsification, la solubilisation, le mouillage et la dispersion des salissures. Lorsqu’elle est associée à une mise en œuvre mécanique optimisée—comme l’usage de mélangeurs statiques en continu qui génèrent un cisaillement régulier et reproductible—la HLB « verrouille » l’interface surfactant, réduisant la coalescence et assurant une stabilité inédite entre les lots.
Par ailleurs, l’essor des biosurfactants issus de sources microbiennes et végétales ouvre de nouvelles perspectives pour des formulations plus responsables. Ces molécules, biodégradables et moins toxiques, peuvent être intégrées selon leur HLB spécifique pour maintenir la performance tout en réduisant l’impact environnemental, répondant ainsi aux attentes croissantes de durabilité.
Enfin, la combinaison d’une HLB finement ajustée, d’une synergie mécanique en continu et de surfactants biosourcés dessine l’avenir des détergents : des produits à la fois plus efficaces, stables et respectueux de l’environnement, capables de s’adapter à chaque défi industriel ou domestique.
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