Les tensioactifs : de quoi parle-t-on et où se cachent-ils ?

Abstract

Les tensioactifs, comme leur nom l’indique, regroupent des molécules capables de se positionner à l’interface entre deux milieux non miscibles, tels que l’eau et l’air, ou l’eau et l’huile, et d’agir sur les interactions moléculaires entre ces deux milieux. Chimiquement, ces molécules actives possèdent deux parties : une partie hydrophile, soluble dans l’eau, et une partie hydrophobe, souvent constituée de chaînes hydrocarbonées ou fluorocarbonées, qui interagit avec les substances apolaires comme les graisses ou huiles. Ce caractère amphiphile leur permet ainsi de s’accumuler à l’interface entre deux milieux non miscibles. Ce positionnement, associé à leurs caractéristiques physico-chimiques, est à l’origine de leur action sur la tension de surface ou tension interfaciale. L’effet du tensioactif se traduit par une diminution de cette tension, c’est-à-dire de l’énergie nécessaire pour maintenir l’interface, modifiant ainsi les interactions moléculaires entre les deux phases. En l’absence de tensioactif, la tension interfaciale entre deux phases non miscibles est importante en raison des forces cohésives au sein de chaque milieu, et des faibles interactions entre les molécules d’une phase avec celles de l’autre phase. La tension interfaciale élevée résulte en la formation de couches distinctes correspondant chacune à l’une des phases. À titre d’exemple, afin de minimiser la surface de contact huile/eau, une goutte d’huile reste sphérique lorsqu’elle est ajoutée à une solution aqueuse. Lorsque le volume de la phase huileuse est augmenté, les gouttelettes auront tendance à coalescer de façon à minimiser rapidement l’énergie interfaciale. En présence de tensioactifs s’accumulant entre les deux phases, les forces d’interaction au sein de chaque phase sont perturbées, la tension interfaciale est réduite. Les gouttelettes d’huile dispersées dans une phase aqueuse auront moins de propension à se regrouper, réduisant ainsi la séparation des phases. L’addition de tensioactifs dans une solution peut ainsi permettre la dispersion d’une phase dans une autre phase liquide (émulsion), ou même la stabilisation de particules solides en suspension. Selon que les tensioactifs portent ou non une charge sur leur partie hydrophile, et selon la nature de cette charge, ils sont classés en 4 grandes familles : les tensioactifs anioniques, cationiques, non ioniques ou zwittérioniques. Chacune de ces familles trouve de nombreuses applications dans notre vie quotidienne. Notons que face aux tensioactifs classiques décrits ci-dessus, certaines molécules complexes, comme des protéines, sont également utilisées en industrie pour leurs propriétés tensioactives. Les tensioactifs sont essentiellement utilisés pour leurs propriétés de solubilisation, de stabilisation de phases, émulsifiantes ou moussantes. En dessous d’une certaine concentration appelée concentration micellaire critique (CMC), les tensioactifs sont principalement sous forme monomoléculaire. Au-delà de la CMC, ils forment des micelles. En solution aqueuse, ces structures auto-assemblées correspondent à des organisations moléculaires dans lesquelles les parties hydrophobes se rejoignent au centre afin de limiter leur contact avec le solvant polaire. Les parties hydrophiles sont exposées à l’extérieur de la structure et établissent donc des interactions avec l’eau. Ainsi, les micelles de tensioactifs trouvent une application dans les solutions à effet détergent pour l’élimination des graisses et huiles, en emprisonnant ces composés apolaires en leur cœur et en évitant leur coalescence. Il est à noter qu’en solvant apolaire, les tensioactifs forment des micelles inversées, avec leur tête hydrophile orientée vers l’intérieur de la structure. La valeur de la CMC dépend à la fois de la structure du tensioactif (longueur, degré de saturation et de ramification des chaînes, charge et taille de la tête polaire) et des propriétés (notamment la force ionique pour les tensioactifs portant une charge, température pour les tensioactifs non ioniques) et de composition du milieu. La valeur de la CMC dans la formulation finale définira la concentration du tensioactif efficace dans la solution détergente. Comme indiqué plus haut, outre leur utilisation dans les produits ménagers visant à éliminer des substances apolaires comme les graisses et huiles, les tensioactifs sont également utiles pour la formation d’émulsions et de mousses. La formulation de différents produits alimentaires, cosmétiques ou pharmaceutiques requiert fréquemment le mélange de phases initialement non miscibles, mais qui permettent chacune la solubilisation de principes actifs ou aliments différents et complémentaires. En dessous de la CMC, l’émulsion formée peut être instable. Au-delà de la CMC, les émulsions produites sont plus stables et permettront la production de crèmes à usage cosmétique ou de sauces alimentaires par exemple. La capacité de certains tensioactifs à stabiliser des mousses, systèmes dans lesquels un gaz est dispersé dans un liquide, associée à leurs propriétés détergentes, trouvera des applications pour l’hygiène corporelle par exemple (shampoings, savons, etc.), ou dans le domaine alimentaire. Enfin, les micelles offrent un espace d’encapsulation où des molécules d’intérêt cosmétique ou pharmaceutique peuvent être dispersées, augmentant ainsi leur solubilité et leur stabilité. L’omniprésence des tensioactifs dans des produits d’hygiène (détergents, adoucissants, savons, shampoings), alimentaires, et cosmétiques témoigne de leur importance et de leur polyvalence. Cependant, cette large exposition de l’Homme à une variété de tensioactifs d’origine synthétique pouvant provoquer des irritations cutanées ou des réactions allergiques, n’est pas sans poser certaines questions, notamment en matière de santé.