Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°56 de jan/fév/mar 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur Pierre-Gilles de Gennes et l'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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% Ft -'Jee lelb Molécules de surfactant Polymères chargés Micelle 14 Reflets de la Physique n°56 Formulation m0110. Lavage Coacervation Étapes du processus de dépôt sur le cheveu des polymères contenus dans les shampooings. Dans la formulation (i.e. le mélange), les polyélectrolytes interagissent avec des micelles de surfactants de charge opposée pour former des complexes solubles qui peuvent précipiter dans la phase liquide sous forme d’agrégats (« coacervats »). La séparation de phase qui se produit pendant la dilution lors du rinçage, conduit au dépôt d’un film de polymère sur le cheveu. de polymère fin et durable, résistant aux nombreux lavages et ceci en présence d’une grande variété de constituants, en particulier de détergents tensio-actifs qui doivent nettoyer cette surface. La surface du cheveu, chargée négativement, est recouverte de lipides qui sont partiellement ou complètement perdus lorsque le cheveu est endommagé. Une fonction importante assurée par les polymères contenus dans les shampooings est de restaurer les qualités sensorielles des cheveux (douceur au contact, contrôle de la mise en forme, etc.). Structure des revêtements, prévision et mesure de l’adsorption En général, un shampooing inclut un élément de base lavant, des agents de conditionnement du cheveu et des additifs qui donnent à la coiffure son apparence finale. Des surfactants cationiques, constitués de sels d’ammonium quaternaires, sont largement utilisés comme agents de conditionnement dans les produits commerciaux. Ils sont très efficaces sur les cheveux endommagés. L’utilisation de polyélectrolytes cationiques est aussi un moyen classique pour adsorber des polymères sur le cheveu. Ils sont incorporés en basse concentration (< 3%) en association avec des silicones, pour assurer un conditionnement optimal. Les surfactants anioniques interagissent avec les polymères cationiques pour garantir la stabilité de la dispersion. C’est après l’application du shampooing et le rinçage à l’eau que leur concentration diminue brutalement et que l’adsorption sur la surface du cheveu se fait. Des efforts particuliers sont nécessaires pour concevoir des surfaces modèles qui prennent en compte les éléments physico-chimiques de base de la surface du cheveu. Depuis les surfaces simplement chargées négativement Dépôt - Rinçage (p. ex. le mica) jusqu’aux surfaces plus sophistiquées (p. ex. chimiquement modifiées par des acides gras et des protéines ioniques), ces substrats sont des éléments essentiels pour prendre pleinement avantage des concepts de de Gennes dans la formulation de ce genre de produits. Dans nos études, en plus de la technique SFA, nous avons systématiquement utilisé une grande variété de techniques d’analyse de surface (microscopie à force atomique, mesure de l’angle de contact, tribologie, etc.). Par exemple, une microbalance à cristal de quartz (QCM) associée à l’ellipsométrie nous a aidés à déterminer l’épaisseur de ces agrégats de polymères et de surfactants, ainsi que la quantité d’eau piégée. Plus récemment, nous avons montré l’utilité de simulations sur ordinateur pour étudier la capacité d’adsorption des surfaces en fonction de la composition du shampooing. Vers de nouveaux matériaux sur mesure Une innovation de rupture requiert une vision en profondeur du domaine étudié. Les concepts de Pierre-Gilles de Gennes ont indiqué la direction et éclairé le chemin pour mieux concevoir des matériaux de performances exceptionnelles. L’étude des protéines et polymères naturels a confirmé que des structures polymériques sophistiquées permettent d’obtenir de grandes variétés de fonctions. La découverte de nouveaux matériaux (naturels ou synthétiques) est pilotée par la conviction que leur structure et leurs fonctions peuvent être prédites à l’aide des concepts que P.-G. de Gennes a explorés. ❚ Gustavo S. Luengo (gluengo@rd.loreal.com), Fabien Leonforte et Nawel Baghdadli L’Oréal Research & Innovation, 1 Avenue Eugène Schueller, 93600 Aulnay-sous-Bois Références 1 P.-G. de Gennes, Scaling Concepts 7 in Polymer Physics, Cornell University Press, Ithaca and London (1979). 2 J.N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, 3rd ed., Elsevier, New-York (2011).
Références 1 P.-G. de Gennes, Scaling Concepts In Polymer Physics, Cornell University Press (1979). 2 P.-G. de Gennes, «Dynamics of fluctuations and spinodal decomposition in polymer blends», J. Chem. Phys., 72 (1980) 4756. 3 G. Jannink et P.-G. de Gennes, «Quasielastic scattering by semidilute polymer solutions», J. Chem. Phys., 48 (1968) 2260. 4 P.-G. de Gennes, «Mechanical properties of polymer interfaces», dans Physics of Polymer Surfaces and Interfaces,pp. 55-71, I.C. Sanchez (ed.), Butterworth- Heinemann, Boston (1992). 5 P.-G. de Gennes, «Solvent evaporation of spin cast films : ‘crust’effects», Eur. Phys. J. E, 7 (2002) 31. En science des matériaux, une membrane est définie comme une barrière sélective qui, sous l’effet d’un gradient de potentiel chimique, permet le passage ou l’arrêt de certains composants entre les deux milieux qu’elle sépare. Parmi les différents types de membranes, celles constituées de polymères ont de nombreuses applications industrielles, en raison de leur faible coût de production et de leur facilité de traitement par rapport aux matériaux inorganiques. Air Liquide conçoit et fabrique des modules de membranes polymères composées de fibres creuses asymétriques, ayant une première couche optimisée pour le support de la couche active et la résistance mécanique, et une couche fine externe supportée par la première et optimisée pour les propriétés de séparation. Un module contient environ un million de fibres creuses individuelles, qui sont installées dans des configurations géométriques permettant de répondre à des contraintes de perte de charge et de performance de la séparation envisagée. À l’échelle industrielle, la fabrication de membranes se fait traditionnellement par des itérations d’essais et d’erreurs, les paramètres de fonctionnement étant ajustés progressivement et empiriquement. La formalisation des mécanismes de formation de la membrane à travers des modèles systémiques est à la base de l’innovation dans la technologie de fabrication de membranes polymères. Dans ce contexte, les travaux de Pierre-Gilles de Gennes dans le domaine de la physico-chimie des polymères [1-3] constituent les fondements théoriques pour l’identification de paramètres importants, permettant ainsi de rationaliser le développement de membranes plus performantes. Le potentiel des matériaux polymères peut être pleinement utilisé lorsqu’ils sont transformés en structures de fibres creuses, optimisant à la fois les performances de la séparation et la durée de vie du module membranaire. La fabrication des fibres creuses est obtenue par un procédé continu d’extrusion, suivi du processus de démixtion polymère/solvant/non-solvant induisant la formation d’une phase dense riche en polymère formant la couche de membrane active supportée autour d’une phase très diluée en polymère ayant une structure poreuse ouverte. La morphologie des membranes obtenues est liée aux caractéristiques rhéologiques et au comportement en phase des solutions de polymères pendant le filage. La séparation de phase des solutions polymères ou des polymères et des solvants est à l’origine des procédés TIPS (« séparation de phase induite par la température ») et SIPS (« séparation de phase induite par le solvant ») Dossier « De Gennes et l’innovation » De la physico-chimie des polymères aux membranes pour la séparation des gaz Solvant Filière Solutions de polymère Fibre creuse Bain de coagulation Bobine de fibres creuses Module membranaire de fibres creuses ù Schéma de fabrication d'une membrane composée de fibres creuses, par la co-extrusion/coagulation d’un solvant de coagulation dans la partie centrale et de deux solutions de polymères au travers d’une filière annulaire. utilisés pour fabriquer les membranes, comme représenté schématiquement sur la figure ci-dessus. Le principe consiste à préparer les mélanges dans la région du diagramme de phase où il y a miscibilité totale, puis à provoquer la séparation de phase dans la région de décomposition spinodale du mélange polymère/solvant en changeant soit la température, soit la qualité du solvant. Bien que l’énergie libre du mélange dans le formalisme Flory-Huggins-de Gennes puisse être utilisée comme une bonne ligne directrice pour formuler la décomposition spinodale dans le cadre de la thermodynamique d’équilibre, elle ne permet pas de prédire la dynamique du changement. P.-G. de Gennes a étendu l’étude de la dynamique de la décomposition spinodale aux mélanges de polymères [2] pour lesquels existe une variété d’échelles de longueur qui sont importantes, avec une dépendance en mobilité de la longueur d’onde des fluctuations dans le mélange de polymères. La dynamique de la séparation de phase est étroitement liée à la morphologie de la membrane résultante, et la compréhension des paramètres contrôlant la structure poreuse est un des axes d’amélioration des performances des membranes en forme de fibres creuses. Un deuxième axe d’amélioration consiste en la modulation contrôlée de la perméabilité de la membrane en introduisant dans la couche externe de polymère des charges inorganiques dispersées, dont l’effet principal est la modification de la distribution du volume libre dans les interfaces particules inorganiques-chaine de polymères, comme décrit dans les modèles développés par Pierre-Gilles de Gennes [4-5]. ❚ Pluton Pullumbi (pluton.pullumbi@airliquide.com) Air Liquide, Centre de Recherche Paris-Saclay, BP 126, Les Loges-en-Josas, 78354 Jouy-en-Josas Cedex Reflets de la Physique n°56 15



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