Contribution à la compréhension de l'évolution des propriétés multi-échelles des émulsions

Contribution to the knowledge of the multi-scale properties evolution of emulsions

• Auteur / Autrice : Natacha Guyader
• Direction : Stéphane Serfaty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Serfaty, Pierre-Yves Joubert, Anne-Marie Pensé-Lhéritier, Magalie Michiel, Nicole Orange
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Yves Joubert, Anne-Marie Pensé-Lhéritier

Mots clés

Mots clés libres

Emulsions

Vieillissement

Stabilité

Caractérisation multi-Échelle

Controle non destructif (CND)

Interactions ondes-Matériaux

Emulsions

Aging

Stability

Multi-Scale characterization

Non destructive testing

Waves-Materials interactions

Résumé

L'optimisation de la stabilité des émulsions, thermodynamiquement instables, est un des enjeux majeurs de l'industrie cosmétique. Depuis plus de 20 ans, de nombreuses méthodes et techniques non invasives ont été développées en vue de mesurer le plus objectivement possible, les propriétés physico-chimiques de ces émulsions. Ces méthodes visent à évaluer leur stabilité (évolution temporelle), leur efficacité et leur innocuité (non toxicité), et deviennent d'autant plus perfectionnées que les processus d'élaboration de ces produits deviennent complexes et innovants.La thèse cherche à définir une stratégie innovante d'optimisation de la stabilité des émulsions par une approche multi-échelle, multi-physique. Elle étudie plus particulièrement les émulsions cosmétiques simples, stabilisées par un émulsifiant. Classiquement, des techniques de caractérisation aux échelles macroscopiques et microscopiques sont utilisées. Néanmoins, à elles seules, ces techniques ne permettent pas d'anticiper le processus de démixtion. Il est en effet nécessaire d'utiliser en complément de nouvelles techniques non destructives permettant de suivre l'évolution structurelle à l'échelle mésoscopique.L'étude réalisée met en exergue de nouvelles grandeurs viscoélastiques et diélectriques caractéristiques de leur structure à cette échelle. Elles sont basées sur une meilleure prise en compte théorique et expérimentale des temps de relaxations multiples, liés aux phénomènes de déstabilisation. A partir d'une étude sur 6 mois de plus d'une douzaine d'émulsions de composition et de formulation différentes, maitrisées et répétables, le suivi de leur évolution tend à montrer la pertinence de ces techniques. Elles permettent non seulement de remonter aux variations des propriétés interfaciales, mais également d'avoir un suivi simultané des modifications structurales. La microrhéologie ultrasonore et l'impédancemétrie radiofréquence par induction, permettent, par exemple, de remonter à la concentration micellaire critique des tensioactifs et la température d'inversion de phase des émulsions.Dans un objectif d'utilisation de ces techniques dans l'industrie, l'analyse des formulations en cuve a été comparée aux essais de stabilité en tube. Grâce à l'approche multi-échelle et multimodale développée, on peut déduire de manière préventive les tendances de l'évolution des émulsions.

The optimization of the stability of emulsions, which are thermodynamically unstable, is one of the major challenges of the cosmetic industry. For more than 20 years, many non-invasive methods and techniques have been developed to measure as objectively as possible the physicochemical properties of emulsions. These methods aim to evaluate their stability (temporal evolution), their efficiency and their safety (non toxicity), and become more and more sophisticated as the elaboration processes of these products become complex and innovative.The thesis seeks to define an innovative strategy to optimize the stability of emulsions by a multi-scale, multi-physics approach. It studies more particularly simple cosmetic emulsions, stabilized by an emulsifier. Classically, characterization techniques at macroscopic and microscopic scales are used. Nevertheless, these techniques do not allow to anticipate the demixing process. It is necessary to use new non-destructive techniques in complement, to follow the structural evolution at the mesoscopic scale.The study carried out highlights new viscoelastic and dielectric quantities characteristic of their structure at this scale. They are based on a better theoretical and experimental consideration of multiple relaxation times, related to destabilization phenomena. From a 6 months study of more than a dozen controlled and repeatable emulsions of different composition and formulation, the follow-up of their evolution tends to show the relevance of these techniques. They allow not only to trace the variations of interfacial properties, but also to have a simultaneous follow-up of structural modifications. Ultrasonic microrheology and radio frequency impedancemetry by induction allow, for example, to trace the critical micellar concentration of surfactants and the phase inversion temperature of emulsions.With the aim of using these techniques in industry, the analysis of formulations in tanks has been compared to stability tests in tubes. Thanks to the developed multi-scale and multimodal approach, trends in emulsion evolution can be deduced in a predictive manner.