Classification et applications des tensioactifs

2.1.3.1. Les différents types de tensioactifs

Les tensioactifs sont caractérisés par leur partie hydrophobe et leur partie hydrophile. Il est à noter qu’il existe de nombreuses structures possibles pour ces deux parties.

La tête polaire peut être neutre ou chargée (positivement ou négativement), de petite taille ou bien même de type polymère. La queue hydrophobe quant à elle est de manière plus générale une chaine hydrocarbonée, simple ou double, mais peut également être fluorocarbonée, en partie ou entièrement (cas des perfluorocarbures), ou bien même contenir des groupements aromatiques. De manière plus générale, les tensioactifs peuvent être classés en trois catégories (Tableau 7-Tableau 8) :

➢ Les ioniques, anioniques ou cationiques, qui une fois en solution se dissocient en deux espèces chargées de manière opposée (le tensioactif ionique ainsi que son contre ion). ➢ Les non ioniques, composés par un groupement fortement polaire, comme par

exemple un polyoxyethylène (-O-CH2-CH2-O-)58_.

➢ Les zwitterioniques, qui sont composés à la fois d’un groupement chargé négativement et d’un autre groupement chargé positivement59_.

Tableau 7 : Exemples de groupements hydrophiles composant les tensioactifs commercialement disponibles

Classe Structure générale

Sulfonate R-SO3-

Sulfate R-OSO3-

Carboxylate R-COO-

Phosphate R-OPO3-

Ammonium RxHyN+_X- _{(x=1-3, y=4-x)}

Bétaïnes RN+_(CH3)2CH2COO-

Sulfobétaïnes RN+_{(CH3)2CH2CH2SO3}-

Polyoxyethylène R-OCH2CH2(OCH2CH2)nOH

Polyols Ethylène glycol, Glycérol, Sucrose Polypeptides R-NH-CHR’-CO-NH-CHR”-…-CO2H

Tableau 8 : Exemples de groupements hydrophobes composant les tensioactifs commercialement disponibles

Groupement Structure générale

Acides gras naturels CH3(CH2)n-R

Oléfines CH3(CH2)nCH=CH-R

Alkylbenzènes Alkylphénols

Fluorocarboné CF3(CF2)n-R

Silicones

Avec la recherche continue d'amélioration des propriétés des tensioactifs, de nouvelles structures ont récemment vu le jour, présentant des interactions synergiques intéressantes ou des propriétés de surface et d'agrégation améliorées (Figure 20). Ces nouveaux tensioactifs ont suscité beaucoup d’intérêt et incluent notamment :

➢ Les catanioniques, composés d’un mélange équimolaire de tensioactifs cationiques et anioniques (pas de contre ions métalliques)60_.

➢ Les bolaformes, composés de deux têtes polaires ioniques reliées l’une à l’autre par un bras espaceur61_.

➢ Les tensioactifs gemini, composés de deux tensioactifs identiques qui sont reliés par un espaceur proche ou au niveau des têtes polaires62_.

➢ Les tensioactifs polymères qui sont des polymères possédant des propriétés tensioactives.

➢ Les tensioactifs polymérisables qui possèdent un groupement polymérisable63_.

Une autre force motrice importante de cette recherche est la nécessité d'améliorer la biodégradabilité des tensioactifs. En particulier concernant les produits cosmétiques et les détergents ménagers, les réglementations exigent que chaque composant présent dans la formulation possède une biodégradabilité élevée et soit non-toxique.

2.1.3.2. L’utilisation et le développement des tensioactifs

Les tensioactifs peuvent provenir de sources naturelles ou synthétiques. La première catégorie comprend les amphiphiles naturels tels que les lipides, qui sont des tensioactifs à base de glycérol et sont des composants vitaux constituant les membranes cellulaires. Ce groupe comprend également les "savons", premiers agents de surface reconnus. On trouve des traces d’utilisation des savons depuis l'époque de l’ancienne Egypte64_{. En effet, les égyptiens se sont} rendu compte qu’en combinant des huiles animales et végétales avec des sels alcalins il se formait un matériau semblable à un savon. Ce matériau fût par la suite utilisé pour traiter les maladies de la peau, ainsi que pour l’hygiène corporelle. Du VIIe au début du XXe siècle, les savons sont restés la seule source de détergents naturels, et de plus en plus de variétés sont désormais disponibles pour le rasage ou encore le lavage. C’est en 1916, en réponse à une pénurie de matières premières pour la fabrication de savon liée à la Première Guerre mondiale, que le premier détergent synthétique fut développé en Allemagne. Connus aujourd'hui simplement sous le nom de détergents, les détergents synthétiques sont des produits de lavage et de nettoyage obtenus à partir de diverses matières premières.

De nos jours, les tensioactifs synthétiques sont des composants essentiels dans de nombreux procédés et formulations industriels. Selon la nature chimique précise du produit, les propriétés d'émulsification (formation de mélanges eau/huile), de détergences et de formation de mousse, par exemple, peuvent être diverses. Le nombre et la disposition des groupes hydrocarbonés ainsi que la nature et la position des groupes hydrophiles vont déterminer les propriétés tensioactives de la molécule. Par exemple, passer d’une chaine hydrocarbonée en C12 à une en C20 permet d’obtenir une meilleure détergence tandis que le mouillage et la formation de mousse quant à eux sont bien meilleurs avec des chaines plus courtes.

Parmi les différentes classes de tensioactifs, les anioniques sont les plus utilisés, principalement en raison de la facilité et du faible coût de fabrication. Ils contiennent une tête chargée négativement, comme cité précédemment tel que des carboxylates (-CO2-_{), des sulfates} (-OSO3-_{) ou bien des sulfonates (-SO3}-_{). On les retrouve principalement dans les produits} cosmétiques, les émulsifiants et les savons.

Les tensioactifs cationiques ont des têtes chargées positivement comme par exemple l'ion triméthylammonium (-N(CH3)3+_{) et sont principalement utilisés dans des applications liées à leur}

absorption sur des surfaces. Celles-ci sont généralement chargées négativement (par exemple, un métal, des plastiques, des minéraux, des fibres, des poils et des membranes cellulaires) de manière à pouvoir être modifiées lors du traitement avec les tensioactifs cationiques. Ils sont donc utilisés comme agents anticorrosifs et antistatiques, assouplissants, revitalisants et bactéricides.

Les non-ioniques contiennent des groupes ayant une forte affinité pour l'eau en raison de fortes interactions dipôle-dipôle résultant des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau environnantes, les éthoxylates (-(OCH2CH2)nOH) peuvent être cités comme exemples. Un avantage par rapport aux tensioactifs ioniques est que la longueur des groupes hydrophiles et hydrophobes peut être modifiée pour obtenir une efficacité maximale d'utilisation. Ils trouvent des applications dans les détergents et les émulsifiants à basse température.

Les zwitterioniques constituent la plus petite classe de tensioactifs en raison de leur coût de fabrication souvent élevé. Cependant, ils se caractérisent par d'excellentes propriétés dermatologiques et une compatibilité cutanée. De plus, en raison de leurs faibles propriétés irritantes pour les yeux et la peau, ils sont couramment utilisés dans les shampooings et les produits cosmétiques.

Dans le cadre des travaux de recherche réalisés au cours de cette thèse, deux familles de tensioactifs non ioniques ont été étudiées. Dans un premier temps nous avons travaillé avec des tensioactifs de types oligomère appelés « télomères », développés et largement utilisés au sein de l’équipe CBSA. C’est avec cette première classe de tensioactifs que nous avons réalisé la preuve de concept consistant à produire une phase aqueuse micellaire contenant du palladium issu du recyclage de déchets électroniques et à l’utiliser directement en catalyse. Dans le but de comprendre les différents phénomènes mis en jeu lors de l’étape d’extraction et de la catalyse, nous avons également travaillé avec une autre famille de tensioactifs baptisés « DendriTAC » de structure dendronique. Ces derniers tensioactifs ont la particularité d’avoir une structure beaucoup plus modulable que celle de leurs homologues télomères ce qui est intéressant pour des études de relation structure-activité plus complètes. En variant la longueur et la nature de la chaine, hydrocarbonée ou fluorée, la nature et la taille de la tête par variation de l’arborescence, nous pouvons moduler la taille et la forme de l’assemblage micellaire et déterminer si ces paramètres influencent le taux d’extraction et de récupération du palladium et permettent leur utilisation en catalyse micellaire.