Plans d’expériences : plan factoriel complet, plan de mélanges ternaires.
Mettre en œuvre un plan d’expériences pour développer ou optimiser une formule.
Exploiter les résultats.
Évaluer la validité d’un plan d’expériences.
Exploiter des courbes isoréponses pour choisir les conditions de formulation.
1. La formulation : principes généraux
Les objectifs de cette partie sont de familiariser l’étudiant avec la formulation chimique en tant que domaine industriel et d’identifier les différents secteurs liés à la formulation. Par ailleurs, la notion de formule jouera un rôle central tout au long de la formation et sera le point de départ de toutes les activités : constituants de formules, analyse de formules, élaboration du cahier des charges que celles-ci doivent satisfaire. À chaque fois que cela est possible, une réflexion sur le passage à l’échelle industrielle est menée. En raison de leur importance dans l’industrie, l’étude des matières premières d’origine végétale fait l’objet d’une attention particulière.
Qu’est-ce que la formulation ? Notions et contenus Capacités exigibles
Matières premières : matières actives et auxiliaires de formulation Origines des matières premières (végétale, animale, minérale et synthétique)
Identifier les grandes catégories de matières premières dans une formule donnée.
Grandeurs caractéristiques de produits formulés : masse volumique, extrait sec, concentration pigmentaire volumique (CPV)…
Évaluer quelques grandeurs caractéristiques d’un produit formulé.
Cahier des charges Identifier, dans un cahier des charges donné, les trois parties : performances techniques, exigences règlementaires, contraintes économiques.
Exploiter le cahier des charges en déterminant les tests à effectuer pour valider le produit formulé.
Confronter les résultats expérimentaux aux spécifications attendues : détecter les non-conformités et proposer des solutions.
Changement d’échelle Identifier les paramètres à prendre en compte pour le passage à l’échelle industrielle.
Exploiter un schéma de fabrication industrielle.
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Les techniques de fabrication sont abordées tout au long du cursus de formation, à l’occasion des travaux pratiques. Les capacités énumérées ci-dessous permettent de définir les « bonnes pratiques » dans un laboratoire de formulation, quel que soit le domaine d’application.
Quelles sont les techniques de fabrication utilisées en formulation ? Notions et contenus Capacités exigibles
Choix des matières premières
Composition massique d’une formule
Exploiter les informations des fiches techniques et des fiches de sécurité des matières premières utilisées.
Calculer les proportions massiques des matières premières à partir du cahier des charges.
Techniques de fabrication Utiliser le matériel usuel du laboratoire de formulation : mélangeur, broyeur, émulsionneur, malaxeur, disperseur, centrifugeuse…
Déterminer l’ordre d’introduction des différents composants.
Déterminer les conditions opératoires : température, pH, distribution granulométrique, viscosité…
Mettre en œuvre des contrôles en cours de fabrication. Ⓐ Rédiger une fiche de fabrication et un mode opératoire.
2. Propriétés des produits formulés - Homogénéité
Le premier moment de la vie d’un produit formulé est celui de sa fabrication. La principale difficulté est alors de faire « cohabiter » plusieurs espèces chimiques compatibles ou non, de manière à obtenir un aspect extérieur homogène. Le terme homogénéité ne doit pas être ici compris dans son sens absolu (les milieux dispersés sont fondamentalement hétérogènes), mais plutôt comme la propriété recherchée pour un produit commercial (exemples : absence de grains, de grumeaux, de mousse, de séparation de phases).
Applications métier :
Choix de tensioactifs pour une crème hydratante.
Formulation d’un produit pour le nettoyage de la vaisselle.
Substitution d’un solvant organique par un solvant bio-sourcé à même pouvoir de solubillisation.
Analyse et résolution d’un problème d’incompatibilité de matières premières.
Création d’une émulsion pharmaceutique stable à partir d’un principe actif.
Analyse et résolution d’un problème de floculation de pigments.
Amélioration de la formulation d’une peinture par l’ajout d’antimousse.
Fabrication et stabilisation d’une mousse laitière.
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Qu’est-ce qu’un milieu dispersé ? Notions et contenus Capacités exigibles
Émulsion (H/E et E/H), suspension, mousse, aérosol, émulsion solide, dispersion solide, mousse solide, colloïde (sol, gel), latex
Distinguer les différents types de milieux dispersés.
Identifier expérimentalement le sens d’une émulsion (E/H ou H/E).
Coalescence, crémage, floculation, sédimentation Forces intermoléculaires : interactions de van der Waals (dispersion et polarisation), liaison hydrogèneⓈ
Identifier les problèmes liés à l’instabilité des milieux dispersés.
Identifier les causes d’instabilité.
Comment stabiliser les milieux dispersés ? Cas des émulsions
Expliquer le rôle émulsifiant d’un tensioactif.
Évaluer la concentration micellaire critique par conductimétrie ou par tensiométrie. Ⓐ
Évaluer la composition d’un mélange d’émulsifiants par la méthode du RHLB (HLB requis).
Mettre en œuvre un contrôle visuel de l’homogénéité d’une émulsion.
Mettre en œuvre un contrôle de stabilité d’une émulsion.
Exploiter un diagramme ternaire.
Cas des suspensions Agents mouillants et dispersants : différentes familles, mode d’action
Expliquer le choix d’un agent mouillant ou d’un agent dispersant selon son mode d’action et les matières premières utilisées.
Mettre en œuvre un contrôle d’homogénéité d’une suspension par une mesure granulométrique.
Cas des mousses Tensioactifs et additifs supermoussants
Agents antimousse
Expliquer le mode d’action d’un tensioactif dans une mousse.
Mettre en œuvre un protocole expérimental pour déterminer le pouvoir moussant d’un mélange.
Mettre en œuvre un contrôle de stabilité d’une mousse.
Expliquer le mode d’action des agents antimousse.
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Comment solubiliser des matières premières ? Paramètre de solubilité,
système de Hansen
Exploiter un diagramme de solubilité pour formuler un mélange de solvants.
Volatilité des solvants : taux d’évaporation
Solvants lourds, légers et moyens
Expliquer le choix des solvants en tenant compte de leur volatilité.
Expliquer l’évolution des propriétés du produit formulé lors du séchage.
Taux de COV (composés organiques volatils)
Évaluer un taux de COV à partir de la constitution du produit formulé.
- Applicabilité
Une fois fabriqué, le produit fini est commercialisé puis mis en œuvre par son utilisateur. On attend alors du produit qu’il soit pratique et agréable à utiliser : ces propriétés sont en grande partie liées au comportement rhéologique du produit, mais également, pour les produits destinés à être en contact avec un support, au phénomène de mouillage.
Applications métier :
Optimisation de l’onctuosité d’une crème alimentaire.
Résolution d’un problème de coulures d’une colle grand public.
Amélioration du garnissant d’une peinture.
Formulation d’un gel capillaire fixant.
Formulation d’un mascara.
Amélioration du mouillage d’une encre d’emballage.
Optimisation de la viscosité d’un gel WC.
Formulation d’additifs pour biodiesels.
o Mouillage
Comment obtenir un bon mouillage ? Notions et contenus Capacités exigibles
Tension interfaciale : lien avec les interactions
Mettre en œuvre une méthode de mesure de la tension interfaciale.
Phénomène de mouillage, angle de raccordement Loi de Young-Dupré, coefficient d’étalement, tension critique de Zisman Application au traitement de surface : dégraissage, phosphatation, traitement au plasma, traitement corona
Identifier les situations de mouillage total, mouillage partiel et non mouillage, selon la valeur de l’angle de raccordement.
Appliquer la loi de Young-Dupré pour déterminer un critère simple de mouillage.