Formulation des produits et matériaux
Concepts et applications

Le traité Mécanique et Ingénierie des Matériaux répond au besoin de disposer d'un ensemble complet des connaissances et méthodes nécessaires à la maîtrise de ce domaine.

Conçu volontairement dans un esprit d'échange disciplinaire, le traité MIM est l'état de l'art dans les domaines suivants retenus par le comité scientifique :

• Géomécanique

• Matériaux

• Environnement et risques

Chaque ouvrage présente aussi bien les aspects fondamentaux qu'expérimentaux. Une classification des différents articles contenus dans chacun, une bibliographie et un index détaillé orientent le lecteur vers ses points d'intérêt immédiats : celui-ci dispose ainsi d'un guide pour ses réflexions ou pour ses choix.

Les savoirs, théories et méthodes rassemblés dans chaque ouvrage ont été choisis pour leur pertinence dans l'avancée des connaissances ou pour la qualité des résultats obtenus.

Table des matières
Avant-propos . . . . . . 17

André CHEYMOL

PREMIÈREPARTIE.GÉNÉRALITÉS. ......................... .. 19

Cbapitre1.Introduction............................... .. 21

André CHEYMOL

1.1.Unmotdedéfinition
............................. .. 21

1.2.Rappelhistorique
............................... .. 21

1.3.De
l'artàlascience.............................. .. 26

1.4.
Aperçu sur le poids économique des produits traités . . . . . . . . . . .. 33

1.5.Présentationetstructuredel'ouvrage
................... .. 34

1.6.Bibliographie.
................................. .. 34

Cbapitre 2. La formulation dans les grandes industries
delachimieorganique................................ .. 37

André CHEYMOL

2.1.Nécessitéetconcept.
............................. .. 37

2.1.1.Pointsspécifiquesàchaqueindustrie
................ .. 38

2.1.1.1.Lesproduitsphannaceutiques
................. .. 38

2.1.1.2.Lesproduitscosmétiques.
................... .. 38

2.1.1.3.
La nutrition: les produits alimentaires. . . . . . . . . . . . .. 39

2.1.1.4.Peinturesetrevêtements.
.................... .. 39

2.1.1.5.
Les polymères thennodurcissables . . . . . . . . . . . . 40

2.1.1.6.Lesélastomères.
....................... 42

2.1.1.7.
Les polymères thennoplastiques. . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.2.
Les facteurs communs propres à ces différentes industries. . 45

2.3.
Esquisse d'une méthodologie. . . . . . . . 46

2.4.Bibliographie.
............................ 49

DEUXlÈME PARTIE. CONCEPT ET APPLICATIONS. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51

Chapitre 3. Les solutions ...
53
Anne-Marie PENSÉ-LHÉRlTIER

3.1.
Introduction...
53
3.1.1.
Préambule
53
3.1.2.
Définition.
.. 53
3.1.3.
Démarche.
. .54
3.1.4.
Choix des solvants
. 55
3.2.
Solubiliser dans l'eau. .
.. 55
3.2.1.
Contrôle du pH . .
.. 55
3.2.2.Les
sels. .......
.. 57
3.3.
Solubiliser dans des solvants.
. .57
3.3.1.
La constante diélectrique
. 58
3.3.2.
Approche théorique: les paramètres de solubilité . 60

3.4.
Les procédés d'aide à la solubilisation . 63

3.4.1.
Agents de solubilisation micellaire: agents de surface .. 64

3.4.2.
La microémulsion . 65

3.4.3.
Fonnation de complexes . 66

3.4.4.
Les solutions solides. 68

3.5.
Conclusion . 69

3.6.
Bibliographie . 70

Chapitre 4. Les dispersions 73

Gérard HaLTZINGER

4.1.
Introduction . 73

4.2.
Les particules et leurs caractéristiques. 75

4.2.1.
Défmition ' . 75

4.2.2.
La taille d'une particule. 76

4.2.3.
La fonne des particules . 79

4.2.4.
La porosité des particules 80

4.2.5.
Surface spécifique . 82

4.2.5.1.LaméthodeBET......................... .. 83

4.2.5.2.L'adsorptiondeliquides.
.................... .. 83

4.3.
Les différents systèmes particulaires et problèmes de stabilité. . . . . .. 83

4.3.1.Systèmesparticulaires
......................... .. 83

4.3.2.Lastabilitédesdispersions
...................... .. 84

4.3.3.Sédimentation.
............................. .. 86

4.3.3.1.Théorie.
.............................. .. 86

4.3.3.2.Lesméthodesdemesures.
................... .. 88

4.3.3.3.
Méthodesgravitationnelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88

4.3.4.FloculationetthéorieDLVO
..................... .. 92

4.3.4.1.
Forces d'interaction entre particules . . . . . . . . . . . . . .. 92

4.3.4.2.ApplicationdelathéorieDLVO.
............... .. 99

4.3.4.3.
Les méthodes électrochimiques lOI
4.3.4.4.Lepotentiel
zêta........................... 103

4.3.5.
Le mûrissement d'Ostwald 108

4.4.
Méthodes et techniques d'analyses des dispersions III

4.4.1.
L'échantillonnage III

4.4.2.
Le tamisage 112

4.4.3.
Microscopie 113

4.4.3.1.
Microscopie optique 113

4.4.3.2.
Microscopie électronique 114

4.4.3.3.
Microscopie électronique à transmission 114

4.4.3.4.
Microscopie électronique à balayage 117

4.4.3.5.
L'analyse d'images 119

4.4.3.6.
Les autres techniques microscopiques 119

4.4.3.7.
La diffusion de la lumière 120

4.4.3.8.
L'indice de réfraction 122

4.4.3.9.
La granulométrie laser 123

4.4.3.10.
La chromatographie 126

4.5.Larhéologie
.................................... 130

4.5.1.Définition.
.................................. 130

4.5.2.
Mesure de la viscosité 132

4.5.2.1.Lesrhéomètresdynamiques
.................... 132

4.5.2.2.
Rhéologie des dispersions 134

4.5.3.
Electroviscosité et électrorhéologie 138

4.6.Bibliographie.
................................... 138

1

Chapitre 5. Formulation des émulsions . . 141

Anne-Marie PENsÉ-LHÉRlTlER

5.1.
Aspects généraux des émulsions 141

5.2.
Considérations théoriques sur les interactions liquide/liquide 143

5.2.1.Originedeseffetsdesurface
................. 143

5.2.2.
Rôle des agents modificateurs de la tension de surface. . 144

5.3.
Développer une émulsion . . . . . 148

5.3.1.Choixde
laphasegrasse. ............ 149

5.3.2.Choixdel'agentde
surface............. 149

5.3.2.1.
Aspect historique: règle de Bancroft. . . . ISO
5.3.2.2.
Concept du HLB (Hydrophilic Lipophilic Balance) . . 151

5.3.2.3.
Choix selon la nature des agents de surface. . . . . . . 154

504. Stabiliseruneémulsion. .................... 157

504.1.
Crémage et sédimentation et stabilisation cinétique. . . . . . . 158

504.2.
Lafloculationet lathéorieDLVO................. 160

504.3.
La coalescence et la stabilisation stérique. . . . . . . . . . . 162

50404. L'inversion de phase. . . 163

5.4.5.
Quelques règles de base. 163

5.5.
Fabrication des émulsions. 164

5.5.1.
La température. 165

5.5.2.
Le temps 166

5.5.3.
L'agitation . . . . . . . 167

5.5.4.
Les contrôles réalisés sur les émulsions. 167

5.6.
Conclusion . . 168

5.7.Bibliographie.
................... 168

Chapitre6.Lessuspensions. .............................. 171

Gérard HOLTZINGER

6.1.
Théorie de la dispersion . 172

6.1.1.
La mouillabilité . 172

6.1.1.1.
Quelques définitions préalables 172

6.1.1.2.
La théorie du mouillage. 173

6.1
.2. L'adhésivité de particules . 176

6.1.3.
Les forces de friction . 177

6.104.
L'adsorption . 177

6.104.1.
L'adsorption de substances non-électrolytes. 177

6.104.2.
L'adsorption d'électrolytes . 178

6.1.4.3.
L'adsorption de macromolécules 178

6.2.
La formulation des suspensions. 179

6.2.1.
Le milieu de dispersion . 179

6.2.2.
Les agents de disp~rsion . 179

6.2.3.
Les agents qui limitent la sédimentation 181

6.204.
Les fluidifiants . 182

6.3.
Les agents de stabilité des suspensions . 183

6.3.1.
Le mécanisme de stabilisation par des polymères. 184

6.3.2.
Structure des dispersants polymériques ... · ...... 185

6.4.
Cas particulier de l'application pharmaceutique. · ..... 189

6.5.
Cas particulier de la cosmétique. 189

6.5.1.
Les pigments minéraux .. 190

6.5.2.
Les pigments organiques.. 190

6.5.3.
Le traitement des pigments 191

6.6.
La pratique de la dispersion ... 192

6.6.1.
Les étapes de la dispersion 192

6.6.1.1.
Les appareils à basse vitesse. 193

6.6.1.2.
Les appareils à haute vitesse. 194

6.6.1.3.
Les moulins colloïdaux . 198

6.6.1.4.
Les tri-cylindres . 199

6.6.1.5.
Les broyeurs à billes . 200

6.6.1.6.
Les homogénéiseurs haute pression .. 203

6.6.1.7.
La sonochimie ou la technique des ultrasons . 204

6.6.2.
Le contrôle des dispersions . 206

6.6.2.1.
Aspect . 206

6.6.2.2.
Répartition de la taille des particules . 207

6.6.2.3.
Autres évaluations .. 207

6.7.
Bibliographie . · ..... 208

formulation des polymères . Chapitre 7. Les dispersions dans les milieux à très forte viscosité:
209

André CHEYMOL

7.1.Caractérisationdes
polymères. ...................... .. 209

7.2.
Formulation des polymères: généralités. . . . . . . . . . . . . . . . .. 223

7.2.1.
Notion de base sur les propriétés gouvernant la mise en œuvre
delaformulation .............................. .. 225

7.2.2.
Comportement rhéologique: rappel des premières lois de base. 225

7.2.3.
Modèles rhéologiques reliant viscosité et taux de cisaillement. 228

7.2.3.1.Modèlesvisqueux
....................... 228

7.2.3.2.
Action des différents paramètres sur le comportement
visqueux. ................... 231

7.2.4.
Mesure de la viscosité des polymères. . 234

7.3.
Comportement thermique . . . . . . . . . . . . 236

7.3.1.
La fusi6n à la transition vitreuse . . . . . 236

7.3.2.
Capacité calorifique massive: c (en Joule par °kelvin et par Kg) .. 238

7.3.3.
Conductivité thermique . . . . . . 239

7.4.
Génération et transmission de chaleur. 242

7.5.
Les principaux outils de mélangeage. . 244

7.5.1.Principecommun.
. . . . . . . . . . 244

7.5.2.
Les outils à vis sans fin 244

7.5.3.
Mélangeage 247

7.5.3.1.
Le mélangeur à cylindres 247

7.5.3.2.
Les mélangeurs internes 249

7.5.3.3.
Contrôle de la qualité des mélanges 252

7.6.
Conclusion sur les règles de formulation des polymères 253

7.7.
Bibliographie 253

TROISIÈME PARTIE. FORMULATION SELON LES GRANDS PRODUITS 257

Chapitre 8. La place de la galénique dans le développement
pharmaceutique .................................... 259

Vincent FAIVRE

8.1.
Le développement du médicament 259

8.1.1.
Le produit-médicament 259

8.1.2.
Développement pharmaceutique 260

8.1.3.
Développement galénique 262

8.1.3.1.
Règlementations et référentiels 263

8.1.3.2.
Patient 265

8.1.3.3.
Pré-formulation 266

8.1.3.4.
Formulation 268

8.1.3.5.
Procédés 270

8.1.3.6.
Qualité 272

8.2.
Etude de cas: développement galénique d'une forme pour la voie orale. 272

8.2.1.
Les patients, le marché 272

8.2.2.
Les caractéristiques des principes actifs 273

8.2.3.
Procédés de fabrication et choix de la formulation 275

8.3.
Méthodes contrôle/vérification 276

8.3.1.
Diagramme causes/effet 276

8.3.2.
Les PAT. 278

8.3.3.
Les validations « pharmacopée européenne» 279

8.4.
Bibliographie 279

Chapitre 9. La formulation des produits cosmétiques. . . . . . . . . . . . .. 281

Caroline ROUSSEAU

9.1.Introduction.
................................. .. 281

9.2.
Le cahier des charges 283

9.3.
Développement en laboratoire 285

9.3.1.
Choix des ingrédients 285

9.3.2.
Mise au point de la formule 287

9.3.3.
Etude de la stabilité de la formule 288

9.3.4.
Validation de la résistance de la formule
vis-à-vis des micro-organismes 289

9.3.5.
Détermination de la PAO 291

9.3.6.
Evaluation de la formule 292

9.4.
Fabrication industrielle 293

9.5.
Mise sur le marché 294

9.6.Réglementation
............................. 294

9.7.
Conclusion 295

Chapitre 10. La formulation des produits alimentaires.. 297

Christine CHÊNÉ

10.1.
Le cahier des charges 297

10.2.Lescontraintes
.................................. 299

10.2.1.
La réglementation 300

10.2.1.1.
Additifs 300

10.2.1.2.
Produits finis 301

10.2.2.
Les conditions de fabrication et de conservation. . . . . . . . . . . 302

10.2.2.1.
Le procédé de fabrication 302

10.2.2.2.
Les conditions de conservation 304

10.2.3.
Les contraintes de coût 307

10.3.
Méthodologie de formulation 309

Chapitre 11. Formulation des élastomères .... 313

André CHEY MOL

11.1.Introduction.
................................... 313

11.2.Choixdesélastomères.
............................. 314
Il.2.1.Lecaoutchoucnaturel
....................... 314
Il.2.2.
Le polybutadiène styrène
(copolymèredubutadièneet dustyrène)................. 315

11.2.3.
Le polybutadiène (polymère du butadiène) 316

11.2.4.Lepolyisoprènedesynthèse
...................... 316

11.2.5.
Le copolYVJère butadiène acrylonitrile 316

11.2.6.
Le polychloroprene (polymère du chloroprène) 317

11.2.7.
Le polyisobutylène (caoutchouc Butyl) 317

11.2.8.
Copolymères éthylène propylène, copolymères éthylène
propylène diène 318

11.2.9.
Les silicones 319
1.2.10.Lespolyuréthanes
............................ 319

11.3.
Les adjuvants nécessaires à l'obtention de fonctions essentielles 320

Il.3.1.
La réticulation et les modes de réticulation. . . . . . . . . . 321

11.3.1.1.Généralités.
......................... 321

11.3.1.2.
Les modes de réticulation (car chaque mode comporte
plusieursproduits) ...................... 323

11.3.1.3.
Caractérisation des réseaux réticulés obtenus 332

11.3.2.
Choix des charges. . . . . . . . . . 333

11.3.2.1.Généralités.
.................... 333

11.3.2.2.
Caractérisation des charges. . . . . . . . . . . 336

11.3.2.3.
Interaction charges/élastomères (renforcement mécanique). 337

11.3.2.4.
Notions sur l'emploi des charges. . . . . . 339

11.3.3.
Le vieillissement et les produits de prévention. 339

11.3.3.1.
Le vieillissement chimique. . . . . . . . . 339

11.3.3.2.
Le vieillissement sous contrainte. . . . . . 340

Il.3.3.3.
Le vieillissement lié à des phénomènes physiques . 341

Il.3.3.4.
La prévention par la formulation
etlesproduitsdeprévention .................... 341

Il.3.4.Lesautresadjuvants.
....................... 342
Il.4.
Mise en œuvre de la formulation: le mélangeage 343

11.4.1.
Facteurs de remplissage de la machine. 344

11.4.2.
Le contrôle du mélange. . . 346

Il.5.
Conclusion . . . 348

11.6.Bibliographie.
........... 349

Conclusion 351

Anne-Marie PENSÉ-LHÉRlTIER, André CHEYMOL

Index 353