Les tensioactifs

En bref : les tensioactifs (agents de surface, surfactants) sont des composés dont les molécules possèdent une partie hydrophile (la « tête ») et une partie hydrophobe (la « queue »). Grâce à cela, ils se concentrent à l’interface entre deux phases, abaissent la tension superficielle et agissent comme agents lavants, moussants, mouillants, émulsifiants et solubilisants. Selon la charge de leur partie hydrophile, on les classe en quatre groupes : anioniques (p. ex. SLS, SLES), cationiques (p. ex. chlorure de benzalkonium), amphotères (p. ex. cocamidopropyl betaine) et non ioniques (p. ex. polysorbate 20, glucosides, PEG-6 caprylic/capric glycerides). Ils sont utilisés dans les cosmétiques, les produits d’entretien ménager, l’alimentation, la pharmacie et l’industrie.

Que sont les tensioactifs ?

Les tensioactifs, également appelés agents de surface ou surfactants (de l’anglais surfactants, pour surface active agents), sont des composés chimiques qui abaissent la tension superficielle des liquides ainsi que la tension interfaciale, par exemple entre l’eau et l’huile. L’eau pure a une tension superficielle d’environ 72 mN/m, et l’ajout d’un tensioactif peut la réduire à environ 25–35 mN/m.

Cet effet découle de la structure de la molécule, dite amphiphile. Chaque molécule de tensioactif possède :

• une partie hydrophile (la « tête ») – polaire, qui interagit bien avec l’eau ; elle peut porter une charge négative, positive, les deux charges ou être neutre,
• une partie hydrophobe (la « queue ») – apolaire, généralement une chaîne hydrocarbonée de 8 à 18 atomes de carbone, qui « fuit » l’eau et se lie aux graisses.

Les tensioactifs existent aussi dans la nature. Le surfactant pulmonaire en est un exemple : ce mélange de phospholipides et de protéines tapisse les alvéoles pulmonaires et les empêche de s’affaisser lors de l’expiration. La lécithine, les saponines et les acides biliaires sont également des composés tensioactifs naturels.

Comment agissent les tensioactifs ?

En solution aqueuse, les molécules de tensioactif se concentrent d’abord à la surface de l’eau et à l’interface entre les phases – « têtes » tournées vers l’eau, « queues » vers l’extérieur ou vers l’huile. Lorsque la surface est saturée et que la concentration dépasse la concentration micellaire critique (CMC), les molécules commencent à s’assembler en micelles – des agrégats sphériques au cœur hydrophobe. Les micelles emprisonnent la graisse et la saleté, qui peuvent ensuite être rincées à l’eau.

De ce mécanisme découlent les principales fonctions des tensioactifs :

• lavage – décollement et élimination des salissures grasses,
• mouillage – le liquide s’étale plus facilement sur la surface et pénètre dans les pores,
• émulsification – formation et stabilisation d’émulsions huile dans eau (H/E) ou eau dans huile (E/H),
• moussage ou démoussage – stabilisation de la mousse ou sa destruction,
• solubilisation – dissolution dans l’eau d’huiles essentielles, d’arômes ou de vitamines,
• dispersion – maintien de particules solides, p. ex. de pigments, en suspension,
• conditionnement et effet antistatique – principalement les tensioactifs cationiques.

Comment classe-t-on les tensioactifs ?

La classification la plus courante repose sur la structure chimique, plus précisément sur la charge de la partie hydrophile. Les tensioactifs se divisent en ioniques et non ioniques, et les ioniques en trois types : anioniques, cationiques et amphotères. On obtient ainsi quatre groupes de base :

Les tensioactifs peuvent aussi être classés selon leur origine (pétrochimiques, oléochimiques issus d’huiles végétales, biosurfactants produits par des micro-organismes), leur biodégradabilité, le nombre de groupes hydrophiles (p. ex. tensioactifs dimères, dits gemini) ou leur application.

Que sont les tensioactifs anioniques ?

Les tensioactifs anioniques possèdent dans leur partie hydrophile un groupe chargé négativement – le plus souvent sulfate, sulfonate ou carboxylate. C’est le groupe de tensioactifs le plus utilisé, car ils sont bon marché, lavent très bien et moussent abondamment. Principaux exemples :

• SLS (Sodium Lauryl Sulfate, laurylsulfate de sodium) – puissant agent lavant et moussant,
• SLES (Sodium Laureth Sulfate, laureth sulfate de sodium) – variante éthoxylée et plus douce du SLS, base de nombreux shampooings et gels,
• LAS (alkylbenzènesulfonates linéaires de sodium) – principal composant des lessives en poudre et liquides,
• savons – sels de sodium et de potassium d’acides gras, que nous présentons dans l’article Savon de sodium – propriétés et applications,
• tensioactifs anioniques cosmétiques plus doux : Sodium Cocoyl Isethionate, Sodium Lauroyl Sarcosinate, Disodium Laureth Sulfosuccinate.

Les tensioactifs anioniques sont sensibles à l’eau dure : avec les ions calcium et magnésium, ils forment des sels peu solubles, ce qui réduit leur efficacité. Ils peuvent aussi dessécher et irriter la peau ; c’est pourquoi, dans les cosmétiques, on les associe à des tensioactifs amphotères ou non ioniques plus doux.

Pour la sulfonation des LAS et la sulfatation des alcools gras, on utilise notamment le trioxyde de soufre et l’oléum, décrits dans l’article Comprendre l’Acide Sulfurique : production, utilisations et mesures de sécurité.

Que sont les tensioactifs cationiques ?

Les tensioactifs cationiques possèdent une charge positive dans leur partie hydrophile – il s’agit généralement de sels d’ammonium quaternaire (appelés « quats »). Parmi les exemples figurent le chlorure de benzalkonium, le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB), le Cetrimonium Chloride, le Behentrimonium Chloride ainsi que les esterquats utilisés dans les assouplissants textiles.

La plupart des surfaces – cheveux, peau, fibres textiles – sont chargées négativement dans l’eau, ce qui explique pourquoi les tensioactifs cationiques s’y déposent bien. Ils réduisent l’électricité statique des cheveux et des tissus, les lissent et facilitent le démêlage. Beaucoup d’entre eux ont aussi une action bactéricide, d’où leur présence dans les désinfectants et les conservateurs. Ils lavent et moussent peu, et forment des complexes insolubles avec les tensioactifs anioniques ; on ne les combine donc généralement pas dans un même produit.

Les anciens tensioactifs cationiques étaient difficilement biodégradables et toxiques pour les organismes aquatiques. Dans les assouplissants, ils ont donc été remplacés par des esterquats, qui se dégradent plus facilement.

Que sont les tensioactifs amphotères ?

Les tensioactifs amphotères (zwitterioniques) possèdent dans leur molécule à la fois un groupe chargé positivement et un groupe chargé négativement. Leur comportement dépend du pH : en milieu acide, ils se comportent comme des tensioactifs cationiques, en milieu alcalin – comme des anioniques.

L’exemple le plus important est la cocamidopropyl betaine (CAPB, cocamidopropylbétaïne) – un tensioactif amphotère obtenu à partir des acides gras de l’huile de coco. Ce groupe comprend également la Coco-Betaine, la Cocamidopropyl Hydroxysultaine, le Sodium Cocoamphoacetate et le Sodium Lauroamphoacetate. La lécithine naturelle est elle aussi amphotère.

Les tensioactifs amphotères sont doux pour la peau et les yeux, moussent bien et épaississent les solutions de tensioactifs anioniques. Ajoutés au SLES, ils en atténuent l’effet irritant ; c’est pourquoi le système SLES + cocamidopropyl betaine constitue la base de la plupart des shampooings et gels douche. On les utilise également dans les cosmétiques pour enfants, les produits d’hygiène intime et les nettoyants doux.

Que sont les tensioactifs non ioniques ?

Les tensioactifs non ioniques ne portent pas de charge électrique. Leur partie hydrophile est généralement constituée de chaînes polyoxyéthylénées (PEG), de résidus de glycérol ou de sucres. Exemples :

• alcools gras éthoxylés – p. ex. Laureth-7, Ceteareth-20, composants de détergents et d’émulsions,
• polysorbates – p. ex. polysorbate 20 et polysorbate 80, émulsifiants et solubilisants dans les cosmétiques, les médicaments et l’alimentation (E432–E436),
• alkylpolyglucosides (APG) – Decyl Glucoside, Coco-Glucoside, Lauryl Glucoside, tensioactifs doux issus du sucre et d’alcools gras,
• PEG-6 Caprylic/Capric Glycerides – tensioactif non ionique utilisé comme solubilisant et comme composant des eaux micellaires et des huiles nettoyantes,
• esters de glycérol et de sucres – mono- et diglycérides d’acides gras (E471) et esters de saccharose (E473), émulsifiants alimentaires,
• esters de sorbitane – p. ex. Sorbitan Oleate (Span 80), émulsifiants pour émulsions E/H.

Les tensioactifs non ioniques ne réagissent pas avec les ions de l’eau dure, sont compatibles avec les autres groupes de tensioactifs et généralement doux pour la peau. Ils moussent habituellement moins, mais émulsionnent et mouillent bien. À température plus élevée, les solutions d’éthoxylates se troublent (point de trouble), ce qu’il faut prendre en compte lors de la formulation.

Qu’est-ce que l’échelle HLB et comment aide-t-elle à choisir un tensioactif ?

Le HLB (hydrophilic-lipophilic balance) est un nombre décrivant l’équilibre entre la partie hydrophile et la partie lipophile d’une molécule. Selon l’échelle de Griffin pour les tensioactifs non ioniques, il prend des valeurs de 0 à 20 : plus le HLB est élevé, plus le composé est hydrophile et soluble dans l’eau.

Pour choisir un tensioactif, il faut aussi tenir compte de la CMC (plus elle est basse, moins il faut de tensioactif pour former des micelles), du point de Krafft (température en dessous de laquelle un tensioactif ionique se dissout mal), de la plage de pH de stabilité et de la compatibilité avec les autres ingrédients. Dans les émulsions, on associe souvent deux émulsifiants – l’un à HLB bas, l’autre à HLB élevé – afin d’obtenir la valeur requise pour une phase huileuse donnée. Pour en savoir plus sur les émulsifiants, consultez l’article Émulsifiants dans les cosmétiques – que sont-ils et quelles fonctions remplissent-ils ?

À partir de quoi produit-on les tensioactifs ?

Les tensioactifs sont obtenus à partir de trois grands groupes de matières premières :

• pétrochimiques – l’éthylène, le benzène et les paraffines servent notamment à produire les LAS et les alcools synthétiques destinés aux éthoxylates,
• oléochimiques – les huiles végétales (coco, palme, palmiste, colza) donnent des acides et alcools gras, à partir desquels on fabrique le SLS, le SLES, les bétaïnes, les glucosides et les esters ; on les combine souvent avec des matières premières issues du sucre, p. ex. le glucose dans les alkylpolyglucosides,
• biotechnologiques – les biosurfactants, p. ex. les rhamnolipides, les sophorolipides et la surfactine, sont produits par des bactéries et des levures ; ils sont facilement biodégradables, mais restent plus chers que les tensioactifs classiques.

Face aux exigences environnementales croissantes, les fabricants choisissent de plus en plus souvent des tensioactifs d’origine végétale, facilement biodégradables et dotés de certifications écologiques.

Où utilise-t-on les tensioactifs ?

Les tensioactifs comptent parmi les matières premières les plus importantes de l’industrie chimique. Principaux domaines d’application :

• cosmétiques – shampooings, gels, savons, eaux micellaires (tensioactifs lavants), crèmes et laits (émulsifiants), après-shampooings (tensioactifs cationiques) ; nous décrivons le rôle de chaque ingrédient dans l’article Types d’ingrédients dans les cosmétiques et leurs fonctions,
• produits d’entretien ménager – lessives en poudre et liquides, liquides vaisselle, nettoyants, assouplissants textiles,
• industrie alimentaire – émulsifiants, p. ex. lécithine (E322), mono- et diglycérides (E471), esters de saccharose (E473) et polysorbates ; plus d’informations dans l’article sur la lécithine,
• pharmacie et médecine – émulsifiants et solubilisants dans les médicaments, préparations de surfactant pulmonaire pour les prématurés, désinfectants,
• agriculture – adjuvants améliorant le mouillage des feuilles et l’efficacité des produits phytosanitaires,
• construction – adjuvants entraîneurs d’air et agents moussants pour le béton, notamment pour la production de béton mousse et de bétons cellulaires légers,
• industrie textile, peintures et vernis – agents mouillants, dispersants et de teinture,
• industrie pétrolière et métallurgique – désémulsifiants pour le dessalage du pétrole brut, agents de récupération assistée, dégraissage des métaux, fluides de refroidissement.

Nous présentons la situation du marché et les tendances du secteur dans l’article Tensioactifs – substances clés sur le marché cosmétique et industriel.

Les tensioactifs adoucissent-ils l’eau dure ?

Non. Les tensioactifs n’éliminent pas de l’eau les ions calcium et magnésium responsables de sa dureté. Au contraire – l’eau dure réduit l’efficacité des tensioactifs anioniques, car ceux-ci forment avec ces ions des sels insolubles. On l’observe bien avec le savon, qui mousse peu dans l’eau dure et laisse un dépôt (le savon calcaire).

C’est pourquoi on ajoute aux lessives en poudre et liquides ainsi qu’aux tablettes pour lave-vaisselle des substances adoucissantes, appelées adjuvants (builders) : zéolithes, citrates, polycarboxylates (p. ex. copolymères acrylique-maléique) et phosphonates. Dans l’UE, la teneur en phosphates des détergents textiles et pour lave-vaisselle destinés aux ménages est limitée par la réglementation. Les tensioactifs non ioniques sont insensibles à l’eau dure ; c’est pourquoi on les associe souvent aux anioniques.

Les tensioactifs sont-ils nocifs ?

La nocivité des tensioactifs dépend de leur type, de leur concentration et de leur mode d’utilisation. Pour l’être humain, l’essentiel est leur effet sur la peau et les yeux :

• anioniques – ce sont les plus dégraissants ; ils peuvent irriter la peau, en particulier le SLS en cas de contact fréquent ; le SLES est plus doux,
• cationiques – ils peuvent irriter les yeux et la peau à des concentrations élevées ; c’est pourquoi on les utilise à faibles doses dans les cosmétiques,
• amphotères et non ioniques – ce sont les plus doux et ils atténuent l’effet irritant des tensioactifs anioniques ; les réactions allergiques à la cocamidopropyl betaine sont rares et principalement liées aux impuretés issues du procédé de fabrication.

Les tensioactifs sont autorisés dans les cosmétiques à des concentrations sûres, et dans les produits rincés, le contact avec la peau est bref. Les tensioactifs éthoxylés (p. ex. SLES, polysorbates) peuvent contenir des traces de 1,4-dioxane ; les fabricants de matières premières en contrôlent donc la teneur.

Pour l’environnement, la biodégradabilité est déterminante. Les tensioactifs non dégradés sont toxiques pour les organismes aquatiques et provoquent la formation de mousse dans les eaux. Dans les années 1950 et 1960, les alkylbenzènesulfonates ramifiés posaient problème ; ils ont été remplacés par les LAS biodégradables. Aujourd’hui, dans l’UE, les tensioactifs des détergents doivent subir une biodégradation aérobie complète, et l’utilisation des éthoxylates de nonylphénol (NPE), qui agissent comme perturbateurs endocriniens, est fortement restreinte. Dans les stations d’épuration modernes, la plupart des tensioactifs sont dégradés biologiquement, et dans les sites industriels, leur excès et la formation de mousse sont limités à l’aide d’antimousses.

Comment choisir un tensioactif pour la production ?

Pour choisir un tensioactif destiné à un cosmétique, un détergent ou un produit alimentaire, il convient de prendre en compte :

• la fonction – lavage, émulsification, solubilisation, mouillage, moussage ou conditionnement,
• la compatibilité des charges – on n’associe généralement pas tensioactifs anioniques et cationiques,
• le HLB, la CMC et la plage de pH – adaptés à la phase huileuse et à la formule,
• la douceur – dans les cosmétiques, on associe souvent le tensioactif principal à un amphotère ou à un non ionique,
• l’origine et la biodégradabilité – matières premières végétales, certifications écologiques, conformité aux exigences applicables aux détergents,
• les autorisations – statut d’additif alimentaire (numéro E) ou conformité aux réglementations cosmétiques et pharmaceutiques.

Foodcom fournit des matières premières aux industries cosmétique, chimique et alimentaire, notamment du polysorbate 20 et de la lécithine, avec une documentation qualité complète. Pour toute question sur les spécifications et la disponibilité, contactez notre équipe commerciale.