La formulation est l’art des mélanges et de leur stabilité et ne met pas en jeu de réactions chimiques. L’objectif final est d’obtenir un produit qui aura des propriétés fonctionnelles précises. L’aspect final de ce produit formulé est apparemment homogène à l’échelle macroscopique mais est en réalité hétérogène à l’échelle microscopique.

Différents types de dispersion

Les matières premières utilisées ne sont en général pas solubles entre elles. Elles sont dites « incompatibles ». Elles constituent un ensemble de particules à disperser. Ces particules peuvent être solides, liquides ou gazeuses.
Pour réaliser cette dispersion il est nécessaire de choisir un milieu qui sera soit une phase aqueuse, soit une phase solvant organique. Le résultat portera selon le cas les noms de émulsions, suspensions, mousses ou encore aérosols.

Dans une approche simplifiée, les différents cas en fonction des particules à disperser sont regroupés dans le tableau ci-dessous.

Si les particules à disperser sont de très petites tailles (comprises entre 1 nm et 1 µm) on est dans le domaine des gels ou colloïdes.

Pour assurer les performances techniques du produit formulé mais aussi sa conservation et sa stabilité dans son conditionnement et lors de son usage, il faut travailler d’une part sur la taille des particules du principe actif à disperser et d’autre part sur l’ajout d’autres ingrédients appelés additifs. Ceux-ci sont très dépendants du type de produit final réalisé. Ils doivent de plus, dans tous les cas, respecter des normes pour protéger l’environnement et l’utilisateur.

Rôle des différents ingrédients

Citons quelques additifs régulièrement présents :

• Les tensio-actifs ont un rôle de toute première importance pour assurer que la dispersion soit pérenne, c’est à dire que les ingrédients ne se séparent pas (aspect macroscopique homogène). Ils sont aussi appelés surfactants ou agents de surface et émulsifiants s’ils stabilisent une émulsion.
• Certains réactifs permettent d’ajuster le pH tout en ne déstabilisant pas l’interaction entre les tensio-actifs et les particules à disperser.
• Les conservateurs permettent de lutter contre les micro-organismes susceptibles de se multiplier au sein d’un produit (fongicides, bactéricides….).
• Les produits antioxydants, appelés anti-oxygène, permettent de lutter contre l’oxydation.
• Les additifs rhéologiques influent sur la viscosité, la capacité à se déformer et sur l’élasticité des matériaux sous l’action de contraintes.

La compréhension des phénomènes mis en jeu et la réalisation des produits formulés nécessitent de faire appel à plusieurs disciplines dont la physico-chimie et en particulier l’étude des interactions intermoléculaires, la chimie analytique, le génie chimique, la rhéologie et la chimie des colloïdes.

Pour approfondir

• « La formulation aujourd’hui : une introduction » par Alain Durant, l’Actualité Chimique n° 407 (mai 2016) pp. 24-26
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• Manuel de Formulation » (PDF) par Vangélis Antzoulatos , disponible gracieusement en ligne au format pdf sur le site Eduscol, est un outil pédagogique qui permet d‘aborder l’ensemble des questions touchant à la formulation pour des étudiants Post-Bac et leurs enseignants.
• L’ouvrage « Couleur et habitat "vert" » par Daniel Grenier, in La chimie et l’habitat (EDP Sciences, 2011), ISBN : 978-2-7598-0642-3, p. 239, traite de l’exemple des peintures et nous fait découvrir une nouvelle chimie de formulation utilisant des matières premières renouvelables.

Applications industrielles

En tant qu’activité industrielle, la formulation est omniprésente dans la chimie de spécialités et constitue aujourd’hui l’un des secteurs clés de l’industrie chimique. Certaines industries telles que peintures, cosmétiques, adhésifs, détergents, lubrifiants, encres, pneumatiques… sont des industries de formulation à part entière.

La formulation joue aussi un rôle essentiel dans la conception des médicaments. Elle est appelée dans ce cas la galénique.

On peut se faire une idée de l’ensemble des spécialités concernées ici.

Compte tenu des très nombreux domaines d’applications, trois secteurs ont été sélectionnés et approfondis en fonction de leur importance industrielle. Vous trouverez prochainement sur le site Mediachimie trois « zooms sur… » complémentaires concernant la cosmétique qui est un marché où la France est leader mondial, les produits agroalimentaires et les ciments qui correspondent aux deux premiers marchés en tonnages.

© Liubov Kulchitskaja, Maksym Yemelyanov et efks / 123RF