Procédé de préparation d'une microdispersion de cire
La présente invention a trait à un nouveau procédé de préparation, notamment industriel, de microdispersion aqueuse de particules de cire.
Les microdispersions aqueuses de particules de cire sont des constituants usuellement employés dans le domaine des compositions cosmétiques. On peut notamment citer les documents EP1201221 et WO02/43673 qui mentionnent un certain nombre de leurs applications. Dans le document EP1201221 , la microdispersion aqueuse de particules de cire est préparée par chauffage à 90°C de la cire et du tensioactib sous agitation modérée, puis addition de l'eau préalablement chauffée à 90°C, en maintenant l'agitation. On refroidit ensuite le mélange obtenu, on ajoute l'éthanol et l'on obtient une microdispersion de cires ayant un diamètre moyen de particules d'environ 170 nm.
Il est connu, par le document DE19646878 un procédé de préparation d'émulsion huile-dans-eau consistant à préparer par inversion de phase une première émul- sion huile-dans-eau, ayant une taille de particules de 500 nm maximum, puis à mélanger cette première émulsion avec une seconde émulsion huile-dans-eau ayant une taille de particules supérieure à 1 micron et/ou avec un hydrogel comprenant un émulsifiant hydrophile et un co-émulsifiant lipophile. La première émulsion est préparée par mélange des constituants, par exemple de cire, de tensioac- tif et d'eau, chauffage à 95°C sous agitation et refroidissement à 20°C. Il est également connu par le document WO00/33953, un procédé de préparation de dispersion de nanoparticules ayant une taille moyenne de 10-300 nm, dans lequel on mélange un composé organique, par exemple une cire, dans une phase fluide dans laquelle il n'est pas soluble, par exemple une phase aqueuse, on chauffe le mélange au-dessus du point de fusion du composé organique, puis on ajoute un tensioactif afin de former une microémulsion que l'on refroidit alors, sous agitation, jusqu'à une température inférieure au point de fusion du composé organique. Il n'est toutefois par précisé de quelle manière est effectuée l'étape de refroidissement.
Le document WO02/43673 décrit l'utilisation en cosmétique de nanoparticules de cire ayant une taille moyenne de particules de 5-500 nm et un point de fusion d'au moins 40°C. Ce document mentionne plusieurs procédés de préparation de microdispersions de cire, notamment un procédé par évaporation, un procédé GAS (Gas antisolvent Recrystallization), un procédé PCA (précipitation avec un antisolvant fluide comprimé), un procédé PGSS (particules à partir de solutions saturées en gaz); un procédé RESS (expansion rapide de solutions supercritiques). Ce do- cument décrit également un procédé dans lequel la cire est mélangée avec un liquide dans lequel elle n'est pas miscible, par exemple de l'eau, puis le mélange
est chauffé au-delà du point de fusion de la cire; on ajoute alors un tensioactif et l'on mélange le tout à l'aide d'un mélangeur à ancre ou à pale, de manière à émul- sionner la phase fluide de cire fondue, et à former la microdispersion. On refroidit ensuite la microdispersion de cire obtenue. Ce procédé permet d'éviter l'emploi d'homogénéisateur haute pression ou de mélangeur à haute vitesse. Il n'est toutefois pas précisé de quelle manière est effectuée l'étape de refroidissement. Ce document décrit également un procédé dans lequel la cire est mélangée avec de l'eau et un tensioactif, puis le mélange est chauffé au-delà du point de fusion de la cire et agité à l'aide d'un mélangeur à ancre, de manière à former la micro- dispersion, qui est ensuite coulée, à travers une buse sous une pression de 20-30 mbar, dans un second réacteur qui comprend de l'eau.
Toutefois, on constate que les procédés décrits dans l'art antérieur présentent des inconvénients au niveau industriel, ou ne peuvent tout simplement pas être mis en œuvre dans des conditions industrielles.
En particulier, un procédé consistant à chauffer la cire au delà de son point de fusion, à couler lentement la phase aqueuse chaude pour obtenir une inversion de phase (la phase continue de l'émulsion passant de la cire à l'eau), puis à refroidir avant conditionnement, ne permet pas de garantir la reproductibilite de la taille des particules lors des différentes fabrications.
Ceci est notamment dû au fait que certaines cires d'origine naturelle, telles que la cire de Carnauba, sont constituées de mélange de corps gras dont la proportion peut être variable selon les lots. Ces différences de qualités entraînent une mau- vaise reproductibilite du procédé de préparation de microdispersion et l'obtention de particules dont le diamètre peut être très variable, d'un lot sur l'autre. Il est courant d'obtenir une distribution de taille de particules, en fonction des fabrications, telle qu'environ 20% des fabrications ne sont pas conformes aux spécifications requises initialement.
Or, pour l'usage cosmétique auquel elle est destinée, la microdispersion de cire doit de préférence présenter une granulométrie constante (diamètre moyen en volume, faible dispersité), qui peut être de l'ordre de 150-200 nm; cette homogénéité dans la granulométrie est directement reliée aux performances techniques de la microdispersion, en particulier lorsqu'elle est destinée au maquillage des cils.
Par ailleurs, la microdispersion doit de préférence rester stable en granulométrie lors de sa conservation, par exemple pendant 2 ans à température ambiante (20°C), et également présenter une teneur en eau constante, ne pas développer d'odeur ou de couleur indésirables et ne pas présenter de développement bacté- rien.
Il apparaît donc qu'il subsiste le besoin, pour les fabricants notamment au niveau industriel de microdispersions de cire, de disposer d'un procédé permettant de pal-
lier les inconvénients de l'art antérieur, et notamment permettant d'obtenir une bonne reproductibilite dans la taille des particules de cire.
Par ailleurs, certains des procédés proposés par l'art antérieur imposent d'utiliser un équipement particulier, par exemple des outils de cisaillement tels que des rotor/stator ou des homogénéisateurs haute pression.
Il serait donc souhaitable de disposer d'un procédé ne nécessitant pas d'implanter des outils lourds destinés à émulsionner un mélange, tout en employant un nombre réduit de réacteurs, et un temps de procédé court, par exemple en évitant la fusion ou l'étuvage de la cire au préalable.
La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation d'une microdispersion aqueuse de particules de cire dans lequel :
- on prépare un mélange initial comprenant au moins une cire, au moins un ten- sioactif et 50 à 80% de la quantité d'eau totale nécessaire à la préparation de la microdispersion de cire,
- on chauffe ledit mélange à une température supérieure à la température de fusion de la cire,
- puis on coule ledit mélange chauffé sur la partie complémentaire d'eau, de ma- nière à former la microdispersion de cire recherchée, ladite partie complémentaire d'eau étant initialement à une température inférieure à 15°C.
Ce procédé est particulièrement avantageux dans la mesure où il peut être conduit dans un équipement léger standard, par exemple de type réacteur de chimie tel qu'une cuve, équipé de mobile d'agitation et chauffé par double enveloppe.
Par ailleurs, ce procédé permet l'obtention de microdispersions de cire de qualité et ayant un profil granulométrique reproductible, quel que soit le lot de cire employé, la taille ou la géométrie des réacteurs utilisés, ou encore le type d'agitation.
Dans la présente invention, on entend par microdispersion aqueuse de particules de cire, une dispersion aqueuse de particules de cire dans laquelle la taille desdites particules de cire est inférieure ou égale à environ 1 μm. Les microdispersions de cire sont des dispersions stables de particules colloïdales de cire, et sont notamment décrites dans "Microemulsions Theory and Practice", L.M. Prince Ed., Académie Press (1977) pages 21-32. En particulier, ces microdispersions de cire peuvent être obtenues, selon l'art antérieur, par fusion de la cire en présence d'un tensioactif, et éventuellement d'une partie de l'eau, puis addition progressive d'eau chaude avec agitation. On observe la formation intermé- diaire d'une émulsion du type eau-dans-huile, suivie d'une inversion de phase avec obtention finale d'une microémulsion du type huile-dans-eau. Au refroidissement, on obtient une microdispersion stable de particules colloïdales solides de cire.
Le procédé selon l'invention consiste donc, dans une première étape, à préparer un mélange comprenant au moins une cire, au moins un tensioactif et une partie de la quantité d'eau totale nécessaire.
Dans la présente demande, on entend par 'cire' un composé lipophile, solide à température ambiante (25°C), à changement d'état solide/liquide réversible, ayant un point de fusion supérieur ou égal à 30°C pouvant aller jusqu'à 120°C. En portant la cire à l'état liquide (fusion), il est possible de la rendre miscible aux huiles et de former un mélange homogène microscopiquement, mais en ramenant la température du mélange à la température ambiante, on obtient une recristallisation de la cire dans les huiles du mélange.
Le point de fusion de la cire peut être mesuré à l'aide d'un calorimètre à balayage différentiel (D.S.C.), par exemple le calorimètre vendu sous la dénomination DSC 30 par la société METLER. Un échantillon de 15 mg de produit disposé dans un creuset est soumis à une première montée en température allant de 0°C à 120°C, à la vitesse de chauffe de 10°C/ minute, puis est refroidi de 120°C à 0°C à une vitesse de refroidissement de 10°C/minute et enfin soumis à une deuxième montée en température allant de 0°C à 120°C à une vitesse de chauffe de 5°C/minute. Pendant la deuxième montée en température, on mesure la variation de la différence de puissance absorbée par le creuset vide et par le creuset contenant l'échantillon de produit en fonction de la température. Le point de fusion du composé est la valeur de la température correspondant au sommet du pic de la courbe représentant la variation de la différence de puissance absorbée en fonction de la température.
Les cires susceptibles d'être utilisées dans l'invention peuvent être choisies parmi les cires, solides et rigides, à température ambiante d'origine animale, végétale, minérale ou de synthèse et leurs mélanges. De préférence, les cires entrant dans la composition peuvent présenter un point de fusion supérieur à 45°C environ, et en particulier supérieur à 55°C. La cire peut également présenter une dureté allant de 0,05 MPa à 15 MPa, et de préférence allant de 6 MPa à 15 MPa. La dureté est déterminée par la mesure de la force en compression mesurée à 20°C à l'aide du texturomètre vendu sous la dénomination TA-TX2i par la société RHEO, équipé d'un cylindre en inox d'un diamètre de 2 mm se déplaçant à la vitesse de mesure de 0,1 mm/s, et pénétrant dans la cire à une profondeur de pénétration de 0,3 mm. Pour effectuer la mesure de dureté, la cire est fondue à une température égale au point de fusion de la cire + 20°C. La cire fondue est coulée dans un récipient de 30 mm de diamètre et de 20 mm de profondeur. La cire est recristallisée à température ambiante (25°C) pendant 24 heures, puis la cire est conservée pendant au moins 1 heure à 20°C avant d'effectuer la mesure de dureté. La valeur de la dureté est la force de compression mesurée divisée par la surface du cylindre du texturomètre en contact avec la cire.
On peut notamment citer les cires hydrocarbonées comme la cire d'abeilles, la cire de lanoline, et les cires d'insectes de Chine; la cire de riz, la cire de Carnauba, la cire de Candellila, la cire d'Ouricurry, la cire d'Alfa, la cire de fibres de liège, la cire de canne à sucre, la cire du Japon et la cire de sumac; la cire de montan, les cires microcristallines, les paraffines et l'ozokérite; les cires de polyéthylène, les cires obtenues par la synthèse de Fisher-Tropsch et les copolymères cireux ainsi que leurs esters. On peut aussi citer les cires obtenues par hydrogénation catalytique d'huiles ani- maies ou végétales ayant des chaînes grasses, linéaires ou ramifiées, en C8-C32. Parmi celles-ci, on peut notamment citer l'huile de jojoba hydrogénée, l'huile de tournesol hydrogénée, l'huile de ricin hydrogénée, l'huile de coprah hydrogénée et l'huile de lanoline hydrogénée. On peut encore citer les cires de silicone et les cires fluorées.
De préférence, la cire est une cire de Carnauba.
La cire peut être présente dans le mélange initial en une quantité de 15-45% en poids par rapport au mélange initial, notamment 20-40% en poids, et en particulier 25-35% en poids.
La cire ou mélange de cires, peut être associée à un ou plusieurs additifs gras (huileux et/ou pâteux). On peut notamment citer les huiles végétales comme l'huile de tournesol, l'huile de jojoba; les huiles minérales comme l'huile de paraffine; les huiles de silicones; la vaseline, la lanoline; les huiles fluorées; les huiles hydrocarbonées à groupement perfluoré; les esters d'alcools gras. On peut également ajouter des actifs liposolubles usuels tels que des filtres UV, des vitamines liposo- lubles, des actifs cosmétiques liposolubles.
Le mélange initial comprend également au moins un tensioactif, qui peut être choisi, seul ou en mélange, parmi :
- les tensioactifs anioniques, notamment des sels d'acides gras éventuellement insaturés, ayant par exemple 12 à 18 atomes de carbone; des sels alcalins ou sels de bases organiques des acides alkyl-sulfuriques et alkylsulfoniques ayant 12 à 18 atomes de carbone ou d'acides alkyl-arylsulfoniques dont la chaîne alkyle contient 6-18 atomes de carbone; les éthers-sulfates.
- les tensioactifs non ioniques, notamment des tensioactifs polyalcoxylés et/ou po- lyglycérolés, et en particulier des acides gras ou amides d'acide gras; des alcools gras ou des alkylphénols; les esters d'acides gras et de polyols; les alcanediols et les alkyléthers d'alcanediols. On peut citer également les alkylcarbamates de tri- glycérol, les dérivés oxyéthylénés ou propoxylés des alcools de lanoline, des acides gras de la lanoline, ou de leur mélanges.
- les tensioactifs cationiques, notamment les dérivés d'ammonium quaternaire.
On préfère tout particulièrement le monostéarate de glycéryle polyoxyéthyléné, notamment comprenant 30 motifs oxydes d'éthylène (30 OE).
Le tensioactif peut être présent dans le mélange initial en une quantité de 3-15% en poids par rapport au mélange initial, notamment 5-10% en poids, et en particulier 6-9% en poids.
Le mélange initial comprend également une partie de l'eau nécessaire à la prépa- ration de la microdispersion de cire finale.
Cette quantité d'eau présente dans le mélange initial peut représenter 50 à 80% de la quantité d'eau totale nécessaire à la préparation de la microdispersion de cire finale, notamment 55-75% et en particulier 60-70% de la quantité totale nécessaire. II est par exemple possible de mettre dans le mélange initial, les 2/3 de l'eau nécessaire à la formation de la microdispersion, puis, après chauffage, de couler le mélange chauffé sur le dernier 1/3 d'eau.
La microdispersion de cire comprend de préférence au final, par rapport au poids total, 15-45% en poids, notamment 20-40% en poids, et en particulier 25-35% en poids, de cire; 3-15% en poids, notamment 5-10% en poids et en particulier 6-9% en poids, de tensioactif; 40-82% en poids, notamment 50-75% en poids et de préférence 60-65% en poids d'eau, ce qui représente la 'quantité d'eau totale nécessaire' au sens de la présente invention.
Dans une seconde étape du procédé, on chauffe le mélange initial à une température supérieure à la température de fusion de la cire ou des cires, de préférence supérieure de 8 à 15°C, notamment de 10-13°C, à ladite température de fusion. Par 'température de fusion de la cire' on entend la température à laquelle la cire est totalement fondue.
Ainsi, lorsque l'on utilise une cire de Carnauba dont la température de fusion est de 88-90°C, on peut chauffer le mélange initial à une température supérieure à 98°C, notamment de l'ordre de 99-103°C, par exemple à 100-102°C.
On peut maintenir le mélange à cette température pendant une durée d'environ 10-90 minutes, de préférence de l'ordre de 45-75 minutes, notamment 55-65 minutes, afin d'obtenir un mélange homogène.
Il est possible d'agiter le mélange lors de son chauffage, et/ou après, par exemple à l'aide d'un mobile d'agitation à ancre ou à pales.
On coule ensuite ledit mélange chauffé sur la partie complémentaire d'eau, de manière à former la microdispersion de cire recherchée.
Ladite partie complémentaire d'eau est initialement à une température inférieure à
15°C, notamment comprise entre 1 et 15°C, de préférence entre 2 et 10°C, encore mieux entre 3 et 5°C.
Ladite partie complémentaire représente donc 20 à 50% de la quantité d'eau totale nécessaire, notamment 25-45% et en particulier 30-40% de la quantité totale né- cessaire.
La répartition des quantités d'eau entre le mélange initial d'une part et la partie complémentaire d'autre part, la température de l'eau formant la partie complémentaire, et/ou la vitesse de coulée dudit mélange initial dans ladite partie complémentaire d'eau sont de préférence ajustées par l'homme du métier de manière telle que la température du mélange final constitué par ladite partie coulée du mélange initial et ladite partie complémentaire d'eau ne dépasse pas une température correspondant à T = Tfusion-cire - 3°C (température de fusion de la cire moins 3°C), à un temps t de 1 minute après la fin de ladite coulée. Dans le cas de la cire de Carnauba, une minute après la fin de la coulée, la tem- perature du mélange final constitué de la partie coulée + la partie complémentaire d'eau est de préférence inférieure ou égale à environ 85°C, de préférence à 84°C. Ce refroidissement rapide du mélange permet notamment d'éviter la formation d'agglomérats et permet également d'obtenir une microdispersion stable dans le temps.
On peut notamment effectuer ce procédé de manière industrielle en préparant le mélange initial dans un réacteur B, qui peut être thermostaté notamment à une température supérieure au point de fusion de la cire; disposer la partie complémentaire d'eau dans un second réacteur A qui peut être thermostaté à une température basse, par exemple de l'ordre de 1 à 15°C; puis effectuer l'étape de coulée en versant le contenu du réacteur B dans le réacteur A, notamment de manière telle que la température du mélange contenu dans le réacteur A ne dépasse pas environ 85°C. Pour ce faire, il est possible de maintenir le refroidissement du réacteur A lors de l'ajout du contenu du réacteur B. La coulée est de préférence effectuée le plus rapidement possible, mais est bien évidemment fonction des quantités mises en œuvre; par exemple, lorsque l'on prépare une quantité de 1 kg de microdispersion de cire, ce temps de coulée peut être compris entre 5 à 45 secondes, de préférence compris entre 10 à 20 secondes.
Il est également possible de mélanger le contenu du réacteur A lors de l'ajout du réacteur B, par exemple à l'aide d'un mélangeur à pales.
On refroidit ensuite le mélange jusqu'à température ambiante (20°C) de manière à former la microdispersion de cires.
Le refroidissement peut être effectué à une vitesse de 20 à 30°C par heure, notamment 22 à 27°C par heure.
Il est possible d'ajouter de l'alcool, par exemple de l'éthanol, et/ou des additifs, à la microdispersion de cire ainsi refroidie, par exemple en une quantité de 0,8 à 1 ,2 parties pour 9 parties en poids de microdispersion déjà formée.
Les particules de la microdispersion de cire ont de préférence des dimensions moyennes inférieures à 1 μm, notamment comprises entre 150 et 400 nm, et encore mieux entre 160 et 250 nm.
La microdispersion de cire peut être utilisée, dans tous les domaines de la cosmé- tique, et notamment dans des compositions de maquillage telles que mascara, eye-liner, rouge à lèvres, fard à joues ou à paupières, fond de teint, produit de maquillage du corps, vernis à ongles. On peut également envisager une application dans le domaine des compositions de soin, des compositions solaires ou autobronzantes, notamment comme produit anti-cernes.
L'invention est illustrée plus en détail dans les exemples suivants.
Exemple 1
On a préparé une microdispersion de cire de Carnauba ayant, au final, la composition suivante :
- Cire de Carnauba 270 g
- Monostéarate de glycéryle polyoxyéthyléné (30 OE) ( TAGAT S de GOLDSCHMIDT) 67,5 g
- Ethanol 100 g
- Eau qsp 1000 g
On charge les 2/3 de l'eau (2/3 de 562,5 ml soit 375 ml), la cire de Carnauba et le tensioactif dans un réacteur B à double-enveloppe, équipé d'un condenseur et d'un mélangeur, puis on chauffe le mélange sous agitation jusqu'à 100°C. On charge le reste de l'eau (soit 187,5 ml) dans un réacteur A à double- enveloppe, équipé d'un condenseur et d'un mélangeur, et l'on refroidit l'eau à 4°C. On coule le contenu du réacteur B, maintenu à une température d'au moins 99°C, dans le réacteur A, par l'intermédiaire d'une tubulure isolée. La coulée dure environ 15 secondes. La température du mélange dans le réacteur A est, au bout de 60 secondes, de l'ordre de 85°C.
Tout en maintenant une agitation douce, on refroidit ensuite le mélange final de 85°C jusqu'à 20-25°C, à une vitesse de refroidissement de 25°C/heure.
On ajoute ensuite l'éthanol, à température ambiante, et l'on obtient une microdispersion de particules de cire ayant un diamètre moyen de particules d'environ 175 nm.
L'analyse granulométrique des particules, effectuée à 20°C, 1 atm, sur granulomè- tre à diffraction laser modèle Mastersizer 2000, de marque MALVERN, équipé d'un échantillonneur Hydro 2000M, donne les résultats suivants :