Generalite sur les phenomenes de mouillage

Lorsqu’une goutte d’eau est déposée sur une surface, elle s’étale plus ou moins. Le mouillage est l’étalement de la goutte sur la surface. Les parties superficielles de la goutte qui ne sont pas en contact avec la surface du s upport, sont entourées d’une phase gazeuse : la vapeur saturante du liquide. Le phénomène de mouillage trouve des applications potentielles très intéressantes. Les surfaces super hydrophobes, réalisables dans le cadre de la nanotechnologie [1 ,2], offrent des propriétés d’évacuation ou de séchage qui les rendent intéressantes pour bien des applications pratiques comme les revêtements de salles de bain, flacons, vitres, matériaux imperméables. On rêvera d’un pare-brise qui se débarrasserait de lui-même des gouttes de pluies qu’il reçoit, sans nécessiter l’usage d’un essuie-glace.

Généralité sur les phénomènes de mouillage

Toute substance, liquide ou solide à l’équilibre thermodynamique, est entourée de sa vapeur saturante. Le mouillage d’un liquide sur un support dépend d’une grandeur physique appelée tension de surface.

Tension de surface

Pour définir la tension de surface ou énergie de surface, considérons un système hypothétique constitué d’un liquide pur remplissant une boîte parallélépipédique munie d’un couvercle coulissant. La boite étant pleine, il y a pas de vapeurs saturantes entre sa surface supérieure et le couvercle. Le matériau du couvercle est tel que la tension de surface entre le couvercle et le liquide est nulle .

La tension superficielle fait allusion à l’existence d’une phase superficielle. Par exemple en mettant un liquide et un gaz en contact, on peut décrire le système comme étant la somme de trois régions: un liquide homogène, un gaz homogène, et une phase interfaciale. La désignation tension interfaciale s’explique par le fait qu’elle est définie dans un domaine qui sépare deux phases donc deux surfaces.

Origine de la tension de surface 

Les phénomènes de tension de surface, également appelés phénomènes capillaires ou inter faciaux trouvent leur origine dans les forces intermoléculaires attractives qui existent dans toutes phases condensées de la matière. Une molécule loin de toute surface a de nombreuses voisines donc une forte énergie d’interaction. Par contre une molécule en surface a moins de voisines, donc moins d’énergie d’interaction .

Tout se p asse comme s’il avait fallu casser un certain nombre de liaisons, ce qui revient à fournir de l’énergie au système. Donc créer une interface revient à perdre une partie de l’énergie d’interaction (négative). La tension de surface rend donc compte de l’énergie nécessaire pour créer de la surface et peut s’exprimer en J/m2. L’énergie qu’il faut apporter au système pour créer une unité de surface est la tension de surface. Les solides « durs » à l iaisons fortes (ioniques, covalentes, ou métalliques) ont de forte énergie de surface. Ce sont par exemple le verre, la silice, les oxydes métalliques. Par contre les solides à liaisons de plus basse énergie (Van der Waals, liaison hydrogènes) auront des énergies de surface plus faibles. C’est le cas des polymères ou de la paraffine. Par ailleurs il existe des facteurs qui influencent la tension de surface .

Facteurs influençant la tension de surface

De façon générale, une élévation de température entraîne une dilatation des longueurs de liaisons et diminue l’énergie de liaison intermoléculaire, donc elle abaisse la tension de surface. Mais aussi la contamination de la surface par des impuretés présentes dans l’environnement peut entraîner une modification de la tension de surface en effet les impuretés entrent en interaction avec les molécules de la surface [4]. Notons aussi l’existence des substances qui ont la propriété d’abaisser la tension de surface d’un substrat appelées agents tensioactifs.

Influence de la morphologie de surface hydrophile ou hydrophobe

Caractère hydrophile ou hydrophobe d’une surface 

La nature hydrophile d’une surface est généralement décrite en termes de mouillabilité avec l’eau en se basant sur l’équation de Young. La surface d’un matériau lisse est considérée hydrophile si l’eau s’étale spontanément sur celle-ci. Ce qui équivaut à obtenir un angle de contact inférieur à 90° ou même proche de zéro . Lorsque l’angle de contact est important (supérieur à 90°), on dira que la surface est hydrophobe .

Cependant cette définition contient une convenance plus mathématique plutôt qu’une vraie signification physique et chimique. Or elle devrait pouvoir refléter la situation physique et chimique de l’interface solide/liquide/vapeur dans un sens plus vrai. Vogler du point de vue de la structure et de la réactivité de l’eau sur des surfaces définit des surfaces hydrophobes (angle de contact supérieur à 65°) et des surfaces hydrophiles (angle de contact inférieur 65°) en se basant sur des observations [12]. La définition de Vogler est différente de la définition classique de 90°et reste une discussion continue dans la littérature.

L’influence de la rugosité

La super hydrophobie

L’amplification du caractère hydrophobe est le phénomène de la super hydrophobie. Dans les années 60, Zisman a montré que la chimie seule ne permet pas de réaliser des surfaces superhydrophobes et qu’on ne connaît pas de matériau pour lequel l’angle de contact de l’eau dépasse 125° (environ)[13]. L’observation des surfaces super hydrophobes (angle de contact voisin de 160°) au microscope électronique dévoile un relief très ciselé, aussi bien dans le cas d e surfaces naturelles , que sur des surfaces artificielles développées par le groupe de Kao au Japon . Les plumes d’oiseau ou la textile anti-pluie ont également un aspect découpé.

A partir de ces observations, les auteurs ont conclu que la rugosité à l’échelle microscopique (paramètre morphologique) de la surface d’un échantillon est un facteur important de la super hydrophobie. Mais la rugosité n’est pas suffisante pour rendre une surface super hydrophobe. En effet la rugosité amplifie le caractère hydrophile ou hydrophobe d’ailleurs Wilhem Berthlott et Christoph Neinhuis dans leurs travaux ont découvert que la capacité d’auto séchage ou hydrophobie est liée à sa micro et nano rugosité [14].La super hydrophobie résulte d’une combinaison de la physique (rugosité) et de la chimie (hydrophobicité). Ainsi, une texture rend davantage hydrophile (respective hydrophobe) une surface hydrophile (respectivement hydrophobe).Dans le dernier cas de l’hydrophobie, les effets des paramètres morphologiques (rugosité et l’hétérogénéité) permettent de rendre compte de l’augmentation de l’angle de contact. Avec l’effet de la rugosité on suppose que la goutte posée épouse la rugosité du solide (état de Wenzel ou état imprégné ou planté .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITE SUR LES PHENOMENES DE MOUILLAGE
I.1.INTRODUCTION
I. 2.Tension de surface
I.2.1 Origine de la tension de surface
I.2.2 Facteurs influençant la tension de surface
I. 2.3 Manifestation de la tension de surface
I.3 Mouillage
I.6 Conclusion
CHAPITRE II : INFLUENCE DE LA MORPHOLOGIE DE SURFACES
II.1 INTRODUCTION
II. 2 La non unicité de l’angle de contact
II.2.1 L’effet de la rugosité
II.2.2. L’effet de l’hétérogénéité
II.3. Influence de la morphologie de surface hydrophile ou hydrophobe
II.3.1. Caractère hydrophile ou hydrophobe d’une surface
II.3.2. L’influence de la rugosité
II.3.2.1. La super hydrophobie
II.4. Conclusion
CHAPITRE III : TECHNIQUES EXPERIMENTALES
III.1 INTRODUCTION
III.2 Techniques de caractérisation morphologique d’une surface d’un échantillon
III.2.Microscope électronique à balayage (MEB)
III.2.1.La microscopie de force atomique
III. 3 Techniques de mesure de l’angle de contact
III.3.1 Méthode de la goutte posée
III.3.2 Technique de Wilhelmy
III.4 Mesure de la tension de surface d’un liquide
III.4.1 Méthode de DuNoüy
III.4.2 Méthode de Wilhelmy
III.5 Calcul de la tension de surface
III.6.Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGAPHIE

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