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Biomimétisme et applications
Le biomimétisme consiste à innover à partir des observations faites dans la nature et il inspire aujourd’hui de nombreuses équipes de recherche et industriels. En effet, il apparaît très intéressant d’utiliser les surfaces superhydrophobes dans des applications du quotidien. Par exemple, les parebrises de voiture pourraient être autonettoyants et antigivre, rendant les essuie-glaces inutiles. Les constructeurs et exploitants d’avions sont également intéressés par les applications antigivre car son accumulation représente un risque pour la sécurité.
De plus, les procédés de dégivrage des avions ont un coût financier et environnemental important. Des panneaux solaires autonettoyants et antigivre permettraient d’augmenter les performances de ces dispositifs. De nombreuses applications pour ces surfaces superhydrophobes sont envisageables et discutées dans la littérature .
Mouillage dynamique et rebond superhydrophobe
Dans la majorité des applications potentielles des surfaces superhydrophobes, les gouttes d’eau ne se déposent pas délicatement. Comme pour les gouttes de pluie, l’eau entre en contact des surfaces avec une certaine vitesse. Et nous venons de le détailler, l’énergie cinétique des gouttes peut changer les mécanismes de mouillage.
Nous avons vu qu’une faible hystérésis permet de rendre les gouttes très mobiles sur une surface superhydrophobe. Cette faible adhésion a une autre conséquence intéressante : les gouttes qui tombent sur ce type de surface sont susceptibles d’y rebondir. Wang et al. ont rapporté ce type d’observations sur des surfaces superhydrophobes composées de nanotubes de carbone ayant un angle de contact de 163°. En revanche, ils ont constaté que le rebond n’avait pas lieu quand la surface avait un angle de contact de seulement 140°. Avec ce dernier, l’énergie cinétique est suffisante pour que la goutte pénètre le réseau de nanotubes et y prenne la place des poches d’air. Cette destruction de l’interface composite solide-liquide-air a également été observée par Jung et Bhushan sur des surfaces de silicium structurées. Dans les cas où la goutte ne rebondit pas, la structuration de surface permet de limiter l’étalement de la goutte par rapport à une surface non texturée.
Le fait que les gouttes rebondissent présente l’avantage de limiter les échanges d’énergie calorifique en diminuant à la fois le temps et la surface de contact. Ce phénomène est particulièrement intéressant pour les applications antigivre car l’eau peut rebondir et quitter la surface avant de geler.
Intérêts des surfaces à structures hiérarchiques
La formation d’une interface composite solide-liquide-air est un phénomène multi-échelle puisqu’une surface est confrontée à des gouttes de dimensions très variées, en particulier dans le cas de condensation d’eau en surface .
La stabilité de cette interface solide-liquide-air est un sujet central pour les surfaces super-hydrophobes. Afin d’assurer cette stabilité, il est important que la structuration de surface puisse lutter contre les effets capillaires, les gouttes nanométriques et l’énergie cinétique. Concrètement, la surface doit être capable de maintenir une fraction fSL très élevée. Bhushan et al. ont montré l’efficacité d’une structuration nanométrique pour éviter le remplissage des cavités entre les structurations de dimensions supérieures. De plus, Nosonovsky et Bhushan ont montré qu’un facteur de rugosité élevé contribue efficacement à la stabilité de l’interface composite. Ils ont aussi suggéré que les mécanismes responsables de la superhydrophobie doivent prendre place à plusieurs échelles pour lutter contre des phénomènes comme la condensation et la capillarité de l’eau, eux aussi multi-échelles . En d’autres termes, pour obtenir une surface superhydrophobe avec un état Cassie-Baxter stable, il est nécessaire de créer une surface avec des texturations multi-échelle, c’est-à-dire hiérarchiques.
Surfaces superhydrophobes pour applications antigivre
Nous l’avons détaillé, les surfaces superhydrophobes possèdent des propriétés permettant d’en faire des matériaux d’intérêt pour les applications antigivre .
L’accumulation de glace sur les surfaces solides est à l’origine de nombreux problèmes dans des secteurs d’activités variés : les télécommunications, les réseaux et moyens de transport et la production d’électricité . L’importance majeure de ces secteurs d’activité pour l’économie et la vie quotidienne amène de nombreux chercheurs et industriels à étudier les phénomènes liés à la formation de la glace et les moyens de s’en prémunir.
Les techniques classiques développées pour lutter contre l’accumulation de givre requièrent différentes formes d’énergie : mécanique, chimique ou électrique. Souvent, ces méthodes sont efficaces mais nécessitent des infrastructures complexes et sont énergivores. Une solution idéale consisterait à développer des méthodes passives et non consommatrices d’énergie.
Bien qu’aujourd’hui aucune surface ne puisse prétendre à complètement empêcher l’accumulation de glace, certaines parviennent à en réduire l’adhésion . Dans certains cas, une corrélation a été montrée entre l’hydrophobie des surfaces et leur caractère antigivre.
Cependant, ce point fait encore débat dans la littérature car certaines études contestent cette corrélation , la nuancent , ou montrent plutôt une corrélation avec l’hystérésis. Plusieurs approches sont possibles pour évaluer les performances antigivre des surfaces hydrophobes ou superhydrophobes. Un nombre important d’études porte sur la réduction des forces d’adhésion entre la glace et la surface. Dans ce cas, la glace se forme mais la surface de contact avec la glace est réduite grâce aux aspérités des surfaces superhydrophobes . Les forces d’adhésion sont diminuées et la glace peut être retirée facilement grâce à des forces extérieures comme la gravité ou des forces aérodynamiques.
Formation et propagation du givre sur les surfaces superhydrophobes
La formation du givre sur les surfaces est un phénomène complexe d’autant plus difficile à comprendre lorsqu’il a lieu sur des surfaces superhydrophobes . Il a été montré que sur ce type de surface, la formation de givre apparait en premier lieu sur les bords des surfaces .
En effet, c’est là où se concentrent des défauts aidant à vaincre les barrières énergétiques de la nucléation. Ensuite, le givre se propage dans toutes les directions et en particulier vers le centre de l’échantillon. Nous avons déposé sur une surface superhydrophobe cinq gouttes d’eau en différents points de la surface. Ainsi, nous avons observé la propagation du givre depuis les bords de l’échantillon jusqu’en son centre. Lorsque le front de givre touche une goutte d’eau liquide, alors elle gèle instantanément.
Notons qu’il est parfois possible d’observer la formation spontanée de givre à d’autres endroits que sur les bords de l’échantillon, ce phénomène est visible dès 7 minutes à −15°C. Des défauts ou poussières sont susceptibles de fournir l’énergie nécessaire à la nucléation de l’eau. Mais, nous observons expérimentalement que dans la grande majorité des cas, la goutte située au centre de l’échantillon gèle au contact du front de givre provenant des bords.
La vitesse de propagation a été estimée comme inférieure sur les surfaces superhydrophobes par rapport à une surface classique. Cette diminution conséquente a été attribué à la faible surface en contact entre le solide superhydrophobe et l’eau .
Table des matières
Introduction générale
1 Principes de la superhydrophobie et moyens expérimentaux
1.1 Observer la nature
1.1.1 Effet lotus
1.1.2 Fonctionnalités multiples
1.1.3 Biomimétisme et applications
1.2 Physique d’une goutte d’eau
1.2.1 Angle de contact et modèle de Young
1.2.2 Hystérésis de l’angle de contact
1.2.3 Expérience de Dettre et Johnson
1.2.4 Influence de la rugosité
1.2.5 Transition entre les états Wenzel et Cassie-Baxter
1.2.6 Mouillage dynamique et rebond superhydrophobe
1.3 Intérêts des surfaces à structures hiérarchiques
1.4 Surfaces superhydrophobes pour applications antigivre
1.5 Fabrication de surfaces superhydrophobes structurées
1.5.1 Par nanoimpression
1.5.2 Par photolithographie
1.5.3 Par traitement plasma
1.5.4 Par dépôts
1.6 Moyens expérimentaux
1.6.1 Nanoimpression
1.6.2 Problématiques de collage
1.6.3 Rugosification par gravure plasma
1.7 Méthodes de caractérisations
1.7.1 Mouillabilité
1.7.2 Mesures dynamiques : le rebond
1.7.3 Topograhie : MEB et AFM
1.7.4 Chimie de surface : XPS
1.8 Matériaux
1.9 Stratégie et objectifs
1.10 Conclusions
2 Fabrication de surfaces superhydrophobes par structuration de surface
2.1 Introduction
2.2 Rappels fondamentaux
2.3 État de l’art et applications potentielles
2.4 Conditions expérimentales
2.4.1 Nanoimpression
2.4.2 Rugosification plasma
2.5 Étude préliminaire : rugosification plasma du polymère FEP
2.5.1 Morphologie de la rugosité
2.5.2 Étude des paramètres de mouillabilité
2.5.3 Conclusions de l’étude préliminaire sur FEP plan
2.6 Hiérarchisation des matériaux FEP, PMMA et PET
2.7 Superhydrophobie sur FEP
2.7.1 Mouillabilité
2.7.2 Influence du taux de fluor
2.7.3 Influence des groupes fonctionnels de surface
2.7.4 Influence de l’oxydation de la surface
2.8 Superhydrophobie sur PMMA
2.8.1 PMMA superhydrophobe par traitement plasma uniquement
2.8.2 PMMA superhydrophobe par nanoimpression et traitement plasma
2.9 Superhydrophobie sur PET par nanoimpression et traitement plasma
2.10 Fabrication et caractérisation de larges surfaces superhydrophobes
2.10.1 Procédé de fabrication en continu
2.10.2 Caractérisation non destructive à grande échelle
2.11 Conclusions
3 Propriétés antigivre des surfaces hydrophobes et superhydrophobes
3.1 Introduction
3.2 Méthodes de dégivrage
3.2.1 Méthodes actives
3.2.2 Méthodes passives .
3.2.3 Le cas des surfaces superhydrophobes
3.3 Mouillabilité des films de FEP à froid
3.3.1 Mouillabilité des films de FEP plans et rugosifiés
3.3.2 Mouillabilité des films de FEP nanoimprimés
3.3.3 Comparaison avec la littérature
3.4 Mesure des retards de gel
3.4.1 Définition et protocole de mesure
3.4.2 Retards de gel sur FEP
3.4.3 Transition vers l’état de Wenzel et transferts thermiques
3.4.4 Le rôle de la ligne triple
3.4.5 Condensation et coalescence des gouttes
3.4.6 Propagation du givre et structurations de surface
3.5 Comparaison des retards de gel
3.5.1 Comparaison entre FEP rugosifié sur PlasmaLab ou sur EMAX
3.5.2 Comparaison entre FEP rugosifié sur EMAX et FEP nanoimprimé
3.5.3 Comparaison entre FEP rugosifié ou imprimé et FEP hiérarchique
3.5.4 Comparaison entre PMMA plan, rugosifié et hiérarchique
3.6 Potentiel de surface et retard de gel
3.6.1 Les matériaux polymères comme électrets
3.6.2 La décharge Corona
3.6.3 Le FEP comme électret
3.6.4 Les mécanismes des mouvements des charges
3.6.5 Retard de gel et potentiel de surface
3.6.6 Mesure du potentiel de surface
3.7 Comparaison avec la littérature
3.7.1 Électromouillage et équation de Young-Lippmann
3.7.2 Saturation de l’électromouillage et retard de gel
3.7.3 Influence de la polarité sur l’angle de contact
3.8 Conclusions
4 Caractérisation dynamique par impacts de gouttes
4.1 Introduction
4.2 Mécanismes de transition
4.3 Irréversibilité de la transition
4.4 Comprendre la transition de l’état de mouillage
4.4.1 Énergie cinétique et énergie de surface
4.4.2 Vitesse critique
4.4.3 Pressions de surface
4.5 Conditions expérimentales et surfaces étudiées
4.5.1 Vitesse d’impact
4.5.2 Surfaces caractérisées
4.6 Application des modèles théoriques
4.6.1 Vitesse critique
4.6.2 Pressions de surface
4.6.3 Comparaison et choix du modèle
4.7 Impact sur films de FEP et PMMA plans
4.8 Impact sur films de FEP et PMMA structurés
4.8.1 FEP imprimé
4.8.2 FEP hiérarchique
4.8.3 PMMA imprimé
4.8.4 PMMA hiérarchique
4.9 Influence de la vitesse et de la température sur l’impact
4.9.1 Comparaison des résultats avec le modèle
4.9.2 Effets sur le rayon de rétractation
4.9.3 Effets sur les angles de contact
4.10 Conclusions
Conclusion générale
Bibliographie
