Etude des propriétés de mouillage

Le « mouillage » se produit lorsqu’ un liquide s’écoule ou s’étale quand il est appliqué à lasurface d’un solide. Le mouillage permet à la colle d’établir un contact intime avec la surface d’un matériel à coller. En fonction de l’énergie de surface du matériel, une colle mouillera naturellement et coulera sur la surface ou on aura tendance à perler. Un bon mouillage est une condition nécessaire pour un collage. Les propriétés de mouillage jouent un rôle important dans de nombreuses applications industrielles. Certaines technologies appliquées aux poudres, telles que la graduation, la désagrégation de particules ou de dissolution, nécessitent probablement la mise en contact des solides divisés avec un substrat liquide. En effet, la tendance à mouiller est déterminée par l’équilibre entre les forces d’adhésion qui opèrent entre le solide et les autres phases.

Adhésion et mouillage

Adhésion

Définition

On peut définir l’adhésion comme étant un phénomène interfacial dans lequel des forces physiques et/ou chimiques se créent entre deux surfaces mises en contact. En d’autres termes, la force d’adhésion est une mesure du degré d’attraction entre deux surfaces et c’est donc l’étude des deux matériaux [9]. Néanmoins, l’adhérence est la propriété de résistance à la rupture de ces deux surfaces. C’est un phénomène qui s’oppose au glissement de deux surfaces en contact. La notion d’adhésion est souvent relative en l’interface en deux solides élastiques ou deux milieux viscoélastiques. La mouillabilité d’une surface n’est en fait qu’une variante de cette propriété dans son application aux interfaces liquides-solides. Elle caractérise l’adhésion d’un liquide à la surface d’un solide.

Mécanisme d’adhésion directe

La compréhension du phénomène d’adhésion a fait l’objet de nombreux travaux compte tenu de l’importance grandissante des structures collées dans les domaines de production d’automobiles, l’aéronautique, la biologie, le packaging.
On peut classer les théories développées afin de caractériser l’adhésion entre milieux en 6 catégories.

L’ancrage mécanique

En 1925, Mac Bain et Hopkins [10] ont été les premiers à proposer la théorie mécanique de l’adhésion. Leur modèle attribue l’origine de l’adhésion à l’accrochage du revêtement à la surface des substrats dans les aspérités, les cavités et les pores. Ils envisagent alors une interpénétration « macroscopique » entre les deux matériaux en contact.

La théorie physique de l’adsorption

Selon cette théorie, l’adhésion est le résultat de liaisons intermoléculaires qui ne se produisent qu’à très faibles distances entre les molécules du polymère et celles du substrat. Ces forces sont connues sous le nom de forces de Van Der Walls.

La théorie de l’inter-diffusion

Cette théorie développée par Voyuskii (1971) [11] repose sur le phénomène de la diffusion. Elle est principalement utilisée pour décrire l’adhésion de deux matériaux de même nature. Pour les polymères, l’inter-diffusion se traduit par un enchevêtrement des macromolécules au niveau de l’interface des deux polymères assemblés. La diffusion est régie par des paramètres thermodynamiques (compatibilité entre les deux matériaux assemblés) et cinétiques (lié à la capacité des macromolécules à venir s’enchevêtrer dans l’autre matériau).

La théorie de liaisons chimiques

La théorie chimique a été proposée par Buchan et Rae (1946) [12]. L’adhésion est basée ici sur la formation de liaisons chimiques iono-covalentes. Ces liaisons sont parmi les plus fortes (jusqu’à 1000 kJ.mol−1) : elles assurent aux assemblages collés une résistance à la rupture importante et une meilleure durabilité, contrairement aux liaisons de type Van Der Waals ou liaisons Hydrogène.

La théorie électrique

Pour expliquer le phénomène de l’adhésion, cette théorie, proposée par Deryagin (1948) [13] par le biais d’un transfert d’électrons, lié à des propriétés électroniques différentes d’un métal et d’un polymère. La double couche électrique formée suite à ce transfert est assimilée à uncondensateur plan. Le travail nécessaire pour séparer ses faces est donné par la formule suivante(figure1).

Mouillage

Les phénomènes de mouillage interviennent lorsque trois états non miscibles sont en présence: deux états fluides et un substrat solide, ou trois états fluides distincts. On s’intéresse ici au cas d’un substrat solide (S) en présence de deux phases fluides solides, une gazeuse (V) et un liquide (L).

Mouillage partielle, mouillage totale

Lorsqu’ on dépose une goutte de liquide L (en coexistence avec la phase V) sur le substratS, deux états de mouillage différents peuvent être rencontrés. Si le liquide ne s’étale pas et forme à l’équilibre une goutte qui se raccorde au substrat avec un angle 𝜃₀, on parle de mouillage partiel. Dans ce cas on appelle l’angle de contact l’angle 𝜃₀ et ligne triple l’intersection des interfaces S/L, L/V et S/V.
Si le liquide s’étale pour former un film macroscopique et uniforme qui sépare les phases gazeuse et solide, on parle de mouillage complet (figure3).

L’hydrophobie

La recherche et la mise au point de surfaces hydrophobes, voire super hydrophobes, présentent des enjeux scientifiques et économiques importants mettant en jeu la science des interfaces. Normalement, de telles surfaces doivent avoir des propriétés autonettoyantes ou de séchage qui les rendent fonctionnelles pour des applications pratiques vis-à-vis de nombreux produits ; par exemple, les applications médicales et alimentaires, les vêtements et les chaussures, les vitres, tous ces matériaux sont rendus imperméables. Dans la littérature, les chercheurs ont montré qu’un traitement chimique pouvait changer les propriétés d’une surface en la rendant super hydrophile ou super hydrophobe. Des recherches récentes ont démontré la possibilité de rendre une surface hydrophile, hydrophobe voire même super hydrophobe par texturât.

Définition

L’hydrophobie peut se définir comme le fait que le solide ne se mouille pas instantanément lorsqu’on applique de l’eau à sa surface. Un solide hydrophobe ralentira ou même bloquera le passage de l’eau.
L’hydrophobie des surfaces est déterminée par l’angle de contact donné par la loi de Young (figure4).

Grandeurs physiques concernées : angle d’avancée, angle de reculée, Hystérèse de l’angle de contact

Pour évaluer davantage le caractère hydrophobe des surfaces solides, il est possibled’exploiter les mesures d’angle de contact. La relation de Young prédit qu’un solide, un liquide et une vapeur définissent un angle de contact unique « θ » représentant un angle à l’équilibre. Or, cet angle n’a de sens que si le solide a une surface idéalement lisse, homogène, plane et non déformable. Or en pratique, la surface présente une certaine rugosité ou un défaut chimique. Le système choisit un angle de contact métastable en fonction du volume de la goutte, de l’impact de l’environnement mais surtout selon la manière dont la goutte a été déposée. On appelle angle d’avancée, « θa », obtenu en gonflant une goutte et l’angle de reculée,  » l’angle θr  » celui en l’aspirant ; θr < θ < θa. On appelle hystérèse de l’angle de contact la différence θa − θr due aux inévitables imperfections de la surface solide qui permettent l’accrochage de la ligne de contact (figure8).

Les surfaces super hydrophobes

Définition

En général, les surfaces avec un angle de contact statique supérieur à 150° sont définies comme étant des surfaces super hydrophobes. Cependant, une goutte posée sur une telle surface peut être à l’état Wendel, à l’état Cassie-Baxter ou dans une des configurations intermédiaires possibles, ceci est dû à l’hétérogénéité chimique et physique de la surface.
Ainsi, même avec un angle de 150°, il se peut que la goutte s’accorde fortement à la surface. Plusieurs auteurs définissent une surface super hydrophobe comme étant une surface sur laquelle une goutte n’adhère pas et commence à rouler (avec un peu de glissement) dans une petite inclinaison de la surface fournissant la capacité d’auto-nettoyage connue comme effet Lotus. Ainsi, une surface super hydrophobe est définie avec deux paramètres qui sont l’angle de contact statique qui doit être supérieur à 150° et une hystérèse très faible, de l’ordre de 10° voire 5°. D’autres auteurs utilisent l’angle de glissement comme deuxième critère pour définir ce genre de surface.

Surfaces naturelles

Des nombreuses surfaces biologiques sont connues, depuis des milliers d’années, pour être super hydrophobes et autonettoyantes. Dès les années 1940, plusieurs chercheurs ont examiné la sauvagine et les insectes afin de comprendre la répulsion de l’eau. Aujourd’hui, la feuille delotus (Nelumbo Nucifera), qui est considérée par certaines cultures asiatiques et surtout les sociétés bouddhistes comme « sacrée » en raison de sa pureté, est l’exemple classique le plus frappant et le plus étudier des surfaces naturelles super hydrophobes et autonettoyantes.
Quand la pluie tombe sur une feuille de lotus, les gouttes d’eau roulent, en prenant toute la saleté et les débris avec elles. Cette capacité de faire perler complètement l’eau et laver très efficacement les contaminations est appelé « l’effet lotus » [17] (figure11)

Surfaces biomimétiques

La nature est une école et une source d’inspiration pour les scientifiques, les ingénieurs et les êtres humains en général. Au cours des dernières décennies, beaucoup de travaux ont été consacrés à la fabrication de matériaux multifonctionnels avec des structures multi-échelles en limitant les surfaces super hydrophobes naturelles. Le développement des nano consciences et des nanotechnologies, depuis des années 1990, a donné une impulsion importante en utilisant des techniques de nano fabrication [19]. De nombreuses études ont confirmés que la combinaison de la rugosité hiérarchique avec un matériau de faible énergie de surface conduit à une surface autonettoyante.
Divers matériaux biomimétiques ont trouvé des applications pratiques telles que des dispositifs biomédicaux, la séparation des liquides, des revêtements autonettoyants pour des fenêtres ou des panneaux scolaires, les peintures extérieures des bâtiments et des navires, des ustensiles, des tuiles, des textiles, la réduction de l’écoulement tubules dans les conduites de transfert d’eau [19] (figure14).

Surfaces textiles

La super hydrophobie est une technologie bien établie et bien comprise dans l’industrie textile dès les années 1940 comme le prouve Schuyten et al qui ont publié une analyse en deux parties en 1948. Cependant, cette technologie est tombée en des études pendant plusieurs années avant de revenir actuellement au gout du jour. Par exemple les équations de Wenzel et de Cassie-Baxter ont toutes les deux établies à partir de l’examen de la mouillabilité des surfaces textiles. Les recherches biologiques récentes ont approfondi la compréhension de l’effet de la nanostructure sur la mouillabilité de la surface (figure15).