nécessaire à la propagation du givre. De plus, cela diminue les probabilités de coalescence avec les gouttes voisines, limitant ainsi leur volume. Finalement, les gouttes ont donc plus de chance de s’évaporer complètement avant d’être atteintes par le pont de givre, bloquant ainsi sa propagation.
Finalement, nous avons détaillé pourquoi les surfaces imprimées de FEP montrent un retard de gel conséquent. Les surfaces rugosifiées n’ont pas donné de résultats aussi satisfaisants bien qu’elles montraient des WCA élevés, en particulier avec la rugosité pointue. Nous supposons que la rugosité est dans ce cas trop petite pour jouer le même rôle que les plots nanoimprimés. D’ailleurs, la rugosité de surface utilisée par He et al. [66] avait des dimensions micrométriques, bien supérieures à la nôtre. De plus, la répartition régulière de plots nous paraît plus efficace qu’une organisation aléatoire de la rugosité pour stabiliser la ligne triple vis-à-vis des gouttes de condensation.
Nous avons donc relevé que le problème principal des surfaces antigivre est la formation de condensation de l’eau. En effet, cela entraîne des pertes importantes en WCA et une augmentation conséquente du CAH. Il en résulte une transition de l’état de Cassie-Baxter vers celui de Wenzel. D’une part nous avons montré l’efficacité de la nanoimpression thermique pour induire un retard de gel et d’autre part la capacité de la rugosité pointue pour résister aux effets néfastes de la condensation. Nous avions aussi montré dans le Chapitre 2 que les surfaces à structures hiérarchiques sont très efficaces vis-à-vis de la superhydrophobie. En effet, nous avons fabriqué des surfaces avec des WCA supérieurs à 160° et des CAH proches de 1°. Ces surfaces hiérarchiques, combinant structures nanoimprimées et rugosification par plasma, semblent donc très prometteuses pour engendrer un retard de gel important et nous étudions cela dans la partie suivante.
3.5 Comparaison des retards de gel
Dans cette partie, nous comparons les résultats de retard de gel en fonction de la topographie de surface : plan, imprimée, rugosifiée, nanoimprimée et rugosifiée (hiérarchique) sur FEP et PMMA. Nous reportons les données de films rugosifiés avec l’EMAX. Les retards de gel sont rassemblés sur la Figure 3.16 et les WCA dans le Tableau 3.2.
FEP PMMA PMMA Rugosifié 10s PMMA Rugosifié 120s
Plan 110° ± 2° 83° ± 2° / / Plan Rugosifié 128° ± 9° / 135° ± 2° 157° ± 1°
NIL 142° ± 3° 112° ± 1° / / NIL Rugosifié 161° ± 1° / 157° ± 1° 160° ± 1°
FIGURE3.16 – Retards de gel mesurés sur FEP et PMMA. Les films de polymères sont plans, ru- gosifiés (sur EMAX), nanoimprimés (NIL) ou hiérarchisés par nanoimpression puis traitement plasma. Pour le PMMA, la durée du traitement plasma est de 10 ou 120 secondes. Pour le FEP, la durée est de 10 secondes.
3.5.1 Comparaison entre FEP rugosifié sur PlasmaLab ou sur EMAX
Tout d’abord, nous comparons les retards de gel sur des surfaces de FEP rugosifiées avec la PlasmaLab ou l’EMAX. Avec cette dernière, la durée du traitement plasma était de seulement 10 secondes, à 1000 W, sous une pression de 200 mTorr et des flux de gaz de 100 et 25 sccm pour l’Ar et le C F4, respectivement.
La rugosité issue du traitement avec l’EMAX était de dimensions supérieures et avec une géo- métrie arrondie, voir la comparaison sur la Figure 3.17c. Cette rugosité de plusieurs centaines de nanomètres a permis d’augmenter sensiblement les retards de gel. En effet, nous avons mesuré des valeurs de 700 ± 200 secondes, bien supérieures aux échantillons rugosifiés sur la PlasmaLab (environ 455 secondes, Figure 3.13 ). Concernant la mouillabilité, la rugosité étant arrondie, ces surfaces de FEP n’étaient pas superhydrophobes avec un WCA à 21°C de 128° ± 9° et un CAH de 41° ± 3°. Le CAH était particulièrement élevé pour cette surface de FEP, ce qui peut s’expliquer par les forces d’adhésion développées sur ce type de rugosité comme nous l’avons détaillé dans le Chapitre 2 et la Figure 2.6.
3.5.2 Comparaison entre FEP rugosifié sur EMAX et FEP nanoimprimé
Ces films ont été imprimés avec des plots de 400 nm de diamètre et de hauteur et une période de 1µm. Sur ces films imprimés, le WCA était de 142° ± 3° et le CAH était de 28° ± 5° à 21°C. Comme observé et expliqué précédemment, la structuration par impression a permis d’obtenir des retards de gel supérieurs à ceux du FEP plan et du FEP rugosifié.
3.5. Comparaison des retards de gel
FIGURE3.17 – Photos MEB à 45° des rugosités obtenues sur FEP avec les équipements (a,b) PlasmaLab et (c) EMAX.
Notons que sur les échantillons seulement imprimés, l’écart-type est élevé. Quand le film est hiérarchique, l’écart-type est alors sensiblement réduit. Nous mettons en parallèle cette observation avec celle formulée par Tourkine et al. [62] qui affirmaient avoir réduit la disparité de leurs mesures en utilisant de l’eau du robinet à la place de l’eau déionisée. La présence d’impuretés dans l’eau permettrait de déclencher la nucléation plus régulièrement. Nous supposons que la présence d’une structuration irrégulière comme la rugosité peut jouer ce même rôle sur cet échantillon de FEP.
3.5.3 Comparaison entre FEP rugosifié ou imprimé et FEP hiérarchique
Intéressons-nous maintenant au cas des films de FEP à structures hiérarchiques. Comme nous l’avions prédit, la combinaison des structurations issues de la nanoimpression thermique et de la rugosification plasma a permis d’atteindre des retards de gel plus élevés avec une valeur moyenne de 1200 ± 90 secondes. Couplée à la rugosification qui permet de lutter contre les effets néfastes de la condensation et de conserver des WCA plus grands, ces surfaces sont superhydrophobes à 21°C avec un WCA de 161° ± 1° et un CAH inférieur à 1°. Dans ces conditions, la nanoimpression lutte encore plus efficacement contre la propagation du givre et allonge les retards de gel.
3.5.4 Comparaison entre PMMA plan, rugosifié et hiérarchique
Concernant le PMMA plan, les mesures de temps de gel sont sensiblement identiques à celles obtenues sur le FEP plan bien que les WCA soit différents. Ainsi, ce dernier et la composition chimique du film polymère semble être un facteur secondaire pour les films plans. Cela confirme l’influence d’un ou plusieurs autres facteurs, nous en présenterons un dans la partie suivante de ce chapitre.
Les films de PMMA imprimés ont donné des retards de gel similaires aux films plans. Dans ce cas, les plots ne jouent pas le rôle que nous avions identifié. Et pour cause, le PMMA est un polymère hydrophile, une fois nanoimprimé il présente un WCA de 112° ± 1° qui ne permet pas à la structuration de limiter les dimensions et le volume des gouttes d’eau de condensation. De fait, la propagation du gel n’est pas ralentie par la nanoimpression seule.
Une fois rugosifiés et fluorés (à 600 W sous un flux de 150 sccm de C F4), les retards de gel augmentent significativement. Sur les échantillons plans rugosifiés, le WCA a augmenté à 135° ± 4° et le CAH était de 58° ± 1°, Tableau 3.2. Un WCA plus élevé permet de réduire les transferts thermiques et de réduire le diamètre des gouttes augmentant la distance à parcourir par le pont de givre. Aussi, un CAH élevé augmente la stabilité de la ligne triple et peut jouer en faveur de retards de gel élevés. En revanche, il est évident que cela augmenterait les forces d’adhésion de la glace sur la surface [47, 181].
Nous avons montré que la nanoimpression n’est efficace qu’avec un WCA élevé pour retarder la propagation du givre. La fluoration (et la rugosification) de la surface nanoimprimée révèle donc tout le potentiel de cette dernière avec un WCA de 157° ± 2° et un CAH de 16° ± 2°. Dans ce cas, les plots peuvent jouer pleinement leur rôle pour retarder la propagation du givre. Enfin, nous avons remarqué sur le PMMA que plus la durée du plasma est élevée plus le retard de gel est élevé. Nous attribuons ces résultats à l’augmentation significative du WCA grâce à la rugosification.