Méthode de la goutte posée

1.4.6.1. Angles de contact statiques issus d’une dynamique

L’angle de contact dit « statique » est l’angle de la goutte, déposée sur un substrat et dont le volume est constant tout au long de la mesure. Par ailleurs, volume constant ne veut pas forcément dire que l’angle de contact doit rester constant. Au contraire il y a une forte dépendance de l’angle de contact au temps à cause des interactions interfaciales entre le liquide, le substrat et le milieu ambiant.

Le temps peut avoir comme effet l’augmentation ou la diminution de l’angle de contact. Dans le cas du bois et des matériaux poreux, il est très difficile d’avoir des angles statiques. En effet, en plus des interactions interfaciales habituelles comme l’évaporation du liquide, la migration des agents tensioactifs depuis la surface du solide au liquide et les réactions chimiques entre le liquide et le solide, s’ajoute l’absorption du liquide par le bois. Cette constatation peut crée une confusion autour de la désignation des angles de contacts. En effet, puisque le volume de la goutte n’est plus constant, certains chercheurs parlent de « dynamic contact angle » pour désigner l’angle de contact mesuré sur une goutte déposée sans apport de liquide supplémentaire lors de la mesure [STEHR et al. 2001], [SHI et GARDNER, 2001]

et [LU et WU, 2006]. En fait, dans ce cas aussi c’est un angle statique issu d’une dynamique. Du point de vue théorique l’angle

statique est à l’équilibre stable. Dans la pratique et dans le cas du bois il y a toujours une diminution de l’angle de contact par rapport au

temps. Cette diminution

s’accompagne le plus souvent par

un étalement et une absorption du liquide. La figure 1-26 illustre la méthode dite « statique ». L’angle de contact dit « dynamic contact angle » désigne aussi l’angle de contact mesuré sur une goutte que l’on fait grossir ou rétrécir. On parle alors respectivement d’angle à l’avancée et d’angle au recul.

L’angle à l’avancée rend toujours compte des propriétés d’angle de contact d’une surface « fraîche ». Cette approche constitue la méthode de mesure la plus reproductible. De ce fait, l’angle à l’avancée est normalement utilisé pour déterminer l’énergie de surface d’un solide. L’angle au retrait est mesuré lors de la diminution du volume de la goutte ce qui se traduit par le « démouillage » de la surface du solide. Dans le cas du bois le « démouillage » à l’eau est quasi impossible à avoir, c’est pourquoi il est généralement admis que l’angle de retrait de l’eau sur le bois soit faible voir nul. La figure 1-27 représente différentes techniques pour obtenir des angles d’avance et de recul par la méthode de la goutte posée.

La différence entre l’angle d’avance et de recul rend compte de la rugosité ou de l’hétérogénéité chimique de la surface du solide. L’angle au retrait n’est pas adapté pour calculer l’énergie de surface d’un solide. La figure 1-27 illustre les différentes modalités des mesures des angles de contact par la méthode de la goutte posée.

Figure 1-26. Méthode de la mesure des angles de contacts dit « statiques» ; (a) immédiatement après la formation de la goutte ; (b) la même goutte après 60secondes [KRUSS, 2004].

En résumé, l’angle statique et le « dynamic contact angle » sont tous deux des angles statiques issus d’une dynamique du liquide. Il serait plus judicieux de parler d’angle à l’avancée et d’angle au recul.

Dans cette thèse nous parlerons donc, d’angle à l’avancée pour désigner les angles mesurés à partir de gouttes posées sans apport (figure 1-26) et d’angle à l’avancée et au recul pour les angles mesurés sur des gouttes que l’on fait grossir ou/et rétrécir (figure 1-27). Les énergies de surfaces seront calculées à partir des angles à l’avancée seulement.

1.4.6.2. Surfaces rugueuses et hystérèse de mouillage

Selon la théorie de Young l’angle d’avance, l’angle de recul, l’angle à l’équilibre (statique) et dynamique ne font qu’un. Mais en réalité la surface n’étant jamais idéale, l’équilibre thermodynamique est difficile à obtenir.

Plusieurs auteurs (Wenzel en 1936, Cassie et Baxter en 1944, ShuttleWorth et Bailey en 1946 et Good en 1952) dans [PASSERONE, 1974], ont largement étudié l’effet de la rugosité sur l’angle de contact pour retrouver l’angle d’Young, ce qui a mené à l’équation (14) proposée par [WENZEL, 1949] :

0

cos

cosθ

∗

=

r

θ

(1.20)

avec θ₀est l’angle de Young (l’angle théorique) ;

θ

∗ représente l’angle de contact apparent (l’angle réel) mesuré sur une surface rugueuse du même matériau que pour la première mesure ; la rugosité r est défini comme le ratio entre l’aire réelle A et l’aire nominale (ou projetée) A’, il est aussi appelé le facteur de rugosité (voir formule 1.21).

'

/ A

A

r=

(1.21)

Figure 1-27. Techniques pour l’obtention des angles à l’avancée et de recul ; (a) par microseringue ; (b) par pore dans le substrat ; (c) par mouvement latérale de la seringue ou du substrat ; (d) par plateau

Wenzel décrit de façon synthétique l’amplification de la qualité de mouillage, « hydrophylie » comme hydrophobie sont renforcées par des effets de texture. [MARIAN et al. 1958] ont montré ensuite que ce critère est applicable aux surfaces bois. La rugosité r

n’étant pas bornée, il existe une rugosité critique au-delà de laquelle le mouillage devient total ou nul, selon le signe de

0

cosθ

[DE GENNES et al, 2002]. La rugosité critique est

définie par la relation 18 :

0 *

cos

/

1

θ

=

r

(1.22)

La figure 1-28 illustre la relation théorique entre la rugosité et les angles de contact selon le modèle de Wenzel obtenue par la méthode du plateau inclinable [JOHNSON et DETTRE, 1969]. Ce modèle permet de remonter à l’angle théorique de Young θ₀en fonction de r et

θ

∗. Même si ce concept paraît complet, il est tout à fait critiquable et n’explique qu’en partie la différence remarquée lors des essais de mouillabilité dynamiques entre l’angle à l’avancée et l’angle de recul (ou de retrait). Ce phénomène est appelé l’hystérèse de

mouillage. Il existe donc d’autres facteurs qui produisent l’hystérèse de mouillage que sont : les contaminants de surface ou les hétérogénéités de compositions et la propre présence du liquide laissant par exemple des résidus lors de son retrait [DARQUE-CERETTI et FELDER, 2003]. D’après [GREGG, 1949] le phénomène de l’hystérèse est aussi augmenté par l’existence des impuretés mais peut encore subsister même en leur absence. [JOHNSON et DETTRE, 1969] ont comparé l’effet de hétérogénéité chimique et de la rugosité sur l’hystérèse de mouillage en utilisant des métaux et de la cire de paraffine : si la rugosité est de l’ordre de 5µm, l’effet de l’hétérogénéité chimique prédomine sur celui de la rugosité. Pour les surfaces plus rugueuses les deux effets peuvent être importants.

Ratio de la rugosité de surface r de Wenzel

Figure 1-28. Le modèle de Wenzel : relation entre l’angle apparent et l’angle de Young

via le ratio r de la rugosité de surface [JOHNSON et DETTRE, 1969] θ* e n d e g ré

Dans le cas du bois, la contamination est essentiellement due à la migration des extractibles du cœur du bois vers sa surface et à l’oxydation de ces mêmes extractibles une fois en contact avec l’air ambiant. Cela augmente ainsi

l’acidité des surfaces bois et dégrade leur mouillabilité [HSE et KUO, 1988]. [LIPTAKOVA et al. 1998] ont remarqué

lors de l’analyse du mouillage du bois, le piégeage d’air par le liquide à la surface surtout au début du mouillage. Ce qui peut aussi d’après eux expliquer l’hystérèse de mouillage. La figure 1-29 illustre ce phénomène.

Dans le document Influences de paramètres d'usinage et de stockage sur les propriétés fonctionnelles des surfaces de bois de Douglas (Page 51-55)