Mesure d’angle de contact

Les mesures d’angle de contact ont été réalisées avec un Goniomètre DSA100 de la société KRÜSS (figure 2.10). Ces mesures consistent à déposer une goutte de volume connu d’un liquide sur un substrat qui baigne dans une atmosphère gazeuse supposée répétable identique d’une expérience à l’autre. Le liquide employé sera, dans nos expériences, principalement de l’eau, de l’eau polluée par les plastiques ou du glycérol. Chacun de ces liquides en contact avec l’air a une tension superficielle différente (Erreur ! Référence non

Figure 2.11 : équipement utilisé pour réaliser les mesures d’angle de contact.

Tableau 2.3 : tensions superficielles des liquides utilisés dans ce travail [39].

Liquide Température T (/ °C) Tension superficielle  (/10−3 N.m−1) Glycérol 20 63 Eau 20 72,8

Il n’est pas nécessaire de remonter jusqu’aux énergies pour comparer nos différents substrats, nous nous contenterons, dans le cadre de cette étude, de mesurer l’angle de contact une fois que la goutte de liquide aura atteint un état stable ou de pseudo-stationnarité.

Figure 2.12 : photo d’une goutte posée sur un substrat et principe de l’analyse d’image permettant de déterminer

l’angle de contact.

Pour pouvoir faire une mesure correcte de l’angle de contact il faut poser une goutte sur un substrat plan, utiliser une source de lumière froide et une caméra pour prendre des photos de la goutte, éventuellement en fonction du temps. La mesure d’angle de contact est alors réalisée à partir d’une analyse d’image, comme cela est présenté sur la Figure 2.12. A partir d’une image de la goutte, l’angle de contact est déterminé en traçant une ligne correspondant à l’interface solide / liquide, puis le logiciel d’analyse d’image détecte la forme de calotte sphérique que forme la goutte. La tangente à la calotte sphérique à l’endroit du point triple (solide/liquide/gaz) permet de déterminer l’angle de contact. En théorie si la surface du substrat est parfaitement lisse et plan, il ne devrait pas y avoir de différence entre l’angle de contact à gauche et celui à droite de la goutte. Cependant, ce n’est pas toujours le cas expérimentalement puisque le substrat présente des défauts de surface, et dans ce travail, nous avons fait le choix de travailler sur les deux angles.

Un point critique de la détermination expérimentale de l’angle de contact est qu’il est nécessaire d’avoir atteint un état stationnaire. Il faut donc laisser suffisamment de temps à la goutte pour atteindre un état d’équilibre sur le substrat. Il faut également avoir un volume constant de liquide, ce qui peut être un paramètre critique pour certains systèmes ou certaines expériences. L’évaporation doit donc être contrôlée. Afin de s'affranchir de ceci,

nous avons fait le choix de sélectionner un liquide non volatil pour caractériser l'état de surface. Le glycérol est un bon candidat. Sa pression de vapeur est très faible, il n’est donc pas volatil dans des conditions normales de température et de pression.

Pour les mesures avec l'eau pure ou les solutions aqueuses, il nous a fallu mettre en place un système afin de limiter et contrôler l’évaporation, en positionnant l'échantillon sous une cloche en verre transparent. Dans cette petite enceinte, l’air est saturé en eau grâce à des éponges imbibées d'eau. Il est important que l’image de la goutte ne soit ni occultée, ni déformée par le dispositif, que ce soit par la condensation à cause de l’opacité du verre.

Il faut également noter que d'un point de vue thermodynamique, il est impossible d’avoir une goutte d’eau pure stable[40]. En effet, une goutte d’eau, de par sa taille et sa géométrie, s’évapore, se condense pour former un film d’eau ou des gouttes de taille plus importante dans l’enceinte et cela même si l’humidité de l’enceinte est de 100 %. Pour pouvoir stabiliser une goutte d’eau pure, on peut par exemple la polluer avec, par exemple, un sel tel que le NaCl. En effet, la pression osmotique d'une telle solution compensera la pression de vapeur et la goutte sera stable.[40]

Plusieurs gouttes de 5 µL ont été étudiées sur des durées supérieures à 30 minutes afin de nous assurer que la stabilisation du système est suffisante pour pouvoir réaliser une mesure d’angle de contact sur deux substrats différents (deux PCB) que nous noterons dans ce qui suit substrat R1566W et substrat 370HR à droite. Les résultats sont représentés sur la figure 2.13 pour la stabilisation de gouttes d’eau pure (figure 2.13 a et b) et la stabilisation de gouttes de solutions polluées par les plastiques (figure 2.13 c et d). On observe sur ces graphes que la stabilisation est atteinte suffisamment rapidement pour permettre une mesure avec notre dispositif expérimental et que comme attendu, la présence de polluant dans l’eau facilite cette stabilisation. Nous sommes donc capables de réaliser une mesure d’angle de contact s'une solution aqueuse en utilisant notre dispositif de contrôle de l’évaporation en 10 minutes (tableau 2.4). On notera également le comportement stochastique de la surface des échantillons étudiés vis-à-vis de leurs mouillabilités qui est caractérisé par les différentes courbes présentées sur la figure 2.13. Ce comportement ne peut être attribué qu’à la nature du substrat car la dispersion observée est identique à celle obtenue lors des mesures d’angle de contact avec des gouttes de glycérol (qui permet des temps de mesures très longs et donc une détermination d'un état stationnaire sans ambiguïté).

Figure 2.13 : mesures de l’angle de contact en fonction du temps (a) de gouttes d’eau pure sur R1566W, (b) de

gouttes d’eau pure sur 370HR, (c) de gouttes d’eau polluée sur R1566W, (b) de gouttes d’eau polluée sur 370HR.

Tableau 2.4 : temps de stabilisation et angles de contact stationnaires pour des gouttes d’eau pure et d’eau

polluée sur les PCB R1566W et 370HR.

R1566W 370HR τ / min θ̅ / ° f τ / min θ̅ / ° f Eau pure 5 76 10 69 Eau polluée 1 82 2 89 (d) (a) (c) (b)

Figure 2.14 : photo de la cellule électrochimique développée au LISE pour réaliser des mesures entre des pistes

de cuivre polarisées.