Les mesures de la tension de surface dans l’air et de l’angle de contact statique du mat´eriau pos´e sur un substrat sont pr´esent´ees dans cette partie. Plusieurs m´ethodes existent pour mesurer
Ts (˚C) C1 T (˚C) ηs (kPa.s) γs s 1 k n
PS35 110 7.82 3.40 12.8 0.061 1.01 0.55
PS280 150 5.23 58.9 53.9 0.23 0.42 0.25
Table2.1 – Tableau des valeurs des coefficients pour l’interpolation des courbes de viscosit´e
la tension de surface comme la m´ethode de Wilhelmy. Cette m´ethode consiste `a mesurer la force capillaire exerc´ee par un fluide sur une lame ou un anneau partiellement plong´e(e) dans le fluide. D’autres m´ethodes existent comme celle de la mont´ee d’un fluide dans un tube capillaire (voir Adamson et Gast [48] pour une revue exhaustive). La m´ethode utilis´ee dans notre cas est celle de la goutte, pos´ee et pendante, qui permet de d´eterminer la tension de surface et l’angle de mouillage de nos polym`eres.
Pour nos mat´eriaux nous supposons ces param`etres ind´ependants de la temp´erature (Dee et Sauer [49] nous permettent de calculer une variation de 8 % seulement entre Tg et Tg 100˚C).
La caract´erisation se fait sur le Digidrop du PIMM, pr´esent´e sur la figure 2.13. Il est ´equip´e d’une seringue dans laquelle le polym`ere `a l’´etat solide est d´epos´e et port´e `a temp´erature, d’une chambre dans laquelle se d´eroulent les mesures et d’une cam´era permettant d’´etudier la g´eom´etrie du polym`ere. Les diff´erentes parties sont asservies en temp´erature `a l’aide de trois thermocouples. Les mesures sont pr´esent´ees ci-dessous.
Goutte Camera Table mobile Chambre Support seringue Seringue mesure de la température asservissement de la température θ R(γ)
Figure2.13 – Dispositif de mesure de l’´energie de surface par la m´ethode de la goutte pendante et de mesure de l’angle de contact sur un substrat.
2.4.1 Exp´erience de la goutte pendante
L’exp´erience de la goutte pendante consiste `a suspendre une goutte de polym`ere dans l’air `
a une temp´erature donn´ee. `A l’´equilibre cette goutte n’est alors soumise qu’`a son propre poids et `a la tension de surface. En corr´elant la g´eom´etrie de la goutte avec une forme analytique et connaissant la masse volumique et la densit´e du mat´eriau, on peut ´evaluer le poids de la goutte et en d´eduire la valeur de la tension de surface. La g´eom´etrie vis´ee dans notre cas est une goutte avec une partie basse sph´erique rattach´ee `a son support par un cou pr´esentant un
point d’inflexion comme pr´esent´e sur la figure 2.14.
Dans le cas de notre dispositif, on introduit les pastilles de polym`ere dans la seringue dont la temp´erature est r´egul´ee au-dessus de la temp´erature de transition vitreuse. Puis on injecte progressivement du polym`ere dans la chambre pour former la goutte (figure 2.15). L’exp´erience consiste `a injecter suffisamment de mat´eriau pour avoir le point d’inflexion sans provoquer l’effondrement de la goutte.
Avec la seringue dont nous disposions, les gouttes form´ees avaient un diam`etre d’environ 2,5 mm pour une longueur capillaire de 2 mm. Le poids ´etait donc sensiblement pr´edominant ce qui rendait la stabilisation difficile. Explications : lorsque le polym`ere s’´ecoule mˆeme tr`es lentement, les forces visqueuses s’ajoutent aux forces capillaires pour maintenir la goutte, ce qui fausse le calcul de la tension de surface. Pour des temp´eratures sup´erieures `a Tg 80˚C la
stabilisation se voit facilement puisque la goutte s’effondre vite. Pour des temp´eratures com- prises entre Tg 10 et Tg 40˚C la viscosit´e ´elev´ee ne permet pas de distinguer facilement une
goutte stable d’une goutte qui s’´ecoule.
z r(z) point d’inflexion partie basse support Fluide
Figure2.14 – Sch´ema de la goutte pendante et point d’inflexion pour la mesure de la tension de surface.
Dans la gamme de temp´erature restante, les mesures ont permis de calculer la tension de surface du PS35 avec une valeur moyenne γ 40 2 mN/m. Le PS280 quant `a lui ´etait trop visqueux pour ˆetre inject´e. Compte tenu de la faible d´ependance de γ `a la masse molaire nous extrapolons la valeur moyenne mesur´ee au PS280.
2.4.2 Mesure de l’angle de contact sur silicium
La mesure de l’angle de contact est effectu´ee avec la m´ethode de la goutte pos´ee. Nous mesurons une valeur d’angle statique, qui nous le verrons dans le prochain chapitre sera suffi- sante pour d´ecrire les effets de mouillage du polym`ere sur le substrat. L’angle est mesur´e sur un substrat de silicium qui n’est pas trait´e par l’anti-adh´esif et qui pr´esente une couche d’oxyde natif et sur une plaque de silicium trait´ee par l’anti-adh´esif des moules. Dans le premier cas on trouve un angle θsubstrat 55˚ et dans l’autre cas un angle θmoule 87˚ comme le montre la
figure 2.16. La mesure de ces angles de contact a ´et´e effectu´ee `a diff´erentes temp´eratures `a titre de v´erification, et aucune diff´erence notable n’a ´et´e remarqu´ee.
stable
2,6 mm
augmentation du volume de polymère
instable
Figure 2.15 – Images de la goutte de polystyr`ene (PS35) form´ee pour un volume croissant de mat´eriau, depuis l’´etat stable jusqu’`a un ´etat instable. La taille des gouttes form´ees est comparable `a la longueur capillaire de notre mat´eriau (lc 2 mm).
b a
Figure 2.16 – Gouttes de polystyr`ene PS35 pos´ees sur un substrat de silicium non trait´e (a) et trait´e (b) par un anti-adh´esif `a 140˚C.