Chapitre I : Mouillage composite
I.4. Système équivalent silicium hydrophobe – eau
I.4.3. Mesures d'angles de contact
Le CRMM a effectué des mesures d'angle de contact par la méthode de goutte posée. Des gouttes d'eau milliQ (eau ultrapure : déminéralisée et sans ions) ont été déposées sur la face rugueuse des échantillons épais ainsi que sur une des deux faces lisses de l'échantillon de référence épais (Fig. I.19). Ces mesures visent à vérifier l'hydrophobie du greffage OTS réalisé sur tous les échantillons. Ces mesures donnent l'angle de contact
θ
* moyen et l'écart type associé (tableau I.6) obtenus en faisant la moyenne sur 20 mesures de la moyenne entre l'angle mesuré à gauche et celui mesuré à droite de la goutte.Figure I.19 : Photographie d'une goutte d'eau milliQ sur l'un des échantillons épais permettant de mesurer
θ
* (J. Conti, CRMM).Eréf E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E7bis E8 E9 E10 E11 E12
θ* (°)
moyen 107,5 120,8 127,2 128,4 122,6 118,2 118,6 116,9 115,5 108,5 116,8 115,2 105,2 104,4 Ecart
type (°) 2,9 1,7 4,3 1,8 1,9 1,9 2,4 3,0 2,2 4,1 3,0 2,8 4,6 1,6
Tableau I.6 : Angles de contact
θ
* moyen et écart type mesurés pour chacun des échantillons épais (mesures effectuées par J. Conti, CRMM).Des critères énoncés au § I.2.4, le critère le plus contraignant pour que l'interface sous la goutte soit composite, c'est-à-dire pour que du gaz soit piégé dans les cavités de la rugosité, est le suivant : l'angle d'avance est tel que
θ
A ≥β
+π
/2 et la dimension de la cavité est très inférieure à la longueur capillaire du liquide. Dans le cas des échantillons épais, les cavités sont des trous cylindriques tels que 2r ≤ 30 µm. Les diamètres des trous sont donc très inférieurs à la longueur capillaire de l'eau qui avoisine 2,7 mm. Par ailleurs, les trous sont cylindriques si bien queβ
= 0. De plus, la surface des échantillons est hydrophobe, donc :l'angle d'avance est tel que :
θ
A ≥θ
Y, donc l'inéquation (I.12) s'applique pour tous les échantillons rugueux épais. Ainsi, lorsque la goutte d'eau est posée sur un de ces échantillons,les trous cylindriques sont remplis de gaz, et 1 −
τ
correspond alors à la fraction surfacique degaz sous la goutte.
Par ailleurs, comme l'indique le tableau I.7, les valeurs de
θ
C calculées à partir de l'équation (I.9) sont inférieures à 102° pour tous les échantillons. Ainsi, il suffit que l'angle de Young du système échantillon hydrophobe – eau soit supérieur à 102° pour que les interfaces composites obtenues avec tous les échantillons soient stables (cf. § I.2.3.6). Il semble que ce soit le cas comme le montre la valeur deθ
* mesurée sur l'échantillon de référence lisse (tableau I.6). Les valeurs de rw nécessaires au calcul deθ
C sont obtenues à partir deτ
grâce à la relation :(
−τ)
+ =1 2 1 r h rw . (I.15)Echantillon E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E7bis E8 E9 E10 E11 E12
rw 7,0 4,0 3,0 4,6 2,8 2,2 3,4 1,8 2,2 1,8 2,2 1,6 1,4
θC (°) 94,4 98,2 101,5 94,4 98,2 101,5 94,4 101,5 98,2 101,5 94,4 98,2 101,5
Tableau I.7 : Valeurs de rw et de θC calculées pour chaque échantillon épais rugueux.
Sur la figure I.20, le cosinus de l'angle de contact moyen θ* mesuré pour chaque
échantillon (tableau I.6) avec son incertitude associée est tracé en fonction de la valeur de τ correspondante (tableau I.5). En faisant une régression linéaire simple (droite des moindres carrés) à partir de ces points de mesure, il est constaté que les points suivent assez bien une fonction affine dont l'ordonnée à l'origine est égale à 1, puisque le coefficient de détermination R2 est supérieur à 80 %. Grâce à l'équation (I.6), le coefficient directeur de la
droite obtenue permet alors de remonter à un angle θY moyen sur l'ensemble des échantillons :
θYmoy = 104,8°. Cette valeur obtenue est proche de l'angle moyen θ* mesuré sur l'échantillon
lisse, et est incluse dans sa plage d'incertitude.
Il a donc été vérifié que le modèle défini par l'équation (I.6) décrit relativement bien la variation de θ* avec τ. L'accord entre le modèle et les résultats est surtout bon pour des valeurs de τ sensiblement inférieures à 1. Cette observation peut s'expliquer par le fait que
pour des valeurs de τ élevées, la distances e séparant deux trous voisins n'est pas négligeable
angle macroscopique vis-à-vis de la rugosité contrôlée et il devient très sensible à la position de la ligne de contact. cos(
θ∗
) = 0,74τ
- 1,00 R2 = 0,82 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 τ co s(θ * )Figure I.20 : Cosinus de l'angle de contact apparent θ* en fonction de la fraction surfacique
τ d'interface solide – liquide sous la goutte.
I.5. Conclusion
Dans ce chapitre, une étude bibliographique a été menée pour déterminer les mécanismes à l'origine du piégeage des poches de gaz à l'interface entre le sodium liquide et l'acier austénitique.
L'étude préalable du cas général du mouillage d'un solide rugueux par un liquide fait apparaître que des poches de gaz peuvent être piégées si le système solide-liquide est non- mouillant et si la rugosité du solide comporte des changements abrupts de pentes supérieurs à
π−θY. Pour une surface réelle, c'est-à-dire dont la rugosité est aléatoire, il est difficile de savoir si l'interface est composite et de connaître la proportion d’interface liquide-gaz sous le liquide sans connaître parfaitement la topologie de la surface solide ainsi que la valeur de l'angle de Young partout sous le liquide.
Les différents facteurs contrôlant le mouillage de l'acier austénitique par le sodium ont ensuite été identifiés. Il ressort que la présence d'un film d'oxydes de chrome stable est à
environ 300°C. Au-delà de 320°C, un mouillage irréversible, traduisant la réduction ou la transformation du film d'oxydes en oxydes ternaires, se produit au bout d'un temps d'autant plus court que la température est élevée.
Par ailleurs, l'efficacité du dépôt d'or pour l'obtention d'un bon couplage acoustique des TUSHT a été expliquée en considérant le comportement de mouillage de l'or par le sodium liquide. Il apparaît en effet que ce métal fait partie de cette famille de métaux (métaux nobles) dont les oxydes sont très facilement réduits par le sodium.
Pour réaliser des expérimentations en évitant les contraintes liées au sodium liquide telles que sa température élevée et sa réactivité avec l'air et l'eau, un système non-mouillant équivalent est utilisé. Il s'agit du système silicium hydrophobe-eau. Le silicium a été choisi car sa surface peut être traitée afin de la rendre hydrophobe et la géométrie de sa rugosité peut être modelée par des procédés spécifiques. Il est ainsi possible de connaître la fraction surfacique de gaz piégé lorsque cette surface rugueuse idéale est mise en contact avec de l'eau. Plusieurs échantillons avec des surfaces à rugosité contrôlée ont été fabriqués. La gamme de variation de la fraction surfacique de gaz obtenue avec ces échantillons a été choisie de façon à couvrir une plage pertinente autour d'une valeur présupposée être la frontière entre deux régimes de transmission.
Des mesures d'angles de contact de mouillage par la méthode de la goutte posée ont été réalisées avec ces échantillons. L'analyse des résultats a permis de vérifier que le mouillage de ces surfaces était composite. Une bonne corrélation a été trouvée entre les angles de contact apparents mesurés et la fraction surfacique de gaz piégé à l'interface.
Le système équivalent silicium hydrophobe - eau permettra d'étudier en eau, au chapitre suivant, la stabilité, et plus généralement le comportement des poches de gaz suite à une variation du niveau de saturation en gaz dissous dans le liquide ou à une variation de pression quasi-statique. Les résultats obtenus seront ensuite généralisés, sous certaines conditions, au cas du système 304L - sodium.