Une expérience réussie, c’est à la fois des conditions bien maitrisées et une acquisition des données per-formante. Dans notre cas, nous voulons imposer la pression dans l’échantillon. Pour cela, nous montrerons d’abord qu’il nous faut contrôler la température et le taux d’humidité. Nous avons donc développé deux enceintes, chacune dédiée à l’un de ces paramètres, l’ensemble du dispositif étant présenté à la figure 2.5a.
De plus, nous désirons pouvoir observer optiquement et/ou acoustiquement les échantillons en hydrogel. Nous avons donc développé un petit dispositif (figure 2.5c) permettant tant de garder l’échantillon à plat dans le champ de la caméra que de maintenir les microphones contre l’échantillon.
2.2.1 Pression négative de l’eau liquide
Nous avons vu à la section 1.3.1.1 que les transferts d’eau entre les différentes phases peuvent être étudiées via les potentiels chimiques, les pressions osmotiques ou encore les potentiels hydriques de ces phases. Étudions les potentiels chimiques d’un échantillon d’hydrogel et de l’atmosphère autour. À l’équi-libre thermodynamique, ces potentiels sont égaux. Les différentes phases, présentées figure 2.6, sont :
– l’eau (1), dans une cavité du gel, de potentiel chimique µeau,l=µ0eau−vl(pl−p0)
– le gel (2), constitué d’eau et de macromolécules pHEMA et dont la pression osmotique est définie commeΠgel= (µ0eau−µeau,gel)/vl, soit µleau,gel =µ0eau−vlΠgel
– la vapeur d’eau dans l’enceinte (3), de potentiel chimiqueµeau,v =µ0eau+RTln(pv/psat)
En utilisant l’équilibre entre l’eau dans la cavité et la vapeur d’eau, nous obtenons :
µ0eau−vl(pl−p0) =µ0eau+�Tln� pv psat � (2.1) pl=p0+�T vl ln( pv psat) (2.2)
soit l’expression de la pression du liquide dans la cavité en fonction de l’activité de l’eauaeau= pv
psat , nous obtenons : pl=p0+�T vl ln(H) =p0+ �T vl ln(aeau) (2.3)
le taux d’humiditéHcorrespondant àaeauexprimée en pourcentage et couramment utilisé pour caractériser la teneur en eau de l’atmosphère.
Nous pouvons donc imposer la pression dans l’hydrogel en modifiant le taux d’humidité de l’atmosphère qui l’entoure alors que la température est maintenue constante.
2.2.1.1 Contrôle de la température
L’enceinte en polystyrène permettant le contrôle de la température a été développée lors de sa thèse par Vincent, 2012 [89] avec l’aide de P. Ballet. D’un volume de 0,25 m3, elle est thermo-régulée à l’aide d’un Pelletier de 50 W relié à un régulateur PID. La température est mesurée par un thermo-couple. Un ventilateur situé à l’intérieur de l’enceinte assure la bonne circulation de l’air. La fluctuation de température est de l’ordre de 0,1 °C.
L’enceinte contient une loupe binoculaire ou un macroscope permettant l’observation du dispositif expérimental.
Figure 2.5 – Montage expérimental. (a) Contrôle de la température. (b) Contrôle de l’hygrométrie. (c) Dispositif tenant les échantillons : en haut, vue de dessus, en bas, vue de profil d’une barre transverse.
Figure 2.6 – Les différentes phases à l’équilibre dans l’enceinte contrôlant l’hygrométrie présenté figure 2.5(b).
2.2.1.2 Contrôle de l’humidité
Cela nécessite d’imposer une pression de vapeur d’eau dans un volume de gaz tout en le préservant de l’atmosphère extérieure via une enceinte spécifique.
Solutions salées Trois choix s’offrent à nous pour contrôler le taux d’humidité : faire circuler de l’air humide, utiliser des solutions salées saturées ou insaturées.
Nous avons d’abord utilisé un mélangeur d’air (Wetsys), qui génère de l’air humide en mélangeant de l’air sec et de l’air saturé en vapeur l’eau. Ce système, très pratique car programmable est malheureusement peu fiable aux hauts taux d’humidité qui nous intéressent, au-dessus de 95 %.
En plaçant dans une enceinte hermétique une solution salée (4), figure 2.6, de potentiel chimique connu, on peut imposer le taux d’humidité à l’équilibre.
Les solutions choisies peuvent être saturées en sels. Cette méthode est très robuste quant à la com-position de la solution : même en cas d’évaporation, la concentration de sel dissoute reste identique. Elle présente cependant deux inconvénients. D’abord, à température fixée, chaque sel ne permet d’imposer qu’un taux d’humidité : on ne peut pas faire une variation continue ou choisir précisément les valeurs imposées. Cette valeur est aussi très sensible à la température.
Nous avons donc préféré employer des solutions de sel (NaCl) insaturées, peu sensibles aux variations de température. En jouant sur la concentration, nous pouvons imposer des pressions comprises entre 0 Mpa à -38 MPa. L’utilisation du même sel permet aussi de faire varier la concentration en sel au cours d’une même expérience, sans avoir besoin de l’interrompre. De plus, ce sel présente aussi l’avantage de ne pas être toxique et permet donc une manipulation en toute sécurité. Par contre, la solution n’étant pas saturée, l’évaporation fait varier la concentration et par conséquent la pression imposée. Il est donc très important que l’enceinte hygrométrique soit hermétique.
Nous utilisons la formule 2.3 et les références établies par Chirife et Resnik, 1984 [63], pour calculer la pression imposée dans le liquide à partir de la concentration de la solution salée, présentée dans le tableau 2.1.
Enceinte interne contrôlant l’hygroscopie Pour éviter les fuites de vapeur d’eau, nous utilisons une enceinte d’un volume de 300 cm³, mise au point par A. Ponomarenko (figure 2.5b). Elle se constitue d’un anneau rainuré dans lesquels s’emboitent, de chaque coté, deux couvercles de boite de Pétri. Elle est scellée à l’aide de pâte à scellement (Hirschmann Instruments) et de deux ou trois tours de film plastique étirable (Parafilm M®All-Purpose Laboratory Film, Bemis). Nous plaçons une solution salée au fond de la boite. L’échantillon est protégé de l’eau salée et repose sur un support le sur-élevant.
Dans le cas d’expériences visant à faire varier le taux d’humidité, l’enceinte est munie d’une arrivée et d’une sortie d’eau. L’injection est réalisée au moyen d’une seringue, tout comme l’extraction. Lors du changement de solutions, nous réalisons d’abord un cycle de remplissage-vidange avec la nouvelle solution puis nous remplissons une seconde fois l’enceinte.
Pression Concentration Taux d’humidité H Pression Concentration Taux d’humiditéH
(Mpa) (% poids/poids) (%) (Mpa) (% poids/poids) (%)
0.1013 0 1 -6 6,98 0,957 0 0,121 0,9993 -7 7,96 0,950 -0,5 0,717 0,996 -8 8,92 0,943 -1 1,312 0,992 -9 9,78 0,937 -1,5 2,07 0,989 -10 10,62 0,930 -2 2,66 0,985 -12 12,28 0,917 -2,5 3,25 0,982 -14 13,78 0,904 -3 3,84 0,978 -16 15,15 0,891 -3,5 4,31 0,975 -18 16,49 0,878 -4 4,84 0,971 -20 17,63 0,866 -4,5 5,42 0,968 -25 20,33 0,835 -5 5,99 0,964 -30 22,70 0,806 -5,5 6,43 0,960 -38 25,88 0,760
Table2.1 – Table extrapolée d’après Renisk et al., 1984 [63] pour une température de 30°C en utilisant la formule 2.3 avec�= 8.314J.mol−1.K−1,vl= Mρ oùM = 18.0153×10−3 mol.kg−1 la masse molaire de l’eau etρ= 995.647kg.m−3 la masse volumique de l’eau à30 °C (Kell et al., 1975 [41]). La concentration est exprimée en masse de sel pour100g d’eau.
2.2.2 Maintien de l’échantillon dans le champ de la caméra et des microphones
Nos expériences se déroulent sur un intervalle de temps assez long pendant lequel l’hydrogel se contracte et peut se déformer. Pour faciliter l’observation optique, l’hydrogel doit rester dans le champ de la caméra tandis que l’enregistrement acoustique nécessite un bon contact entre l’hydrogel et les microphones. A. Ponomarenko et moi avons donc conçu au laboratoire un petit dispositif réalisant ces deux taches tout en permettant une évaporation homogène. Grâce à cela, nous avons grandement amélioré la qualité de nos acquisitions et simplifié leur traitement.
Le dispositif est constitué de quatre barres transverses en plastique et d’une barre cylindrique de support, respectivement en gris anthracite et en gris clair sur la figure 2.5c. Les barres transverses sont percées et accueillent quatre sections de corde à piano. L’échantillon est ainsi maintenu à plat entre les sections de corde à piano et dans le même plan pendant toute la durée de l’expérience.
Chaque barre intérieure possède de plus un emplacement où s’encastre un microphone. Pour conserver le bon contact de l’échantillon avec les microphones, nous fixons les barres transverses situées à l’exté-rieur sur la barre de support par des vis. Les barres intél’exté-rieures peuvent coulisser et sont maintenues contre l’échantillon par des ressorts. Afin d’assurer une bonne conductance des sons entre les microphones et l’échantillon, nous utilisons à l’interface une mince couche de gel Tensive (Parker Laboratories), un élastomère aux propriétés adhésives adéquates.
2.2.3 Discussion
Le transport de l’eau dans l’hydrogel suit une loi de diffusion, de coefficientD≈10−11m2.s−1(Vincent, 2012 [89]). Dans le cadre de nos expériences, le temps caractéristique d’équilibre est deτexp = LD² avec L
la demi-épaisseur de l’échantillon, soit pour des échantillons de700�m d’épaisseur, moins de 4 h.
Lors des expériences faisant varier la pression imposée, nous attendons au moins 10 heures entre deux paliers afin d’être certain d’avoir atteint l’état d’équilibre.