Mouillage des substrats minéraux par des liquides de référence

V.1.1. Substrats minéraux polis

Les angles de contact de liquides de référence (eau, diiodométhane, éthylène glycol et glycérol) sur les substrats ont été mesurés. Il est supposé que l’équation de Young est valide pour ces substrats car ils sont polis et plans. De plus, les essais pratiqués sur les substrats hétérogènes tels que le gneiss et la diorite ont montré que les valeurs d’angles étaient reproductibles. Enfin, il est considéré que le calcaire ne va pas réagir à l’échelle de la goutte avec l’émulsion car le substrat est nettoyé de toute trace de fines. Dans un premier temps, l’évolution de l’angle de contact des liquides sur les substrats ainsi que l’évolution du diamètre des gouttes (la longueur de la ligne de contact) en fonction du temps ont été observées. Un exemple avec les liquides de référence sur une lame de gneiss polie est donné sur la Figure V.1 et la Figure V.2.

adhésion émulsion/substrat 4 4,5 5 5,5 6 6,5 0 100 200 300 400 500 600 Temps (s) D ia m è tr e d e g o u tt e ( m m ).

Eau Diiodométhane Ethylène glycol Glycérol

Figure V.1 – Evolution du diamètre de goutte des liquides de référence sur une lame de gneiss poli en fonction du temps. 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 0 100 200 300 400 500 600 Temps (s) A n g le d e c o n ta c t (° ).

Eau Diiodométhane Ethylène glycol Glycérol

Figure V.2 – Evolution de l’angle de contact liquide de référence/lame de gneiss poli en fonction du temps.

adhésion émulsion/substrat

Tableau V.1 – Angles de contact liquide de référence/substrat poli.

Composantes dispersives et

polaires ^{Gneiss Diorite Calcaire Quartzite}

γ^P γ^D

Eau 51,0 21,8 63,7 ± 3,3 57,6 ± 3,3 45,0 ± 3,8 16,3 ± 1,2 Diiodométhane 0,0 50,8 44,0 ± 2,9 43,5 ± 2,4 43,4 ± 2,4 37,5 ± 3,6 Ethylène glycol 16,8 30,9 39,0 ± 4,8 40,8 ± 5,7 40,4 ± 4,9 18,1 ± 2,7 Glycérol 26,4 37,0 51,5 ± 2,2 47,2 ± 6,9 43,6 ± 1,9 30,6 ± 3,1

D’après le Tableau V.1, les angles de contact eau/substrat sont tous inférieurs à 90°. Ce résultat indique que les substrats à l’état de surface poli sont tous hydrophiles. Les valeurs d’angles de contact sont les plus faibles lorsque le substrat est le quartzite, et ce quel que soit le liquide de référence. Il est constaté pour le gneiss, la diorite et le calcaire que les angles de contact les plus élevés sont observés en présence d’eau et de glycérol, les liquides les plus polaires. Dans le cas du quartzite, l’angle de contact le plus élevé est noté en présence de diiodométhane, le liquide le moins polaire.

Les énergies de surface des substrats polis de gneiss, diorite, calcaire et quartzite ont été déterminées selon la méthode d’Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) de la même manière qu’avec le PTFE (cf. chapitre III). Les énergies de surface globales ainsi que leurs composantes polaire et dispersive sont représentées sur la Figure V.3.

0 10 20 30 40 50 60 70

Gneiss Diorite Calcaire Quartzite

E n e rg ie d e s u rf a c e ( m J /m ²) . γD γP

Figure V.3 – Composantes polaire et dispersive des énergies de surface des substrats minéraux polis.

adhésion émulsion/substrat

Les composantes dispersives sont dominantes sur tous les substrats, excepté le quartzite pour lequel la composante polaire (33,6 mJ/m²) est légèrement plus élevée que la composante dispersive (29,7 mJ/m²). Ce résultat est attribué à la polarité de la liaison Si-O, notamment à la différence d’électronégativité entre l’atome de silicium (3,5) et l’atome d’oxygène (1,8) d’après l’échelle de Pauling [147]. Cette prédominance de la composante polaire pour le quartzite a également été trouvée par Cruz Garcia [148]. Entre les quatre substrats, le quartzite est celui présentant l’énergie de surface globale la plus élevée. Les énergies de surface du gneiss et de la diorite sont très proches. Cependant, elles sont plus faibles que celle du calcaire. La polarité du calcaire est due à la présence dans sa structure des composés basiques. Les rapports de polarité des différents substrats sont à relier avec les valeurs d’angles de contact du Tableau V.1. L’eau, composé polaire, s’étale mieux sur un substrat polaire, comme le quartzite. Les composés non polaires, comme le diiodométhane, s’étale sur les substrats ayant des interactions majoritairement dispersives, comme le gneiss, la diorite ou le calcaire.

V.1.2. Substrats minéraux sciés

Les valeurs d’angles après stabilisation du diamètre de goutte sont indiquées dans le Tableau V.2.

Tableau V.2 – Angles de contact liquide de référence/substrat scié.

Composantes dispersives et

polaires ^{Gneiss Calcaire Quartzite}

γ^P γ^D

Eau 51,0 21,8 17,0 ± 1,4 19,5 ± 1,5 27,9 ± 2,0 Diiodométhane 0,0 50,8 22,3 ± 1,2 19,6 ± 2,8 27,3 ± 1,7 Ethylène glycol 16,8 30,9 12,9 ± 1,0 9,2 ± 1,1 12,8 ± 2,0 Glycérol 26,4 37,0 13,9 ± 1,0 12,1 ± 2,1 18,7 ± 2,2

Les angles de contact liquide/substrat scié sont plus faibles qu’avec les substrats à l’état poli (cf. Tableau V.1), hormis l’angle de contact eau/quartzite. Cela signifie que la rugosité des lames favorise le mouillage des liquides. Ce résultat est en accord avec les données de la littérature concernant les substrats hydrophiles [81]. Néanmoins, les angles de contact les plus élevés ont été observés en présence de diiodométhane et d’eau, deux liquides ayant des polarités très différentes. Il en est conclu que l’aptitude au mouillage d’un substrat non poli ne dépend pas de sa polarité.

Pour déterminer le modèle de mouillage des substrats sciés, la moyenne des rapports des cosinus des angles θ* liquide/substrat scié (qui sont en fait des angles de contact apparents) sur les cosinus des angles θ liquide/substrat poli a été calculée (cf. Tableau V.3) et comparée aux valeurs

adhésion émulsion/substrat

Tableau V.3 – Calcul du rapport cos θ*/cos θ et comparaison avec r.

Gneiss Calcaire Quartzite

cos θ*/cos θ 1,56 ± 0,42 1,32 ± 0,03 1,04 ± 0,09

r 1,03-1,14 1,02-1,25 1,07-1,70

Les valeurs expérimentales de rugosité ne concordent pas avec les valeurs de cos θ*/cos θ. Si le modèle de Wenzel (cf. chapitre I) avait été valable, les r et les cos θ*/cos θ auraient été identiques. Le mouillage des substrats sciés ne suivent donc pas le modèle de Wenzel. Au vu de certains trous (de 1 à 50 µm) observées en microscopie sur un balayage de 20 mm × 20 mm (cf. Figure V.4), il est probable que le mouillage des substrats sciés suive une loi de type composite.

Figure V.4 – Lame sciées, a – gneiss, b – quartzite.

V.1.3. Conclusions

Le dépôt des liquides de référence sur les substrats polis demande quelques secondes avant stabilisation. Après cette stabilisation, il est possible de déterminer l’angle de contact. Les valeurs d’angles eau/substrat trouvées sont toutes inférieures à 90°, signe que les substrats sont hydrophiles. A partir des valeurs d’angles de contact obtenues, les énergies de surface ont été calculées selon l’équation OWRK. Le quartzite possède l’énergie de surface la plus élevée et une composante polaire légèrement supérieure à la composante dispersive. Pour les autres matériaux, la composante dispersive est dominante. Les angles de contact apparents liquide/substrat scié sont inférieurs aux angles liquide/substrat poli, hormis pour le système eau/quartzite. Cela induit que la rugosité améliore le mouillage des substrats. Ce mouillage suivrait une loi de type composite, à en juger les valeurs d’angles de contact et de rugosité ainsi que la présence de trous observés en microscopie.

adhésion émulsion/substrat