Chapitre 3 : Les électrodes
2. Qualification des encres métalliques pour l’électrode supérieure
2.1. Qualifications des caractéristiques de l’encre
2.1.1. Mesure de la tension de surface d’une encre
La tension de surface ou tension interfaciale est une grandeur caractéristique de l’encre qui intervient lorsque cette dernière est en contact avec un autre milieu. Dans le cas de l’impression jet d’encre, cet autre milieu est l’air ambiant. La tension de surface se traduit par une force s’exerçant sur l’encre qui l’incite à diminuer sa surface de contact avec l’air et à avoir davantage d’affinités avec
lui même. Cette grandeur a la dimension d’une force par unité de longueur et s’exprime en N.m-1.
Afin d’accéder à la tension de surface de l’encre, nous avons utilisé un instrument optique de mesure d’angle de contact et de tensiométrie OCA 15 EC. Cet instrument utilise la technique de la
goutte pendante afin de calculer le paramètre .
Le principe
Le principe de cette mesure repose sur l’analyse de la forme d’une goutte liquide pendante issue d’une seringue à l’équilibre entre gravité et capillarité. L’équation de Young-Laplace dicte la forme de
cette goutte axisymétrique et s’exprime sous la forme suivante [25-29] :
Où R0 est le rayon de courbure au niveau de l’apex de la goutte (sommet 0)
R1 et R2 sont les rayons de courbure principaux au point M de coordonnée (x, y)
représentela valeur absolue de la différence entre la masse volumique de l’encre et celle de l’air
g est l’accélération de la pesanteur est la tension de surface de l’encre
La figure 2.1.1 précise la définition du système de coordonnées (0,x,y).
[133]
En fixant l’abscisse curviligne « s » et l’angle « φ » comme présenté sur la figure 2.1.1, on peut
exprimer x et y en fonction de « s » et de « φ » tels que : et
On peut faire de même avec R1 et R2 :
et exprimer l’équation (6) sous la
forme :
En utilisant les coordonnées adimensionnées X, Y, S telles que : X Y , on peut
alors définir une équation paramétrique du profil de la goutte à partir de (7), (8) et (9) :
L’équation paramétrique (10) obtenue est non linéaire et n’a pas de solution analytique dans le cas
général. Historiquement, les premières déterminations de tension de surface à partir de la technique
de goutte pendante étaient réalisées à partir de tables [28,29]. Ces dernières permettaient de
remonter à la tension de surface à partir de la forme de la goutte en équilibre. Elles étaient construites en calculant le rapport afin de déterminer les paramètres et R0. DE est défini
comme le diamètre maximum de la goutte et DS est défini comme le diamètre de la goutte à une
distance DEde l’apex (voir Figure 2.1.1). L’arrivée du calcul numérique et la numérisation des images
a alors permis la mise au point de méthodes rapides et précises [30], basées sur un ajustement entre
le profil d’une goutte et la résolution numérique de l’équation de Young-Laplace qui permettent de
trouver précisément les valeurs des paramètres et R0. C’est sur ce procédé que s’appuie
l’instrument OCA 15 EC pour déterminer une valeur de la tension de surface de l’encre.
Figure 2.1.2 : Photographie et schéma du dispositif de mesures de tension de surface OCA 15 EC
[134]
Les résultats
Les encres sont placées sous agitation pendant 1 h avant d’effectuer la mesure. L’agitation est faite par un agitateur à rouleaux afin d’éviter toute pollution de la solution avec des agitateurs magnétiques. Après avoir rentré les spécifications des fournisseurs dans la base de données de l’appareil de mesures, nous avons pu caractériser la tension de surface par la technique de la goutte pendante pour chacune des encres. Un exemple de mesure de tension de surface est présenté à la figure 2.1.3 et une synthèse des résultats obtenus est présentée à la figure 2.1.4 :
Figure 2.1.3 : Mesure de tension de surface de l’encre 1
ENCRE 1 ENCRE 2 ENCRE 3 ENCRE 4 Tête d'impression
Tension de surface Spécifications (mN/m) 26 28-31 27 28-31 24-36 Mesures (mN/m) 26 31 28 30
Figure 2.1.4 : Tension de surface pour les quatre encres testées
Les résultats obtenus sont proches des spécifications des fournisseurs et rentrent dans les spécifications de la tête d’impression.
2.1.2. Mesure de la viscosité
La viscosité dynamique η caractérise l’aptitude de l’encre à s’écouler. Elle se manifeste chaque fois que les couches voisines d’un même fluide sont en mouvement relatif, avec frottement, les unes par rapport aux autres.
Considérons l’écoulement d’un fluide entre deux plans parallèles de surface S. L’un des plans est immobile tandis que l’autre se déplace à une vitesse uniforme sous l’action d’une force
Lors de l’acquisition, l’actionneur est activé et pousse l’encre dans la seringue. Au moment où la goutte atteint sa limite de décrochage, l’utilisateur effectue une capture d’image à l’aide de la caméra. Il fixe par la suite les niveaux 1, 2 et 3 sur la photographie obtenue. Le niveau 1 permet de fixer l’échelle de longueur en connaissant le diamètre de la seringue et le nombre de pixels qui la représente sur l’image. Le niveau 2 indique le début de la goutte et le niveau 3 marque le milieu extérieur. Par la suite, le logiciel peut ajuster le profil de la goutte, résoudre l’équation de Young-Laplace et donner une valeur de la tension de surface de l’encre testée.
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tangentielle . Ce déplacement engendre un mouvement de cisaillement des couches les unes par
rapport aux autres sans qu’il y ait transfert de matière.
Figure 2.1.5 : Ecoulement de cisaillement d’un fluide entre deux plans
La viscosité dynamique η peut alors s’exprimer à partir des forces de cisaillement « », de la
surface de contact S et de la vitesse de cisaillement :
La viscosité a la dimension d’une (Pression Temps) et s’exprime en Pa.s.
Nous avons utilisé un viscosimètre SV-1A à onde sinusoïdale utilisant la méthode de vibration du diapason pour déterminer la viscosité dynamique de l’encre. Cette méthode permet des mesures
quasi immédiates sur une large plage de 0,3 à 105 mPa.s.
Le principe
Le principe de cette mesure repose sur le mouvement microscopique d’un corps vibrant tout en conservant l’équilibre thermodynamique du fluide. Ce corps vibrant est un composé piézoélectrique constitué de deux électrodes métalliques auxquelles est appliquée une tension sinusoïdale. Cette tension engendre la vibration du corps solide et se traduit sous la forme d’un mouvement de torsion. Les deux électrodes sont immergées dans le milieu étudié jusqu’à une hauteur fixe. On connait ainsi, la masse immergée et la surface des électrodes en contact avec le fluide étudié. Les forces visqueuses exercées à cette surface modifient la fréquence de résonance du corps vibrant. La mesure de viscosité tient compte des caractéristiques connues du corps vibrant dans un milieu de référence et dans le milieu étudié et s’exprime à partir de la relation suivante [31] :
Où f et f0 sont respectivement la fréquence d’oscillation dans le fluide et dans
le milieu de référence
et représentent l’amortissement mécanique du corps vibrant dans le
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représente la masse immergée des électrodes est la surface immergée des électrodes
est la densité du fluide
La force exercée reste constante, la méthode ne permet pas de caractériser totalement les fluides non newtonien mais donne suffisamment d’indications par rapport à l’impression.
Les résultats
Comme pour la mesure de tension de surface, les encres sont placées sous agitation pendant 1 h
avant d’effectuer la mesure. Les résultats obtenus sont présentés à la figure 2.1.6 :
ENCRE 1 ENCRE 2 ENCRE 3 ENCRE 4 Tête d'impression
Viscosité
Spécifications à
20°c (mPa.s) ??? 11-13 ??? ??? 5-20
Mesures à 19°c
(mPa.s) 12 12 13 18
Figure 2.1.6 : Viscosité pour les quatre encres testées
Les résultats obtenus pour la viscosité de chacune des encres sont compatibles avec les spécifications de la tête d’impression. Le rapport d’éjection n’est donc pas problématique pour ces quatre encres.
2.1.3. La sédimentation
Afin de vérifier si les encres testées sont sujettes à une sédimentation rapide, nous avons effectué un test sur une journée. Cette période correspond au temps moyen que passe une encre dans l’imprimante avant d’être éjecté.
Après avoir mis sous agitation les encres pendant 1 h, nous avons placé 2 ml de chaque encre dans un tube à essai placé verticalement, fermé et à température ambiante. Les tubes sont restés au repos et à l’abri de la lumière pendant la journée. Au bout de cette période, nous avons constaté que trois des quatre encres ne présentaient pas de signes visibles de sédimentation mais que l’encre 3 possédait clairement deux phases distinctes :
Figure 2.1.7 : Sédimentation de l’encre 3
Nous avons cependant continué à réaliser des tests sur celle-ci afin d’avoir un point de comparaison avec les autres encres.
- La phase supérieure plus claire comportant
principalement du solvant et des additifs.
- La phase inférieure plus sombre comportant les
nanoparticules d’argent agglomérées.
La sédimentation de cette encre en si peu de temps peut poser des problèmes d’impression. Une détérioration de la tête est à craindre lors d’une utilisation en continue. Compte-tenu du coût d’une tête d’impression (>1000 €), l’encre ne peut être utilisée telle quelle pour l’impression sans une reformulation.
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