Mouillage
Document / Logiciel Auteur Edition/Source Gouttes, bulles, perles et
ondes
PG de Gennes Belin Chimie générale : tout le cours
en fiches
MA. Sevin Dunod Energie potentielle d’un
système d’interface
F. Gheusi BUP n°851
Niveau
: supérieur.Prérequis
Forces de VdW Travail
Tension superficielle Tensionactifs
Plan
:I. Description du mouillage. 20 min 1) Types de mouillages.
2) Relations entre les interfaces.
II. Phénomène de démouillage. 10 min 1) Stabilité des films.
2) Traitements de surface.
Introduction pédagogique : 5 min Choix du contenu :
✓ Comme l’intitulé est spécifiquement « mouillage », on abordera uniquement des problèmes à 3 interfaces (sinon hors sujet).
✓ Restriction au mouillage sur un substrat solide (pas liquide).
✓ Approche énergétique de la loi de Y-D car l’approche par les forces est un peu déstabilisante.
✓ Démouillage indissociable du mouillage.
✓ Pas de démonstration pour l’épaisseur
✓ Surfactant => lien avec la chimie.
Objectifs :
✓ But : comprendre et contrôler le mouillage
✓ Compétences théoriques : paramètre d’étalement, loi Young-Dupré, tension de surface.
✓ Compétences technique : balance d’arrachement.
Contextualisation :
✓ Cours antérieurs : tension superficielle.
✓ Cours postérieurs : rien en particulier.
✓ TP : test de mouillabilité de plusieurs liquides sur plusieurs surfaces, ascension capillaire, mesure de tension superficielles.
✓ Exercices : ascension capillaire du mercure, épaisseur critique des films.
✓ Activités documentaires : mouillage sur un substrat liquide.
Choix des prérequis :
✓ Peu de prérequis car leçon très spécifique.
✓ Prérequis de chimie => pour intuiter les phénomènes sans calculs.
✓ Tension superficielle => rappels sur slide.
Notions délicates :
✓ Toute la leçon ! => simplification du sujet en minimisant les calculs.
Difficultés de préparation :
✓ Leçon peu propice aux expériences devant un auditoire lointain =>
photos.
✓ Pas de vidéo satisfaisante sur la stabilité des films.
✓ Phénomènes compliqués + domaine de recherche récent => dur de trouver des références claires et rigoureuses en abondance.
✓ Conflit de notation => précision si ambiguïté.
Introduction : 2 min
• Quand on se promène un jour de pluie, on a le réflexe de prendre un parapluie ou un bon vieux ciré jaune pour ne pas être trempé.
• Slide Les gouttes de pluie perlent sur la toile cirée et ne s’étale pas.
• Slide Le mouillage est l’étude de l’étalement d’un liquide déposé sur un substrat solide ou liquide.
• Pour ce cours, on se retreindra au mouillage le plus courant qui s’effectue sur substrat solide.
• L’étude du mouillage met en jeu trois phases : liquide, solide, gaz.
• Il existe une unique ligne de contact entre ces trois phases : la ligne triphasique.
• Slide Le mouillage intervient partout au quotidien et en industrie.
• (étalement des peintures, traitements des pare-brise des voitures).
Remarques :
• Exemple de mouillage liquide-liquide : alcane sur eau (article CNRS
« le mouillage dans tous ses états ».
Transition : comprendre le mouillage, c’est expliquer pourquoi l’eau s’étale sur du verre propre, mais pas sur du plastique.
[Gouttes, bulles, perles et ondes, PG. De Gennes, p 23]
I. Description du mouillage 20 min 1) Régimes de mouillage.
Introduction :
• Un même liquide ne s’étale pas de la même façon sur tous les supports.
• Selon la forme que prend le liquide sur la surface, on définit plusieurs types de mouillage.
Mouillage d’une surface :
✓ Slide Deux cas limites : surfaces sèches et complètement mouillée.
✓ Mouillage nul : le liquide reste sous forme de goutte = la surface est sèche.
✓ Mouillage total : le liquide s’étale sous forme de film = la surface est mouillée.
✓ (verre parfaitement propre).
✓ Schéma Cas usuels : mouillage partiels.
✓ Angle de mouillage = angle de contact avec le substrat.
✓ Angle de mouillage θ : entre 0 et π rad.
Paramètre d’étalement :
✓ On différencie ces différents régimes de mouillage grâce au paramètre d’étalement S.
✓ Différence d’énergie de surface entre le substrat sec et le substrat mouillé.
✓ S = γSG – (γSL + γLG)
✓ S en N/m (càd J/m2).
✓ S > 0 => mouillage total.
✓ S <0 => mouillage partiel.
✓ (eau sur téflon).
✓ Surface mouillante : θ <π/2.
✓ Surface non mouillante θ > π/2.
Critères de mouillage :
✓ Pourquoi est-ce que certains substrat sont mouillants et d’autres moins ? A cause des interactions L-S => essentiellement VdW.
✓ « Qui se ressemble s’assemble ».
✓ (verre = silice = polaire + eau = polaire => film).
✓ Applications surfaces mouillantes.
✓ (peinture, cosmétique…).
✓ Applications surfaces non mouillantes.
✓ (poêle antiadhésive, parebrise).
Remarques :
• Attention, les notations des sources sont bizarres.
• En fait, c’est plutôt la polarisabilité qui joue et pas la polarité.
Transition : le caractère mouillant d’une surface est lié à S. On a donné un autre critère portant sur l’angle. Comment relier les deux ?
[Gouttes, bulles, perles et ondes, PG. De Gennes, p 24]
2) Relation entre les interfaces.
Méthode :
✓ Recherche du travail à fournir pour déplacer la ligne triple entre deux états d’équilibres infiniment proches.
✓ Slide Rappel : le travail d’une force capillaire est proportionnel à la tension de surface et à la variation d’aire au cours du déplacement.
Slide Démonstration :
✓ Déplacement de la ligne de dx le long du solide.
✓ Travail élémentaire : ligne de contact ~ segment dl.
✓ Gain de surface de contact S/L de dxdl.
✓ Perte de surface de contact S/G de dxdl.
✓ Gain de surface de contact L/G de cos α dxdl.
✓ Bilan : δW = γSLdxdl – γSGdxdl + γLG cos θ dxdl.
✓ Condition d’équilibre : γLG cos θ = γSL – γSG.
✓ Or : S = γSG – (γSL + γLG)
✓ Donc : S = γLG(cos(θ ) -1).
✓ Loi de Young-Dupré.
Exploitation :
✓ Mathématiquement : cos varie entre 0 et 1, donc S est négatif.
✓ Cohérent avec la définition du mouillage partiel.
✓ θ est mesurable sur des bonnes photos, mais il faut aussi connaître la tension de surface.
Mesure de la tension superficielle :
✓ Il existe plusieurs méthodes mais on utilise souvent l’arrachement.
✓ On immerge une lame de longueur L dans un liquide.
✓ Slide Lorsqu’on retire la lame du liquide, on mesure une force dont la résultante s’écrit : ‖𝐹⃗⃗⃗ ‖ = 2.γ𝑧 LG.L.cos(θ).
✓ Cette force est maximale pour θ = π/2, ce qui correspond à la situation d’arrachement.
✓ On lit F, on connaît L donc on a la tension.
Expérience quantitative :
✓ Objectif : mesurer γLG pour l’interface eau/air.
✓ Montage : balance d’arrachement + boy+ cuve d’eau distillée.
✓ Manipulation : descendre le boy + relever la valeur d’arrachement.
✓ Incertitudes : pureté de l’eau, lecture très imprécise…
Discussion sur l’expérience :
✓ Comparaison à la valeur tabulée.
✓ Slide Comparaison à d’autres liquides : γeau/air très élevé à cause des liaisons H.
Remarques :
• Penser à laver la lame de la balance d’arrachement à l’éthanol.
• Régler la lame de la balance bien à l’horizontal, et monter le boy au plus près de la balance avant la leçon.
• Prendre le 0 de la balance sans que la lame plonge (sinon la poussée d’Archimède intervient et le zéro est faux).
• Dans la formule de l’arrachement, 2L correspond au périmètre de la lame d’épaisseur nulle.
Conclusion :
• En résumé, il faut retenir du mouillage qu’il existe plusieurs situations et des paramètres pour les décrire.
• On accède aux différentes inconnues, l’angle de contact et la tension superficielle, par la mesure.
Transition : cette partie était focalisée sur les gouttes, mais l’étude du mouillage concerne aussi les films, et en particulier ce qu’on appelle le démouillage.
[Gouttes, bulles, perles et ondes, PG. De Gennes, p 13/64]
[BUP n°851, F. Gheusi, p 148]
II. Phénomène de démouillage. 11 min 1) Stabilité des films.
Introduction :
• On a dit que les films sont obtenus lors d’un mouillage total soit S>0.
• Il faut en réalité un peu nuancer cette condition quand il s’agit d’étudier la stabilité des films.
Flaques :
✓ A proprement parler, un film est obtenu pour S>0.
✓ Pour S<0, on obtient des gouttes.
✓ Slide Mais pour S<0, les plus grosses gouttes s’affaissent sous l’effet de la gravité : on forme des flaques.
✓ (huile sur une poêle).
✓ Formation d’« un film local » => extrapolation de la notion de film.
Condition de stabilité :
✓ En situation de mouillage total (S>0), un film est toujours stable.
✓ En situation de mouillage partiel (S<0), la stabilité du film dépend de son épaisseur.
✓ Au-dessous d’une épaisseur critique ec, de l’ordre du millimètre, un film « démouille ».
Démouillage :
✓ Le démouillage est le retrait spontané d’un film sur une surface.
✓ Slide (séchage spontané de la peau, plumes de canard).
✓ Le démouillage se décompose en deux étapes : la nucléation et la croissance des zones sèches.
✓ Slide Spontanément, il se forme des trous dans le film : c’est la nucléation.
✓ Slide Ces zones grandissent et le film est détruit au profits de multiples gouttes : c’est la croissance.
✓ Le démouillage est d’autant plus favorable que la surface est non mouillante.
Transition : au-delà de la simple compréhension des phénomènes, il est intéressant de pouvoir contrôler le démouillage, ce qui revient concrètement à traiter les surfaces.
[Gouttes, bulles, perles et ondes, PG. De Gennes, p 40-41/138-142]
2) Traitements de surface.
Traitements chimiques :
✓ On a vu que la mouillabilité d’un substrat dépendait des interactions S/L.
✓ Slide Interactions favorables => substrat mouillé VS interactions défavorables => substrats non mouillé.
✓ Or, sans changer la nature des phases S et L, on peut transformer complètement les propriétés de mouillabilité d’un substrat en utilisant des « surfactant ».
✓ En particulier, on peut accélérer le phénomène de démouillage des surfaces hydrophiles en les rendant hydrophobes.
✓ Pour ça, on recouvre les surfaces d’un tapis moléculaire constitué de molécules désignées usuellement par l’anglicisme « surfactant », qui correspond au terme français « tensioactif ».
✓ (on traite le verre avec des polymères de trichlorosilanes CH3- (CH2)n-SiCl3).
✓ Schéma Tensioactif.
✓ Tête hydrophile => greffe sur une surface hydrophile.
✓ Queue hydrophobe => adhérence des liquides hydrophobes.
✓ Schéma Bilan : une surface hydrophile est devenue hydrophobe, donc beaucoup moins mouillante vis-à-vis de l’eau.
✓ Le démouillage est très favorisé.
✓ (le produit de rinçage d’un lave-vaisselle permet aux verres de sécher par démouillage, le film se retirant avec les impuretés).
Expérience qualitative :
✓ Objectif : mesurer γLG pour l’interface eau/air.
✓ Montage : balance d’arrachement + boy+ cuve d’eau distillée.
✓ Manipulation : descendre le boy + relever la valeur d’arrachement.
✓ Incertitudes : pureté de l’eau, lecture très imprécise…
Traitements physiques :
✓ La mouillabilité d’un substrat n’est pas seulement une propriété intrinsèque du matériau car en plus des interactions S/L, elle dépend beaucoup de l’état de surface du substrat.
✓ Application aux surfaces non mouillantes.
✓ Schéma Surface lisse plus mouillante qu’une surface rugueuse.
✓ La rugosité exalte la non mouillabilité d’une surface non mouillante.
✓ Les traitements physiques permettent d’amplifier le caractère mouillant ou non mouillant naturel d’un matériau, pas de l’inverser.
✓ On obtient ainsi des surfaces « super hydrophobes ».
Remarques :
• Parler de surfactant et pas de tensioactif car les traitements hydrophiles n’utilisent pas uniquement des tensioactifs, mais aussi des métaux.
Slide Conclusion :
• En résumé, le démouillage est un phénomène spontané qui a pour origine l’instabilité des films de faible épaisseur.
• Il peut être favorisé par des traitements de surface chimiques ou physiques démouillants.
[Gouttes, bulles, perles et ondes, PG. De Gennes, p 30-32]
[Tout le cours en fiches, A. Sevin, p 433-435]
Conclusion : 1 min
✓ Slide En définitive au cours de la dernière demie heure, il a été question de comprendre les phénomènes de mouillage et de démouillage grâce à certains paramètres et des relations physiques.
✓ On a rapidement évoqué des traitements de surface permettant de contrôler ces deux aspects de la mouillabilité.
✓ Bien sûr, il existe la réciproque des traitements pour rendre des surfaces non mouillantes.
✓ Slide (serres).
✓ Le mouillage intervient aussi dans de nombreux phénomènes.
✓ Slide (montée la sève des arbre = montée capillaire).
[Tout le cours en fiches, A. Sevin, p 435]
