Étude des propriétés triboélectriques de divers tissus synthétiques

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Étude des propriétés triboélectriques de divers tissus

synthétiques

G. Goudet, P. Laurenceau

To cite this version:

87

ÉTUDE

DES

PROPRIÉTÉS

TRIBOÉLECTRIQUES

DE DIVERS TISSUS

_{SYNTHÉTIQUES}

par G. GOUDET et P. LAURENCEAU.

Résumé. 2014

Dans cet _article, on

_indique

une méthode de mesure des charges

_acquises

sous

l’action du frottement _par des tricots en fibres _{synthétiques} et on décrit

_{l’appareillage}

corres-pondant. La méthode _{choisie permet} l’obtention de résultats suffisamment reproductibles et _précis.

Deux séries _{d’expériences} illustrent son

_{application :}

l’une examinant comparativement les

pro-priétés

triboélectriques

de tricots de chlorure de _polyvinyle et

_{d’acrylonitrile,}

l’autre étudiant le

comportement de tricots en fibres de chlorure de _{polyvinyle chargées,} à des taux _variables, de fluorure de calcium. Des _{graphiques indiquent} comment _peuvent être classés les différents tricots suivant leur _composition.

Abstraet. 2014

In this paper, a method of measuring charges due to friction caused _by knit-ed _synthetic fibers is described, as well as the corresponding apparatus. The method chosen makes it possible to obtain _fairly accurate and _reproducible results. Two sets of _experiments

illustrate its _application: One _{examining comparatively} the triboelectric properties of knitted

polyvinylchloride

and

_{acrylonitrile,}

the other studying the behaviour of knitted polyvinylchlo-ride fibers loaded with CaF2 in different amounts. Charts indicate how the different knitted materials might be classified, according to their

_composition.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT NO 7.

TOME 21, JUILLET _1960,

I. Introduction. - A la suite des travaux mon-trant l’intérêt médical des sous-vêtements doués de

_propriétés

_{triboélectriques}

de sens

_négatif,

la

mesure des

_charges

_électriques

_acquises

sous

l’ac-tion du _{frottement par les tissus}

_{synthétiques}

a

pris

un intérêt croissant.

Une série

_{d’expériences}

mettant en lumière les

propriétés triboélectriques

de divers tissus

dispo-nibles en 1954 a été _{effectuée par} MM. E. Darmois

et A. Marais

_[1].

Parmi ceux-ci ce sont les tissus en

chlorofibres

_{Rhovyl (1 ) (chlorure}

de

_polyvinyle

_pur,

en

_abrégé

C. P.

_V.)

_qui

se

_chargeaient

le

_plus

for-tement dans les conditions des

_{expériences.}

Ils étaient suivis assez loin d’ailleurs _{par des} tissus en

fibre de

_{polyacrylonitrile}

Orlon

_(2).

Depuis

cette date d’autres fibres de

polyacry-lonitrile ont été commercialisées et c’est le cas

notamment du Dralon

_(3).

Il était donc intéressant de savoir

_si,

du

_point

de vue

triboélectrique,

les

fibres de

_{polyacrylonitrile}

différaient les unes des autres et comment elles se situaient par

_rapport

aux fibres de C. P. V.

En

_outre,

de récentes études ont _{démontré que} l’introduction dans le C. P. V. d’un

_léger

pourcen-tage

de

_pigments

_minéraux,

le fluorure de calcium Ca

_{F2 par exemple,}

modifiait le

_comportement

tri-boélectrique

du C. P. V. dans le sens d’un accrois-sement des

_charges

obtenues

_{;. cet}

accroissement est suffisamment

_important

_{pour que la fibre} C. P. V. pur soit moins

électronégative,

c’est-à-dire

qu’elle prend

une

_charge

_{positive lorsqu’on}

la frotte

avec la fibre C. P. V.

_chargée

au fluorure. Il

deve-nait donc intéressant de déterminer le

_pourcentage

optimum

de Ca

_F2

à introduire dans le C. P. V.

pour obtenir les meilleurs résultats.

Les deux

_objectifs

de l’étude

_ci-après

ont été atteints :

10 en

_{comparant :}

un tricot en _{C. P. V. pur}

_(Rhovylj.

Échantillon n° 1

avec des tricots de contexture similaire

en C. P. V. + 0,5 % Ca F2

_(Fluooyl).

Échantillon nD 2

en fibres _{acryliques pures}

_(Dralon).

Échantillon no 3

et en fibres _acryliques pures

(Orlon).

Échantillon no4

20 en

_comparant

entre eux des tricots :

H. Méthode de mesure. - PRINCIPE. - Des échantillons de surface connue sont

_découpés

dans

chacun des tissus soumis à

_{l’expérimentation.}

Ils

sont

_chargés

_{par passage} dans un frotteur

métal-lique.

La

_{charge acquise}

est _{mesurée par} un

élee-tromètre à

_quadrants

connecté à un

_cylindre

de

Faraday.

PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS. - Les

échan-tillons de 6 cm X 2 cm sont lavés avec un

_détergent

de

_{synthèse (Omo),}

_{puis soigneusement}

rincés à

l’eau du

_{robinet ;}

et

_enfin,

sauf mention

_spéciale,

rincés à l’eau distillée. Un fil de

_Nylon

très

_fin,

attaché à l’un des

_{petits côtés,}

_permet

de tirer

l’échantillon

_puis

de le

_plonger

dans le

_cylindre

de

Faraday

sans

_{qu’il perde}

sa

_{charge. Après}

une

expérience,

l’échantillon est abandonné

_pendant

24 heures au moins afin de le

_décharger.

(1 )

Rhovyl, marque déposée par la Société RHOVYL.

(2) Orlon, marque déposée par la Société DU PONT.

(3 )

Dralon, marque déposée par BAYER.

88

LE FROTTEUR. - Le choix du frotteur doit être fait avec un soin

_particulier.

En effet il est difficile

d’exercer une action très

reproductible

conduisant à des résultats fidèles. C’est la recherche de cette

fidélité

_qui

a conduit au frotteur utilisé au cours

des essais. Il est

_représenté

_{( fig.}

_1).

Deux lames

.FIG. 1.

métalliques,

dont l’une est fixe et l’autre mobile

autour de l’axe horizontal

_AA’,

sont en contact _par

leurs

extrémités recourbées

_Bi

et

_{B 2.}

Ces

_{extrémités,}

entre

_lesquelles

_{passe le tissu à}

électriser,

sont en acier

inoxydable.

Leur rayon de courbure est de 5 mm environ. Elles sont

appli-quées

l’une sur l’autre par un

poids

_posé

à

l’empla-cement de la flèche F. Si celui-ci est

_trop

lourd

(500 g)

les

_{charges prises}

sont

_importantes,

les

potentiels

élevés,

et des

_pertes

_par

_disrupture

peu-vent

_apparaître.

De

_plus

les échantillons sont

rapi-dement déformés et ne

_peuvent

être utilisés de

nombreuses fois. Si le

_poids

est

_{trop faible,}

seules les fibres

_{superficielles}

viennent en contact avec le

métal et les

_charges

_prises

sont faibles. Les

_charges

résiduelles et celles

_qui

sont dues aux frottements

accidentels

_risquent

de ne

_plus

être

négligeables

et

d’entacher la

_précision

des mesures. La valeur

opti-mum s’élève à 50 g et donne dans tous les cas des

charges

très facilement mesurables sans

_qu’il

en

résulte de

_champs

élevés et de déformation

impor-tantes.

Cet

_appareil,

_{bien que} très

_simple,

_présente

deux

avantages :

1° absence de

_charges

sur les

parties

frottantes

qui

sont réunies au

_{sol ;}

2° force de frottement bien déterminée.

Le seul

_paramètre

_qui

reste mal déterminé est la

vitesse _{de passage} entre les becs. On a vérifié _que

’celle-ci n’avait _pas une influence

_majeure

en

effec-tuant _{presque simultanément} des _passages lents

(3

s

_environ)

et des

_passages

_{rapides (1/2}

s

environ).

La différence des

_{charges prises}

_{par des échantillons} de C. P. V. est inférieure à 10

_%.

MONTAGE

_ÉLECTRIQUE.

- Le schéma de

l’ins-tallation est donné

_figure

2. On reconnaît le

mon-FIG. 2.

tage

hétérostatique

dissymétrique

de

l’électro-mètre.

_L’aiguille

est

_portée

_{à 67 volts par}

_rapport

à l’une des

_paires

de

_quadrants,

elle-même reliée à

la terre ainsi _{que les}

_blindages.

L’autre

_paire

de

quadrants

fait

_partie,

avec le

cylindre

de

Faraday,

du conducteur isolable. En fait

_partie

_également

une armature de chacun des condensateurs c _{et y.}

La deuxième armature de c est reliée à la

_terre,

_et,

pour

permettre

une mesure

_correcte,

son isolement

doit être excellent. On a

observé,

avec un

con-densateur c de 5 000

picofarads

isolé au

styroflex

une

_perte

de

charge

inférieure à

1/200

en 1 heure.

L’essai

_{d’isolement,}

_plusieurs

fois

_répété

au cours

des

_expériences

a

_toujours

donné le même résultat.

Le condensateur _{y est} un étalon de 500 cm

soit 555

_pf.

Sa deuxième armature

_peut

être

_portée

à un

potentiel

V

réglable

et connu _{par la lecture}

d’un

voltmètre,

ce

_qui

_permet,

comme on va le voir

maintenant,

d’étalonner le

_montage.

Appelons

c’ la

_capacité

_par

_rapport

au

_sol,

c’est-à-dire aux

_blindages

du

cylindre

de

Faraday,

des

quadrants

isolables et des fils de

connexion,

et

posons C = _{c +} c’. C

représente

la

capacité

totale

du conducteur isolable par

rapport

à la terre. En

négligeant

l’influence que

peut

exercer sur lui

l’aiguille

de l’électromètre et en

_{appelant v}

son

potentiel,

le schéma de l’installation se ramène à celui de la

_figure

3.

_{Soit Q}

la

_charge

introduite dans le

_cylindre

de

_Faraday.

Elle fait

_apparaître,

_par

influence,

sur l’ensemble du conducteur isolable une

charge égale.

Ce conducteur

_prend

donc un

poten-tiel v donné _{par :}

Pendant la _mesure, on fait V = 0. Alors

Pour étalonner

_{l’électromètre,}

le conducteur iso-lable est

_déchargé

_{(c’est-à-dire Q}

=

0). Après

l’avoir à nouveau

_isolé,

V est

_réglé

de

_façon

à obte-nir la même déviation du

_spot,

c’est-à-dire le même

potentiel v

du conducteur isolable.

_{L’équation (1)}

fournit alors

L’égalité

de v dans ces deux

expériences

_permet

d’écrire :

Ayant

mesuré _{V pour}

_chaque

valeur de la dévia-tion oc du

_spot,

on

_peut

_donc,

connaissant _y, en

déduire

_Q

et tracer une courbe d’étalonnement don-nant la

_charge

en fonction de la déviation. On voit

que, dans l’évaluation

numérique

de

W,

seule la

capacité

y intervient.

Cependant,

le rôle du

con-densateur c

_apparait

dans les formules 2 et 3

_(où

l’on se souvient _que C = _c +

c’) :

il

permet

d’adapter

la sensibilité de

l’électromètre

à l’ordre de

_grandeur

des

_charges

à mesurer. Celles-ci ont

des valeurs de l’ordre de 10-9 coulomb. Avec

et

l’équation

2 fournit _{pour v des valeurs de l’ordre}

de

_0,2

volt

_qui

sont aisément mesurables avec un

électromètre pourvu d’un fil de

suspension

relati-vement gros, et sont

_cependant

si faibles

_qu’aucun

phénomène

de

_disrupture

n’est à craindre. Les valeurs de V

_qui

s’élèvent à

_quelques

_volts,

sont

également

très faciles à mesurer. La courbe

d’éta-lonnement obtenue est une droite dont la

_pente

est de 92

_picoloulomb

_{par millimètre de} déviation.

ÉTAT HYGROMÉTRIQUE

DE L’AIR. - Les varia-tions d’humidité

_pouvaient,

elles

_aussi,

entraîner

des écarts entre les résultats obtenus à des moments

différents. La teneur en _{vapeur d’eau} a été mesurée

chaque

jour

avec un

_hygromètre

à

_point

de rosée.

Au cours de la

période

très sèche durant

laquelle

se sont eff ectuées _{les mesures,} l’humidité relative n’a

varié

_qu’entre

43 et 57

_%.

Dans ces limites on n’observe _{pas de corrélation} entre les

_charges

mesu-rées et le

_degré

d’humidité.

FROTTEMENTS RÉPÉTÉS D’UN MÊME

ÉCHAN-TILLON. - On _a cherché à

préciser,

au cours de

cer-taines

_expériences

_{préliminaires,}

les conditions dans

lesquelles

les mesures sont les

_plus

valables. C’est ainsi notamment

_qu’on

_peut,

soit mesurer la

_charge

maximum

_acquise

_par un échantillon à la suite de

frottements

_répétés,

soit la

_{charge acquise après}

un

seul passage dans le frotteur. La mesure de la

charge portée

par un échantillon .en fonction du

nombre _{de passages} a été effectuée sur divers tissus.

Le

_temps

_séparant

_{les passages était}

_juste

le

_temps

nécessaire à la _mesure, soit 15 à 20 secondes. Le

cylindre

de

_Faraday

_{était isolé intérieurement par}

une couche de téflon ou de

_plexiglas

_{pour éviter que}

l’échantillon _y

_perde

sa

_charge.

Des résultats

ty-piques

sont donnés

_{(fig. 4).}

Deux courbes sont

rela-FIG. 4.

tives à deux échantillons

_identiques

en C. P. V. _pur

(échant. 1).

Au

_voisinage

du maximum chacune

d’elles forme des dents de scie

_qui

montrent

_qu’à

partir

d’une densité de

_{charge (moyenne)}

de 16 microcoulombs par mètre carré environ des

décharges

s’amorcent au _{passage dans le}

frotteur,

limitant la

_charge

à une valeur

qui

ne

_dépend

vraisemblablement

_plus

_uniquement

des

_propriétés

triboélectriques

du tissu.

La

_charge

de

_{polyacryliques}

_{(Dralon, échant, 3)}

au contraire

_augmente

_{régulièrement, quoique}

de moins en moins vite et semble tendre vers un

é-90

rieure aux 16

microcoulombs/m2

correspondant

à

l’apparition

des

_décharges

sur le C. P. V. _pur

(échant. 1).

Il résulte de ces _{essais que}

_si,

dans les conditions de nos

_{expériences,}

la

_charge

maximum

_acquise

_par certains tricots comme ceux en fibres

polya-cryliques

Dralon semble bien caractériser le

maté-riau

_qui

_{le compose, la}

_charge

maximum

_acquise

par les fibres C. P.

V.-Rhovyl

et par d’autres tricots

est limitée _par un

_phénomène

parasite.

C’est

pour-quoi

les

_expériences

suivantes ont

_porté

sur la

com-paraison

des

_charges

_prises

_après

un seul passage

dans le frotteur et _que nous

_appellerons

première

charge,

plutôt

que sur la

comparaison

des

charges

maximum

_qui

_paraît

moins

_{significative.}

Il est d’autre

_part

_{évident que les}

_expériences

effectuées avec des

_potentiels

faibles devant le

po-tentiel

_disruptif

sont les

_plus

fidèles.

PRÉCISION SUR LA MESURE DE LA PREMIÈRE

CHARGE. - La

précision

des mesures

_dépend

des conditions

_{expérimentales}

et il faut

_distinguer

les

mesures consécutives des mesures

_espacées

de

24 heures ou

plus.

Comme il n’est pas

possible

d’effectuer à la suite

plusieurs

mesures sur le même

_{échantillon,}

car

il faut _{attendre des heures pour}

_qu’il

se

_décharge,

on a

_découpé

dans le même morceau de tissu dix

échantillons de même surface. Ils ont été lavés et

séchés

_ensemble,

de

_façon

à être aussi semblables

que

possible.

Lors de la mesure, la

charge résiduelle,

toujours

très faible et le

_plus

souvent

_nulle,

était

déduite. On a _{pu ainsi effectuer des groupes de}

10 mesures

_pratiquement

simultanées. Pour chacun de ces _groupes on a _{calculé la valeur moyenne de la}

densité de

_{charge, puis}

_{la moyenne des} écarts.

Celle-ci s’échelonne de

_1,8

à 11

_%

avec la

répar-tition

_{représentée}

sur la

figure

5. On voit que

FIG. 5.

l’écart moyen le

plus

probable

est de 6 à 7

_%.

Cet

écart totalise les effets de

_dispersion

_provenant

d’expériences

différentes consécutives et du

prélè-vement de

_petits

échantillons différents dans une

même

_pièce

de tissu.

Si maintenant on

_considère,

_pour

_chaque

tissu,

la moyenne

générale

de tous les

_résultats,

indépen-damment de

_l’époque

à

_laquelle

ils ont été

_obtenus,

la

_dispersion

est un _peu

_plus

grande

qu’à

l’intérieur

d’un groupe de mesures

rapprochées

dans le

_temps.

Toutefois,

l’écart moyen ne

dépasse

10

%

_que

pour 6 des échantillons

qui

ont donné lieu aux

essais.

III. Résultats. -

Ces^ moyennes

sont donc très

significatives,

et elles sont

_{représentées}

graphi-quement

sur les

_figures

6 et 7. La hauteur des

FIG. 6. - Densité de

charge en microcoulomb par in2

colonnes est

_{proportionnelle}

à la densité de

_charge,

exprimée

en microcoulomb par mètre carré

_prise

par un tricot

_après

être

_passé

une fois dans le

frotteur. De

_part

et d’autre du sommet on a hachuré

la zone

_{correspondant}

à l’écart moyen calculé sur l’ensemble des mesures.

De ce

_qui

_précède,

il semble

_{qu’on puisse}

tirer les conclusions suivantes :

-10 Les échantillons 1 à 4 sont tricotés de la même

façon.

Les résultats font donc ressortir des

diffé-rences

correspondant

à la

composition

des fibres.

On voit

_{(fin. 6)}

_{que c’est le C. P. V.} +

0,5

%

Ca

_F2

(échant. 2) qui

prend

les

_charges

les

_plus

élevées. Il est _{immédiatement suivi par le C. P. V. pur}

(échant. 1).

Quant

aux fibres

_acryliques

_(échant.

3

et

₄₎

elles

_sont,

du

_point

de vue

_{triboélectrique,}

beaucoup

inférieures aux

précédentes.

2° Les échantillons 5-6-7 et 8 sont en C. P. V.

additionné de fluorure de

_calcium,

en

proportion

variable

_{(voir § 1).}

En

_dépit

d’une

_dispersion

des résultats

_supérieure

aux différences

observées,

le

pourcentage

le

_plus

faible de fluorure de calcium

semble conférer au C. P. V. les

qualités

les

plus

intéressantes.

IV. Conclusion. -- Avec la méthode de

mesure

utilisée pour comparer les

qualités triboélectriques

des différents tissus

_essayés,

les échantillons ne

prennent

que des

charges

relativement

_faibles,

et

le

_{champ électrique}

dans leur

_voisinage

reste de loin inférieur au

_{champ disruptif.}

Les résultats

obtenus de cette

_façon

sont _suffisamment

repro-ductibles et

_précis

_pour

_permettre

la discrimination

des échantillons et _{pour faire}

_apparaître

l’influence de différents facteurs tels _{que la}

_composition

ou le

tissage.

Manuscrit reçu le 10 février 1960.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Sur les _{propriétés triboélectriques} de divers tissus en