THEORIE

Les modèles de mouillabilité

Des gouttes d'eau reposant sur une surface solide peuvent montrer un effet de mouillabité ou non. En considérant une goutte sessile sur une surface idéale ,solide et homogène(voir figure suivante). Trois interfaces différentes existent et sont décrites par les énergies libres de surfaces (J/m² ou N/m)correspondantes : γ^sl est l'énergie libre d'interface solide-liquide , γ^lv est l'énergie libre d'interface liquide-vapeur , γ^sv est l'énergie libre d'interface solide-vapeur. Le liquide repose sur la surface solide à un angle de contact d'équilibre, θ. Chacune des interfaces décrit la ligne de contact d'une manière à ce que l'aire correspondante d'interface soit minimisée[8] .

Modèle de Young [9]

En observant l'équibre des forces on obtient l'équation suivante:

∑Fx = γ^sv - γ^sl - γ^lvcosθ = 0 (1)

En réarrangeant l'équation (1), on obtient l'équation de Young:

γ^lvcosθ = γ^sv - γ^sl (2)

L'équation de Young montre une relation entre l'angle de contact d'équilibre avec les énergies libres de surfaces. Si l'angle de contact θ< 90° , la surface est hydrophile ce qui indique qu'il y a un effet de mouillabilité et si θ>90° , alors la surface est hydrophobe ce qui indique qu'il n'y a pas d'effet de mouillabilité .

En général, les surfaces avec une énergie libre de surface faible sont hydrophobes , et les surfaces avec une énergie libre de surface grande sont hydrophiles.[8]

L'équation de Young ne peut pas être employée directement pour expliquer l'effet de rugosité de surface sur la mouillabilité d'un matériau car équation (2) n'est uniquement valide que pour les surfaces solides idéales et lisses. Il y a deux modèles qui expliquent les propriétés de mouillabilité d'un matériau lorsqu'une goutte d'eau repose sur une surface rugeuse (non parfaite) , ce sont le modèle de Wenzel et le modèle de Cassie-Baxter.

Le modèle de Wenzel:

Le liquide reposant sur la surface rugeuse pénètre dans les rainures de surface causées par les protusions de surface. Cet état de mouillabilité est appelé : état de Wenzel , décrit par l'équation suivante :

cosθ_W = rcosθ

où θ_w est l'angle de contact apparent qui correspond à l'état d'équilibre stable (i.e, énergie libre du système minimale) , θ est l'angle de contact d'équilibre, et r est le ratio de rugosité. Le ratio de rugosité r est le quotient entre l'aire de la surface réelle et l'aire de la surface projetée et la valeur de r est toujours supérieure à 1 pour toute surface qui possède une rugosité au niveau moléculaire.

L'état de Wenzel explique pourquoi les surfaces hydrophobes tendent à être plus hydrophobes [10-11](quand θ> 90° , θ_w est toujours supérieur à θ) quand la rugosité de surface augmente et pourquoi les surfaces hydrophiles tendent à être plus hydrophiles (quand θ< 90°, θ_w est toujours plus grand que θ) lorsque la rugosité de surface augmente [10-11].

État de Wenzel [8]

L'état de Cassie-Baxter:

En ce qui concerne l'état de Cassie-Baxter, le liquide n'est seulement en contact qu'avec le sommet des protusions de surface, de l'air reste piégé dans les rainures. Cet état est décrit par l'équation suivante :

cosθ_CB = Φ_Scosθ + Φ_S - 1

Où θ_CB est l'angle de contact apparent qui correspond à l'état d'équilibre stable(i.e. énergie libre de surface minimum), θ est l'angle de contact d'équilibre, et Φ_S la fraction d'aire de l'interface liquide-solide obstruée par la texture de surface.

État de Cassie [8]

Sur une surface peu rugueuse et modérément hydrophobe, l’énergie associée à l’interface solide-liquide n’est pas trop élevée, alors que la création de poches d’air sous la goutte le serait plus : on attend alors un comportement de Wenzel. Au contraire, pour un solide très rugueux, il devient énergétiquement plus favorable de créer des poches d’air et l’état « fakir » est privilégié, état de Cassie. On verra que le modèle de Wenzel est le modèle à choisir pour notre expérience en ce que le PETG augmente sa mouillabilité de manière significative, ce qui à tendance à empaler la goutte sur la surface rugeuse .

Mesure d'angles de contact

Montage du Gonimètre [12]

Goniomètre: A l'aide d'une seringue motorisée et contrôlée depuis un logiciel de traitement de données on est capable de déposer en goutte à goutte le liquide sur l'échantillon étudié. Une caméra se charge de l'acquisition des images. Dans ce projet, la méthode goutte sessile est employé pour permettre les enregistrements d'angles de contact. Méthode sessile: La méthode de la goutte sessile est une méthode utilisée pour la caractérisation des énergies de surfaces(J/m²). En plaçant une goutte de liquide avec une énergie de surface connue, la forme de la goutte, plus spécialement l'angle de contact, et l'énergie de surface connue du liquide sont les paramètres qui peuvent être utilisées pour calculer l'énergie de surface de l'échantillon solide.