Tension interfaciale et phénomène de mouillage

Notons enfin que la situation de mouillage n’est pas toujours souhaitée : on cherche

parfois, au contraire, à l’éviter : hydrofugation des bétons ; revêtements anti-adhésifs ; procédé offset, qui impose que l’encre ne mouille que la forme imprimable, une solution

de mouillage se déposant sur les autres zones (figure 7.1e) ; traitement des pneus pour

adhérer même sur une surface mouillée (figure 7.1f).

Pour maîtriser le mouillage, il faut d’abord comprendre les phénomènes physico-

chimiques qui le sous-tendent, notamment le rôle de la tension interfaciale. Cela nous permettra de dégager un critère de mouillage, que nous appliquerons ensuite à différentes situations : traitement de surfaces, additifs employés en formulation pour favoriser l’étalement des liquides ou le mouillage de poudres, additifs permettant au contraire d’empêcher le mouillage.

7.1 Tension interfaciale et phénomène de mouillage

7.1.1 Qu’est-ce que le mouillage ?

Figure 7.2 – A gauche : mauvais mouillage ; à droite : bon mouillage

Définition 7.1.1 — Mouillage. Étude du comportement d’un liquide déposé sur un

solide.

La qualité du mouillage peut être évaluée à partir de la forme de la goutte, notamment

de l’angle avec lequel elle rejoint de solide. Ce dernier est appelé angle de contact, plus sa valeur est élevée moins le mouillage est bon.

Figure 7.3 – Représentation de l’angle de contact θ dans différentes situations de mouillage 7.1 Tension interfaciale et phénomène de mouillage 99

Le cas où θ = 0 est un cas extrême pour lequel l’étalement du liquide se fait jusqu’à ce qu’un film mince recouvre totalement le support. Dans ce cas, on n’est plus réellement dans une situation d’équilibre, l’interface entre la phase solide et la phase gazeuse étant instable. On appelle cette situation mouillage total. Dans la pratique, on se satisfera généralement d’un bon mouillage (θ < 90˚). À l’inverse, on considérera que le liquide ne mouille pas le support dès lors que θ > 90˚(mauvais mouillage). Dans le cas des surfaces superhydrophobes, on observe fréquemment des angles de contact θ > 150˚(effet lotus,

voir figure 7.4).

Figure 7.4 – Effet lotus

7.1.2 La tension interfaciale

Origine physique et définition

L’angle de contact et le mouillage sont liés à une caractéristique fondamentale de toute interface : la tension interfaciale. Considérons une goutte d’eau. L’eau est un liquide, c’est-à-dire un état condensé : les molécules s’attirent. Au sein du liquide, les molécules bénéficient d’interactions attractives avec toutes leurs voisines et sont dans un état « heureux ». Au contraire, à la surface du liquide, elles perdent la moitié des

interactions cohésives et sont « malheureuses » (voir figure 7.5). Elles « poussent » vers l’intérieur du liquide ... un peu comme des personnes qui chercheraient à entrer dans le métro à l’heure de pointe ! En raison de cette « tension », la surface d’un liquide ressemble à la membrane d’un ballon de baudruche, elle a tendance à se contracter de manière à minimiser sa superficie.

Figure 7.5 – L’origine physique de la tension superficielle : les molécules en surface perdent la moitié des interactions attractives et « poussent » vers l’intérieur du liquide.

100 Chapitre 7. Comment améliorer le mouillage ?

Définition 7.1.2 — Tension interfaciale. 2 Energie à fournir pour augmenter de 1 m la

surface de contact entre deux phases différentes. La tension interfaciale s’exprime en

N.m-1 -1 -1 (on rencontre parfois une ancienne unité : 1 dyne.cm = 1 mN.m).

R Le terme tension superficielle (ou tension de surface) est habituellement reservé

aux interfaces entre les milieux denses (solides, liquides) et les gaz.

De nombreux phénomènes résultent de l’existence de tensions de surface : des objets légers, bien que plus denses que l’eau, ne coulent pas car ils ne peuvent pas pénétrer la

« membrane » que constitue sa surface (figures 7.6a et 7.6b) ; les liquides en apesanteur

ont une forme sphérique de manière à minimiser leur superficie (figures 7.6c et 7.6d) ; les

cheveux mouillés « collent » sous l’action de la tension superficielle(figure 7.6e).

Figure 7.6 – Quelques conséquences de la tension interfaciale

Techniques de mesure

Les méthodes de mesure de la tension interfaciale sont nombreuses. En voici les plus

classiques :

• Méthode de Wilhelmy : on plonge une lame (ou un anneau) dans un bain de liquide

et on mesure la force capillaire sur cette lame lorsqu’on l’arrache du liquide.

• Montée du liquide dans un capillaire fin. • Méthodes de goutte : il est possible de déduire la tension superficielle d’un liquide

en fonction de la forme de la goutte dans divers états (posée, tournante, pendante).

Toutes ces méthodes exigent beaucoup de précautions. Les surfaces des liquides se

contaminent très facilement, ce qui diminue généralement leur énergie de surface. Les solides doivent aussi être soigneusement préparés (flammage, dégraissage ...).

7.1 Tension interfaciale et phénomène de mouillage 101

Exemple 7.1.1 — Tensions superficielles de quelques liquides.

Liquide -1 Tension superficielle à 20˚C (mN.m)

Perfluorocarbures 8-15 Hydrocarbures 18-30 Polydiméthylsiloxane (silicone) 20 Solvants polaires 22-50 Eau 73 Eau + 10% NaCl 76 Eau + 0.1% tensioactif 32 Mercure 485

7.1.3 À la recherche d’un critère de mouillage

Loi de Young-Dupré

Figure 7.7 – Détermination de θ à partir des forces capillaires

Il nous est désormais possible de prévoir théoriquement le mouillage à partir des tensions interfaciales relatives aux phases en présence. Il suffit d’écrire l’équilibre des forces capillaires agissant sur la ligne de contact (encore appelée ligne triple), comme

indiqué sur la figure 7.7. Par projection sur le plan solide on obtient :

γ cos = LG θ γ − SG γLS

On en déduit alors l’équation de Young-Dupré, permettant de déduire l’angle de contact des tensions interfaciales :

cos γ − SG γLS = θ (7.1) γ LG

On peut constater que l’angle θ n’est pas défini si γ − SG γ , ce qui correspond LS > γ LG au mouillage total. On remarque également qu’un liquide sera d’autant plus mouillant que sa tension superficielle est basse, alors qu’un solide sera d’autant plus mouillant que sa tension superficielle est élevée. L’équation de Young est difficilement utilisable telle quelle car le terme γ ne peut pas être déterminé de manière indépendante : il LS

est une fonction de γ SG et des interactions spécifiques entre le solide et le liquide. C’est 102 Chapitre 7. Comment améliorer le mouillage ?