Thermodynamique des surfaces/Mouillage

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Le mouillage d'un liquide sur un solide désigne la forme que prend le liquide sur la surface du solide (on parle de mouillage statique).

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remarque = on étudie souvent le mouillage solide-liquide mais le concept est plus large et on a aussi le mouillage liquide-liquide. On devrait donc plutôt dire mouillage substrat-liquide. On peut par exemple étudier le mouillage des alcanes sur l'eau.

Voir par exemple = Emanuel Bertrand, Transitions de mouillage: rôle des interactions entre interfaces, page 75

On peut aussi étudier la façon dont se comporte le liquide lorsqu'on essaie de le faire couler sur une surface inclinée (hystérèse, ancrage) (ici on parle de mouillage dynamique). Ce mouillage dynamique est étudié pour des applications comme par exemple les pare-brises de voitures.

Étalement

Quand on dépose un liquide sur un solide, il peut former une goutte ( mouillage partiel ) ou bien il peut s'étaler totalement ( mouillage total ). Le mouillage du liquide est caractérisé par le degré d'étalement.

Goutte de liquide sur une surface solide.
L'angle θ entre le fluide et le solide est l' angle de contact.

Modèle de la surface solide idéale

Une surface solide idéale sera une surface plate, rigide, parfaitement douce et sans impuretés. Il n'y aura pas de phénomène d'hystérésis sur l'angle de contact.

Coefficient d'étalement

Goutte de liquide sur une surface solide.
On a 3 interfaces à considérer

Soit une goutte sur une surface, on a 3 interfaces à considérer:

• interface solide-air (solide sec) (noté sg)
• interface solide-liquide (noté sl)
• l'interface liquide-air (noté lg)

On a alors trois tensions superficielles et on exprime le coefficient d'étalement S_étal par :

$S_{etal}=\gamma _{sg}-(\gamma _{sl}+\gamma _{lg})$

Le coefficient d'étalement S_étal s'exprime, comme la tension superficielle γ en J/m² ou en N/m.

Si S_étal > 0 alors le liquide s'étale sur la surface ( mouillage total ).

Si S_étal < 0 alors le liquide forme une goutte ( mouillage partiel ).

L'équation de Young–Dupré :

$S_{etal}\ =\gamma _{lg}.(\cos \theta -1)$ pour S_étal < 0

Les surfaces solides rugueuses (i.e. non-ideales)

Les surfaces réelles sont rugueuses

hystérésis de l'angle θ

Les surfaces réelles sont rugueuses, pas totalement rigides et avec des impuretés à la surface. On a donc dans ce cas un phénomène d’hystérésis de l'angle de contact avec un angle θ_a quand on fait grossir la goutte et un angle θ_r quand on fait diminuer la goutte.

Si on compare l'angle θ de la surface idéale et l'angle θ* de la surface rugueuse, on a la relation :

$\cos \,{\theta ^{*}}=r\cos \,{\theta }$

(relation de Wenzel)

où r est le taux de rugosité.