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Le pont capillaire : un outil puissant de caractérisation des surfaces


Le pont capillaire : un outil puissant de caractérisation des surfaces

La fabrication de matériaux innovants présentant des propriétés d’adhésion contrôlées est un enjeu majeur dans bien des domaines pratiques. Il est souvent souhaitable de diminuer fortement l’adhésion. On peut citer par exemple le contrôle de l’adhésion de biofilms sur des surfaces chirurgicales, les revêtements anti-graffitis sur les surfaces des immeubles, les tissus antitaches ou les couches anti-salissures sur les verres de lunettes. Afin d’optimiser la qualité de ces revêtements, les tests usuels d’adhésion (comme le test de pelage qui consiste à mesurer la force nécessaire pour arracher un ruban adhésif souple de la surface à étudier) sont souvent impuissants car les forces en jeu sont très faibles.

 

Figure 1 : Dispositif expérimental.
Les deux photographies représentent le pont liquide en régime quasistatique vu de dessus et vu de côté.

 

Au Laboratoire de Physique des Solides, et grâce à l’aide précieuse des ingénieurs et techniciens du service « Electronique et Instrumentation », nous avons développé un test original qui met en compétition l’élasticité de surface d’un liquide, c’est-à-dire sa tension de surface, et l’adhésion solide-liquide. Dans ce test, appelé « Pont capillaire », une surface courbe, traitée anti-adhésive, est mise en contact avec un bain liquide. L’évolution du pont capillaire en fonction de la distance imposée entre la surface et le bain liquide permet de caractériser l’aptitude de la surface à retenir le liquide. Il est alors possible de classer de façon très fine différents revêtements anti-adhésifs les uns par rapport aux autres. Deux régimes très différents de vitesses de tirage ont été mis en évidence. A faible vitesse le pont capillaire reste quasi-statique et stable pour des distances bain-surface inférieures à une distance limite, à laquelle le pont se rompt. On peut alors effectuer des cycles d’avancée – retrait et, par une mesure très simple de l’aire de contact du liquide sur la surface, caractériser avec une précision au moins dix fois supérieure à celle des méthodes classiques l’hystérèse de l’angle de contact fluide – solide, sur toute la surface du revêtement. Cette hystérèse conditionne le volume de la goutte de liquide qui reste attachée à la surface à la rupture du pont capillaire, et est une quantification de l’ « adhésion » du fluide sur la surface. A plus forte vitesse de tirage, le pont capillaire change de forme : un film fin de liquide que nous avons baptisé « la crêpe » reste déposé sur la surface. La partie centrale du pont capillaire évolue pratiquement comme en régime quasi-statique, tandis que la crêpe recule plus lentement. Le volume de fluide restant attaché à la surface à la rupture du pont capillaire est alors plus important qu’en régime quasi-statique, indiquant une « adhésion » dynamique plus importante que l’ « adhésion » statique. La vitesse de reculée de la crêpe, qui se comporte comme un film de démouillage dynamique, apparaît extrêmement sensible à de très petits détails du revêtement affectant la friction du fluide sur la surface. Cette technique devrait, dans l’avenir, permettre de préciser les corrélations entre adhésion et friction, et de mieux comprendre les mécanismes de piégeage d’une ligne triple solide – liquide – gaz par des défauts de surface chimiques ou physiques.

 

Figure 2 : Rupture du pont liquide fabriqué entre une sphère et un bain liquide à haute vitesse de tirage, dans le cas des liquides visqueux.

 

Cet outil a été mis au point dans le cadre d’un collaboration de plusieurs années avec la société Essilor, et une nouvelle version améliorée de cette expérience leur a été fournie par les services Elinstru et Mécanique-cryogénie.

 

Contact :

F. Restagno (restagno@lps.u-psud.fr)

L. Léger (leger@lps.u-psud.fr)

 

References :

[1] Contact angle and contact angle hysteresis measurements using the capillary bridge technique Frédéric Restagno, Christophe Poulard, Céline Cohen, Laurianne Vagharchkian, et Liliane Léger, Langmuir, Langmuir, DOI : 10.1021/la901616x.

[2] Capillary Bridge Formation and Breakage : A Test to Characterize Antiadhesive Surfaces Laurianne Vagharchakian, Frédéric Restagno, Liliane Léger The Journal of Physical Chemistry B 2009 113 (12), 3769-3775.