Énergie de surface des solides expliquée
Figure 1 : Les liquides roulent plus facilement sur les surfaces avec une faible énergie de surface.
L'énergie de surface d'un solide est une mesure de la facilité avec laquelle une surface peut être mouillée par un liquide et donne une indication des propriétés d'adhésion attendues sur ce solide. L'énergie de surface peut être déterminée expérimentalement en effectuant des mesures d'angle de contact avec plusieurs liquides de test.
Qu'est-ce que l'énergie de surface d'un solide ?
L'énergie de surface décrit un cas particulier d'énergie interfaciale, à savoir à la surface d'un solide face à un gaz (généralement l'air ambiant). L'énergie de surface est une mesure de la facilité avec laquelle la surface solide peut être mouillée par un liquide. De plus, l'énergie de surface influence la qualité de l'adhérence des matériaux solides ou liquides à la surface solide.
Exemples d'applications importantes pour les mesures d'énergie de surface
En pratique, une énergie de surface plus élevée des solides indique un meilleur mouillage et donc une meilleure adhésion. Si une surface solide avec une énergie de surface élevée entre en contact avec une goutte d'eau, un angle de contact faible se forme. Cela signifie que les gouttes d'eau s'étalent sur la surface. Le verre, la céramique et de nombreux métaux sont des exemples de solides dont les surfaces ont naturellement une énergie de surface élevée.
Une faible énergie de surface indique un mauvais mouillage et donc une adhésion réduite. Lorsqu'une goutte d'eau est en contact avec ce type de surface, un angle de contact élevé se forme. Cela signifie que la goutte d'eau repose sur la surface et ne s'étale pas. De nombreux plastiques [Note d'application : Substrats type polymère] possèdent à l'origine une faible énergie de surface. Les matériaux à faible énergie de surface nécessitent un prétraitement avant de pouvoir être traités ultérieurement, par exemple imprimés ou collés. D'autres matériaux sont spécialement développés pour avoir des propriétés déperlantes, comme les revêtements textiles ou les vitres.
Comment peut-on mesurer l'énergie de surface d'un solide ?
L'énergie de surface d'un solide peut être déterminée en mesurant plusieurs angles de contact avec un goniomètre et la méthode de la goutte sessile. Concrètement, on mesure les angles de contact d'au moins deux liquides de test dont la tension superficielle est connue. Les liquides de test populaires sont l'eau, le diiodométhane, l'éthylène glycol ou le thiodiglycol.
L'énergie de surface d'un solide peut être calculée à partir de ces mesures d'angles de contact selon divers modèles. Ces modèles incluent des calculs des différentes interactions qui se produisent entre le solide et le liquide. La répartition en interactions de dispersion et polaires est particulièrement bien établie.
Le modèle le plus couramment utilisé provient de Owens, Wendt, Rabel et Kaelble. On l'appelle également le modèle OWRK. Ce modèle contient les moyennes géométriques des composantes de dispersion et polaires de la tension superficielle du liquide et de l'énergie de surface du solide :
L'étape suivante consiste à se référer à l'équation de Young (Angle de contact expliqué), qui exprime la relation entre l'angle de contact, la tension superficielle et l'énergie de surface :
Si le modèle OWRK est maintenant substitué dans l'équation de Young, il peut être converti en une équation linéaire sous la forme y = mx + c :
Les symboles suivants ont été utilisés :
- σSL : Tension interfaciale entre le liquide et le solide
- σS : Énergie de surface du solide
- σSd : Composante de dispersion de l'énergie de surface du solide
- σSp : Composante polaire de l'énergie de surface du solide
- σL : Tension superficielle du liquide de test
- σLd : Composante de dispersion de la tension superficielle du liquide de test
- σLp : Composante polaire de la tension superficielle du liquide de test
- θC : Angle de contact à l'équilibre
Cette équation linéaire peut être représentée graphiquement. La composante de dispersion et polaire de la tension superficielle des liquides de test sont représentées sur l'axe des x. L'axe des y contient les angles de contact mesurés. Les composantes de dispersion et polaire recherchées de l'énergie de surface du solide sont contenues dans l'interception de l'axe c et la pente m. Elles peuvent être déterminées graphiquement via une ligne de régression (voir Figure 2). Ainsi, l'énergie de surface des solides peut être déterminée avec seulement deux mesures d'angle de contact avec des liquides connus.
Cependant, étant donné qu'une droite de régression basée sur deux points ne permet pas de faire des affirmations sur la précision du résultat, il est recommandé de réaliser des mesures avec au moins trois liquides de test pour déterminer l'énergie de surface d'un solide. Le logiciel dpiMAX des appareils de mesure d'angle de contact de la série OCA de DataPhysics Instruments effectue l'évaluation automatiquement.
Selon l'application et l'objectif de la mesure, il est parfois avantageux de consulter d'autres modèles que le modèle OWRK pour la détermination de l'énergie de surface. Cependant, ces modèles ne sont généralement utiles que dans des applications très spécifiques. Un exemple est la méthode de Wu pour le calcul des énergies de surface particulièrement faibles. Ces modèles spécifiques et d'autres sont également disponibles dans le logiciel dpiMAX.
Questions fréquentes sur l'énergie de surface
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Qu'est-ce que l'énergie de surface d'un solide ?
L'énergie de surface d'un solide est l'excès d'énergie par unité de surface à la surface d'un solide par rapport à son volume. Elle décrit avec quelle facilité la surface du solide peut être mouillée par un liquide et à quel point les adhésifs ou les revêtements y adhèrent. L'énergie de surface s'exprime en mJ/m² et est l'analogue à l'état solide de la tension superficielle des liquides.
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Dans quelle unité s'exprime l'énergie de surface ?
L'énergie de surface des solides s'exprime en millijoules par mètre carré (mJ/m²). Cela est équivalent au mN/m, l'unité courante pour la tension superficielle des liquides, reflétant que l'énergie de surface et la tension superficielle partagent les mêmes dimensions physiques.
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Comment mesure-t-on l'énergie de surface d'un solide ?
L'énergie de surface ne peut pas être mesurée directement sur les solides. En revanche, les angles de contact d'au moins deux liquides de test dont la tension superficielle est connue sont mesurés sur la surface du solide à l'aide d'un goniomètre. L'énergie de surface est ensuite calculée à partir de ces angles de contact en utilisant un modèle tel que la méthode OWRK (Owens–Wendt–Rabel–Kaelble).
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Qu'est-ce que le modèle OWRK ?
Le modèle OWRK (Owens, Wendt, Rabel et Kaelble) est la méthode la plus utilisée pour calculer l'énergie de surface des solides. Il décompose à la fois l'énergie de surface du solide et la tension superficielle du liquide de test en une composante de dispersion et une composante polaire. En combinant l'équation OWRK avec l'équation de Young et en mesurant les angles de contact d'au moins deux liquides de test, les composantes de dispersion et polaires de l'énergie de surface du solide peuvent être déterminées par régression linéaire.
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Quelle est la différence entre l'énergie de surface et la tension superficielle ?
La tension superficielle désigne la tension à la surface d'un liquide, qui peut s'écouler et se déformer. L'énergie de surface désigne l'excès d'énergie à la surface d'un solide, qui ne peut pas s'écouler. Pour les liquides, la tension superficielle et l'énergie de surface sont numériquement égales et interchangeables. Pour les solides, l'énergie de surface doit être déterminée indirectement par des mesures d'angle de contact, car les molécules ne peuvent pas se réorganiser pour minimiser la surface.
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Comment l'énergie de surface affecte-t-elle le mouillage et l'adhésion ?
Une énergie de surface élevée d'un solide favorise le mouillage : les liquides s'étalent facilement et forment de faibles angles de contact, ce qui est bénéfique pour le collage, l'impression et le revêtement. Une faible énergie de surface repousse les liquides (angles de contact élevés) et réduit l'adhésion. De nombreux plastiques ont une faible énergie de surface et nécessitent un prétraitement — tel qu'un traitement plasma ou corona — pour augmenter leur énergie de surface avant l'impression ou le collage.
