Brevet FR2624272A1 — publié le 19890609

PROCEDE POUR DETERMINER LES ENERGIES DE SURFACE DE SOLIDES PAR MOUILLABILITE ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé pour déterminer les énergies de surface de solides par mouillabilité, dans lequel on dépose sur un support plan au moins une goutte d'un liquide déterminé, dans une atmosphère constituée de la vapeur de ce liquide et on mesure l'angle de contact bique forme cette goutte avec son support, la hauteur H de la goutte en son centre, le diamètre maximal D de la goutte, le diamètre d de la surface de contact de la goutte avec son support et la hauteur h de la goutte en au moins un point situé à une distance égale au quart du diamètre d de la surface de contact de la goutte et de son support. Elle concerne également un dispositif pour déterminer les énergies de surface de solides par mouillabilité, comportant des moyens pour déposer sur un support plan au moins une goutte d'un liquide déterminé, dans une atmosphère composée de la vapeur de ce liquide, et des moyens pour mesurer l'angle de contact de cette goutte avec ce support, la hauteur H de la goutte en son centre, le diamètre maximal D de la goutte avec son support et la hauteur h de la goutte en au moins un point situé à une distance égale au quart du diamètre d de la surface de contact de la goutte et de son support. L'énergie de surface d'un solide détermine sa capacité à échanger des liaisons physiques avec des gaz, des liquides ou d'autres solides. La connaissance de ce paramètre est très utile pour la compréhension de nombreux phénomènes de surface tels que le mouillage, I'adhésion, le frottement. Comme il est impossible de déterminer directement l'énergie de surface d'un solide, il faut donc avoir recours à l'étude des interactions entre le solide et différents'liquides par mesures d'angles de contact. La relation suivante décrit la forme d'une goutte de liquide sur une surface plane parfaitement lisse d'un solide en présence de la vapeur de ce liquide. Y = Y + Y . cos e SV SL LV où y ij représente les énergies libres interfaciales entre les différentes phases liquide (L), solide (S) et vapeur (V) et e L'angle de contact de la surface du solide et du liquide. Une deuxième relation permet d'exprimer l'énergie réversible d'adhésion WSL entre le liquide L et le solide S: W = Y + Y - Y SL S L SL où y S représente l'énergie libre de surface du solide et y L l'énergie libre du liquide qui est égale à 1. La combinaison de ces relations permet de relier l'énergie réversible d'adhésion ou énergie d'interaction solide - liquide à l'angle de contact défini précédemment W = Y (1 + cos e ) + Y - Y SL LV S SV La différence y S -ySV représente la diminution de l'énergie libre de surface consécutive à l'adsorption de vapeur du liquide. Cette pression d'étalement est proche de zéro pour les solides de faible énergie superficielle tels que par exemple les polymères. L'énergie réversible d'adhésion s'exprime alors dans ces conditions par la relation SL Y LV ( 1 + cors e ) La méthode de mesure de 6, qui est à ce jour la plus couramment employée consiste à examiner le profil de la goutte à l'aide d'un système optique. Celui-ci permet une lecture directe des angles en faisant coincider un réticule avec le bord d'attaque de la goutte. Cette méthode est cependant fastidieuse et entraîne rapidement une fatigue oculaire non négligeable de l'expérimentateur, ce qui constitue un inconvénient grave puisqu'il pose le problème de la validité des mesures effectuées par cet opérateur. La présente invention se propose de rémédier à cet inconvénient en mettant à disposition un procédé et un dispositif qui permettent d'effectuer des mesures sûres, d'une manière répétitive, sans aucune fatigue particulière de l'expérimentateur et une interprétation incontestable des résultats de ces mesures. Ce but est atteint par le procédé selon l'invention caractérisé en ce que l'on effectue une acquisition vidéo de l'image de cette goutte déposée sur ledit support, en ce que l'on traite l'image de cette goutte pour en définir le contour, en ce que l'on détermine ledit angle de contact en mesurant l'angle que forme la droite - d' représentant l'image du support, avec la tangente audit contour à l'un des deux points d'intersection du contour avec ladite droite, en ce que l'on détermine la hauteur H au centre de la goutte en mesurant la longueur du segment de droite OM découpé sur la perpendiculaire à la droite d t ' image du support, et élevée au milieu O du segment AB de cette droite d compris entre les deux extrémités AB du contour de la goutte, ledit segment de droite OM étant compris entre le milieu O du segment AB et le point d'intersection de ladite perpendiculaire avec le contour de la goutte, en ce que Iton détermine le diamètre maximal D de la goutte en mesurant la longueur d'un segment PQ découpé sur une droite passant par les points de contact P et Q du contour de la goutte avec deux tangentes T et T' à ce contour et perpendiculaires à ladite droite en ce que l'on détermine le diamètre d de la surface de contact goutte-support en mesurant la longueur du segment de droite AB, et en ce que l'on détermine la hauteur h de la goutte en un point R situé à une distance égale au quart du diamètre d de la ligne de contact goutte-support en mesurant la longueur d'un segment de droite RS découpé sur la perpendiculaire à la droite A E ' ou un point R situé à une distance d/4 d'un des points A ou B, entre le point R d'intersection de cette perpendiculaire avec la droite a A | et le point S d'intersection de cette perpendiculaire avec le contour de la goutte. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une caméra conçue pour effectuer une acquisition vidéo de l'image de cette goutte déposée sur ledit support, une unité de traitement des données pour traiter l'image de cette goutte de manière à en définir le contour, des moyens pour mesurer l'angle que forme la droite Q t' représentant l'image du support, avec la tangente audit contour à l'un des deux points d'intersection du contour avec cette droite, des moyens pour déterminer la hauteur H au centre de la goutte en mesurant la longueur du segment de droite OM découpé sur la perpendiculaire à la droite Q t' image du support, et élevée au milieu O du segment AB de cette droite A A ' compris entre les deux extrémités AB du contour de la goutte, ledit segment de droite OM étant compris entre le milieu O du segment AB et le point d'intersection de ladite perpendiculaire avec le contour de la goutte, des moyens pour déterminer le diamètre maximal D de la goutte en mesurant la longueur d'un segment PQ découpé sur une droite passant par les points de contact P et Q du contour de la goutte avec deux tangentes T et T' à ce contour et perpendiculaires à ladite droite t t ', des moyens pour déterminer le diamètre d de la surface de contact goutte-support en mesurant la longueur du segment de droite AB, des moyens pour déterminer la hauteur h de la goutte en un point R situé à une distance égale au quart du diamètre d de la ligne de contact goutte-support en mesurant la longueur d'un segment de droite RS découpé sur la perpendiculaire à la droite t' ou un point R situé à une distance d/4 d'un des points -A ou B, entre le point R d'intersection de cette perpendiculaire avec la droite t ' et le point S d'intersection de cette perpendiculaire avec le contour de la goutte. La notion d'énergie de surface est particulièrement importante dans le cas des polymères. En effet, les polymères sont de plus en plus employés, par exemple en tant que constituant de matériaux composites, en association avec d'autres fibres. La connaissance des propriétés mécaniques de ces matériaux est essentielle, et dépend de la qualité de l'adhésion entre polymère et fibres. Il est donc nécessaire de connaître et améliorer les propriétés de surface des polymères et des fibres de renfort, afin qu'ils présentent le plus possible de zones de contact, et une adhésion maximale. Dans le cas des peintures, la connaissance des énergies de surface est également importante, car elle permet de prévoir les interactions entre le polymère et le substrat. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel La figure 1 représente schématiquement une forme de réalisation du dispositif selon l'invention, La figure 2 représente l'image d'une goutte déposée sur son support et les énergies libres interfaciales entre les différentes phases en présence, La figure 3 illustre les grandeurs à mesurer pour une première goutte déposée sur un support, et La figure 4 représente ces mêmes grandeurs à mesurer pour une autre goutte également déposée sur son support. En référence à la figure 1, le dispositif représenté se compose essentiellement d'une enceinte 10 à l'intérieur de laquelle est monté un support plan Il destiné à recevoir au moins une goutte d'un liquide dont on veut déterminer certaines caractéristiques physiques, telles que par exemple la viscosité. L'enceinte 10 est conçue pour contenir de la vapeur du liquide dont est constituée la goutte 12. L'enceinte 10 comporte une fenêtre 13 devant laquelle est montée une caméra de prises de vues vidéo qui est elle-même connectée à un système vidéo 15 couplé à un moniteur 16 et à un micro-ordinateur 17 de traitement des signaux. Ce dispositif est conçu pour effectuer une acquisition vidéo de l'image de la goutte 12, pour visualiser cette image au moyen de l'écran du moniteur 16 et pour effectuer, selon un programme déterminé, la mesure de l'ensemble des paramètres qui peuvent être directement acquis sur L'image numérique de la goutte, pour déterminer les énergies de surface que l'on souhaite connaître et pour en déduire les grandeurs physiques concernant soit le liquide, soit le solide servant de support à la goutte. La figure 2 représente un profil r d'une goutte 12 déposée sur un support 11. La forme de cette goutte correspond au modèle dit de Young. Les lettres S, L et V désignent respectivement le solide Il du support, le liquide de la goutte 12 et la vapeur de ce liquide contenu dans l'enceinte 10 (voir figure 1). Ces trois phases sont supposées être en équilibre. L'angle e est l'angle que forme la tangente au profil r au point de contact A entre ce profil et la droite a a Z représentant l'image de la surface du support 11. Les énergies libres interfaciales entre les différentes phases sont représentées respect.vement par le vecteur y S L qui représente l'énergie libre interfaciale entre le solide et le liquide, y S V qui représente l'énergie libre interfaciale entre le solide et la vapeur et y L V qui représentent l'énergie libre interfaciale entre le liquide et la vapeur. La figure 3 représente un premier profil r 1 d'une goutte 12 déposée sur un support 11. La droite a 8' est l'image de la surface supérieure du support 11 sur lequel est déposée la goutte 12. Les différents paramètres à mesurer sont d'une part l'angle e que forme la tangente X avec la droite a ' à l'un des deux points A ou B qui sont les points de contact du profil r 1 avec la droite a d Un deuxième paramètre à mesurer est la hauteur H de la goutte par rapport à son support.Cette mesure s'effectue en mesurant la longueur d'un segment découpé sur la perpendiculaire élevée au point O, qui est le milieu du segment AB, à la droite d d et qui est délimité d'une part par le point O et d'autre part par le point M qui est l'intersection de cette perpendiculaire avec le profil r 1. Le troisième paramètre à déterminer est la hauteur h qui est également la longueur d'un segment de droite découpé sur une perpendiculaire à la droite a A t élevée en un point R qui se situe à la distance r/2 des points A ou B, où r correspond au rayon OA ou OB de la goutte. Le segment dont la longueur est h et le segment RS où R est le point défini ci-dessus et ou S est l'intersection de la perpendiculaire correspondante avec le profil r 1. Le dernier paramètre à déterminer dans ce cas est le diamètre maximal de la goutte. Dans ce cas, ce diamètre D est égal à 2.r, ce qui correspond à la longueur du segment AB. La figure 4 illustre un autre profil r 2 de la goutte. Le liquide correspondant à une viscosité supérieure à celle du liquide dont est formée la goutte précédente. Il en résulte une forme quelque peu différente de la goutte 12. La détermination de l'angle de contact e s'effectue comme précédemment. Il en est de même de la hauteur H et de la hauteur h. En revanche, le diamètre maximal D ne correspond plus à la longueur du segment AB qui est en fait le diamètre de la surface de contact de la goutte avec son support. Le diamètre maximal D est égal à la longueur d'un segment TQ dont les extrémités P et Q sont les points de contact du profil r 2 avec deux tangentes T et T' perpendiculaires à la droite a a t. Ces différents paramètres permettent de déterminer les grandeurs physiques que l'on souhaite connaître. Les valeurs des paramètres mesurées sont transmises au micro-ordinateur qui effectue les calculs sur la base d'un programme connu en soi. Cet appareil a l'avantage de décharger l'expérimentateur de la partie la plus fastidieuse de son travail qui consistait jusqu'à présent à effectuer le relevé des coordonnées du profil et de calculer à partir de ces relevés, les paramètres définis ci-dessus. Ce travail d'observation et de mesure à l'aide d'un instrument optique est non seulement fastidieux mais souvent imprécis du fait que le profil de la goutte peut se modifier dans le temps et que les relevés de coordonnées nécessitent également un certain temps pendant lequel la goutte, et par conséquent son profil se modifie. Le présent dispositif permet d'effectuer des relevés très rapides, de façon répétitive, ce qui permet non seulement de déduire des grandeurs physiques caractéristiques du liquide déposé sous forme d'une goutte, ou de l'état de surface du solide servant de support à cette goutte, mais également les caractéristiques dynamiques du liquide, c'est à dire l'évolution dans le temps du liquide, éventuellement en fonction d'autres paramètres tels que la température, la pression, etc. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites, mais pourrait subir différentes modifications et se présenter sous diverses variantes évidentes pour l'homme de l'art. Revendications 1. Procédé pour déterminer les énergies de surface de solides par mouillabilité, dans lequel on dépose sur un support plan au moins une goutte d'un liquide déterminé, dans une atmosphère constituée de la vapeur de ce liquide, et on mesure l'angle de contact e de cette goutte avec son support la hauteur H de la goutte en son centre, le diamètre maximal D de la goutte? le diamètre d de la surface de contact de la goutte avec son support et la hauteur h de la goutte en au moins un point situé à une distance égale au quart du diamètre d de la surface de contact de la goutte et de son support, caractérisé en ce que l'on effectue une acquisition vidéo de l'image de cette goutte déposée sur ledit support, en ce que l'on traite l'image de cette goutte pour en définir le contour, en ce que l'on détermine ledit angle de contact en mesurant l'angle que forme la droite 19 a t représentant l'image du support, avec la tangente audit contour à l'un des deux points d'intersection du contour avec ladite droite, en ce que l'on détermine la hauteur H au centre de la goutte en mesurant la longueur du segment de droite OM découpé sur la perpendiculaire à la droite å 8', image du support, et élevée au milieu O du segment AB de cette droite 1SE compris entre les deux extrémités A et B du contour de la goutte, ledit segment de droite OM étant compris entre le milieu O du segment AB et le point d'intersection de ladite perpendiculaire avec le contour de la goutte, en ce que l'on détermine le diamètre maximal D de la goutte en mesurant la longueur du segment PQ découpé sur une droite parallèle à la droite 1219 ' image du support, cette droite passant par les points de contact P et Q du contour de la goutte avec deux tangentes T et T' à ce contour et perpendiculaires à ladite droite lS ', en ce que l'on détermine le diamètre d de la surface de contact goutte - support en mesurant la longueur du segment de droite AB et, en ce que l'on détermine la hauteur h de la goutte en un point R situé à une distance égale au quart du diamètre d de la ligne de contact goutte-support, en mesurant la longueur d'un segment de droite RS, découpé sur la perpendiculaire à la droite Q A ' en un point R situé à une distance d/4 d'un des points A ou B, entre le point R d'intersection de cette perpendiculaire avec la droite ##' et le point S d'intersection de cette perpendiculaire avec le contour de la goutte. 2. Dispositif pour déterminer les énergies de surface de solides par mouillabilité, comportant des moyens pour déposer sur un support plan au moins une goutte d'un liquide déterminé, dans une atmosphère composée de la vapeur de ce liquide, et des moyens pour mesurer l'angle de contact e de cette goutte avec ce support la hauteur H de la goutte en son centre, le diamètre maximal D de la goutte, le diamètre d de la surface de contact de la goutte avec son support et la hauteur h de la goutte en au moins un point situé à une distance égale au quart du diamètre d de la surface de contact de la goutte et de son support, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une caméra conçue pour effectuer une acquisition vidéo de l'image de cette goutte déposée sur ledit support, une unité de traitement de données pour traiter l'image de cette goutte de manière à en définir le contour et des moyens pour mesurer l'angle e que forme la droite b' représentant l'image du support, avec la tangente audit contour à l'un des deux points d'intersection du contour avec cette droite, des moyens pour déterminer la hauteur H au centre de la goutte en mesurant la longueur du segment de droite OM découpé sur la perpendiculaire à la droite 819 ' image du support, et élevée au milieu O du segment AB de cette droite A compris entre les deux extrémités A et B du contour de la goutte, ledit segment de droite OM étant compris entre le milieu O du segment AB et le point d'intersection de ladite perpendiculaire avec le contour de la goutte, des moyens pour déterminer le diamètre maximal D de la goutte, en mesurant la longueur d'un segment PQ découpé sur une droite passant par les points de contact PetQ du contour de la goutte avec deux tangentes T et T' à ce contour et perpendiculaires à ladite droite lS Q, des moyens pour déterminer le diamètre d de la surface de contact goutte-support en mesurant la longueur du segment de droite AB, et des moyens pour déterminer la hauteur h de la goutte en un point R situé à une distance égale au quart du diamètre d de la ligne de contact goutte-support en mesurant la longueur d'un segment de droite RS découpé sur la perpendiculaire à la droite Q ' 2 en un point R situé à une distance d/4 d'un des points A ou B, entre le point R d'intersection de cette perpendiculaire avec la droite b 8' et le point S d'intersection de cette perpendiculaire avec le contour de la goutte.