2013 gdr méca multi-échelle - laboratoire...
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Caractérisation des propriétés hydrophobes des matériaux
textiles sous contraintes
Florence BiguenetSafi Melki
Dominique Dupuis
Laboratoire de Physique et MécaniqueTextiles, Mulhouse
Réunion GDR Mécanique Multi-échelle des Milieux Fib reux, 26-27 nov 2013
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Intérêt d’un Textile Hydrophobe
• Textile classique
• Textile déperlant
Propriété robuste ?
Réunion GDR Mécanique Multi-échelle des Milieux Fibreux, 26-27 nov 2013
• Non mouillant (Imperméable)• Non salissant• Auto nettoyant• Non contaminant• …
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• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
• Goutte dans un pli, en compression, sur des zones en frottement…• Expérience du Kway sous forte pluie• Déperlant Imperméable
� résistance au mouillage forcé d’un textile
Étudiants dans les Vosges sous la pluie !
≠
Mouillage sous ContrainteRéunion GDR Mécanique Multi-échelle des Milieux Fibreux, 26-27 nov 2013
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• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
– Coefficient d’étalement :
S>0 mouillage total
S<0 mouillage partiel et apparition d’une goutte
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LVSLSVS γγγ −−=
Mesure du Mouillage
θ θ
θ>90°tissu hydrophobe θ <90°tissu hydrophile θ =0°mouillage total
– Angle de contact θ
γ : tension interfaciale
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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L’angle de contact apparent θ* n’est pas unique sur une surface non parfaite
θR < θ* < θA
Hystérésis H = θθθθA - θθθθR
θ
θR
θΑ
α
α+δα
Angle de contact θθθθ
Angle de glissement αααα
θ > 150θ > 150θ > 150θ > 150°
Milieu Super-Hydrophobe :
H < 5° Effet LotusH > 5° Effet pétale
de rose
α α α α faible : Effet auto-nettoyant
Caractérisation de la super-hydrophobicité
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
[3] [6]
θ θ
Pression Max
θ
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Caractérisation plus complète de l’hydrophobicité : notion de robustesse à la contrainte
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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Effet de la rugosité• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
Surface hydrophile : la rugosité améliore le mouillage, l’eau est aspirée dans les capillaires.
Surface hydrophobe : la rugosité réduit le mouillage et peut conduire à des angles de contact supérieurs à 120°.
Surface hydrophile
Surface hydrophobe
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Etat Cassie-Baxter / Etat Wenzel
Clichés T. Stegmaier et al [1]
Etat Cassie-Baxter est méta-stable
Schéma P. Brunet et al. [5]
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
Goutte sur une surface idéale: Formule d’Young
θCB
> θW
> θY
Goutte empalée : Wenzel
r : rugosité de surface
Cos Cos Cos Cos θθθθW W W W = r Cos = r Cos = r Cos = r Cos θθθθYYYY
Goutte à l’état « fakir »:Cassie Baxter
φφφφS : fraction de surface du solideen contact avec la goutte
Cos Cos Cos Cos θθθθCB CB CB CB = = = = ----1111 ++++ ϕϕϕϕs s s s ( Cos ( Cos ( Cos ( Cos θθθθY Y Y Y + 1)+ 1)+ 1)+ 1)
Angles de contact dans les différents états
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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HCB
< HW
ααααCB
< ααααW
θ θ
θ
hydrophobe
hydrophobe
hydrophile
Imprégnation
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Différents caractères déperlants• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
de
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Piston(surface 2 cm²)
Capteur de force
Caméra
Echantillon
Vitesse de compression 0,2 mms-1 Forces exercées 0,2 N et 2 N(1 kPa et 10 kPa sous le piston)
Dispositif expérimental
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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Armure toileTissus (traitement fluoré bain)
Armure sergé
Tissu toile
Poils en viscose
Colle d’acrylate
Pseudo-velours (traitement fluoré bain ou plasma)
monomère fluoré greffé dans toute l’épaisseur de l'échantillon
Spectromètre à dispersion d’énergie (EDX) couplé au MEB (à l’IS2M)
Echantillons• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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120
125
130
135
140
145
150
Toile Sergé PV 0,39plasma
PV 0,39chimique
PV 0,26plasma
PV 0,26chimique
Ang
le d
e co
ntac
t (°)
• L’armure du tissu classique influe peu sur l’angle de contact.
• Les pseudo-velours traités par bain chimique sont plus hydrophobes
• Le pseudo-velours ayant une fraction φS de0,39 est légèrement moins hydrohobe quelque soit le traitement
La diminution de φφφφS augmentel’hydrophobicité de la surface
Angles de contact statique
2 mm
θ d’une goutte de 5 μL >> 90
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
• Les pseudo-velours sont plus hydrophobes que les tissus classiques
Mesures d’hystérésis
• Hystérésis très importante pour les tissus classiques � configuration Wenzel
• La configuration d’un pseudo-velours favorise une hystérésis plus faible que celle d’un tissu classique
• La nature du traitement influe peu sur l’hystérésis des pseudo-velours
• L’hystérésis augmente avec le diamètre des poils
0
10
20
30
40
50
60
70
Toile Sergé PV 0,39plasma
PV 0,39chimique
PV 0,26plasma
PV 0,26chimique
Hys
téré
sis
(°)
La diminution de φφφφS engendre une diminution d’hystérésis.
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• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
Compression de la goutte à 1 kPa Compression de la goutte à 10 kPa
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Compression de la goutte
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
• Les échantillons traités chimiquement ont une hydrophobicité plus robuste que ceux traités par plasma
• À 10 kPa, tous les échantillons perdent leur caractère hydrophobe
• La robustesse de l’hydrophobicité varie inversement à φS
La robustesse de l’hydrophobicité est plus révélée parl’hystérésis que par l’angle de contact statique
Il existe une pression critique à laquelle la goutte perd sapropriété hydrophobe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Toile Sergé PV 0,39plasma
PV 0,39chimique
PV 0,26plasma
PV 0,26chimique
Ang
le d
e co
ntac
t (°)
0 kPa 1 kPa 10 kPa
Mesures en compression
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• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
• L’hydrophobicité des tissus classiques est très fragile.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Plasma chimique Plasma chimique
Toile sergé PV 0,39 PV 0,39 PV 0,26 PV 0,26
Ang
le d
e co
ntac
t (°)
0 kPa
1 kPa
10 kPa
�La diminution de la fraction de surface du solide en contact avec lagoutte améliore l’hydrophobicité ainsi que sa robustesse → intérêt despoils
�Deux traitements (plasma et chimique) donnant même résultat enstatique montrent une robustesse bien différente → insuffisance del’angle de contact pour caractériser le comportement hydro phobe
�Mise en évidence de l’existence d’une pression critique , propre àchaque échantillon, à laquelle le textile perd sa propriété hydrophobe
�Pression critique plus liée à l’hystérésis qu’à l’angle de contact
Conclusion• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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� On propose une méthode permettant la caractérisation de la robustesse et de la stabilité de l'hydrophobicité d’un matériau fibreux.
Perspectives
• Introduction
• Caractérisation d’un textile hydrophobe
• Phénomènes mis en jeu
• Etude expérimentale
• Conclusion
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� Cerner plus précisément les paramètres qui contrôlent la résistance au mouillage forcé d’un textile
�Compléter le dispositif expérimental afin de pouvoir analyserl’imprégnation de la structure fibreuse par le fluide en fonction desparamètres caractérisant le mouillage (tension de surface, rugositédu substrat …) mais aussi caractérisant la rhéologie du fluide .
�Envisager d’autres modes de sollicitation (frottement, vibration…)
pistes d’optimisation pour la fonctionnalisation des matériaux
textiles