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

1

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• …

2

• 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

3

• 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

4

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

5

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

6

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

7

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

8

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

9

HCB

< HW

ααααCB

< ααααW

θ θ

θ

hydrophobe

hydrophobe

hydrophile

Imprégnation

10

Différents caractères déperlants• Introduction

• Caractérisation d’un textile hydrophobe

• Phénomènes mis en jeu

• Etude expérimentale

• Conclusion

de

11

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

12

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

13

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.

14

• 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

15

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

16

• 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

17

� 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

18

� 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

Bibliography

[4]

[1]

et al.[5]

[2]

Clichés D. Quéré [4]

[3] et al.

19

[6]