Énergie de surface

Le travail qui doit être effectué pour augmenter la taille de la surface d'une phase est appelé énergie de surface. Comme l'énergie par unité de surface, l'énergie de surface s'exprime en mJ/m2, où l'unité équivalente mN/m est généralement utilisée. Le symbole utilisé dans la formule est σ (sigma minuscule).

Le terme « énergie de surface » est généralement utilisé pour les surfaces solides. Lorsqu'une phase liquide est concernée, on parle généralement (et dans ce glossaire) de tension de surface (TS).

Données fondamentales

 

Angle de contact et énergie de surface

Comme il est difficile de différencier le travail requis pour augmenter la taille d'une surface par le travail de déformation par une mesure, l'énergie de surface est généralement mesurée indirectement à l'aide de l'angle de contact, généralement avec plusieurs liquides.

Selon l'équation de Young, il existe un lien entre l'énergie de surface σs du solide, l'angle de contact θ, la tension de surface du liquide σl, et la tension interfaciale σsl entre le liquide et le solide :

Schéma de l'angle de contact

Il existe de nombreuses méthodes permettant de calculer l'énergie de surface à l'aide des données d'angle de contact. Dans la plupart des modèles, une seconde équation qui a la forme générale suivante est définie pour calculer la tension interfaciale :

Les modèles diffèrent dans la manière dont ces interactions sont interprétées et quels composants d'interaction des phases individuelles sont rendus responsables pour produire la tension de surface ou l'énergie de surface σ.

Modèles de calcul de l'énergie de surface

Modèle selon le ou les auteur(s)Components de l'interaction de la TS
FowkesPartie dispersive et partie non dispersive
Owens-Wendt-Rabel et KaelblePartie dispersive et partie polaire
WuPartie dispersive et partie polaire
SchultzPartie dispersive et partie polaire, mesure dans la phase liquide volumique
Oss, Good (acide-base)Part d'acide de Lewis et part de base de Lewis
Méthode avancée de FowkesPartie dispersive et polaire et partie de liaison hydrogène
ZismanAucune division des composants ; détermination de la tension de surface critique
Équation d'état de NeumannAucune division des composants

Rôle

 

L'énergie de surface d'un solide a un effet déterminant sur sa mouillabilité. La connaissance de cette valeur permet de prévoir de manière sommaire le travail de l'adhésion et la tension interfaciale avec des liquides avec des propriétés connues. Ces informations sont importantes pour les processus comme le revêtement, la peinture, le nettoyage, l'impression, le revêtement hydrophobe ou hydrophile, le liage, la dispersion, etc.

Méthodes de mesure

  • Analyse de profil de goutte : (DSA) : L'angle de contact est mesuré à l'aide de l'image d'une goutte sessile aux points d'intersection (points triples) entre le contour de la goutte et la surface (ligne de base dans l'image). Instruments : DSA100, DSA30, DSA25, MSA, MobileDrop
  • Méthode de la plaque de Wilhelmy : La force agissant dans la direction verticale lors du déplacement d'un solide en forme de plaque à la verticale dans un liquide est mesurée. Cette force dépend de l'angle de contact ainsi que de la tension de surface et de la longueur mouillée. Instrument : K100
  • Mesure de l'angle de contact de la poudre à l'aide de la méthode de Washburn : Un tube gradué rempli de poudre est plongé dans le liquide. En raison de la force capillaire, le poids mesuré augmente avec le temps. La vitesse d'augmentation du poids dépend entre autres de l'angle de contact. Instrument : K100
  • Méthode de distance de la vue du dessus : La courbure de la surface de la goutte associée à l'angle de contact est mesurée à l'aide de la distance entre les points lumineux qui sont réfléchis en haut de la surface d'une goutte. Instrument : TVA100