Rugosité

La rugosité est le degré d’irrégularité de la surface d’un solide inférieur à l’échelle de l’amplitude de sa forme ou de son ondulation mais supérieur à l’irrégularité des structures réticulaires cristallines. Le degré de rugosité affecte la mouillabilité d’un solide.

Paramètres de rugosité

Mise à part la rugosité, de nombreux autres processus et propriétés des matériaux sont affectés par la rugosité, tels que la friction ou le flux à travers des tuyaux, par exemple. La caractérisation des surfaces en ce qui concerne leur rugosité est donc d’une grande importance technique. Les paramètres de la rugosité d’un solide incluent :

  •  La rugosité moyenne, également dénommée valeur Ra de la rugosité moyenne. Elle indique la distance moyenne entre la hauteur de surface réelle et la ligne de contour moyenne. Ce faisant, la ligne moyenne est située de telle sorte que la somme des déviations de la hauteur prend une valeur minimale.
  • La valeur moyenne quadratique de la rugosité Rq. Elle est égale à la racine carrée de la somme des carrés des déviations par rapport à la ligne de contour moyenne.
  • Le coefficient de rugosité r’ (voir ci-dessous). Il indique le ratio de la taille de la surface globale par rapport à la surface projetée géométriquement sur un plan et revêt une importance particulière pour la mouillabilité.

Mesure de la rugosité

Les paramètres des résultats de la rugosité et les méthodes de mesure adaptées sont définis dans la norme ISO 25178. Il convient de souligner à cet égard, les mesures non-destructives réalisées au moyen de procédés optiques, sans contact, tels que l’interférométrie à lumière blanche ou la microscopie confocale, par exemple. D’autres méthodes utilisent un courant d’air, par exemple, ou le vide, et utilisent la perméabilité gazeuse du contact entre une surface lisse et une surface rugueuse.

Rugosité et mouillabilité

La rugosité allant de pair avec une surface élargie, elle affecte la mouillabilité d’un solide, l’angle de contact (AC) d’un liquide et l’adhésion. L’augmentation ou la diminution de la mouillabilité due à la rugosité dépend du degré de mouillabilité du matériau lisse. Les observations suivantes supposent que l’échelle de l’amplitude de la rugosité est significativement inférieure à la taille de la goutte du liquide.

Effet de la rugosité sur des surfaces mouillables (AC < 90°)

Un solide est mouillable par un liquide donné lorsqu’un angle de contact inférieur à 90 ° est formé. L’angle de contact est plus petit sur une surface rugueuse du même matériau. Le matériau est donc encore plus mouillable. Dans un tel cas, la formation d’une interface entre liquide et solide est énergétiquement favorable afin que l’élargissement de la surface ait un effet positif sur le mouillage.

Cet effet est mis en pratique chaque jour, lorsque, par exemple, des composants sont polis avant de peindre ou de coller. Ce faisant, la liaison de l’adhésif et des substances de revêtement est accrue au cours de la même opération. Pour les mesures de la tension superficielle à l’aide de la méthode de la plaque de Wilhelmy, la plaque en platine est rendue rugueuse afin d’optimiser la mouillabilité de l’échantillon.

Selon Wenzel, le lien entre la rugosité et l’angle de contact est le suivant :

          cosθ* = r'cosθ

θ* = angle de contact mesuré (apparent) ; θ = angle de contact avec une surface lisse ; r’ = coefficient de rugosité (voir ci-dessus)

Effet de la rugosité sur des surfaces non-mouillables (AC > 90°)

Si un liquide forme des angles de contact supérieurs à 90 ° sur une surface lisse, le solide n’est pas mouillable. L’angle de contact est plus grand sur une surface rugueuse du même matériau.

Selon Wenzel, ce fait correspond à l’équation indiquée ci-dessus. De même que le cos θ est négatif pour les angles de contact supérieurs à 90 °, selon cette équation l’angle de contact apparent est plus grand. Cependant, l’équation de Wenzel ne s’applique que de façon limitée car il ne peut pas être présumé que, avec peu de mouillabilité, tous les capillaires au sein d’une surface rugueuse soient remplis de liquide. Cassie et Baxter ont formulé le lien suivant pour une situation dans laquelle seules les parties de la surface globale sont en contact avec le liquide :

          cosθ* = r’ f  cosθ + f -1       (f = proportion de la surface réellement mouillée)

États de base de mouillage selon Wenzel et Cassie-Baxter

États de base de mouillage selon Wenzel et Cassie-Baxter

Ce comportement de mouillage est connu sous le nom d’effet lotus, car la feuille du lotus est une des surfaces non techniques la moins mouillable. Une mouillabilité extrêmement faible, également dénommée superhydrophobicité, se produit lorsque la texture de surface rugueuse d’un matériau comporte une énergie superficielle faible. Il existe de nombreuses applications pour des matériaux ou des revêtements superhydrophobes. Parmi les exemples, on peut citer la protection contre les salissures et l’eau ainsi que les textiles auto-nettoyants et les murs d’immeubles.

Bibliographie

R. N. Wenzel, Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. Dans : Ind. Eng. Chem. 28, Nr. 8, 1936, S. 988–994
A.B. D. Cassie, S. Baxter, Wettability of Porous Surfaces. Dans : Trans. Faraday Soc. 40, 1944, S. 546–551