Caractérisation des interfaces : Solides, Liquides et Mousses. Nicholas Hearn

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1 Caractérisation des interfaces : Solides, Liquides et Mousses Nicholas Hearn

2 Notre domaine d expertise comprend l analyse des liquides, des solides et des mousses. Liquides : Tension superficielle Analyse des mousses Solides : Angle de Contact Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 2

3 Caractérisation des liquides tension superficielle, tension interfaciale, rhéologie de surface.

4 La tension superficielle (SFT) résulte des intéractions intermoléculaires dans une phase liquide Les intéractions entre la phase gazeuse et la phase aqueuse sont négligeables Phase 2 (gas.) Surface Phase 1 (liquid) Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015

5 La tension superficielle s exprime en plusieurs unités : travail superficie force. distance superficie force distance J m -2 N m m -2 N m -1 mn/m 485 Mercure - Air Air - Eau Tensioactif en solution aq. Liquide organique-air Hydrogène liquide Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 5

6 Le CMC est déterminé par la mesure de la tension superficielle Surface tension (mn/m) air Surfactant in water at 20 C Critical micelle concentration (CMC) 30 water ,000 Concentration (mg/l) Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015

7 Il existe une large gamme de méthodes de mesure de la tension superficielle Techniques de mesure de la tension superficielle Méthodes statiques Méthode de l anneau (d après Du Noüy) Méthodes dynamiques Pression maximale de bulle Lame de Wilhelmy Volume de goutte Goutte tournante Goutte pendante Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 7

8 Les tensions superficielles et interfaciales couvrent un large éventail et nécessitent des méthodes appropriées Choix des méthodes Pression de bulle BP100. BP50 Anneau / Lame K100. K11. K20 Méthode Goutte pendante DSA100. DSA30. DSA25 Volume de goutte DVT50 Goutte tournante SDT σ [mn/m] Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 8

9 Les méthodes statiques et dynamiques permettent de mesurer à différents âges de surface Choix de la méthode appropriée Anneau / Lame K100. K11. K20. K6 Goutte tournante SDT Méthode Goutte pendante DSA100. DSA30. DSA25 Volume de goutte DVT50 Pression max. de bulle BP100. BP t [ms] Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 9

10 Une méthode statique est celle de la lame de Wilhelmy Plate made of roughened Pt F = force, mn L = wetted length, mm θ =0 o liquid plate σ = F L cos θ Page 10

11 Pour les procédés «rapides», une méthode dynamique s impose Flight Time t ~ ms Flight Time t ~ ms

12 La pression de la bulle varie pendant sa formation et atteint une valeur maximum Animation Pression de bulle Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 12

13 La pression maximale de bulle permet de déterminer la tension superficielle du liquide Principe de mesure du tensiomètre à pression de bulle 400 Bulle libérée Pression [Pa] Age de Surface Temps mort Temps [ms] Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 13

14 Caractérisation des solides Mesure de l angle de contact, travail d adhésion, coefficient d étalement et énergie de surface

15 L angle de contact peut se mesurer avec un appareil optique Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 15

16 L équation de Young décrit la relation entre l angle de contact, la tension superficielle et l énergie de surface Page 16

17 Energie d adhésion lors de la formation d une interface entre deux phases différentes. + σ 12 + σ 1 + σ 2 Dupré : W A = σ 1 + σ 2 σ 12 Page 17

18 Les équations de Young et de Dupré permettent une relation entre angle de contact et W A Dupré W A = σ l + σ s σ ls Young σ s σ ls = σ l cos θ W A = σ l + σ l cos θ = σ l (1 + cos θ ) Page 18

19 La mesure d angle de contact permet de déterminer le coefficient d étalement ( «Spreading coefficient» SC)

20 Les solides ne peuvent pas modifier leur aire de surface Phase 2 (liquid) Interface Phase 1(solid) Understanding the wetting of nonwovens

21 Il existe différentes méthodes pour la détermination de l énergie de surface Méthode Composantes ZISMAN OWENS, WENDT, RABEL, KAELBLE FOWKES WU VAN OSS FOWKES (Extended) σd σp, σd σp, σd σp, σd σ+, σ-, σd σp, σh, σd Page 21

22 L énergie de surface selon Owens-Wendt s exprime en deux composants σ = σ P + σ D σ P = Composante polaire Interactions Dipole - Dipole Liaisons Hydrogène Interactions Lewis Acide-Base σ D = Composante dispersive Interactions de Van der Waals Page 22

23 Energie de Surface σ P mn/m σ D mn/m σ mn/m Eau 51 21,8 72,8 Ethylène Glycol Diiodomethane 0 50,8 50,8 Eau Ethylène glycol Diiodométhane θ γ L θ OWENS, WENDT, RABEL, KAELBLE γ L θ γ L Energie de surface: σ S P et σ S D Page 23

24 Energie de Surface : OWENS, WENDT, RABEL, KAELBLE Deux Composantes σ P et σ D W a SL= 2(σ SD σ LD ) 1/2 + 2(σ SP σ LP ) 1/2 Page 24

25 Energie de Surface Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 25

26 Energie de Surface Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page = p p d d σ σ σ σ σ σ σ + + = p p d d σ σ σ σ σ σ σ Travail d adhésion W A

27 Energie de Surface Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page = p p d d σ σ σ σ σ σ σ + + = p p d d σ σ σ σ σ σ σ Travail d adhésion W A

28 Etude de cas général Revêtement automobile Optimisation de la mouillabilité et de l adhésion d un revêtement sur une pièce plastique Page 28

29 Etude de cas général Revêtement automobile Comparaison des deux teintes et du substrat Substrat Revêtement Plastisol Etain Taupe Tension de surface (mn/m) 36,04 26,74 26,53 Composante Polaire (mn/m) 4,49 2,81 9,17 Composante Dispersive (mn/m) 31,55 23,93 17,36 Polarité de la Surface (%) 12,45 10,52 34,57 Energie d adhésion au Plastisol (mn/m) 62,06 59,64 Tension Interfaciale (mn/m) 0,72 2,93 Coeff. d étalement (mn/m) 8,58 6,58 La teinte Taupe est trop polaire => Stabilité à long terme affectée! Page 29

30 Caractérisation des Mousses Liquides Moussabilité, Stabilité de mousse et structure de mousse

31 Introduction

32 La mousse est parfois souhaitable mais souvent elle est indésirable Foam Generation Foam Avoidance Hygiène et cosmétiques Mousse anti incendie Mousse de Polymère Nettoyage Produits Agro-alimentaires Flottaison Production Pétrolière Anti-Moussants Lave Linge, Lave Vaisselle Peintures, Encres, Vernis Production de Papier Polymérisation Liquides de refroidissement Caractérisation des Surfaces et Interfaces 05 et 06/11/2015 Page 32

33 Une mousse liquide est une dispersion de bulles de gaz dans une phase liquide Les bulles de gaz sont stabilisées par des tensioactifs Molécule de tensioactif Solution hydrophobe Gaz Gaz hydrophile

34 Génération d une mousse

35 Une mousse est générée par différentes techniques secouage bullage de gaz agitation versage 10 cycles d agitation V f Solution de tensioactif Pompe N 2

36 Mesure Optique de la Hauteur de Mousse

37 La hauteur de la mousse est mesurée par transmission de lumière L appareil enregistre à un temps défini, une image de 1 pixel*1728 pixels Image en niveau de gris (1 px * 1728 px) Emetteur DEL Photo détecteur Hauteur h f h = h + h totale f l h l Intensité

38 Mises bout à bout, l ensemble des images en niveau de gris montre la formation et la destruction de la mousse Ci-dessous, les données brutes d une mesure de la hauteur de mousse Hauteur (mm) Moussage Démoussage 3 images t1 < t2 < t3 ht hf Air Mousse hs Solution 0 Temps de pompage Temps

39 Les interfaces mousse / liquide sont déterminées à partir de l image des données brutes Moussabilité Démoussage (Stabilité) Hauteur [mm] h tot = hauteur totale h f h tot h l = hauteur du liquide h l h f = hauteur de la mousse Fin du pompage Temps [s] Page 39

40 Le logiciel de l analyseur de mousse détermine automatiquement les paramètres qui caractérisent la mousse Moussabilité Volume max. de mousse [ml] Volume de mousse obtenu à la fin de la phase de bullage Rendement en mousse : C = V (Mousse) / V (Gaz) [%] Relation entre le volume de mousse et le volume de gaz consommé Volume Spécifique : S = V (Mousse) / (V (liq,0) V (liq,i)) [%] Relation entre le volume de mousse et le volume de liquide dans la mousse à un instant t Densité : D = 1 / S [%] Page 40

41 Le logiciel de l analyseur de mousse détermine automatiquement les paramètres qui caractérisent la mousse Stabilité de mousse Volume de mousse et volume de liquide en fonction du temps [ml (t)] Volume de mousse : Durée de demi-vie, NIBEM [s] Temps : R5, R10, Ross-Miles [mm; ml] Volume liquide : Index de rétention ou Head Retention Value (HRV)[s] Index de Bikerman : Volume de mousse stable / débit de gaz [s] Paramètres de stabilité : t(dec), t(inf) [s] Page 41

42 Mesure de la Fraction de Liquide

43 Le module Fraction de Liquide caractérise l humidité de la mousse Point de départ De nombreux échantillons montrent une mousse stable sur un long terme (>heures ) La mesure de la hauteur de mousse ne montre pas de différences significatives La dilution n est pas applicable But Montrer les effets de l instabilité pour des mousses stables afin de différencier les échantillons Drainage électrodes Approche Mesure de la fraction de liquide par une mesure de conductivité Mesure à 8 hauteurs différentes Gradient

44 Le module Fraction de Liquide permet de suivre le drainage Mesure type Forte augmentation pendant le moussage Maximum ou plateau à la fin du moussage Diminution logarithmique due au drainage Hauteur totale (mousse + liquide) reste constante

45 La fraction de liquide dépend de la concentration de tensioactifs Mesure de la fraction de liquide pour 3 échantillons différents à 3 hauteurs différentes. Gesamt 0,7 0,6 Flüssigkeitsinhalt 0,5 0,4 0,3 0,2 1% 122 1% 123 1% 124 5% 122 5% 123 5% % % % 124 0, Zeit

46 Structure de mousse

47 L évolution de la structure de la mousse dans le temps est une information précieuse pour de nombreuses applications Informations sur la taille des bulles et leur distribution pour une interprétation visuelle et sensorielle Informations sur l homogénéité Informations sur le drainage et les procédés de diffusion La plupart de ces informations peuvent être obtenues par une analyse 2d forme homogénéité diffusion

48 La réflexion totale permet d améliorer la qualité de l image Principe de mesure Caméra Prisme LED Les lamelles s attachent au prisme Transmission partielle au niveau des lamelles Réflexion totale au niveau des bulles de gaz Pas d effet de la deuxième couche de bulles Gaz Lamelle

49 Le logiciel montre une image en direct et l histogramme représente la distribution des tailles de bulles

50 Un code couleur intelligent facilite l analyse Analyse en direct de la structure de la mousse Bulles grises : Bulles en dehors de la zone d analyse Bulles blanches : Bulles détectées mais non inclues dans l histogramme Bulles colorées : Bulles inclues dans l histogramme

51 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 0 s Nombre de bulles Aire (px)

52 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 60s Nombre de bulles Aire (px)

53 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 120 secondes Nombre de bulles Aire (px)

54 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 240 secondes Nombre de bulles Aire (px)

55 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 360 secondes Nombre de bulles Aire (px)

56 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 480 secondes Nombre de bulles Aire (px)

57 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 600 secondes Nombre de bulles Aire (px)

58 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 720 secondes Nombre de bulles Aire (px)

59 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 840 secondes Nombre de bulles Aire (px)

60 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 960 secondes Nombre de bulles Aire (px)

61 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1080 secondes Bubble Count Aire (px)

62 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1200 secondes Nombre de bulles Aire (px)

63 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1320 secondes Nombre de bulles Aire (px)

64 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1440 secondes Nombre de bulles Aire (px)

65 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1560 secondes Nombre de bulles Aire (px)

66 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1680 secondes Nombre de bulles Aire (px)

67 La distribution des tailles de bulles passe d homogène à hétérogène Après 1800 secondes Nombre de bulles Aire (px)

68 La différence est aussi visible sur l histogramme Distribution des tailles de bulles La mousse fraiche et humide est plus homogène Drainage 120 Nombre 30 Aire (Pixel²) Diffusion des plus petites bulles vers des plus grosses Nombre Temps Le nombre de bulles diminue 10 Aire (Pixel²) La distribution devient hétérogène Nombre Aire (Pixel²)

69 L évolution au cours du temps de la taille moyenne des bulles et le nombre total de bulles indique le vieillissement des bulles

70 Avez-vous des questions? KRÜSS GmbH Nicholas Hearn Directeur Ventes et Marketing France & UK 14, avenue du Québec Bât. Kerria3 Silic Villebon sur Yvette

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