Tension superficielle
Une analyse correcte de la tension superficielle est décisive dans de nombreux domaines d'application : électronique, moulage, peinture, industrie pharmaceutique, pétrochimie, produits chimiques, textiles, cosmétiques, alimentation, optique, automobile et emballage.
Pour comprendre le concept de tension superficielle, l'exemple d'un verre à moitié plein d'eau est utile.
- Sous la surface du fluide, chaque molécule est complètement entourée d'autres molécules d'eau qui ont tendance à l'attirer. La molécule est affectée par des forces d'attraction dans toutes les directions et la force résultante exercée sur elle est nulle.
- La molécule d'eau en surface, par contre, n'est attirée que par les autres molécules d'eau au fond du fluide et au même niveau, alors qu'au-dessus elle est entourée de molécules d'air. Dans ce cas, la force exercée sur la molécule est différente de zéro car elle est naturellement attirée vers l’intérieur.
Si l'on verse une toute petite goutte d'eau sur un plan, elle tend à prendre une forme sphérique : cette forme est la conséquence de l'action de la force de cohésion entre les molécules. Comme nous l'avons déjà mentionné, alors que les molécules à l'intérieur du liquide sont attirées dans toutes les directions par d'autres molécules, celles qui se trouvent à la surface ne sont attirées que par les molécules situées en dessous, et sont donc attirées vers le centre, ce qui explique la forme sphérique.
L'exemple permet de comprendre que pour amener une molécule de l'intérieur vers la surface, il est nécessaire de contrer la force qui l'attire vers l'intérieur en apportant de l'énergie.
Énergie de surface
Contrairement aux liquides, les solides ne peuvent pas changer de forme, mais ils peuvent influencer la façon dont les liquides interagissent avec leur surface. L'énergie de surface fait référence à la mesure dans laquelle un solide permet à une substance liquide d'adhérer à sa surface.
Les matériaux peuvent avoir une énergie libre de surface élevée, faible ou très faible. Les matériaux tels que les métaux, les oxydes métalliques ou le verre ont des énergies de surface élevées ; en revanche, la plupart des polymères et des matières plastiques en général ont une valeur d'énergie libre de surface plus faible.
Molécules dispersées et molécules polaires
Mettre un liquide en contact avec une surface solide, c'est observer l'interaction entre molécules dispersées et molécules polaires. Une proportion différente entre le nombre de molécules dispersées et le nombre de molécules polaires change complètement le résultat du contact d'un solide avec différents liquides.
Par exemple, si l'on verse de l'huile sur une poêle antiadhésive en téflon (nom commercial du polytétrafluoroéthylène), celle-ci va gicler rapidement et uniformément sur la surface de la poêle, car la composition des deux éléments favorise la formation d'une liaison chimique. À l'inverse, si l'on verse de l'eau sur la même poêle, on constate que le liquide se contracte et forme des gouttelettes. Ce phénomène est dû à la difficulté d'interaction entre le téflon et l'eau, deux éléments de composition différente (l'un caractérisé par des molécules dispersées, l'autre par des molécules polaires).
La tension superficielle et l'énergie de surface sont liées l'une à l'autre par la Règle de Dupré, qui stipule que :
- si la tension superficielle d'un liquide est inférieure à l'énergie de surface du solide sur lequel il doit être appliqué, la substance liquide adhère au solide
- Si l'énergie de surface est inférieure à la tension superficielle, le liquide ne peut pas adhérer à la surface solide.
C'est dans ce contexte qu'interviennent les traitements Corona et Plasma qui augmentent l'énergie de surface en améliorant la capacité d'un liquide à s'étaler complètement sur une surface plane et horizontale afin d'améliorer l'adhérence.