Tension superficielle - Définition

Mesure de la tension superficielle

Il est capital dans l'industrie de connaître la tension superficielle d'un matériau. En effet, plus celle-ci est élevée plus le matériau sera apte à être imprimé ou collé par exemple. Au contraire plus le matériau a un niveau de tension de surface bas, plus il servira de filtre (hydrophobe voir oléophobe). La notion de tension superficielle est omniprésente notamment dans les industries du plastique, de la céramique ou du métal.

• Pour le plastique : Il s'agit de savoir si on peut imprimer ou coller tel ou tel matériau, savoir si le matériau a été traité pour cela...
• Pour les métaux : Mesurer la tension superficielle sert à savoir si le matériau est propre et donc apte au processus de transformation.

Méthodes de mesure

Voici quelques méthodes pratiquées couramment.

• Méthode de la goutte pendante. Une goutte est observée de profil. Un ajustement précis de la forme par une famille de courbes connues, combiné à la taille de la goutte, permet de connaître la longueur capillaire. Connaissant la densité du liquide, on en déduit alors la tension surperficielle.

• Méthode de pesée de goutte. Cette méthode consiste à peser une goutte qui tombe d'un capillaire de rayon r connu. En première approximation, les forces qui s'appliquent sur la goutte sont son poids, P = mg, et la force due à la tension superficielle γ au niveau du capillaire, F = 2πrγ. Au moment précis où la goutte se détache, le poids de la goutte est égal aux forces capillaires, P = F. On retrouve la loi de Tate,

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Connaissant la masse m de la goutte, on peut remonter à la tension de surface γ.

• Méthode de la plaque de Wilhelmy ou de l'anneau de du Nouy. On tire hors du liquide une plaque ou un anneau tout en mesurant la force exercée. On note la valeur de la force juste avant que le ménisque se détache. On divise la force ainsi obtenue par la largeur de la plaque ou par le périmètre de l'anneau, et on obtient la valeur de la tension superficielle modulo un facteur trigonométrique.

• Méthode de la goutte tournante. On fait tourner un liquide 1 dans un liquide 2 de telle manière à avoir une géométrie de cylindre de longueur supérieure à quatre fois le rayon. Dans ce cas là, la tension de surface est lié à la vitesse de rotation, au rayon du cylindre intérieur et à la différence de densité entre les deux liquides. Cette méthode est adaptée aux faibles tensions interfaciales. On mesure la tension de surface entre deux liquides dans ce cas là.

• Mesures de pression. On mesure la pression dans des bulles qu'on éjecte d'un capillaire plongé dans un liquide. A la pression maximale, une relation simple permet de calculer la tension de surface entre le liquide et l'air.

• Méthode des encres test. On peut mesurer la tension de surface grâce à des encres test étalonnées. On trace un trait d'encre sur le matériau. Selon la réaction de l'encre on choisit l'encre d'un niveau supérieur ou inférieur et ainsi de suite jusqu'à ce que l'on trouve le niveau de tension superficielle du matériau.

Valeurs typiques

Les valeurs suivantes sont tirées du Polycopié de mécanique des fluides d'Henri Broch :

• interface (eau + surfactant pulmonaire)/air : 25·10^-3 N·m^-1 ;
• plasma sanguin, 37 °C : σ = 73·10^-3 N·m^-1 ;

Source : Flow Science inc.

• interface eau/huile à 20 °C : σ = 20·10^-3 N·m^-1 ;