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Qu’est-ce que la tension superficielle ?


Il est nécessaire de déployer une certaine force pour agrandir la surface d’un liquide. Cela nécessite donc un certain effort. On désigne maintenant par le terme de tension superficielle le rapport découlant du travail qui doit être accompli pour gagner la surface (augmentation de surface du liquide) obtenue grâce au travail accompli :

σ = ΔW/ΔA (unité SI : N/m)


La tension superficielle a pour effet que les liquides ont tendance à réduire leur surface au minimum, ce qui conduit en fin de compte à une surface sphérique du liquide respectif (une sphère possède la plus petite surface parmi toutes les formes de corps ayant le même volume).


Qu’est-ce qu'une tension superficielle limite ?
À l’intérieur d’un liquide, toutes les molécules sont entourées de la même manière par des molécules voisines, ce qui fait que les forces d’attraction réciproques s’équilibrent. Au bord du liquide au contraire (surface limite), il apparaît une force résultante qui est dirigée vers l’intérieur du liquide par manque de répartition symétrique des forces d’attraction réciproques..



C’est la raison pour laquelle on désigne la tension superficielle également par le terme de tension superficielle limite. Le terme de tension superficielle limite est utilisé dans le cas de la transition d’un liquide avec un substrat, par exemple une surface métallique, tandis qu’on parle de tension superficielle dans le cas de la transition d’un liquide avec l’air.

 Transition air / liquide : on utilise ici le terme de tension superficielle
 Transition liquide / métal : on désigne les processus qui se déroulent à la transition par le terme de tension superficielle limite
Dans le cas de cette transition (liquide / métal), il faut cependant faire remarquer qu’il s’agit stricto sensu de la transition d’une couche d’oxyde métallique resp. d’une couche d’adsorbat (dioxyde de carbone et hydrocarbures sur la surface métallique) vers le liquide


Qu’est-ce qu’une humectation de métaux ?
Une mesure de l’humectation d’une surface métallique par un liquide appliqué (par exemple sous forme de gouttes mais aussi de coups de pinceau) est l’angle de contact Θ. L’humectation de la surface métallique augmente ici au fur et à mesure que l’angle de contact Θ diminue.
Le processus d’humectation est décrit par l’équation de Young :
cos Θ = (σs – σLS)/σL
avec
σL = tension superficielle du liquide
σS = tension superficielle du métal
σLS = tension superficielle limite entre métal et liquide
Θ = angle de contact (angle de contact resp. angle d'humectation) du liquide vers le métal



La répartition spontanée du liquide sur la surface métallique (étalement du coup de pinceau ou de la goutte, également désignée par le terme de diffusion) est atteinte avec un angle de contact de Θ = 0° (correspond à cos Θ =1). L’équation de Young donne dans ce cas : σL = σS – σLS .
Si, par ailleurs, σLS << σS , il vaut pour le liquide qui doit humecter une surface métallique : σL < σS. Il en résulte ce qui suit : si la tension superficielle du liquide est inférieure à la tension superficielle du métal, le métal est humecté par le liquide, si au contraire la tension superficielle du liquide est supérieure à la tension superficielle du métal, aucune humectation ne se produit..

Détermination de la tension superficielle de métaux
Les valeurs de tension superficielle nommées dans la littérature technique se réfèrent en premier lieu à des métaux à l’état liquide, proches de leur température de fusion respective. Pour déterminer l’humectation, c’est au contraire la tension superficielle des surfaces métalliques recouvertes de couches d’oxyde et d’adsorbat à température ambiante qui est importante. La valeur de tension superficielle (énergie de surface libre) peut par exemple être déterminée à l’aide du Mobile Surface Analyzer – MSA de la société KRÜSS GmbH www.kruss-scientific.com. On applique dans ce cadre, au moyen de deux liquides de test (ayant des tensions superficielles différentes), deux gouttes sur le métal à examiner, et la tension superficielle du métal peut alors être déduite de l’angle de contact.



Citons ici comme autre fournisseur la société SITA Messtechnik GmbH www.sita-process.com. SITA propose un système de mesure destiné à « évaluer rapidement la capacité d’humectation d’une surface dans le cadre d’un processus de fabrication par mesure de l’angle de contact ». Le SITA SurfaSpector est un appareil de mesure manuel destiné à contrôler la capacité d’humectation, par exemple de surfaces métalliques avant et après le traitement de surface resp. le nettoyage. Dans cette méthode, une goutte (1µl) d’eau extra pure est appliquée sur la surface à mesurer au moyen d’une unité de dosage intégrée dans la tête du capteur. Une caméra haute résolution permet d’enregistrer le contour de goutte dans le frontend du capteur, dont l’angle de contact peut ensuite être déduit.



Qu’est-ce que la méthode de l’encre de test ?
Une autre méthode pour déterminer la tension superficielle de métaux à température ambiante est ce qu’on appelle la méthode de l'encre de test. Dans ce cadre, l’encre de test est appliquée avec une tension superficielle définie, par exemple avec un pinceau sur la surface métallique à examiner. Si l’encre de test humecte la surface métallique, la tension superficielle (tension superficielle limite), la surface métallique correspond la valeur de l’encre de test voire se situe au-dessus de cette valeur. Si, au contraire, l’encre de test perle de la surface métallique, c’est que la tension superficielle (tension superficielle limite) de la surface métallique est inférieure à la tension superficielle de l’encre de test.



Des encres de test sont par exemple proposées par la société arcotest GmbH www.arcotest.info. Les encres de test PINK couvrent ici une plage une plage de tensions superficielles comprise entre 22 mN/m et 60 mN/m en pas de 2 mN/m.




Pourquoi est-ce que la connaissance de la tension superficielle de surfaces métalliques est-elle si importante dans la pratique ?
La valeur de tension superficielle de sa surface métallique doit par exemple être contrôlée avant d’appliquer des peintures de couleur sur une pièce métallique. Au cas où celle-ci devait se situer en dessous de la valeur de tension superficielle de la peinture de couleur, celle-ci perlerait de la surface métallique.
La même chose se produit lors de l’application de colles. Ici aussi, il ne peut y avoir également de bonne adhésion que si la tension superficielle de la surface métallique est supérieure à la tension superficielle de la colle.

Quelle est la cause d’une trop faible valeur de tension superficielle d’une surface métallique ?
Comme déjà évoqué, il s’agit en pratique, dans le cas d’une surface métallique, en fait d’une couche d'oxyde métallique et d'adsorbat. Les atomes d’oxygène et les atomes de carbone sont à cette occasion également intégrés dans la surface métallique. Les mesures ont eu ici pour résultat qu'une surface métallique chimiquement dégraissée (plus précisément surface d'oxyde métallique et d'adsorbat) prend une valeur de tension superficielle > 60 mN/m. Si on considère néanmoins par exemple des pièces estampées qui sont, dans le cadre du processus d’estampage et de pliage, d’abord humectées d’huile avant d’être nettoyées dans une installation de nettoyage usuelle du commerce, on parvient à une valeur de tension superficielle des pièces estampées d’environ 38 mN/m et dans certains cas de 44 mN/m (avant le processus de nettoyage, la valeur de tension superficielle à la surface métallique des pièces estampées se situe en règle générale en dessous de 30 mN/m en fonction de l’huile d'estampage et d'étirage). Mais cela dépend, notamment dans le cas des pièces estampées et ici en premier lieu des pièces de contact enfichées, d’une valeur de tension superficielle élevée (> 38 mN/m), du fait que cette valeur signale la part d’huile résiduelle sur la surface métallique. La part d’huile résiduelle augmente par exemple la résistance de contact, ce qui peut conduire à une réduction de la performance lors de l’opération d’enfichage.
 
On a, au moyen de deux encres de test (38mN/m et 40mN/m), pu prouver que la valeur de tension superficielle se situe entre 38mN/m et 40mN/m dans le cas de cette surface de contact

Si on emploie 40mN/m d’encre de test, il n’y a plus d’humectation correcte, l’angle de contact Θ diverge en conséquence de 0°, alors qu’on obtient presque une diffusion à 38mN/m.

Le diagramme représente schématiquement comment la tension superficielle de la surface de contact diminue au fur et à mesure que l’épaisseur de la couche d'huile augmente (le contrôle se fait à chaque fois avec la même encre de test) :



l’humectation de la surface de contact diminue au fur et à mesure que l’épaisseur de la couche d'huile augmente.

Pour déterminer la tension superficielle d’une surface de contact, on utilise tour à tour des encres de test ayant différentes tensions superficielles. Si la tension superficielle de la pièce de contact devait ici avoir au moins 38mN/m, on pourrait par exemple commencer avec une encre de test ayant la même valeur de tension superficielle : Une encre de test de 38mN/m humecte, une encre de test de 40mN/m n’humecte déjà plus complètement, une encre de test de 42mN/m perle de la surface de contact.



La méthode de l'encre de test est un procédé de contrôle facile à mettre en œuvre en pratique, qui peut être utilisée pour le contrôle aléatoire de composants. Il serait certes souhaitable d’obtenir directement des renseignements sur l’épaisseur de la couche d’huile résiduelle, ce qui s’est toutefois par le passé avéré une entreprise difficile dans la pratique. Le procédé (la méthode de l'encre de test) s’est entretemps établi pour le contrôle de la présence de minces couches d’huile dans un environnement industriel.

Qu’est-ce que le contrôle en ligne de la présence de fines couches d’huile ?
La méthode de l'encre de test est un procédé de test aléatoire dans lequel des contacts enfichés ou des composants donnés sont prélevés sur la production et fournissent une information sur la qualité à titre de représentants de tout un lot. On ambitionne cependant de plus en plus un contrôle à 100 % des composants à produire, ce qui braque de plus en plus les projecteurs sur un procédé de mesure en ligne. Le procédé en ligne doit ici s’inspirer de la méthode de l'encre de test, afin que les valeurs de mesure des deux systèmes (du système en ligne et du système hors ligne (méthode de l'encre de test)) puissent être comparées sans problème les unes avec les autres. L’objectif consiste donc à mettre un système de mesure en ligne qui affiche la valeur de la tension superficielle du composant respectif en mN/m.

Comment fonctionne effectivement un système de contrôle de la présence d’un film d’huile en ligne ?
Un système de mesure en ligne dépend en premier lieu de la capacité à mesurer sans contact. Le temps nécessaire pour détecter la valeur de mesure doit bien entendu tenir le temps d’alimentation en composants. Le système de mesure doit en outre être robuste, compact et disposer de plusieurs interfaces afin que les données de mesure puissent être alimentées en temps réel au système de contrôle supérieur ou bien à un API. Avant de choisir un procédé de mesure adapté, un grand nombre d’huiles d'estampage et d'étirage ont été analysées optiquement au plan spectral, en commençant dans la plage UVC (250 nm) pour monter dans la plage IRM (5 µm). Une fenêtre de mesure située entre 3 µm et 4 µm s’est détachée comme étant la plage spectrale de travail optimale, du fait que tous les types d’huiles d'estampage et d'étirage testés jusqu’à présent ont pu être mesurés par ce procédé. Les différentes huiles présentent certes des absorptions d’intensités différentes dans les fenêtres spectrales respectives, si bien qu’on ne peut pas éviter un calibrage individuel en incluant la méthode de l'encre de test, puisque la valeur de mesure doit être sortie en mN/m. Le procédé comparatif (normé) de deux plages spectrales délivre ici des résultats de mesure dans lesquels les propriétés de réflexion de la surface de contact peuvent déjà être en très grande partie compensées. Les croquis suivants représentent le mode de fonctionnement de principe des capteurs IRM :


Les émetteurs IRM à large bande couvrent ici la plage spectrale nécessaire pour les deux fenêtres de mesure CH0 et CH1. Une partie de la lumière réfléchie par la surface métallique touche à cette occasion les deux fenêtres de mesure, une fenêtre de mesure (CH0) réagit à cette occasion à la présence d’un film d’huile, tandis que l’autre fenêtre de mesure (CH1) n’affiche pratiquement aucune réaction à la présence d’un film d’huile (fenêtre de référence). Une évaluation normée permet d’obtenir une valeur de mesure indépendante de l’intensité :

MIR = CH1/(CH0+CH1)



Aucun film d’huile ne se trouve sur la surface métallique dans le croquis ci-dessus. Les deux fenêtres de mesure délivrent à peu près le même niveau de signal (valeur normée = MIRref). Dans le croquis suivant au contraire, le niveau de signal de la fenêtre de mesure CH0 se diffracte régulièrement, ce qui conduit à un décalage de la valeur normés IRM.



Plus la couche d’huile est épaisse, et plus la diffraction du signal est prononcée dans la fenêtre de mesure :



Afin que la valeur de tension superficielle de la couche d’huile métallique, et non la valeur normée (IRM), puisse être remise à l’interface du capteur, il faut tout d’abord établir la relation avec la méthode de l'encre de test (calibrage) :



À cet effet, une des pièces métalliques à contrôler est d’abord dégraissée, puis la valeur de référence normée (MIRref) est déterminée au moyen du capteur IRM et la valeur de la tension superficielle correspondante est déterminée en mN/m à l’aide de la méthode de l'encre de test. Une pièce métallique dégraissée est maintenant à chaque fois ci-après soumise à la même procédure, à la différence qu’à chaque procédure (valeur de mesure avec présence d’huile : IRM) une couche d’huile de plus en plus prononcée est appliquée de façon homogène sur le composant dégraissé (les épaisseurs de couche d’huile se situent ici d’expérience entre 100nm et 5µm). Les valeurs de mesure (IRM-MIRref) sont ensuite résumées dans un tableau et ce dernier est alors utilisé dans la mémoire non volatile du capteur en tant que tableau de conversion. Il en résulte à cette occasion la relation suivante sous forme graphique :


 


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