Mouillage de surfaces hétérogènes : cellule de Hele-Shaw imparfaite

Wetting on Heterogeneous Surfaces: imperfect Hele-Shaw Cell

Laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes, Ècole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris, 10 rue Vauquelin, 75231 Paris Cedex 05, France

Résumé

Nous avons étudié l'influence des défauts de mouillabilité sur la morphologie d'un front de mouillage avançant dans une cellule mince, dite cellule de Hele-Shaw. Nous avons mis au point la réalisation des cellules minces, la fabrication de défauts et leur caractérisation ainsi qu'un dispositif optique nous permettant de visualiser les déformations successives du front de mouillage. Nous avons étudié expérimentalement et théoriquement l'interaction entre l'interface et un défaut de mouillabilité isolé. Nous avons mis en évidence la transition entre un régime de “décrochage” et de “piégeage” : si le défaut est suffisamment fort, la ligne de contact reste accrochée sur le défaut et le front liquide ne peut progresser qu'en laissant une bulle d'air sur le défaut, une partie de la surface solide restant alors non mouillée. Sur un défaut faible, en revanche, la ligne de contact ne fait que se déformer momentanément et la surface solide est finalement entièrement recouverte par le liquide. Nous avons calculé les formes d'équilibre de l'interface en faible et forte déformation en géométrie bidimensionnelle et déterminé expérimentalement la force critique du défaut associée à cette transition. Nous avons examiné le comportement du front de mouillage sur des défauts de mouillabilité multiples, situation qui correspond aux applications industrielles. Nous examinons l'influence de la répartition des défauts et de la gravité sur l'amplitude de fluctuation du front de mouillage. L'analyse statistique de ces systèmes permet d'établir des corrélations entre la distribution de défauts sur le substrat et le comportement de l'interface liquide.

Abstract

We study the influence of the surface wettability defects on the behavior of a liquid front advancing in a thin Hele-Shaw cell. Defects are made by spraying ink or by deposition of a photosensitive resin on a glass surface, giving a well-characterized system with controlled defects. We have done an experimental and theoretical study of the interface motion past a single defect. The main result is the existence of a pinning transition: the contact line cannot move over defects that are too large and an air bubble remains trapped on the defect. Smaller defects do hold the contact line for a while, but they are eventually wetted by the advancing liquid. We determine the critical defect size for this transition and calculate the equilibrium shapes of the interface in a two-dimensional geometry. We also investigate the motion of an interface moving over multiple defects. We analyze the relation between the statistical properties of the wetting front as function of the geometrical properties of the defect distribution and gravity effects.