Adhérence physique: en quoi consiste-t-elle et exemples?
L'adhérence physique est l'union entre deux ou plusieurs surfaces du même matériau ou de matériaux différents au contact. Il est produit par la force d'attraction de Van der Waals et par les interactions électrostatiques existant entre les molécules et les atomes des matériaux.
Les forces de Van der Waals sont présentes dans tous les matériaux, elles sont attrayantes et proviennent d’interactions atomiques et moléculaires. Les forces de Van der Waals sont dues aux dipôles induits ou permanents créés dans les molécules par les champs électriques des molécules voisines; ou par les dipôles instantanés des électrons autour des noyaux atomiques.
Les interactions électrostatiques reposent sur la formation d'une double couche électrique lorsque deux matériaux entrent en contact. Cette interaction produit une force d'attraction électrostatique entre les deux matériaux lors de l'échange d'électrons, appelée force de Coulomb.
L'adhésion physique fait que le liquide adhère à la surface sur laquelle il repose. Par exemple, lorsque l'eau est placée sur un verre, un film mince et uniforme se forme à la surface en raison des forces d'adhérence entre l'eau et le verre. Ces forces agissent entre les molécules du verre et les molécules de l'eau et maintiennent l'eau à la surface du verre.
Qu'est-ce que l'adhésion physique?
L'adhérence physique est la propriété de surface des matériaux qui leur permet de rester ensemble lorsqu'ils sont en contact. Elle est directement liée à l'énergie libre de surface ( ΔE ) dans le cas d'une adhésion solide-liquide.
Dans le cas d'une adhésion liquide-liquide ou liquide-gaz, l'énergie libre de surface est appelée tension interfaciale ou tension superficielle.
L'énergie libre de surface est l'énergie nécessaire pour générer une unité de surface du matériau. Le travail d'adhésion (adhérence) peut être calculé à partir de l'énergie libre de surface de deux matériaux.
Le travail d'adhésion est défini comme la quantité d'énergie fournie à un système pour casser l'interface et créer deux nouvelles surfaces.
Plus le travail d'adhésion est important, plus la résistance à la séparation des deux surfaces est grande. Le travail d'adhérence mesure la force d'attraction entre deux matériaux différents au contact.
Les équations
L'énergie libre de séparation de deux matériaux, 1 et 2, est égale à la différence entre l'énergie libre après séparation ( γ final ) et l'énergie libre avant séparation ( γ initial ).
ΔE = W 12 = γ final - γ initial = γ 1 + γ 2 - γ 12 [1]
γ 1 = énergie libre de surface du matériau 1
γ 2 = énergie libre de surface du matériau 2
La quantité W 12 est le travail d’adhérence qui mesure la force d’adhérence des matériaux.
γ 12 = énergie libre interfaciale
Lorsque l’adhérence est entre un matériau solide et un matériau liquide, le travail d’adhésion est le suivant:
W SL = γ S + γ LV - γ SL [2]
γ S = énergie libre de surface du solide en équilibre avec sa propre vapeur
γ LV = énergie libre de surface du liquide en équilibre avec de la vapeur
W SL = travail d'adhérence entre le matériau solide et le liquide
γ 12 = énergie libre interfaciale
L'équation [2] est écrite en fonction de la pression d'équilibre (π equil ) qui mesure la force par unité de longueur des molécules adsorbées à l'interface.
π equil = γ S - γ SV [3]
γ SV = énergie libre de surface du solide en équilibre avec la vapeur
W SL = π équil + γ SV + γ LV - γ SL [4]
Lors du remplacement de γ SV - γ SL = On obtient γ LV cos θ C dans l'équation [4]
W SL = π équil + γ SL (1 + cos θ C ) [5]
θ C est l'angle de contact à l'équilibre entre une surface solide, une goutte de liquide et de vapeur.
L'équation [5] mesure le travail d'adhésion entre une surface solide et une surface liquide en raison de la force d'adhésion entre les molécules des deux surfaces.
Des exemples
Adhérence des pneus
L'adhérence physique est une caractéristique importante de l'évaluation de l'efficacité et de la sécurité des pneus. Sans une bonne adhérence, les pneus ne peuvent ni accélérer, ni freiner le véhicule, ni être dirigés d'un endroit à un autre, et la sécurité du conducteur peut être compromise.
L'adhérence du pneu est due à la force de friction entre la surface du pneu et la surface de la chaussée. Une sécurité et une efficacité élevées dépendront de l'adhérence sur différentes surfaces, à la fois rugueuses et glissantes, et dans différentes conditions atmosphériques.
Pour cette raison, chaque jour, l’ingénierie automobile progresse dans l’obtention de modèles de pneus appropriés permettant une bonne adhérence, même sur des surfaces humides.
Adhérence de plaques de verre polies
Lorsque deux plaques de verre polies et humidifiées entrent en contact, elles subissent une adhésion physique qui est observée dans l’effort à appliquer pour surmonter la résistance à la séparation des plaques.
Les molécules d'eau se lient aux molécules de la plaque supérieure et adhèrent également à la plaque inférieure, empêchant les deux plaques de se séparer.
Les molécules d'eau ont une forte cohésion les unes avec les autres, mais elles montrent également une forte adhésion aux molécules de verre en raison de forces intermoléculaires.
Adhésion dentaire
Un exemple d'adhérence physique est une plaque dentaire attachée à une dent qui est habituellement placée dans des traitements de restauration dentaire. L'adhésion se manifeste à l'interface entre le matériau adhésif et la structure de la dent.
L'efficacité du placement des émaux et des dentines dans les tissus dentaires, ainsi que l'incorporation de structures artificielles telles que la céramique et les polymères qui remplacent la structure dentaire, dépendront du degré d'adhérence des matériaux utilisés.
Adhérence de ciment avec des structures
Une bonne adhésion physique du ciment aux structures en brique, maçonnerie, pierre ou acier se traduit par une grande capacité d'absorption de l'énergie provenant des efforts normaux et tangentiels à la surface qui relie le ciment aux structures, c'est-à-dire une grande capacité à supporter des charges.
Pour obtenir une bonne adhésion, dans l'union du ciment avec la structure, il est nécessaire que la surface sur laquelle le ciment va être placé ait une absorption suffisante et que la surface soit suffisamment rugueuse. Le manque d'adhérence entraîne des fissures et un détachement du matériau collé.
