Pourquoi les peintures sèchent-t-elles aussi vite en milieu humide qu’en milieu sec ?
C’est un fait d’expérience que le séchage des peintures modernes ou des solutions aqueuses de polymère n’est pas plus affecté dans un milieu ayant jusqu’à 80% d’humidité qu’en atmosphère sèche, ce qui est contraire à notre intuition.
Des chercheurs de l’University of Edinburgh, Edimbourg, Royaume Uni, ont vérifié une théorie expliquant pourquoi la vitesse d’évaporation de l’eau ou d’un autre solvant d’une solution de polymère peut être indépendante du taux d’humidité ambiante tant que celui-ci est inférieur ou égal à 80%.
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Comme le prédit la théorie due à Jean Baptiste Salmon, de l’Université de Bordeaux et à ses collègues F. Doumenc et Béatrice Guerrier de l’Université Paris-Saclay et de l’Université Paris 6 UPMC, les expériences menées à Edimbourg montrent que, dans le cas d’une solution aqueuse de polymère, l’évaporation de l’eau en surface y concentre les molécules de polymère. Elles forment une couche dense qui régule l’évaporation et écrante la surface des effets de l’humidité.
La figure ci-dessous schématise ce phénomène :
Fig.1. Des liquides différents s’évaporent différemment
Un verre d’eau (à gauche) s’évapore plus vite dans un environnement sec.
Ajouter à l’eau (à droite) une longue chaîne de polymères (comme, par exemple, les constituants d’une peinture) change la sensibilité de la vitesse d’évaporation à l’humidité. L’évaporation de l’eau attire les polymères vers la surface, où ils forment une couche dense qui gêne l’évaporation et la rend indépendante de l’humidité.
Credit: M. Huisman and S. Titmuss/University of Edinburgh avec autorisation des auteurs.
L’image suivante est une micro-photographie de la couche de polymère à la surface d’une solution de PVA.
Fig.2. Image (microscopie en fond clair) de la couche de polymère à l’interface air-eau à la fin (t~ 103 min ) d’une expérience typique à HR = 50 %.
Tiré de Evaporation of Concentrated Polymer Solutions Is Insensitive to Relative Humidity, Max Huisman, Paul Digard, Wilson C. K. Poon, and Simon Titmuss PHYSICAL REVIEW LETTERS 131, 248102 (2023) .Creative Commons Attribution 4.0 International
Le montage expérimental d’étude de l’évaporation
Pour vérifier cette théorie, les chercheurs ont utilisé un montage simple : ils ont muni un réservoir de liquide cylindrique de cinq capillaires en borosilicate de section rectangulaire ( 0,20 mm x4 mm ). Le liquide du réservoir est couvert d’une fine couche d’huile pour empêcher l’évaporation à sa surface et la limiter aux extrémités ouvertes de chaque capillaire.
Le réservoir et ses capillaires sont posés sur une balance de précision qui mesure la masse de fluide évaporée m(t). L’ensemble est installé dans une enceinte scellée connectée à un humidificateur contrôlant l’humidité relative (HR) et la température T (Fig.2. ci-dessous).
On utilise des solutions aqueuses d’alcool polyvinylique (PVA), polymère analogue à ceux contenus dans les peintures à l’eau usuelles du commerce.
La pression de vapeur saturante est la pression à laquelle la phase gazeuse d’une substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide à une température donnée dans un système fermé.
Fig.3. Montage expérimental pour l’étude de l’évaporation
Schéma montrant le réservoir et l’un des 5 capillaires connectés. Le fait qu’il y ait 5 capillaires augmente la vitesse d’évaporation, raccourcissant la durée de l’expérience.
Tiré de Evaporation of Concentrated Polymer Solutions Is Insensitive to Relative Humidity, Max Huisman, Paul Digard, Wilson C. K. Poon, and Simon Titmuss PHYSICAL REVIEW LETTERS 131, 248102 (2023) .Creative Commons Attribution 4.0 International
Les résultats expérimentaux
La mesure de la vitesse d’évaporation en fonction de l’humidité relative HR est représentée sur la figure 4 ci-dessous
Fig.4 Evaporation de l’eau et d’une solution de PVA en fonction de l’humidité relative
Les triangles noirs représentent le taux de perte de masse dm(t)/dt de l’eau pure normalisée à sa valeur à HR = 25 %, les triangles vides celui d’une solution de 0,9 % en poids de NaCl ; les cercles colorés celui d’une solution de PVA (0,008 du volume total)
Tiré de Evaporation of Concentrated Polymer Solutions Is Insensitive to Relative Humidity, Max Huisman, Paul Digard, Wilson C. K. Poon, and Simon Titmuss PHYSICAL REVIEW LETTERS 131, 248102 (2023) .Creative Commons Attribution 4.0 International
On voit que pour l’eau pure ou la solution de NaCl, la vitesse d’évaporation diminue en fonction de l’humidité relative. Pour la solution de PVA, il n’en est rien, au dessous de 80 % d’humidité relative, cette vitesse est quasi constante
L’étude des solutions de PVA dans l’eau montre bien que leur évaporation est quasi indépendante de l’humidité relative ambiante HR dans un premier régime (HR <80%) à vitesse d’évaporation constante suivi par un régime à vitesse décroissante (Fig.3 b).
Quant au comportement en fonction du temps de l’évaporation, Salmon et al. prédisent qu’avant qu’une couche de polymère se soit suffisamment épaissie à l’interface, la vitesse d’évaporation dm(t)/dt doit rester constante en fonction du temps
C’est bien ce que l’on observe encore sur la fig.5. ci-dessous confirme cela. On y voit dm(t)/dt qui représente la vitesse d‘évaporation en fonction du temps pour diverses valeurs de l’humidité relative HR.
Fig.5. Dépendance de la vitesse d’évaporation en fonction du temps
On observe un premier régime à vitesse constante suivi d’un deuxième
à vitesse décroissante. Tiré de Evaporation of Concentrated Polymer Solutions Insensitive to Relative Humidity, Max Huisman, Paul Digard , Wilson C. K. Poon, and Simon Titmuss PHYSICAL REVIEW LETTERS 131, 248102 (2023) Creative Commons Attribution 4.0 International.
Pour résumer, une solution aqueuse de polymère, telle une peinture à l’eau, voit son solvent s’évaporer indépendamment de l’humidité relative ambiante à vitesse constante durant un premier temps suivi d’une phase de décroissance de cette vitesse. Ceci est en accord avec le modèle théorique (J.B. Salmon et al.) basé sur la formation à l’interface air-eau d’une couche de polymère due à l’advection des molécules de polymère vers l’évaporation de surface.Cette couche de PVA contribue à la première phase d’insensibilité à l’humidité relative RH.
Ces résultats intéressent l’industrie des peintures. Ils peuvent aussi s’appliquer à l’étude des gouttes vaporisées par la respiration qui peuvent contenir un agent pathogène. Ces gouttes incluent des surfactants et des macromolécules formant un gel à l’interface. Le système expérimental exposé ci-desus peut servir de base pour comprendre le rôle de solutions plus complexes dans la transmission des virus par voie respiratoire.
Pour en savoir plus :
Evaporation of Concentrated Polymer Solutions Is Insensitive to Relative Humidity Max Huisman, Paul Digard , Wilson C. K. Poon, and Simon Titmuss PHYSICAL REVIEW LETTERS 131, 248102 (2023)
Humidity-insensitive water evaporation from molecular complex fluids Jean-Baptiste Salmon* Université de Bordeaux, Pessac, France, Frédéric Doumenc, Université Paris-Saclay, Orsay, France, Béatrice Guerrier, Université Paris-Saclay, PHYSICAL REVIEW E 96, 032612 (2017)
Why Humidity Doesn’t Affect Drying Paint Rachel Berkowit, PHYSICS 16, 211? 2023
