Le concept de base et le mécanisme d'étanchéité du cuir imperméable

Les produits en cuir sont très demandés depuis l'Antiquité. Leur utilisation remonte au Paléolithique. À cette époque, nos ancêtres confectionnaient des vêtements en cuir animal. Avec les progrès technologiques constants, les exigences envers les produits en cuir n'ont cessé de s'améliorer. Du simple cuir brut au cuir traité, on est passé à la production de cuirs multifonctionnels aux performances exceptionnelles, comme l'imperméabilité, la résistance à l'huile et l'ignifugation. Parallèlement, l'apparition du cuir artificiel aux performances remarquables a défié le cuir naturel.

L'imperméabilité est une caractéristique indispensable du cuir moderne. Les cuirs utilisés pour les vêtements et les empeignes les plus courants exigent cette imperméabilité.imperméabilisationLa demande de produits en cuir augmente de jour en jour. Pour de nombreux articles en cuir, l'imperméabilité est devenue un critère d'achat essentiel. La généralisation de l'imperméabilité a fait de cette propriété une caractéristique intrinsèque du cuir. De nombreuses techniques d'imperméabilisation ont été développées. Cette série d'articles synthétise les recherches sur l'imperméabilisation du cuir selon trois axes : le concept, le mécanisme et les procédés de fabrication. Cet article explique principalement le concept et le mécanisme de l'imperméabilisation.

1. Le concept de base de l'imperméabilité du cuir

L'imperméabilisation du cuir repose sur la prévention des infiltrations d'eau à travers sa surface. Le cuir étant naturellement hydrophile, le tannage ne permet généralement pas d'empêcher ce processus. Cette hydrophilie est due à l'organisation tridimensionnelle des fibres de collagène, reliées entre elles par d'innombrables capillaires de rayons variés. Le tannage, par l'ajout de substances chimiques, introduit des groupements polaires tels que les groupes hydroxyle, carboxyle et amine. Grâce à leur affinité pour l'eau, ces groupements peuvent se lier à celle-ci.

Après contact avec l'eau, la présence d'un grand nombre de groupements polaires rend le cuir hydrophile et lui permet d'absorber l'humidité. Parallèlement, les fins canaux présents dans le cuir lui permettent d'absorber l'eau. L'imperméabilisation vise à bloquer ce processus ; on peut donc la résumer en trois points :

(1) Pas d'hydratation : Empêcher les caractéristiques de la surface de la fibrine épithéliale, qui est humide à la surface de l'eau, est une référence d'eau.

(2) Absence d'absorption d'eau : la capacité du cuir à empêcher l'absorption d'eau et l'infiltration vers l'intérieur, c'est-à-dire la résolution de l'eau.

(3) Eau de précision : La performance d'empêcher l'eau de pénétrer d'un côté à l'autre du cuir, à savoir l'imperméabilité.

Les trois aspects de l'imperméabilité mentionnés ci-dessus sont les suivants : la capacité du cuir à résister à l'absorption d'eau, sa perméabilité à l'eau et son imperméabilité dynamique. Or, les cuirs imperméabilisés actuels présentent souvent une imperméabilité partielle, ne possédant pas ces trois propriétés. Par exemple, certains cuirs peuvent être mouillés en surface sans pour autant empêcher l'eau de pénétrer. À l'inverse, d'autres cuirs ne peuvent être mouillés en surface, mais leur imperméabilité dynamique est faible. Cette disparité rend la compréhension des propriétés des cuirs imperméabilisés encore plus confuse. Pour élaborer un cuir imperméabilisé haut de gamme, il est essentiel de garantir à la fois une imperméabilité statique et dynamique. Ainsi, on préserve les excellentes qualités du cuir naturel, notamment ses propriétés hygiéniques, et on améliore même ses fonctionnalités.

Deuxièmement, mécanisme d'étanchéité du cuir

Du point de vue de l'apparence, on peut distinguer deux couches : le revêtement et le cuir. Chez Cheng Demon, on appelle généralement cela la Ligue de Levy. L'imperméabilité désigne la capacité du cuir à résister à l'absorption, à la perméabilité et au mouillage par l'eau. La première étape de l'imperméabilisation consiste à empêcher l'humidité de pénétrer à la surface du cuir, ce qui implique de gérer l'humidité de la surface solide. Le mouillage est l'interaction entre le liquide et le solide, impliquant le contact de l'énergie (Qi), du liquide et du solide. La tension superficielle de la surface de contact triphasique est déterminée par la tension superficielle. Le phénomène de mouillage peut être déterminé par cette tension superficielle : lorsque la tension superficielle du liquide est inférieure à celle du solide, le liquide peut s'étaler à plat sur la surface solide et la mouiller. En revanche, si la tension superficielle est plus forte, le liquide se rétracte sur la surface solide sous forme de gouttelettes sans s'étaler ni mouiller, c'est-à-dire que les substances à forte tension superficielle ne peuvent pas mouiller les matériaux à faible tension superficielle. Par conséquent, pour éviter que le cuir ne soit imbibé d'eau, la tension superficielle du cuir doit être inférieure à celle de l'eau.

Le degré d'humidification d'un solide est généralement représenté par l'angle de contact. Le scientifique britannique Thomas Young a expliqué ce problème en proposant la célèbre équation de Young : lorsque le liquide adhère à la surface d'un solide, le degré d'humidification de cette surface peut être représenté par l'angle de contact θ (ou angle d'humidification) : cosθ = vs -g-vl-g vs-l

Dans la formule 1 : θ — L’angle entre les phases triphasiques qi-liquide-solide, l’angle de tension entre le qi-liquide et l’interface gaz-solide ; la tension superficielle entre le liquide et le qi ; la tension superficielle entre le vs-l-solide et le liquide. Voir les détails ci-dessous :

La figure 1 illustre la relation entre l'angle de contact et la tension superficielle. A représente le cas où le liquide mouille le solide, et B le cas où il n'y a pas de mouillage. La valeur de l'angle de contact permet de déterminer le degré de mouillage de la surface solide, généralement de 90°. Comme le montre la figure 1A, l'interaction se produit entre un solide hydrophile et un liquide. Pour un angle de contact θ < 90°, le liquide se dépose sur la surface solide, indiquant un bon mouillage. On observe alors une contraction de la surface, formant des gouttelettes sphériques. Un angle de contact θ > 90° indique un faible mouillage, c'est-à-dire une interaction entre une surface solide hydrophobe et le liquide. Plus l'angle de contact est petit, meilleure est la mouillabilité ; θ = 0° signifie que la surface solide est parfaitement mouillée, et θ = 180° qu'elle ne l'est pas du tout. Par conséquent, pour rendre la surface du cuir imperméable à l'eau, il est nécessaire d'obtenir un angle de contact θ > 90°, ce qui peut être réalisé en réduisant la tension superficielle du cuir. Outre la modification de l'angle de contact, il convient de noter que le cuir est composé de fibres de collagène, c'est-à-dire de fibres de rayons très variés. Le phénomène de capillarité est donc très facile à mettre en œuvre, ce qui augmente encore le taux d'absorption d'eau du cuir. Il est donc nécessaire de rendre le cuir imperméable et d'améliorer ses propriétés hydrophobes fibreuses.

Le phénomène de capillarité est dû à la force d'adhésion et de condensation de la couche d'adhérence moléculaire, qui provoque la courbure de la surface du liquide. Simultanément, la tension superficielle engendre une pression supplémentaire sur cette surface courbe, créant ainsi une différence de pression entre le liquide contenu dans la paroi interne et le liquide situé sous la paroi externe. Cette différence de pression entraîne une montée ou une descente du liquide dans le tube capillaire, compensant ainsi la pression supplémentaire et rétablissant l'équilibre. Le niveau du liquide dans le tube capillaire varie donc. Ce phénomène peut être modélisé par l'équation de Young-Laplace. Cette équation décrit la relation entre la pression supplémentaire exercée par le liquide courbe, sa tension superficielle et son rayon de courbure, comme illustré dans le cas de l'équation de Young-Laplace de type 2 : △P = γ (1/R1 + 1/R2). Type 2 : △P représente la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la paroi du liquide ; γ, le coefficient de tension superficielle ; R1 et R2, les principaux rayons de courbure du liquide. Voir les détails ci-dessous.

Comme illustré sur la figure 2, les systèmes triphasiques α, β et σ coexistent dans le tube capillaire. Si l'équilibre triphasique est atteint dans le tube capillaire de rayon R, l'angle de contact de α est θ. Dans le schéma de l'équation de Young-Laplace, si θ < 90°, alors ΔP < 0, la surface du liquide dans le tube capillaire est concave et la force appliquée au liquide inférieur l'attire à pénétrer dans le tube capillaire et à mouiller le solide. Si θ > 90°, alors ΔP > 0, la surface du liquide dans le tube capillaire est convexe. Par conséquent, pour éviter l'effet capillaire, il est essentiel de faire en sorte que l'angle de contact soit inférieur à 90°, ce qui peut être réalisé en réduisant la surface interne du capillaire afin de modifier sa tension superficielle.

Troisièmement, mécanisme d'étanchéité du revêtement en cuir

La surface du cuir est la première à être exposée à l'eau. Outre la modification de sa surface pour la protéger de l'humidité, il est également possible de la remplacer par l'application d'une couche de revêtement hydrofuge, constituant ainsi une première barrière contre l'humidité. L'efficacité de ce revêtement repose sur l'humidité du cuir, son adhérence et la pénétration du produit. La sous-couche est la base de l'ensemble du revêtement, et son adhérence est donc essentielle. L'influence de ces propriétés sur le revêtement peut être analysée d'un point de vue physique et chimique. Une surface lisse est moins favorable à l'adhérence du revêtement qu'une surface d'usure, car cette dernière présente de nombreuses rides, petites aspérités et irrégularités qui favorisent l'adhérence. L'utilisation d'agents de réticulation chimique permet d'améliorer l'imperméabilité et l'adhérence du revêtement. La pénétration du produit de base est également un facteur déterminant. Le cuir est une substance poreuse à structure fibreuse. Selon la loi du mouillage et de l'adhérence, le taux de pénétration de la pulpe dans le corps du cuir dépend de nombreux facteurs.

La formule de SandMeyer décrit la relation entre la vitesse de pénétration et la tension superficielle, la viscosité et l'angle de contact.

Formule 4 : Vitesse d’infiltration = degré de porosité × tension superficielle × viscosité cosθ

D'après l'équation 4, on peut constater :

(1) La valeur fonctionnelle (COSθ) de l'angle humide (COSθ) est proportionnelle à la vitesse de pénétration de la pâte, indiquant que le mouillage joue un rôle clé dans la pénétration de la pâte de fond.

(2) L'augmentation de la porosité, de la tension superficielle et du cosinus de l'angle de contact, ainsi que la réduction de la viscosité du liquide, favorisent l'accélération du mouillage. Parallèlement, la profondeur de pénétration doit également être prise en compte. Les facteurs influençant cette profondeur sont globalement les mêmes que ceux influençant la vitesse d'infiltration, mais pour augmenter la profondeur de pénétration de la pulpe, il est nécessaire de réduire sa viscosité et son angle de contact, et d'accroître sa tension superficielle. Il est contradictoire de réduire l'angle de contact et d'augmenter la tension superficielle simultanément. Par conséquent, la tension superficielle doit être ajustée de manière appropriée pour permettre à la pulpe de pénétrer plus profondément. Bien que la vitesse de pénétration soit proportionnelle à la tension superficielle, plus cette dernière est élevée, plus la vitesse de pénétration l'est également.

Outre les facteurs mentionnés ci-dessus, la pénétration du produit à travers la surface du cuir est également liée à sa concentration, à l'état du cuir (taux d'humidité, degré de porosité, polarité de charge, etc.) et aux méthodes de revêtement.