La physique du transport de l'humidité : capillarité et MMT
Le trajet de la sueur, de la peau vers l'environnement, se résume à l'angle de contact, à la pression capillaire et au gradient entre les couches ; l'équation qui le décrit est celle de Washburn, l'instrument qui le mesure est le MMT.
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Une étoffe qui éloigne la sueur puis sèche ne relève d’aucune magie : elle obéit à l’hydrostatique et à la physique des surfaces. Le déplacement de l’humidité liquide dans une structure fibreuse recouvre deux phénomènes distincts : d’abord le mouillage (wetting), soit la tendance du liquide à s’étaler sur la surface de la fibre, puis le transport capillaire (wicking), soit l’aspiration spontanée du liquide dans les interstices entre les fibres. Le polyester est en lui-même hydrophobe ; la performance tient moins à la chimie de la fibre qu’à la géométrie de la section, à l’architecture du fil et à l’apprêt. Cet article traite ces mécanismes dans le langage des méthodes d’essai normalisées, avec des grandeurs d’ingénierie.
Mouillage : angle de contact et équation de Young
Lorsqu’une goutte d’eau rencontre une surface, l’angle de contact (theta) qu’elle forme mesure le mouillage. Selon l’équation de Young, cet angle naît de l’équilibre des tensions interfaciales solide-vapeur, solide-liquide et liquide-vapeur. Si theta < 90 degrés, la surface est hydrophile et le liquide s’étale ; si theta > 90 degrés, elle est hydrophobe et la goutte perle. Sur le polyester non traité, l’angle de contact de l’eau se situe typiquement dans la bande 70-90 degrés, ce qui explique pourquoi, sans intervention, l’étoffe tend à « repousser » la sueur. Pour que le transport capillaire soit possible, cos(theta) doit être positif, c’est-à-dire l’angle de contact inférieur à 90 degrés.
Ascension capillaire : équation de Washburn
Les interstices entre les fibres se comportent comme de fins tubes capillaires. Dans un tube capillaire, la distance de pénétration L du liquide est donnée par l’équation de Lucas-Washburn : L = racine carrée[(gamma * r * t * cos(theta)) / (2 * eta)]. Ici, gamma est la tension superficielle du liquide, r le rayon capillaire/de pore effectif, theta l’angle de contact, eta la viscosité dynamique du liquide et t le temps. L’équation dérive de la pression capillaire de Young-Laplace (Pc = 2*gamma*cos(theta)/r) et de l’écoulement de Hagen-Poiseuille ; elle vaut pour le cas horizontal où la gravité est négligée.
Cette équation dit trois choses au concepteur. Premièrement : la distance de pénétration croît avec la racine carrée du temps (L proportionnel à racine-t), donc le transport capillaire est très rapide au début puis ralentit progressivement. Deuxièmement : un petit rayon de pore r signifie une pression capillaire plus élevée (Pc proportionnel à 1/r) mais un écoulement plus lent (L proportionnel à racine-r) ; ce dilemme explique pourquoi l’affinement du microfilament augmente la force d’aspiration tout en imposant la recherche d’un point d’équilibre. Troisièmement : puisque cos(theta) est un multiplicateur, tout apprêt hydrophile qui abaisse l’angle de contact sous 90 degrés agit directement sur le transport capillaire. En capillarité verticale, la gravité s’oppose à l’ascension ; le liquide ne monte donc pas indéfiniment, il existe une hauteur d’équilibre où la pression capillaire égale la pression hydrostatique.
Mesure du transport capillaire vertical : essais sur bandelette
L’ascension capillaire se mesure directement. Dans les essais classiques sur bandelette (strip test), l’extrémité inférieure d’une bandelette d’étoffe suspendue verticalement est immergée dans un réservoir d’eau, puis la hauteur atteinte par l’eau (mm) est lue au bout de durées définies. La DIN 53924 est une méthode de « hauteur d’ascension » de courte durée (de l’ordre des minutes) pour les étoffes à transport capillaire relativement rapide ; la BS 3424 (Method 21) est en revanche un essai de résistance allant jusqu’à 24 heures, destiné aux étoffes enduites ou techniques à capillarité très lente. Son équivalent moderne est l’AATCC 197 : sur une éprouvette alignée verticalement, l’ascension capillaire est suivie en fonction du temps ; c’est la géométrie la plus proche du scénario réel d’une étoffe tombant au contact d’une peau qui transpire. Pour l’étalement horizontal, on utilise l’AATCC 198 (temps mis par le liquide déposé au centre pour atteindre un diamètre de 100 mm) ; les résultats des deux méthodes ne se comparent pas, car les géométries diffèrent.
MMT : la cartographie de la gestion de l’humidité en une seule fois
L’essai sur bandelette indique la vitesse de transport, mais pas la différence directionnelle entre les deux faces d’une même étoffe. L’AATCC 195 (Moisture Management Tester, MMT) mesure exactement cela : l’éprouvette est placée entre des anneaux de capteurs concentriques sur la face supérieure et sur la face inférieure, une solution d’essai (généralement une solution saline proche de la sueur synthétique) est déposée au centre, et la résistance ou la conductance électrique des deux faces est enregistrée au cours du temps. La courbe obtenue se résout en six indices : temps de mouillage (WT, s, distinct pour le dessus et le dessous), vitesse d’absorption (AR, %/s), rayon de mouillage maximal (MWR, mm), vitesse d’étalement (SS, mm/s), capacité cumulée de transport unidirectionnel R, et l’indice qui les combine, la capacité globale de gestion de l’humidité OMMC (indice entre 0 et 1).
OMMC : ARB, R et SSB résumés en une seule valeur
L’OMMC est le résumé en un seul nombre de l’aptitude d’une étoffe à gérer l’humidité ; il se calcule à partir de trois composantes : la vitesse d’absorption de la face inférieure (ARB), la capacité de transport unidirectionnel (R) et la vitesse d’étalement maximale de la face inférieure (SSB). La logique est claire : une bonne étoffe de sport pousse son liquide du côté peau (dessus) vers le côté extérieur (dessous), l’étale à l’extérieur sur une large surface et le prépare à une évaporation rapide. Chaque indice est converti en une note de 1 à 5 (1 = faible, 5 = excellent). L’indice unidirectionnel R est la différence entre les intégrales temporelles des teneurs en eau de la face supérieure et de la face inférieure ; un R positif et élevé signifie un flux net de liquide s’éloignant de la peau.
| Indice | Ce qu'il mesure | Unité | 1 (faible) | 3 (bon) | 5 (excellent) |
|---|---|---|---|---|---|
| Temps de mouillage (WT) | Instant où la surface commence à se mouiller | s | > 120 (ne se mouille pas) | ~5-20 | < 3 |
| Vitesse d'absorption (AR) | Vitesse initiale d'augmentation de la teneur en eau | %/s | 0-10 | ~50-100 | > 100 |
| Rayon de mouillage max. (MWR) | Cercle le plus large atteint par le liquide | mm | 0-7 | ~17-22 | > 22 |
| Vitesse d'étalement (SS) | Vitesse cumulée du centre jusqu'au MWR | mm/s | 0-1 | ~3-4 | > 4 |
| Transport unidirectionnel (R) | Flux net de liquide du dessus vers le dessous | - | < -50 | ~100-200 | > 300 |
| OMMC | Gestion globale de l'humidité | 0-1 | 0-0,2 | ~0,4-0,6 | > 0,8 |
Push-pull : transport directionnel à double couche
L’indice unidirectionnel R du MMT décrit aussi un objectif de conception : le déplacement unidirectionnel du liquide loin de la peau. La construction qui l’assure le plus nettement est la double couche push-pull. La face intérieure, tournée vers la peau, est délibérément hydrophobe (par ex. polypropylène ou polyester microfilament non traité), tandis que la face extérieure est choisie hydrophile. Le gradient de mouillage ainsi créé agit comme une pompe unidirectionnelle pour le liquide : la couche intérieure hydrophobe ne retient pas la sueur et, par ses pores fins, la pousse (« push ») vers la couche extérieure ; la couche extérieure à forte absorption tire (« pull ») le liquide, l’étale sur une large surface et agrandit la surface d’évaporation. L’objet de l’ingénierie devient ainsi la différence d’énergie de surface entre les deux couches, et non la chimie de la fibre ; la peau reste sèche, l’évaporation a lieu à l’extérieur.
Vitesse de séchage : refermer la zone humide
Le transport n’est que la moitié du chemin ; le confort ne s’achève que lorsque le liquide s’évapore. Les méthodes de vitesse de séchage mesurent des grandeurs physiques différentes et ne doivent pas être confondues. L’AATCC 201 (plaque chauffée) sèche l’éprouvette sur une plaque à 37 degrés C qui imite la température de la peau, avec un flux d’air en face supérieure, et déduit la vitesse de séchage (généralement en mm/heure ou g/m2/heure) de la variation de température de surface ; c’est le scénario le plus proche de l’usage. L’AATCC 199 suit quant à elle une éprouvette entièrement saturée à 37 degrés dans un analyseur d’humidité gravimétrique et donne le temps de séchage à partir de la perte de masse. L’AATCC 200 estime, sans chauffage externe et avec de l’air aspiré, le temps de séchage complet (dryout) à partir de la température de surface. En résumé, les méthodes 201 et 200 reposent sur la température, la 199 sur la masse ; toute comparaison doit impérativement préciser la méthode utilisée.
Apprêt hydrophile face à l’hydrophilie durable
Deux voies rendent positif le multiplicateur cos(theta). La première est l’apprêt chimique : appliquer un polymère hydrophile (par ex. des dérivés polyéther/PEG) à la surface du polyester abaisse l’angle de contact et améliore rapidement la vitesse d’absorption et le transport capillaire. Mais les apprêts simples se délavent ; typiquement, la performance chute nettement au bout de 30-50 lavages. Les solutions plus durables emploient des polyéthers à ancrage multipoint dont une extrémité se lie de façon covalente au polyester tandis que l’autre reste durablement hydrophile, des agents de couplage au silane ou des réseaux polymères réticulés ; bien formulées, elles conservent l’essentiel du transport capillaire après 30 lavages. La seconde voie est structurelle : une section à canaux (par ex. le filament rainuré de type Coolmax que le secteur connaît) ou l’affinement du microfilament règle le rayon capillaire r et la surface spécifique par la géométrie ; cet effet ne change pas au lavage, car il dépend de la forme et non de la chimie. La performance la plus robuste combine le plus souvent la géométrie structurelle et un apprêt durable.
La liste de contrôle du concepteur
- Mesurez d’abord l’angle de contact : s’il ne descend pas sous 90 degrés, l’étoffe repousse la sueur et une intervention hydrophile s’impose (équation de Young).
- N’oubliez pas le ralentissement en racine-t du transport capillaire : les premières secondes sont les plus critiques ; le confort réel se joue sur la vitesse d’absorption initiale.
- Si vous voulez un seul chiffre du MMT, demandez l’OMMC ; mais c’est R (unidirectionnel) qui prouve vraiment une conception push-pull.
- Ne comparez pas les résultats de capillarité verticale (AATCC 197) et horizontale (AATCC 198) ; les géométries diffèrent.
- Précisez la méthode dans toute allégation de séchage : l’AATCC 201/200 (température) et l’AATCC 199 (masse) ne donnent pas le même chiffre.
- Ne dites pas « gère l’humidité » sans traiter la tenue au lavage : un apprêt se délave en 30-50 lavages, une section structurelle non.