AT Thermo Master8 [PDF]

Zitiervorschau

INTRODUCTION AUX MÉTHODES D’ANALYSE THERMIQUE

OBJECTIFS

• Comprendre les principes de fonctionnement des différentes méthodes d’analyse thermique ainsi que leur utilité • Connaître leurs avantages et inconvénients 1. Principes l’analyse analyse thermique (A.T.)

Quand les matériaux subissent une chauffe, ils subissent

un certain nombre de changements :

Un ensemble de méthodes a été développé pour permettre de mesurer ces changements :

TGA – Analyse Thermogravimétrique DTA – Analyse Thermique Différentielle DSC – Analyse Enthalpique calorimétrique à balayage) TMA – Analyse ThermoMécanique

Différentielle

(ou

analyse

Effet de la température sur la matière

ATG ≡ Analyse ThermoGravimétrique

EGA ≡ Effluent Gas Analysis

ATD ≡ Analyse Thermique Différentielle

SM ≡ Spectrométrie de Masse

DSC ≡ Calorimétrie Différentielle à

FT-IR ≡ Spectroscopie IR à

Balayage

Transformée de Fourier

ATM ≡ Analyse ThermoMécanique

CPG ≡ Chromatographie en Phase

ETA ≡ Analyse ElectroThermique

Gazeuse SA ≡ Spectrométrie Acoustique

2. Différentes techniques d’Analyse Thermique TGA, DTA, DSC et TMA.

ATG La thermogravimétrie est une technique mesurant la variation de masse d’un échantillon lorsqu’il est soumis à une programmation de température, sous atmosphère contrôlée. Cette variation peut être une perte de masse (émission de vapeur) ou un gain de masse (fixation de gaz, oxydation…) 1. L’échantillon est pesé et la ligne de base est établie 2. L’échantillon est soumis à la montée en température 3. À différentes températures, des réactions chimiques peuvent libérer des espèces gazeuses ou former des oxydes entraînant une variation de masse de l’échantillon 4. Ce changement de masse est enregistré en fonction de la température

Balance de haute précision + Four Oxalate de Calcium monohydrate

m(CaC2O4.H2O) = 423 mg

A.T.G. courbe de perte de poids, mesurée par micro-balance. Pour la kaolinite : 0 - 200°C --> départ eau en surface du minéral 450 - 550°C --> départ eau "structurale" = OH des octaèdres Al (OH)3. A.T.D. : courbe de variation de température de l'argile par rapport à un oxyde "inerte" pics endothermiques = réaction avec absorption de chaleur pics exothermiques = réaction avec émission de chaleur. La kaolinite montre deux pics endothermiques : vers 100°C = départ d'eau de surface, et vers 550°C = départ des OH structuraux, et un pic exothermiques : vers 950°C = recristallisation en un nouveau silicate, la Mullite.

Ces deux réactions, endothermique à 550°C et exothermique à 950°C caractérisent la kaolinite.

ATD et DSC

Un grand nombre de transitions (fusion, cristallisation, transition vitreuse…) ne s’accompagnent pas d’une variation de masse. Ces

transitions

qui

ne

thermogravimétrique

le

sont sont

pas par

détectée les

analyses

par

l’analyse

thermique

et

enthalpique différentielles.

ATD L’analyse thermique différentielle est une technique mesurant la différence de température entre un échantillon et une référence

(matériau inerte thermiquement) en fonction du temps ou de la température, lorsqu’ils sont soumis à une programmation de température, sous atmosphère contrôlée. Avec la méthode ATD, toute

transformation est détectable pour toutes les catégories de matériaux

Phénomènes thermiques observables en ATD

Analyse thermique différentielle (ATD)

ΔΤ = Te - Tr = f(t, ΔΗ, Cp, R)

1. L’échantillon et la référence sont soumis à la montée en température 2. Quand l’échantillon subit un changement de phase, sa réponse en température va varier par rapport à la référence 3. Le thermocouple va mesurer cette variation. Celle-ci va être

enregistrée ΔT= TE - TR= f(T ou t) 4. Le type de réaction (exo ou endothermique) va produire un pic

L'atmosphère du four joue un rôle important en ATD Aire du pic d'ATD = f(ΔΗ, Cp, R)

Bonne méthode si T > 700°C

95

0,05

93

0,04

91

0,03

89

0,02

87

0,01

85

0,00

Deriv.Weight(%/ºC)

Weight(%)

Bentonite

DSC L’analyse enthalpique différentielle est une technique déterminant la variation de flux thermique émis ou reçu par un échantillon lorsqu’il est soumis à une programmation de température,sous atm. contrôlée. Lors d’une chauffe ou d’un refroidissement, toute transformation intervenant dans un matériau est accompagnée d’un échange de chaleur : la DSC permet de déterminer la température de cette transformation et dans quantifier la chaleur. La technique est la même que pour la ATD si ce n’est que les températures sont mesurées à partir de plateaux de grande surface sur lesquels reposent le creuset de référence (vide) et le creuset contenant l’échantillon. C’est la DSC par flux de chaleur par flux de chaleur. Cette technique permet, par exemple, de mesurer la chaleur spécifique

Phénomènes recherchés : Transitions thermiques, cristallinité, transitions vitreuses Il y a deux récipients. Dans l’un des deux, le récipient témoin, vous mettez votre échantillon. L’autre, que vous laissez vide, est le récipient de référence. Les deux récipients se trouvent dans un four qui chauffe habituellement à quelque chose comme 10°c/minute. Chaque récipient contient un thermocouple relié à un ordinateur. L'ordinateur fait la

différence entre la température de l'échantillon et celle de référence, et les convertit en flux de chaleur.

L’échantillon représente de la matière supplémentaire dans le récipient témoin par rapport au récipient de référence. La présence de cette matière supplémentaire et son "inertie thermique" (plus y'a de matière, plus il faut de temps pour que tout soit chaud!) font que le récipient témoin ne sera pas à la même température que le récipient de référence.

Mesurer la quantité de chaleur supplémentaire à fournir au récipient témoin est ce que nous mesurons lors d’une manipulation DSC. Nous traçons donc la différence de chaleur entre les deux récipients, témoin et référence

Le flux de chaleur à une température donnée est plein de renseignements. Il va être donné en unités de chaleur q par unité de temps t. La vitesse de chauffage est l'augmentation T de la température

par unité de temps t.

: Quantité d’énergie

Divisons maintenant le flux de chaleur q/t par la cadence de chauffage T/t.

Nous obtenons la chaleur supplémentaire fournie, divisée par l'augmentation de la température. quand vous donnez une certaine quantité de chaleur à un élément, sa

température montera d’une certaine quantité, et cette quantité de chaleur qu’utilise l’élément pour obtenir une telle augmentation de température s'appelle la capacité calorifique, ou le Cp.

Nous obtenons la capacité de chaleur en divisant la chaleur fournie par l'augmentation résultante de température. Et c'est tout simplement ce que nous avons fait dans l’équation présentée plus haut. Nous avons trouvé la capacité de chaleur à partir de la courbe de DSC.

Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)

ΔΤ entre référence et échantillon ⇒ chauffage jusqu'à ce que TS = TR

Puissance absorbée ou émise = f(t) = g(T)

inerte (pas de transition)

Transition thermodynamique de 1 er ordre (ex : fusion)

2 ème ordre . Transition vitreuse

Variation des Cp en fonction de la température

Amorphe

Semi-cristallin

Tg : transition vitreuse

TMA L’analyse thermomécanique est une technique mesurant la déformation d’un échantillon sous contrainte non oscillatoire lorsqu’il est soumis à une

programmation de température, sous atm. contrôlée. La contrainte peut correspondre à unecompression, une traction ou une flexion

TYPES D’ÉCHANTILLONS Polymères (thermoplastiques, élastomères…) Co-polymères, blends et additifs (plastifiants, stabilisants, fillers, pigments…) Matériaux organiques Matériaux inorganiques (métaux, céramiques, verres, alliages…) Médicaments Bétons, argiles, minéraux Nourriture, tabac Bitumes, peintures…