Techniques d'analyse thermique

NOTE TECHNIQUE

Les scientifiques de l'EAG sont des experts dans l'utilisation des techniques d'analyse thermique pour la caractérisation des matériaux ainsi que pour la conception d'études personnalisées. Cette note d'application détaille TGA (Analyse thermogravimétrique), TG-EGA (analyse thermogravimétrique avec analyse des gaz dégagés), DSC (Calorimétrie à balayage différentiel), TMA (Analyse thermomécanique) et DMA (Analyse mécanique dynamique). Ces techniques ont joué un rôle clé dans l’identification détaillée des matériaux, l’analyse des défaillances et les enquêtes de déformulation (ingénierie inverse).

ANALYSE THERMOGRAVIMÉTRIQUE (ATG)

ANALYSE THERMOGRAVIMÉTRIQUE (ATG)

DESCRIPTION

TGA mesure les changements de poids de l'échantillon dans un environnement thermique contrôlé en fonction de la température ou du temps. Les changements de poids (masse) de l'échantillon peuvent être le résultat d'altérations des propriétés chimiques ou physiques.

TGA est utile pour étudier la stabilité thermique de solides et de liquides. Une microbalance sensible mesure le changement de masse de l'échantillon chauffé ou maintenu de manière isothermique dans un four. Le gaz de purge entourant l'échantillon peut être soit chimiquement inerte, soit réactif. Les instruments TGA peuvent être programmés pour commuter les gaz pendant le test afin de fournir un large éventail d'informations au cours d'une seule expérience.

APPLICATIONS COMMUNES

  • Etudes de stabilité / dégradation thermique
  • Recherche des pertes de masse résultant de changements physiques et chimiques
  • Quantification des volatiles / humidité
  • Additifs de dépistage
  • Vaporation, sublimation
  • Analyse de déformulation / échec
  • Perte sur le séchage
  • Teneur en résidus / charges
  • Cinétique de décomposition

POINTS FORTS

  • Petite taille de l'échantillon
  • Analyse des solides et des liquides avec une préparation minimale des échantillons
  • Analyse quantitative d'événements thermiques de perte de masse multiple résultant de modifications physiques et chimiques de matériaux
  • Séparation et analyse de multiples événements de perte de masse se chevauchant

LIMITATION

  • Les produits évolués sont identifiés uniquement lorsque le TGA est connecté à un analyseur de gaz dégagé (par exemple, TGA / MS ou TGA / FTIR)

 

ANALYSE THERMOGRAVIMETRIQUE AVEC ANALYSE DE GAZ EVOLUE (TG-EGA)

ANALYSE THERMOGRAVIMETRIQUE AVEC ANALYSE DE GAZ EVOLUE (TG-EGA)

Analyse des gaz dégagés Le dégazage et la décomposition d'un matériau sont analysés par TGA-IR. L'insert est le profil TGA. Les spectres FTIR des espèces de gaz dégagés de 400 ° C à 600 ° C ont été collectés. Evolution intense de CO, H2O, CO2 et C6H5OH peut être vu au-dessus de 580 ° C.

DESCRIPTION

TG-EGA l'instrumentation est utilisée pour étudier les processus physiques et chimiques qui entraînent une perte ou un gain de masse. Comme le TGA standard, l'échantillon est chauffé dans une atmosphère de gaz contrôlée en utilisant un balayage de température programmé ou une attente isothermique. Mais TG-EGA va encore plus loin: un analyseur de gaz est couplé au four TGA à l'aide d'une ligne de transfert chauffée, ce qui permet d'analyser les gaz dégagés par l'échantillon lors du chauffage et de la pyrolyse. L'analyseur de gaz dégagé est utilisé pour identifier les produits chimiques présents dans les composants dégageant des gaz et pyrolysés.

Options de l'analyseur de gaz évolué pour TG-EGA comprennent :

  • Spectrophotomètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) - identification de la famille chimique et, dans certains cas, d'un composé spécifique
  • Analyseur de masse - les résidus chimiques sont spécifiquement assignés, mais ont parfois d'autres réponses possibles

APPLICATIONS COMMUNES

  • Études de stabilité thermique (dégradation)
  • Surveillance des variations de masse sous atmosphère et température contrôlées avec identification des produits de dégazage et de pyrolyse
  • Analyse des substances volatiles à l'état de traces, déshydratation, additifs, réactions chimiques, composants de la formulation, mécanisme de décomposition
  • Analyse de polymères, de matériaux organiques et inorganiques

POINTS FORTS

  • Analyse thermogravimétrique simultanée (TGA) et caractérisation des résidus chimiques évolués
  • Petite taille de l'échantillon
  • Analyse des solides et des liquides avec une préparation minimale des échantillons
  • Détection de multiples événements thermiques de perte de masse résultant de modifications physiques et chimiques de matériaux

LIMITATIONS

  • TGA-FTIR ne détecte pas les molécules non polaires, telles que H2, N2, L'2
  • L'identification spectrale TGA-FTIR des gaz du produit peut être limitée à la famille ou à la classe chimique
  • Les réactions en phase gazeuse secondaire peuvent compliquer l'identification des gaz produits
Instrumentation TG-EGA

 

CALORIMÉTRIE À BALAYAGE DIFFÉRENTIEL (DSC)

CALORIMETRIE PAR BALAYAGE DIFFERENTIEL (DSC) DSC conventionnel
CALORIMETRIE PAR BALAYAGE DIFFERENTIEL (DSC) MDSC

DESCRIPTION

DSC effectue des mesures colorimétriques quantitatives sur des échantillons solides, liquides ou semi-solides. Le flux thermique DSC mesure la différence de température (T) entre l'échantillon et une référence inerte et calcule la quantité de flux thermique (q) entrant ou sortant de l'échantillon à l'aide de l'équation q = DT / R, Où R est la résistance thermique du transducteur (cellule DSC).

Série DSC QTM Des modèles (TA Instruments, Inc.) mesurent le flux thermique absolu en appliquant des étalonnages de résistance et de capacité de cellules. Cette fonctionnalité permet la mesure directe de la capacité thermique spécifique d'un matériau à l'aide d'une seule expérience. La série QTM disposent d'un mode de fonctionnement spécial appelé température modulée DSC (MDSC). MDSC applique une modulation de température sinusoïdale superposée à une vitesse de chauffage linéaire. MDSC est une technique puissante qui permet de mesurer les transitions faibles, de séparer les événements thermiques se chevauchant et de fournir des mesures très précises de la capacité thermique.

APPLICATIONS COMMUNES

  • Analyser les transitions de phase et les réactions: point de fusion, cristallisation, transition vitreuse, température de durcissement, delta H
  • Mesurer la capacité thermique de composés purs et de mélanges
  • Comparer la qualité (CQ, analyse des défaillances, évaluation des nouveaux matériaux)
  • Identifier les matériaux inconnus
  • Évaluer les formulations, les mélanges et les effets des additifs
  • Déterminer les effets du vieillissement et évaluer l'historique thermique
  • Estimer le pourcentage de cristallinité
  • Déterminer le pourcentage de pureté de produits organiques relativement purs
  • Etudier la cinétique de durcissement ou de cristallisation et l'effet des impuretés sur la cristallisation
  • Déterminer la séparation de phase de mélanges de polymères et de copolymères
  • Estimer le degré de guérison; mesurer la cure résiduelle
  • Évaluer le point eutectique
  • Caractériser les matériaux polymorphes
  • Résoudre les transitions de phase subtiles, faibles ou se chevauchant

POINTS FORTS

  • Petite taille de l'échantillon
  • Mesure extrêmement précise des transitions de phase et des capacités thermiques
  • Contrôle de la température très précis (cales isothermes et rampes de chauffage / refroidissement)
  • Séquences programmables
  • Mesure sensible des transitions de phase subtiles ou faibles
  • Possibilité de séparer les transitions thermiques qui se chevauchent

LIMITATIONS

  • Convient mieux aux échantillons dont la surface est relativement étendue au fond du «creuset» ou du plateau.
  • Il est impossible d'obtenir des données précises lorsque la décomposition se produit dans la même région de température que la transition de phase (par exemple, la fusion).
  • La masse de l'échantillon doit rester constante dans le plateau pour une mesure précise; cela signifie pas de perte d'échantillon à l'évaporation ou à la sublimation pendant le test
CALORIMÉTRIE À BALAYAGE DIFFÉRENTIEL (DSC)

ANALYSE THERMOMÉCANIQUE (TMA)

ANALYSE THERMOMÉCANIQUE (TMA)

DESCRIPTION

TMA est utilisé pour étudier les propriétés physiques des matériaux viscoélastiques sous charge mécanique en fonction de la température et du temps. Les mesures sont effectuées en mode compression ou en mode tension avec une sonde qui applique une force à l'échantillon.

Les matériaux viscoélastiques typiques présentent des changements de volume avec la montée en température. Lorsque l'échantillon change de dimension, la sonde se déplace vers le haut ou le bas et la distance de déplacement est mesurée avec précision par un transducteur couplé à la sonde. La variation mesurée de la longueur de l'échantillon est en corrélation avec des propriétés telles que le retrait, l'expansion, le gonflement et le ramollissement.

TMA les techniques impliquent la sélection de la sonde correcte et des conditions permettant de mesurer les propriétés d'intérêt. Les configurations de sonde typiques incluent:

  • Force de type compression: la sonde est placée sur l’échantillon, qui est monté sur une plate-forme. Utilisé pour surveiller la dilatation, le retrait ou l'adoucissement en fonction de la sélection de la zone de contact (géométrie de la pointe de la sonde) et de la force.
  • Force de type tension: Un film ou un échantillon de fibre est pincé entre une plate-forme fixe et la sonde. Utilisé pour mesurer la dilatation, le retrait et le ramollissement.

APPLICATIONS COMMUNES

  • Déterminer le point de ramollissement (Tg) des polymères
  • Mesurer le coefficient de dilatation thermique de polymères, composites, céramiques, composés inorganiques et métaux
  • Caractériser les différences de CTE du polymère à l'état vitreux (inférieur à la Tg) et à l'état caoutchouteux (supérieur à la Tg)
  • Étudier les effets du vieillissement physique, de la réticulation ou du post-durcissement sur la Tg de thermoplastiques ou de polymères thermodurcissables
  • Déterminer la stabilité dimensionnelle des pièces à la température de fonctionnement et à la charge
  • Caractériser le rétrécissement des films orientés
  • Évaluer les différences de retrait et de dilatation de films ou de composites stratifiés en fonction du sens de chargement: «machine» et «transverse» ou «dans le plan» et «hors du plan»
  • Force de rampe ou de pas pour évaluer l'évolution de la charge lors du changement de dimension
  • Isostrain: mesurez la force nécessaire pour maintenir une contrainte constante pendant que le matériau est chauffé

POINTS FORTS

  • Petite taille de l'échantillon
  • Gamme de force faible
  • Modification de la force: linéaire et progressive
  • Température programmable: cycles de chauffage et de refroidissement séquentiels (1), isotherme (2)

LIMITATIONS

  • Requiert des faces parallèles et une épaisseur uniforme pour l'expansion
  • Échantillons raisonnablement plats pour la pénétration
ANALYSE THERMOMÉCANIQUE (TMA)

 

ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE (DMA)

ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE (DMA)

DESCRIPTION

Les polymères réagissent à l'énergie du mouvement de deux manières: la réponse élastique (1) est importante pour la récupération de la forme et la réponse visqueuse (2) est essentielle pour la dispersion de l'énergie mécanique et la prévention des ruptures. Analyse mécanique dynamique (DMA) est utilisé pour étudier ces réponses, appelées propriétés viscoélastiques, dans des conditions de faible force mécanique appliquée.

La viscoélasticité des polymères dépend de la température et du temps. Le chauffage et / ou le refroidissement contrôlés sont incorporés dans les instruments DMA pour étudier les effets de la température sur la rigidité et la résilience du polymère. La vitesse de test ou l'échelle de temps utilisée pour déformer mécaniquement le polymère permet d'étudier les effets du temps (ou de la fréquence) sur la résistance à la déformation permanente. Les connaissances acquises grâce à une utilisation stratégique des paramètres de force, de température, de temps ou de fréquence constituent la base de la prévision des performances du polymère dans des applications du monde réel.

Le DMA utilise un système de pinces pour le test mécanique des matériaux polymères solides. L’échantillon de polymère doit d’abord être coupé, coupé ou moulé selon une forme qui convient au type de pince sélectionné. La sélection des pinces pour les échantillons de polymères est basée sur le type de mouvement mécanique le plus approprié pour le type d'étude spécifique:

  1. Tension (étirement)
  2. Compression (push)
  3. Flexure (courbure)
  4. Cisaillement (mouvement parallèle à la surface de l'échantillon)

Toutes les configurations de pinces DMA comportent une pince mobile et une ou plusieurs pinces fixes, utilisées pour monter l'échantillon. La partie mobile applique une force et déplace l'échantillon en l'étirant, en le pliant, en le cisaillant ou en le comprimant. Certains types de pinces doivent appliquer une force initiale faible sur l'échantillon avant de mettre la pince en mouvement. Ceci maintient l’échantillon sous tension (tension) ou maintient le contact entre la pince mobile et l’échantillon (compression, courbure à la pointe 3) tout au long d’un test dynamique.

Dans les essais dynamiques, un mouvement sinusoïdal est appliqué à l'échantillon par la pince mobile. Comme le déplacement cyclique du matériau se produit à la force spécifiée, l'amplitude de la réponse sinusoïdale est mesurée. Les réponses aux contraintes et aux déformations du matériau sont calculées en fonction de la géométrie et des dimensions de l'échantillon, ainsi que de l'angle de phase entre l'entrée et la réponse sinusoïdales.

Les valeurs de contrainte et de déformation des matériaux viscoélastiques, y compris des polymères, sont fonction de la température, du temps, de la fréquence et de l'amplitude d'oscillation appliquée. Toutefois, pour les tests dynamiques, la meilleure pratique consiste à conserver les mesures indépendamment de l’amplitude. Par conséquent, le développement de la méthode DMA incorpore un balayage d’amplitude pour sélectionner les paramètres d’amplitude dans la plage linéaire viscoélastique (LVR) du matériau. Pour la plupart des matériaux, des amplitudes de déformation inférieures à 1% sont recommandées pour assurer le fonctionnement dans le LVR.

L'angle de phase mesuré par DMA est utilisé pour dériver des équations trigonométriques de contrainte et de déformation. La dérivation mathématique de ces équations dépasse le cadre de cet article. Cependant, la relation contrainte-déformation dépend de l'angle de phase ou du retard de la réponse du polymère derrière l'entrée de déformation. La relation trigonométrique contrainte-déformation incorporant l'angle de phase donne trois quantités décrivant dans quelle mesure la réponse de l'échantillon est en phase et déphasée par rapport à l'entrée mécanique.

Ce sont:

  • E '= module de stockage
  • E "= module de perte
  • E "/ E '= tan δ

Lorsque l'échantillon est testé en mode cisaillement, les modules de mémorisation et de perte sont respectivement notés G 'et G ". Et tan δ devient G "/ G".

Le module de stockage (E 'ou G') correspond à l'énergie mécanique stockée par le matériau lors d'un cycle de chargement. Par conséquent, le module de stockage est lié à la rigidité et à la récupération de la forme du polymère pendant le chargement. Le module de perte (E "ou G") représente le comportement d'amortissement, ce qui indique la capacité du polymère à disperser de l'énergie mécanique par le biais de mouvements moléculaires internes. Par comparaison, tan delta est le rapport E "/ E '. Le pic maximum en tan delta représente le mieux la transition vitreuse (Tg) lorsque le matériau présente un mouvement moléculaire coopératif à longue distance compatible avec un écoulement caoutchouteux, une déformation permanente ou les deux en fonction de la structure moléculaire.

APPLICATIONS COMMUNES

  • Étudiez le «spectre viscoélastique», qui montre les changements de module dépendants de la température (et du temps) de dur / rigide à doux / caoutchouteux
  • Déterminer la transition vitreuse (Tg) des polymères
  • Etudier les modifications du module d'élasticité (stockage) en fonction de la fréquence
  • Caractériser «amortissement»: dissipation d'énergie mécanique par un mouvement interne (module de perte, tan delta)
  • Analyse comparative et d'échec des polymères
  • Etude de la séparation de phase de mélanges de polymères ou de copolymères
  • Déterminer les effets du vieillissement physique, de la réticulation ou de la post-polymérisation sur les propriétés mécaniques et la Tg
  • Superposition temps-température (TTS): prédire le comportement du matériau sur une plage de fréquences plus large (ou plus longue) à l'aide de quelques tests DMA stratégiques

POINTS FORTS

  • Balayage de contrainte: utilise une gamme d'amplitudes de contrainte pour trouver la région de performance viscoélastique linéaire à température constante
  • Balayage de fréquence: utilise différentes vitesses d'oscillation pour déterminer l'effet de la fréquence sur les propriétés mécaniques
  • Rampe de température ou conditions isothermes: chauffage et refroidissement de précision pour étudier l'effet de la température sur la réponse mécanique
  • Différents modes de déplacement: 1) Tension (étirement) pour films minces et fibres; 2) Flexion (courbure) pour les polymères chargés et cristallins, les thermoplastiques, les polymères réticulés, les élastomères et les composites; 3) Cisaille pour mousses, gels et caoutchouc mous
  • Modes de force / déplacement contrôlés: test non oscillatoire mesurant la réponse mécanique après application d'une force ou d'un déplacement instantané: 1) Fluage / récupération; 2) Relaxation au stress

LIMITATIONS

  • Éprouvettes à géométrie uniforme
  • Les échantillons doivent être exempts d'inclusions, de bulles et de fissures
  • Nécessite plusieurs spécimens pour le développement de méthodes et l'obtention de moyennes statistiques des propriétés
ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE (DMA)

Pour activer certaines fonctionnalités et améliorer votre expérience avec nous, ce site stocke des cookies sur votre ordinateur. Veuillez cliquer sur Continuer pour donner votre autorisation et supprimer définitivement ce message.

Pour en savoir plus, consultez notre Politique de confidentialité.