Introduction
Le temps de mesure estimé - ainsi que la fiabilité et l'importance des résultats - joue souvent un rôle important dans presque toutes les questions analytiques. Plus les méthodes d'analyse sont liées aux processus de production, plus cet aspect prend de l'importance. Alors que dans la recherche et le développement de nouveaux matériaux, les temps de mesure pour la caractérisation des propriétés sont systématiquement planifiés, dans l'analyse en cours de fabrication, c'est la capacité des usines de production qui détermine les intervalles auxquels les propriétés et la qualité du produit doivent être vérifiées. Les analyses pour l'assurance qualité doivent donc souvent être réalisées en ligne pendant le processus de production, ou doivent au moins pouvoir être effectuées en l'espace de quelques minutes pour le contrôle par échantillonnage aléatoire.
Dans le passé, il était difficile de couvrir ces domaines au moyen de l'analyse thermique, car les analyses conventionnelles prennent de 30 minutes à plusieurs heures, en fonction du programme de mesure. Le temps de mesure dépend principalement du matériau à tester et/ou de la plage de température qui doit être étudiée pour les propriétés caractéristiques du matériau. Les paramètres décisifs sont également les vitesses de chauffage et de refroidissement utilisées. Ces paramètres dépendent essentiellement de la conception des fours et des instruments d'analyse. C'est là que le nouveau four à grande vitesse pose de nouveaux jalons.
Avec les instruments thermoanalytiques conventionnels, les vitesses de chauffage et de refroidissement de 1 K/min à 20 K/min sont courantes, tandis que la plage potentielle s'étend de 0,001 K/min à 100 K/min ; le nouveau four à grande vitesse, quant à lui, permet des vitesses de chauffage allant jusqu'à 1000 K/min. Une vitesse de chauffage de 500 K/min réduit déjà le temps de mesure de la température ambiante à 1000°C à moins de deux minutes, ce qui augmente considérablement le débit d'échantillons.
Concept
Le nouveau four à grande vitesse ne nécessite pas d'instrument autonome, mais étend la plate-forme 400 bien établie en y ajoutant un autre type de four. Le concept de plate-forme permet d'équiper un instrument de mesure d'un dispositif de levage à double four pour deux fours. Le four à grande vitesse peut donc être monté sur le dispositif de levage double en combinaison avec d'autres fours. Au lieu d'un deuxième four, un passeur automatique d'échantillons (ASC) peut être utilisé en option pour le four à grande vitesse. La flexibilité modulaire, et en particulier la possibilité de combiner le four à grande vitesse avec l'ASC, permet de gagner beaucoup de temps et se traduit donc directement par une augmentation du débit d'échantillons.
Les types de fours suivants pour les séries d'instruments STA 449F1 et STA 449 F3 sont désormais disponibles.
Mise en place
La figure 2 montre une coupe transversale du four à grande vitesse. On peut constater que le four à grande vitesse ne diffère pas des autres fours de la plate-forme 400 en ce qui concerne les principaux points de conception tels que les têtes de mesure, la position de la détermination de la température de l'échantillon, le flux de gaz et la séparation des chambres d'échantillon et de pesée.
La grande variété de types de creusets et de matériaux peut également être utilisée dans le four à grande vitesse. Cela garantit une comparabilité idéale des résultats des tests, même lorsqu'ils sont obtenus avec différents types de fours.
L'élément chauffant proprement dit du four à grande vitesse consiste en une maille de platine chauffée par résistance. Le tube de protection sépare la chambre à échantillon de l'extérieur et permet de travailler dans des atmosphères d'échantillon pures grâce à l'évacuation et à l'inondation de la chambre à échantillon.
Résultats des mesures
Outre les mesures à des vitesses de chauffage élevées, des mesures à des vitesses de chauffage conventionnelles de 10 K/min et 20 K/min ont également été effectuées avec le four à grande vitesse afin de garantir la comparabilité des résultats des tests avec ceux obtenus à l'aide d'autres instruments thermoanalytiques.
La représentation de la température de l'échantillon mesurée en fonction du temps dans la figure 3 montre des vitesses de chauffage linéaires dans la plage de 10 K/min à 500 K/min.
Il a ainsi été confirmé que le four à grande vitesse ne doit pas être limité à des vitesses de chauffage rapides, mais qu'il est également parfaitement capable de traiter des applications plus conventionnelles.
La variation de la vitesse de chauffage dans des conditions d'essai par ailleurs identiques fait passer les résultats à des températures plus élevées au fur et à mesure que la vitesse de chauffage augmente. Il s'agit d'une corrélation bien connue qui permet en outre l'évaluation cinétique des données mesurées à l'aide du logiciel spécialement développé NETZSCH Thermokinetics spécialement conçu à cet effet.
Si la corrélation entre la variation des taux de chauffage et les effets sur les données mesurées est connue et peut être décrite mathématiquement, les mesures peuvent être effectuées rapidement sans devoir renoncer à la traçabilité des données de mesure par rapport aux propriétés connues de l'échantillon, telles qu'elles sont répertoriées dans les annuaires NETZSCH, par exemple.
En prenant l'exemple de la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse du polypropylène (PP), il convient de souligner la dépendance des résultats par rapport à la vitesse de chauffe.
La figure 4 montre d'abord qu'il n'y a pas de différences significatives dans les résultats des mesures lorsque le polypropylène est étudié dans des conditions identiques à l'aide de deux instruments thermogravimétriques différents (TG 209 F1 et STA 449 F1 ).
Ceci est remarquable car la géométrie du four et donc les conditions d'écoulement des gaz de purge sont différentes.
Outre les résultats de la variation relative de masse (TGA), la figure 4 montre sa première dérivée, c'est-à-dire les taux de variation de masse, sous forme de lignes pointillées (DTG). En évaluant les températures pour les taux de chauffage de 10, 20, 50, 100, 200 et 500 K/min, où le taux de perte de masse est maximal (minimum de la courbe DTG), on obtient la dépendance de la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse du propylène par rapport au taux de chauffage. Elle est présentée dans la figure 5.
L'échelle logarithmique des taux de chauffage donne une ligne droite, comme le montre la figure 6. Les barres d'erreur indiquées dans les figures 5 et 6 dans la direction y ne représentent pas des erreurs réelles, mais seulement un intervalle de confiance de ± 2,5 K.
Le traitement thermique du carbonate de calcium (CaCO3) entraîne une Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. réaction de décomposition à des températures supérieures à 600°C, au cours de laquelle de l'oxyde de calcium (CaO) et du dioxyde de carbone (CO2) se forment selon l'équation suivante :
Alors que le CaO solide reste dans le creuset de l'échantillon, le CO2 et le flux de gaz de purge quittent tous deux l'instrument par la sortie. La quantité deCO2 accumulée peut être quantifiée comme une perte de masse.
La figure 7 présente les résultats d'une série de tests effectués dans les mêmes conditions de mesure que celles décrites pour le PP. Les étapes de la perte de masse ne dépendent pas de la vitesse de chauffage ; les températures de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition (minimum DTG) sont déplacées vers des températures plus élevées à mesure que les vitesses de chauffage augmentent.
Le taux de perte de masse passe de 5,1 %/min à 128,8 %/min lorsque la vitesse de chauffage passe de 10 K/min à 500 K/min (figure 8).
Cela montre que l'influence de la vitesse de chauffage sur les résultats de mesure suit une loi traçable.
Cette relation est décisive pour la comparaison des résultats de mesure qui ont été déterminés à différentes vitesses de chauffage.
Les matériaux utilisés pour des produits tels que les plaquettes de frein peuvent désormais être analysés dans des conditions de fonctionnement. Lors du freinage, l'énergie cinétique est transformée en chaleur par frottement. Le matériau peut ainsi être exposé à des températures très élevées dans un laps de temps très court.
Des vitesses de chauffage de 500 K/min permettent de reproduire analytiquement ces conditions de fonctionnement extrêmes (figure 9).
Tableau 1 : Données techniques du four à grande vitesse
Données techniques Four à grande vitesse
| Atmosphère | Inerte, oxydante |
| Porte-échantillon | STA standard |
| Vitesse de chauffage maximale (linéaire) | 1000 K/min |
| Température maximale de l'échantillon | 1250°C |
Résumé
Le nouveau four à grande vitesse constitue une extension de la plate-forme 400 bien établie qui renforce son potentiel déjà polyvalent. Il est notamment possible de combiner le four à grande vitesse avec d'autres fours sur un dispositif à double chariot ou avec un passeur automatique d'échantillons (ASC). La comparabilité des résultats de mesure du four à grande vitesse avec ceux d'autres instruments thermogravimétriques a été démontrée en utilisant la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse du polypropylène comme exemple. Il s'agit d'une condition préalable importante pour l'utilisation sans restriction du contenu informatif des mesures à des vitesses de chauffage allant jusqu'à 500 K/min.
La dépendance des résultats de mesure par rapport à la variation de la vitesse de chauffage montre une corrélation linéaire sous une échelle logarithmique de la vitesse de chauffage. Par conséquent, des comparaisons avec des mesures effectuées à des vitesses de chauffage conventionnelles sont également possibles. Les étapes de perte de masse elles-mêmes ne dépendent pas de la variation des taux de chauffage.
En outre, en utilisant la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique de CaCO3 comme exemple, il a été clairement démontré que, bien que la vitesse de chauffage ait une influence sur les résultats des mesures, elle suit également une loi très traçable.
L'utilisation de vitesses de chauffage rapides n'entraîne donc aucune perte d'informations, et le fait que chaque mesure ne dure que quelques minutes se traduit par un gain de temps considérable qui augmente considérablement le débit d'échantillons et donc l'efficacité de l'instrumentation thermoanalytique.
L'étude thermogravimétrique d'une plaquette de frein à 500 K/min a également permis, outre l'augmentation considérable du débit, d'analyser pour la première fois des matériaux exposés à des conditions thermiques extrêmes dans des conditions d'exploitation.