Introduction
Le concept de plate-forme à NETZSCH-Gerätebau GmbH
Notre concept de plate-forme comprend actuellement trois instruments de base (DSC, STA et TMA), chacun d'entre eux étant disponible en deux modèles différents (F1 et F3 ). Tous les composants électroniques nécessaires au fonctionnement de ces instruments, ainsi que l'unité d'alimentation en gaz, sont contenus dans un boîtier unique et intégré. Les fours et les porte-échantillons peuvent être rapidement et facilement remplacés par l'opérateur. Cette configuration modulaire confère non seulement une apparence uniforme aux instruments, mais permet également une flexibilité maximale pour s'adapter à des situations analytiques changeantes et pour faciliter la mise en œuvre de toute modification nécessaire des conditions de fonctionnement de l'instrument. La figure 1 illustre les différentes versions d'instruments qui composent le concept de la plate-forme.
Un four en acier est disponible pour les trois types d'instruments. Il permet de couvrir une plage de température de -150°C à 1000°C au niveau de l'échantillon. Cette note d'application traite des résultats de mesure typiques dans cette plage de température pour les polymères (thermoplastiques, élastomères) et les substances organiques cristallines, telles que le sucre.
STA 449 F1 Jupiter® avec four à acier
Outre les variantes d'instruments mentionnées ci-dessus, un certain nombre de compléments peuvent être fournis pour l'analyse thermique simultanée (STA), tels que les méthodes de couplage, PulseTA ou le générateur de vapeur d'eau. Neuf systèmes de four sont actuellement disponibles pour le STA 449, couvrant une plage de température de -150°C à 2400°C au niveau de l'échantillon (figure 2).
Conditions de mesure
Les résultats des mesures effectuées sur un film polymère en polyéthylène téréphtalate (PET), sur deux échantillons d'élastomère et sur le sorbitol - un sucre en C6 - sont présentés dans cette note d'application. Des conditions standard ont été utilisées pour toutes les études ; elles sont résumées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Élastomère | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Instrument de mesure | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Type de four | Four en acier | Four en acier | Four en acier |
| Porte-échantillon | Octogonal (ASC) | Octogonal (ASC) | Octogonal (ASC) |
| Thermocouple | P | P | P |
| Contrôle de la température de l'échantillon (STC) | Arrêt | Désactivé | Désactivé |
| Paramètres de refroidissement | GN2, auto | GN2, auto | GN2, auto |
| Masse de l'échantillon | 13.493 mg ; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Matériau du creuset | Platine | Platine | Platine |
| Atmosphère | Hélium | Hélium | Hélium |
| Débit de gaz | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Taux de chauffage/refroidissement | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Résultats des mesures
Pour caractériser les élastomères, il est nécessaire d'effectuer les analyses dans une plage inférieure à la température ambiante. Les élastomères n'ayant pas de parties cristallines, il n'existe pas de point ou d'intervalle de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion pour ces substances. Les élastomères sont des solides purement amorphes, c'est-à-dire qui se sont solidifiés de manière non structurée. La DSC permet toutefois d'obtenir des informations importantes sur les propriétés du matériau, par exemple en déterminant la température de transition vitreuse. À cette température, les propriétés mécaniques de l'échantillon changent radicalement. À des températures inférieures à la température de transition vitreuse (Tg), un matériau amorphe est fragile et cassant ; au-dessus de la température de transition vitreuse, en revanche, il est élastique et flexible. Ce changement de propriété mécanique peut être mesuré très facilement à l'aide de méthodes d'essai mécanique telles que DIL, TMA ou DMA. Étant donné que la chaleur spécifique d'un échantillon change également au cours de ce changement de propriétés mécaniques, une méthode calorique telle que la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) peut également être utilisée pour déterminer la température de transition vitreuse. Dans les résultats des mesures DSC, la température de transition vitreuse peut être observée comme une étape ; la hauteur de l'étape est une indication directe du changement de la chaleur spécifique, en unités de J/gK.
Dans l'étude du polyisoprène (NR, caoutchouc naturel), la transition vitreuse est censée se produire à une température d'environ -50°C. Cette température de transition vitreuse peut toutefois varier en fonction du mélange de caoutchouc et du choix des additifs tels que les plastifiants, et peut donc être adaptée aux exigences de l'application correspondante. La figure 3 montre les résultats de la détermination de la température de transition vitreuse pour deux échantillons d'élastomère.
Pour les matériaux semi-cristallins, des régions amorphes existent à côté des régions cristallines (domaines). Les régions amorphes sont caractérisées par la température de transition vitreuse décrite ci-dessus, tandis que les régions cristallines sont caractérisées par leur comportement de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion. Étant donné que les étapes de traitement mécanique et thermique peuvent modifier le rapport entre la région amorphe et la région cristalline, les études DSC impliquent généralement la comparaison de deux segments de chauffage. Entre ces deux chauffages, les échantillons subissent un refroidissement linéaire dans l'instrument DSC au moyen d'un programme de refroidissement contrôlé afin d'éviter de soumettre le matériau à de nouveaux états de contrainte. La figure 4 illustre la comparaison de ces deux segments de chauffage (rouge :1er chauffage, vert :2ème chauffage), ainsi que le segment de refroidissement (bleu) qui a été effectué entre les deux cycles de chauffage.
On voit clairement que le film PET transparent était largement amorphe avant le premier chauffage et qu'il se caractérise par une proportion cristalline plus élevée après le refroidissement contrôlé qui a eu lieu à une vitesse de 10 K/min.
Un profil typique de température et de temps pour un tel traitement cyclique d'un échantillon est illustré dans la figure 5 appliquée à l'étude du sorbitol.
Les résultats de la mesure du sorbitol sont présentés dans la figure 6. La substance était entièrement cristalline avant l'étude, ce qui explique qu'aucune transition vitreuse n'ait été observée pendant le premier chauffage (rouge) dans la plage autour de 0°C. La Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de l'échantillon a été détectée à une température maximale de 101°C. Pendant le refroidissement de l'échantillon de sorbitol liquide (bleu), aucune CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation n'a été observée ; au lieu de cela, l'échantillon s'est solidifié de manière amorphe, comme l'indique la détection de la transition vitreuse à -3,6°C (point médian). Lors du deuxième chauffage (vert), la transition vitreuse a de nouveau été détectée (point médian : -0,3°C) ; à ce moment-là, l'échantillon était complètement amorphe et ne présentait donc aucune Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion. Le traitement thermique cyclique à des vitesses de chauffage et de refroidissement de 10 K/min a fait passer l'échantillon d'un état complètement cristallin à un état complètement amorphe.
Résumé
Les exemples de mesures démontrent que même un STA - qui est conçu principalement pour la gamme des hautes températures - est capable d'analyser des échantillons pour lesquels un DSC 204 F1 Phoenix® ou un DSC 200 F3 Maia serait normalement utilisé, simplement en changeant de four.