26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
Comment mesurer la dilatation des matériaux due à l'absorption d'eau ?
Dans les articles précédents, consacrés à l'analyse thermique sous humidité, nous avons vu que l'analyse thermogravimétrique et l'analyse mécanique dynamique permettent de déterminer l'influence de l'eau sur un matériau ou une substance. L'analyse thermomécanique complète l'analyse sous humidité.
Dans les articles précédents, consacrés à l'analyse thermique sous humidité, nous avons vu que l'analyse thermogravimétrique est une méthode standard pour l'identification de l'absorption d'eau et la détermination de la teneur en humidité. En outre, l'analyse mécanique dynamique permet de déterminer l'influence de l'eau et de l'humidité sur les propriétés mécaniques d'un matériau et d'une pièce.
L'analyse approfondie d'un matériau ou d'une substance soumis à l'humidité est complétée par une analyse thermomécanique.
Travaux pratiques : Mesures de TMA en atmosphère humide
Qu'est-ce que l'analyse thermomécanique ?
L'analyse thermomécanique (TMA) détermine les changements dimensionnels des solides, des liquides ou des matériaux pâteux en fonction de la température et/ou du temps sous l'effet d'une force mécanique définie. Elle est étroitement liée à la dilatométrie, qui détermine le changement de longueur des échantillons sous une charge négligeable.
Un exemple dans le domaine des polymères
L'objectif de l'analyse suivante est de déterminer le changement de longueur du matériau dans une atmosphère humide. Par conséquent, un TMA 402 F1 Hyperion® a été équipé d'ungénérateur d'humidité qui produit un niveau d'humidité défini en mélangeant un flux de gaz humide et un flux de gaz sec.
L'expérience a été réalisée sur un échantillon de feuille de 250-μm d'une longueur de 14,93 mm en mode tension. La température a été maintenue constante à 40°C et des paliers d'humidité de 25 % ont été effectués pendant le programme de température (courbe bleue dans la figure 1).
La figure 1 montre clairement une augmentation totale de plus de 300 μm. Le changement de longueur de l'échantillon a été causé par l'augmentation de la teneur en eau dans le matériau suite à l'absorption d'eau. Ce changement de longueur d'un matériau sous l'effet de l'humidité doit être pris en compte lors de la construction de pièces en polymère pour différentes applications.
La combinaison des résultats de différentes méthodes d'analyse thermique permet d'approfondir l'interprétation
La bonne corrélation entre les différentes méthodes permet de poursuivre l'interprétation. L'analyse TGA montre qu'il existe une interaction physique de l'eau et de l'humidité avec un matériau ou une substance. Cela peut être considéré comme une augmentation de la teneur en humidité et non comme un comportement de décomposition de l'échantillon. Par la suite, les analyses TMA et DMA montrent le changement de propriété qui en résulte, par exemple le processus d'expansion et/ou les changements dans les propriétés mécaniques.
Jetons un coup d'œil à d'autres applications !
Une application dans le domaine des cosmétiques
Dans cette expérience, un cheveu humain a été analysé à une température constante de 45°C avec différents niveaux d'humidité allant de 30 à 60% d'humidité relative. Le cheveu change de longueur lorsque l'humidité diminue.
Aujourd'hui, l'analyse des cheveux humains est principalement utilisée dans le domaine des cosmétiques afin de déterminer comment les cheveux humains réagissent à différents types de conditions climatiques et comment un shampooing ou un après-shampooing peut influencer la réaction des cheveux.
Une application dans le domaine des matériaux de construction
Pour la mesure du bois, les échantillons ont été coupés de différentes manières, comme le montre cette image.
Le bois présente une forte anisotropie en ce qui concerne son interaction avec l'eau et l'expansion qui s'ensuit. La variation de longueur due à l'absorption d'eau dépend de la direction dans laquelle l'échantillon de bois a été préparé. Coupé dans le sens longitudinal, le changement de longueur d'un échantillon de bois augmente d'environ 0,1 %, tandis que dans le sens radial, l'expansion atteint près de 1 %, et dans le sens tangentiel jusqu'à 2 %.
La variation de longueur entre les différentes directions est d'un facteur 20. C'est pourquoi le bois est traité avec différentes substances afin de le rendre plus résistant aux différentes conditions climatiques.
Les exemples précédents montrent clairement que l'humidité est l'un des paramètres essentiels qui définissent les propriétés des matériaux.
Les instruments d'analyse thermique peuvent fournir des informations essentielles sur l'absorption d'eau des matériaux et des substances et aider à déterminer l'expansion de longueur ou les changements de stabilité mécanique qui en résultent.
