60 ans de NETZSCH-Gerätebau : La thermobalance utilisée au département des matériaux polymères de l'université de Bayreuth

Notre client de longue date, l'université de Bayreuth, en Allemagne, utilise également un TG 209 F1 Libra^®. Découvrez dans le rapport de terrain suivant comment le département des matériaux polymères de l'université de Bayreuth utilise le TG 209 F1 Libra^® en conjonction avec le logiciel NETZSCH Kinetics Neo pour prédire le comportement de vieillissement des plastiques.

Rapport d'utilisateur de l'Université de Bayreuth :

Vue aérienne du campus de l'université de Bayreuth, avec ses bâtiments modernes, ses espaces verts et ses panneaux solaires, qui promeuvent l'éducation durable. — Source : uni-bayreuth.de (© Université de Bayreuth)

Résister aux ravages du temps ou les prévoir ?

Comment le département des matériaux polymères de l'université de Bayreuth utilise le TG 209NETZSCH F1 Libra^®en conjonction avec le logicielNETZSCH Kinetics Neo pour prédire le comportement de vieillissement des plastiques.

Tout le monde connaît des choses qui s'améliorent avec le temps. Le vin rouge est la première chose qui vient à l'esprit, ou une belle voiture bien entretenue classic. Cependant, personne ne fait vieillir un vin rouge pendant 60 ans car, contrairement aux produits de NETZSCH-Gerätebau, il n'y a pas de recherche permanente de la perfection dans la vinification pour garantir un tel niveau de qualité.

Dégradation des polymères - un défi pour la construction

Contrairement à NETZSCH et au vin rouge susmentionné, les propriétés des polymères ne s'améliorent malheureusement pas toujours avec le temps. Au fur et à mesure que les plastiques vieillissent, leurs propriétés changent souvent jusqu'à ce que le matériau tombe en panne. Au niveau moléculaire, les liaisons atomiques des chaînes de polymères se rompent, ce qui entraîne la dissolution des groupes latéraux ou la rupture de la chaîne principale. La Post-cristallisation (cristallisation à froid)La postcristallisation des plastiques semi-cristallins se produit principalement à des températures élevées et avec une mobilité moléculaire accrue au-dessus de la transition vitreuse.post-cristallisation, la migration des plastifiants et la formation de fissures de contrainte peuvent également être considérées comme des effets du vieillissement.

Tous ces phénomènes ont en commun de se produire en fonction de la température et du temps, chacun avec des modèles de réaction cinétique différents. Les réactions qui ont lieu ont toutefois l'avantage de s'accompagner souvent d'un changement de masse. Les plastifiants qui sortent du volume, comme les produits gazeux de la dégradation du polymère, entraînent une diminution du poids. Selon ce principe, les mesures TGA dynamiques sont utilisées pour élucider la relation entre la température et la dégradation et, sur la base des données obtenues, un modèle cinétique est créé qui peut être utilisé pour des simulations dans des conditions isothermes.

Différents échantillons de résine époxy montrent une dégradation variable dans des conditions de vieillissement, ce qui met en évidence l'analyse du comportement des matériaux pour les applications aérospatiales. — Figure 1. Résine époxy sous différentes conditions de vieillissement

Dans le cas présent, de nouveaux systèmes de résine époxy sont étudiés pour être utilisés dans des composants aéronautiques et donc exposés à des températures élevées. Ces matériaux doivent résister aux conditions données, sans défaillance, pendant au moins la durée de vie de l'assemblage ou, mieux encore, de l'aéronef tout entier. Les essais d'exposition réels dans les conditions d'exploitation ne peuvent toutefois pas être réalisés sur une période de 15 ans. Il faut donc trouver une autre solution pour prédire le comportement des matériaux.

La thermogravimétrie comme base des simulations

Vue du bâtiment de la faculté d'ingénierie de l'université de Bayreuth, qui présente une architecture et une signalisation modernes. — Photo : Vue du bâtiment de la faculté d'ingénierie de l'université de Bayreuth (© Université de Bayreuth ; © Polymer Engineering)

Au département des matériaux polymères de l'université de Bayreuth, un TG 209 NETZSCH F1 Libra^® est utilisé pour ces mesures. Les mesures directes de la température effectuées par l'instrument permettent un réglage très précis de la température réelle, même pour les réactions endothermiques et exothermiques. Pour établir des simulations, un degré élevé de précision est nécessaire pour les ensembles de données saisies, car la propagation des erreurs multiplierait sinon les écarts. Grâce à l'intérieur en céramique du TG, même les polymères dont les produits de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition sont très corrosifs peuvent être caractérisés.

Les courbes de mesure TGA dynamiques montrent la dégradation des polymères à des vitesses de chauffage variables, ce qui est crucial pour la prédiction du vieillissement des matériaux. — Figure 2. Courbes de mesure de l'ATG dynamique à différentes vitesses de chauffage

Modélisation et prédiction au moyen de la cinétique Cinétique Neo

La plupart des réactions chimiques ne se produisent pas en une seule étape ; il en va de même pour les Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. réactions de décomposition des polymères. En fonction du polymère, une combinaison d'étapes parallèles et sérielles peut se produire. A l'aide de Kinetics Neoil est possible d'établir des modèles de réactions globales en combinant ces réactions individuelles. Des paramètres spécifiques peuvent être attribués à chaque étape. Le programme offre à la fois une optimisation automatique et un ajustement manuel de chaque valeur. L'utilisateur bénéficie ainsi d'un maximum de possibilités. Le modèle est établi en l'adaptant aux données de mesure réelles. L'évaluation est réalisée par l'édition de la valeur R² ou du test F.

Les courbes de mesure des tests TGA dynamiques illustrent le comportement de dégradation des polymères en fonction de la température, ce qui facilite les modèles de prédiction. — Figure 3. Courbes de mesure de l'ATG et courbes ajustées du modèle

Dans les cas où le modèle révèle une erreur de small par rapport aux données mesurées, des prévisions peuvent être calculées sur la base de la fonction mathématique du modèle. On comprend alors pourquoi il est nécessaire de disposer d'un bon équipement de mesure, comme le TG 209 F1 Libra^®est nécessaire. Ce n'est qu'en utilisant des données de mesure précises qu'il est possible d'établir une simulation exacte qui représente correctement la réalité.

Prédictions de la dégradation des polymères en fonction de la température, illustrées par des courbes de mesure TGA dynamiques. — Figure 4. Prédictions isothermes de la dégradation du polymère basées sur le modèle établi

Autres applications du TG 209 F1 Libra^® au département Ingénierie des polymères

Outre l'application décrite, le TG 209 F1 Libra^® est utilisé pour de nombreuses autres caractérisations de matériaux. Des propriétés importantes pour l'industrie sont examinées, telles que la teneur en charges des thermoplastiques ou la teneur en volume de fibres des matériaux composites. Il permet également de répondre à des questions scientifiques telles que la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique sous différentes atmosphères des duromères nouvellement développés. Cette polyvalence fait du TG 209F1 Libra^® un appareil qui est constamment utilisé au département.

Nous félicitons NETZSCH-Gerätebau pour son ^60ème anniversaire. Si NETZSCH continue à innover et à rechercher la perfection, comme elle l'a fait par le passé, nous nous réjouissons à l'avance de ces nombreuses années de collaboration fructueuse.

L'assistant de recherche Lukas Endner et le professeur Ruckdäschel analysent les matériaux polymères à l'aide du TG 209 NETZSCH F1 Libra en laboratoire. — Photo : L'assistant de recherche Lukas Endner (à gauche) avec le TG 209 `F1` `Libra^®` et le professeur Ruckdäschel dans le laboratoire d'analyse thermique du département des matériaux polymères. (© Université de Bayreuth ; © Polymer Engineering)

Nous remercions vivement le département des matériaux polymères de l'université de Bayreuth pour ce rapport intéressant et pour ses vœux chaleureux. Nous nous réjouissons, nous aussi, de ces nombreuses années de collaboration !