Calorimètre différentielle pour la numérisation

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QU'EST CE QUE LA CALORIMÉTRIE DIFFÉRENTIELLE A BALAYAGE ?

Pour bien comprendre, il faudrait réviser les notions de transition vitreuse et de cristallinité d'un polymère...

PRINCIPE DE L'APPAREIL LA COURBE DSC LE % DE CRISTALLINITE

Principe de l'appareil

La calorimétrie à balayage différentiel est une technique utilisée pour étudier ce qui arrive aux polymères lorsqu’ils sont chauffés. Cette technique sert à étudier les transitions thermiques d'un polymère. Les transitions thermiques sont les changements qui interviennent dans un polymère quand vous le chauffez. La fonte d'un polymère cristallin ou la transition vitreuse en sont des exemples.

Ainsi comment peut on étudier ce qui arrive à un polymère lorsqu'on le chauffe? La première étape consiste à le chauffer, évidemment. C’est ce que l’on fait dans la Calorimétrie à Balayage Différentiel, DSC pour les intimes.

Le polymère est chauffé dans un dispositif qui ressemble à cela:

Il y a deux récipients. Dans l’un des deux, le récipient témoin, vous mettez votre échantillon de polymère. L’autre, que vous laissez vide, est le récipient de référence. Les deux récipients se trouvent dans un four qui chauffe habituellement à quelque chose comme 10°c/minute. Chaque récipient contient un thermocouple relié à un ordinateur. L'ordinateur fait la différence entre la température de l'échantillon et celle de référence, et les convertit en flux de chaleur.

Pourquoi les deux récipients n'auraient-ils pas la même température? C’est simple : ils sont différents! L’un contient le polymère et l’autre pas...

L’échantillon de polymère représente de la matière supplémentaire dans le récipient témoin par rapport au récipient de référence. La présence de cette matière supplémentaire et son "inertie thermique" (plus y'a de matière, plus il faut de temps pour que tout soit chaud!) font que le récipient témoin ne sera pas à la même température que le récipient de référence.

Mesurer la quantité de chaleur supplémentaire à fournir au récipient témoin est ce que nous mesurons lors d’une manipulation DSC.

Dans les grandes lignes, voici ce que nous faisons lors d'une manipulation DSC : Sur l'axe des abscisses nous traçons la température (du four). Sur l'axe des ordonnées nous traçons la différence de chaleur entre les deux récipients, témoin et référence.

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Explication de la courbe de DSC obtenue

La capacité de chaleur

Nous pouvons apprendre beaucoup de cette courbe. Imaginons que nous voulions chauffer un polymère. Quand nous commencerons à chauffer nos deux récipients, l'ordinateur tracera la différence entre les chaleurs des deux récipients en fonction de la température. C'est-à-dire, nous tracerons la chaleur absorbée par le polymère en fonction de la température.

La courbe ressemblera à ceci :

Le flux de chaleur à une température donnée est plein de renseignements. Il va être donné en unités de chaleur q par unité de temps t. La vitesse de chauffage est l'augmentation T de la température par unité de temps t. Vous saisissez ?

Divisons maintenant le flux de chaleur q/t par la cadence de chauffage T/t. Nous obtenons la chaleur supplémentaire fournie, divisée par l'augmentation de la température.

Rappelez-vous de la transition vitreuse : quand vous donnez une certaine quantité de chaleur à un élément, sa température montera d’une certaine quantité, et cette quantité de chaleur qu’utilise l’élément pour obtenir une telle augmentation de température s'appelle la capacité de chaleur, ou le Cp.

Nous obtenons la capacité de chaleur en divisant la chaleur fournie par l'augmentation résultante de température. Et c'est tout simplement ce que nous avons fait dans l’équation présentée plus haut. Nous avons trouvé la capacité de chaleur à partir de la courbe de DSC.

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La température de transition vitreuse

Bien sûr, la DSC peut nous en apprendre beaucoup plus sur un polymère que sa capacité de chaleur. Regardons ce qui se produit lorsque nous chauffons le polymère un petit peu plus.... Après une certaine température, notre tracé se décalera soudainement vers le bas, comme ceci:

Cela signifie que le flux de chaleur augmente, et que la capacité de chaleur de notre polymère augmente.

Ceci se produit parce que le polymère vient juste de passer par la phase de transition vitreuse. Et comme vous le savez, les polymères ont une capacité de chaleur plus élevée au-dessus de la température de transition vitreuse.

Grâce à ce changement de capacité de chaleur ayant lieu à la transition vitreuse, nous pouvons utiliser la DSC pour mesurer la température de transition vitreuse d'un polymère.

Vous aurez remarqué que le changement ne se produit pas instantanément, mais a lieu sur une plage de températures. Cela rend la détermination exacte de Tg plutôt difficile, mais nous utilisons la méthode bien connue des tangentes pour déterminer Tg, (voir le dessin).

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La Cristallisation

Mais, attendez ! il y a mieux, beaucoup mieux ! Au-dessus de la transition vitreuse, les polymères sont très mobiles. Ils s’agitent et se tortillent, ne restent jamais en position très longtemps. Ils sont comme des passagers essayant de s’installer confortablement dans un siège d'avion...

Quand les polymères atteignent la bonne température, ils ont gagné

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