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La '''calorimétrie différentielle à balayage''' (en anglais, ''Differential Scanning Calorimetry'' ou [[DSC]]) est une méthode de [[caractérisation]] des [[matériaux]]. Elle mesure les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser et une référence (par exemple [[alumine]], mais peut aussi être de l'air).
[[Fichier:Differential scanning calorimeter.jpg|vignette|Un calorimètre différentiel à balayage.]]


La '''calorimétrie différentielle à balayage''' (en anglais, ''Differential Scanning Calorimetry'' ou DSC) est une technique d'[[analyse thermique]]. Elle mesure les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser et une référence (par exemple l'[[alumine]] ou encore l'air).
Elle permet de déterminer

* la [[température de transition vitreuse]] (''T''{{ind|g}}) des [[polymère]]s ;
Elle permet de déterminer les [[Transition de phase|transitions de phase]] :
* la [[température de transition vitreuse]] (T{{ind|g}}) des matériaux amorphes : [[polymère]]s, verres (Inorganiques, organiques ou métalliques) et des [[Liquide ionique|liquides ioniques]] ;
* les températures de [[Fusion (physique)|fusion]] et de [[cristallisation (chimie)|cristallisation]] ;
* les températures de [[Fusion (physique)|fusion]] et de [[cristallisation (chimie)|cristallisation]] ;
* les [[enthalpie]]s de réaction (pour connaître les taux de réticulation des polymères).
* les [[Enthalpie de réaction|enthalpies de réaction]], pour connaître les taux de [[réticulation]] de certains polymères.


Les analyses sont réalisées sous balayage d'un gaz inerte (par exemple, l'[[azote]] ou l'[[argon]]) pour éviter toute réaction du matériau à étudier avec l’atmosphère du four.
Les analyses sont réalisées sous balayage d'un gaz inerte (par exemple, l'[[azote]] ou l'[[argon]]) pour éviter toute réaction du matériau à étudier avec l'atmosphère du four.


L'appareil subit des changements de températures importants. Par conséquence, la position de certains éléments de la DSC va varier. L'ensemble des calculs réalisé par l'interface informatique se fait par rapport au thermocouple positionné entre l'échantillon et la référence. En bougeant, les résultats vont être faussés. Il est donc nécessaire de calibrer régulièrement en vérifiant par exemple les températures de fusion à l'aide de l'[[indium]], du [[zinc]] ou du [[plomb]] (généralement, on utilise l’[[indium]] - ''T''{{ind|f}} = 156,6 °C ; ΔH = 28,45 J·g{{exp|−1}}).
L'appareil subit des changements de température importants. Par conséquent, la position de certains éléments de la DSC va varier. L'ensemble des calculs réalisés par l'interface informatique se fait par rapport au [[thermocouple]] positionné entre l'échantillon et la référence. En bougeant, les résultats vont être faussés. Il est donc nécessaire de calibrer régulièrement en vérifiant par exemple les températures de fusion à l'aide de l'[[indium]], du [[zinc]] ou du [[plomb]] (généralement, on utilise l'indium - T{{ind|f}} = {{tmp|156.6|°C}} ; ΔH = {{unité/2|28.45|J||g|−1}}).


== Principe ==
== Différence entre Calorimétrie différentielle à balayage et Analyse thermique différentielle<ref>Skoog, Douglas A., F. James Holler et Timothy Nieman, ''Principles of Instrumental Analysis'', Fifth Edition, New York, 1998, p. 905.</ref> ==
[[Fichier:Crosslinking-DSC.png|vignette|Thermogramme DSC : visualisation du pic exothermique correspondant à la réticulation d'un matériau polymère [[thermodurcissable]], et [[Discussion:Calorimétrie différentielle à balayage#Calcul du taux de réticulation (compléments)|calcul du taux de réticulation]].]]
Cette technique repose sur le fait que lors d'une transformation physique, telle qu'une [[transition de phase]], une certaine quantité de chaleur est échangée avec l'échantillon pour être maintenu à la même température que la référence. Le sens de cet échange de chaleur entre l'échantillon et l'équipement dépend de la nature [[Réaction endothermique|endothermique]] ou [[Réaction exothermique|exothermique]] du processus de transition. Ainsi, par exemple, un solide qui fond va absorber plus de chaleur pour pouvoir augmenter sa température au même rythme que la référence. La [[Fusion (physique)|fusion]] (passage de l'état solide à l'état liquide) est en effet une transition de phase endothermique car elle absorbe la chaleur. De même, l'échantillon peut subir des processus exothermiques, tels que la [[Cristallogenèse|cristallisation]], lorsqu'il transmet de la chaleur au système.<br />
En mesurant la différence de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence, un [[calorimètre]] différentiel à balayage peut mesurer la quantité de chaleur absorbée ou libérée au cours d'une transition. Cette technique peut également être utilisée pour observer des changements de phase plus subtils, comme les [[Transition vitreuse|transitions vitreuses]].<br />
La DSC est largement utilisée en milieu industriel en [[contrôle qualité]] en raison de son applicabilité dans l'évaluation de la pureté d'échantillons ou dans l'étude du durcissement de polymères<ref name=Dean>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=John A. Dean|titre=The Analytical Chemistry Handbook|éditeur=McGraw-Hill|lieu=New York|année=1995|passage=15.1–15.5|isbn=978-0-07-016197-9|oclc=31783124}}</ref>{{,}}<ref name=Pugnor>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=Ernő Pungor|titre=A practical guide to instrumental analysis|éditeur=CRC Press|lieu=Boca Raton|année=1995|pages totales=384|passage=181–191|isbn=978-0-8493-8681-7|oclc=30736281|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=LMZ6NMaUT8AC&printsec=frontcover}}</ref>.


== Méthodes de mesure ==
La calorimétrie différentielle à balayage et l' [[analyse thermique différentielle]] (ATD) sont très souvent confondues. Il existe pourtant une différence fondamentale entre ces deux méthodes. Avec un appareil de '''DSC''', on mesure des ''différences d'énergies'', alors qu'avec l' '''ATD''', on mesure des ''différences de températures''. L'ATD est très peu utilisé pour la caractérisation de [[polymères]] car les signaux issus des changements de phases ou d'état de la matière sont de très faible [[amplitude]].
Selon le paramètre conservé constant, deux méthodes de DSC sont connues :
* à compensation de puissance ou « power-compensated DSC », maintient l'alimentation constante ;
* à flux de chaleur « heat-flux DSC », maintient le flux de chaleur constant.


== Méthode par compensation ==
=== Méthode par compensation ===
Cette méthode a été inventée par l'entreprise Perkin Elmer<ref>[http://www.perkinelmer.com/default.htm Welcome to PerkinElmer<!-- Titre généré automatiquement -->]</ref>.


L'échantillon et la référence sont placés dans deux fours différents mais dans la même [[enceinte]] calorifique. La variation de température entre les deux fours se fait simultanément par la même quantité de [[calorie]]s. La température est maintenue toujours égale dans les deux fours, et varie de manière linéaire.
Dans cette méthode (initialement inventée par [[PerkinElmer]]), l'échantillon et la référence sont placés dans deux fours différents mais dans la même [[Chambre d'essai|enceinte calorifique]]. La variation de température entre les deux fours se fait simultanément par la même quantité de [[calorie]]s. La température est maintenue toujours égale dans les deux fours, et varie de manière linéaire.<br />
Les différences des [[énergie]]s absorbées ou dégagées par l'échantillon et la référence sont mesurées. Lorsqu'une transition se produit, selon qu'elle est [[Réaction endothermique|endothermique]] ou [[Réaction exothermique|exothermique]], l'échantillon va absorber ou dégager de l'énergie. Un [[Générateur électrique|générateur]] de puissance fournit plus ou moins d'énergie par rapport à la référence. C'est cette variation d'énergie qui est enregistrée en fonction du temps ou de la température.


=== Méthode des flux de chaleur ===
Les différences des [[énergies]] absorbées ou dégagées par l'échantillon et la référence sont mesurées. Lorsqu'une transition se passe, selon qu'elle soit [[endothermique]] ou [[exothermique]], l'échantillon va absorber ou dégager de l'énergie. Un [[Générateur électrique|générateur]] de puissance fournit plus ou moins d'énergie par rapport à la référence. C'est cette variation d'énergie qui est enregistrée en fonction du temps ou de la température.


Pour cette méthode (mise au point par [[DuPont|Du Pont de Nemours]]-[[Mettler-Toledo|Mettler]]), l'échantillon et la référence sont placés dans un même four. Une [[Thermomètre à résistance de platine|sonde de platine]] permet de contrôler et d'enregistrer l'évolution de la température de l'appareil. Le signal température est ensuite converti en signal de [[puissance (physique)|puissance]] calorifique.
== Méthode des flux de chaleur ==
Cette méthode a été mise au point par [[Du Pont de Nemours]] - Mettler.


Cette technique mesure les différences de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence pendant un cycle de température. La température de chauffe, fournie par une [[Résistance (composant)|résistance]] [[Électricité|électrique]], varie linéairement.
L'échantillon et la référence sont placés dans un même four. Une sonde de [[platine]] permet de contrôler et d'enregistrer l'évolution de la température de l'appareil. Le signal température est ensuite converti en signal de [[puissance (physique)|puissance]] calorifique.


== Comparaison avec l'analyse thermique différentielle ==
Cette technique mesure les différences de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence pendant un cycle de température. La température de chauffe, fournie par une [[résistance (électricité)|résistance]] [[électrique]], varie linéairement.

La calorimétrie différentielle à balayage et l'[[analyse thermodifférentielle]] (ATD) sont très souvent confondues. Il existe pourtant une différence fondamentale entre ces deux méthodes. Avec un appareil de '''DSC''', on mesure des ''différences d'énergie'', tandis qu'avec l''''ATD''', on mesure des ''différences de température''.<br />
L'ATD est très peu utilisée pour la caractérisation de [[polymère]]s car les signaux issus des changements de phase ou d'état de la matière sont de très faible [[amplitude]]<ref>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=Douglas A. Skoog|auteur2=F. James Holler|auteur3=Timothy A. Nieman|titre=Principles of instrumental analysis|éditeur=Saunders College Pub. Harcourt Brace College Publishers|collection=Saunders golden sunburst series|lieu=Philadelphia Orlando, Fla|année=1998|passage=905|isbn=978-0-03-002078-0|oclc=37866092}}</ref>.


== Notes et références ==
== Notes et références ==
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Dernière version du 4 juin 2021 à 23:25

Un calorimètre différentiel à balayage.

La calorimétrie différentielle à balayage (en anglais, Differential Scanning Calorimetry ou DSC) est une technique d'analyse thermique. Elle mesure les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser et une référence (par exemple l'alumine ou encore l'air).

Elle permet de déterminer les transitions de phase :

Les analyses sont réalisées sous balayage d'un gaz inerte (par exemple, l'azote ou l'argon) pour éviter toute réaction du matériau à étudier avec l'atmosphère du four.

L'appareil subit des changements de température importants. Par conséquent, la position de certains éléments de la DSC va varier. L'ensemble des calculs réalisés par l'interface informatique se fait par rapport au thermocouple positionné entre l'échantillon et la référence. En bougeant, les résultats vont être faussés. Il est donc nécessaire de calibrer régulièrement en vérifiant par exemple les températures de fusion à l'aide de l'indium, du zinc ou du plomb (généralement, on utilise l'indium - Tf = 156,6 °C ; ΔH = 28,45 J·g−1).

Principe[modifier | modifier le code]

Thermogramme DSC : visualisation du pic exothermique correspondant à la réticulation d'un matériau polymère thermodurcissable, et calcul du taux de réticulation.

Cette technique repose sur le fait que lors d'une transformation physique, telle qu'une transition de phase, une certaine quantité de chaleur est échangée avec l'échantillon pour être maintenu à la même température que la référence. Le sens de cet échange de chaleur entre l'échantillon et l'équipement dépend de la nature endothermique ou exothermique du processus de transition. Ainsi, par exemple, un solide qui fond va absorber plus de chaleur pour pouvoir augmenter sa température au même rythme que la référence. La fusion (passage de l'état solide à l'état liquide) est en effet une transition de phase endothermique car elle absorbe la chaleur. De même, l'échantillon peut subir des processus exothermiques, tels que la cristallisation, lorsqu'il transmet de la chaleur au système.
En mesurant la différence de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence, un calorimètre différentiel à balayage peut mesurer la quantité de chaleur absorbée ou libérée au cours d'une transition. Cette technique peut également être utilisée pour observer des changements de phase plus subtils, comme les transitions vitreuses.
La DSC est largement utilisée en milieu industriel en contrôle qualité en raison de son applicabilité dans l'évaluation de la pureté d'échantillons ou dans l'étude du durcissement de polymères[1],[2].

Méthodes de mesure[modifier | modifier le code]

Selon le paramètre conservé constant, deux méthodes de DSC sont connues :

  • à compensation de puissance ou « power-compensated DSC », maintient l'alimentation constante ;
  • à flux de chaleur « heat-flux DSC », maintient le flux de chaleur constant.

Méthode par compensation[modifier | modifier le code]

Dans cette méthode (initialement inventée par PerkinElmer), l'échantillon et la référence sont placés dans deux fours différents mais dans la même enceinte calorifique. La variation de température entre les deux fours se fait simultanément par la même quantité de calories. La température est maintenue toujours égale dans les deux fours, et varie de manière linéaire.
Les différences des énergies absorbées ou dégagées par l'échantillon et la référence sont mesurées. Lorsqu'une transition se produit, selon qu'elle est endothermique ou exothermique, l'échantillon va absorber ou dégager de l'énergie. Un générateur de puissance fournit plus ou moins d'énergie par rapport à la référence. C'est cette variation d'énergie qui est enregistrée en fonction du temps ou de la température.

Méthode des flux de chaleur[modifier | modifier le code]

Pour cette méthode (mise au point par Du Pont de Nemours-Mettler), l'échantillon et la référence sont placés dans un même four. Une sonde de platine permet de contrôler et d'enregistrer l'évolution de la température de l'appareil. Le signal température est ensuite converti en signal de puissance calorifique.

Cette technique mesure les différences de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence pendant un cycle de température. La température de chauffe, fournie par une résistance électrique, varie linéairement.

Comparaison avec l'analyse thermique différentielle[modifier | modifier le code]

La calorimétrie différentielle à balayage et l'analyse thermodifférentielle (ATD) sont très souvent confondues. Il existe pourtant une différence fondamentale entre ces deux méthodes. Avec un appareil de DSC, on mesure des différences d'énergie, tandis qu'avec l'ATD, on mesure des différences de température.
L'ATD est très peu utilisée pour la caractérisation de polymères car les signaux issus des changements de phase ou d'état de la matière sont de très faible amplitude[3].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) John A. Dean, The Analytical Chemistry Handbook, New York, McGraw-Hill, (ISBN 978-0-07-016197-9, OCLC 31783124), p. 15.1–15.5
  2. (en) Ernő Pungor, A practical guide to instrumental analysis, Boca Raton, CRC Press, , 384 p. (ISBN 978-0-8493-8681-7, OCLC 30736281, lire en ligne), p. 181–191
  3. (en) Douglas A. Skoog, F. James Holler et Timothy A. Nieman, Principles of instrumental analysis, Philadelphia Orlando, Fla, Saunders College Pub. Harcourt Brace College Publishers, coll. « Saunders golden sunburst series », (ISBN 978-0-03-002078-0, OCLC 37866092), p. 905