Un aperçu de la Calorimétrie Différentielle à Balayage
Cette technique mesure les températures et chaleurs de transformation des matériaux ainsi que leur capacité thermique. Elle est souvent appelée DSC, pour Differential Scanning Calorimetry en anglais.
DSC – Introduction à la Calorimétrie Différentielle à Balayage
La DSC est une méthode dont le principe est de mesurer, en fonction de la température et par rapport à une référence inerte, la chaleur produite ou absorbée lors de la transformation d’un échantillon de matériau. Pendant cette mesure, l’échantillon et sa référence sont soumis à une même température fixe ou au même programme de chauffe ou de refroidissement.
Le dispositif qui permet cette mesure est communément appelé calorimètre différentiel à balayage même si les puristes lui préfèrent le terme de calorimètre diatherme passif. Les utilisateurs le nomment simplement « DSC ».
Il est principalement composé :
- D’un capteur permettant de porter deux creusets contenant pour l’un, l’échantillon à mesurer, et pour l’autre, le matériau de référence. Ce capteur intègre un dispositif, la plupart du temps composé de thermocouples, qui mesure en continu leur différence de flux de chaleur.
- De creusets porte-échantillons dont la matière et la conception sont choisis selon les mesures à réaliser. La matière employée est la plupart du temps un métal ou une céramique, inerte vis-à-vis de l’échantillon. Ils peuvent être ouverts, fermés par un couvercle, complètement étanches et résistant à des pressions de plusieurs centaines de bars, etc.
- D’un four, dans lequel le capteur, l’échantillon et sa référence sont placés pendant l’expérimentation. Ce four est équipé d’un système de régulation de température qui lui permet de chauffer et refroidir selon un profil programmé par l’utilisateur.
- D’un système de gestion des gaz qui permet de contrôler la composition et le renouvellement de l’atmosphère autour des creusets. Selon l’application souhaitée, la nature du ou des gaz utilisés peut être choisie pour générer une atmosphère inerte, ou au contraire réactive lorsqu’il s’agit d’analyser une réaction spécifique de l’échantillon.
Selon leur niveau de sophistication et de performances, les calorimètres différentiels à balayage peuvent couvrir les besoins de la recherche & développement, du contrôle qualité ou de l’enseignement.
La technique peut également être combinée à l’analyse thermogravimétrique dans des analyseurs thermiques simultanés , notamment lorsqu’il s’agit d’étudier la décomposition des matériaux.
La DSC et les mesures de températures
Lorsque l’échantillon est chauffé dans le calorimètre différentiel à balayage et subit une transformation, sa différence de flux de chaleur avec la référence inerte s’amplifie, puis revient à une valeur de base après la fin de la transformation. Ainsi, l’analyse d’une courbe représentant la différence de flux de chaleur en fonction du temps ou de la température permet de caractériser cette transformation.
Cette analyse permet selon le cas de déterminer les températures de fusion, de cristallisation, de réaction, de décomposition et de changement de phase (transformations solide-solide) des matériaux.
Les cas d’emplois de la mesure de température par DSC sont si nombreux qu’il est impossible de les lister dans leur intégralité. On peut cependant indiquer que la technique s’est imposée comme une référence dans la caractérisation des matériaux pour l’énergie & l’environnement, les sciences de la vie, les polymères et matières plastiques, les matériaux de construction, les céramiques, les verres, les métaux, les matériaux énergétiques et les produits chimiques.
Les mesures de température par DSC sont essentielles pour maitriser le comportement de ces matériaux, en particulier lorsqu’ils doivent être soumis à un traitement thermique pendant leur fabrication, leur utilisation ou leur recyclage.
La DSC et les mesures de chaleurs
Un simple traitement mathématique (une intégration) de la courbe représentant la différence de flux de chaleur en fonction du temps permet de déterminer la chaleur de l’effet thermique mesuré. Pour ce faire, l’appareil de DSC doit être préalablement étalonné à l’aide de matériaux de référence ou de cellules d’étalonnage spéciales.
Ce traitement mathématique, effectuable simplement par n’importe quel utilisateur, permet donc de déterminer les chaleurs de fusion, de cristallisation, de réaction, de décomposition et de changement de phase (transformations solide-solide) des matériaux.
La courbe de différence de flux de chaleur permet également de distinguer les effets endothermiques (qui absorbent de la chaleur : par exemples les fusions, les transitions vers une phase moins stable) des effets exothermiques (qui émettent de la chaleur : par exemple les cristallisations, la plupart des décompositions).
Ces mesures sont par exemple importantes pour évaluer la proportion d’un composant ou d’une phase dans le matériau, ou sa pureté, et pour estimer la chaleur à apporter au matériau ou à évacuer du matériau avant de l’utiliser dans un procédé industriel.
La DSC et la mesure de capacité thermique
La capacité thermique (Cp) caractérise à la fois l’aptitude d’un matériau à absorber une partie de la chaleur qu’il reçoit (le reste étant transmis) et l’augmentation de température qu’il subira en absorbant cette chaleur. Il s’agit donc d’une donnée fondamentale pour comprendre, concevoir et optimiser des systèmes dont l’échange de chaleur est un processus important : moteurs, systèmes de chauffages, procédés industriels, batteries, fours, etc.
La DSC, via l’utilisation d’une procédure simple consistant à réaliser une série de 2 à 3 mesures est capable de mesurer les valeurs de Cp à une température, ou sa variation sur un intervalle de température choisi par l’utilisateur.
