Platform for thermical analysis

Depuis 2011, l’UMR 7515 s’est dotée d’une plateforme d’analyses thermiques très performante qui offre des champs d’investigations très vastes.

• Responsables technique et formation : Sécou SALL et Christophe MELART

Cette plateforme regroupe plusieurs instruments couplant analyse thermique et spectrométrie de masse, chromatographie ou spectroscopie infrarouge. La combinaison de ces techniques complémentaires permet d’évaluer le comportement chimique des échantillons sous atmosphère contrôlée et en fonction de la température.

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier est une technique d'analyse utilisée pour identifier les groupes fonctionnels des molécules organiques. Elle repose sur l'interaction entre la lumière infrarouge et la matière. En effet, lorsque l’échantillon est éclairé par une lumière infrarouge, les atomes qui le composent s’agitent ce qui résulte à différentes vibrations possibles des liaisons chimiques entre les atomes. Ce sont ces différents modes de vibration des liaisons chimiques qui sont déterminés par la spectroscopie infrarouge. Dès lors, nous pouvons remonter jusqu’à la nature chimique des liaisons et identifier les molécules formées par les atomes.

L’instrument que possède l’ICPEES permet :

• d’identifier des substances
• d’étudier l'avancement de la réaction
• de détecter des impuretés
• de quantifier les molécules présentes

Il est possible de réaliser une série de spectres d’absorption infrarouge à des températures différentes puis les visualiser sous la forme d’une évolution à température croissante 

puis de visualiser cette évolution grâce à une carte spectrale:

Un autre spectre d'absorption infrarouge:

Un autre exemple de carte spectrale :

Le spectromètre infrarouge que possède l’ICPEES est un Nicolet IS10 de Thermo Scientific. Cet instrument permet de réaliser des spectres par transmission. Il peut également réaliser des mesures par réflexion totale aténuée (attenuated total reflection : ATR), technique appelée FTIR-ATR. Cette technique utilise l’onde evanescente produite par réflexion à la surface d’un diamant pour évaluer avec une grande précision les propriétés d’absorption dans l’infrarouge des liquides ou des solides qui composent l’échantillon. Cette application tire parti de la transparence spectrale à large bande, de l'indice de réfraction élevé et de la surface robuste du diamant. En effet, sa transparence et son indice de réfraction élevé font du diamant un matériau idéal pour servir de séparateur de faisceau infrarouge, propriété requise par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR).

Le spectromètre infrarouge de l’ICPEES est parfaitement adapté à la caractérisation de toute forme de matériaux, qu’ils soient organiques solides ou liquides, inorganiques, ‘mous’ ou rigides, qu’il s’agisse de métaux, de poudres, de granulés, de fils etc. Il opére également sur les produits chimiques agressifs. Il est cependant mal adapté pour les matériaux chargés de noir de carbone.

Pour pouvoir accéder au spectromètre IR-TF Nicolet Is10, merci de contacter MM. Sécou SALL ou Christophe MELART.

Pour les utilisateurs internes à l’ICPEES, une formation individuelle, spécifique à l’appareil, peut être dispensée à l’issue de laquelle ils seront autonomes.

Pour le personnel externe à l’ICPEES, les demandes se font auprès de Sécou SALL (ssall@unista.fr) ou Christophe Mélart (christophe.melart@unistra.fr).

Les analyses possibles du lundi 08h00 au vendredi 14h00. L’appareil n’est à réserver que pour les analyses de plus de 2h.

Le spectromètre IR-TF Nicolet Is10 – Thermo Scientific est localisé au 2ème étage du bâtiment 101 dans le laboratoire 10 (R1N2Lab10)

L’appareil de chimisorption Autochem II de Micromeritics permet d’effectuer des TPR (réductions programmées en température), des TPO (oxydations programmées en température), ainsi des TPD (désorptions programmées en températures). Couplé à un spectromètre de masse cet instruments permet d’appréhender et estimer les tailles de nanoparticules métalliques (chimisorption du CO, d’H₂…). Il est compatible avec les atmosphères corrosives (acides, basiques) et de travailler dans des gammes de températures allant de -80°C à 1000°C.

Les quatre exemples ci-dessous de chimisorption illustrent les possibilités multiples de cette technique.

1) Test de désorption du NH₃ programmée en température (TDP) réalisé sur une alumine extrudée :

• sans prétraitement : l'échantillon libère de l'eau (H₂O), de l'ammoniac (NH₃) et d'autres gaz adsorbés ;
• avec prétraitement : la surface de l'échantillon est nettoyée et activée, ce qui permet de ne désorber que l'ammoniac (NH₃), révélant une surface mieux préparée pour l'analyse.

2) tests de pulses d’hélium

Ces tests permettent d’évaluer la sensibilité du détecteur de conductivité thermique (TCD) tandis que la répétabilité des injections garantit la cohérence des mesures.

3) réduction programmée en température du CuO

L’oxyde de cuivre (CuO) est réduit en cuivre métallique (Cu) sous une atmosphère d’hydrogène.

Le graphe ci-dessous montre la variation de la concentration d’hydrogène en fonction de la température, illustrant la consommation importante qui en est faite entre 450 et 650°C, la plage de température de la réduction du CuO.

4) Exemple de couplage Chimisorption-Spectromètre de masse.

Lors de la décomposition thermique de l’hydromagnésite sous flux d’hélium, le signal du détecteur de conductivité thermique (TCD), bien que satisfaisant en termes de qualité, ne permet pas d’identifier précisément les gaz correspondant aux différents pics observés.

Le couplage avec un spectromètre de masse permet :

• d’identifier chaque gaz en attribuant un numéro de masse : ici, 18 pour l’eau (H₂O) et 44 pour le dioxyde de carbone (CO₂),
• si nécessaire, de réaliser une calibration pour une quantification plus précise.

Le couplage chimisorption-spectrométrie de masse offre alors une solution très efficace pour analyser les produits de décomposition thermique de la manière la plus détaillée et la plus fiable qui soit.

De nombreux matériaux synthétisés à l’ICPEES présentent des architectures macromoléculaires complexes : polymères fonctionnels et/ou biosourcés, branchés et hyper-branchés, copolymères séquencés ou encore des polyrotaxanes ayant une structure supra-moléculaire. Ces structures ont souvent des propriétés mécaniques spécifiques qui conditionnent leurs fonctions finales (conductivité électrique, photovoltaïsme, biodégradabilité, étirabilité, fibrilisation,…).

L’étude par spectrométrie mécanique dynamique, ou rhéométrie dynamique, permet à la fois de caractériser leurs propriétés thermomécaniques, mesurer leurs températures de transition, remonter à l’architecture macromoléculaire (masse molaire, distribution de masse et structure) et l’organisation des polymères (auto-organisation, structure micellaire,…). Cette technique constitue notamment un outil indispensable pour l’étude des systèmes développés au département ingénierie des polymères de l’ICPEES.

L'ICPEES est doté d'un rhéomètre Discovery HR-3 de TA Instruments. Il a été acquis sur des fonds provenant du CPER Matériaux-S3. Ce système apporte des avancées multiples à différents niveaux :

→ mesure des propriétés viscosélastiques pour des systèmes très faiblement visqueux (< 10-3 Pa.s)

→ caractérisation des matériaux solides ou liquide sous température et humidité contrôlée selon un grand nombre de géométries possibles (plan-plan, cône-plan, cylindre, mesure de tension interfaciale...).

mesure et analyse des propriétés de déformation et d’écoulement des matériaux sous contrainte et sous température.

Les résultats obtenus par ces techniques permettent d’agréger un grand nombre d’informations sur les matériaux étudiés :

• propriétés des matériaux sous écoulement

• relation entre ces propriétés et leur structure à différentes échelles

• les lois de comportement

• prédiction du comportement sous sollicitations

• optimisation des propriétés des matériaux

Caractéristiques techniques du rhéomètre dynamique TA Instruments DHR-3 :

• Couple (µN.m) : de 0,5 à 200, résolution de 0,05

• Fréquence (Hz) : de 1e-7 à 100

• Vitesse angulaire (rad/s) : de 0 à 300

• Force normale (N) : 50 N maxi, sensibilité de 0,005, résolution de 0,5

Modules et accessoires :

• Géométries plan/plan,

• Géométries cône/plan,

• Géométries “jetables”,

• Modules de tension,

• Module de torsion,

• Module de flexion 3 points,

• Module de rhéologie interfaciale,

• Plan peltier (-40 à +200°C),

• Cylindre Peltier (-20 à +150°C),

• Chambre contrôlée en humidité et température,

• Four (-80 à 600°C – jusqu’à 60°C/min),

Conditions d’analyses / soumission d'échantillon :

Contacter obligatoirement Christophe MELART pour pouvoir accéder au rhéomètre DHR3 – TA Instruments. Une formation individuelle, spécifique et pratique peut être dispensée.

A l’issue de la formation :

• Pour le personnel ICPEES : l’accès est « libre » sur réservation préalable, via l’outil GRR de l’institut.

• Pour les externes, les demandes se font auprès de Christophe Mélart (christophe.melart[at]unistra.fr).

Analyses possibles du lundi 08h00 au vendredi 14h00 (nuits comprises sous conditions).

Réservation par créneaux : matin, après-midi ou par journée.

Contact et localisation

Le rhéomètre DHR3 – TA Instruments est localisée au 2^ème étage du bâtiment 101 dans le laboratoire 10 (R1N2Lab10).

• Responsables technique et formation : Christophe MELART

Pour tous renseignements, analyses et formations, contactez les responsables du service.
 

La technique d’analyse thermogravimétrique (ATG) consiste à mesurer la variation de la masse d’un échantillon pendant que celui-ci est soumis à des variations de la température sous atmosphère contrôlée.

L’analyseur thermogravimétrique Q 5000 de TA Instrument est dotée d’un passeur d’échantillons permettant des analyses très rapides allant de la température ambiante à 1100°C sous diverses atmosphères. Cet ATG est de plus couplé à un spectromètre de masse ainsi qu’à un Infrarouge permettant d’appréhender la cinétique des réactions.

Cet instrument permet de :

• Déterminer la stabilité thermique

• Quantifier les pertes ou les prises de masse liées à la décomposition, l’oxydation ou l’élimination de solvants

• Définir les temps de vie

• Caractériser les cinétiques d’oxydation, chloration, fluoration , …

• Déterminer les températures de dégradation

• Quantifier les taux d’humidité, de solvants, de charges, de résidus, …

Une perte de masse peut s’expliquer par :

Des désorptions, de l’évaporation, une sublimation, une décomposition, une corrosion avec formation d’un composé volatile, ou encore certaines réactions chimiques.

Une prise de masse s’expliquera par :

Des adsorptions, la fixation d’un constituant de l’atmosphère (oxydation, chloration, fluoration, …), certaines réactions chimiques.

Les caractéristiques techniques de l’analyseur thermogravimétrique TA Instruments Q 5000IR doté d’un passeur d’échantillons :

• Gamme de température : de l’ambiante à 1000°C

• Rampe de chauffe : de 0,1 à 500°C/min

• Analyse HiRes : adapte automatiquement la vitesse de chauffe en fonction de la perte de masse (optimisation des courbes et du temps de l’essai)

• Fonction ATG modulée : donne accès à l’énergie d’activation de l’échantillon en fonction du temps, de la température et de la conversion en un seul essai

• Masse d’échantillon : 1 à 10 mg

• Sensibilité : 0,1µg

• Atmosphère contrôlée : gaz inerte (azote), air, CO2, … sous réserves de sécurité

Conditions d’analyses / soumission d'échantillon :

Pour le personnel de l’ICPEES, l’accès est accordé à l’outil de réservation de l’instrument à l’issue d’une formation. Mais chaque utilisateur doit fournir ses propres nacelles. Merci de contacter MM. Christophe MELART ou Sécou SALL pour toute demande de formation ou de renseignement technique. Des formations par petits groupes sont également régulièrement proposées.

Pour les utilisateurs externes, les demandes se font auprès de Sécou SALL (ssall[at]unistra.fr) ou Christophe MÉLART (christophe.melart[at]unistra.fr).

Les analyses possibles du vendredi 18h00 au vendredi suivant 14h00 (nuits comprises) et les réservation se font par créneaux : matin, après-midi et nuit ou par journée.

L’ATG Q5000IR TA Instruments est localisée au 2^ème étage du bâtiment 101 dans le laboratoire 10 (R1N2Lab10)

Les caractéristiques techniques de l’ATG Mettler TGA2 dotée d’un passeur d’échantillons :

• Gamme de température : de l’ambiante à 1100°C

• Rampe de chauffe : de 0,1 à 250°C/min

• Gamme de mesure : jusqu’à 1g

• Résolution : 1µg

• Précision : 0,0025%

• Echantillon : 20 à 100 µl (typiquement 70µl)

• Atmosphère contrôlée jusqu’à 4 gaz : gaz inerte (azote), air, CO2, hélium, Oxygène,… sous réserves de sécurité

Conditions d’analyses / soumission d'échantillon

Contacter obligatoirement Christophe MELART ou Sécou SALL pour pouvoir accéder à l’ATG TGA2 Mettler.

Les demandes se font auprès de Sécou Sall (ssall@unistra.fr) ou Christophe Mélart (christophe.melart@unistra.fr).

Cet ATG est à privilégier pour les grandes séries d’analyses.

Les analyses sont possibles du vendredi 18h00 au vendredi suivant 14h00 (nuits comprises).

Contact et localisation

L’ATG Mettler TGA2 est localisé au 2ème étage du bâtiment 101 dans le laboratoire 10 (R1N2Lab10).