Analyse thermodifférentielle

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir ATD et DTA.

L'analyse thermique différentielle (ATD), en anglais Differential Thermal Analysis (DTA), est une technique d'analyse thermique qui consiste à suivre l’évolution de la différence de température entre l’échantillon étudié et un corps témoin inerte, c’est-à-dire dépourvu d’effets thermiques dans le domaine de température étudié.

Histoire[modifier | modifier le code]

La première personne qui a découvert la technique d’analyse thermique différentielle (ATD) était M. H. Le Chatelier en 1887. Étant donné que M. Le Chatelier n’avait pas développé complètement la méthode ainsi que les composantes de l’appareil, c’est M. Roberts Austen qui, douze ans plus tard (en 1899), à publier les parties importantes de tous les appareils que l’on utilise maintenant[1]. Depuis, il y a eu plusieurs chercheurs qui on fait des avancer dans ce domaine comme Carpenter et Keeling, Burgess, Fenner, Saladin et plusieurs autres[2].


Principe de base[modifier | modifier le code]

Schéma d'une réaction exothermique

Le ATD est une technique qui utilise le chauffage (ou le refroidissement) d’une substance à analyser et d’une substance inerte (référence) afin d’enregistrer la différence de températures (∆T) entre les deux. Le graphique obtenu s’appelle la courbe thermique différentielle qui provient du changement de composition chimique et de la structure cristalline de l’échantillon[3]. Avec la différence de températures observée entre l’échantillon et la référence, on peut faire un graphique de cette différence en fonction du temps ou de certaines températures. Quand la température de notre échantillon augmente plus vite que celui de la référence, nous obtenons une réaction exothermique. Au contraire, si la température de notre échantillon prend plus de temps à augmenter en comparaison avec la référence, nous avons donc une absorption de température et notre pic est donc endothermique[4].

Schéma d'une réaction endothermique

Quatre composantes importantes de l’appareil[modifier | modifier le code]

Le porte échantillon[modifier | modifier le code]

Dans le porte échantillon, la première chose que l’on doit considérer c’est le matériel de construction. On choisit le matériel en fonction de l’intervalle de température que l’on veut. On utilise normalement le nickel, inconel (mélange de plusieurs métaux) et l’acier inoxydable pour des températures en bas de 1000˚C. Quand on veut une température maximum de 1750˚C on utilise le platine. Pour aller encore plus haut, autour de 2800˚C, il faut utiliser des matériaux réfractaires[3].

Tous les portes échantillons qu’on utilise ont deux à trois cavités pour déposer les échantillons et la référence. Ces compartiments ont une profondeur d’environ 12 mm. Ils sont divisés dans l’espace de façon stratégique et calculés pour que la température soit uniforme dans tout le compartiment[3]. Sous chacune des cavités, il y a un thermocouple qui sert à analyser les variations de température. C’est avec la température de la référence que l’on peut calculer les variations de température des échantillons. Les fils des thermocouples sont généralement faits en Chromel (alliage avec 90% de nickel et 10 % chrome)  et Alumel (alliage avec 95% de nickel, 2% manganèse, 2% aluminium et 1% silicium) et sont utilisés pour déterminer des températures sous 1000˚C. Pour des plus hautes températures, il faut utiliser un fils composé d’autres métaux plus résistants comme le platine[5].

Enfin il y a les contenants à échantillon. Ces contenants, aussi appelés lids, sont faits pour contenir les échantillons et la référence. Il aide pour l’uniformité de la température. Il faut donc que les matériaux de construction de ces contenants soient inertes[3].

Source de chaleur[modifier | modifier le code]

En ATD on considère deux méthodes pour la source c’est-à-dire la température  au-dessus et en dessous de la température ambiante.

Pour la section au-dessus  de la température ambiante, il faut avoir un four électronique de bonne puissance. Premièrement, pour faire augmenter la température assez rapidement dans le porte échantillon et ainsi atteindre la température voulue. Deuxièmement, il faut que dans le four la température soit uniforme pour que l’échantillon et la référence soit chauffés de même façon[3].

Pour atteindre la section en dessous de la température ambiante, on utilise de l’azote liquide qui a une température de -195˚C. Il se situe dans un récipient proche et quand on en a besoin, on rend le N2 gazeux pour qu’il refroidisse le four. Le gaz se trouve dans un compartiment autour du porte échantillon et il est toujours en mouvement[3].

Système de régularisation de la température[modifier | modifier le code]

Le système de régularisation de la température sert à ajuster la température désirée et il s’assure que la température est transmise sans problème dans le porte échantillon. Pour cela, il y a 5 parties qu’il serait préférable d’avoir[4] :

  1. il doit possède un programme qui ajuste la vitesse de chauffage ou de refroidissement. Il doit être capable de diminuer ou d’augmenter la température de 1˚C à 20˚C par minute. On utilise généralement 10˚C par minute comme vitesse de chauffage ou refroidissement.
  2. Il doit pouvoir refroidir rapidement et sans problème. Toutefois quand il y a des appareils qui possède un four très grand, il peut être difficile de faire descendre la température rapidement en bas de 500˚C, car sa prend beaucoup de temps à retourner à la température ambiante.
  3. Il doit avoir un contrôle isothermique pour avoir une température uniforme dans le porte échantillon.
  4. Il est préférable qu’il y ait un système de contrôle de la température pour empêcher de dépasser la température désirée. Généralement plus problématique dans les grands fours.
  5. Il ne faut absolument pas que le four génère des interférences électriques pour ne pas fausser les résultats de ΔT

Système de traitement de données[modifier | modifier le code]

Dans le système de traitement de données, il y a quatre parties à considérer. Il y a l’amplificateur, l’enregistreur potentiométrique, l’indicateur galvanométrique et logiciel de traitement de données[4].

Généralement les forces électromotrices (f.é.m.) ne sont pas assez fortes pour être détecté. Il faut donc un amplificateur. Dans les équipements qui peuvent utiliser de grandes masses d’échantillon (environ 5 g) avec des thermocouples en chromel-alumel, l’amplificateur n’est pas nécessaire. La différence de voltage qui est détectable varie entre 25 µV et 500 µV[4].

Ensuite nous avons l’enregistreur potentiométrique. Les caractéristiques peuvent varier entre les différents enregistreurs, mais il faut avoir ses 4 caractéristiques qui sont importantes[4] :

  1. Double canal d’enregistrement (plume) : au lieu que les données soient pris par un canal d’enregistrement (une plume), c’est-à-dire prendre, en alternance, la température et la différence de température à des temps prédéterminé. Quand  il y a deux canaux d’enregistrements (deux plumes) ou on évalue la différence de températures en même temps que la température dans le temps.
  2. Sensibilité adéquate : la plupart des appareils qui enregistrent le courant le font à 1 mV ou à 10 mV. Dans certains cas, il est avantageux d’avoir la possibilité d’étendre l’écart de sensibilité sans ajuter l’amplificateur.
  3. Vitesse multiple : pour un taux de chauffage de 10˚C par minute une vitesse d’enregistrement de données (écriture du graphique) de 30 cm de graphe par heure est satisfaisante. Aussi, une variation dans le taux de chauffage peut apporter certaines informations complémentaires.
  4. Une réponse rapide de la plume. La vitesse de réponse de la plume doit être au moins 1 seconde pour une charte de 10 cm de large.

Utiliser l’indicateur galvanométrique, est une méthode très facile pour trouver le signal de ΔT. Il faut un centre galvanométrique de zéro connecté aux bornes des jonctions de ΔT et un opérateur enregistre la déviation galvanométrique en fonction de la température. Le coût de l’équipement est bas mais le travail est long, donc cette méthode est rarement utilisée en industrie.

Pour finir nous avons un ordinateur avec un logiciel de traitement des données pour calculer l’aire sous les pics, la pureté de l’échantillon, etc.[4]

Application[modifier | modifier le code]

En analyse thermique différentielle, il y a plusieurs composés que l’on peut analyser. On peut faire l’analyse de produits organiques, de produits inorganiques, etc. Dans chaque différente catégorie de composé, il y a des parties de l’appareillage que l’on doit avoir et qu’on n’a pas nécessairement besoin pour d’autres composés. Par exemple pour les métaux et les alliages, il fait que l’appareil possède des thermocouples qui sont faits en céramique spéciale qui sont chimiquement inactifs pour ne pas interférer avec l’analyse si les températures sont très élevées. Il faut aussi que le porte échantillon soit faite d’un matériel spécial pour empêcher que la température élevée et la pression élevée fausse les résultats[3].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Pope M. I., Judd M. D. (1977) Differential Thermal Analysis : A guide to the technique and its applications, Heyden & Son Ltd, Spectrum House, Hillview Gardens, London.
  2. Laamari H. (2007) Étude thermodynamique des matériaux de référence et leurs applications dans les techniques d'analyse thermique et de calorimétrie, Université de Batna, Batna, Algérie.
  3. a, b, c, d, e, f et g Mackenzie R.C. (1970), Differential Thermal Analysis, New York, NY, USA : Academic presse Inc.
  4. a, b, c, d, e et f Pope M. I., Judd M. D. (1977) Differential Thermal Analysis : A guide to the technique and its applications, Heyden & Son Ltd, Spectrum House, Hillview Gardens, London.
  5. Smothers W.J. Ph.D. , Chiang Y. M.S. (1966), Handbook of Differential thermal Analysis, New York, NY, USA Chemical publishing company, Inc.