ISO 11357-2 Plastiques - Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) - Partie 2 : Détermination de la température de transition vitreuse et de la hauteur de palier

La norme « ISO 11357-2 Plastiques - Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) - Partie 2 : Détermination de la température de transition vitreuse et de la hauteur de la marche », publiée par l'Organisation internationale de normalisation (ISO), décrit les méthodes de détermination de la température de transition vitreuse et de la hauteur de la marche de transition vitreuse des plastiques amorphes et partiellement cristallins.

Aux fins de la présente norme, les définitions suivantes s’appliquent, en plus des termes et définitions donnés dans les normes ISO 472 et ISO 11357-1 :

Température de transition vitreuse : Il s’agit de la valeur caractéristique de la plage de températures à laquelle se produit la transition vitreuse. La température de transition vitreuse indiquée peut varier en fonction de la propriété spécifique et de la méthode et des conditions de mesure utilisées.
Hauteur de l'état de transition vitreuse : elle correspond à la différence de capacité thermique massique entre les valeurs de référence extrapolées supérieure et inférieure à la température de transition vitreuse. Pour les polymères partiellement cristallins, cette hauteur est proportionnelle à la teneur en phase amorphe.

En principe, la différence de flux thermique entre l'échantillon et le creuset de référence est mesurée en fonction de la température et du temps, l'échantillon et la référence étant soumis au même programme de contrôle de température dans une atmosphère spécifique. Deux types d'analyse calorimétrique différentielle (DSC) peuvent être réalisés : la DSC à flux thermique et la DSC à compensation de puissance. La variation du flux thermique est enregistrée en fonction de la température, et la température de transition vitreuse ainsi que la hauteur du palier sont déterminées à partir de la courbe obtenue.

En science des polymères et en génie des matériaux, l'analyse thermique précise est essentielle pour caractériser le comportement des plastiques sous l'effet des variations de température. Parmi les propriétés critiques figure la température de transition vitreuse, qui correspond au passage d'un polymère amorphe d'un état rigide et vitreux à un état souple et caoutchouteux. La mesure précise de cette température garantit la fiabilité des produits dans des applications aussi diverses que les films d'emballage et les composants automobiles.

La norme ISO 11357-2, qui fait partie de la série plus large de normes ISO 11357 sur les plastiques et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), fournit une méthode normalisée pour déterminer la température de transition vitreuse à l'aide de la calorimétrie différentielle à balayage.

La présente norme s'applique aux polymères amorphes et semi-cristallins (à l'exclusion des polymères entièrement cristallins sans température de transition vitreuse). Elle couvre les mesures de température de transition vitreuse dans une plage de températures comprise entre -100 °C et +600 °C, selon les capacités de l'appareil de calorimétrie différentielle à balayage. Toutefois, les points de fusion (ISO 11357-3), la cristallisation (ISO 11357-4) et le temps d'induction à l'oxydation (ISO 11357-6) ne sont pas couverts par la présente norme.

La norme ISO 11357-2 est cohérente avec les autres parties de cette norme et soutient un cadre unifié de calorimétrie différentielle à balayage pour les caractéristiques thermiques.

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) mesure les différences de flux thermique entre un échantillon et une référence lorsque la température varie à une vitesse contrôlée. En DSC à flux thermique (la plus courante), les deux matériaux sont placés dans le même four, tandis qu'en DSC à puissance équilibrée, des éléments chauffants distincts maintiennent des températures égales.

La température de transition vitreuse ne présente pas un pic abrupt comme la fusion, mais une transition du second ordre caractérisée par une variation brusque de la capacité thermique. Elle se manifeste par un décalage de la ligne de base sur le thermogramme DSC, dû à une mobilité moléculaire accrue. L'amplitude du palier de transition vitreuse, soit le décalage vertical du flux de chaleur, quantifie la variation de la capacité thermique massique. Parmi les facteurs influents, on peut citer la vitesse de chauffage, l'historique de l'échantillon (par exemple, un recuit), l'humidité et la masse moléculaire. La norme ISO 11357-2 normalise ces paramètres afin de minimiser la variabilité.

La norme ISO 11357-2 comprend un protocole rigoureux :

Préparation des échantillons : Masse : 5 à 20 mg (généralement 10 mg pour plus de précision). Les films minces, les poudres ou les granulés sont conditionnés sous vide dans des récipients en aluminium afin d’éviter toute infiltration d’humidité. Si les échantillons sont hygroscopiques, ils sont préalablement conditionnés, éventuellement par préchauffage, pour effacer leur historique thermique.
Étalonnage de l'instrument : La température est ajustée à l'aide d'étalons de haute pureté (par exemple, l'indium à 156,6 °C). Une correction de base est effectuée à l'aide de récipients vides pour le flux thermique.
Conditions de test :
Vitesse de chauffage : 10-20 K/min (20 K/min est recommandé pour la température de transition vitreuse standard, des vitesses plus lentes telles que 10 K/min pour la précision).
Atmosphère : Gaz inerte (azote ou hélium) à 20-50 mL/min.
Programme de température : Chauffage initial, de 50 °C en dessous à 50 °C au-dessus de la température de transition vitreuse attendue. Refroidissement à une vitesse minimale de 20 K/min pour compenser les variations de température précédentes. Un second chauffage est répété afin d’obtenir une température de transition vitreuse reproductible (indispensable pour les polymères semi-cristallins).
Analyse des données :
Méthodes de détermination de la température de transition vitreuse (point médian privilégié) :
Point de départ (extrapole) : L'intersection des tangentes aux lignes de base après l'étape précédente ou suivante.
Point médian : la moitié de la hauteur de la marche (le plus courant selon la norme ISO).
Point de retournement : Point de pente maximale.
Calcul de la hauteur de la transition vitreuse : La différence de flux de chaleur entre les lignes de base extrapolées est normalisée en fonction de la masse et de la vitesse.
Ce processus est généralement automatisé par logiciel, mais une vérification manuelle est recommandée.
Rapport : La méthode, ainsi que les valeurs de température de transition vitreuse, le thermogramme avec points marqués et les incertitudes (généralement plus/moins ±1-2 degrés pour la température de transition vitreuse) sont rapportés.

Les principaux domaines d'application de la norme ISO 11357-2 sont les suivants :

Choix des matériaux : La température de transition vitreuse détermine la température de service.
Contrôle qualité : Détection des variations de lots ou des altérations.
R&D : Des additifs, des mélanges ou des procédés de durcissement sont étudiés (par exemple, l'augmentation de la température de transition vitreuse de l'époxy par réticulation).
Industries : Automobile (tableaux de bord), électronique (circuits imprimés), dispositifs médicaux (plastiques stérilisables).

En résumé, la norme ISO 11357-2 est un outil indispensable pour une mesure fiable de la température de transition vitreuse, car elle favorise une cohérence mondiale dans la caractérisation des polymères. Ceci contribue au développement de produits plus sûrs.

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