Quand mesurer la température de transition vitreuse (Tg) sur DSC, TMA ou DMA

La température de transition vitreuse (Tg) est une propriété fondamentale du matériau pour définir l’intégrité du matériau, les conditions de fabrication et les directives d’utilisation dans des applications telles que les polymères, l’électronique et les matériaux avancés. La transition vitreuse peut être mesurée par trois techniques d’analyse thermique : DSC, TMA et DMA, chacun adapté à des matériaux et des applications spécifiques. Ce blog vous expliquera comment ces techniques mesurent la Tg et quand vous devez choisir chacune d’elles.

La transition vitreuse est la région de température où un matériau amorphe passe d’une phase vitreuse à une phase caoutchouteuse lors du chauffage, ou vice versa si le refroidissement. La transition vitreuse se produit en fait sur une gamme de températures, mais elle est habituellement signalée comme une température unique appelée Tg.

Comprendre la température de transition vitreuse aide à répondre à des questions importantes telles que:

• À quelle température un circuit imprimé (PCB) risque-t-il de se délaminer ?
• Quelle est la température idéale pour le moulage par injection ou le mélange de polymères sans dégradation?
• Un matériau se déformera-t-il ou se fissurera-t-il pendant l’utilisation finale?

La transition vitreuse peut être mesurée par DSC, TMA et DMA. Chacune de ces techniques thermiques détecte la Tg en fonction des changements dans une propriété matérielle différente pendant la transition vitreuse. Le choix de la bonne méthode est essentiel pour obtenir des données fiables et faire des comparaisons quantitatives entre les matériaux.

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est la méthode la plus couramment utilisée pour mesurer la transition vitreuse. DSC mesure le flux de chaleur à destination et en provenance d’un échantillon par rapport à une référence inerte, révélant les changements de capacité thermique qui sont utilisés pour définir la transition vitreuse. Ces changements de capacité calorifique donnent trois valeurs de température : le début de la transition vitreuse, le point médian et l’ensemble final de la transition.

La conception expérimentale est très importante pour les résultats de l’ASN. Un taux de chauffage plus élevé peut fournir une sensibilité plus élevée, mais déplace la Tg en raison des effets de l’instrument, de la conductivité thermique de l’échantillon et de la cinétique de transition. Cependant, les instrumentations DSC modernes offrent des performances de base supérieures et, lorsqu’elles sont combinées à un taux de chauffage élevé, offrent une mesure fiable de la Tg pour les matériaux amorphes, semi-cristallins et plastifiés, ainsi que pour les résines thermodurcissables. DSC peut mesurer simultanément les réactions de fusion, de cristallisation et de durcissement, fournissant des données thermiques supplémentaires qui manquent aux autres méthodes.

DSC modulé (MDSC) offre des informations supplémentaires sur les transitions inverses et non inverses en appliquant un flux de chaleur oscillant. Alors qu’un endotherme de relaxation volumique peut déformer Tg sur un DSC conventionnel, MDSC sépare l’endotherme de relaxation volumique du changement de capacité thermique inverse à Tg pour une mesure plus fiable. Le MDSC sépare également les transitions non inverseuses (telles que la cristallisation à froid et le durcissement) et fournit une sensibilité pour détecter les transitions dépendantes de la vitesse de chauffage. Le MDSC est particulièrement précieux pour les polymères semi-cristallins, les films multicouches ou les thermodurs partiellement durcis.

L’analyse thermomécanique (TMA) mesure la transition vitreuse en fonction des changements dimensionnels lorsque l’échantillon est chauffé. La Tg peut être mesurée par un changement de dilatation thermique ou par une pénétration accrue de la sonde lorsque le matériau ramollit à travers la transition vitreuse. Le mode d’expansion est idéal pour les thermoplastiques rigides et les matériaux avec une transition d’expansion bien définie, tandis que le mode de pénétration est meilleur pour les matériaux qui ramollissent significativement au-dessus de Tg tels que les polymères plus doux, les revêtements, les adhésifs et certains élastomères.

La TMA est meilleure que la DSC pour les matériaux chargés, très cristallins ou réticulés parce que les changements dimensionnels observés à la Tg sont habituellement significatifs. Cependant, les profils de Tg de la TMA sont souvent larges, peuvent être affectés par les conditions de chargement de la sonde et peuvent être compliqués par des effets de relaxation du volume.

L’analyse mécanique dynamique (DMA) mesure les changements de rigidité mécanique et d’absorption d’énergie en appliquant une contrainte ou une déformation mécanique oscillante. Lorsque le mouvement moléculaire augmente par la transition vitreuse, le module de stockage (E’) diminue considérablement, faisant du DMA l’une des techniques les plus sensibles pour les déterminations de Tg. Cette sensibilité est idéale pour détecter la Tg dans des matériaux très chargés, cristallins ou réticulés à très faible teneur en amorphes.

Trois événements DMA peuvent être utilisés pour définir la gamme de la transition vitreuse. Le début du module de stockage (E’) marque le début de la transition vitreuse, le pic de module de perte (E’) est le point médian de la transition vitreuse, et le pic delta bronzé représente la fin supérieure de la transition.

Le DSC, le TMA et le DMA ont chacun leurs propres forces et faiblesses dans la détermination du Tg sur différents matériaux. Le tableau ci-dessous résume l’utilité relative des différentes techniques thermiques pour évaluer la Tg sur différents matériaux basées sur nos recherches:

Pour plus d’information et d’analyse, lisez la note d’application complète Explorer la sensibilité des techniques d’analyse thermique à la transition vitreuse. Une ventilation plus détaillée des instruments thermiques adaptés à des applications spécifiques est proposée dans notre Guide de sélection gratuit d’analyse thermique.