Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)

Le principe sous-jacent à la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est que les changements d’enthalpie dans un matériau (la quantité d’énergie absorbée ou libérée par une substance lors d’une réaction chimique ou d’un changement physique) peuvent être détectés et mesurés. Ces changements d’enthalpie peuvent être utilisés pour caractériser le matériau.

Si un effet thermique se produit dans l’échantillon lorsqu’il est chauffé ou refroidi, la température s’écartera de la température de référence, qui suit la température programmée. En mesurant la différence de variation d’enthalpie entre un échantillon et une référence, DSC fournit des informations précieuses sur les propriétés physiques et chimiques de l’échantillon.

Par exemple, lorsqu’un échantillon subit un changement de phase, il absorbe ou libère de l’énergie. Il peut s’agir d’un effet exothermique tel que la cristallisation, où l’échantillon libère de l’énergie et devient plus chaud que la référence. Cette énergie est détectée par l’instrument DSC. En mesurant la différence entre le flux de chaleur de l’échantillon et le flux de chaleur de la référence, vous pouvez déterminer le changement d’enthalpie associé à la transition de phase de l’échantillon.

Les résultats DSC sont tracés sous forme de courbe de flux thermique en mW en fonction de la température ou du temps. La DSC peut être utilisée pour déterminer de nombreuses propriétés thermiques des matériaux en analysant la forme de la courbe de flux thermique.

Regardez notre vidéo pour découvrir les avantages des calorimètres différentiels à balayage de METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO propose deux modes de mesure DSC : flux de chaleur et compensation de puissance.

DSC avec flux de chaleur : Pendant le programme de température contrôlée, un effet thermique dans l’échantillon entraînera une déviation de sa température par rapport à la température de référence. Par exemple, un effet exothermique tel que la cristallisation libère de l’énergie et l’échantillon devient plus chaud que la référence. Dans le flux de chaleur DSC, la différence de température entre l’échantillon et la référence est mesurée. Pour créer une courbe de mesure DSC, le flux de chaleur est calculé à partir de la différence de température mesurée. Tous nos instruments DSC peuvent mesurer en mode flux de chaleur.

DSC avec compensation de puissance : en mode de compensation de puissance, l’énergie utilisée pour maintenir la différence de température entre l’échantillon et la référence aussi proche que possible de zéro est mesurée. Avec la DSC 5+ de METTLER TOLEDO, cela est réalisé par deux éléments chauffants locaux sur le capteur, l’un sous le creuset de l’échantillon et l’autre sous le creuset de référence. Lors d’un effet exothermique tel que la cristallisation, l’échantillon devient plus chaud que la référence. Le réchauffeur du côté de référence s’activera alors, augmentant la température de référence jusqu’à ce qu’elle corresponde à la température de l’échantillon.

Un effet endothermique dans l’échantillon, tel que la fusion, absorbe de l’énergie et l’échantillon devient plus froid que la référence. Le réchauffeur d’échantillon s’activera alors, augmentant la température de l’échantillon jusqu’à ce qu’il atteigne la température de référence.

La quantité de puissance introduite par les capteurs chauffants est mesurée avec une grande précision. Il en résulte un signal de flux de chaleur avec une résolution exceptionnelle et une excellente séparation des effets de proximité.

Le calorimètre à balayage rapide de METTLER TOLEDO, le Flash DSC , utilise également la compensation de puissance.

En plus du flux de chaleur et de la compensation de puissance DSC, il existe de nombreux types de calorimétrie différentielle à balayage, chacun ayant ses propres avantages et limites. Le choix de la technique DSC dépend de l’échantillon spécifique étudié et de l’application.

METTLER TOLEDO est l’un des principaux fournisseurs de calorimètres différentiels à balayage (DSC). Nous proposons une gamme diversifiée d’instruments DSC, chacun conçu avec des caractéristiques et des capacités uniques pour répondre à diverses applications. Explorez dès maintenant nos brochures de produits pour trouver la solution DSC parfaite qui répond à vos besoins.

La calorimétrie différentielle à balayage haute pression (HPDSC) permet d’étudier le comportement thermique des matériaux dans un environnement à haute pression en introduisant un gaz sous pression pour générer les conditions requises. Les avantages du HPDSC comprennent des temps d’analyse plus courts grâce à des réactions accélérées et la simulation des conditions de processus sous pression.

DSC de calorimétrie à balayage rapide (Flash DSC)

La calorimétrie à balayage rapide ou calorimétrie différentielle à balayage flash (Flash DSC) est utilisée pour étudier le comportement thermique des matériaux à des vitesses de chauffage et de refroidissement très élevées. Dans la DSC Flash, l’échantillon est exposé à des vitesses de chauffage allant jusqu’à 3 000 000 K/min et à des vitesses de refroidissement allant jusqu’à 2 400 000 K/min, ce qui permet d’étudier des matériaux qui présentent des réactions thermiques extrêmement rapides et d’analyser des processus de réorganisation qui ne sont pas possibles avec la DSC conventionnelle.

La microscopie DSC permet d’examiner visuellement un échantillon pendant qu’il est chauffé ou refroidi. Cette technique est utile lorsque les courbes DSC présentent des effets qui ne peuvent pas être immédiatement compris ou qui génèrent peu ou pas d’enthalpie. Cela permet par exemple d’identifier les transitions solide-solide, les effets de chevauchement et le rétrécissement de l’échantillon à observer.

La photocolorimétrie DSC (UV-DSC)  permet d’étudier les réactions de polymérisation photo-induites ainsi que les effets du temps d’exposition et de l’intensité de la lumière UV sur les propriétés des matériaux.

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) fonctionne en mesurant la quantité d’énergie absorbée ou libérée par un échantillon (le flux de chaleur) lorsqu’il est soumis à un cycle de chauffage ou de refroidissement contrôlé, ou maintenu isotherme à la même température. Lorsque la température change, ou avec le temps maintenu à une certaine température, l’échantillon subit des transitions thermiques, telles que la fusion, la cristallisation, la transition vitreuse, les changements de phase ou les réactions chimiques, au cours desquelles l’énergie thermique est absorbée ou libérée.

À l’aide d’un type spécial de capteur, la calorimétrie différentielle à balayage détecte l’énergie absorbée ou libérée par l’échantillon lors de ces transitions ou événements. La différence de flux de chaleur entre un échantillon et un creuset de référence est tracée en mW en fonction de la température ou du temps pour créer une courbe de mesure DSC. Les changements d’enthalpie associés aux événements thermiques apparaissent sous forme de pics endothermiques ou exothermiques sur la courbe.

L’évaluation et l’interprétation de la forme de la courbe de flux de chaleur nous permettent de déterminer les caractéristiques thermiques et le comportement d’un matériau. Un logiciel d’analyse thermique est utilisé pour contrôler l’instrument, présenter et évaluer la forme de la courbe de mesure.

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est largement utilisée pour étudier les propriétés thermiques de différents matériaux tels que les polymères, les composites, les produits chimiques, les produits pétrochimiques, les métaux, les céramiques, les produits pharmaceutiques, les huiles et les aliments. Cette technique d’analyse thermique fournit des informations précieuses sur les caractéristiques thermiques et le comportement de l’échantillon et est couramment utilisée pour la recherche de nouveaux matériaux, l’analyse des défaillances, les études de sécurité et le contrôle de la qualité.

Les applications courantes de la calorimétrie différentielle à balayage comprennent :

• Stabilité thermique (temps d’induction d’oxydation, température de décomposition)
• Durcissement et réactions chimiques
• Cinétique (pour le durcissement, la durée de conservation, la stabilité)
• Polymorphisme
• Détermination de la pureté et impuretés
• Capacité thermique spécifique
• Identification (basée sur la température caractéristique de début de fusion ou la température de transition vitreuse)

La DSC est couramment utilisé dans les industries suivantes :

• Produits pharmaceutiques : Caractérisation des composés médicamenteux, analyse de la pureté et développement de formulations médicamenteuses stables.
• Science des polymères : L’étude des transitions thermiques telles que la transition vitreuse, la cristallisation et la fusion permet d’optimiser le traitement et de comprendre les propriétés des matériaux.
• Science alimentaire : L'étude du comportement des graisses, des amidons et d’autres composants alimentaires pendant la transformation et le stockage, afin de déterminer la qualité et la durée de conservation des produits.
• Science des matériaux : L’analyse des transitions de phase dans divers matériaux, des métaux et céramiques aux composites et aux nanomatériaux, facilite leur développement et leur application.

Découvrez la collection complète d’applications d’analyse thermique de METTLER TOLEDO, couvrant un large éventail de techniques et de sujets analytiques.

Pour utiliser un calorimètre différentiel à balayage (DSC), vous devez d’abord préparer un petit échantillon mesuré avec précision et le placer dans un creuset ou un plateau d’échantillon. Un couvercle peut être placé sur le creuset si nécessaire, en fonction de l’application. Un creuset de référence du même type est préparé et reste généralement vide. La préparation des échantillons est essentielle et doit être effectuée correctement, ce qui est expliqué dans cette vidéo Comment préparer des échantillons DSC .

Le programme de température est réglé, avec les températures de début et de fin et les vitesses de chauffage et de refroidissement appropriées. Le gaz de four approprié doit être choisi selon qu’une atmosphère inerte ou oxydante est nécessaire. Une fois que le four DSC a atteint la température de démarrage, l’échantillon et les creusets de référence sont placés dans le four. Cela peut être fait manuellement ou automatiquement avec un robot d’échantillonnage. Au fur et à mesure que le programme de température progresse, l’instrument DSC détecte la différence de flux de chaleur entre l’échantillon et les creusets de référence. Les résultats sont tracés sur une courbe de mesure qui représente les changements d’enthalpie de l’échantillon en fonction de la température ou du temps.

Pour plus d’informations sur l’utilisation des instruments DSC de METTLER TOLEDO, téléchargez le manuel.

La DSC (calorimétrie différentielle à balayage) et la DTA (analyse thermique différentielle) sont deux techniques d’analyse thermique utilisées pour étudier le comportement thermique des matériaux. Bien que les deux techniques impliquent la mesure des changements de température dans un matériau, elles diffèrent par la façon dont ces changements sont mesurés et le type d’informations qu’elles fournissent.

La calorimétrie différentielle à balayage mesure la quantité de chaleur entrant ou sortant d’un échantillon lorsqu’il est soumis à un programme de température contrôlée, fournissant des informations sur les processus exothermiques et endothermiques qui se produisent dans l’échantillon en fonction de la température ou du temps. L’analyse thermique différentielle fournit des informations uniquement sur la différence de température entre l’échantillon et la référence.

La DSC est généralement mieux adaptée à l’étude des transitions de phase et des propriétés thermiques des matériaux, telles que les points de fusion, les transitions vitreuses et les changements d’enthalpie. Il fournit plus d’informations sur le comportement thermique d’un matériau et est souvent utilisé pour caractériser les polymères, les produits pharmaceutiques et d’autres matériaux organiques.

Le DTA peut être utilisé pour étudier la stabilité thermique et le comportement à l’oxydation, tels que les points de fusion et la stabilité thermique des matériaux inorganiques.

Les calorimètres différentiels à balayage (DSC) de METTLER TOLEDO ne sont pas directement conçus pour effectuer des analyses thermiques différentielles (DTA). Comme la DSC fournit plus d’informations sur les transitions de phase, les propriétés thermiques et le comportement des matériaux, la technique DSC est généralement recommandée.

Lors du choix d’une machine DSC, vous devez prendre en compte plusieurs paramètres clés, notamment :

• Plage de température : La plage de température de la machine DSC doit être adaptée à votre application. Par exemple, si vous analysez des matériaux destinés à être utilisés dans des environnements à haute température, vous aurez besoin d’un instrument DSC capable de chauffer l’échantillon à la température d’utilisation.
• Vitesse de chauffage et de refroidissement : Ceux-ci doivent être appropriés pour votre échantillon et votre application. Certaines machines DSC offrent des vitesses de chauffage et de refroidissement plus rapides que d’autres, ce qui peut profiter à certaines applications.
• Résolution : Un instrument à haute résolution permet une séparation plus claire des événements thermiques qui se chevauchent. Cela peut se produire lorsque plusieurs transitions ou réactions ont lieu dans une plage de température étroite, ce qui rend difficile la distinction entre les événements individuels. Les polymères peuvent souvent présenter des transitions thermiques qui se chevauchent, telles que des transitions vitreuses, des points de fusion et de cristallisation.
• Sensibilité : La sensibilité de l’instrument détermine la faiblesse d’un événement thermique qu’il peut détecter. Si vous analysez des échantillons à faible effet thermique, vous aurez besoin d’un instrument DSC à haute sensibilité.
• Capacité d’échantillonnage : la capacité d’échantillonnage du robot de la machine DSC doit être adaptée à vos flux de travail. Par exemple, le robot d’échantillonnage pour le DSC 5+ traite jusqu’à 96 échantillons et 7 creusets de référence.
• Contrôle de l’atmosphère : Certaines machines DSC peuvent offrir la possibilité de contrôler l’atmosphère du four pendant l’analyse, ce qui peut être utile pour analyser des matériaux dans des conditions spécifiques telles qu’une humidité contrôlée, ou en présence d’un gaz particulier ou même d’un vide.
• Analyse des logiciels et des données : Les capacités logicielles et d’analyse des données de la machine DSC doivent fournir les outils nécessaires à l’analyse de vos données. Le logiciel STAR^e™ de METTLER TOLEDO offre des possibilités d’évaluation presque illimitées, offrant modularité, flexibilité et automatisation des mesures. Ce logiciel aide également les industries réglementées à rester conformes. Tous nos systèmes d’analyse thermique sont contrôlés à partir d’une puissante plate-forme logicielle.
• Budget : Le prix de la machine DSC est une considération importante, car elle doit correspondre à votre budget tout en offrant les fonctionnalités et les capacités nécessaires à votre application.

En tenant compte de ces paramètres clés, vous pouvez choisir une machine DSC adaptée à votre application et à vos besoins analytiques. Contactez nos experts METTLER TOLEDO dès aujourd’hui pour découvrir nos solutions DSC et trouver l’instrument idéal pour vos besoins.

Le gaz à l’intérieur d’un four DSC joue un rôle crucial dans l’expérience. Une atmosphère inerte telle que l’azote, l’argon ou l’hélium empêche l’oxydation en protégeant l’échantillon de l’oxygène. Cela garantit que les résultats obtenus sont précis et basés uniquement sur le comportement de l’échantillon. Une atmosphère oxydative telle que l’air ou l’oxygène peut également être nécessaire, par exemple, dans les expériences visant à déterminer le temps d’induction de l’oxydation (OIT).

Un autre effet est que la conductivité thermique du gaz affecte la vitesse à laquelle la chaleur atteint l’échantillon et le capteur. Par exemple, les gaz à haute conductivité, tels que l’hélium, peuvent fournir des résultats de mesure légèrement différents des autres. Par conséquent, le choix du gaz approprié est essentiel pour éviter toute réaction indésirable et garantir des résultats précis.

En plus du gaz du four, en utilisant un gaz inerte dans la chambre du creuset (qui retient les échantillons jusqu’au début de la mesure), les échantillons sont protégés avant le début de l’expérience. Cela permet non seulement d’éviter les modifications du matériau de l’échantillon, mais aussi de garantir que le poids de l’échantillon reste le même jusqu’au début de l’analyse.

En mode de compensation de puissance, la différence de température entre l’échantillon et la référence est maintenue aussi proche que possible de zéro. Dans le DSC 5+ de METTLER TOLEDO, cela est réalisé dans un seul four par deux réchauffeurs locaux situés sur le capteur, l’un sous l’échantillon et l’autre sous la référence. Par exemple, pendant le programme de chauffage standard, un effet exothermique tel que la cristallisation libère de l’énergie et l’échantillon devient plus chaud que la référence, qui suit la température programmée. Le réchauffeur du côté de référence s’activera alors, augmentant la température de référence jusqu’à ce qu’elle corresponde à la température de l’échantillon.

Un effet endothermique dans l’échantillon, tel que la fusion, absorbe de l’énergie et l’échantillon devient plus froid que la référence. Le réchauffeur d’échantillon s’activera alors, augmentant la température de l’échantillon jusqu’à ce qu’elle corresponde à la température de référence.

La quantité de puissance introduite par les capteurs chauffants est mesurée avec une grande précision et utilisée pour tracer la courbe de mesure DSC. Il en résulte un signal de flux de chaleur avec une résolution exceptionnelle et une excellente séparation des effets de proximité.

Le système d’analyse thermique DSC 5+ de METTLER TOLEDO est doté du capteur MMS 1 MultiStar™, qui vous permet de sélectionner la compensation de puissance ou le mode de flux de chaleur en fonction de votre application. Il contient 136 thermocouples pour offrir une sensibilité et une résolution exceptionnelles, permettant la séparation des effets thermiques proches.

Oui! Les calorimètres différentiels à balayage METTLER TOLEDO peuvent être intégrés de manière transparente à un certain nombre d’accessoires, tels qu’un robot d’échantillonnage. Le robot d’échantillonnage innovant DSC 5+ comprend une chambre d’échantillonnage purgée au gaz pour protéger les échantillons de l’environnement et fonctionne automatiquement sans intervention manuelle.

Le robot d’échantillonnage peut traiter jusqu’à 96 échantillons et 7 creusets de référence et éliminera automatiquement les creusets une fois la mesure terminée. Grâce au système unique de manipulation des couvercles, le robot d’échantillonnage est capable de percer le couvercle des creusets en aluminium hermétiquement scellés ou de retirer le couvercle de protection des creusets non scellés, juste avant le début de la mesure. Cela signifie que vos échantillons sont protégés et que la masse de l’échantillon ne change pas avant le début de l’expérience.

De nombreuses autres options et accessoires peuvent également être intégrés aux calorimètres différentiels à balayage METTLER TOLEDO, notamment le kit de microscopie DSC, le kit de photocalorimétrie DSC et divers capteurs céramiques MultiSTAR® DSC haute sensibilité, afin d’optimiser les performances.

De plus, nos instruments DSC peuvent être intégrés à notre logiciel STARe pour améliorer votre analyse thermique avec des capacités d’évaluation inégalées. La conception modulaire du logiciel, sa flexibilité intuitive et ses fonctions d’automatisation simplifient votre flux de travail, garantissant une conformité complète dans les secteurs réglementés.

Le logiciel d’analyse thermique utilisé pour la calorimétrie différentielle à balayage permet aux utilisateurs de mettre en place et d’exécuter facilement des expériences. Cela inclut la définition des vitesses de chauffage/refroidissement, des plages de température et des paramètres d’acquisition de données. Le logiciel doit enregistrer et afficher avec précision les données DSC brutes (flux de chaleur par rapport à la température). Il doit également fournir des outils d’analyse essentiels tels que l’intégration des pics, la correction de la ligne de base et le calcul des paramètres thermodynamiques courants.

De plus, les utilisateurs doivent avoir la possibilité de générer des rapports clairs et bien organisés qui résument les données expérimentales, les résultats d’analyse et les interprétations.

METTLER TOLEDO propose le logiciel d’analyse thermique STAR^e, qui est le logiciel d’analyse thermique le plus complet et le plus complet du marché, offrant une flexibilité inégalée et des possibilités d’évaluation illimitées.

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) présente certaines limites qu’il faut garder à l’esprit.

Par exemple, une résolution limitée peut rendre difficile la distinction entre les effets thermiques qui se chevauchent, tels que plusieurs pics endothermiques ou exothermiques. Dans ce cas, la méthode DSC modulée en température peut être utilisée, voire un instrument TMA (analyseur thermomécanique) ou DMA (analyseur mécanique dynamique).

Une autre limite potentielle est que la DSC nécessite une taille d’échantillon relativement petite (généralement quelques milligrammes), qui peut ne pas être représentative du matériau en vrac. Les petits échantillons peuvent entraîner un faible rapport signal/bruit, tandis que les grands échantillons peuvent ne pas tenir dans les creusets.

Les résultats DSC peuvent être influencés par la morphologie, la surface ou la distribution granulométrique de l’échantillon. Par conséquent, l’échantillon doit être homogène, car toute impureté ou variation dans l’échantillon peut affecter les résultats. Une préparation minutieuse des échantillons est nécessaire.

Certaines expériences peuvent nécessiter des vitesses de chauffage et de refroidissement extrêmement élevées qui ne sont pas possibles avec les DSC conventionnels. Dans ce cas, la calorimétrie à balayage rapide peut être appropriée pour les matériaux qui présentent des événements ou des réactions thermiques très rapides et pour étudier les processus de réorganisation qui ne sont pas possibles avec la DSC conventionnelle.

Bien que la DSC soit une technique précieuse pour l’analyse thermique, il est important de tenir compte de ces limites.