Température de Transition Vitreuse

La transition vitreuse est l'une des propriétés les plus importantes des matériaux amorphes et semi-cristallins, par exemple les verres inorganiques, les métaux amorphes, les polymères, les produits pharmaceutiques et les ingrédients alimentaires, etc., et elle décrit la région de température où les propriétés mécaniques des matériaux passent de dur et cassant à plus mou, déformable ou caoutchouteux.  

De nombreux polymères, par exemple les thermoplastiques, les thermodurcissables, les caoutchoucs, etc. sont généralement composés de structures amorphes et cristallines. Cela signifie que de nombreux polymères présentent à la fois une température de transition vitreuse Tg et une température de fusion. La température de transition vitreuse (Tg) est inférieure à la température de fusion d'un matériau semi-cristallin.  

Qu´est ce que la Température de Transition Vitreuse

La température de transition vitreuse Tg d'un matériau caractérise la plage de température sur laquelle cette transition vitreuse se produit. Elle est toujours inférieure à la température de fusion de l'état cristallin du matériau (s'il en existe un). Dans la plage de température de la transition vitreuse, les polymères passent d'un état dur et rigide à un état plus flexible et souple. La Tg se produit dans une plage de températures dans laquelle la mobilité des chaînes de polymère augmente de manière significative.  

Les thermoplastiques comme le polystyrène (PS) et le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) sont généralement utilisés en dessous de leur température de transition vitreuse, c'est-à-dire dans leur état vitreux.  

Les élastomères comme le polyisoprène et le caoutchouc butadiène (BR) sont utilisés au-dessus de leur Tg, où ils sont mous et souples.  

Température de Transition Vitreuse pour l´Identification d´un Matériau

La détermination de la température de transition vitreuse est un outil d'identification des matériaux. La température de transition vitreuse (Tg) détermine également le domaine d'application d'un matériau. Par exemple, un pneu en caoutchouc (voiture) est souple et ductile parce qu'à des températures de fonctionnement normales, il est bien au-dessus de sa température de transition vitreuse. Si sa température de transition vitreuse était supérieure à sa température de fonctionnement, il n'aurait pas la souplesse nécessaire pour adhérer à la chaussée.  

D'autres polymères fonctionnent en dessous de leur température de transition vitreuse, par exemple une poignée en plastique rigide. Si la température de transition vitreuse de la poignée en plastique était inférieure à sa température de fonctionnement, elle serait trop souple.  


Méthodes associées

DSCDMA

TMA

DIL

Détermination de la température de transition vitreuse par différentes méthodes thermoanalytiques

Par Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC)

(par exemple norme ASTM E1356)

Dans les mesures DSC, la transition vitreuse peut être observée par une marche dans la ligne de base de la courbe de mesure (Fig.1). Elle est caractérisée par sa température d´onset, de midpoint, d´inflexion et d´endset. La hauteur de la marche correspond au Δcp et elle est donnée en J/(g⋅K). La procédure d´évaluation est décrite par exemple dans la norme ASTM E1356-08. La DSC peut être utilisée pour des solides, des poudres ou des liquides. 

Application

Étude de l'influence de l'humidité sur la température de transition vitreuse du sorbitol

Le sorbitol est utilisé comme substitut du sucre dans de nombreux bonbons, produits diététiques et médicaments. Une proportion de 10% d´eau dans le sorbitol produit une diminution de la transition vitreuse d´environ  24°C (températures médianes) par rapport au sorbitol anhydre. Les deux échantillons restent complètement amorphes après le refroidissement rapide à partir de l´état fondu (qui a eu lieu avant l´étape de chauffe affichée). 

Les mesures ont été réalisées avec une vitesse de chauffe de 10°C/min sous une atmosphère d´azote. Les creusets d´échantillon en aluminium ont été fermés avec un couvercle percé. Les masses d´échantillon s´élevaient à environ 12 mg ± 1mg. 

Etude de l'influence de l'humidité sur la température de transition vitreuse du sorbitolEtude de l'influence de l'humidité sur la température de transition vitreuse du sorbitol

par Analyse Mécanique Dynamique (DMA)

(par exemple norme ASTM 1640)

La technique DMA (par exemple norme ASTM E1640-09) est une technique très sensible pour la détermination de la température de transition vitreuse (par exemple norme 1640-94). Elle fournit une procédure alternative à l'utilisation de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) pour la détermination de la transition vitreuse (ISO 11357-2). Dans les mesures DMA, la Tg peut être observée avec l´onset extrapolé de la variation sigmoïdale du module de stockage E', le pic du module de perte E'' et le pic de tanδ.  

La DMA peut être utilisée pour les polymères non renforcés et chargés, les mousses, les caoutchoucs, les adhésifs et les plastiques/composites renforcés de fibres. Différents modes (par exemple, flexion, compression, tension) d'analyse mécanique dynamique peuvent être appliqués, en adéquation avec la forme du matériau source.  

Application

Transition vitreuse d´un caoutchouc

L'analyse mécanique dynamique (DMA) enregistre les propriétés viscoélastiques en fonction de la température d'un matériau (rigidité E’ et module de perte E’’, mesure de l'énergie d'oscillation), et détermine son module d'élasticité et ses valeurs d'amortissement (tanδ) en appliquant une force oscillante à l'échantillon. 

La température de transition vitreuse Tg d'un caoutchouc butadiène acrylonitrile hydrogéné (HNBR) a été déterminée en mode tension au moyen de l'analyse mécanique dynamique (DMA). La mesure a été réalisée avec une vitesse de chauffe de 2°C/min, une fréquence de 1 Hz et une amplitude de ±20µm dans la plage de température entre -90°C et 40°C. L'onset extrapolé déterminé sur la courbe du module de stockage E’, le pic de la courbe du module de perte E’’ et le pic de la courbe tanδ, correspondent à la température de transition vitreuse (Tg) de ce matériau (à travers l'application des conventions d'évaluation respectives). 

Transition vitreuse d´un caoutchoucTransition vitreuse d´un caoutchouc

par Dilatométrie (DIL)/Analyse Thermomécanique (TMA)

(par exemple norme ASTM E831)

Dans les dilatomètres (DIL) et les analyseurs thermomécaniques (TMA), tous deux décrits dans la norme ASTM E 473 – 11a, la transition vitreuse correspond à l'inflexion dans le changement dimensionnel (par exemple norme ASTM E1545). Elle est enregistrée comme l'onset extrapolé d'une inflexion sur la courbe expérimentale DIL/TMA affichée en fonction de la température. Pour rendre cette définition reproductible, il est important de spécifier la vitesse de refroidissement ou de chauffe. Par exemple, la norme ASTM E1545 décrit la détermination de la transition vitreuse au moyen de la TMA. 

 

Application

Détermination de la Transition Vitreuse par Dilatométrie

Mesure DIL sur un caoutchouc naturel entre -120°C et 20°C avec une vitesse de chauffe de 3°C/min sous une atmosphère d'hélium. La longueur de l'échantillon était de 2 mm. La température d'onset extrapolée de -62°C correspond à la transition vitreuse (Tg). Dans les matériaux amorphes tels que les caoutchoucs, c'est une transition réversible. Le matériau change d'un état dur et relativement cassant à un état souple et caoutchouteux. 

Détermination de la Transition Vitreuse par DilatométrieDétermination de la Transition Vitreuse par Dilatométrie