La calorimétrie différentielle à balayage (en anglais, Differential Scanning Calorimetry ou DSC) est une technique d'analyse thermique. Elle mesure les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser et une référence (par exemple alumine, mais peut aussi être de l'air).

Elle sert à déterminer les transitions de phase :

• la température de transition vitreuse (T_g) des polymères et des verres métalliques ;
• les températures de fusion et de cristallisation ;
• les enthalpies de réaction, pour connaître les taux de réticulation de certains polymères.

Les analyses sont réalisées sous balayage d'un gaz inerte (par exemple, l'azote ou l'argon) pour éviter toute réaction du matériau à étudier avec l'atmosphère du four.

L'appareil subit des changements de température importants. Par conséquence, la position de certains éléments de la DSC va fluctuer. La totalité des calculs réalisés par l'interface informatique se fait comparé au thermocouple situé entre l'échantillon et la référence. En bougeant, les résultats vont être faussés. Il est par conséquent indispensable de calibrer régulièrement en vérifiant par exemple les températures de fusion avec l'indium, du zinc ou du plomb (généralement, on utilise l'indium - T_f = 156, 6 °C ; ΔH = 28, 45 J·g⁻¹).

Fonctionnement

Principe

Cette technique se base sur le fait que lors d'une transformation physique, telle qu'une transition de phase, une certaine quantité de chaleur est échangée avec l'échantillon pour être maintenu à la même température que la référence. Le sens de cet échange de chaleur entre l'échantillon et l'équipement dépend de la nature endothermique ou exothermique du processus de transition. Ainsi, par exemple, un solide qui fond va absorber plus de chaleur pour pouvoir augmenter sa température au même rythme que la référence. La fusion (passage de l'état solide à l'état liquide) est en effet une transition de phase endothermique car elle absorbe la chaleur. De même, l'échantillon peut subir des processus exothermiques, tels que la cristallisation, quand il transmet de la chaleur au dispositif.
En mesurant la différence de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence, un calorimètre différentiel à balayage peut mesurer la quantité de chaleur absorbée ou libérée au cours d'une transition. Cette technique peut aussi être utilisée pour observer des changements de phase plus subtils, comme les transitions vitreuses.
La DSC est beaucoup utilisée en milieu industriel en contrôle qualité à cause de son applicabilité dans l'évaluation de la pureté d'échantillons ou dans l'étude du durcissement de polymères^{[1], [2]}.

Méthode par compensation

Dans cette méthode (originellement découverte par PerkinElmer), l'échantillon et la référence sont positionnés dans deux fours différents mais dans la même enceinte calorifique. La variation de température entre les deux fours se fait simultanément par la même quantité de calories. La température est maintenue toujours égale dans les deux fours, et fluctue de manière linéaire.
Les différences des énergies absorbées ou dégagées par l'échantillon et la référence sont mesurées. Quand une transition se produit, selon qu'elle soit endothermique ou exothermique, l'échantillon va absorber ou dégager de l'énergie. Un générateur de puissance apporte plus ou moins d'énergie comparé à la référence. C'est cette variation d'énergie qui est enregistrée selon le temps ou de la température.

Méthode des flux de chaleur

Pour cette méthode (mise au point par Du Pont de Nemours-Mettler), l'échantillon et la référence sont positionnés dans un même four. Une sonde de platine sert à contrôler et d'enregistrer l'évolution de la température de l'appareil. Le signal température est ensuite converti en signal de puissance calorifique.

Cette technique mesure les différences de flux de chaleur entre l'échantillon et la référence pendant un cycle de température. La température de chauffe, apportée par une résistance électrique, fluctue linéairement.

Comparaison avec l'analyse thermique différentielle

La calorimétrie différentielle à balayage et l'analyse thermodifférentielle (ATD) sont fréquemment confondues. Il existe néenmoins une différence principale entre ces deux méthodes. Avec un appareil de DSC, on mesure des différences d'énergie, tandis qu'avec l'ATD, on mesure des différences de température.
L'ATD est particulièrement peu utilisée pour la caractérisation de polymères car les signaux issus des changements de phase ou d'état de la matière sont de très faible amplitude^[3].

Notes et références

Annexes

Principaux mots-clés de cette page : température - échantillon - référence - chaleur - transitions - différences - balayage - dsc - phase - polymères - four - méthode - énergies - technique - analyse - mesure - exothermique - différentielle - fusion - réticulation -

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