Quelles sont les différences entre l’analyse DSC et l’analyse TGA ?

L’analyse thermique est une technique fondamentale dans le domaine de la caractérisation des matériaux. Alors que différentes industries requièrent des informations de plus en plus précises et approfondies sur le comportement des matériaux sous des conditions de température variables, deux méthodes tout aussi remarquables l’une que l’autre se distinguent : l’analyse thermogravimétrique (ou TGA, de l’anglais “Thermogravimetric Analysis”) et la calorimétrie différentielle à balayage (ou DSC, de l’anglais “Differential Scanning Calorimetry”). Bien qu’elles relèvent toutes deux du domaine de l’analyse thermique, leurs applications, les données qu’elles fournissent et l’interprétation des résultats obtenus varient considérablement.

Analyse TGA : une question de poids

Fondamentalement, l’analyse TGA consiste à surveiller le poids d’un échantillon à travers une plage de températures spécifique. C’est une technique qui trouve tout son sens dans les scénarios où les échantillons subissent des étapes de décomposition caractéristiques. Par exemple, la décomposition thermique des matériaux peut entraîner des changements dans leur poids. Sous certaines conditions, une prise de poids est possible, notamment si le matériau est exposé à un environnement oxydant.

L’un des éléments cruciaux de la TGA est sa capacité à suivre les changements de poids en fonction de la température ou du temps écoulé. Une telle précision aide à obtenir des informations sur les transformations thermiques, sur la température d’utilisation maximale, et sur les réactions chimiques qui pourraient générer un gain ou une perte de poids.

DSC : entre pics et vallées

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC), en revanche, s’occupe de l’énergie. En utilisant un calorimètre différentiel à balayage, il est possible de discerner la quantité d’énergie absorbée ou libérée par un échantillon le long de son historique thermique, ce qui rend cet appareil particulièrement adapté à repérer les pics endothermiques ou les transitions exothermiques. Les données recueillies sont souvent représentées en termes de capacité calorifique en fonction du temps.

La température de transition vitreuse (Tg) est un aspect notable souvent révélé par la DSC. La DSC est la méthode de choix dans les scénarios où la plage de température et l’énergie associée à une transition thermique spécifique sont les éléments clés de la recherche. 

Peser le pour et le contre : quelle solution choisir ?

Choisir entre TGA et DSC n’est pas toujours facile. Certains facteurs, comme les taux de chauffage ou certains besoins spécifiques de caractérisation des matériaux, aiguillent souvent la décision. 

La TGA peut être plus adaptée dans des situations où un échantillon produit un gaz significatif sur la plage de température prévue, ce qui peut indiquer une éventuelle décomposition thermique. Cependant, la DSC offre des informations plus précises si le but est l’étude des mystères des transitions endothermiques ou exothermiques.

Il ne faut pas sous-estimer l’ampleur de la gamme de leurs applications. La TGA et la DSC peuvent être déployées efficacement pour divers matériaux, à la fois pour des produits pharmaceutiques, des plastiques, des métaux, des céramiques ou des matériaux avancés. Elles jouent toutes deux un rôle majeur dans l’industrie minière, et des domaines connexes, et couvrent des applications telles que :

• Analyse des charbons et des cokes proximaux : la TGA et la DSC peuvent être utilisées pour déterminer l’analyse proximale du charbon et du coke, ce qui inclut l’humidité, la matière volatile et la teneur en cendres.
• Tests de perte à l’ignition (ou LOI, de l’anglais “Loss-on-ignition”) : la TGA peut être utilisée pour déterminer la teneur en carbone des cendres volantes des chaudières à charbon, à l’aide du test LOI. Cette méthode peut être mise en œuvre de manière mono-étape ou bi-étape.
• Transitions de phase solide dans les matériaux céramiques et les minéraux : la DSC peut être utilisée pour évaluer les transitions de phase solide dans les matériaux céramiques et les minéraux comme les zéolithes. La DSC peut également estimer la chaleur spécifique des roches et des sols.
• Identification des minéraux argileux : l’Analyse Thermique Différentielle (DTA) et la DSC sont utilisées pour identifier les minéraux argileux depuis la fin des années 1950. La DSC est plus performante que la DTA car elle détermine la chaleur correspondante et la température de transformation. Cependant, l’énergie de déshydroxylation lors de la DSC dépend du type de liaison. Cet inconvénient est absent chez la TGA, où la quantité mesurée est la masse de l’échantillon.
• Évaluation des combustibles fossiles : les techniques de TGA, de DSC et d’Analyse Thermique Différentielle (DTA) sont utilisées dans l’évaluation des combustibles fossiles tels que les lignites, le charbon et les schistes bitumineux. La DSC peut être utilisée pour mesurer les enthalpies de combustion des schistes bitumineux.

Et pourtant, la vraie force de ces techniques émerge lorsqu’elles sont utilisées de concert. L’analyse thermique simultanée (ou STA, de l’anglais “Simultaneous Thermal Analysis”) amalgame les capacités de la TGA et de la DSC, révélant ainsi des détails bien plus approfondis que ces méthodes ne le pourraient séparément. 

Pour conclure

XRF Scientific reconnaît qu’il est primordial pour les scientifiques des matériaux de comprendre les subtilités de l’analyse thermique, et en particulier les nuances entre la TGA et la DSC. Alors que les différentes industries deviennent plus exigeantes, et que les matériaux se complexifient, il est crucial d’avoir les bons outils à sa disposition.

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