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TMA/SDTA840TMA/SDTA841e

Système STARe

Technologie innovante

Modularité illimitée

Qualité suisse

L’analyse thermomécanique pour les plus exigeants

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ces Excellentes performances,

simple et sûr d’emploi

L’analyse thermomécanique (TMA) sert à mesurer les variations de dimension en fonction de la température. La dilatation thermique et la température de ramollissement détermi-nent les possibilités d’emploi d’un matériau et donnent des renseignements précieux sur sa composition.

nConception mécanique brevetée – résultats de haute qualité garantisnRésolution de l’ordre du nanomètre – saisie des plus petites variations dimensionnellesnMode DLTMA – mesure des plus petites transitions et du comportement élastiquenLarge plage de mesure – pour les petits et grands échantillonsnLarge plage de température – de -150 °C à 1100 °CnSDTA – mesure simultanée des effets thermiquesnConception modulaire – extension et adaptation aux nouveaux besoinsnCellule étanche aux gaz – environnement contrôlénTechniques de mesure combinées – analyse des produits de décomposition par l’EGA (SM et FTIR)

Le domaine d’application s’étend du contrôle de qualité jusqu’à la recherche et au déve- loppement. Les applications s’étendent aux matières plastiques, peintures et laques, matériaux composites, films et fibres, céramiques, verres, alliages, couches de revêtement et colles.

TMA/SDTA840Module de mesure thermomécanique

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Grande plage de mesure et haute résolutionVous disposez de 1 000 000 de points pour l’ensemble de la plage de mesure de ±5 mm, ce qui signifie que vous pouvez mesurer de petits ou gros échantillons (au maximum 20 mm) sans commuta-tion de plage, avec une résolutionde 10 nm.

Atmosphère définie grâce à la cellule de mesure étancheLa chambre de mesure s’ouvre sur pression d’une touche. Le porte- échantillon et le capteur de mesure

sont alors accessibles de trois cô-tés. La cellule de mesure étanche peut être évacuée et remplie d’un gaz défini. Seul un tel système clos permet d’obtenir des résultats sûrs avec des échantillons sensibles à l’oxydation.

Grande plage de température et haute précision de la températureLa température de l’échantillon est mesurée directement sous l’échan-tillon à travers une fine couche de quartz qui protège le capteur des salissures. Lors du calibrage, le capteur mesure le point de fusion

de métaux purs, d’où une haute précision de la température de ±0,25 °C.

Guidage parallèle du système de sollicitation mécaniqueLe guidage parallèle du capteur de mesure constitue une caractéristi-que importante de la cellule de me-sure TMA. Il nécessite une mécani-que de haute précision qui repose sur la technologie des balances. Grâce à ce guidage parallèle, la sonde de mesure se déplace verti-calement sans frottement.

8 Capillaire pour gaz réactif9 Sonde de mesure10 Joints11 Espace de cellule thermorégulé12 Générateur de force13 Capteur de longueur (LVDT)14 Palier souple du guidage parallèle

1 Robinet de purge2 Bride avec vis3 Résistance chauffante4 Chemise réfrigérante5 Porte-échantillon6 Capteur de température four7 Capteur de température échantillon

15 Poids d’ajustage16 Entrée du gaz protecteur17 Entrée du gaz réactif18 Entrée pour vide et gaz de balayage19 Refroidissement à l’eau

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isse La TMA symbolise

la mécanique de précision suisse

Technique de mesure complémentaireLa technique de mesure TMA est un complément idéal à la DSC. La TMA est parfaitement adaptée non seulement pour la mesure du coef-ficient de dilatation mais aussi pour la détermination des transitions vitreuses, qui ne peuvent pas être mesurées par la DSC, par exemple dans le cas de matériaux fortement chargés. Des mesures de pénétra-tion, autres méthodes TMA, per-mettent de ca-ractériser facilement les transi-tions vitreuses d’échan-tillons com-plexes (très fine couche de revêtement par exemple).

RefroidissementLe refroidissement à l’azote liquide a été entièrement automatisé, le remplissage manuel a été élimi- né. L’utilisation est ainsi nette- ment facilitée et la reproductibilité augmentée. Les mesures de longue durée sont également possibles.

ThermostatisationLa partie mécanique de la cellule de mesure est montée dans un boîtier avec régula- tion de température. La dérive est ainsi minimisée et la détermination du coeffi- cient de dilatation extrême- ment précise.

Le mode de fonctionnement DLTMA (Dynamic load TMA) per-met d’étudier le comportement élastique. Dans ce mode de sollici- tation, une force cyclique, variant autmatiquement entre deux valeurs données, est appliquée sur l’échan-tillon.

TMA/SDTA841e

Module de mesure thermomécaniquepour la plage de température basse

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Signal SDTALa température est mesurée à proximité immédiate de l’échantillon. Le thermocouple type K est protégé de tous contacts et contamination par une fine couche de verre de silice. La température peut être ainsi ajus-tée à l’aide des points de fusion de métaux purs et/ou de la variation de longueur d’étalons (au choix). Le SDTA est la différence entre la tempé-rature de référence calculée par un modèle et la température mesurée de l’échantillon (brevet US 6146013). Le signal SDTA permet ainsi de dispo-ser simultanément de l’évolution de la longueur et d’une grandeur de me-sure supplémentaire qui peut faciliter l’interprétation des résultats.

➊ mesure de flexion➋ mesure de traction ➌mesure de dilatation ➍mesure de pénétration

TMA/SDTA841e

Thermocouple type K avec support en verre de silice pour la mesure de la température des échantillons.

Modes de déformationDifférents accessoires permettent la mesure d’échan-tillons solides, de mousses, de films et de fibres. Le TMA permet les mesures de➊ flexion, gonflement➋ traction➌ dilatation➍ pénétration

Domaines d’application usuels

Industrie Application

Matériaux synthétiques (élastomères, thermodurcissables, thermoplastiques)

Coefficient de dilatation, transition vitreuse, fluage

Industrie électrique Transition vitreuse, coefficient de dilatation, délaminage

Vernis/peintures/colles/revêtements Point de ramollissement

Fibres textiles Dilatation et retrait

Emballage (films) Dilatation et retrait

Chimie (matériaux organiques et inorganiques, métaux,produits pharmaceutiques)

Coefficient de dilatation et évolution, transitions solide-solide

Universités Evolutions des dimensions dans diverses conditions

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Modulaire signifieadaptable selon vos besoins

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Un investissement de valeur durableVous commencez par la configu-ration d’appareil répondant à vos besoins du moment. L’extension de votre équipement, par une op-tion ou un autre accessoire, par exemple pour automatiser ou pour profiter d’une plage de température plus importante, est toujours pos-sible et simple à réaliser.

Contrôle des périphériquesLes périphériques sont simplement raccordés au module de mesure. Grâce à la carte de contrôle des périphériques, ces derniers sont facilement mis en route et arrêtés sous le contrôle du programme.

Contrôle par ordinateur Tout le déroulement de la mesure peut être organisé sur l’ordinateur, moyennant un nombre d’ordres restreint. Les modifications et com-pléments sont faciles à ajouter. En même temps, le programme vérifie la validité des entrées. Toutes les données engendrées sont automa-tiquement enregistrées dans une base de données et sont ainsi di-sponibles pour la documentation, même après plusieurs années. Un grand nombre d’options logicielles vous facilitera la tâche, voire même vous en déchargera. Avec un de-gré d’automatisation maximal, I’introduction des échantillons, la mesure, l’exploitation et l’évaluation

du résultat, impression comprise, sont effectuées automatiquement par le système.

Analyse des produits de décomposition par EGA (Evolved Gas Analysis)La cellule de mesure TMA peut être couplée à un spectromètre de masse ou un FTIR. Cette infor-mation supplémentaire permet d’interpréter la courbe de mesure de manière sûre et pertinente.

Economies de courantLe système de mesure n’étant peutêtre pas toujours en marche, il conviendrait, par souci de l’environnement, d’arrêter les périphériques en dehors des mesures. Ceci est possible grâce à la prise d’alimentation périphérique contrôlée par le programme. En plus de cette prise d’alimentation, on peut couper le chauffage du four. Le four est alors dans un état économiseur de courant qui ne sera levé que lors d’une nouvelle mesure.

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Contrôleur de gaz GC100

Capteurs de mesure et porte-échantillons en verre de quartzLes capteurs de mesure suivants vous sont proposés:• capteur à pointe sphérique (3,0 mm)• capteur à extrémité plate (1,1 et 3,0 mm)Suivant l’échantillon, vous aurez besoin d’un porte-échantillon différent:• porte-échantillon standard• pinces de traction pour films• pinces de traction pour fibres• dispositif de flexionVous pouvez très facilement changer de capteurs de mesure et de porte-échantillons.

Gaz de protection

Gaz réactif

Gaz de balayage

Débitmètre

Rotamètre

Vanne à gaz électrique (marche/arrêt)

Vanne à gaz manuelle

Alimentation de gaz programmableLes unités de contrôle de gaz constituent des complé-ments utiles en cas de fonctionnement automatique. Selon le modèle de contrôleur, le logiciel pilote un ou deux canaux séparés. Les unités de contrôle de gaz mesurent le débit. Les écarts sont enregistrés et indi-qués sur la courbe de mesure.

Contrôleur de gaz

Contrôleur de gaz

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Appl

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ions L’analyse thermomécanique

pour un large domaine d’applications

Le large éventail d’applications TMA est donné aussi bien par le grand domaine de température et de charge que par une préparation et manipulation faciles de l’échan-tillon. En peu de temps la TMA donne des informations carac-téristiques sur, par exemple, des couches très minces, des cylindres épais, des fibres, des plaques ou des monocristaux, en fonction de l’effet thermique pendant lequel l’échantillon change de dimension: transition vitreuse, ramollissement,

transition solide-solide, fusion et début de décomposition (dégaza-ge, délamination).

L’analyse thermomécanique permet de mesurer les variations dimen-sionnelles d’un échantillon en fonc- tion de la température. Les carac-téristiques suivantes, spécifiques au matériau, peuvent être ainsi dé-terminées:• coefficient de dilatation• température de transition vitreuse• température de ramollissement

• transitions de phase solide-solide• fusion• gonflement• comportement élastique

Les influences de gaz spéciaux, du changement de la charge (com-pression, flexion) ou du traitement thermique sur un matériau sont également très souvent étudiées.

Les courbes dilatométriques sont obtenuesà partir de la mesure d’échantillons soumis à une charge de compression négligeable. La pente des courbes permet de calculer le coefficient de dilatation linéaire. Il faut, pour l’obtention de résultats précisune vitesse de chauffe suffisamment lente(< 10 K/min) et soustraire la courbe à blanc. Sont particulièrement intéressants les matériaux ayant une dilatation inégale, tels que l’alliage de précision Invar, qui contient 36% de nickel et dont la dilatation est pratiquement nulle à température am-biante. Le coefficient de dilatation du verre Duran est très faible au-dessous de la tran-sition vitreuse. Le cristal de quartz s’allonge parallèlement à son axe c jusqu’à 575 °C (transition solide-solide) puis se rétracte.

Des carrés d’environ 5 mm sont découpés dans une plaque. Ils sont mesurés dans la direction z à une vitesse de 20 K/min. Le porte-échantillon est protégé à l’aide d’un petit morceau de feuille d’aluminium. L’échantillon est ensuite placé et recouvert d’un disque en verre de quartz pour une bonne répartition de la charge, de 0,10 N. La pente de la courbe TMA (coefficient de dilatation) augmente fortement à la transi-tion vitreuse. La courbe du milieu est celle d’un morceau de 3 µm d´épaisseur de sou-dure d’étain fondue à 180 °C. Le délami-nage a lieu quand la résine époxy présente dégage des produits de décomposition gazeux.

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Le polyéthylène réticulé au-dessous du domaine de fusion cristalline est aussi rigide que le PE standard. Quand les cristallites fondent, le volume augmente et les pro-priétés deviennent semblables à celles du caoutchouc. L’échantillon PE de 2,28 mm d’épaisseur a été recouvert d’un disque en verre de quartz pour une bonne répartition de la charge de compression. La mesure simultanée de la courbe SDTA® montre un pic de fusion endothermique à 135 °C. Au-dessus de 140 °C, la sollicitation cyclique, de 0,02/0,50 N, provoque une déformation élastique de 2,5%. La vitesse de chauffe est de 10 K/min. Contrairement aux PE réticu-lés, le PE usuel montre un coulement plas-tique après la fusion.

Un échantillon de 0,80 mm d’épaisseur,2,36 mm de largeur et 12 mm de longueur a été découpé dans un composite. Il a été placé sur un fil de cuivre de 1 mm de dia-mètre en forme de U. La distance entre les branches parallèles est d’environ 8 mm.La sonde à pointe sphérique, de 3 mm, esten contact avec le centre de l’échantillon.Charge: 0,02/0,50 N; période: 12 s; vitesse de chauffe: 10 K/min. A partir d’une courbe DLTMA corrigée par une courbe à blanc, le logiciel TMA calcule la courbe moyenne et le module d’élasticité (voir tableau). La flexion 3 points est nettement mieux adap-tée pour la détermination des transitions vitreuses que la DSC.

Deux fi ls parallèles, de 94 dtex chacun et d’une longueur de 14 mm, serrés dans des pinces de traction, sont soumis à une vitesse de chauffe de 10 K/min.Atmosphère: azote sec 100 mL/min. La force d’allongement augmente d’une mesure à la suivante comme le montre la figure.La charge pendant le refroidissement à 25 °C est de 0,10 N. Le dernier passage se prolonge jusqu’à 200 °C. Pour des charges inférieures à 0,2 N, les fils se rétractent continuellement alors que l’allongement domine aux charges plus élevées. Le point d’inflection à 80 °C indique la transition vitreuse.

Les couches internes et externes des canet- tes de boisson non-alcoolisée sont diffé-rentes en raison de la différence de sollici-tation. Un test de pénétration en TMA avec la sonde à pointe sphérique de 3 mm et une charge de 1 N permet de déterminer le ramollissement de chaque côté. Pour mesurer une seule couche, la deuxième est grattée avec un couteau. Vitesse: 10 K/min. La couche interne ramollit dans un domaine de 100 à 190 °C, la couche externe aux environs de 120 °C. L’échelle absolue de l’ordonnée montre la très faible épaisseur des canettes actuelles.

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Le PTFE est un polymère semi-cristallin qui présente plusieurs transitions polymorphi-ques ainsi qu’une transition vitreuse sur une large plage de température (de -150 °C à 300 °C). La figure ci-contre montre les cour-bes TMA de montée en température ainsi qu’une courbe de mesure DSC pour compa-raison. La première transition apparaît à -100 °C, le coefficient de dilatation thermi-que augmente en un palier. La transition à 24 °C est accompagnée d’une diminution marquée de volume. Contrairement à la courbe DSC, la courbe TMA permet d’iden-ti-fier la transition vitreuse à 100 °C suivie d’une post-cuisson, dépendant du proces-sus, à 130 °C.

La figure ci-contre montre les courbes de dilatation thermique de plusieurs élasto-mères. Les coefficients de dilatation ther-mique correspondants sont présentés dans le graphique du haut. La pente de la courbe TMA, par suite le coefficient de dilatation, varie fortement lors de la transition vitreuse. Le mélange d’élastomères SBR/BR présente deux transitions vitreuses car les polymè-res sont en phases séparées. La transition vitreuse du silicone est de -116 °C. Une importante variation d’épaisseur se produit à -45 °C environ en raison de l’augmenta-tion de volume du polymère semi-cristallin à la fusion.

Les matériaux d’étanchéité pour joints ont des propriétés thermiques et mécaniques différentes, selon les conditions d’utilisation prévues. La DLTMA peut être utilisée pour la mesure de la stabilité dimensionnelle et du comportement élastique de petits échantil-lons ainsi que pour l’étude de l’influence de la température. Les courbes DLTMA ci-contre montrent le comportement de quatre maté-riaux à l’état polymérisé, pendant un essai de montée en température effectué deux semai-nes après leur application. La transition vi-treuse est caractérisée par une augmentation de l’amplitude. L’élastomère silicone ramollit à -40 °C avec une augmentation de volume résultant de la fusion correspondante. Le matériau d’étanchéité commence à fluer et à mousser aux températures plus élevées.

Pendant la réticulation isotherme des adhé-sifs, la viscosité de ces derniers augmente avec l’augmentation du taux de réaction. Le matériau est initialement à l’état liquide puis réagit pour former un solide. Le point de gel, c.-à-d. lorsque la structure de l’adhésif devient stable, est très important du point de vue technique. L’échantillon durcit et l’amplitude diminue avec l’avancement de la réaction. La gélifi-cation est étudiée par insertion périodique d’une sonde dans l’échantillon. Le temps de réaction auquel la sonde ne peut plus être retirée de l’échantillon est le point de gel. La période de la mesure montrée sur la figure est de 24 s et la force appliquée de ±0,1 N. Le point de gel à 10 °C est de 26 min.

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Les transitions de phase sont accompa-gnées de variations de volume résultant de modifications de la structure cristalline. Le polymorphisme peut donc être étudié par la TMA, même avec une toute petite quantité d’échantillon. Ceci est illustré d’un seul grain (0,315 mg) de nitrate d’ammonium. Le nitrate d’ammonium est souvent un des principaux constituants de fertilisants et d’explosifs. Il existe dans différentes formes cristallines, selon la température. Les tran-sitions génèrent des paliers dans la courbe TMA. Les courbes montrent que les formes cristallines changent très rapidement. Certai-nes transitions sont reproductibles alors que d’autres dépendent de l’histoire thermique. Une courbe DSC est montrée avec les transi-tions correspondantes pour comparaison.

Les films ont souvent un sens prépondé-rant en raison de leur procédé de produc-tion, ils présentent donc des propriétés mécaniques anisotropes. Ces propriétés peuvent être caractérisées par la mesure de la dilatation thermique avec la TMA. La figure ci-contre montre les courbes TMA de deux films à base de PES: un étiré, l’autre non. L’échantillon non-étiré est isotrope et présente le même comportement dans les deux directions de mesure. Les comporte-ments dans le sens de l’étirage et dans le sens perpendiculaire de l’échantillon étiré sont très différents. Le film se rétracte à partir de 100 °C environ dans le sens de l’étirage alors qu’il s’allonge dans le sens perpendiculaire lorsque la température augmente.

Les mesures de fluage permettent de déter-miner le recouvrement des joints d’étan-chéité. Dans l’expérience montrée ci-con-tre, deux joints d’étanchéité différents sont soumis à une force de 1 N, pendant 60 mi-nutes à la température ambiante. Le recou-vrement est mesuré avec une force de 0,01 N. La déformation élastique, la relaxation viscoélastique (variation de l’épaisseur) et le fluage (changement irréversible de la forme peuvent être déterminés à partir des courbes de mesure.La déformation résiduelle du joint EPDM est supérieure à celle du joint FPM. Le fluage du joint EPDM utilisé est supérieur à celui du FPM et son module d’élasticité inférieur.

Un accessoire spécial permet de mesurer le gonflement de matériaux en solution. L’exemple ci-contre montre le gonflement de différents polymères dans le toluène, à la température ambiante.Alors que le gonflement du FPM est très ré-duit, l’épaisseur du silicone (MQ) augmente de plus de 35%.

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Température TMA/SDTA840 TMA/SDTA841e

Plage de température ambiante TA … 1100 °C -150 °C … 600 °CPrécision (température ambiante … 600 °C/1100 °C) ±0,25 °C ±0,25 °CPrécision (température ambiante … -100 °C) - ±0,35 °CPrécision (-100 … -150 °C) - ±0,5 °CReproductibilité ±0,15 °C ±0,25 °CVitesse de chauffe (température ambiante … 600 °C/1100 °C) 8 min < 6 minVitesse de chauffe (-150 °C … 600 °C) - < 8 minRefroidissement (600 °C/1000 °C … température ambiante) 20 min < 15 minRefroidissement (température ambiante … -150 °C) - 15 min

LongueurLongueur maximale d’échantillon 20 mm 20 mmPlage de mesure ±5 mm ±5 mmRésolution 10 nm < 1 nmBruit (RMS) 5 nm 5 nm

ForceForce -0,1 … 1,0 N -0,1 … 1,0 N

DLTMAFréquences < 1 Hz < 1 Hz

SDTA® (Single Differential Thermal Analysis)SDTA® résolution 0,005 °C 0,005 °CSDTA® bruit (RMS) 0,01 °C 0,02 °CSDTA® modèle de capteur thermocouple type R thermocouple type KSDTA® constante de temps du signal 33 s 38 s

AcquisitionFréquence d’acquisition au maximum 10 valeurs par seconde

HomologationsSécurité IEC/EN61010-1:2001, IEC/EN61010-2-010:2003 CAN/CSA C22.2 No. 61010-1-04 & -2-010 UL Std. No. 61010-1 (2nd Edition)EMC IEC61326-1:2005 / EN61326-1:2006 (class B) IEC61326-1:2005 / EN61326-1:2006 (Industrial requirements) AS/NZS CISPR 11, AS/NZS 61000.4.3

Spécifications TMA/SDTA840 / 841e

Certificat de qualité. Développement, production et tests selon ISO 9001.

Système de gestion de l’environnement selon ISO 14001.

« Conformité Européenne ». La marque vous donne l’assurance que nos produits sont con-formes aux directives de l’Union européenne.