ATG – Analyse thermogravimétrique

Qu’est-ce qu’une analyse thermogravimétrique ?

L’analyse thermogravimétrique, aussi souvent nommé ATG (ou TGA en anglais) est une technique d’analyse thermique qui consiste à mesurer avec précision l’évolution de la masse d’un échantillon lorsque celui-ci est soumis à des variations de température en atmosphère contrôlée. 

Les échantillons à analyser peuvent être solides (morceaux, granulés, poudres) ou liquides (fluides, pâtes). Ils sont placés dans des creusets d’analyse en alumine ou en platine. En fonction des appareils, ces derniers sont parfois posés manuellement sur une canne de mesure qui entre dans un four. D’autres appareils disposent d’un passeur d’échantillons qui place automatiquement les creusets sur la canne de mesure dans un four. C’est ce four qui permet de piloter la température pendant l’analyse. La canne ATG est reliée à une balance de grande précision.

L’analyse ATG d’un matériau fait partie des analyses thermiques classiques que nous effectuons en laboratoire pour évaluer son comportement thermique, notamment lors de variations de températures

Jean-Claude Neyt, Directeur et Responsable Laboratoire, Calnesis

Les analyses ATG effectuées en laboratoire nécessitent de faire une mesure à blanc sans échantillon. Ceci permet en effet de soustraire l’effet de la variation de température sur le signal de masse de la balance de précision. Cette variation est notamment liée à la modification de la poussée d’Archimède engendrée par le changement de densité du gaz de balayage avec la température.

Quels sont les paramètres expérimentaux d’une analyse ATG ?

Au même titre que les analyses DSC ou ATD, la programmation de l’évolution de la température est choisie librement. Elle est composée d’isothermes et/ou de rampes de température (chauffe) à des vitesses variables.

Pendant l’ATG, l’échantillon est soumis à une atmosphère contrôlée grâce à un balayage de gaz. Cela permet en effet l’évacuation en continu des composés gazeux émis par les différents processus intervenant lors de l’analyse (réactions chimiques, combustion, désorption). La mesure peut ainsi être réalisée sous atmosphère inerte (N2, argon, etc.) ou non (Air zéro, O2, H2, etc). Le choix du gaz utilisé permet de favoriser ou empêcher certaines réactions chimiques. L’atmosphère de balayage peut également contenir de l’humidité. Certains appareils permettent de programmer des changements de composition du type de gaz pendant toutes les phases de la mesure.

Pourquoi réaliser une analyse thermogravimétrique ?

La thermogravimétrie est une technique d’analyse thermique réalisée en laboratoire permettant d’observer de nombreux phénomènes. Elle permet par exemple la recherche de conditions de décomposition thermique de matériaux, d’évaporation, de réduction, de désorption, de sublimation, d’oxydation, d’absorption, etc. Cette technique peut être utilisée pour qualifier la stabilité thermique de composés dans le temps. Elle permet aussi de déterminer les températures caractéristiques auxquelles ont lieux certaines réactions chimiques de matériaux sous atmosphère contrôlée. Elle permet également de quantifier certains composés volatils comme l’eau contenus dans certains matériaux. Dans certains cas, c’est un très bon moyen analytique permettant d’accéder précisément à la proportion massique d’un composé dans un matériau.

ATG couplée DSC 

Il est possible de coupler l’analyse ATG par un signal DSC. Ce type d’analyses est nommé analyse ATG-DSC. Elles nécessitent une ATG spécifique dont la canne est dotée de capteurs de flux de chaleur. Ce type de canne dispose également d’un emplacement pour un creuset de référence pour obtenir un signal différentiel.

Chez Calnesis, nous proposons des analyses thermogravimétriques ATG simple, mais aussi des analyses ATG-DSC, ATG-GC/MS et bien d’autres. N’hésitez pas à nous contacter pour discuter de vos projets.

Florian Rodrigues, Chargé d’affaires R&D, Calnesis

Couplage ATG avec identification et quantification des gaz émis

Pour certaines applications, il peut être intéressant d’identifier et mesurer les quantités de composés gazeux émis lors de l’ATG. Pour cela, le gaz de balayage chargé des composés gazeux émis par l’échantillon est analysé avec des appareils analytiques de laboratoire. Il peut s’agir d’instruments  de caractérisation comme des chromatographes en phase gazeuse (GC), de la spectroscopie de masse (MS) ou de la spectroscopie infra-rouge (IR). On parle alors d’ATG-IR, d’ATG-GC, d’ATG-MS ou même d’ATG-GC/MS. Ces analyses demandent une expertise poussée du laboratoire effectuant les mesures, non seulement en analyse thermique, mais aussi au regard de la technique analytique utilisée.

Pour analyser les composés gazeux émis par l’échantillon lors de l’ATG, il faut bien entendu réaliser l’analyse du gaz de balayage au moment précis où ces composés sont émis. Pour cela, il est souvent nécessaire de faire une première ATG sans couplage. Cela permet ainsi d’identifier au préalable à quelles températures les pertes de masse ont lieu : elles correspondent aux émissions de gaz. Des dispositifs de stockage de gaz existent aussi pour retarder leur analyse lorsque la durée de celle-ci est supérieur à l’intervalle de temps entre les prélèvements.

Comment exploiter une analyse ATG ?

Le résultat d’une analyse ATG est un thermogramme. Il s’agit d’un graphique représentant la variation de la masse de l’échantillon en fonction du temps et/ou de la température. La perte de masse est souvent exprimée en pourcentage de la masse initiale. Un exemple de thermogramme est présenté sur la figure ci-dessous.

Les températures d’intérêts sont identifiées lors de l’exploitation du thermogramme enregistré par l’appareil.  Les données brutes de ces thermogrammes sont habituellement fournis dans un fichier, en complément du rapport de mesure.