Table des matières
Introduction et bases
L’analyse des gaz évolués en combinaison avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (EGA-FTIR) est une méthode bien établie pour analyser la stabilité thermique et les émissions d’additifs dans les thermoplastiques tels que le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le polyamide (PA). En particulier, dans les premiers stades d’un processus thermique, l’EGA-FTIR permet de détecter les produits de dégradation et les additifs volatils, généralement de faible poids moléculaire, avant même que des macro-défauts ou des dommages significatifs aux matériaux ne se produisent.
Principe de fonctionnement de la méthode EGA-FTIR
Principe de mesure
Dans l’EGA-FTIR, le polymère à analyser est chauffé pendant un programme de température contrôlée. Les substances volatiles libérées (par exemple, les émissions d’additifs, les produits de décomposition, les monomères résiduels) sont directement transférées dans une cellule de gaz du spectromètre IRTF où elles sont analysées (4). Les spectres infrarouges obtenus permettent une identification qualitative et quantitative (avec étalonnage) des substances libérées à l’aide de bandes d’absorption caractéristiques.
Déroulement de la procédure
- Chauffage de l’échantillon : le matériau polymère est chauffé dans un four spécial de thermobalance (par exemple, en mode TGA) dans des conditions contrôlées (montée en température, atmosphère définie).
- Libération de composés volatils : Les additifs, les plastifiants, les composants de faible poids moléculaire ou les premiers produits de dégradation s’évaporent déjà à des températures modérées et sont évacués du four sous forme de flux gazeux (« evolved gases »).
- Transfert vers l’IRTF : ces gaz sont transportés en continu ou par étapes via une ligne de transfert vers une cuvette à gaz du spectromètre IRTF.
- Analyse IR : En IRTF, les molécules sont identifiées par leur bande d’absorption infrarouge caractéristique. Chaque additif ou produit de dégradation possède un spectre IR spécifique (empreinte digitale), de sorte que même les mélanges complexes peuvent être analysés qualitativement et – avec étalonnage – quantitativement.
Produits d'émission spécifiques des thermoplastiques
Polyéthylène (PE)
- Principaux produits : Hydrocarbures aliphatiques pendant la pyrolyse, produits gazeux tels que l’éthane, l’éthène, le propane, le propène, les pentanes et autres composés d’alcane et d’alcène de faible poids moléculaire
- Produits d’oxydation : CO, CO₂ lors de l’oxydation, en particulier à un stade ultérieur ou à une température élevée
- Caractéristiques de la FTIR : Bandes intenses pour les vibrations d’étirement C-H des chaînes aliphatiques
- Caractéristiques particulières : Pratiquement pas de composés azotés, car le PE ne contient pas de groupes azotés
Polypropylène (PP)
- Principaux produits : Comparable au PE, mais émissions accrues d’alcènes tels que le propène, le 2-méthylpropène et divers dérivés d’alcènes et d’alcane.
- Produits de dégradation oxydés : Aldéhydes, cétones (surtout acétaldéhyde, acétones) et acides carboxyliques (par ex. acide acétique), en particulier en cas de dégradation oxydative (2)
- Autres gaz : CO, CO₂, H₂ et petites quantités d’hydrogène
- Caractéristiques de la FTIR : Oscillations de valence C-H typiques à des nombres d’onde légèrement différents de PE en raison des structures des groupes méthyle
Polyamide (PA)
- Produits spécifiques : Ammoniac (NH₃), caprolactame (pour PA6), amides de faible poids moléculaire et cyclohexanone déjà à des températures modérées (150-300°C)
- Autres émissions : butadiène, alkylamides et petites quantités de composés azotés aliphatiques et aromatiques
- Caractéristiques de la FTIR : En particulier la bande carbonyle (C=O) autour de 1712 cm-¹ et les bandes d’absorption pour les groupes NH et CO, qui distinguent clairement le PA-6 du PE et du PP.
Aperçu comparatif
| Polymer | Main emission products | Specific molecules | Spectral characteristics |
|---|---|---|---|
| PE | Aliphatic KW, CO, CO₂ | Ethan, ethene, propane, pentane | C–H aliphatic |
| PP | Aliphatic hydrocarbons, aldehydes, CO₂ | Propene, acetaldehyde, acetic acid | C–H + methyl groups |
| PA | Amides, nitrogen compounds | Ammoniak, Caprolactam, Cyclohexanon | NH, C=O bands, aromatic fragments |
Exemples d'application et résultats de recherche
Biale et al. ont montré que les profils de dégradation thermique du polypropylène (PP) et du polyéthylène (PE) peuvent être détectés de manière très sensible à l’aide des enregistrements EGA. Par exemple, pour le PP, la méthode a montré une baisse de la température de début de dégradation due à un vieillissement artificiel, associée à des émissions de gaz modifiées (1).
Park et al. ont pu utiliser la TG-FTIR pour déterminer avec précision les temps et les températures d’émission de produits de pyrolyse spécifiques à partir de différents thermoplastiques. En particulier, les gaz de faible poids moléculaire – tels que les additifs ou les monomères – ont été quantifiés très tôt dans le programme de température (2).
Cuthbertson et al. ont décrit la possibilité d’identifier les additifs dès les spectres FTIR en mode EGA et de suivre leur concentration en fonction de l’évolution de la température (3).
Avantages et domaines d'application
Avantages spécifiques
- Haute sensibilité aux additifs organiques volatils et semi-volatils
- Détection précoce : tous les additifs volatils et semi-volatils sont détectés dès le début du processus de chauffage, avant même que les changements macroscopiques ne soient visibles sur le corps solide.
- Identification spécifique des émissions individuelles via des bandes FTIR caractéristiques
- Intégrabilité dans les systèmes de thermobalance existants (5)
- Large éventail d’applications : outre les additifs, les monomères résiduels, les solvants ou les modifications chimiques peuvent être surveillés via leurs émissions de gaz.
Domaines d'application
- Assurance qualité des polymères bruts
- Stabilité des additifs dans le processus de recyclage
- Développement de formulations à faible teneur en polluants
- Analyse des erreurs dans le quotidien du laboratoire
- Suivi rapide et non destructif de la qualité
- Recherche des causes profondes des processus de laboratoire, de production ou de recyclage
- Contrôle des matières premières
- Développement de nouveaux systèmes d’additifs
Conclusion
La méthode EGA-FTIR est idéale pour le suivi proactif et le développement de formulations de polymères durables avec des profils d’émission contrôlés. Ces produits d’émission spécifiques permettent une identification précoce et sélective des thermoplastiques et de leurs additifs dès le stade précoce du processus thermique. Les utilisateurs de laboratoire et les ingénieurs trouveront dans l’EGA-FTIR un package complet et performant pour les analyses de routine, les analyses de défaillance et le contrôle en cours de processus.
Répertoire des sources
(1) Biale, G. et al. (2021). Une étude systématique sur les produits de dégradation du polypropylène et d’autres polymères communs via des analyses EGA-MS et Py-GC-MS. PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8234390/
(2) Park, K.B. et al. (2023). Produits de pyrolyse de différents types de plastiques en utilisant la TG-FTIR. ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
(3) Cuthbertson, A.A. et al. (2024). Caractérisation des propriétés des polymères et identification des additifs : opportunités avec TGA-FTIR. Publication RSC. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/gc/d4gc00659c
(4) Measurlabs (2006). Evolved Gas Analysis (EGA) | TGA-FTIR & TGA-MS. https://measurlabs.com/methods/evolved-gas-analysis/
(5) Linseis Messgeräte GmbH (2025). Description de la Gas Analysis L40 EGA FTIR pour thermobalances. https://www.linseis.com/en/instruments/additional-devices-support/l40-ega-ftir/ct*. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
