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Article

1 - COUPLAGE CG/SM

2 - TECHNIQUES D’INTRODUCTION DES POLYMÈRES

3 - IDENTIFICATION DES CONSTITUANTS D’UN PLASTIQUE

4 - ANALYSE DES POLYMÈRES APRÈS MISE EN ŒUVRE

5 - ÉTUDE DES MÉCANISMES DE POLYMÉRISATION

6 - VIEILLISSEMENT DES POLYMÈRES

  • 6.1 - Analyse des produits d’hydrolyse
  • 6.2 - Produits de dégradation thermique

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : A3273 v1

Identification des constituants d’un plastique
Analyse structurale des polymères par couplage CG/SM

Auteur(s) : Bruno MORTAIGNE

Date de publication : 10 avr. 1997

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Auteur(s)

  • Bruno MORTAIGNE : Docteur en matériaux et structures de l’École nationale supérieure d’arts et métiers (ENSAM) - Ingénieur responsable du service Structure et durabilité des polymèresDélégation générale pour l’armementCentre de recherches et d’études d’Arcueil (DGA/CREA)

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INTRODUCTION

La chromatographie en phase gazeuse (CG) sur colonne capillaire est une méthode de séparation des composés susceptibles d’être vaporisés par chauffage sans décomposition. Elle consiste à faire migrer les composants d’un mélange à travers une colonne, en modifiant thermiquement le rapport d’affinité des produits à séparer entre la phase stationnaire de la colonne et le gaz vecteur.

La spectrométrie de masse (SM) est un outil employé pour l’analyse d’un grand nombre de types d’échantillons. Sa sensibilité élevée, associée à la fois à sa grande sélectivité et à sa bonne spécificité, en a fait, au cours des trente dernières années, une technique d’analyse extrêmement puissante pour la caractérisation structurale des molécules organiques.

L’association d’une méthode de séparation (CG) avec un détecteur très sensible (SM) a conduit à une technique d’analyse performante pour l’identification des molécules organiques.

Les composés analysés par SM vont des petites molécules organiques jusqu’aux macromolécules. La difficulté, dans le cas de ces derniers échantillons, réside dans le choix des techniques à employer pour leur introduction dans le spectromètre de masse, qui seront largement décrites dans cet article.

Dans la plupart des cas, la SM nécessite une vaporisation des molécules dans leur forme initiale pour l’acquisition d’un spectre de masse représentatif de la molécule à analyser. Cela pose un problème crucial, les polymères se dégradant thermiquement avant leur vaporisation. Malgré cette limitation et la complexité des spectres de masse obtenus, la SM joue un rôle important pour l’analyse structurale des polymères. À partir de techniques d’introduction spécifiques bien contrôlées comme l’analyse thermogravimétrique (ATG), la pyrolyse (PY)…, la structure des polymères peut être correctement identifiée par cette méthode.

Actuellement, même si d’autres techniques comme la SM couplée à des techniques de séparation par chromatographie en phase liquide se développent, d’autres problèmes se posent quant à l’utilisation de ces techniques, comme l’interfaçage entre les différents appareillages par exemple, et nécessitent de développer de nouvelles bases de données pour la détermination des structures des molécules organiques. Ces nouvelles techniques d’analyse seront surtout employées pour l’analyse des biopolymères qui sont très sensibles à une élévation de température. L’analyse de ces biopolymères ne sera pas abordée dans cet article, où l’on se limitera à l’analyse des polymères élastomériques, thermoplastiques ou thermodurcissables.

Dans ce qui suit, après une présentation succincte des principes de fonctionnement des appareils utilisés, nous décrirons les avantages retirés de l’association de la chromatographie en phase gazeuse (CG) et de la détection par spectrométrie de masse dans l’analyse et la caractérisation des polymères, en détaillant les techniques d’introduction des polymères dans un spectromètre de masse. Ensuite, nous aborderons les différentes méthodologies utilisables pour caractériser les constituants de base des polymères, puis celles utilisables pour identifier leur structure après mise en œuvre en essayant de remonter aux mécanismes de polymérisation qui ont pu intervenir. Enfin, dans une dernière partie, nous nous intéresserons aux possibilités offertes par cette technique pour caractériser le vieillissement des matériaux et pour identifier les produits formés au cours de leur dégradation, de manière à pouvoir déterminer les points faibles de la structure moléculaire.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-a3273


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3. Identification des constituants d’un plastique

Pour leur analyse, il est nécessaire de faire la distinction entre les thermoplastiques (cf. ) et les thermodurcissables (cf. ).

3.1 Thermoplastiques

Les masses molaires des thermoplastiques sont élevées.

L’analyse des constituants d’un tel plastique comprend en premier lieu une identification de ses adjuvants tels que stabilisants (anti UV, antioxydant…) ou des agents modificateurs de ses propriétés (plastifiants…). Ceux‐ci seront extraits en phase liquide, à l’aide de solvants conduisant à un gonflement important des macromolécules. L’analyse des produits d’extraction est réalisée par injection dans le CG /SM. Dans la majorité des cas, pour la CG, le choix se portera sur une colonne apolaire, des températures de chauffage jusqu’à 450 oC pouvant être employées pour l’élution avec les types de colonnes qui se développent actuellement. La température de l’injecteur pourra, quant à elle, être portée à 300 oC au maximum. Cela limite les problèmes de pollution des colonnes par des molécules avec des températures de volatilisation trop élevées et évite les décompositions thermiques des produits à analyser dans l’injecteur.

Pour l’analyse de la chaîne macromoléculaire, s’il est possible de mettre les macromolécules en solution (polybutadiène dans du chloroforme, ou polymères hydrocarbonés dans des solvants comme l’hexane), l’analyse directe par CG /SM est employée. Notons que les solvants chlorés, qui interagissent fortement avec les macromolécules organiques en les gonflant très fortement, donnent très souvent de bons résultats (polybutadiène dans du chloroforme, par exemple). Quand les macromolécules ne sont pas solubles, ce qui est souvent le cas, on a alors recours aux mêmes techniques que celles employées pour leur caractérisation après leur mise en œuvre, à savoir la CG /SM avec une méthode d’introduction...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - De MAAK (F.), SABLIER (M.) -   Couplages chromatographiques avec la spectrométrie de masse.  -  Techniques de l’Ingénieur – [P 2 614] (1-1994), traité Analyse et Caractérisation.

  • (2) - TRANCHANT (J.) -   Chromatographie en phase gazeuse.  -  Techniques de l’Ingénieur [P 1 485], traité Analyse et Caractérisation, (7-1996).

  • (3) - TRANCHANT (J.) -   Manuel pratique de chromatographie en phase gazeuse.  -  Masson (1982).

  • (4) - VOUROS (P.), WRONKA (J.W.) -   Polymer characterization using mass spectrometry.  -  Dans Modern methods of polymer characterization chap. 12, p. 495-555. Chemical analysis vol. 113, H.W. Barth et J.W. Mays Éd., Wiley Interscience Publication (1991).

  • (5) - BOTTER (R.), BOUCHOUX (G.) -   Spectrométrie de masse.  -  Techniques de l’Ingénieur [P 2 615] (4-1995), Traité Analyse et Caractérisation.

  • ...

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