Sorption dynamique de vapeur 101 : Qu'est-ce que c'est, pourquoi et comment ?

L'eau est omniprésente. Ceux qui étudient le monde physique ou fabriquent des matériaux dans ce domaine seront tôt ou tard contraints de reconnaître l'impact de l'humidité sur les substances avec lesquelles ils travaillent.

Plus précisément, l'eau – tant dans le matériau que autour de celui-ci – est un facteur crucial pour déterminer comment et où un produit ou un matériau peut être utilisé, quand il se dégradera, de quels traitements ou revêtements il a besoin (le cas échéant), ou s'il doit être entièrement reformulé.

L'humidité ne peut être ignorée sans risque. Comment alors mesurer et prendre en compte son impact ?

Par analyse de sorption de vapeur.

Qu'est-ce que la sorption dynamique de vapeur (DVS) ?

L'analyse par sorption en phase vapeur a pour objectif de déterminer la quantité de solvant (généralement de l'eau) adsorbée ou désorbée par un matériau, ainsi que la vitesse à laquelle ce processus se produit.

Pour le savoir, un échantillon du matériau est placé dans un environnement où la quantité de vapeur de solvant (humidité) peut être contrôlée et ajustée. Les variations de poids de l'échantillon sont ensuite mesurées et utilisées pour calculer la quantité de vapeur qu'il adsorbe ou désorbe.

La sorption dynamique de vapeur (DVS) est une méthode courante d'analyse de la sorption de vapeur. Il y a encore quelques décennies, l'analyse de la sorption de vapeur se faisait principalement à l'aide d'un processus manuel lent impliquant l'utilisation de dessiccateurs. En 1991, Daryl Williams a mis au point la méthode DVS afin de réduire le temps et le travail manuel considérables nécessaires pour obtenir des données significatives.

Comment fonctionne la sorption dynamique de vapeur

Il existe plusieurs types d'appareils DVS, mais la plupart ont un mécanisme d'action similaire.

Un appareil typique de sorption dynamique de vapeur contient un échantillon dans une chambre à température contrôlée. Il utilise ensuite de l'air humidifié ou desséché pour amener la chambre à un niveau d'humidité relative défini. Une fois que l'échantillon atteint l'équilibre (supposé en fonction du poids) avec le niveau d'humidité relative de la chambre, son changement de masse est enregistré. L'appareil répète ensuite le processus avec des niveaux d'humidité relative accrus ou réduits et enregistre les changements supplémentaires. Une fois les points de données nécessaires collectés, certains appareils DVS les utilisent pour générer une isotherme.

Une fois l'échantillon préparé et inséré, les appareils de sorption dynamique de vapeur effectuent automatiquement l'analyse de sorption de vapeur. Avant l'apparition de la technologie DVS, l'enregistrement des mêmes données nécessitait plusieurs enceintes dessiccateurs, une salle à température strictement contrôlée et plusieurs semaines, voire plusieurs mois, pour faire passer les échantillons dans différentes chambres et enregistrer les résultats.

Quand et pourquoi utiliser la sorption dynamique de vapeur

La concurrence sur les marchés et le durcissement des réglementations ont poussé les entreprises de secteurs très variés à étudier la manière dont leurs produits réagissent aux conditions environnementales. C'est probablement la raison pour laquelle, plus de 30 ans après son invention, la sorption dynamique de vapeur a été largement adoptée.

Aujourd'hui, l'analyse par sorption de vapeur continue de se répandre dans de nouvelles industries. L'analyse par sorption de vapeur répond le plus souvent à des questions similaires à celles-ci :

• Quelles conditions peuvent entraîner l'agglomération, la formation de grumeaux et la détérioration d'un produit en poudre, qu'il s'agisse d'un produit fini ou d'une matière première, le rendant inutilisable ou peu attrayant ?
• Dans quelle mesure un matériau d'emballage donné protégera-t-il un produit contre les conditions défavorables liées au transport, aux intempéries ou au stockage ?
• Combien de temps l'ingrédient actif d'un produit pharmaceutique, nutraceutique ou complément alimentaire conservera-t-il son efficacité lorsqu'il est exposé à des fluctuations d'humidité telles que celles présentes dans l'armoire à pharmacie d'une salle de bain ?

D'autres applications plus spécialisées comprennent les tests des effets de l'humidité sur les matériaux composites utilisés dans l'aviation, les lentilles de contact et les articles d'hygiène personnelle, et bien d'autres encore.

Résultats et analyse DVS, partie 1 : cinétique de sorption de vapeur

Les résultats d'un test de sorption dynamique de vapeur sont souvent visualisés de deux manières différentes. La première, appelée cinétique de sorption de vapeur, est une question de timing. Elle représente graphiquement les niveaux d'humidité relative dans la chambre et les changements de masse de l'échantillon au fil du temps.

En d'autres termes, la cinétique de sorption indique la vitesse à laquelle votre échantillon absorbe et libère l'eau présente dans l'environnement. Cette information est utile dans les cas où le temps est un facteur critique, comme dans les études accélérées sur la durée de conservation.

Résultats et analyse DVS, partie 2 : isothermes de sorption de vapeur

L'autre façon de visualiser les données de sorption de vapeur consiste à représenter graphiquement les données relatives à l'activité de l'eau (humidité relative) de l'échantillon sur un axe et son poids (parfois, on utilise plutôt la teneur en humidité) sur l'autre.

Ces isothermes ne mettent pas l'accent sur l'influence du temps sur l'échantillon, mais montrent comment la masse ou la teneur en humidité varie en fonction de l'humidité relative.

Les isothermes haute résolution de ce type permettent d'identifier facilement les endroits où se produisent des transitions indésirables au niveau de la texture et de la qualité. Ces transitions sont souvent appelées « limites critiques » et se manifestent par des variations soudaines de la teneur en humidité ou de la masse. Ces informations sont cruciales dans de nombreux cas liés à la fabrication alimentaire :

• Dans les produits secs tels que les poudres, il est important de rester en dessous d'une limite maximale afin d'éviter l'agglomération et la formation de grumeaux, mais suffisamment élevé pour que les produits trop secs et sous-pondérés ne nuisent pas aux marges bénéficiaires.
• Dans un snack à base de viande séchée, la fenêtre limite critique devrait idéalement être suffisamment basse pour empêcher la prolifération des microbes, mais suffisamment élevée pour que le snack conserve une texture moelleuse et agréable au goût.
• Dans les produits alimentaires à forte teneur en humidité, tels que les barres aux fruits, certains niveaux d'activité de l'eau sont nécessaires pour éviter la synérèse.

Explication de l'adsorption, de la désorption et de l'hystérésis

Il est important de noter la différence entre l'adsorption et la désorption dans la cinétique et les isothermes de sorption des vapeurs.

L'adsorption désigne la liaison d'un échantillon avec l'humidité, qui est alors extraite d'un environnement humide. La désorption désigne le processus par lequel l'échantillon libère l'humidité dans un environnement sec ou desséché.

Peu de matériaux absorbent et libèrent l'eau de la même manière ou à la même vitesse. La différence entre l'adsorption et la désorption est appelée hystérésis.

L'hystérésis est un concept important à retenir. Chaque cycle d'adsorption/désorption auquel un matériau est soumis modifie les effets des cycles d'adsorption/désorption futurs. Si un produit a dépassé un point de transition, sa structure peut subir un changement irréversible qui ne peut être inversé simplement en le séchant à nouveau.

L'hystérésis est principalement utilisée pour comprendre un produit, mais elle peut également servir à évaluer la capacité de rétention d'eau d'un produit, comme dans le cas des revêtements, des humectants ou des nouvelles formulations.

Interprétation de l'isotherme DVS – un exemple

L'interprétation des isothermes varie selon l'application, mais la description détaillée d'une méthode peut aider à conceptualiser d'autres méthodes. Dans le cas présent, il s'agit d'une analyse des changements de phase induits par la vapeur dans le lait en poudre séché par atomisation.

Pour plus d'exemples sur la manière dont les isothermes peuvent être interprétées (pour estimer la durée de conservation, déterminer l'efficacité des films et revêtements hydrofuges, etc.), regardez ou lisez la transcription de notre webinaire, Comprendre les isothermes.

La première étape pour interpréter cette isotherme afin d'étudier les changements de texture consiste à déterminer les limites critiques d'activité de l'eau mentionnées ci-dessus, c'est-à-dire le point à partir duquel des changements indésirables de texture commencent à se produire.

L'utilisation de la dérivée seconde de cette isotherme de sorption permet de mettre en évidence les pics de cette courbe. Les pics correspondent aux niveaux d'activité de l'eau où la teneur en humidité augmente le plus rapidement.

Dans ce cas, elle est de 0,67. Cela signifie qu'une activité de l'eau de 0,67 ou une humidité relative de 67 % constitue un point de transition critique pour cette poudre, au-delà duquel sa texture change.

À faible activité de l'eau, le nombre de sites de liaison de l'eau est limité. Mais dès que cette activité atteint 0,67, le nombre de sites augmente et davantage d'eau peut se lier. À mesure que l'activité augmente encore, un agglomération et un collage importants commencent à se produire (dans ce produit spécifique). L'isotherme indique précisément à quel moment ces phénomènes se produisent.

Sorption de vapeur d'eau vs sorption de vapeur organique

La plupart des instruments de sorption dynamique de vapeur sont conçus pour étudier les propriétés de sorption de l'eau, mais certains appareils analysent également la manière dont les échantillons interagissent avec les vapeurs organiques.

Les objectifs et les principes du processus restent les mêmes : apprendre comment un échantillon adsorbe et désorbe la vapeur. Dans ces appareils, la chambre d'échantillonnage est remplie d'une vapeur organique, et non de vapeur d'eau, à un niveau d'humidité prédéterminé.

Le DVS avec vapeurs organiques est le plus souvent utilisé par les scientifiques spécialisés dans les matériaux qui développent des méthodes de contrôle des processus chimiques. Il s'est également révélé utile pour aider l'industrie pharmaceutique à développer des principes actifs stables et biodisponibles.

Instruments dynamiques de sorption de vapeur

Un appareil DVS doit être capable de mesurer la masse de l'échantillon et d'exposer celui-ci à de l'air humidifié ou desséché. Au-delà de ces caractéristiques communes, les appareils DVS varient considérablement en termes de taille, de forme et de capacités. Lorsque vous achetez un appareil DVS, tenez compte des éléments suivants :

• Taille de l'appareil. Certains appareils de paillasse sont très compacts (environ 30 centimètres cubes), tandis que certains appareils multi-stations peuvent occuper tout un plan de travail de laboratoire, voire être aussi volumineux qu'une armoire autonome.
• Temps de lecture. Certains appareils mettent plusieurs jours à créer une isotherme. D'autres mettent plusieurs semaines. Réfléchissez bien à vos besoins en matière de débit d'échantillons avant d'acheter.
• Résolution des données. Sans une résolution isotherme suffisamment élevée, il est impossible de déterminer avec précision les points de transition critiques. Avez-vous besoin d'une cinétique de sorption à faible résolution ou d'isothermes à haute résolution ?
• Taille de l'échantillon. Certains appareils DVS peuvent analyser avec précision des échantillons aussi petits que dix milligrammes. D'autres nécessitent un échantillon plus important pour une analyse précise.

Autres méthodes d'analyse par sorption en phase vapeur

L'analyse traditionnelle par sorption de vapeur, réalisée en laissant les échantillons s'équilibrer dans des dessiccateurs, est encore pratiquée dans certains laboratoires et universités, malgré le travail et l'équipement qu'elle nécessite.

Ceux qui choisissent cette méthode auront besoin de plusieurs chambres climatiques, de solutions salines saturées et d'un espace pour les stocker pendant un certain temps. Après avoir préparé le matériel et commencé le test, un technicien de laboratoire devra prélever des échantillons dans les chambres, les peser régulièrement et enregistrer les changements de masse jusqu'à ce que l'ensemble de données souhaité soit obtenu.

Cette méthode nécessite des efforts constants dans le temps et peut ne pas fournir les informations détaillées que d'autres méthodes peuvent fournir.

Une autre alternative est la méthode DDI (Dynamic Dewpoint Isotherm), une amélioration relativement récente et peu connue de la méthode DVS. Alors que les appareils DVS imitent la méthode de la chambre climatique en utilisant le poids pour déterminer quand un échantillon s'est équilibré à un niveau d'humidité spécifique, la méthode DDI équilibre l'échantillon en fonction de son activité hydrique.

Les appareils DDI utilisent de l'air humidifié ou desséché pour modifier l'humidité relative de l'échantillon selon un intervalle défini (0,01 aw ou 1 % HR), permettent à la chambre de s'équilibrer au nouvel état de l'échantillon, puis enregistrent à la fois l'aw et le poids de l'échantillon. Ce processus, répété plusieurs fois sur deux jours, permet d'obtenir des isothermes comportant 100 à 150 points de données supplémentaires par rapport à la méthode DVS (5 à 10 points), mettant en évidence les points de transition et imitant les conditions réelles du fluide.

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