Analyse structurale des polymères par couplage CG/SM

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.