La spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) est une technique de caractérisation des systèmes électrochimiques.

Le principe de cette technique consiste à appliquer un signal sinusoïdal de faible amplitude au système électrochimique et d’en mesurer la réponse à différentes fréquences.

Dans le cas de la spectroscopie d’impédance électrochimique appliqué aux générateurs d’aérosols, la méthode de test consiste à mettre en contact le revêtement ou vernis (contenant) avec le produit qui servira d’électrolyte (contenu).

Le test repose sur l’application d’un faible potentiel alternatif en entrée, au moyen d’une électrode de référence (RE) et d’une contre électrode (CE) reliées à un potentiostat* et la mesure du courant de sortie, entre l’électrode de référence et l’électrode de travail (WE), qui permettra de calculer l’impédance (résistance en courant alternatif). Dans ce cas, c’est le boîtier aérosol métallique (ou un récipient, bouteille métallique) qui constitue l’électrode de travail.

Afin de pouvoir mesurer un courant de sortie, il est nécessaire que le produit – l’électrolyte – dispose d’une conductivité minimum. Cette mesure est réalisée à différentes fréquences pendant le test, typiquement entre 100 mHz et 100 kHz.

Le modèle physique utilisé pour quantifier la réponse du revêtement vis-à-vis du produit, l’électrolyte, est un modèle RLC : résistance, induction, capacité (cf. figure ci-dessous). Pour quantifier la qualité du revêtement utilisé, nous nous intéressons aux valeurs de résistance et de capacité et à leurs évolutions dans le temps. Dans ce but, plusieurs mesures sont réalisées à intervalles réguliers, sur une période d’un mois, pour permettre de caractériser la stabilité du revêtement à un contact prolongé avec le produit.

La spectroscopie d’impédance électrochimique est une technique qui permet une première évaluation rapide et fiable de la compatibilité d’un revêtement vis-à-vis d’un produit donné. Cette méthode est complémentaire des essais d’entreposage pour l’évaluation de la compatibilité contenant-contenu, dans la mesure où il n’est pas possible d’évaluer la compatibilité en phase gazeuse avec cette technique.

C’est une méthode efficace pour comparer différents vernis entre eux et anticiper plus rapidement les incompatibilités. Grâce au potentiostat* de dernière génération, dont est équipé le LEREM, il est possible de mesurer de très faibles signaux (courants) de sortie, ce qui permet d’obtenir une réponse avec des valeurs de résistance et de capacité même avec des formulations très peu conductrices.

* Potentiostat : appareil qui permet de générer et de mesurer des signaux électriques avec des électrodes pour des études électrochimiques

Les études électrochimiques comprennent d’autres techniques comme les mesures de taux d’étain sur les tôles en fer-blanc ainsi que les mesures de courant de corrosion par ampérométrie. Ces études feront l’objet d’un prochain article.

L’IMPÉDANCEMÉTRIE EST UNE SCIENCE

Un bref historique de l’impédancemétrie

Les premiers tests relatant l’impédance électrique remontent à Georg Simon OHM (1788-1854), célèbre physicien ayant établit les relations fondamentales entre courant, tension et résistance électrique. Cette science s’est vulgarisée ces dernières années en particulier dans le domaine médical ou paramédical. Il faut toutefois savoir que l’impédancemétrie a été mise en œuvre dans les emballages dès les années 1980. Le LEREM, quant à lui pratique ces études depuis les débuts des années 90.

Imaginez que vous soyez en capacité de matérialiser par un modèle mathématique un ensemble d’éléments et que ces éléments puissent vous donner des grandeurs physiques que vous puissiez étudier de façon absolue mais aussi de façon relative, par exemple comment évoluent-elles dans le temps. 

C’est ce qui se passe avec les pèses personnes modernes qui vous donnent en plus de votre poids votre indice de masse graisseuse, votre indice de masse musculaire voire d’une mesure à l’autre comment votre régime alimentaire fait évoluer votre masse musculaire…

C’est un des multiples exemples de l’application des mesures impédancemétries. Les résultats vulgarisés de ces mesures sont passés par des modélisations mathématiques. Les modèles mathématiques ont été calibrés sur la base de résultats de mesures de signaux très faibles et très précis électriques à différentes fréquences. Ces résultats ont ensuite permis de représenter votre corps en un modèle électrique équivalent d’un circuit RLC (résistif, inductif, capacitif).

APPLICATION DANS NOTRE DOMAINE

Comment peut-on maintenant mettre l’impédancemétrie au service des emballages métalliques ?

On procèdera plus ou moins de la même façon que le pèse personne, par l’application d’une faible différence de potentielle de grande précision à différentes fréquences sur l’emballage.

En fonction des résultats, on cherchera à créer un modèle RLC équivalent. On ne cherchera pas à trouver la masse musculaire de l’emballage mais à trouver une combinaison, vernis intérieur, substrat, formule conditionnée qui présente un modèle mathématique donnant une grande résistance et une capacité très faible. Qui plus est, des mesures seront répétées à intervalles réguliers de manière à confirmer, ou pas la stabilité des résultats dans le temps. 

On procèdera plus ou moins de la même façon que le pèse personne, par l’application d’une faible différence de potentielle de grande précision à différentes fréquences sur l’emballage.

Ces mesures ne peuvent s’appliquer que si la formule conditionnée est suffisamment conductrice. Certaines formules, dans de rare cas, ne sont pas conductrices et donc ne permettent pas les études par impédancemétrie.

L’évaluation de la conductivité des formules peut être réalisée assez facilement par une mesure au conductimètre. Les générateurs de signaux faibles appelés potentiostat sont également prévus pour se mettre en sécurité si la formule n’est pas compatible avec les moyens de mesure. On notera que ces études ne peuvent pas se substituer aux études de compatibilité par entreposage. C’est une méthode comparative fiable pour savoir plus rapidement quelle combinaison vernis-substrat, ne sera, in-fine pas compatible.

Par ailleurs, le matériel et les systèmes de traitement des mesures ont évolué. Le LEREM, sur ce point sera équipé de matériel neuf à l’état de l’art dès décembre 2021. Ce point sera développé dans un prochain article.

Fort de plus de trente années d’expérience dans ce domaine et équipé de matériel moderne, le LEREM est à votre disposition pour réaliser des études de compatibilité contenant-contenu par impédancemétrie. 

Le saviez vous ?

Le LEREM est une association et un laboratoire indépendant reconnu d’utilité publique. Le laboratoire fête ses 60 ans cette année et offre depuis tout ce temps de nombreux services à l’industrie française et internationale. En effet, nous avons deux langues de travail, le Français et l’Anglais.

Pour cette occasion, nous vous proposons de regarder ce que le LEREM est capable de réaliser dans le domaine des études de compatibilité contenant-contenu.

Études de compatibilité contenant-contenu

Depuis toutes ces années l’équipe du LEREM a acquis une solide expérience dans le domaine des études de compatibilité et dans le domaine de la corrosion. Ces deux domaines ayant des problématiques très similaires.

À ce titre le LEREM a participé au projet ECORBIO (Évaluation des problèmes de corrosion métallique mis en œuvre dans les procédés de bioraffineries) en restant en contact avec ses partenaires clés du moment, en particulier l’INERIS.

Nous réalisons des études de compatibilité contenant-contenu sur tout type d’emballage métallique, mais aussi sur des emballages utilisant d’autres matériaux. En effet, nos études les plus courantes sont essentiellement sur des emballages de type :

• Boites boissons
• Boites de conserve
• Couvercles métalliques twist off
• Générateurs d’aérosol
• Bidons métalliques de grande contenance.

Salles ATEX

Nous avons la chance d’avoir à disposition tout un ensemble de salles ATEX à différentes températures allant de 50°C à 0°C. Les températures y sont contrôlées en continu au degré près et sont tracées à l’aide de sondes HF.

Grâce à ces salles, nous pouvons combiner température et humidité. Évidemment, tous ces paramètres sont à la discrétion des besoins client.

De plus, nous offrons un service complet qui va quelquefois jusqu’à des études d’entreposage s’étalant sur 3 ans. Pour ce type de cas, un suivi et un archivage des échantillons en cours d’étude est réalisé à des intervalles personnalisés.

Analyse et résultats

Des modes de communication sont établis pour pouvoir informer le client des résultats en cours d’étude avec si besoin des réunions complémentaires.

Chaque étude est suivie de bout en bout par la même personne afin d’affiner au mieux l’analyse des études et ainsi éviter les risques d’interprétation des observations.

Études complémentaires

Par ailleurs, il est possible de combiner les études d’entreposage avec d’autres mesures :

• Études chromatographiques de différentes natures
• Mesures de taille de particules de spray par granulométrie laser.
• Dans certains cas, nous complétons nos observations par des mesures au microscope à balayage électronique, MEB.

En plus des points mentionnés plus tôt, nous pouvons réaliser des tests de compatibilité par impédancemétrie destinées aux emballages vernis, en particulier :

• les boitiers de générateurs d’aérosols
• les coupelles de valves
• les boites de conserve

Le domaine des études de compatibilité contenant-conteneur est un sujet très vaste qui fera l’objet d’une prochaine publication.