$\newcommand{permeabilityISO}{\texttip{\delta_P}{perméabilité}} \newcommand{permeanceISO}{\texttip{W_P}{perméance}}$

Mesures de Perméation de vapeur et DVS

WVTR et perméance à la vapeur d’eau

The cells used with the ProUmid vapour permeability kit allow the sample to be clamped under a ring, above a humidity reference or desiccant in a cup-shaped container. — A vapour permeability cell, or Payne cup, from ProUmid, for use with the SPS and Vsorp DVS instruments. La surface effective de la membrane est de 3504 mm².

Le « taux de transmission de vapeur d’eau », ou « taux de perméabilité à l’humidité » est le débit de perméation de l’eau à travers une membrane ou autre barrière, mesuré en masse par unité de temps par unité de surface. Il est souvent appelé par son nom en anglais, « MVTR » ( pour Moisture Vapour Transmission Rate) ou « WVTR » Water Vapour Transmission Rate. Tous ces termes sont couramment utilisés.

Il y a plusieurs méthodes de mesure de la transmission de l’eau dans ce type de matériau.

Les mesures gravimétriques, où le changement de poids d’eau qui passe par la membrane est mesuré lorsque les deux faces sont exposés à une humidité différente.

Les mesures MVTR gravimétriques

Quelques méthodes typiques pour les mesures gravimétriques de MVTR sont définies dans les normes pour les matériaux de construction comme “ASTM E96” et la norme européenne “EN ISO 12572:2016 Hygrothermal performance of building materials and products - Determination of water vapour transmission properties”.

Dans ces mesures, le protocole consiste à utiliser :

Une coupelle ou cellule qui est partiellement remplie d’un produit dessiccatif ou d’une solution saline saturée, qui fixe l’humidité à l’intérieur de la cellule.
Fermeture de la cellule avec un échantillon du matériau sous test
Son installation dans un milieu à humidité et température contrôlées
Une mesure périodique du poids de l’ensemble
Calcul du flux moyen de l’eau à travers l’échantillon, en unités de poids par intervalle de temps

Avec une connaissance de l’aire surfacique de l’échantillon, le taux d’augmentation, ou de perte, d’eau par unité de surface est obtenu Cette valeur est le Moisture Vapour Transmission Rate ou MVTR sous ces conditions. Sa dimension est de Masse/(Temps × Aire).

\[MVTR = \frac{flux}{Aire} = \frac{(poids/temps)}{Aire}\]

Deux types de ces méthodes sont utilisés :

Les méthodes Dry cup, où un dessiccatif est installé dans la cellule, avec une source d’humidité à l’extérieur. Le poids du produit dessiccatif augmente au cours de l’expérience.
Les méthodes Wet Cup, où de l’eau pure, ou une solution saline sont à l’intérieur. À l’extérieur, l’air peut être sec ou d’une humidité relative contrôlée.

Perméance à la vapeur d’eau

Dans beaucoup d’applications pratiques, le paramètre d’intérêt est la perméance, $\permeanceISO$, qui est une propriété d’une configuration spécifique d’une substance homogène ou composite, en forme d’une membrane ou d’une plaque. La perméance est calculé par la normalisation de l’MVTR à la différence de pression partielle entre les deux faces :

\[\permeanceISO = \frac{MVTR}{ \Delta \texttip{P}{Pression} } = \frac{(flux/Area)}{ \Delta \texttip{P}{Pression} }\]

Les valeurs de perméance, $\permeanceISO$ sont typiquement indiquées en unités de kg/(m²･s･Pa). La Perméance peut aussi être indiquée en unités de $perm$, auquel cas il faut absolument connaitre quelle définition de $perm$ est utilisée, parce qu’il y en a plusieurs.

Quelques unités de mesure de perméance

SI (Système International) : kg/(m²･s･Pa)
- aussi : ng/(m²･s･Pa)
Quantités molaires : mol/(m²･s･Pa) or nmol/(m²･s･Pa)
« Gas Permeance Unit »(GPU) : 1 GPU = 10^-6 cm³(STP) cm^-2 s^-1 cmHg^-1$
« Metric(?) perm » : g(H_2_O) m^-2 jour^-1 mmHg^-1$
U.S. perm : grain(H2O) pied^-2 hr^-1 inHg^-1$
… et autres.

Corrections aux données MVTR

Il faut parfois prendre en compte des facteurs instrumentaux dans l’exploitation des données obtenues de la technique gravimétrique.

Le modèle simple d’une plaque infinie, avec des surfaces planes, et une humidité simplement définie sur chaque côté, n’est pas toujours une représentation précise de la configuration réelle.

Pour une membrane de perméabilité non négligeable, des gradients d’humidité sont établis dans les couches d’air en contact avec la membrane, ce qui introduit des résistances au transfert d’humidité en série avec la résistance de la membrane. Le débit d’évaporation ou d’absorption donnent également un terme source ou perte qui doit être pris en compte, si son ampleur est suffisant. En plus, l’effet de bord à la limite de la membrane peut etre conséquent, particulièrement pour les échantillons épais, ou sur lesquels il est difficile d’établir une bonne étanchéité.

Le plupart des méthodes normalisées précisent en détail la géométrie et les paramètres du test, afin de limiter la variabilité des résultats. Par exemple, la procédure pourrait préciser :

les valeurs d’humidité interne et externe de la coupelle. Ca donne une force motrice fixe pour le transport de la vapeur Souvent 50 %RH est utilisé à l’extérieur
Les aires relatives de membrane et de solution, eau ou dessiccatif, pour normaliser les termes de source et de résistance à la perméation de l’échantillon
La distance entre l’agent interne et la membrane (pour fixer la résistance de la couche d’air)
La vitesse de circulation au-dessus de la membrane (pour la couche limite externe)

Dans certains cas, des corrections calculées sont appliquées, en complément ou en remplacement d’une normalisation de la configuration expérimentale :

pour la résistance de la couche statique entre la solution de sel et l’échantillon(Annexe G, EN ISO 12572:2001)
pour l’effet de bord du plateau (Annexe F, EN ISO 12572:2001)
pour la résistance de la couche limite supérieure

La tension de vapeur à la surface de la membrane peut etre très éloignée de la valeur nominale indiquée par les conditions dans l’enceinte est la nature du produit utilisé pour fixer l’humidité. Les flux de vapeur mesurées sont donc caractéristiques de ces pressions partielles inconnues, et non des valeurs nominales. La grandeur de ces effets est particulièrement important pour les échantillons les plus perméables - l’utilisation d’ un instrument DVS peut aider dans l’élimination de certains de ces problèmes.

Dans le cas où il est possible de varier l’épaisseur de l’échantillon ; il est possible de diminuer l’influence des effets de résistance de couche d’air et de surface, par la mesure de plusieurs épaisseurs, et extrapolation à une épaisseur infinie. (voir, par exemple, la norme : NT BUILD 265)

Pourquoi mesurer MVTR dans un appareil DVS ?

Les mesures gravimétriques de transport de vapeur sont basées sur le maintien de conditions constantes d’humidité et de température dans une enceinte expérimentale, avec une pesée périodique de la coupe de Payne. Les chambres climatiques peuvent aider, avec ou sans un transfert automatisé sur une balance pour l’étape de pesée.

Les instruments pour la sorption dynamique de vapeur sont optimisés pour une régulation stable de l’humidité et de la température, parce que c’est indispensable pour obtenir une équilibration correcte lors des mesures de courbes isothermes.

En plus, la technique DVS impose la nécessité de pouvoir ajuster l’humidité sur toute la gamme de contrôle, avec des transitions rapides pour permettre tracer les courbes isothermes , et de mesurer la réponse des échantillons aux changements d’humidité.

Ces fonctions donnent des avantages dans la mesure de la perméation et la perméabilité, par rapport aux systèmes typiques de mesure de la MVTR.

Mesures Rapides, Automatisées et plus Précises

La pesée est plus fréquente et souvent plus reproductible dans les instruments DVS. La détermination de l’établissement d’un état stationnaire de flux ou d’augmentation de poids est plus rapide et plus sûr. Le plus grand nombre de mesures améliore la précision de la valeur obtenue.

Variabilité de la force motrice

Dans la technique « wet-cup », avec une solution de sel saturé dans la coupelle, il est possible de varier l’humidité externe autour de la valeur nominale interne. La pente de la courbe de flux en fonction d’humidité externe permet de trouver la perméance qui corresponde à un flux net nul. La pente à ce point, est la valeur nette de perméance pour l’humidité nominale à l’intérieur de la cellule. En utilisant des faibles différences d’humidité, cette méthode est particulièrement adaptée aux matériaux de perméabilité élevée, pour lesquels les flux importants obtenus dans les tests standards sont particulièrement susceptibles aux erreurs associées à la résistance de source limitée.

Mesure directe de Solubilité

L’instrument DVS est parfaitement adapté, par conception, à mesures la courbe isotherme de sorption de la membrane, en l’utilisant comme échantillon dans une mesure DVS standard.

La courbe isotherme de sorption donne la valeur de Solubilité, $\texttip{S}{Solubilité}$, qui peut etre utilisé avec les valeurs de Perméabilité obtenues de la mesure MVTR pour calculer le coefficient de diffusion, $\texttip{D}{Diffusion coefficient}$, pour la substance. voir ci-dessous pour des détails..

Mesure de Coefficient de Diffusion

Pour certains matériaux, avec une constante de temps suffisamment lente, et pour un échantillon strictement homogène et de géométrie simple, il est possible de traiter la courbe cinétique de sorption pour obtenir le coefficient de diffusion à chaque point de l’isotherme. Pour plus d’information au sujet de cette application, n’hésitez pas à nous contacter.

Représentation et application des données.

Résistance à la vapeur

Pour la perméation dans une barrière, typiquement une membrane ou une plaque de matériau, la résistance, $Z$, est l’inverse de la perméance, $\permeanceISO$

\[Z = \frac{1}{\permeanceISO}\]

Les résistances sont très utiles, parce qu’on peut les combiner en addition, pour obtenir la résistance d’un empilement de multiples couches, qui se comportent comme des résistances électriques en série.

Perméabilité

La Perméabilité, $\permeabilityISO$, est une propriété d’une substance, et ne dépend pas de la forme du matériau. Les unités typiques de pperméabilité sont : mol/(m･s･Pa), Barrer (1 Barrer = 10^-10･cm³(STP)/(cm²･s･cmHg) = 3.348 × 10^-16 mol･m/(m²･s･Pa))

À partir d’une mesure de perméance, $\permeanceISO$, propre à une membrane, la perméabilité est calculée :

\[\permeabilityISO = \permeanceISO \times l\]

où $l$ représente l’épaisseur de la membrane.

La Perméabilité est aussi obtenu à partir de la solubilité, $S$, et le coefficient de diffusion, $D$, de la vapeur dans le matériau :

\[\permeabilityISO = S \times D\]

Pour les géométries simples, on peut obtenir les valeurs $D$ et $S$ à partir de mesures de sorption de vapeur, par traitement des courbes cinétiques et des courbes isothermes respectivement.