熱重量分析

熱重量分析または熱重量分析（TGA ）は、温度が変化するにつれてサンプルの質量を経時的に測定する熱分析法です。この測定により、相転移、吸収、吸着、脱着などの物理現象、および化学吸着、熱分解、固気反応（酸化または還元など）などの化学現象に関する情報が得られます。^[1]

熱重量分析 (TGA) は、熱重量分析装置と呼ばれる機器で行われます。熱重量分析装置は、サンプルの温度が時間とともに変化している間、継続的に質量を測定します。質量、温度、時間は、熱重量分析における基本測定と見なされますが、これら 3 つの基本測定から多くの追加測定を導き出すことができます。

一般的な熱重量分析装置は、プログラム可能な温度制御を備えた炉内に置かれたサンプル パンを備えた精密天秤で構成されています。温度は通常、一定の割合で上昇し (または、一部のアプリケーションでは、一定の質量損失になるように温度が制御されます)、熱反応を引き起こします。熱反応は、周囲空気、真空、不活性ガス、酸化/還元ガス、腐食性ガス、浸炭ガス、液体の蒸気、または「自己生成雰囲気」などのさまざまな雰囲気下で発生する可能性があります。また、高真空、高圧、一定圧、または制御された圧力などの さまざまな圧力下で発生する可能性があります。

熱反応から収集された熱重量データは、y 軸に質量または初期質量のパーセンテージ、x 軸に温度または時間をとってプロットにまとめられます。このプロットは平滑化されることが多く、TGA曲線と呼ばれます。TGA 曲線の 1 次導関数(DTG 曲線) をプロットして、詳細な解釈や示差熱分析に役立つ変曲点を特定できます。

TGA は、特徴的な分解パターンを分析することで材料の特性評価に使用できます。これは、熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、エラストマー、複合材料、プラスチックフィルム、繊維、コーティング、 塗料、燃料などのポリマー材料の研究に特に役立つ手法です。

熱重量測定には 3 つのタイプがあります。

• 等温または静的熱重量測定: この手法では、サンプルの重量は一定温度で時間の関数として記録されます。
• 準静的熱重量測定: この技術では、サンプルの温度は等温間隔で区切られた段階的に上昇し、その間にサンプルの質量は次の温度上昇が始まる前に安定状態に達します。
• 動的熱重量測定法: この手法では、サンプルは温度が直線的に変化する環境で加熱されます。

TGA は、材料の熱安定性を評価するために使用できます。目的の温度範囲で、物質が熱的に安定している場合、質量の変化は観察されません。質量損失が無視できる場合は、TGA トレースの傾斜がほとんどないかまったくありません。TGA は、材料の上限使用温度も示します。この温度を超えると、材料は劣化し始めます。

TGA はポリマーの分析に使用されます。ポリマーは通常、分解する前に溶けるため、TGA は主にポリマーの熱安定性を調べるために使用されます。ほとんどのポリマーは 200 °C 未満で溶けるか分解します。ただし、空気中で少なくとも 300 °C、不活性ガス中では 500 °C の温度に耐えることができ、構造変化や強度低下を起こさない熱的に安定したポリマーのクラスがあり、TGA で分析できます。^{[2] [3] [4]}

最も単純な材料特性評価は、反応後に残る残留物です。たとえば、燃焼反応は、通常の状態でサンプルを熱重量分析装置にロードすることでテストできます。熱重量分析装置は、サンプルを発火温度以上に加熱して、サンプル内でイオン燃焼を引き起こします。結果として得られる TGA 曲線は、Y 軸を初期質量のパーセンテージとしてプロットされ、曲線の最終点に残留物が表示されます。

酸化による質量損失はTGAで最も一般的に観測される損失である。^[5]

銅合金の耐酸化性の研究は非常に重要です。たとえば、NASA (アメリカ航空宇宙局) は、燃焼エンジンでの使用の可能性を考慮した先進的な銅合金の研究を行っています。しかし、酸素が豊富な大気中では銅酸化物が形成されるため、これらの合金では酸化劣化が起こる可能性があります。NASA はシャトルの材料を再利用できるようにしたいと考えているため、耐酸化性は重要です。TGA は、実用化に向けてこれらの材料の静的酸化を研究するために使用できます。

TG 分析中の燃焼は、生成された TGA サーモグラムに残る明確なトレースで識別できます。興味深い例の 1 つは、大量の金属触媒が存在する、製造されたままの未精製カーボンナノチューブのサンプルで発生します。燃焼により、TGA トレースは、正常な関数の通常の形式から逸脱する可能性があります。この現象は、急激な温度変化によって発生します。重量と温度を時間に対してプロットすると、1 次導関数プロットの急激な傾斜の変化は、サンプルの質量損失と熱電対で確認される温度の急上昇と同時に発生します。質量損失は、制御が不十分な重量損失による炭素の酸化だけでなく、材料自体の不一致によって燃焼から放出される煙の粒子によっても発生する可能性があります。

同じサンプルでも異なる地点で異なる重量減少が見られる場合、サンプルの異方性を診断するためにも使用できます。たとえば、サンプルの上部と下部をサンプリングして内部に分散粒子を採取すると、粒子の分布が左右で異なる場合、サーモグラムが重ならず、間に隙間ができるため、沈降を検出するのに役立ちます。^{[6] [7]}

熱重量測定反応速度論は、さまざまな物質の熱分解および燃焼プロセスに関与する熱（触媒または非触媒）分解の反応メカニズムを理解するために研究される可能性がある。 ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]}

分解過程の活性化エネルギーはキッシンジャー法を用いて計算することができる。^[15]

一定の加熱速度の方が一般的ですが、一定の質量損失速度は特定の反応速度を明らかにすることができます。例えば、ポリビニルブチラールの炭化の速度論的パラメータは、0.2重量%/分の一定の質量損失速度を使用して求められました。^[16]

熱重量分析は、他のプロセスと組み合わせたり、他の分析方法と組み合わせて使用​​されることがよくあります。

たとえば、TGA 装置は、フーリエ変換赤外分光法(FTIR) および質量分析ガス分析と組み合わせて、サンプルを最高 2000 °C まで加熱しながら継続的に重量を測定します。温度が上昇するにつれて、サンプルのさまざまな成分が分解され、その結果生じる質量変化の重量パーセンテージを測定できます。