概要

熱分析 (Thermal analysis)とは、熱に関する物質の物性を調べる方法です。構造に関する情報は得られませんが、物質の熱に対する挙動を理解することができます。

熱分析とは？

Wikipediaでは熱分析とは、物質の温度を制御しながら、その応答を分析する手法の総称と記されています。融点測定器を使って、合成した有機化合物の融点を測定した経験があるかもしれませんが、これは広義の熱分析です。現在広く使われているのは以下の分析法です。

熱質量分析 (Thermogravimetric analysis：TGA)

温度を変える (一般的には室温から高温) ことで物質の質量の変化を測定する手法です。市販の装置では加熱炉の中に精密な天秤が組み込まれていて、各温度に対する質量が測定されます。
例えば、シュウ酸カルシウムを室温から1000度まで加熱すると、下記の反応で質量が減少します。

• CaC₂O₄・H₂O → CaC₂O₄ + H₂O ↑
• CaC₂O₄ → CaCO₃ + CO ↑
• CaCO₃ → CaO + CO₂

これをTGで実測すると下の図のようになります。

このように基本的には物質の蒸発や昇華する温度帯を調べることができます。また、一定の温度で加熱することで、蒸発量を測定できます。また材料同士のTG曲線を比較すると、不純物の有無が調べられます。多くの機器では、密閉性が高い加熱炉の構造になっていますので、空気だけでなく不活性ガス雰囲気下でも測定できます。また、加熱により発生したガスをFT-IRやガスクロ、質量分析器で分析できるような装置も市販されています。

示差熱分析 (Differential thermal analysis：DTA)

DTAは、測定したいサンプルと標準サンプルを加熱炉に入れ、温度を変化させながら二つのサンプルの温度の差を測定する手法です。サンプルに何も起こらなければ、測定サンプルと標準サンプルは同じ温度変化を示しますが、変化があると示す温度に差が生まれます。これにより発熱や吸熱を伴う相変化や酸化、ガラス転移、結晶化する温度が観測できます。標準サンプルは測定する温度帯で変化しない物質を選択します。例えば酸化アルミニウムが使われます。先ほどの熱試料とこの示差熱を同時に測定する手法をTG-DTAと呼んでおり、装置も広く市販されています。TGとDTA曲線の変化パターンによって、何が起きているかを推測することができます。

示差走査熱量測定 (Differential scanning calorimetry：DSC)

DSCは、DTAと同じで標準サンプルとの温度の差を測定する手法です。違いは温度の測定方法です。DTAはサンプルの温度を直接測定していますが、DSCではサンプルを熱抵抗体の上に置き、熱抵抗体の温度を測定しています。そのためサンプルと標準物質の温度差は、単位時間当りの熱量で表されます。そのため、ピークの面積を計算するとその変化に使われた熱量がわかり、ほかの実験結果と比較することができます。

TG-DTA同様にTG-DSCと呼ばれる二つの熱分析を同時に行う装置も市販されています。また、炉内を加圧できるDSCも市販化されており、反応暴走時の検証や酸化安定性を評価できます。これらTGA、DTA、DSCの分析では、液体や固体のサンプルを小さな容器に入れて測定します。容器の素材は、アルミニウムからアルミナ、ステンレスなど様々な種類があり、測定試料の腐食性と測定温度帯によって選択します。また密閉できる容器もあり、気体への相変化を伴う測定や、自己反応性のサンプルの測定も可能です。

熱機械分析 (Thermomechanical analyzer：TMA)

熱機械分析では、試料を押しつぶしたり、引っ張りながら温度を変化させ、その機械的変化を測定する手法です。例えばゴムは温度によって弾性が異なりますが、この分析ではそれを数値化して連続的に測定できます。

荷重をかけてサンプルをセットし温度を変化させていきます。サンプルに変化があると荷重をかけているプローブが動くので、その動いた距離を測定します。様々なプローブがあり用途に応じたものを使います。

このように熱分析は、原理は単純ですが様々な用途に使える分析法です。一つの測定でも温度条件を変えれば結果は変わるため、結果を深く考察する必要があります。

関連リンク

• Wikipedia：熱分析
• Wikipedia：シュウ酸カルシウムのTG曲線

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