忘備録 昇温脱離分析装置のさらなる応用と今後の展望
昇温脱離分析装置は、半導体、金属、バッテリー、高分子材料などの分野で活用されていますが、近年ではさらに幅広い分野での応用が進んでいます。
以下では、新たな応用例と、今後の技術発展の方向性について詳しく説明します。
1. 近年の新しい応用分野
1-1. 医療・バイオ材料の分析
医療分野では、人工関節、歯科インプラント、医療用プラスチックなどの材料の品質管理が重要視されています。
例えば、人工関節のチタン合金やセラミックの表面には微量のガスや有機物が吸着していることがあり、これが人体への影響を与える可能性があります。
昇温脱離分析装置を用いることで、医療材料の純度や生体適合性を評価し、安全性を向上させることができます。
また、バイオポリマーや生分解性プラスチックの研究開発においても、加熱時に放出される分解ガスを分析することで、材料の分解特性や環境への影響を詳細に評価 することが可能です。
1-2. 宇宙開発・航空機産業
宇宙機器や航空機に使用される材料は、極限環境下でも安定した性能を発揮する必要があります。
特に、人工衛星や宇宙探査機に使用される高性能ポリマーや複合材料は、真空環境下でのガス放出が問題になることがあります。
昇温脱離分析装置を活用することで、宇宙空間での脱ガス挙動を事前にシミュレーションし、最適な材料選定が可能になります。
航空機産業では、機体の軽量化のために炭素繊維強化プラスチック（CFRP）などの新素材が広く採用されています。
このような材料の耐熱性や劣化特性を評価するために、昇温脱離分析が活用されています。
1-3. 環境・エネルギー分野
近年、地球環境保護やカーボンニュートラルの推進により、新しいエネルギー技術や環境材料の開発が加速しています。
昇温脱離分析装置は、環境負荷の少ない新材料の開発や、リサイクル技術の向上 に貢献しています。
触媒材料の評価
触媒の表面に吸着したガスの脱離特性を測定することで、触媒の活性や耐久性を評価。
例えば、自動車の排ガス浄化用触媒や、燃料電池の電極触媒の性能分析に活用。リサイクル材料の品質評価
廃プラスチックや金属のリサイクル過程で発生するガスを分析し、再利用可能な材料の特性を詳細に把握。
環境負荷を最小限に抑えつつ、高品質なリサイクル素材の開発に貢献。CO₂吸収材・貯蔵材料の研究
二酸化炭素を吸収・貯蔵する新材料（カーボンキャプチャー技術）の開発において、CO₂の吸着・脱離挙動を分析。
2. 昇温脱離分析装置の技術的進化
近年、昇温脱離分析装置の技術は大きく進化しており、以下のような新しい機能や特性が注目されています。
2-1. 高速・高感度測定
最新の昇温脱離分析装置は、従来の装置よりも短時間で高精度な測定 が可能になっています。
これにより、従来は数時間かかっていた測定が、数十分で完了するケースも増えています。
また、質量分析計（MS）やガスクロマトグラフ（GC）との組み合わせにより、より微量なガスの成分分析が可能 になっています。
2-2. AI・機械学習によるデータ解析
従来、昇温脱離分析のデータ解析は専門家による手作業が必要でしたが、AIや機械学習技術を活用することで、データ解析がより迅速かつ正確に行えるようになっています。
例えば、機械学習を活用したソフトウェアを使うことで、ガス放出パターンの自動識別や、未知の材料の特性予測が可能になっています。
2-3. 多機能・ハイブリッド型の装置
最新の昇温脱離分析装置では、以下のような機能が組み合わさったハイブリッド型 のモデルが登場しています。
昇温脱離分析 + 質量分析（TDS-MS） → 放出されたガスの成分を分子レベルで分析
昇温脱離分析 + ラマン分光（TDS-Raman） → 材料内部の結晶構造変化を同時測定
昇温脱離分析 + X線回折（TDS-XRD） → 材料の表面と内部の構造変化を統合的に解析
これにより、材料のガス放出特性だけでなく、構造変化や劣化メカニズムをより詳細に把握することが可能 になっています。
3. 昇温脱離分析装置の将来展望
今後、昇温脱離分析技術はさらに進化し、新たな産業分野への応用が広がると考えられます。
3-1. 低コスト化と普及
これまで、昇温脱離分析装置は高価な研究機器とされ、一部の大企業や大学・研究機関でしか使用されていませんでした。
しかし、技術の進化により、小型化・低コスト化が進み、中小企業やスタートアップ企業でも導入しやすくなることが期待されています。
3-2. リアルタイムモニタリング技術の発展
従来の昇温脱離分析は、材料を装置にセットし、測定後にデータを解析する「オフライン分析」が主流でした。
今後は、製造ラインに組み込んでリアルタイムでガス放出をモニタリングする**「インライン分析」** が可能になり、品質管理の効率がさらに向上すると考えられます。
3-3. 環境負荷の低減と持続可能な技術
脱炭素社会を目指す動きの中で、より環境負荷の少ない材料開発 が求められています。
昇温脱離分析を活用して、CO₂排出量の少ない新素材や、環境に優しいリサイクル技術の開発が進むことが期待されています。
Memorandum: Further applications and future prospects of thermal desorption analyzers
Thermal desorption analyzers are used in fields such as semiconductors, metals, batteries, and polymer materials, but in recent years, their applications have expanded to a wider range of fields. Below, we will explain in detail new application examples and the direction of future technological development.
New application fields in recent years
1-1. Analysis of medical and biomaterials
In the medical field, importance is placed on quality control of materials such as artificial joints, dental implants, and medical plastics. For example, trace amounts of gas and organic matter may be adsorbed on the surface of titanium alloys and ceramics in artificial joints, which may have an effect on the human body. By using a thermal desorption analyzer, the purity and biocompatibility of medical materials can be evaluated and safety can be improved.
In addition, in the research and development of biopolymers and biodegradable plastics, the decomposition characteristics of materials and their impact on the environment can be evaluated in detail by analyzing the decomposition gases released when heated.
1-2. Space development and aircraft industry
Materials used in space equipment and aircraft must perform stably even under extreme environments. In particular, high-performance polymers and composite materials used in artificial satellites and space probes can have problems with outgassing in a vacuum environment. By using a thermal desorption analyzer, it is possible to simulate the outgassing behavior in space in advance and select the optimal material.
In the aircraft industry, new materials such as carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are widely used to reduce the weight of aircraft. Thermal desorption analysis is used to evaluate the heat resistance and degradation characteristics of such materials.
1-3. Environment and Energy Field
In recent years, the development of new energy technologies and environmental materials has accelerated due to the promotion of global environmental protection and carbon neutrality. Thermal desorption analyzers contribute to the development of new materials with low environmental impact and the improvement of recycling technologies.
Evaluation of catalytic materials The activity and durability of catalysts are evaluated by measuring the desorption characteristics of gases adsorbed on the surface of the catalyst. For example, it is used to analyze the performance of catalysts for purifying exhaust gases in automobiles and electrode catalysts for fuel cells.
Quality evaluation of recycled materials The gases generated during the recycling process of waste plastics and metals are analyzed to obtain a detailed understanding of the properties of reusable materials. Contributing to the development of high-quality recycled materials while minimizing the environmental impact.
Research on CO₂ absorbents and storage materials Analyzing the adsorption and desorption behavior of CO₂ in the development of new materials (carbon capture technology) that absorb and store carbon dioxide.
Technological evolution of temperature-programmed desorption analyzers
In recent years, the technology of temperature-programmed desorption analyzers has evolved significantly, and the following new functions and characteristics have attracted attention.
2-1. High-speed, high-sensitivity measurement
The latest temperature-programmed desorption analyzers are capable of high-precision measurements in a shorter time than conventional devices. As a result, there are an increasing number of cases where measurements that previously took several hours can be completed in just a few tens of minutes. In addition, by combining it with a mass spectrometer (MS) or gas chromatograph (GC), it is now possible to analyze the components of even smaller amounts of gas.
2-2. Data analysis using AI and machine learning
Conventionally, data analysis of temperature-programmed desorption analysis required manual work by experts, but by utilizing AI and machine learning technology, data analysis can be performed more quickly and accurately. For example, software that utilizes machine learning makes it possible to automatically identify outgassing patterns and predict the properties of unknown materials.
2-3. Multifunctional/hybrid devices
The latest thermal desorption analyzers are hybrid models that combine the following functions.
Temperature programmed desorption analysis + mass spectrometry (TDS-MS) → Analyze the components of the released gas at the molecular level
Temperature programmed desorption analysis + Raman spectroscopy (TDS-Raman) → Simultaneous measurement of crystal structure changes inside the material
Temperature programmed desorption analysis + X-ray diffraction (TDS-XRD) → Integrated analysis of structural changes on the surface and inside of the material
This makes it possible to grasp not only the outgassing characteristics of materials, but also structural changes and degradation mechanisms in more detail.
Future outlook for thermal desorption analyzers
In the future, it is expected that thermal desorption analysis technology will continue to evolve and its applications will expand to new industrial fields.
3-1. Cost reduction and widespread use
Until now, thermal desorption analyzers have been considered expensive research equipment and were only used by some large companies, universities, and research institutes. However, with technological advances, they are becoming smaller and less expensive, and it is expected that they will become easier to introduce even for small and medium-sized enterprises and start-up companies.
3-2. Development of real-time monitoring technology
Conventional thermal desorption analysis was mainly conducted as "offline analysis," in which the material is set in the device and the data is analyzed after measurement. In the future, it will be possible to incorporate the device into the production line and monitor gas emissions in real time, which is expected to further improve the efficiency of quality control.
3-3. Reduction of environmental impact and sustainable technology
In the movement toward a carbon-free society, there is a demand for the development of materials that have a lower environmental impact. It is expected that the use of thermal desorption analysis will lead to the development of new materials with low CO2 emissions and environmentally friendly recycling technologies.