忘備録 成分分析における熱分析とは
成分分析における熱分析とは
熱分析は、試料を一定の温度制御のもとで加熱、冷却、または一定温度に保持し、その際に発生する物理的・化学的な変化を測定する手法です。熱分析は、材料の熱的特性（例：熱安定性、分解温度、相変化）を調査するのに適しており、化学、材料科学、製造業、環境科学など多くの分野で使用されています。
熱分析の目的
熱的特性の評価:
材料の熱安定性や分解挙動を調査。
熱膨張や収縮、相変化温度の測定。
成分特性の解析:
材料中の成分比率や分解生成物を分析。
混合物中の各成分の挙動を評価。
反応性の調査:
試料が加熱中に起こす化学反応を評価。
触媒や吸着材の熱的特性を調査。
製造・加工条件の最適化:
材料の加工プロセスでの熱的挙動の最適化。
主な熱分析手法
熱分析にはさまざまな手法があり、それぞれ特定の目的に特化しています。以下に、代表的な手法を詳しく説明します。
1. 熱重量分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）
概要:
試料を加熱または冷却し、その際の重量変化を測定する。
測定可能な情報:
分解温度、蒸発挙動、水分や揮発性成分の量。
残留炭素や無機残渣の定量。
応用分野:
高分子材料: 分解挙動の評価。
鉱物: 炭酸塩の熱分解、酸化挙動。
食品: 水分や揮発性物質の測定。
2. 示差走査熱量測定（Differential Scanning Calorimetry, DSC）
概要:
試料と基準物質の間で熱流量の差を測定し、熱的変化（例：融解、ガラス転移、結晶化）を調査する。
測定可能な情報:
融解温度、ガラス転移温度（Tg）、結晶化挙動。
反応熱、比熱、相変化エネルギー。
応用分野:
高分子: ガラス転移温度や結晶化挙動。
薬品: 熱的安定性や結晶多形の研究。
食品: 融解挙動や熱的安定性。
3. 熱機械分析（Thermo-Mechanical Analysis, TMA）
概要:
試料に一定の荷重を加えながら加熱または冷却し、膨張・収縮、軟化挙動を測定する。
測定可能な情報:
熱膨張係数（CTE）、軟化温度、熱的収縮挙動。
応用分野:
金属・セラミック: 熱膨張係数の評価。
高分子材料: 熱膨張や軟化挙動。
接着剤: 硬化挙動や熱的安定性。
4. 動的機械分析（Dynamic Mechanical Analysis, DMA）
概要:
試料に周期的な力を加え、その応答を測定して弾性率（E’）、損失正接（tan δ）などを評価する。
測定可能な情報:
ガラス転移温度（Tg）、粘弾性特性。
動的な温度依存挙動。
応用分野:
高分子材料: 粘弾性特性、振動特性の研究。
複合材料: 劣化挙動や温度依存性。
5. 発熱・吸熱反応解析（Calorimetry）
概要:
試料の反応に伴う発熱・吸熱量を定量化する。
測定可能な情報:
反応エンタルピー、化学反応の熱力学データ。
応用分野:
触媒研究: 吸着・脱着反応のエネルギー解析。
製薬: 医薬品の安定性や反応特性。
6. 熱脱離分析（Thermal Desorption Analysis, TDA）
概要:
試料を加熱して放出されるガス（例：H₂、CO₂、H₂O）を検出し、ガス脱離挙動を調べる。
測定可能な情報:
脱離ガスの種類、脱離温度。
応用分野:
材料科学: 水素吸蔵材料や触媒の評価。
半導体: 表面処理後のガス挙動。
7. レオロジー測定（Rheology）
概要:
温度変化に伴う流動特性（粘性、弾性）を測定する。
測定可能な情報:
粘度、流動点、温度依存性。
応用分野:
食品: 流動特性の評価。
高分子材料: 加工特性や温度依存挙動。
熱分析の応用分野
1. 材料科学
熱的安定性: 高分子、金属、セラミックなどの分解温度や融点の評価。
相変化: ガラス転移温度や結晶化温度の測定。
2. 製造業
加工条件の最適化: 高分子材料の成形温度や熱硬化条件の最適化。
品質管理: 製品中の揮発性成分や水分量の測定。
3. 医薬品
安定性試験: 医薬品の熱的安定性や劣化挙動の研究。
結晶多形の解析: 医薬品の結晶形状や安定性。
4. 食品・化粧品
融解挙動: チョコレートや乳製品の融点評価。
安定性試験: 化粧品の熱的安定性や保存期間の評価。
5. 環境科学
廃棄物処理: 焼却時の分解挙動や熱的特性。
吸着材の評価: 活性炭やゼオライトの吸脱着特性。
熱分析の課題と今後の展望
課題
試料前処理:
均一な試料調整が必要で、手間がかかる場合がある。
分解物の特定:
分解中に生成されるガスや物質の特定には別途装置が必要（例：質量分析計やFTIR）。
高コスト装置:
高度な熱分析装置は導入・運用コストが高い。
展望
装置の統合化:
熱分析と他の分析技術（例：質量分析、赤外分光）を組み合わせた多機能装置が普及。
AIによるデータ解析:
膨大なデータからトレンドや異常を自動検出する解析技術の進化。
小型・簡易化:
ポータブル熱分析装置の開発により、フィールドテストへの応用が拡大。
熱分析とTDS（温度脱離分光法）の違い
熱分析と**TDS（温度脱離分光法, Thermal Desorption Spectroscopy）**はどちらも温度変化に伴う試料の挙動を解析する技術ですが、目的、測定対象、得られる情報、適用範囲などにおいて違いがあります。それぞれの特徴を比較しながら、違いを詳しく説明します。
熱分析の特徴
目的
材料の熱的特性を評価することを主な目的とする。
加熱や冷却に伴う物理的・化学的変化を解析。
主に全体的な熱挙動（例：分解、融解、ガラス転移、結晶化）を評価する。
測定対象
主に固体または液体の材料。
試料全体の挙動（質量変化、熱流量、膨張・収縮など）。
測定方法
試料を温度制御下で加熱・冷却し、物理的・化学的変化を測定する。
代表的な手法：
TGA（熱重量分析）：重量変化を測定。
DSC（示差走査熱量測定）：熱流量の変化を測定。
TMA（熱機械分析）：膨張や収縮を測定。
得られる情報
熱安定性：分解温度、反応温度。
相変化：融解温度、結晶化温度、ガラス転移温度。
物理的特性：膨張係数、軟化点。
成分比：揮発性成分や残留物の量。
適用範囲
材料科学：熱安定性、相変化の評価。
製造業：加工温度の最適化、品質管理。
食品・医薬品：融解特性、安定性評価。
TDS（温度脱離分光法）の特徴
目的
主に固体材料の表面や浅い内部に吸着または捕獲されたガス分子の挙動を調査する。
特に、ガス脱離挙動や吸着エネルギーの解析に特化。
測定対象
固体表面や浅い内部に存在するガス分子（例：H₂、CO₂、N₂）。
固体内部の欠陥や空孔に捕獲されたガス。
測定方法
試料を温度プログラムに従って加熱し、温度変化に伴い脱離するガスを**質量分析計（MS）や赤外分光法（IR）**で検出・分析。
測定するのは脱離するガス分子の種類や脱離温度。
得られる情報
ガスの脱離温度：吸着エネルギーや結合の強さを示す。
脱離ガスの種類：どのようなガス分子が吸着・捕獲されていたか。
ガス量：脱離するガスの量（濃度、割合）。
適用範囲
触媒研究：吸着・脱離挙動の解析。
水素貯蔵材料：水素吸収・脱離特性の研究。
半導体産業：表面処理後のガス残留や不純物の評価。
材料科学：表面特性や欠陥の研究。
具体的な用途の違い
熱分析の用途
高分子材料の熱安定性評価:
TGAを使用して分解温度や揮発性成分を測定。
薬品の熱的安定性試験:
DSCで結晶化挙動やガラス転移温度を評価。
製造プロセスの最適化:
TMAで膨張や収縮挙動を測定し、加工条件を最適化。
TDSの用途
触媒表面の評価:
表面に吸着された反応ガス（例：CO、H₂O）の脱離挙動を解析。
水素貯蔵材料の研究:
材料内部に捕獲された水素の脱離温度を測定し、吸蔵特性を評価。
半導体製造プロセスの解析:
表面処理後に残留するガスや不純物の挙動を測定。
熱分析とTDSの相補的利用
両者を組み合わせることで、材料の総合的な理解が可能です。
例1: 触媒研究
熱分析: TGAを用いて触媒の熱安定性や分解挙動を測定。
TDS: 表面に吸着したガスの脱離挙動を調べて、反応性や表面活性を評価。
例2: 水素貯蔵材料
熱分析: DSCで材料の熱的特性を測定。
TDS: 水素の脱離温度や吸着エネルギーを解析。
What is thermal analysis in component analysis?
Thermal analysis is a method of measuring the physical and chemical changes that occur when a sample is heated, cooled, or held at a constant temperature under constant temperature control. Thermal analysis is suitable for investigating the thermal properties of materials (e.g. thermal stability, decomposition temperature, phase change) and is used in many fields such as chemistry, materials science, manufacturing, and environmental science.
Thermal property evaluation:
Investigate the thermal stability and decomposition behavior of materials.
Measure thermal expansion, contraction, and phase change temperatures.
Analysis of component properties:
Analyze the component ratios and decomposition products in materials.
Evaluate the behavior of each component in a mixture.
Investigate reactivity:
Evaluate the chemical reactions that occur when a sample is heated.
Investigate the thermal properties of catalysts and adsorbents.
Optimize manufacturing and processing conditions:
Optimize the thermal behavior of materials during processing.
Main thermal analysis methods
There are various thermal analysis methods, each specialized for a specific purpose. The main techniques are explained in detail below.
Thermogravimetric Analysis (TGA)
Overview:
The weight change during heating or cooling of a sample is measured.
Measurable information:
Decomposition temperature, evaporation behavior, amount of moisture and volatile components.
Quantification of residual carbon and inorganic residues.
Application areas:
Polymeric materials: Evaluation of decomposition behavior.
Minerals: Thermal decomposition of carbonates, oxidation behavior.
Food: Measurement of moisture and volatile substances.
Differential Scanning Calorimetry (DSC)
Overview:
The difference in heat flow between a sample and a reference material is measured to investigate thermal changes (e.g. melting, glass transition, crystallization).
Measurable information:
Melting temperature, glass transition temperature (Tg), crystallization behavior.
Reaction heat, specific heat, phase change energy.
Application areas:
Polymers: Glass transition temperature and crystallization behavior.
Pharmaceuticals: Research into thermal stability and crystal polymorphism.
Food: Melting behavior and thermal stability.
Thermo-Mechanical Analysis (TMA)
Overview:
A sample is heated or cooled while a constant load is applied, and expansion, contraction, and softening behavior are measured.
Measurable information:
Coefficient of thermal expansion (CTE), softening temperature, and thermal contraction behavior.
Application areas:
Metals and ceramics: Evaluation of the coefficient of thermal expansion.
Polymer materials: Thermal expansion and softening behavior.
Adhesives: Hardening behavior and thermal stability.
Dynamic Mechanical Analysis (DMA)
Overview:
A periodic force is applied to the sample, and the response is measured to evaluate the elastic modulus (E'), loss tangent (tan δ), etc.
Measurable information:
Glass transition temperature (Tg), viscoelastic properties.
Dynamic temperature-dependent behavior.
Application areas:
Polymer materials: Research into viscoelastic properties and vibration properties.
Composite materials: Degradation behavior and temperature dependence.
Calorimetry
Overview:
Quantify the amount of heat generated and absorbed by a sample reaction.
Measurable information:
Reaction enthalpy, thermodynamic data of chemical reactions.
Application areas:
Catalyst research: Energy analysis of adsorption and desorption reactions.
Pharmaceuticals: Stability and reaction properties of pharmaceuticals.
Thermal Desorption Analysis (TDA)
Overview:
Detect gases (e.g. H₂, CO₂, H₂O) released by heating a sample, and investigate gas desorption behavior.
Measurable information:
Type of desorbed gas, desorption temperature.
Applications:
Materials science: Evaluation of hydrogen storage materials and catalysts.
Semiconductors: Gas behavior after surface treatment.
Rheology
Overview:
Measure flow properties (viscosity, elasticity) as temperature changes.
Measurable information:
Viscosity, pour point, temperature dependence.
Applications:
Food: Evaluation of flow properties.
Polymeric materials: Processing characteristics and temperature-dependent behavior.
Applications of thermal analysis
Materials science
Thermal stability: Evaluation of decomposition and melting points of polymers, metals, ceramics, etc.
Phase change: Measurement of glass transition and crystallization temperatures.
Manufacturing
Optimization of processing conditions: Optimization of molding temperatures and heat curing conditions for polymeric materials.
Quality control: Measurement of volatile components and moisture content in products.
Pharmaceuticals
Stability testing: Research into the thermal stability and degradation behavior of pharmaceuticals.
Analysis of crystal polymorphism: Crystal shape and stability of pharmaceuticals.
Food and cosmetics
Melting behavior: Evaluation of the melting point of chocolate and dairy products.
Stability testing: Evaluation of the thermal stability and shelf life of cosmetics.
Environmental science
Waste treatment: Decomposition behavior and thermal characteristics during incineration.
Evaluation of adsorbents: Adsorption and desorption characteristics of activated carbon and zeolite.
Issues and future prospects of thermal analysis
Issues
Sample pretreatment:
Uniform sample preparation is required, which can be time-consuming.
Identification of decomposition products:
Separate equipment is required to identify gases and substances generated during decomposition (e.g. mass spectrometer or FTIR).
High-cost equipment:
Advanced thermal analysis equipment has high installation and operating costs.
Prospects
Equipment integration:
Multi-function equipment that combines thermal analysis with other analytical techniques (e.g. mass spectrometry, infrared spectroscopy) is becoming more widespread.
Data analysis by AI:
Evolution of analysis technology that automatically detects trends and anomalies from huge amounts of data.
Compactness and simplification:
The development of portable thermal analysis equipment has expanded its application to field testing.
Difference between thermal analysis and TDS (thermal desorption spectroscopy)
Thermal analysis and TDS (thermal desorption spectroscopy) are both techniques for analyzing the behavior of samples with temperature changes, but there are differences in purpose, measurement target, information obtained, scope of application, etc. We will explain the differences in detail while comparing the characteristics of each.
Characteristics of thermal analysis
Purpose
The main purpose is to evaluate the thermal properties of materials.
Analyze physical and chemical changes associated with heating and cooling.
Mainly evaluate overall thermal behavior (e.g. decomposition, melting, glass transition, crystallization).
Measurement target
Mainly solid or liquid materials.
Behavior of the entire sample (mass change, heat flow, expansion/contraction, etc.).
Measurement method
The sample is heated and cooled under temperature control to measure physical and chemical changes.
Representative methods:
TGA (thermogravimetric analysis): Measures weight change.
DSC (differential scanning calorimetry): Measures changes in heat flow.
TMA (thermomechanical analysis): Measures expansion and contraction.
Information obtained
Thermal stability: Decomposition temperature, reaction temperature.
Phase change: Melting temperature, crystallization temperature, glass transition temperature.
Physical properties: Expansion coefficient, softening point.
Component ratio: Amount of volatile components and residues.
Scope of application
Materials science: Evaluation of thermal stability and phase change.
Manufacturing: Optimization of processing temperature, quality control.
Food and pharmaceuticals: Melting characteristics, stability evaluation.
Characteristics of TDS (thermal desorption spectroscopy)
Purpose
To investigate the behavior of gas molecules adsorbed or captured mainly on the surface or shallow interior of solid materials.
Specialized in the analysis of gas desorption behavior and adsorption energy.
Measurement target
Gas molecules present on the surface or shallow interior of a solid (e.g. H₂, CO₂, N₂).
Gas trapped in defects or vacancies inside a solid.
Measurement method
The sample is heated according to a temperature program, and the gas desorbed with temperature change is detected and analyzed using a mass spectrometer (MS) or infrared spectroscopy (IR).
The type of gas molecule desorbed and the desorption temperature are measured.
Information obtained
Gas desorption temperature: Indicates the adsorption energy and bond strength.
Type of desorbed gas: What kind of gas molecules were adsorbed or captured?
Gas amount: The amount of gas desorbed (concentration, ratio).
Scope of application
Catalyst research: Analysis of adsorption and desorption behavior.
Hydrogen storage materials: Research into hydrogen absorption and desorption characteristics.
Semiconductor industry: Evaluation of gas residues and impurities after surface treatment.
Materials science: Research into surface characteristics and defects.
Image
Differences in specific applications
Applications of thermal analysis
Evaluation of thermal stability of polymer materials:
Measure decomposition temperature and volatile components using TGA.
Thermal stability testing of chemicals:
Evaluate crystallization behavior and glass transition temperature using DSC.
Optimization of manufacturing processes:
Measure expansion and contraction behavior using TMA to optimize processing conditions.
Applications of TDS
Evaluation of catalyst surfaces:
Analyze the desorption behavior of reactive gases (e.g. CO, H₂O) adsorbed on the surface.
Research on hydrogen storage materials:
Measure the desorption temperature of hydrogen captured inside the material and evaluate the absorption characteristics.
Analysis of semiconductor manufacturing processes:
Measure the behavior of gases and impurities remaining after surface treatment.
Complementary use of thermal analysis and TDS
By combining the two, a comprehensive understanding of materials is possible.
Example 1: Catalyst research
Thermal analysis: Measure the thermal stability and decomposition behavior of catalysts using TGA.
TDS: Examine the desorption behavior of gases adsorbed on the surface to evaluate reactivity and surface activity.
Example 2: Hydrogen storage material
Thermal analysis: Measure the thermal properties of materials using DSC.
TDS: Analyze the desorption temperature and adsorption energy of hydrogen.