はじめに
測定時間の見積もりは、結果の信頼性と重要性とともに、ほとんどの分析問題で重要な役割を果たすことが多い。分析方法が生産工程と密接に関連すればするほど、その重要性は増す。新素材の研究開発では、特性評価のための測定時間は当然のこととして予定されるが、工程分析では、製品の特性と製品品質を検証しなければならない間隔を決定するのは生産工場の能力である。従って、品質保証のための分析は、多くの場合、生産工程中にオンラインで実現されなければならないか、少なくとも、無作為に試料を採取して管理する場合には、数分のうちに実施できなければならない。
従来の分析では、測定プログラムにもよりますが、30分から数時間かかるため、熱分析でこれらの領域をカバーすることは困難でした。測定に要する時間は、主に被検査材料や、特徴的な材料特性を調べる必要のある温度範囲に依存します。ここで重要なパラメータは、使用する加熱速度と冷却速度です。これらは基本的に加熱炉と分析装置の設計に依存します。そこで新たに開発された高速加熱炉が新たな標準となる。
従来の熱分析装置では、1 K/分から20 K/分までの加熱・冷却速度が一般的で、潜在的な範囲は0.001 K/分から100 K/分までである。500K/分の加熱速度では、室温から1000℃までの測定時間がすでに2分以下に短縮されており、その結果、試料のスループットが飛躍的に向上している。
コンセプト
新型高速加熱炉は独立した装置を必要とせず、定評のある400プラットフォームをもう一種類の加熱炉で拡張します。このプラットフォーム・コンセプトでは、2つの加熱炉のための二重炉吊り上げ装置に測定器を装備することができます。そのため、高速炉を他の加熱炉と組み合わせて二重巻上装置に搭載することができます。第二加熱炉の代わりにオートサンプラー（ASC）を高速炉に装備することも可能です。高速加熱炉とASCの組合せによる柔軟なモジュール構成は、大幅な時間短縮と試料処理能力の向上に直結します。
装置シリーズSTA 449には以下の加熱炉があります。F1 およびSTA 449 F3 をご用意しています。
セットアップ
図2は高速加熱炉の断面図である。高速加熱炉は、測定ヘッド、試料温度決定位置、ガスフロー、試料室と計量室の分離などの主要な設計点に関して、400プラットフォームの他の加熱炉と変わらないことがわかる。
高速加熱炉には多様な容器タイプと材質が使用できます。このため、加熱炉のタイプが異なる場合でも、試験結果の理想的な比較可能性が保証されます。
高速加熱炉の実際の発熱体は抵抗加熱されたプラチナメッシュで構成されています。保護管は試料室と外部を分離し、試料室の排気と浸水により純試料雰囲気での作業を可能にします。
測定結果
高加熱速度での測定に加え、他の熱分析装置で得られた試験結果との比較可能性を保証するために、従来の加熱速度である10 K/minと20 K/minでの測定も高速加熱炉で実施した。
図3の測定試料温度対時間のグラフは、10K/minから500K/minの範囲で直線的な加熱速度を示している。
これにより、高速加熱炉が高速加熱に限定される必要はなく、より一般的な用途にも完全に対応できることが確認された。
同じ試験条件下で加熱速度を変化させると、加熱速度が増加するにつれて結果が高温側にシフトする。これはよく知られた相関関係で、特別に開発されたNETZSCH ソフトウェアによって測定データの速度論的評価が可能になります。 Thermokinetics ソフトウェアによって測定データの動力学的評価が可能です。
加熱速度の変化と測定データへの影響との相関関係が既知であり、数学的に記述することができれば、例えばNETZSCH の年鑑に記載されているような、既知の試料特性に対する測定データのトレーサビリティを放棄することなく、測定を迅速に実施することができる。
ポリプロピレン(PP)の熱分解を例に、測定結果の加熱速度依存性を指摘する。
図4は、ポリプロピレンを2つの異なる熱重量測定装置（TG 209F1 と STA 449F1 ）を用いて同一条件で調査した場合、測定結果に有意差がないことを最初に示している。
加熱炉の形状やパージガスの流量条件が異なるため、この結果は注目に値する。
相対質量変化（TGA）の結果に加えて、図4はその一次微分、すなわち質量変化率を破線（DTG）で示している。質量減少率が最大（DTG曲線の最小）となる加熱速度10, 20, 50, 100, 200, 500 K/minの温度を評価すると、プロピレンの熱分解の加熱速度依存性が得られる。これを図5に示す。
加熱速度を対数スケーリングすると、図6に見られるように直線になる。図5と図6の両方においてy方向に示されているエラーバーは、実際の誤差を示しているのではなく、±2.5 Kの信頼区間を示しているに過ぎない。
炭酸カルシウム（CaCO3）を熱処理すると、600℃以上の温度で分解反応が起こり、以下の式に従って酸化カルシウム（CaO）と二酸化炭素（CO2）が生成される：
固体のCaOが試料容器に残っている間、CO2とパージガスの流れは両方とも出口を通って装置から出ていきます。発生したCO2の量は、質量損失として定量化することができます。
図7は、PPについて説明したのと同じ測定条件で実施した一連の試験結果を示しています。質量損失ステップは加熱速度に依存せず、分解温度（DTG最小値）は加熱速度が増加するにつれて高温にシフトしている。
加熱速度を10K/minから500K/minに上げると、質量損失率は5.1%/minから128.8%/minに増加する（図8）。
これは、測定結果に対する加熱速度の影響が、追跡可能な法則に従っていることを示している。
この関係は、異なる加熱速度で測定された測定結果を比較する際に決定的な意味を持ちます。
ブレーキパッドのような製品の材料は、使用条件下で分析できるようになりました。ブレーキ時には、摩擦によって運動エネルギーが熱に変換されます。そのため、材料は短時間で非常に高い温度にさらされる。
500K/分の加熱速度により、このような極端な使用条件を解析的に再現することができる（図9）。
表 1: 高速加熱炉の技術データ
技術データ 高速加熱炉
| 雰囲気 | 不活性、酸化 |
| 試料キャリア | 標準STA |
| 最大加熱速度（直線） | 1000 K/分 |
| 最大試料温度 | 1250°C |
概要
新型高速加熱炉は、定評ある400プラットフォームを拡張するもので、その汎用性をさらに高めます。高速加熱炉と他の加熱炉とのダブルホイスト装置やオートサンプラー（ASC）との組み合わせも可能です。ポリプロピレンの熱分解を例に、高速炉の測定結果が他の熱重量測定装置と比較可能であることが実証されました。これは、500K/minまでの加熱速度で測定された情報量を制限なく利用するための重要な前提条件である。
加熱速度の変化に対する測定結果の依存性は、加熱速度の対数スケーリングの下で線形相関を示した。したがって、従来の加熱速度での測定結果との比較も可能である。質量減少ステップ自体は加熱速度の変化に依存しない。
また、CaCO3の熱分解を例にとると、加熱速度は測定結果に影響を与えるものの、非常に追跡可能な法則に従っていることが明確に示されました。
したがって、速い加熱速度を用いても情報の損失はなく、各測定にかかる時間はわずか数分であるため、試料処理量が大幅に増加し、熱分析装置の効率も向上します。
ブレーキパッドを500K/minで熱重量測定した結果、スループットが大幅に向上しただけでなく、極端な熱条件にさらされている材料を初めて使用条件下で分析することができました。