はじめに
残留酸素の存在は、熱分析においてよく知られた問題である（DIN 51 005の用語を参照）。窒素、アルゴン、ヘリウムなどをパージガスとする不活性ガス条件下で試料を分析する場合、残留酸素の存在はほとんどの場合決定的です。
表面で酸化した金属試料は、発熱（発熱性）DSCシグナルを示し、試料の質量も増加する。酸化は、相変態温度のシフトの原因ともなる。有機物を含むポリマーや複合材料は、残留酸素の存在下で部分的に燃焼し、名目上は熱分解中の測定結果を偽ることになる。
熱分析装置内の残留酸素は、一般的に高純度の不活性ガスで装置を排気、逆充填、パージすることで最小限に抑えることができる。酸素濃度を最小にするためには、このプロセスを数回繰り返す必要がある。酸素濃度を可能な限り低くするための最も重要な前提条件は、もちろん真空密閉装置である。したがって、残留酸素濃度は、不活性パージガスの純度だけでなく、熱分析装置、ガスライン、ガス接続部の真空気密性にも依存します。装置外部のパージガスを追加洗浄することも有効ですが、通常は完全に満足のいく結果は得られません。
OTS® システム
OTS® システムを使用することで、試料中の酸素濃度をその場 でさらに効率的に低減することができます。図1は、同時熱分析装置（STA = TGA + DSC）に設置されたOTS® システムを示しています：試料容器と基準るつぼの下、つまり装置のホットゾーンには、十分な高温で残留酸素を吸収する耐熱性の高いゲッター材があります。ゲッター材は、セラミック製のゲッターサポートによって配置されており、このゲッターサポートも耐熱性が高く、ゲッター材と反応することはありません。ゲッター材料とセラミックゲッターサポートの両部分は、TGA-DSC試料キャリアの放射線シールド上に配置される。
回転対称性により、OTS® システムが試料担体と直接接触することはありません。また、ゲッター材料とセラミックゲッターサポートのスリット設計により、OTS® システムは簡単に取り付けまたは取り外しができます。上方に流れる不活性パージガスは、まずゲッター材料に接触し、次に試料に接触します。そのため、パージガスに含まれる残留酸素はゲッター材に完全に吸収され、試料に到達することはありません。
結果と考察
ジルコニウムの2つのTGA測定を図2に比較する。1つはOTS® システムを使用したもの、もう1つは使用していないものである。どちらの測定も、公称純度99.996%の動的ヘリウム雰囲気中で行われた。試料は1000℃で約2時間等温保持された。OTS® システムを使用しない場合、試料の質量は一定の割合で増加し、最終的に0.33 mgに達した。試料の酸化を反映したこの質量増加は、OTS® システムでは回避できた：試料質量はほぼ一定に保たれた。これらの結果から、OTS® システムは、試料サイトの残留酸素濃度を～1ppm未満に低減すると推定できる。
OTS® システムの利点を示す別の例を図3に示す。2つのニッケル試料を同時熱分析装置で調べた。いずれも純度99.996%のアルゴンパージ ガスを使用した。ニッケルの文献融点1455℃は、高温での熱測定によく使用される。しかし、ニッケルは酸化に対して非常に敏感であるため、融点が不定に低下し、誤った測温が行われる可能性がある。これは、OTS® システムを使用しない測定で確認できます：試料は酸化し、質量増加によりTGA曲線が増加した。DSCの融解ピークはすでに1443℃で発生しており、これは文献値より12℃低い。融解エンタルピーは275J/gで、文献値の約300J/gよりかなり低い。文献値に対応する正しい結果が、OTS® システムで得られた：DSC融解ピークは1455℃で検出され、融解エンタルピーは290 J/gであった。
OTS® システムにより、試料は著しく酸化しなかった。このことは、水平なTGA曲線から見て取れる。これは、試料質量が実験中一定であったことを意味する。最後に、図4に示したのは、純度99.996%のアルゴン・パージ・ガス中で行った、2つのグラファイトのTGA-MS測定である。600℃以下でのわずかな質量減少は、おそらく揮発性炭化水素によるものであり、一方、OTS® システムなしで観察された高温での質量減少は、残留酸素によるグラファイトの部分的燃焼を反映している（破線）：質量分析計は、CO2発生に起因する質量数44のシグナルの増加を検出した。質量数32のシグナルが徐々に減少しているのは、残留酸素の消費を反映している。OTS® 、試料の質量は～600℃以上でほぼ一定に保たれ、試料はそれ以上酸化しなかった（実線）。また、その温度範囲ではCO2の発生も検出されなかった。酸素シグナル（質量数32）から、OTS® システムは、～300℃以上で残留酸素の吸収を開始し、～500℃以上で酸素濃度を最小に抑えると結論づけることもできる。
結論
OTS® 酸素トラップシステムは、さまざまな熱分析装置（DSC、TGA、STA、DIL）に採用できる。装置内のガス雰囲気中の微量の残留酸素を1ppm以下の濃度まで除去します。