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。
表面で酸化している金属試料は、DSCシグナルが発熱し、試料の質量が増加する。酸化は、相変態温度のシフトの原因ともなり得る。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、熱分解と称して測定結果を偽ることになる。
熱分析装置内の残留酸素は、通常、装置を高純度の不活性ガスで排気、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。可能な限り酸素濃度を低くするための最も重要な前提条件は、もちろん真空密閉された装置である。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、サンプル部位の酸素濃度をさらに効率的にその場で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：試料るつぼと参照るつぼの下、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サンプルキャリアの放射シールド上に配置されます。
回転対称性により、OTS® システムがサンプルキャリア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。試料の酸化を反映するこの質量増加は、OTS® システムでは回避できた：試料の質量はほぼ一定に保たれた。これらの結果から、OTS® システムにより、サンプルサイトの残留酸素濃度は～1ppm以下に低減されると推定できる。
OTS® システムの利点を示す別の例を図3に示す。2種類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、サンプル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、実験中、試料の質量が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® システムでは、サンプル質量は～600℃以上で実質的に一定に保たれ、これはサンプルがそれ以上酸化しなかったことを意味する（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。装置内部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。