はじめに
さまざまな材料の熱処理は、攻撃的な臭いを放ち、気管支系を攻撃する可能性のあるアンモニアの放出につながる可能性がある。アンモニアの放出は、様々な異なるプロセスによって引き起こされる。塩類の熱分解からタバコの燃焼ガス、ポリアミド（PA）などのポリマーの熱分解や発泡剤を必要とするプラスチックフォームの製造まで、その範囲は多岐にわたる。後者でよく知られているのはヨガマットである。アンモニアが放出されると、塩が形成されたときに硫酸や硝酸と反応して微細な粉塵が発生することがある。環境においては、アンモニアの放出は土壌の酸性化につながる。環境中のアンモニアの主な発生源のひとつは農業で、特にダンゴや窒素を含む鉱物肥料による施肥である。
このため、放出されたアンモニアを定量化することは、多くの用途において重要である。アンモニアの温度依存性の放出は、TGA-FT-IRカップリングによって容易に検出することができる。放出されたアンモニア部分を定量するには、既知濃度のアンモニアによる検量線が必要です。炭酸水素アンモニウムは、水と二酸化炭素の放出に加え、化学量論的比率でアンモニアを放出するため、これに適した化合物である。生成するのはガス状化合物のみである：
(1)NH4HCO3->NH3+H2O+CO2
検量線の作成方法
NETZSCH PERSEUS® TG 209F1 Libra® を用いて行った。炭酸水素アンモニウムの加熱により、200℃までに完全に分解し、127℃に質量減少率のピークを示した（表1の測定条件に基づく）。
表1：検量線を作成するための測定条件
| パラメータ | NH4HCO3 | |||
| 温度プログラム | 室温 - 200°C, 5 K/min | |||
| 流量 | 40 ml/分 | |||
| 試料ホルダー | 標準試料キャリア | |||
| ガス雰囲気 | 窒素 | |||
| 容器 | Al2O3(85 μl)オープン | |||
| 試料質量 | 5.31 mg | 10.16 mg | 15.01 mg | 20.50 mg |
質量損失と相関して、IR活性ガスの放出が検出された（図1参照）。
図2は、アンモニア（オリーブ色）、水（青色）、二酸化炭素（赤色）のライブラリー・スペクトルと相関させた130℃におけるFT-IRスペクトル（緑色）の測定値を示している。これらの化合物の温度依存性放出は、図1のトレースとしてプロットされた。これらのトレースは、各化合物のFT-IRスペクトルの着色領域（図2参照）を全温度範囲にわたって積分することによって作成されました。FT-IR スペクトルのこれらの領域は、NH3 (898 cm-1- 981 cm-1)、CO2(2200 cm-1- 2450 cm-1)、H2O (3793 cm-1- 4001 cm-1)については別々であり、他の化合物からの領域と重なることはなかった。
表2は、炭酸水素アンモニウムの試料質量に対する化学量論的に計算された放出ガス量を示している。
その結果、図1のNH3、CO2、H2Oの痕跡の下の面積は、放出されたガスの量に関連づけることができる。これにより、NH3、CO2、H2Oの検量線が得られ、トレース下の検出面積が放出されたガス量に関係することがわかります（図3参照）。FT-IRはsmall の直線範囲しか持たないため、この結果、決定係数(R2)が1に非常に近い、3つの気体分子すべてについての多項式が得られます。この研究では、各試料の質量は1回しか測定されていません。繰り返し測定するか、データ点を増やせば、傾向線の精度はさらに高くなるだろう。
表 2: 発生ガスの試料質量と化学量論的量
| m (NH4HCO3) [mg］ | m (CO2) [mg］ | m (NH3) [mg］ | m (H2O) [mg］ |
| 5.31 | 2.96 | 1.14 | 1.21 |
| 10.16 | 5.66 | 2.19 | 2.31 |
| 15.01 | 8.36 | 3.23 | 3.42 |
| 20.50 | 11.42 | 4.41 | 4.67 |
検量線の精度をテストする方法
検量線の精度は、試料質量15.22 mgのNH4HCO3の別の測定で確認した。NH3、CO2、H2Oの理論量を、検量線を用いたNH3、CO2、H2Oの計算値と比較した。その結果、誤差はNH3で0.8%、H2Oで4.9%であった（表3を参照）。
発泡剤の研究 - 理論を実践へ
次のステップでは、得られた検量線を用いて、未知量の較正ガスの放出を定量化することができる。
アゾジカルボンアミドは、ポリマーフォームを製造する発泡剤として使用される（構造については図4を参照）。PVCフォームやEVA-PEフォームの製造に使用され、処理温度で分解するとN2、CO、CO2、NH3を放出して気泡を形成する。発泡ビニルは圧縮されやすく、復元性が高く速いため、しばしば「弾力性がある」と呼ばれる。また、滑らかな表面にも密着する。このため、カーペットの下敷き、フロアマット、ヨガマットなどに使用されている。
この発泡剤が使用されたポリマーは水と接触してはならない。NH3と水がNH4OHを形成し、周囲を腐食する可能性がある。このため、この発泡剤からのアンモニアの定量は非常に興味深い。
表3：誤差の判定、理論値と計算値の比較
理論値 (mg) | 計算量 (mg) | 誤差 (%) | |
| m (NH4HCO3) | 15.22 | ||
| m (NH3) | 3.28 | 3.30 | 0.801 |
| m (CO2) | 8.48 | 8.76 | 3.28 |
| m (H2O) | 3.47 | 3.31 | 4.86 |
5.25mgのアゾジカルボンアミド試料を、窒素雰囲気下、5K/分で400℃まで加熱した。得られたサーモグラムを図5に示す。合計で56.5%、11.5%、29.6%の3段階の質量減少が観察され、DTG曲線のピークは219℃、245℃、304℃であった。CO2とNH3のトレースは、図1のNH4HCO3の場合と同じ方法で作成され、赤とオリーブ色で描かれている。これは、CO2とNH3の両方が様々な質量減少ステップの間に放出され、TGAステップだけでは定量できないことを示している。この化合物の定量化には、発生ガス分析のデータが必要である。検量線を用いた放出アンモニアの計算では、0.22 mgNH3(4%)となった。また、放出されたCO2の量も同様に計算でき、2.78mg（53%）となった。この知見は、発泡時に発泡剤の全量が放出されるようにするため、製造工程にとって貴重である。製品中にsmall の痕跡が残っている場合、さらなる放出を開始するには219℃以上の温度が必要である。
結論
熱重量測定と赤外分光法の組み合わせは、水、二酸化炭素、アンモニアなどの永久ガスの放出を検出するのに適した方法である。ここでは、同定だけでなく定量も重要です。そのためには、既知の物質で検量線を作成する必要がある。この例では、炭酸水素アンモニウムがこの要件を完全に満たしています。検量線は、NH4HCO3の3つの異なる部分を分解することによって、H2O、CO2、NH3について同時に作成することができる。検出される偏差は、5回目の測定によって決定された。この作成により、ポリマーフォームに使用される発泡剤アゾジカルボンアミドから、未知量のNH3とCO2をIdentify 、定量することが可能になった。