TGA-FT-IR法を用いたピッチ燃焼から発生するガスの研究

はじめに

コールタールや石油などの有機物を蒸留して得られる複雑な炭素質物質であるピッチは、冶金から炭素繊維製造まで幅広い産業で広く使用されている。ピッチの熱安定性と分解挙動を理解することは非常に重要であり、これらの特性は、炭素系材料や複合材料の製造などの高温用途における性能に直接影響するからである。

測定条件

本研究では、ピッチ試料の熱安定性を調べるとともに、詳細なガス分析を実施し、分解経路と放出される揮発性化学種の性質について理解を深めた。これらの分析を通じて、ピッチの熱挙動を解明し、新素材の開発や既存の工業プロセスの強化に役立つ貴重なデータを提供することを目的としている。

測定には、NETZSCH PERSEUS^® STAJupiter システムを使用した。測定パラメータの詳細は表1に示す。

表1：測定パラメータ

結果と考察

TGA曲線とDTG曲線から、ピッチ試料には4つの質量減少ステップがあることがわかった（図1参照）。最初の質量減少ステップは、常温から400℃の間に11.1%の質量変化で検出された。第2段階は、400℃から450℃の間に35.5％の質量変化で発生した。450°Cから500°Cの間で3回目の質量減少が起こり、質量変化は21.8%であった。第4段階は500℃から1000℃の間で観察され、質量変化は31.3%であった。残留質量は0.2%であった。DTG曲線はTGA曲線の一階微分であり、質量減少率を反映している。これら4つの質量変化におけるDTGピーク温度は、386℃、439℃、455℃、555℃であった。

グラムシュミット曲線は、全体的な赤外強度を表示し、質量損失率（DTG）の鏡像として振る舞う。また、質量損失ステップ中に最大強度を示している。これは、発生ガスとIRビームとの相互作用を証明しています。

図2は、常温から1000℃の間の空気雰囲気下でのピッチのTGA-FT-IRカップリング試験から得られた発生ガスの3Dグラフです。FT-IR装置のOPUSソフトウェアでは、この測定結果の立方体表示をあらゆる方向に回転させて、記録された放出ガスの正確な図を得ることができます。

図3の赤外線スペクトルから、400℃から500℃におけるピッチのガス状生成物には、主にCH₄、_CO2、CO、H₂Oの放出が含まれると推測できる。メタノールとエテンの痕跡、アルデヒド（1600～1800 cm^-1の間に顕著なIR振動）、炭化水素（2700～3000 ^cm-1の間に顕著なIR振動）も検出される。もちろん、芳香族化合物も放出される。しかし、ここでは同定されていない。このことは、多くの脂肪族物質と芳香族物質が同時に放出されていることを示している。残留生成物はおそらく脱水素され、重合して長鎖高分子となったもので、アスファルトバインダーの好気性熱分解段階に属するものである[1]。

500℃～700℃では、図3の赤外スペクトル分析結果と合わせてピッチの燃焼段階と推定される。300℃から500℃に比べ、無機ガスであるH₂O、_CO2、_SO2、COの放出は著しく増加するが、同時に_CH4、アルデヒド、C-C、C=Cなどの有機化合物の放出は著しく減少するか、あるいは消失していることがわかる[2]。これは、温度が上昇すると酸化反応が支配的になることを証明している。

異なる物質または官能基の波数を積分することで、物質または官能基の温度依存性の放出を得ることができた。図4は、ピッチのTGA曲線と、3つの物質と2つの官能基の波数積分曲線を示している。_炭化水素とアルデヒドは最初の3つの質量損失ステップに存在し、CO、_CO2、水は4つの質量損失ステップすべてに存在することがわかる。

表2：物質/官能基別の積分波数間隔

結論

このピッチ材料の研究において、赤外分光法（FT-IR）と組み合わせた熱分析技術の応用は、広範囲かつ綿密なものである。TGAは、温度制御された手順で試料の質量変化を測定することができ、ピッチの熱分解温度と揮発性含量を明らかにすることができる。

FT-IR分析と組み合わせることで、官能基の形成や破壊など、異なる温度におけるピッチの分子構造の変化をさらに特定することができ、熱安定性と老化メカニズムの包括的な評価を提供するだけでなく、ピッチ材料の綿密な研究と革新的な開発のための確かな理論的基礎と技術的裏付けを提供します。