26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
吸水による材料の膨張を測定する方法
前回までの記事では、湿度下での熱分析に焦点を当て、熱重量分析と動的力学分析が材料や物質に対する水の影響を判断するのに役立つことを見てきました。熱機械分析は湿度下での分析を補完するものです。
これまでの記事では、湿度下での熱分析に焦点を当て、熱重量分析が吸水率の同定と含水率の決定のための標準的な方法であることを見てきました。さらに、動的機械分析も、材料や部品の機械的特性に対する水分や湿度の影響を判断するのに役立ちます。
湿度下での材料や物質の徹底的な分析は、熱機械分析で完結する。
ハンズオン湿度雰囲気下でのTMA測定
サーモメカニカル分析とは？
熱機械分析(TMA)は、固体、液体、または糊状物質の寸法変化を、定義された機械的な力の下で、温度および/または時間の関数として測定する。TMAは熱膨張測定と密接に関連しており、ごくわずかな荷重で試料の長さ変化を測定する。
ポリマー分野の例
以下の分析の目的は、高湿度雰囲気における素材の長さ変化の測定である。そのため、TMA 402F1 Hyperion® には、湿式ガス流と乾式ガス流を混合することにより定義された湿度レベルを生成する湿度ジェネレーターが 装備された。
実験は、長さ14.93 mmの250μm箔試料を引張モードで行った。温度は40℃で一定に保たれ、温度プログラム中に25%の湿度ステップが実行された（図1の青色曲線）。
図1を見ると、合計で300μm以上増加していることがわかる。この試料の長さ変化は、吸水によって材料中の含水量が増加したために生じたものである。このような湿度下での材料の長さ変化は、さまざまな用途のポリマー部品を構成する際に考慮する必要がある。
異なる熱分析法の結果を組み合わせることで、さらなる解釈が可能になる。
異なる手法間の良好な相関性により、さらなる解釈が可能になる。TGA分析は、材料や物質と水分や湿度の物理的相互作用があることを示しています。これは水分含量の増加として見ることができ、試料の分解挙動ではありません。その後、TMAとDMAによる分析では、結果として生じる特性変化、例えば膨張プロセスや機械的特性の変化が示されます。
他のアプリケーションを見てみよう！
化粧品分野からの応用
この実験では、人間の毛髪を45℃の一定温度で、相対湿度30～60％の範囲で湿度を変化させて分析した。毛髪は湿度の低下により長さが変化する。
今日、人毛の分析は主に化粧品の分野で使用されており、人毛がさまざまな気候条件に対してどのように反応するのか、シャンプーやコンディショナーが人毛の反応にどのような影響を与えるのかを調べるために行われている。
建材分野からの応用
木材の測定のために、試料はこの写真のようにさまざまな方法でカットされた。
木材は水との相互作用とその後の膨張に関して高い異方性を持っている。吸水による長さの変化は、木材試料を準備した方向によって異なる。長手方向に切断した場合、木材試料の長さ変化は約0.1%拡大するが、半径方向ではほぼ1%、接線方向では最大2%に達する。
異なる方向間の長さの変化には20のファクターがある。そのため、木材はさまざまな気象条件に対する耐性を高めるために、さまざまな物質で処理される。
ここまでの例は、湿度が材料の特性を決定する重要なパラメータの一つであることを明確に示している。
熱分析装置は、材料や物質の吸水について重要な洞察を与えるだけでなく、その結果生じる長さの膨張や機械的安定性の変化を判断するのに役立ちます。
