19.05.2026 by Aileen Sammler
セメント原料を理解する： STA-FT-IR 熱プロセスをより深く理解するための分析
ピークとカーブを超えて：アプリケーションインサイト byNETZSCH and Bruker
The Monthly Blog Series with Bruker Optics - Part 5: STA-FTIR Analysis of Cement Raw Materials - Linking Thermal Effects and Gas Evolution.
セメントの製造では、加熱過程において複雑な物理的・化学的変化が連続的に起こり、最終的なクリンカー形成や材料性能を左右します。これらのプロセスを十分に理解するためには、単に質量減少や熱的変化を追跡するだけでは不十分です。求められるのは、熱挙動と発生ガスを直接結び付けて解析できる手法です。
本シリーズ第5回では、セメント原料を例に、STA-FT-IR連成解析が無機材料に対してどのように高度な知見をもたらすのかをご紹介します。
STA-FT-IR：熱的変化と発生ガスを結び付ける解析手法
セメント原料の熱分析では、通常、脱水、分解、相転移など、複数のプロセスが重なり合いながら進行します。
同時熱分析（STA）を用いることで、質量変化（TGA）と熱流束（DSC）を1回の測定で同時に記録できます。さらにFT-IRガス分析を組み合わせることで、これらの熱的イベントと、加熱中に放出されるガス成分とを直接関連付けて解析することが可能になります。
NETZSCHの STA Jupiter®と、BrukerのALPHA II FT-IRをPERSEUS® コンセプトに接続したシステムの大きな特長は、分光計が炉内に直接統合されている点にあります。これにより、以下の利点が得られます。
- 非常に短い加熱ガス流路
- 最小限のデッドボリューム
- 熱分析信号と分光信号の優れた同期性
この構成は、セメント原料のような複雑な無機材料系の解析において、特に大きな効果を発揮します。
セメント原料における代表的な熱プロセス
STA-FT-IR解析では、約1450℃までの広い温度範囲にわたり、特徴的な反応プロセスの連続を明らかにすることができます。
主な反応ステップは以下のとおりです。：
- 100～200℃：物理吸着水の放出および硫酸カルシウム相の脱水
- 400～600℃：水酸化カルシウムの脱水酸化（脱水酸基反応）
- 約575℃：石英（SiO₂）の α→β 相転移
- 700～850℃：炭酸カルシウムの脱炭酸反応に伴う CO₂ の放出
- 1200℃以上：ケイ酸塩相の生成および高温反応の開始
- 1250℃以上：硫酸塩の分解による SO₂ 放出と溶融プロセスの開始
これらのプロセスは、セメントおよびクリンカー関連材料に典型的なものであり、製造過程における材料挙動を決定づける重要な要素となります。
発生ガスの直接同定
STA-FT-IRの最大の特長は、質量減少と発生ガスを直接関連付けて解析できる点にあります。
最新の研究では、以下のガスを特定し、それぞれ特定の反応段階に対応付けることに成功しました。：
- H₂O→ 脱水および脱水酸基反応の際に放出
- CO₂→ 炭酸塩分解時に放出
- SO₂→ 硫酸塩分解時に放出
熱分析信号とFT-IRデータを組み合わせることで、複雑かつ重複した反応プロセスにおいても、各反応段階を明確かつ確実に識別することが可能になります。
なぜセメントや無機材料において重要なのか
セメント原料は、多成分から成る複雑な系であり、各反応が相互に影響し合っています。そのため、ガス分析を伴わない場合、重なり合う熱的変化の解釈は曖昧になりがちです。
STA-FT-IRは、以下を可能にすることで、この課題を解決します。：
- 反応メカニズムの明確な同定
- 熱的変化とガス放出の直接的な関連付け
- 複雑な相変化プロセスの信頼性の高い解析
このため、本手法は以下の用途において非常に有効なツールとなります。：
- 原料組成の最適化
- クリンカー生成プロセスの改善
- プロセス開発および品質管理の支援
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さらに詳しく知る
本記事は、Brukerとの協力により、熱分析と分光分析技術を組み合わせる利点をご紹介するブログシリーズの第5回です。
次回の記事もぜひご期待ください。新しい STA 319 Jupiter®を用いた医薬品材料の高度な特性評価について、さらに詳しくご紹介する予定です。
これまでのシリーズ記事を見逃した方はこちらをご覧ください。
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