熱分析用サンプルパン

サンプルパンは、DSC測定およびTGA測定時に使用するサンプル容器であり、サンプルがセンサに直接接触しないようにセンサへの汚染を防いでいます。使用するサンプルパンの種類によっては測定結果に大きな影響を与える可能性があり、また、測定セルの重要な特性にも影響を与えます。測定の前に、このような影響要因を考慮しておくと、測定後に分析結果の曲線の解釈が容易になります。

サンプルに応じて、最適なサンプルパンと蓋を選択すると、優れた熱分析測定が実現します。サンプルパンを蓋で密閉すると、サンンプル内の蒸発を防ぎ、周囲の雰囲気との干渉を避けられます。メトラー・トレドのシーリングは圧着式で非常に高い密閉度を誇ります。

7. サンプルパンの種類によるアプリケーション事例

左記グラフは、ミリスチン酸コレステリル（融解後に2回の液体・液体転移を起こす液晶）のDSCカーブを示しています。測定時に使用するサンプルパンの種類によって、差異が認められました。30 µLの金メッキ製高圧サンプルパンを使用しサンプルを測定した青いカーブは、約74°Cで幅広い融解ピークを示した後、約81°Cと86°Cで液体転移に対応した2つの弱い効果が続いています。後者の2つの効果は、20 µLまたは40 µLのアルミニウム製サンプルパンを使用しサンプルを測定すると、より顕著なピークを示します。

OIT（酸化誘導時間）実験では、サンプルの酸化安定性に関する情報が示されています。ここでは、高密度PE試料を不活性雰囲気下で200°Cに加熱しました。200°Cで12分30秒後、ガスを窒素から酸素に切り替えます。ガスの切り替えから酸化反応開始までの時間をOITと定義します。サンプルパンの素材により、サンプルの安定性に大きな差異があることが測定結果から分かります。銅は反応時間を延長するため、銅製サンプルパンを用いたたサンプルは、アルミニウム製サンプルパンを用いたサンプルよりもOITが大幅に低くなります。ケーブル業界において、これは重要な実験です(ASTMD3895)。

左記グラフの例では、TGA/DSCを使用して、2つの金属（モリブデンとニッケル：青い線）の比熱容量(Cp)の決定と、文献値（記号付きの黒い線）との比較を示しています。Cp測定には、熱伝導率に優れたプラチナ製サンプルパンの使用をお勧めします。一般に、サンプルパンは蓋付きで使用し、そのサイズはできるだけ小さいものを選択します。プラチナは、約1100°C以上の温度でプラチナ製センサに付着する可能性があるため、サンプルパンとセンサの間にサファイア製ディスクを配置することをお勧めします。

選択するシーリングの種類も、DSC測定に影響します。一般に石膏と呼ばれる硫酸カルシウム脱水物を用いて、例示することができます。石膏を加熱すると、脱水が2段階で発生し、半水和物を形成し、無水石膏を形成します。この脱水の工程について、開封されたサンプルパン、2種類の密閉されたサンプルパン(1つは1 mmの穴が開いた状態、もう1つは50 µmの穴が開いた状態)を用いて、測定し比較しました。上記グラフの通り、様々な種類のシーリングが測定結果に大きな影響を与えます。開封されたサンプルパンで測定したサンプル(最上部の曲線)の場合、脱水の影響で、1つの広い吸熱ピークが示されました。蓋に穴を開けた密閉サンプルパンの場合、同じサンプルを測定すると、2段階の脱水が観察されるようになります(中央の曲線、最下部の曲線を参照)。蓋に非常に小さな穴(この場合は50 µm)が開いている場合に、異なる相が頻繁に分離されます。

低水分ポリマー膜サンプルをTGAで加熱する場合に、同サンプルの水分含有量を正確に測定するには大量のサンプルが必要です。したがって、約400 mgのサンプルを900 µLのサンプルパンで測定しました。サンプル調製と実際の測定の間に、蒸発によりサンプルは初期質量の約0.05%を失います。130°Cに加熱すると、さらに0.1%が失われます。これはサンプルの約400 µgに相当します。一方、70 µLのサンプルパンは、約30 mgの初期サンプル重量のみしか対応できず、全体の重量減少の段階は、45 µgに相当します。これは、400 mgのサンプルを充填した900 µLのサンプルパンを使用した場合のわずか0.3%に対し、測定の不確かさは約10%になります。

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