目次
イントロダクションと基本
フーリエ変換赤外分光法と組み合わせた発生ガス分析 (EGA-FTIR)は、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、ポリアミド（PA）などの熱可塑性プラスチック中の添加剤の熱安定性と排出を分析するための確立された方法です。EGA-FTIRは、特に熱可塑性プラスチックプロセスの初期段階において、マクロ欠陥や重大な材料損傷が発生する前であっても、分解生成物や揮発性の主に低分子添加剤を検出することができます。
EGA-FTIR法の機能原理
測定原理
EGA-FTIRでは、温度制御されたプログラム中に分析対象のポリマーを加熱する。放出された揮発性物質（添加剤の放出、開裂生成物、残留モノマーなど）は、FTIR分光計のガスセルに直接移され、そこで分析されます(4)。得られた赤外スペクトルから、特徴的な吸収バンドに基づく放出物質の定性および（キャリブレーションによる）定量的同定が可能です。
手続き
- サンプルの加熱：ポリマー材料は、制御された条件（温度上昇、定義された雰囲気）で、特殊なサーモバランスオーブン（TGAモードなど）で加熱される。
- 揮発性化合物の放出：添加剤、可塑剤、低分子成分または初期分解生成物は、中程度の温度でも蒸発し、発生ガスとしてオーブンから排出される。
- FTIRへの移送：これらのガスは、移送ラインを経由してFTIR分光計のガスキュベットに連続的または段階的に移送される。
- IR分析：FTIRでは、分子はその特徴的な赤外吸収帯を用いて同定される。各添加物や分解生成物には固有のIRスペクトル（フィンガープリント）があるため、複雑な混合物でも定性的に、またキャリブレーションにより定量的に分析することができる。
熱可塑性プラスチックの特定放出物
ポリエチレン（PE）
- 主な生成物熱分解時の脂肪族炭化水素、エタン、エテン、プロパン、プロペン、ペンタンなどのガス状生成物、低分子量のアルカンおよびアルケン化合物
- 酸化生成物：酸化中のCO、CO₂、特に後期または高温でのCO
- FTIR特性：脂肪族鎖のC-H伸縮振動の強いバンド
- 特別な特徴PEは窒素基を含まないため、含窒素化合物をほとんど含まない。
ポリプロピレン（PP）
- 主な製品PEと同等だが、プロペン、2-メチルプロペン、各種アルケンおよびアルカン誘導体などのアルケン排出量が増加
- 酸化分解生成物：アルデヒド、ケトン（特にアセトアルデヒド、アセトン）、カルボン酸（酢酸など）、特に酸化分解時(2)
- その他のガス：CO、CO₂、H₂および少量の水素
- FTIR特性：メチル基構造に起因するPEのわずかに異なる波数での典型的なC-H価数振動
ポリアミド（PA）
- 特定の生成物：アンモニア(NH₃)、カプロラクタム(PA6中)、低分子量アミド、中温(150～300℃)でもシクロヘキサノン
- その他の排出物ブタジエン、アルキルアミド、少量の脂肪族および芳香族窒素化合物
- FTIR特性：特に1712cm-¹付近のカルボニルバンド（C=O）、NH基とCO基の吸収バンドは、PA-6とPEやPPを明確に区別する。
比較概要
| Polymer | Main emission products | Specific molecules | Spectral characteristics |
|---|---|---|---|
| PE | Aliphatic KW, CO, CO₂ | Ethan, ethene, propane, pentane | C–H aliphatic |
| PP | Aliphatic hydrocarbons, aldehydes, CO₂ | Propene, acetaldehyde, acetic acid | C–H + methyl groups |
| PA | Amides, nitrogen compounds | Ammoniak, Caprolactam, Cyclohexanon | NH, C=O bands, aromatic fragments |
応用例と研究成果
Bialeらは、ポリプロピレン（PP）とポリエチレン（PE）の熱劣化プロファイルを、EGA記録を用いて非常に高感度に検出できることを示した。例えばPPの場合、この方法では、人工的なエージングによる分解開始温度の低下が、ガス放出量の変化と相まって示された(1)。
Parkらは、TG-FTIRを用いて、さまざまな熱可塑性プラスチックから特定の熱分解生成物が放出される時間と温度を正確に決定することができた。特に、添加剤やモノマーのような低分子量のガスは、温度プログラムの早い段階で定量化された(2)。
Cuthbertsonらは、EGAモードでのFTIRスペクトルを用いた添加剤の同定と、温度変化による添加剤濃度の追跡の可能性について述べている(3)。
利点と応用分野
具体的な利点
- 揮発性および半揮発性有機添加物に対する高い感度
- 早期検出:すべての揮発性・半揮発性添加物は、加熱プロセスの初期段階で検出されます。
- 特徴的なFTIRバンドによる個々の排出物の特定
- 既存の熱天秤システムに統合可能(5)
- 幅広いアプリケーション：添加剤だけでなく、残留モノマー、溶剤、化学修飾品も、ガス放出によってモニターすることができます。
適用分野
- 原料ポリマーの品質保証
- リサイクル工程における添加物の安定性
- 低汚染性製剤の開発
- 日常の実験室作業におけるエラー分析
- 迅速な非破壊品質モニタリング
- ラボ、生産、リサイクルプロセスの根本原因分析
- 原材料の試験
- 新しい添加剤システムの開発
結論
EGA-FTIR法は、放出プロファイルを制御した持続可能なポリマー配合の事前モニタリングと開発に最適です。EGA-FTIRは、熱可塑性プラスチックとその添加剤を初期段階の熱プロセスで早期かつ選択的に同定することができます。ラボのユーザーやエンジニアは、EGA-FTIRがルーチン試験、故障解析、インプロセス制御のための強力なパッケージであることに気づくでしょう。
情報源リスト
(1) Biale, G. et al. (2021). EGA-MSおよびPy-GC-MS分析によるポリプロピレンおよびその他の一般的ポリマーの分解生成物に関する系統的研究。PMC.https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8234390/
(2) Park, K.B. et al. (2023). TG-FTIRを用いた各種プラスチックの熱分解生成物。サイエンスダイレクト https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
(3) Cuthbertson, A.A. et al. (2024). ポリマーの特性評価と添加物の同定：TGA-FTIRによる機会。RSC出版 https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/gc/d4gc00659c
(4) Measurlabs (2006).発生ガス分析（EGA）｜TGA-FTIR & TGA-MS. https://measurlabs.com/methods/evolved-gas-analysis/
(5) Linseis Messgeräte GmbH (2025).熱天秤用ガス分析L40 EGA FTIRの説明https://www.linseis.com/en/instruments/additional-devices-support/l40-ega-ftir/ct*. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
