【熱分析の種類一覧】TG・DSC・DTA・TMA・DMAの原理と測定対象を比較解説

熱分析の基礎知識

１．熱分析とは？

化学分析というと「分光分析」や「質量分析」などを想起される方が多いと思いますが、その他に「熱分析」という分析法もあります。

「熱分析」は、例えばプラスチックなど材料特性を測定するなど、材料工学などの分野で広く用いられる分析法です。

「JIS（日本工業規格） K 0129熱分析通則」では「物質の温度を一定のプログラムによって変化させながら、その物質のある物理的性質を温度の関数として測定する一連の方法の総称」と定義されています。
すなわち、物質の温度を制御しながら、その応答を評価する分析手法です。

［図1．熱分析の概念図とよく使われる種類］

物質は、温度変化によって発生する応答として、融解やガラス転移などの相転移や、熱分解などの化学反応が挙げられます。
物質の温度を制御しながら（加熱または冷却）、その物理的または化学的性質の変化を測定することで、物質の特性を知ることが熱分析の目的です。

熱分析では、昇温速度、雰囲気（窒素・空気）、試料量などの測定条件が結果に大きく影響するため、適切な条件設定が重要です。

２．熱分析の種類

測定の手法によって、温度を変化しながら質量（重量）変化を検出する熱重量分析（TG又はTGA）、熱的な変化を測定する示差熱分析（DTA）や示差走査熱量測定（DSC）、力学的性質の変化を検出する熱機械分析（TMA）と動的粘弾性測定（DMA）などがあります。

以下、各分析方法の概要と基本的な原理についてご紹介します。

（1）熱重量分析（TGまたはTGA）[質量変化]

TG （Thermogravimetry）、TGA（Thermo Gravimetric Analyzer）は、試料の温度を一定のプログラムによって変化または保持させながら、試料の質量を温度または時間の関数として測定する方法です。
温度の上昇によって、物質の昇華、蒸発による質量減少や、分解・酸化などの化学反応による質量変化があります。熱重量分析では、温度上昇による質量変化を検出することで、物質の特性を決定することができます。

TGA測定は、サンプル質量を連続的に測定しながら温度を変化させて、発生するガスを接続したFTIRや質量分析で解析することもできます。その解析結果は、X軸に温度、Y軸に質量変化をプロットしたチャートで表されます。データは一次微分（DTG）曲線をプロットし、ピーク温度や分解開始温度を評価することが一般的です。

熱重量分析の一般的な応用としては、

特徴的な分解パターンの分析による材料の特定
分解機構および反応速度論の研究
試料中の有機物の含有量の決定
試料中の無機物の含有量の決定

が挙げられます。

また、熱重量分析は熱安定性評価にも使用できます。
ある温度範囲で、もし熱的に安定であれば、質量変化は観測されません。
TGAの測定チャートに勾配がほとんどないか、全く無い場合は、質量減少は無視できるとみなされます。
これらの応用は、高分子材料の研究に特に有力です。

熱重量分析は、他の分析装置と組み合わせることで、同一の試料から同時に多くの情報を得られます。
よく見られるのはTG-DTAとTG-DSCがあります。

（2）示差熱分析（DTA）[熱的変化]

DTA（Differential Thermal Analysis）は熱分析技術の一つで、試料と基準物質の温度差を検出する測定法です。
試料と基準物質を同一条件で加熱し、基準物質に対して、試料の発熱あるいは吸熱が温度差として検出されます。
DTA曲線はガラス転移、結晶化、溶融および昇華といった変化に関するデータを示します。

（3）示差走査熱量測定（DSC）[熱的変化]

DSC（Differential Scanning Calorimeter）は試料の吸放熱（熱流束）を測定することで熱的挙動を評価する手法です。
試料と基準物質を同時に加熱・冷却して、試料の比熱容量や、相転移・融解に伴う吸発熱などが測定されます。
ガス発生を伴う測定も可能ですが、装置やセルの種類（密閉・開放）に応じた適切な条件設定が必要です。

［※関連記事：示差走査熱量計(DSC)の基礎知識］

（4）熱機械分析（TMA）[長さ変化]

TMA（Thermo Mechanical Analyzer）は温度の変化によって、ガラス転移、熱膨張、軟化等寸法変化を伴う現象を測定する方法です。

TMAでは形状変化の伴う現象として、熱膨張、熱収縮、ガラス転移、硬化反応、熱履歴の検討等が主な測定対象となります。融解、結晶化も検出可能です。
試料の形状、種類と測定の目的に合わせて、適切なモード（圧縮モード、引張モードなどの測定モードおよび荷重条件）を選択して、幅広い材料に関して、特性を調べることができます。

（5）動的粘弾性測定（DMA）[長さ変化]

動的粘弾性測定（DMA：Dynamic Mechanical Analysis）では、サンプルに様々な変形モード（曲げ、引っ張り、せん断、圧縮）を周期的に加え、熱機械的な物性変化あるいは粘弾性変化を、時間、温度と周波数の関数として測定する手法です。

DMA測定は融解初期までは測定可能ですが、形状が保てなくなると測定できなくなります。
DMAは熱可逆性物質、熱硬化性樹脂、エラストマー、セラミック、金属などの材料について、機械的及び粘弾性特性を測定するために用いられる重要な技術です。

３．熱分析手法のまとめ

それぞれの熱分析手法で観測される現象及び物性を整理すると、以下のようになります。

手法	測定対象	得られる主な情報
TG (熱重量測定)	質量変化	熱分解、酸化、脱水、揮発、組成分析
DSC (示差走査熱量測定)	熱流束/供給熱量	融解、結晶化、ガラス転移、反応熱、比熱容量
DTA (示差熱分析)	試料と基準の温度差	相転移や反応に伴う吸発熱の温度情報 (TGと併用が多い)
TMA (熱機械分析)	寸法変化	線膨張係数、ガラス転移温度、軟化点、変形挙動
DMA (動的粘弾性測定)	粘弾性	弾性率、損失係数(tanδ)、ガラス転移温度

［表1．各熱分析手法の測定対象と得られる情報］

	物性
手法	融解	ガラス転移	結晶化	反応(硬化重合)	昇華蒸発脱水	熱分解	膨張/収縮	熱履歴検討	比熱容量
TG	－	－	－	△	○	○	－	－	－
DSC	○	○	○	○	△	△	－	○	○
TMA	△	○	△	○	△	－	○	○	－
DMA	△	○	○	○	△	－	－	○	－