熱機械分析装置　TMA450

ファーナス

TMA 450は、-150～1000℃の温度と0.1～100℃/分の安定した加熱速度を正確に制御するために設計された、高応答性の低質量ファーナスを備えています。このファーナスは、正確な寸法変化測定に必要な優れたベースライン性能と、Modulated TMA™の動作に必要な動的温度制御を実現します。空気冷却機能により、わずか10分の実験のターンアラウンド時間を実現し、実験室の生産性を大幅に向上させます。ファーナスに組み込まれたInconel® 718 Dewarは、-150℃までの液体窒素冷却を可能にします。また、-70℃まで冷却できるオプションの窒素フリー機械的冷却アクセサリ（MCA　70）に接続することも可能です。冷却によってサイクル加熱/冷却実験が可能となり、実験ターンアラウンド時間が改善されます。

試料台とプローブ

試料台とプローブは石英製で、-150～1000℃の動作範囲に最適化されています。石英は、その剛性、腐食に対する不活性、および非常に低い熱膨張性により、TMA 450に最適な素材となっています。アクセスしやすい試料台により、プローブやフィクスチャーの取り付け、サンプルの設置、熱電対の配置を容易に行えます。石英製プローブは、膨張、押込、屈曲（3点曲げ）、および変形の引張モードで使用されるように設計されており、熱膨張係数（CTE）、収縮、軟化点、焼成温度、伸長などを決定するために使用されます。装置設計に組み込まれているのは、空気、アルゴン、ヘリウム、または窒素を0～200 mL/分の流量で、パージガスの流量をサンプル領域に計量するデュアルインプットガスデリバリーモジュールです。

高性能変位トランスデューサー

TMA 450の中核である広範囲で高精度なサンプル測定システムは、サンプルの寸法変化に直接比例する正確な出力信号を生成します。幅広い温度範囲（-150～1000℃）での正確かつ信頼性のある反応性により、再現性に優れたTMA結果を保証します。この測定システムは、最大26 mmのサンプル長に対して15 nmの分解能と±2.5 mmのダイナミックな測定範囲を提供し、広範囲のサンプル長の測定を可能にします。ファーナスの下の最適な位置に配置されており、温度の影響を受けることなく、安定したベースライン性能と再現性を実現します。

摩擦の無いフォースモーター

非接触式モーターは、プローブまたはフィクスチャーを介して制御された、摩擦の無い較正済みの荷重をサンプルに適用します。荷重は0.001～1 Nまで自動的にプログラムされますが、重量を加えることによって手動で2 Nまで増加させることができます。フォースモーターの正確な制御により、すべての変形モードにおける品質測定に必要な静的、上昇、または振動動的荷重を取得できます。制御された荷重を使用する標準昇温から、小さな振幅と固定周波数の正弦波変形を使用する動的TMAまで、Discovery TMA 450は最高レベルの感度と精度で幅広い材料特性を捕捉するための機能を搭載しています。

Inconel®は、Special Metals Corporationの登録商標です

機械的冷却システム

機械的冷却アクセサリであるMCA 70を活用して、幅広い温度範囲にわたってTMAとModulated TMA^TM（MTMA^TM）の操作を自動化できます。MCA 70は、実際の使用条件下で材料の試験を行うために、製造業者からのニーズが高まっているサイクル加熱/冷却実験に最適です。

温度サイクル試験（TCT）は、部品が極端な低温度と高温度に耐え、これらの極端な温度に周期的に曝される能力を決定します。熱機械的繰返し荷重による機械的故障は疲労として知られており、温度サイクルは疲労故障を促進する主な原因となります。MCA 70を使用することで、温度の極端な変化に対する材料の反応を分析しやすくなります。

MCA 70の特長とメリット:

• -70～400℃の温度範囲に対応する2段階の冷却システム
• 液体窒素冷却システムが必要ない密封システムを採用
• 循環型のModulated TMA、制御されたバリスティック冷却実験にも対応
• ラボのニーズに合わせて、安全で便利な連続冷却動作が可能

* MCA 70 の制御された冷却速度、400℃（上限）から
* 実験室の条件によって性能が異なる場合があります

MCA 70の冷却速度および温度性能エンベロープ

* 不活性窒素雰囲気で取得
* 実験室の条件によって性能が異なる場合があります

膨張

膨張測定は、材料の熱膨張係数（CTE）、ガラス遷移温度（Tg）、および圧縮弾性率を特定します。平らな先端の標準拡張プローブを試料上に置き（小さな静的荷重を加えることができる）、試料を温度プログラムにかけます。プローブの動きは、サンプルの伸縮を記録します。この試験は、ほとんどの固体サンプルで使用されます。マクロ膨張プローブの大きな表面は、軟性または不規則なサンプル、粉末、およびフィルムの分析を容易にします。一方、膨張計フィクスチャーは、熱膨張の体積係数を特定します。

膨張

マクロ膨張

体積

押込

押込測定では、延長チッププローブを使用して、駆動力をサンプル表面の小さな領域に集束させます。これにより、ガラス遷移（Tg）、軟化、および融解挙動を正確に測定できます。これは、基板からコーティングを除去せずにコーティングの特性を把握するのに役立ちます。プローブは延長プローブと同じように機能しますが、より大きな応力がかかります。半球状プローブは、固体の軟化点測定のための代替押込プローブです。

押込

半球状

引張

フィルム/ファイバーのプローブアセンブリを使用して、フィルム/繊維の応力/ひずみの引張試験を実施できます。アライメントフィクスチャーにより、クランプ内における再現可能なサンプル位置調整が可能になります。固定荷重を適用することで、応力/ひずみと弾性率情報を生成できます。その他の測定には、収縮力、Tg、軟化温度、硬化、および架橋密度があります。引張に関する動的試験（動的TMA、Modulated TMA™など）を実施して、粘弾性パラメーター（E’、E”、タンデルタ）を決定し、重なり合う遷移を分離することができます。

3点曲げ試験用フィクスチャー

この曲げ変形（屈曲）では、サンプルが試料台上の2点石英製アンビル上の両端で支えられます。固定された静的荷重が、くさび形の石英製プローブを介してその中心にあるサンプルに垂直に適用されます。この試験は固定の効果を排除できるため、純粋な変形モードと見なされます。これは、主に剛性材料（複合材料など）の曲げ特性を特定したり、ひずみ温度を測定するために使用されます。また、TMA 450EMでは、特殊な低摩擦金属製アンビルを使用した動的測定も可能です。

JSONエクスポート：将来的なデータ管理

• シームレスな統合: TRIOSデータをオープンスタンダードのJSON形式に変換し、プログラミングツール、データサイエンスのワークフロー、ラボシステム（例：LIMS）との統合を容易にします。JSONは以下で利用可能です:
  • オプションで有効にすると、すべての保存時に自動的にエクスポート
  • 手動エクスポートダイアログ
  • 「LIMSに送信」機能の一部
  • 「バッチ」処理ダイアログまたはコマンドライン
  • TRIOS AutoPilot内で利用可能
• データの一貫性: 公開されているJSONスキーマにより、一貫したデータ構造が確保され、コードを一度書けばすべてのデータファイルに普遍的に適用できます。
• Pythonライブラリ: オープンソースのPythonライブラリ、TA Data Kit を使用してデータの取り込みを簡素化し、コード例を通じてデータの力を活用する方法を学びましょう。

詳細については、こちらをクリックしてください。

タッチスクリーン

Discovery TMA 450には、TAインスツルメントの革新的なタッチスクリーンが搭載されており、One-Touch- Away™機能の強化によってこれまで以上に容易な操作が可能になりました。

タッチスクリーンの特長とメリット:

• アクセシビリティと生産性が向上した人間工学に基づいた設計
• 操作の簡易化を向上させる機能を装備
• ユーザーエクスペリエンスを向上する弾力性と応答性の高いタッチスクリーン One-Touch-Away™には、次の機能が搭載されています。
• 開始/停止のコントロール リアルタイムな信号とプロット
• アクティブメソッドビュー 温度設定
• プローブと荷重の較正 プローブ位置とサンプル測定の設定
• システム情報 試験および装置のステータス

「アプリスタイル」のタッチスクリーン、強力な新しいTRIOSソフトウェア、迅速かつ頑丈な定期較正がシームレスに連動し、ラボのワークフローや生産性を劇的に向上します。

使いやすさ

TRIOSソフトウェアにより、TMA 450の較正および操作を容易に行うことができます。ユーザーは、様々な実験条件（異なる加熱速度またはガスの種類など）下で複数の較正データセットを容易に生成し、サンプル試験に使用される実験条件に適合するように、データセットをシームレスに切り替えることができます。リアルタイム信号および実験の進捗状況は、実験方法をオンザフライで変更する機能によって表示されます。TRIOSソフトウェアは、業界最高レベルの柔軟性を提供します。

迅速かつ容易な較正

TRIOSソフトウェアは、サンプルのフィクスチャー/プローブおよびTMA 450の較正をサポートします。タッチスクリーンとTRIOSソフトウェアの両方で利用可能な明確な説明により、サマリレポートの生成に至るまでのシンプルな較正手順でオペレーターを誘導します。サマリレポートではひと目で較正ステータスを確認でき、データの完全性を保証するために各データファイルとともに保存されます。

完全なデータ記録

高度なデータ収集システムが関連するすべての信号、有効な較正、システム設定を自動で保存します。この包括的な情報は、手法開発、手順展開、データ確認に欠かせない要素です。

完全なデータ分析機能

実験中でも実施できるリアルタイムのデータ分析のための、包括的な関連ツールを利用できます。TRIOSにシームレスに統合できるパワフルで万能な機能によって、材料の挙動に関する実行可能な情報を入手することができます。

すべての標準的なTMA分析:

• X1のアルファ値（CTE）
• X1～X2のアルファ値（CTE）
• X1～X2に一致するアルファ値（CTE）
• 開始点・終了点分析
• 寸法変化（絶対値およびパーセント）
• 信号最大値と最小値
• ステップ遷移
• 特定のX点またはY点での曲線値
• 第一導関数と第二導関数
• 数学的フィッティング：直線、多項式または指数

TMA 450EMの高度な分析機能:

• 動的TMAを使用した場合のタンデルタのピーク分析による貯蔵弾性率および損失弾性率
• Modulated TMA^TM（MTMA^TM）を用いた、収縮と応力緩和からの膨張を分離するための総寸法変化信号の反転および非反転寸法変化信号へのデコンボリューション

理論

熱機械分析（TMA）は、荷重、雰囲気、時間、および温度の制御された条件下で材料の寸法変化を測定します。TMAの一般的な操作では、平行かつ平坦な表面を有する小さなサンプルを、熱電対付近の石英製の試料台に置きます。石英製プローブを、一定の荷重を加えて試料に向かって下降させます。試料の加熱または冷却に伴う寸法の変化は、石英製プローブの動きを監視することによって測定できます。

業界の標準を超える*試験を行うDiscovery TMA 450は、材料の線形熱膨張係数（CTE）、収縮、軟化、ガラス遷移温度、熱たわみなどの情報を提供します。

高度な試験によってDiscovery TMA 450の機能が拡張され、科学研究やエンジニアリングのデータと装置への投資を最大限活用できます。

Discovery TMA 450では、一般的に使用されている3つの実験（昇温、荷重上昇、等ひずみの試験テンプレート）が標準試験として搭載されています。

昇温 | 変位またはひずみの監視

線形昇温では、荷重が一定に保たれた状態で昇温を監視します。これにより、固有の特性測定が可能になります。

荷重上昇 | 変位またはひずみの監視

荷重の上昇に伴うひずみを一定温度で測定し、荷重/変位プロットを作成するとともに、弾性率評価を実施します。

等ひずみ | 荷重の監視

昇温では、ひずみが一定に保たれた状態でひずみを維持するために必要な荷重を監視します。これにより、フィルム/繊維のような材料における収縮力の評価が可能になります。

熱膨張係数

TMAで測定される最も一般的な特性は、ASTM E831、D969、D3380、およびISO 11359 パート1～3に文書化された国際標準に準拠した熱膨張係数（CTE）です。CTEは、異なる温度での材料の機械的膨張または収縮を表します。材料の重要な特性であり、温度が材料の物理的サイズに及ぼす影響を考慮しない場合、製品の故障や変形の原因となります。平均熱膨張係数（CTE）は次のように計算されます。:

αは平均熱膨張係数、∆Lは特定の温度範囲における試料の膨張（mm）、L0は試料の最初の長さ（mm）、∆Tは試験による温度変化（℃）を表しています。材料の熱膨張係数は温度に依存し、αは特定の温度範囲について報告されている平均値です。

ひずみ温度

熱たわみ温度（HDT）と荷重下たわみ温度（DTUL）は、3点曲げ荷重を受ける材料が所定の位置に変形する温度を反映する等価項です。サンプルにかかる実際の荷重と必要なたわみ量は、サンプルの形状によって異なります。

ASTM規格E2092および関連規格D648では、DTULは、特定の応力（455または1820 kPaのいずれか）下で正確なひずみ（手順*におけるサンプル寸法によって定義される0.25 mmのたわみ、または0.20 %のひずみ）が生じる温度として定義されています。TMAでは、これらの応力を生成するために必要な荷重を、以下の式を用いて求めることができます。

Fは荷重（N）、Sは応力（0.455 MPa（66 psi）または1.82 MPa（264 psi））、bはサンプル幅（mm）、dはサンプルの厚さ（mm）、Lはサンプルの長さ（屈曲プローブによって定義される5.08 mm）を表しています。

試験検体のたわみは、所定のレベルのひずみが確認できる温度の関数として記録されます。たわみ変化や寸法変化は、次の式の関係で求めます。

Dは中央径間（mm）でのTMA寸法変化、rはサンプルのひずみ（0.0020または0.20 %）を表しています。

Discovery 450 TMAでは、荷重下のたわみ温度（DTUL）試験を容易に行えます。例として、荷重0.455 MPa（66 psi）、ひずみ0.2 %、加熱速度2℃/分の3点曲げプローブを用いて、ポリスチレン、ポリスルホン、およびポリフェニレンサルファイドの試験を実施しました。DTUL測定の目的は、各材料の高温における荷重への耐久性を把握し、剛性が失われる温度を特定することでした。材料のたわみ温度は、互換性のある樹脂と繊維強化材との再配合によって変更することができます。Discovery TMA 450では、小さな試験検体によるDTUL試験を迅速かつ容易に行うことが可能です。

応力0.455 MPa、ひずみ0.2 %、加熱速度2℃/分の条件で、中央径間での荷重と寸法変化の値を計算します。

固有および製品特性測定

この図は、一定の荷重下での昇温による、合成ゴムのTgと軟化点の膨張および押込プローブの測定を示しています。膨張プロットにおける大きなCTE変化は、遷移温度を示しています。押込では、サンプルに対するプローブの激しいたわみによって遷移が検出されます。

押込および半球状

軟化温度（Ts）の特定

押込フィクスチャーを用いて、非晶性熱可塑性ブレンドであるポリカーボネート/アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン（PC/ABS）について、5℃/分の制御された加熱速度、0.2 Nの一定荷重で試験を実施しました。押込による軟化温度/ガラス遷移の適用は、ASTM E1545およびISO 11359に規定されている条件に準拠しています。軟化点は寸法変化の負のたわみとして検出され、このブレンドの各成分について個々の軟化点を確認できました。

繊維の熱応力解析

この図は、一定のひずみ（1%）と昇温を適用して、受領時のポリオレフィン繊維の応力解析を実施し、低温延伸後の引張試験を示しています。プロットは、温度の関数として、設定されたひずみを維持するために必要な荷重を示しています。データは、収縮力、延伸温度、延伸比、ブレーキの伸長、および結び目強度などの主要な繊維産業加工パラメーターと相関しています。

収縮力試験

この図は、食品包装フィルム上の引張モードにおける一般的な収縮力（等ひずみ）実験を示しています。フィルムに室温で5分間20%のひずみを適用し、-50℃に冷却し、5分以上保持した後、5℃/分の速度で75℃に加熱しました。このプロットは、フィルムにおいて指定したひずみを維持するために必要な荷重の変化（収縮力）を示しています。この試験では、冷凍庫から電子レンジまで、様々な状況におけるフィルムの使用をシミュレートしました。

応力/ひずみ試験

応力またはひずみを増加させ、得られたひずみまたは応力を一定温度で測定します。顧客が入力したサンプル形状係数を使用して、応力/ひずみプロットと関連する弾性率情報を提供します。さらに、算出された弾性率は、応力、ひずみ、温度、または時間の関数として表示できます。

クリープと応力緩和

TMAは、過渡（クリープまたは応力緩和）試験によって粘弾性特性を測定することもできます。クリープ試験では、応力は一定に維持され、変形は時間の関数として監視されます。応力緩和試験では、入力ひずみは一定に維持され、応力減衰は時間の関数として測定されます。データは、コンプライアンス（クリープ試験）と応力緩和係数（応力緩和試験）ごとに表示することも可能です。

Modulated TMA™ (MTMA™)

TAインスツルメントの業界トップレベルのModulated TMA^TMは、材料の膨張と収縮を効率的かつ同時に分離します。総寸法変化のデコンボリューションにより、応力緩和と同じ温度領域で生じるガラス遷移のような事象を容易に検出できます。Modulated TMA^TM（MTMA^TM）では、従来の線形ランプに代わる正弦温度振動計の複合効果をサンプルに適用します。出力信号（生データのフーリエ変換後）は、全変位および熱膨張係数の変化を表します。

Modulated TMAは、全変位を反転および非反転の寸法変化信号に区別します。反転信号には寸法変化に起因する事象が含まれるので、Tgのような関連事象を検出するのに役立ちます。非反転信号には、時間に依存する運動過程（応力緩和など）に関連する事象が含まれます。これは、TAインスツルメントが開発したDiscovery TMA 450EM独自の手法です。

動的TMA試験

動的TMA（DTMA）では、正弦波荷重と線形昇温がサンプルに適用され（図A）、結果として生じる正弦波ひずみと正弦波位相差（δ）が測定されます（図B）。このデータに基づいて、貯蔵弾性率（E’）、損失弾性率（E”）、tan δ（E”/E’）を温度、時間、または応力の関数として計算します（図C）。動的TMAは、科学研究やエンジニアリングに役立つ材料の粘弾性挙動データを提供します。

図 A

図 B

図 C

フィルム引張試験

上の図は、高分子フィルムに一定温度で張力をかけたときのひずみランプ実験を示しています。このプロットは、応力とひずみが直線的な関係にあり、その上で引張弾性率を直接決定することができる広範囲な領域を示しています。定量的弾性率データは、応力、ひずみ、時間、または温度の関数としてプロットを作成できます。試験の結果、TMA 450EMがフィルムと繊維の小張力試験器として機能することがわかりました。

繊維の応力/ひずみ測定

応力/ひずみ測定は、材料を評価、比較するために広く使用されています。図は、25 μmのポリアミド繊維に一定温度で荷重上昇を適用したときの、引張状態における応力/ひずみ挙動の領域を示しています。繊維には、瞬間的な変形、遅延、線形応力/ひずみの反応、および降伏伸びが発生します。その他のパラメーター（降伏応力、ヤング率など）を特定できます。

クリープ分析

クリープ試験は、応力変化が予想される用途のための材料選択に役立ちます。この例は、引張状態のポリエチレンフィルムの周囲温度クリープ分析を示しています。指定応力に対するひずみ反応の瞬間的な変形、遅延、および線形領域を確認できるとともに、時間と共に応力が0になることがわかります。データは、コンプライアンスおよび回復可能なコンプライアンス対時間としてプロットを作成することも可能です。

応力緩和分析

この図は、前例のクリープ試験に使用したものと同じポリオレフィンフィルムの引張応力緩和試験を示しています。既知のひずみをフィルムに適用し、その応力の変化を監視しながら維持します。このプロットは、応力緩和係数の典型的な減衰を示しています。このような試験は、変形の変化が予想される最終用途のための材料設計にも役立ちます。

重複遷移の分離 – Modulated TMA

右の図は、印刷回路板（PCB）のTgを測定するためのMTMA分析を示しています。プロットに示された信号は、総寸法変化、その反転コンポーネントおよび非反転コンポーネントを示しています。総信号は標準TMAのものと同じですが、Tgを一意に定義するものではありません。しかし、コンポーネント信号は、PCBの処理条件によって誘起される応力緩和事象から実際のTgを明確に分離します。

粘弾性特性の測定 – 動的 TMA

この図は、引張状態にある半結晶性ポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムが、線形昇温中に一定の正弦波荷重を受ける動的試験を示しています。得られたひずみと位相データを用いて、材料の粘弾性特性（E’、E”、およびtan δ）を計算します。プロットに示されたデータを見ると、フィルムがそのガラス遷移温度によって加熱されるにつれて、大きな弾性率変化が起こることがわかります。