"加熱発生ガス分析"で読み解く材料特性

材料を加熱した際のガスの発生挙動を正確に把握することで、安全管理や不具合発生の予測などに役立てることができる。高分子材料であるエチレンプロピレンジエンゴム（EPDM）について、昇温過程でのガス発生挙動をEGA-MS（発生ガス質量分析：Evolved gas analysis Mass Spectrometry）にて分析した例を第1図に示す。図の縦軸はガスの発生量と相関があり、150℃付近からガスが発生し、300℃および500℃付近でガス発生量が最も多いことが確認できる。また、質量分析計により得られた各ピークのマススペクトル解析を行った結果、150℃付近からEPDMの主骨格である炭化水素類の分解成分が発生しており、EPDMの熱分解が150℃付近から始まったことがわかる。このようにEGA-MSでは、熱環境の変化にともなう材料のガス発生特性を知ることができる。

リチウムイオン電池の正極材に含まれるバインダー（高分子材料）についてTD-GC/MS（加熱脱離-ガスクロマトグラフ/質量分析装置：Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry）とPy-GC/MS（熱分解-ガスクロマトグラフ/質量分析装置：Pyrolysis-Gas Chromatography-Mass Spectrometry）を組み合わせて定性分析をおこなった事例を紹介する。特に製品においては、目的の高分子以外の有機成分が含まれる場合があり、検出される情報が複雑に入り交じり解析が難しくなることがある。このような場合、目的成分とそれ以外の成分を分離して分析をおこなう必要がある。今回分析した正極材には電解液（揮発性有機成分）が付着していたため、同一試料に対してTD-GC/MS（300℃加熱）とPy-GC/MS（600℃加熱）による分析を連続的に行う方法を適用した。各温度で発生したガスを同定した結果を第2図に示す。300℃では、電解液成分が主に検出されており、電解液（揮発性有機成分）が正極材から除去できていることがわかる。また、600℃で発生したガスには、フッ素を含む熱分解成分が検出されている。これはバインダーの熱分解生成物であり、その組成比をデータベースと照合した結果、バインダーがポリフッ化ビニリデンであることが確認できる。このように、複数の加熱発生ガス分析手法を組み合わせることで、精度の高い情報を得ることが可能である。