Bestimmung des Wassergehalts von Kunststoffen gemäß ISO 15512
In der Kunststofftechnik umfasst die Bestimmung des Wassergehalts analytische Verfahren, mit denen ermittelt wird, wie viel Wasser zum Prüfzeitpunkt in einem Kunststoff enthalten ist. Die maßgebliche internationale Norm hierfür ist ISO 15512:2019. Sie gilt für Kunststoffe in Form von Pulvern, Granulaten und Fertigerzeugnissen. Laut offiziellem ISO-Katalog ist die Norm weiterhin aktuell: Die Ausgabe von 2019 wurde im Jahr 2024 überprüft und bestätigt. [1][3]
Der Anwendungsbereich ist enger, als es zunächst den Anschein hat. ISO 15512 befasst sich nicht mit der langfristigen Wasseraufnahme von Polymeren bei Feuchteeinwirkung oder beim Eintauchen in Wasser. Vielmehr geht es um den Wassergehalt, der zum Zeitpunkt der Analyse bereits in der Probe vorhanden ist. Die Norm weist ausdrücklich darauf hin, dass ihre Verfahren weder die Kinetik noch das Gleichgewicht der Wasseraufnahme erfassen, wie sie gemäß ISO 62 bestimmt werden. Diese Unterscheidung ist wichtig, da Wassergehalt und Wasseraufnahme für unterschiedliche industrielle Fragestellungen relevant sind. [1][3][4]
In der Praxis ist die Bestimmung des Wassergehalts wichtig, da Restfeuchte die Prozessstabilität, die Bauteilqualität und den Polymerabbau beeinflussen kann. Feuchtigkeit im Ausgangsmaterial kann zu Schaumbildung, Entformungsproblemen, Viskositätsschwankungen, Blasen, Schlieren, Hohlräumen und Bindenahtfehlern führen. Eine unzureichende Vortrocknung kann zudem bei nachfolgenden Prozessschritten wie dem Beschichten oder Galvanisieren Probleme verursachen. Mehrere technische Thermoplaste, darunter Polycarbonate, Polyamide, Polyarylate und Polyester, müssen in der Regel vor der Schmelzverarbeitung getrocknet werden. [5]
Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen
Gemäß ISO 15512 wird der Wassergehalt als Massenanteil des Wassers in Prozent angegeben. Der Begriff ist verfahrensbezogen und nicht abstrakt definiert: Ein Verfahren bestimmt die Wassermenge, die unter den festgelegten analytischen Bedingungen freigesetzt, extrahiert, titriert oder auf andere Weise nachgewiesen wird. Davon zu unterscheiden ist das allgemeine Feuchteverhalten von Polymeren, das Diffusion, Sorption, Quellung und Langzeitalterung umfassen kann. Der NPL-Leitfaden zur Feuchte in polymeren Werkstoffen ordnet diese umfassenderen Phänomene den Prüfungen zur Wasseraufnahme und Diffusion und nicht der direkten Bestimmung des Wassergehalts zu. [1][4]
Diese Unterscheidung erklärt auch, warum sich ISO 15512 und ISO 62 ergänzen und nicht miteinander konkurrieren. ISO 15512 dient der Beantwortung einer Frage zur Prozesskontrolle, etwa: „Wie viel Wasser enthält diese Harzcharge oder dieses Fertigteil derzeit?“ ISO 62 hingegen untersucht, wie Kunststoffe unter kontrollierten Einwirkungsbedingungen im Laufe der Zeit Wasser aufnehmen und wie sich in bestimmten Fällen die Feuchtediffusion charakterisieren lässt. [1][3][4]
Wassergehalt in Polymeren und Kunststoffen
Die Bestimmung des Wassergehalts ist besonders bei hygroskopischen oder hydrolyseempfindlichen Polymeren wichtig. Das Kunststoffhandbuch „Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften“ teilt Thermoplaste danach ein, ob eine Trocknung in der Regel unnötig ist, Feuchtigkeit hauptsächlich zu Absorptionseffekten führt oder bei Verarbeitungstemperaturen einen hydrolytischen Abbau verursachen kann. Der letztgenannten Gruppe ordnet das Handbuch Polycarbonat und mehrere Polyester zu, während bei Polyamid sowohl die Wasseraufnahme als auch die Verarbeitungsempfindlichkeit von Bedeutung sind. [5]
Dasselbe Handbuch enthält ein spezifisches Beispiel für PET. Im Abschnitt zu PET-Rohstoffen wird erläutert, dass PET-Granulat getrocknet werden sollte, um hydrolytischen Abbau zu verhindern. Zudem wird darauf hingewiesen, dass sich die Karl-Fischer-Bestimmung besonders zur Messung des Wassergehalts eignet. Auch industrielle, prozessbegleitende Verfahren werden erwähnt. Dies verdeutlicht, dass die Bestimmung des Wassergehalts keine rein abstrakte Laboraufgabe ist, sondern unmittelbar mit der Schmelzestabilität, dem Erhalt der intrinsischen Viskosität und der Leistungsfähigkeit des Endprodukts zusammenhängt. [5]
ISO 15512:2019 und ihr Anwendungsbereich
ISO 15512:2019 wurde von ISO/TC 61, Kunststoffe, SC 5, Physikalisch-chemische Eigenschaften, erarbeitet. Die vorliegende englische Norm gibt an, dass die fünfte Ausgabe ISO 15512:2016 ersetzt und als wesentliche technische Änderung zwei alternative Verfahren, Verfahren D und E, aufgenommen wurden.
Der Anwendungsbereich umfasst Kunststoffe in Form von Pulvern, Granulaten und Fertigerzeugnissen. Die angegebenen Nachweisgrenzen betragen 0,1 % für Verfahren A, 0,01 % für die Verfahren B und C, 0,01 % für Verfahren D und 0,001 % für Verfahren E. Die Norm weist außerdem darauf hin, dass diese Werte Nachweisgrenzen darstellen, die von der maximal möglichen Probenmasse abhängen. Mit anderen Worten: Es sind keine allgemeingültigen Werte, die unabhängig von Probenmasse oder Matrix garantiert werden können. [1]
Hinzu kommt, dass nicht jedes Verfahren für jede Matrix gleichermaßen geeignet ist. Laut Norm eignet sich Verfahren D für mehrere der aufgeführten Materialien, darunter PA, PC, PP, PE, Epoxidharz, PET, Polyester, PTFE, PVC, PLA und PAI. Für Proben, die Ammoniak freisetzen können, wird es jedoch nicht empfohlen. Die Verfahren A, B und E werden hingegen als grundsätzlich für alle Kunststoffarten und Wassergehalte geeignet eingestuft. [1]
In ISO 15512 definierte Verfahren
ISO 15512 legt fünf alternative Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen fest. Die Analyseprinzipien unterscheiden sich erheblich. Dadurch eignet sich die Norm für verschiedene Matrizes und Feuchtebereiche. [1]
Verfahren A ist ein Extraktionsverfahren mit wasserfreiem Methanol und anschließender Karl-Fischer-Titration des extrahierten Wassers. Es eignet sich für alle Kunststoffe sowie für Granulate mit Abmessungen unter 4 mm × 4 mm × 3 mm und kann zudem für bestimmte methanolunlösliche Präpolymerpulver eingesetzt werden. Die normative analytische Grundlage bildet ISO 760, die das allgemeine Karl-Fischer-Verfahren festlegt. [1][2]
Die Verfahren B1 und B2 sind Verdampfungsverfahren. Bei Verfahren B1 wird die Probe in einem Rohrofen erhitzt. Das freigesetzte Wasser wird mit trockener Luft oder Stickstoff in eine Titrationszelle geleitet und dort mittels Karl-Fischer-Titration oder coulometrischer Feuchtebestimmung quantifiziert. Verfahren B2 basiert auf demselben Grundprinzip, die Verdampfung erfolgt jedoch in einem beheizten Probenfläschchen statt in einem Rohrofen. [1]
Verfahren C ist ein manometrisches Vakuumverfahren. Die Probe wird unter Vakuum erhitzt und der Wassergehalt anhand des dabei entstehenden Druckanstiegs bestimmt. Laut Norm ist dieses Verfahren nicht für Kunststoffproben geeignet, die andere flüchtige Verbindungen in solchen Mengen enthalten, dass diese bei Raumtemperatur wesentlich zum Dampfdruck beitragen. Daher muss regelmäßig geprüft werden, ob solche flüchtigen Verbindungen vorhanden sind, insbesondere bei neuen Materialtypen oder -sorten. [1]
Verfahren D ist ein thermocoulometrisches Verfahren mit einer Diphosphorpentoxid-Zelle. Das Wasser wird aus der Probe verdampft, mit trockener Luft oder Stickstoff zur Sensorzelle transportiert und anschließend coulometrisch bestimmt. Das Verfahren unterliegt derselben allgemeinen Einschränkung durch störende flüchtige Verbindungen und ist insbesondere dann ungeeignet, wenn Ammoniak oder Amine mit der sauren P2O5-Sensorbeschichtung reagieren können. [1]
Verfahren E ist ein Verfahren auf Calciumhydridbasis. Das Wasser wird durch eine Kombination aus Erwärmung und Vakuum freigesetzt und reagiert mit Calciumhydrid zu Wasserstoff und Calciumhydroxid; der dabei entstehende Druckanstieg dient als analytisches Messsignal. Gemäß der Norm kondensieren flüchtige Bestandteile, die nicht mit Calciumhydrid reagieren, in einer Kühlfalle und beeinflussen die Messung daher nicht. [1] (ISO)
Probenhandhabung, Temperaturwahl und Vergleichbarkeit
Einer der wichtigsten praxisrelevanten Aspekte von ISO 15512 betrifft nicht die einzelnen Verfahren, sondern die Einleitung. Die Norm stellt fest, dass die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen Laboratorien bei der Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen häufig unzureichend ist, und nennt die Probenverpackung, die Probenhandhabung sowie Unterschiede bei Geräten und Einstellungen als Hauptursachen. Sie empfiehlt wasserdampfdicht verschlossene Beutel oder spezielle Glasbehälter sowie, soweit möglich, eine Handhabung unter trockenem Stickstoff oder trockener Luft. [1]
Diese Schwerpunktsetzung entspricht den allgemeinen Leitlinien der Feuchtemetrologie. Der NPL-Leitfaden zur Feuchtemessung betont, dass zuverlässige Feuchtedaten für polymere Werkstoffe repräsentative Bedingungen und eine sorgfältige Berücksichtigung aller Faktoren erfordern, die die Feuchteaufnahme und die Messqualität beeinflussen. Die Forderung von ISO 15512 nach sorgfältiger Verpackung und strikter Einhaltung des Verfahrens ist daher kein nebensächliches Detail, sondern Bestandteil der metrologischen Grundlagen des Verfahrens. [4]
Die Wahl der Temperatur ist ein weiterer zentraler Aspekt. ISO 15512 schreibt für die Verdampfungsverfahren keine allgemeingültige Temperatur vor. Die Norm weist darauf hin, dass beim manometrischen Verfahren häufig 200 °C verwendet werden, diese Temperatur für einige Polykondensate jedoch zu hoch sein kann, da durch Kondensations- oder Abbaureaktionen Wasser entstehen kann. Ist die Temperatur zu niedrig, verdampft nicht das gesamte Wasser; ist sie zu hoch, kann während des Verfahrens zusätzliches Wasser entstehen, anstatt lediglich das vorhandene Wasser zu messen. Anhang B befasst sich daher mit der Auswahl der optimalen Heiztemperatur und Heizdauer. [1]
Stärken und Grenzen der Norm
Eine wesentliche Stärke von ISO 15512 besteht darin, dass sie nicht ein einziges Analyseprinzip für alle Kunststoffe vorschreibt. Stattdessen vereint sie Extraktions- und Verdampfungsverfahren sowie manometrische, thermocoulometrische und auf Calciumhydrid basierende Verfahren in einem standardisierten Rahmen. Diese Flexibilität ist von Vorteil, da sich Kunststoffe hinsichtlich ihrer physikalischen Form, ihres Wassergehalts, der Flüchtigkeit ihrer Additive und ihres thermischen Verhaltens stark unterscheiden. [1]
Auch die Grenzen der Norm sind klar. Die Norm behandelt den Wassergehalt, nicht jedoch das langfristige Feuchteverhalten in seiner Gesamtheit. Einige Verfahren sind anfällig für Störeinflüsse durch flüchtige Substanzen, andere erfordern eine sorgfältige Optimierung der Temperatur, und für manche liegen noch keine vollständigen Präzisionsdaten vor. [1]
Aus diesem Grund sollte die Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen als Bestandteil eines umfassenderen Feuchtemanagements verstanden werden. ISO 15512 behandelt die direkte analytische Bestimmung des Wassers, das bereits in Pulvern, Granulaten oder Fertigerzeugnissen enthalten ist. Geht es hingegen um die Wasseraufnahme im Zeitverlauf, die Diffusion durch die Materialdicke oder die Gleichgewichtsaufnahme unter Feuchteeinwirkung, bieten ISO 62 und zugehörige Leitlinien den geeigneteren Rahmen. [1][3][4]
Referenzen
[1] Internationale Organisation für Normung. ISO 15512:2019 — Kunststoffe — Bestimmung des Wassergehalts. Offizieller Katalogeintrag mit Angaben zum aktuellen Status. (ISO)
[2] Internationale Organisation für Normung. ISO 760:1978 — Bestimmung von Wasser — Karl-Fischer-Verfahren (Allgemeines Verfahren). (ISO)
[3] Internationale Organisation für Normung. ISO 62:2008 — Kunststoffe — Bestimmung der Wasseraufnahme. (ISO)
[4] Duncan, B. C.; Broughton, W. R., Feuchteaufnahme und -diffusion in polymeren Werkstoffen, National Physical Laboratory, Good Practice Guide Nr. 102.
[5] Eyerer, P.; Elsner, P.; Hirth, T., Hrsg., Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6. Aufl., Springer, 2005.
FAQs kurz beantwortet
Was versteht man unter der Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen?
Darunter versteht man die analytische Bestimmung des bereits in einer Kunststoffprobe enthaltenen Wassers. Der Wassergehalt wird in der Regel als Massenanteil in Prozent angegeben; ISO 15512 gilt für Pulver, Granulate und Fertigerzeugnisse. [1]
Worin unterscheidet sich ISO 15512 von ISO 62?
ISO 15512 dient zur Bestimmung des Wassergehalts zum Zeitpunkt der Analyse, während ISO 62 das Wasseraufnahmeverhalten beschreibt, einschließlich der Wasseraufnahme unter kontrollierten Bedingungen und – sofern relevant – diffusionsbezogener Eigenschaften. [1][3][4]
Welches Verfahren nach ISO 15512 erreicht die niedrigste angegebene Nachweisgrenze?
Laut Norm eignet sich Verfahren E, das Calciumhydridverfahren, zur Bestimmung von Wassergehalten bis hinab zu 0,001 %; die angegebene Grenze hängt von der maximal möglichen Probenmasse ab. [1]
