Détermination de la teneur en eau des plastiques selon l’ISO 15512
En plasturgie, la détermination de la teneur en eau désigne les méthodes d’analyse utilisées pour mesurer la quantité d’eau présente dans une matière plastique au moment de l’essai. La principale norme internationale applicable à cette mesure est l’ISO 15512:2019, qui couvre les plastiques sous forme de poudres, de granulés et d’articles finis. Selon le catalogue officiel de l’ISO, cette norme est en vigueur et l’édition 2019 a été réexaminée et confirmée en 2024. [1][3]
Son domaine d’application est plus restreint qu’il n’y paraît au premier abord. L’ISO 15512 ne porte pas sur l’absorption d’eau à long terme par les polymères exposés à une atmosphère humide ou immergés. Elle concerne au contraire la teneur en eau déjà présente dans l’échantillon au moment de l’analyse. La norme établit explicitement cette distinction en précisant que ses méthodes ne permettent d’évaluer ni la cinétique d’absorption d’eau ni l’absorption d’eau à l’équilibre, qui sont mesurées selon l’ISO 62. Cette distinction est importante, car la teneur en eau et l’absorption d’eau répondent à des problématiques industrielles distinctes. [1][3][4]
En pratique, la détermination de la teneur en eau est importante, car l’humidité résiduelle peut nuire à la stabilité du procédé et à la qualité des pièces, ainsi que favoriser la dégradation du polymère. L’humidité de la matière première peut provoquer un moussage, des difficultés de démoulage, des variations de viscosité, des bulles, des stries, des vides et des défauts au niveau des lignes de soudure, tandis qu’un préséchage insuffisant peut compromettre les étapes ultérieures, telles que l’application d’un revêtement ou la métallisation. Plusieurs thermoplastiques techniques, notamment le polycarbonate, les polyamides, les polyarylates et les polyesters, doivent généralement être séchés avant leur mise en œuvre à l’état fondu. [5]
Détermination de la teneur en eau des plastiques
Selon l’ISO 15512, la teneur en eau est exprimée sous forme de fraction massique d’eau, en pourcentage. Il s’agit d’une définition opérationnelle plutôt qu’abstraite : une méthode détermine la quantité d’eau libérée, extraite, titrée ou détectée par un autre moyen dans les conditions d’analyse spécifiées. Cette notion se distingue des phénomènes plus généraux liés à l’humidité dans les polymères, notamment la diffusion, la sorption, le gonflement et le vieillissement à long terme. Le guide du NPL sur l’humidité dans les matériaux polymères rattache ces phénomènes plus généraux aux essais d’absorption et de diffusion plutôt qu’à la détermination directe de la teneur en eau. [1][4]
Cette distinction explique également pourquoi les normes ISO 15512 et ISO 62 sont complémentaires plutôt que concurrentes. L’ISO 15512 permet de répondre à une question relevant du contrôle des procédés, telle que « Quelle quantité d’eau ce lot de résine ou cet article fini contient-il actuellement ? » L’ISO 62, en revanche, porte sur l’absorption d’eau par les matières plastiques au fil du temps, dans des conditions d’exposition contrôlées, et, dans certains cas, sur la caractérisation de la diffusion de l’humidité. [1][3][4]
Teneur en eau des polymères et des plastiques
La détermination de la teneur en eau est particulièrement importante pour les polymères hygroscopiques ou sensibles à l’hydrolyse. Le manuel sur les plastiques Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften classe les thermoplastiques en trois catégories selon les effets de l’humidité, à savoir les matériaux qui ne nécessitent généralement aucun séchage, ceux sur lesquels l’humidité a principalement des effets liés à l’absorption et ceux susceptibles de subir une dégradation hydrolytique aux températures de transformation. Dans cette dernière catégorie, le manuel classe le polycarbonate et plusieurs polyesters, tandis que le polyamide constitue un cas particulier, pour lequel l’absorption d’humidité et la sensibilité lors de la transformation sont toutes deux importantes. [5]
Ce même manuel présente un exemple portant spécifiquement sur le PET. Dans la section consacrée au PET comme matière première, il précise que les granulés doivent être séchés afin d’éviter toute dégradation par hydrolyse. Il souligne également que le titrage Karl Fischer est particulièrement adapté à la détermination de la teneur en eau, tout en mentionnant des méthodes industrielles destinées au contrôle des procédés. Cela montre que la détermination de la teneur en eau n’est pas un simple exercice théorique de laboratoire, mais une étape directement liée à la stabilité de la matière fondue, au maintien de la viscosité intrinsèque et aux performances du produit final. [5]
ISO 15512:2019 et son domaine d’application
L’ISO 15512:2019 a été élaborée par l’ISO/TC 61, Plastiques, SC 5, Propriétés physico-chimiques. D’après la version anglaise fournie, la cinquième édition a remplacé l’ISO 15512:2016 et la principale modification technique a consisté à ajouter deux méthodes alternatives, les méthodes D et E.
Le domaine d’application couvre les plastiques sous forme de poudre, de granulés et d’articles finis. La norme indique des limites de détection de 0,1 % pour la méthode A, de 0,01 % pour les méthodes B et C, de 0,01 % pour la méthode D et de 0,001 % pour la méthode E. Elle précise également que ces limites de détection dépendent de la masse maximale d’échantillon pouvant être utilisée. Autrement dit, elles ne peuvent pas être considérées comme universelles, indépendamment de la taille de l’échantillon ou de la matrice. [1]
Par ailleurs, toutes les méthodes ne conviennent pas de la même manière à toutes les matrices. La norme indique que la méthode D convient à plusieurs matériaux répertoriés, notamment le PA, le PC, le PP, le PE, la résine époxy, le PET, le polyester, le PTFE, le PVC, le PLA et le PAI, mais qu’elle est notamment déconseillée pour les échantillons susceptibles de libérer de l’ammoniac. En revanche, les méthodes A, B et E sont décrites comme généralement adaptées à tous les types de plastiques, quelle que soit leur teneur en eau. [1]
Méthodes définies dans l’ISO 15512
La norme ISO 15512 spécifie cinq méthodes distinctes de détermination de la teneur en eau des plastiques. Leurs principes analytiques diffèrent considérablement, ce qui permet d’appliquer la norme à diverses matrices et plages de teneur en eau. [1]
La méthode A repose sur une extraction au méthanol anhydre, suivie d’un titrage Karl Fischer de l’eau extraite. Elle s’applique à tous les plastiques sous forme de granulés de dimensions inférieures à 4 mm × 4 mm × 3 mm et peut également être utilisée pour certaines poudres de prépolymères insolubles dans le méthanol. Cette méthode se réfère à l’ISO 760, qui décrit la méthode générale de Karl Fischer. [1][2]
Les méthodes B1 et B2 sont toutes deux des méthodes par vaporisation. Dans la méthode B1, l’échantillon est chauffé dans un four tubulaire, et l’eau libérée est entraînée par de l’air sec ou de l’azote vers une cellule de titrage, où elle est dosée par titrage Karl Fischer ou par détection coulométrique de l’humidité. La méthode B2 repose sur le même principe, mais la vaporisation s’effectue dans un flacon d’échantillon chauffé et non dans un four tubulaire. [1]
La méthode C est une méthode manométrique sous vide. L’échantillon est chauffé sous vide, et sa teneur en eau est déterminée à partir de l’augmentation de pression qui en résulte. La norme précise que cette méthode ne convient pas aux échantillons de matières plastiques contenant d’autres composés volatils en quantités suffisantes pour contribuer de manière significative à la pression de vapeur à température ambiante. Elle prescrit donc de vérifier périodiquement la présence de tels composés, en particulier dans les nouveaux types ou nouvelles nuances de matériaux. [1]
La méthode D est une méthode thermocoulométrique utilisant une cellule au pentoxyde de diphosphore. L’eau est vaporisée à partir de l’échantillon, puis entraînée par de l’air sec ou de l’azote jusqu’à la cellule de détection, où elle est dosée par coulométrie. Cette méthode présente la même limitation générale liée aux composés volatils interférents et s’avère particulièrement inadaptée lorsque de l’ammoniac ou des amines sont susceptibles de réagir avec le revêtement acide en P2O5 de la cellule de détection. [1]
La méthode E repose sur l’utilisation d’hydrure de calcium. L’eau est libérée sous l’effet combiné du chauffage et du vide, puis réagit avec l’hydrure de calcium pour former de l’hydrogène et de l’hydroxyde de calcium ; l’augmentation de pression qui en résulte sert à l’analyse. La norme indique que les composés volatils qui ne réagissent pas avec l’hydrure de calcium se condensent dans un piège froid et n’affectent donc pas la mesure. [1] (ISO)
Manipulation des échantillons, choix de la température et comparabilité
L’un des aspects pratiques les plus importants de l’ISO 15512 ne concerne pas les méthodes elles-mêmes, mais figure dans l’introduction. La norme indique que la comparabilité interlaboratoires des résultats de détermination de la teneur en eau des plastiques est souvent médiocre. Elle attribue principalement ce manque de comparabilité au conditionnement et à la manipulation des échantillons, ainsi qu’aux différences entre les équipements et les réglages. Elle recommande d’utiliser des sachets scellés étanches à l’humidité ou des récipients spéciaux en verre et, si possible, de manipuler les échantillons sous azote sec ou sous air sec. [1]
Cette attention particulière est conforme aux recommandations générales en matière de métrologie de l’humidité. Le guide du NPL consacré à l’humidité souligne que l’obtention de données fiables sur l’humidité des matériaux polymères exige des conditions représentatives et une prise en compte rigoureuse des facteurs influant sur l’absorption d’humidité et la qualité des mesures. À cet égard, l’importance accordée par l’ISO 15512 au conditionnement soigneux des échantillons et au strict respect de la procédure n’est pas un détail accessoire, mais fait partie intégrante de la démarche métrologique de la méthode. [4]
Le choix de la température constitue un autre enjeu majeur. L’ISO 15512 ne prescrit pas de température universelle pour les méthodes de vaporisation. La norme indique qu’une température de 200 °C est souvent utilisée avec la méthode manométrique, mais qu’elle peut être trop élevée pour certains polymères obtenus par polycondensation, car des réactions de condensation ou de dégradation peuvent produire de l’eau. Si la température est trop basse, toute l’eau n’est pas libérée ; si elle est trop élevée, de l’eau supplémentaire risque d’être produite au lieu d’être simplement mesurée. L’annexe B est donc consacrée au choix d’une température et d’une durée de chauffage optimales. [1]
Points forts et limites de la norme
L’un des principaux atouts de l’ISO 15512 est qu’elle n’impose pas un principe analytique unique pour tous les plastiques. Elle regroupe au contraire, dans un même cadre normalisé, des méthodes par extraction, vaporisation, manométrie, thermocoulométrie et hydrure de calcium. Cette souplesse est utile, car les plastiques diffèrent considérablement par leur forme, leur teneur en eau, la volatilité de leurs additifs et leur comportement thermique. [1]
Ses limites sont également clairement définies. Cette norme porte sur la teneur en eau et ne couvre pas l’ensemble du comportement à long terme des plastiques sous l’effet de l’humidité. Certaines méthodes sont sensibles aux interférences dues aux composés volatils, d’autres nécessitent une optimisation rigoureuse de la température, et certaines données de fidélité restent incomplètes. [1]
La détermination de la teneur en eau des plastiques doit donc être considérée comme une composante d’un système global de maîtrise de l’humidité. L’ISO 15512 porte sur la détermination analytique directe de l’eau déjà présente dans les poudres, les granulés ou les articles finis. Lorsqu’il s’agit plutôt d’étudier l’absorption d’eau au fil du temps, la diffusion dans l’épaisseur ou l’absorption à l’équilibre en milieu humide, l’ISO 62 et les recommandations connexes constituent alors un cadre de référence plus pertinent. [1][3][4]
Références
[1] Organisation internationale de normalisation. ISO 15512:2019 — Plastiques — Dosage de l’eau. Fiche du catalogue officiel et page indiquant le statut en vigueur. (ISO)
[2] Organisation internationale de normalisation. ISO 760:1978 — Dosage de l’eau — Méthode de Karl Fischer (Méthode générale). (ISO)
[3] Organisation internationale de normalisation. ISO 62:2008 — Plastiques — Détermination de l’absorption d’eau. (ISO)
[4] Duncan, B. C.; Broughton, W. R., Absorption et diffusion de l’humidité dans les matériaux polymères, National Physical Laboratory, Guide de bonnes pratiques n° 102.
[5] Eyerer, P.; Elsner, P.; Hirth, T., dir., Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6e éd., Springer, 2005.
FAQ avec réponses brèves
En quoi consiste la détermination de la teneur en eau des plastiques ?
Cette analyse mesure l’eau déjà présente dans un échantillon de plastique. La teneur en eau est généralement exprimée en pourcentage massique. Selon l’ISO 15512, cette détermination s’applique aux poudres, aux granulés et aux articles finis. [1]
En quoi l’ISO 15512 diffère-t-elle de l’ISO 62 ?
L’ISO 15512 détermine la teneur en eau au moment de l’analyse, tandis que l’ISO 62 porte sur le comportement des plastiques en matière d’absorption d’eau, notamment dans des conditions d’exposition contrôlées et, le cas échéant, sur les propriétés liées à la diffusion. [1][3][4]
Quelle méthode de l’ISO 15512 atteint la limite de détection publiée la plus basse ?
Selon la norme, la méthode E, dite méthode à l’hydrure de calcium, permet de mesurer des teneurs en eau aussi faibles que 0,001 %. La limite indiquée dépend de la masse maximale d’échantillon utilisable. [1]
