Determinazione del contenuto d’acqua nelle materie plastiche secondo ISO 15512
Nell'ingegneria delle materie plastiche, la determinazione del contenuto d'acqua comprende le procedure analitiche utilizzate per misurare la quantità d'acqua presente in un materiale plastico al momento della prova. La principale norma internazionale per questa determinazione è la ISO 15512:2019, applicabile alle materie plastiche sotto forma di polveri, granuli e manufatti finiti. Secondo il catalogo ufficiale ISO, la norma è in vigore e l'edizione del 2019 è stata riesaminata e confermata nel 2024. [1][3]
Il campo di applicazione è più ristretto di quanto possa sembrare a prima vista. La ISO 15512 non riguarda l'assorbimento d'acqua a lungo termine da parte dei polimeri in condizioni di umidità o durante l'immersione. Riguarda invece il contenuto d'acqua già presente nel campione al momento dell'analisi. La norma stessa chiarisce questa distinzione, precisando che i suoi metodi non valutano la cinetica e l'equilibrio dell'assorbimento d'acqua misurati secondo la ISO 62. Questa distinzione è importante perché il contenuto d'acqua e l'assorbimento d'acqua rispondono a esigenze industriali diverse. [1][3][4]
In pratica, la determinazione del contenuto d'acqua è importante perché l'umidità residua può influire sulla stabilità del processo, sulla qualità dei componenti e sulla degradazione dei polimeri. L'umidità della materia prima può causare formazione di schiuma, problemi di sformatura, variazioni di viscosità, bolle, striature, vuoti e difetti nelle linee di saldatura, mentre una preessiccazione inadeguata può compromettere le lavorazioni successive, come il rivestimento o la metallizzazione galvanica. Diversi materiali termoplastici tecnici, tra cui policarbonati, poliammidi, poliarilati e poliesteri, devono generalmente essere essiccati prima della lavorazione allo stato fuso. [5]
Determinazione del contenuto d’acqua nelle materie plastiche
Secondo la norma ISO 15512, il contenuto d’acqua è espresso come frazione massica percentuale di acqua. Il concetto è più operativo che astratto: un metodo determina la quantità d’acqua rilasciata, estratta, titolata o rilevata in altro modo nelle condizioni analitiche specificate. Ciò differisce dalla più ampia interazione dei polimeri con l’umidità, che può comprendere diffusione, sorbimento, rigonfiamento e invecchiamento a lungo termine. La guida NPL sull’umidità nei materiali polimerici inquadra questi fenomeni più ampi nell’ambito delle prove di assorbimento e diffusione, anziché in quello della determinazione diretta del contenuto d’acqua. [1][4]
Questa distinzione spiega anche perché ISO 15512 e ISO 62 siano norme complementari anziché concorrenti. ISO 15512 consente di rispondere a una domanda relativa al controllo di processo, ad esempio: «Quanta acqua è presente attualmente in questo lotto di resina o in questo manufatto finito?». ISO 62, invece, descrive il modo in cui le materie plastiche assorbono acqua nel tempo in condizioni di esposizione controllate e, in alcuni casi, consente di caratterizzare la diffusione dell’umidità. [1][3][4]
Contenuto d’acqua in polimeri e materie plastiche
La determinazione del contenuto d’acqua è particolarmente importante nei polimeri igroscopici o sensibili all’idrolisi. Il manuale sulle materie plastiche Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften classifica i termoplastici in base alla necessità di essiccazione, distinguendo tra materiali per i quali è generalmente superflua, materiali in cui l’umidità determina principalmente fenomeni di assorbimento e materiali che, alle temperature di lavorazione, possono subire degradazione idrolitica. In quest’ultimo gruppo, il manuale include il policarbonato e diversi poliesteri, mentre indica la poliammide come un caso in cui sono rilevanti sia l’assorbimento sia la sensibilità all’idrolisi durante la lavorazione. [5]
Lo stesso manuale fornisce un esempio specifico relativo al PET. Nella sezione dedicata al PET come materia prima, specifica che i granuli devono essere essiccati per prevenire la degradazione idrolitica e sottolinea che la titolazione Karl Fischer è particolarmente adatta alla determinazione del contenuto d’acqua, citando anche metodi industriali per il controllo di processo. Ciò conferma che la determinazione del contenuto d’acqua non è un mero esercizio di laboratorio, ma una fase direttamente correlata alla stabilità del fuso, al mantenimento della viscosità intrinseca e alle prestazioni del prodotto finale. [5]
ISO 15512:2019: campo di applicazione
La ISO 15512:2019 è stata elaborata dall’ISO/TC 61, Materie plastiche, SC 5, Proprietà fisico-chimiche. La versione inglese della norma in esame precisa che la quinta edizione ha sostituito la ISO 15512:2016 e che la principale modifica tecnica ha riguardato l’aggiunta di due metodi alternativi, i metodi D ed E.
Il campo di applicazione comprende le materie plastiche sotto forma di polveri, granuli e manufatti finiti. La norma specifica limiti di rilevabilità pari allo 0,1 % per il metodo A, allo 0,01 % per i metodi B e C, allo 0,01 % per il metodo D e allo 0,001 % per il metodo E. La norma precisa inoltre che tali valori sono limiti di rilevabilità che dipendono dalla massa massima utilizzabile del campione. In altre parole, non costituiscono garanzie universali indipendenti dalla quantità di campione o dalla matrice. [1]
Un altro aspetto da considerare è che non tutti i metodi sono ugualmente adatti a ogni matrice. La norma indica che il metodo D è adatto a diversi materiali, tra cui PA, PC, PP, PE, resina epossidica, PET, poliestere, PTFE, PVC, PLA e PAI, ma lo sconsiglia in particolare per i campioni che possono rilasciare ammoniaca. La norma descrive invece i metodi A, B ed E come generalmente adatti a tutti i tipi di materie plastiche e a qualsiasi livello di umidità. [1]
Metodi definiti nella norma ISO 15512
ISO 15512 specifica cinque metodi alternativi per determinare il contenuto d’acqua nelle materie plastiche. I principi analitici differiscono notevolmente; la norma risulta quindi applicabile a matrici e intervalli di umidità diversi. [1]
Il metodo A è un metodo di estrazione con metanolo anidro, seguito dalla titolazione Karl Fischer dell’acqua estratta. È applicabile a tutte le materie plastiche e ai granuli di dimensioni inferiori a 4 mm × 4 mm × 3 mm e può essere utilizzato anche per alcune polveri di prepolimeri insolubili nel metanolo. Il principio analitico di riferimento è descritto nella ISO 760, che definisce il metodo Karl Fischer generale. [1][2]
I metodi B1 e B2 sono entrambi metodi di vaporizzazione. Nel metodo B1, il campione viene riscaldato in un forno tubolare e l’acqua rilasciata viene convogliata mediante aria secca o azoto in una cella di titolazione, dove viene determinata mediante titolazione Karl Fischer o misurazione coulometrica. Il metodo B2 si basa sullo stesso principio, ma la vaporizzazione avviene in una fiala portacampione riscaldata anziché in un forno tubolare. [1]
Il metodo C è un metodo manometrico in vuoto. Il campione viene riscaldato sotto vuoto e il contenuto d’acqua viene determinato in base al conseguente aumento della pressione. La norma specifica che questo metodo non è adatto a campioni di plastica contenenti altri composti volatili in quantità tali da contribuire significativamente alla pressione di vapore a temperatura ambiente. Il metodo richiede pertanto controlli periodici per rilevare la presenza di tali sostanze volatili, soprattutto per nuovi tipi o gradi di materiale. [1]
Il metodo D è un metodo termocoulometrico che utilizza una cella al pentossido di difosforo. L'acqua viene vaporizzata dal campione, trasportata mediante aria secca o azoto alla cella del sensore e quindi quantificata per coulometria. Il metodo presenta la stessa limitazione generale dovuta all'interferenza dei composti volatili ed è ritenuto particolarmente inadatto quando l'ammoniaca o le ammine possono reagire con il rivestimento acido in P2O5 del sensore. [1]
Il metodo E è un metodo basato sull'idruro di calcio. L'azione combinata del riscaldamento e del vuoto libera l'acqua, che reagisce con l'idruro di calcio formando idrogeno e idrossido di calcio; il conseguente aumento di pressione costituisce il segnale analitico. La norma specifica che i componenti volatili che non reagiscono con l'idruro di calcio condensano in una trappola fredda e pertanto non interferiscono con la misurazione. [1] (ISO)
Gestione dei campioni, scelta della temperatura e comparabilità
Uno degli aspetti pratici più importanti della ISO 15512 non riguarda i singoli metodi, bensì l’introduzione. La norma afferma che la comparabilità interlaboratorio nella determinazione del contenuto d’acqua delle materie plastiche è spesso scarsa e individua tra le cause principali il confezionamento e la manipolazione dei campioni, nonché le differenze tra le apparecchiature e le relative impostazioni. Raccomanda l’uso di sacchetti sigillati con barriera al vapore acqueo o di appositi contenitori in vetro e, ove possibile, la manipolazione in atmosfera di azoto secco o aria secca. [1]
Questa attenzione è in linea con le indicazioni più generali della metrologia dell’umidità. La guida NPL sull’umidità sottolinea che, per ottenere dati affidabili sul contenuto di umidità dei materiali polimerici, sono necessarie condizioni rappresentative e un’attenta valutazione dei fattori che influiscono sull’assorbimento e sulla qualità della misurazione. In tal senso, l’attenzione che la ISO 15512 riserva al corretto confezionamento e al rigoroso rispetto della procedura non è un dettaglio secondario, bensì parte integrante della logica metrologica del metodo. [4]
La scelta della temperatura è un altro aspetto fondamentale. La ISO 15512 non prescrive una temperatura universale per i metodi di vaporizzazione. La norma osserva che nel metodo manometrico si utilizzano spesso 200 °C, ma questa temperatura può essere troppo elevata per alcuni materiali ottenuti per policondensazione, poiché le reazioni di condensazione o degradazione possono generare acqua. Se la temperatura è troppo bassa, l’acqua non evapora completamente; se è troppo alta, il metodo può generare altra acqua anziché limitarsi a misurare quella presente. L’Allegato B è pertanto dedicato alla scelta della temperatura e del tempo di riscaldamento ottimali. [1]
Punti di forza e limiti della norma
Uno dei principali punti di forza di ISO 15512 è che non impone un unico principio analitico per tutte le materie plastiche. Al contrario, riunisce in un unico quadro normativo metodi di estrazione e vaporizzazione, nonché metodi manometrici, termocoulometrici e basati sull’idruro di calcio. Questa flessibilità è utile perché le materie plastiche differiscono notevolmente per forma, contenuto d’acqua, volatilità degli additivi e comportamento termico. [1]
La norma presenta anche limiti ben definiti. Riguarda esclusivamente il contenuto d’acqua e non disciplina in modo completo il comportamento all’umidità nel lungo periodo. Alcuni metodi sono sensibili alle interferenze da composti volatili, altri richiedono un’accurata ottimizzazione della temperatura e, per alcuni, i dati relativi alla precisione restano incompleti. [1]
Per questo motivo, la determinazione del contenuto d’acqua nelle materie plastiche va considerata parte di un sistema più ampio di gestione dell’umidità. ISO 15512 riguarda la determinazione analitica diretta dell’acqua già presente in polveri, granuli o manufatti finiti. Quando invece si esaminano l’assorbimento d’acqua nel tempo, la diffusione attraverso lo spessore o l’assorbimento all’equilibrio in condizioni di esposizione all’umidità, ISO 62 e le relative linee guida costituiscono il quadro di riferimento più pertinente. [1][3][4]
Riferimenti
[1] Organizzazione internazionale per la normazione. ISO 15512:2019 — Materie plastiche — Determinazione del contenuto di acqua. Scheda del catalogo ufficiale e pagina relativa allo stato di validità. (ISO)
[2] Organizzazione internazionale per la normazione. ISO 760:1978 — Determinazione dell’acqua — Metodo Karl Fischer (metodo generale). (ISO)
[3] Organizzazione internazionale per la normazione. ISO 62:2008 — Materie plastiche — Determinazione dell’assorbimento d’acqua. (ISO)
[4] Duncan, B. C.; Broughton, W. R., Assorbimento e diffusione dell’umidità nei materiali polimerici, National Physical Laboratory, Guida alle buone pratiche n. 102.
[5] Eyerer, P.; Elsner, P.; Hirth, T., a cura di, Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6ª ed., Springer, 2005.
FAQ con risposte brevi
Che cos'è la determinazione del contenuto d'acqua nelle materie plastiche?
È la misurazione analitica dell'acqua già presente in un campione di materiale plastico, solitamente espressa come frazione massica percentuale di acqua. Ai sensi della norma ISO 15512, si applica a polveri, granuli e manufatti finiti. [1]
In cosa si differenzia ISO 15512 da ISO 62?
ISO 15512 determina il contenuto d'acqua al momento dell'analisi, mentre ISO 62 riguarda il comportamento di assorbimento dell'acqua, compresi l'assorbimento in condizioni di esposizione controllate e, ove applicabile, le proprietà di diffusione correlate. [1][3][4]
Quale metodo ISO 15512 raggiunge il limite di rilevabilità dichiarato più basso?
Secondo la norma, il metodo E, ovvero il metodo basato sull'idruro di calcio, è adatto a determinare contenuti d'acqua fino a un minimo dello 0,001 %, fermo restando che il limite indicato dipende dalla massa massima consentita per il campione. [1]
