ISO 15512に準拠したプラスチック中の水分量測定
プラスチック工学における水分含有量の測定とは、試験時点でプラスチック材料に含まれる水分量を定量する分析法です。 この測定に関する主要な国際規格はISO 15512:2019であり、粉末、顆粒、成形品など、さまざまな形態のプラスチックに適用されます。 ISOの公式カタログによると、2019年版は2024年に見直され、引き続き有効な現行規格であることが確認されています。 [1][3]
適用範囲は、一見すると広範に思えますが、実際には限定されています。 ISO 15512は、高湿度条件下または浸漬時におけるポリマーの長期的な吸水を対象とする規格ではありません。 本規格の対象は、分析時点ですでに試料中に存在する水分量です。 規格本文でも、規定された方法はISO 62で測定される吸水速度や平衡吸水量を評価するものではないと明記されており、両者の違いが明確に示されています。 この区別は重要です。水分含有量の測定と吸水性の評価では、産業現場で得られる情報とその用途が異なるためです。 [1][3][4]
実務では、残留水分が加工安定性、成形品の品質、ポリマーの劣化に影響を及ぼす可能性があるため、水分含有量の測定が重要です。 原料中の水分は、発泡、離型不良、粘度変動、気泡、ストリーク、ボイド、ウェルドライン不良の原因となります。また、予備乾燥が不十分な場合、コーティングやめっきなどの後工程で問題が生じる可能性があります。 ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどのエンジニアリング熱可塑性樹脂は、一般に溶融加工前に乾燥させる必要があります。 [5]
プラスチック中の水分含有量の測定
ISO 15512では、水分含有量を水の質量分率（%）で表します。 これは抽象的な概念ではなく、操作上の定義です。つまり、各方法では、規定の分析条件下で水を放出または抽出し、滴定などの手段で検出して、その量を求めます。 これは、拡散、収着、膨潤、長期的な劣化などを含む、ポリマーのより広範な水分挙動とは異なります。 ポリマー材料中の水分に関するNPLガイドでは、こうした広範な現象を、水分含有量の直接測定ではなく、吸水試験および拡散試験の枠組みで扱っています。 [1][4]
この違いは、ISO 15512とISO 62が競合する規格ではなく、相互に補完する規格であることも示しています。 ISO 15512は、「この樹脂ロットまたは成形品に現時点でどの程度の水分が含まれているか」という工程管理上の問いに答えるのに役立ちます。一方、ISO 62は、管理された暴露条件下でプラスチックが時間の経過とともに水をどのように吸収するか、また、必要に応じて水分拡散をどのように評価できるかを扱います。 [1][3][4]
ポリマーおよびプラスチック中の水分含有量
水分含有量の測定は、吸湿性または加水分解しやすいポリマーにおいて特に重要です。 プラスチックハンドブック『Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften』では、熱可塑性樹脂を、通常は乾燥を必要としないもの、主に吸水によって影響を受けるもの、加工温度で水分により加水分解劣化が生じる可能性のあるものに分類しています。 同書では、最後のグループとしてポリカーボネートと数種類のポリエステルを挙げ、ポリアミドについては、吸水と加工時における水分への感受性の両方が重要となる例として紹介しています。 [5]
同ハンドブックでは、PETに特化した事例も紹介しています。 PET原料に関するセクションでは、加水分解による劣化を防ぐにはPET顆粒の乾燥が必要であることを説明しています。また、水分測定にはカールフィッシャー法が特に適しているとし、工業プロセス向けの測定法についても言及しています。 これは、水分量の測定が単なる実験室での分析にとどまらず、溶融安定性や固有粘度の維持、最終製品の性能を左右する重要な工程管理項目であることを示しています。[5]
ISO 15512:2019およびその適用範囲
ISO 15512:2019は、ISO/TC 61（プラスチック）のSC 5（物理化学的性質）によって策定されました。 提供された英語版規格には、第5版がISO 15512:2016に代わるものであり、主な技術的変更点は、代替法として方法Dおよび方法Eを追加したことであると記載されています。
適用範囲には、粉末、顆粒、成形品の形態のプラスチックが含まれます。 検出限界は、方法Aが0.1 %、方法BおよびCが0.01 %、方法Dが0.01 %、方法Eが0.001 %と規定されています。 また、これらの数値は、使用可能な最大試料質量に応じた検出限界であることも示されています。 つまり、試料量やマトリックスに左右されない一律の保証値ではありません。 [1]
さらに、すべての方法があらゆるマトリックスに同程度に適しているわけではありません。 規格では、方法DはPA、PC、PP、PE、エポキシ樹脂、PET、ポリエステル、PTFE、PVC、PLA、PAIなどの材料に適している一方、特にアンモニアを放出する可能性のある試料には推奨されないとしています。 一方、方法A、B、Eは、あらゆる種類のプラスチックおよび幅広い水分含有量に概して適していると記載されています。 [1]
ISO 15512で規定されている測定法
ISO 15512では、プラスチック中の水分含有量を測定する5つの代替法を規定しています。 各分析法は原理が大きく異なるため、本規格はさまざまな試料マトリックスや幅広い水分濃度範囲に適用できます。[1]
方法Aは、無水メタノールで水分を抽出し、カールフィッシャー滴定によって定量する抽出法です。 あらゆるプラスチックのほか、4 mm × 4 mm × 3 mm未満の顆粒に適用でき、メタノールに不溶な一部のプレポリマー粉末にも使用できます。 本法の分析原理は、一般的なカールフィッシャー法について規定したISO 760に準拠しています。[1][2]
方法B1と方法B2はいずれも気化法です。 B1法では、試料をチューブ炉で加熱し、放出された水分を乾燥空気または窒素で滴定セルへ搬送し、そこでカールフィッシャー滴定または電量法による水分測定を行います。 B2法も基本原理は同じですが、チューブ炉の代わりに試料バイアルを加熱し、水分を気化させます。[1]
方法Cはマノメトリック真空法です。 試料を真空下で加熱し、その際の圧力上昇から水分量を求めます。 この規格では、室温での蒸気圧に大きく影響するほどの水以外の揮発性化合物を含むプラスチック試料には、この方法は適さないと規定しています。 そのため、特に新しい種類やグレードの材料では、こうした揮発性成分の有無を定期的に確認する必要があります。 [1]
方法Dは、五酸化二リンセルを用いる熱クーロメトリー法です。 試料中の水分を気化させ、乾燥空気または窒素でセンサーセルへ搬送し、クーロメトリー法で定量します。 この方法にも、妨害揮発性化合物に関する同様の一般的な制約があり、特にアンモニアやアミンがセンサーセルの酸性P2O5コーティングと反応する可能性がある場合には適していません。 [1]
方法Eは、水素化カルシウム法です。 加熱と真空を組み合わせて試料中の水分を放出させ、水と水素化カルシウムとの反応で水素と水酸化カルシウムを生成し、発生した水素による圧力上昇から水分量を定量します。 規格では、水素化カルシウムと反応しない揮発性成分は冷却トラップで凝縮されるため、測定には影響しないとしています。 [1] (ISO)
試料の取り扱い、温度選定、比較可能性
ISO 15512における実務上の最重要ポイントの1つは、個々の測定法ではなく、序文に記載されています。 この規格では、プラスチックの水分含有率測定では試験所間の比較可能性が十分でないことが多いと述べ、その主な要因として、試料の包装と取り扱い、装置や設定の違いを挙げています。 また、防湿性のある密封袋または専用のガラス容器を使用し、可能な限り乾燥窒素または乾燥空気雰囲気下で取り扱うことを推奨しています。[1]
こうした点の重視は、水分計測学に関するより広範な指針とも一致しています。 NPLの水分測定ガイドでは、高分子材料から信頼性の高い水分データを得るには、代表性のある測定条件を設定し、吸水性や測定品質に影響を及ぼす要因を慎重に考慮する必要があると強調しています。 この点からも、ISO 15512が慎重な包装と厳格な手順を求めているのは付随的な要件ではなく、測定法の計量学的妥当性を支える重要な要素です。[4]
温度の選定も重要な課題です。 ISO 15512では、気化法に一律の温度を規定していません。 この規格では、マノメトリック法で200 °Cがよく使用される一方、一部の縮合系材料では、縮合反応や分解反応によって水が生成される可能性があるため、この温度では高すぎる場合があると指摘しています。 温度が低すぎると水分が完全に蒸発せず、高すぎると試料に含まれていた水分に加え、反応によって新たに生成された水まで測定される可能性があります。 そのため、附属書Bでは最適な加熱温度と加熱時間の選定方法について説明しています。[1]
規格の利点と限界
ISO 15512の大きな特長は、すべてのプラスチックに単一の分析原理を一律に適用していない点です。 代わりに、抽出法、気化法、マノメトリック真空法、熱クーロメトリー法、水素化カルシウム法を一つの標準化された枠組みの中で規定しています。 プラスチックは形態、水分含有率、添加剤の揮発性、熱的挙動が大きく異なるため、この柔軟な構成は重要です。[1]
適用上の限界も明確です。 この規格は水分含有率の測定に関するものであり、長期的な水分挙動全般を対象とするものではありません。 方法によっては、揮発性物質の干渉を受けるほか、慎重な温度最適化が必要となる場合や、精密度データが十分でない場合もあります。[1]
したがって、プラスチックの水分含有率測定は、より包括的な水分管理システムの一部として捉える必要があります。 ISO 15512は、粉末、顆粒、成形品に含まれる水分を直接分析し、定量する方法を規定しています。 経時的な吸水挙動、厚さ方向への水分拡散、湿潤環境にさらされた際の平衡吸水量を評価する場合は、ISO 62および関連ガイダンスがより適切な枠組みとなります。[1][3][4]
参考文献
[1] 国際標準化機構。 ISO 15512:2019 — プラスチック — 水分含有率の求め方。 ISO公式カタログの掲載情報および規格の現行状況を示すページ。 (ISO)
[2] 国際標準化機構。 ISO 760:1978 — 水分の定量 — カールフィッシャー法 (一般的方法)。 (ISO)
[3] 国際標準化機構。 ISO 62:2008 — プラスチック — 吸水率の求め方。 (ISO)
[4] Duncan, B. C.; Broughton, W. R., 高分子材料における水分の吸収と拡散, 英国国立物理学研究所, Good Practice Guide No. 102.
[5] Eyerer, P.; Elsner, P.; Hirth, T., 編, Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 第6版, Springer, 2005.
よくある質問と簡潔な回答
プラスチック中の水分量測定とは何ですか？
プラスチック試料に既に含まれている水分量を分析によって測定することです。水分量は通常、水の質量分率（%）で示します。ISO 15512は、粉末、顆粒、成形品を対象としています。[1]
ISO 15512とISO 62の違いは何ですか？
ISO 15512が分析時点の水分量を測定するのに対し、ISO 62は、管理された条件下での曝露による吸水挙動と、該当する場合は拡散に関連する特性を対象としています。[1][3][4]
規定された検出限界が最も低いISO 15512の方法はどれですか？
規格によると、方法Eの水素化カルシウム法は、水分量0.001%までの測定に適しています。規定された下限値は、使用可能な最大試料質量によって異なります。[1]
