動的蒸気吸着

動的蒸気吸着（DVS）は、乾燥粉末などのサンプルが水を吸収する速度と量を測定する重量測定法です。サンプル周囲の蒸気濃度を変化させ、それによって生じる質量変化を測定することでこれを行います。この手法は主に水蒸気に使用されますが、幅広い有機溶媒に適しています。Surface Measurement Systems Ltdの創設者であるDaryl Williamsは、1991年にDynamic Vapor Sorptionを開発し、最初の装置は1992年にPfizer UKに納入されました。DVSはもともと、水蒸気吸着等温線の測定に使用されていた、時間と労力のかかるデシケーターと飽和食塩水の代替として開発されました。

水分吸着等温線

DVS の主な用途は、水吸着等温線を測定することです。一般的に、水蒸気吸着等温線は、一定温度での定常相対蒸気圧の関数として、吸着された水蒸気の平衡量を示します。水吸着等温線では、水相対蒸気圧は相対湿度として表現されるのが一般的です。これは、DVS 測定でサンプルを一連の相対湿度の段階的変化にさらし、時間の関数として質量変化をモニタリングすることによって行われます。サンプル質量は、次の湿度レベルに進む前に、湿度の各段階的変化で重量平衡に達する必要があります。次に、各相対湿度段階での平衡質量値を使用して、等温線が生成されます。等温線は通常、湿度段階の増加に対する吸着と、湿度段階の減少に対する脱着の 2 つの要素に分けられます。吸着はさらに、吸着(吸着質が表面に位置) と吸収(吸着質がバルクに浸透) に分けられます。

典型的な結果

図 1. 25.0 °C における微結晶セルロースの水蒸気吸着速度論的プロット (a.) および等温線 (b.)。

図 1 は、微結晶セルロースサンプルの DVS 測定による一般的な水分吸着結果を示しています。速度論データ (図 1a) は、時間の関数として質量と湿度の変化を示しています。速度論結果から、水分吸収速度と水拡散係数を決定できます。各湿度ステップの終了時の平衡質量値を使用して、吸着等温線と脱着等温線を計算しました (図 1b)。吸着等温線と脱着等温線間の水蒸気吸収の差は、ヒステリシスと呼ばれます。等温線ヒステリシスの形状と位置から、吸着メカニズムとサンプルの多孔性に関する情報を明らかにすることができます。等温線実験は DVS 機器の最も一般的な用途ですが、湿度またはその他の蒸気ランプ実験を実行して、蒸気によって引き起こされる相変化を調べることができます。これらの変化には、ガラス質からゴム質への転移、非晶質から結晶質への変換、およびサンプルの潮解が含まれます。

アプリケーション

DVS測定は幅広い産業分野に応用されています。平衡蒸気吸着等温線と蒸気吸着速度論的結果はどちらも、医薬品から燃料電池に至るまで、幅広い材料に関する重要な情報を提供します。最も一般的なのは水分吸着実験ですが、DVS実験で有機蒸気を用いることで、サンプルの新たな特性を明らかにすることができます。以下のセクションでは、DVS実験が様々な産業でどのように活用されているかを紹介します。

医薬品

医薬品添加剤、製剤、包装フィルムなどの医薬品材料の吸湿特性は、その保管、安定性、加工、および適用性能を決定する重要な要素として認識されています。[ 1 ] [ 2 ]さらに、蒸気吸着実験は水和物[ 3 ]および溶媒和物[ 4 ]の形成 を研究するために使用できます。重量法による蒸気吸着実験は、非晶質含有量を測定するための最も感度の高い方法の一つですが、[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]、これは製剤の安定性、製造性、および溶解特性に悪影響を及ぼす可能性があります。

食品科学

食品の水分吸着特性は、その保存、安定性、加工、および用途における性能を決定する重要な要素として認識されています。[ 8 ] [ 9 ] DVSは、包装およびバリア用途における水分および風味拡散特性の測定にも使用されます。[ 10 ] [ 11 ]さらに、水分吸着は、農薬、除草剤、肥料、種子 などの農産物の保存および性能において重要な役割を果たします。 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

パーソナルケア製品

DVS実験は、パーソナルケア材料の研究において広く利用されています。例えば、様々な化学的処理（コンディショニング、カラーリング、ブリーチなど）および機械的処理（パーマ、コーミング、ブロー乾燥など）による毛髪サンプルの保湿効果などが挙げられます。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] 皮膚サンプルの水分保持挙動もDVSによって研究されています。[ 18 ]パーソナルケア業界に関連するその他の水分吸着用途としては、コンタクトレンズや高吸収性ポリマー の脱水などがあります。

建築資材

特に建築材料に関しては、[ 19 ]吸湿がセメント、[ 20 ]木材、[ 21 ]断熱材、[ 22 ]繊維に大きな影響を与えます。[ 23 ] 湿気による損傷は建物の寿命を制限する重要な要因です。[ 24 ]同様に、建物の外部構造からの水分の浸透は、室内の空気質と空調負荷 に大きな影響を与える可能性があります。

プロトン交換膜

プロトン交換膜の性能に影響を与える重要なパラメータは水分含有量です。水は通常、ガス供給流を加湿することによって燃料電池に供給されます。プロトン交換膜内の水和レベルは、その性能にとって極めて重要です。水和レベルが低すぎると、ポリマーのイオン伝導性が大幅に低下します。[ 25 ] 水和レベルが高すぎると、過剰な水がガス拡散層の細孔に浸透し、電極構造内の物質輸送を阻害する可能性があります。[ 26 ] [ 27 ]これらの理由から、DVSはプロトン交換膜の水分吸着および輸送特性の研究に使用されてきました。[ 28 ]

参照

参考文献

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