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技術です。サンプル周辺の蒸気濃度を変化させ、これによって生じる質量の変化を測定することでこれを行います。この技術は主に水蒸気に使用されますが、さまざまな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 年に動的蒸気吸着を開発し、最初の機器は 1992 年に Pfizer UK に納入されました。DVS はもともと、水蒸気吸着等温線を測定するために使用される、時間と労力のかかるデシケーターと飽和塩溶液の代わりとして開発されました。

DVS の主な用途は、水吸着等温線を測定することです。一般に、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、吸着された蒸気の平衡量を示します。水吸着等温線の場合、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監視することによって実現されます。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(吸着質が表面にある) と吸収(吸着質がバルクに浸透する) に分けられます。

図 1 は、微結晶セルロース サンプルの DVS 測定による典型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量の差は、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、蒸気誘起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遷移、非晶質から結晶質への変換、サンプルの潮解が含まれます。

DVS 測定は、幅広い業界で応用されています。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まで、さまざまな材料に関する重要な情報を提供します。水分吸着実験が最も一般的ですが、DVS 実験で有機蒸気を使用すると、サンプルの追加特性が明らかになります。以下のセクションでは、さまざまな業界で DVS 実験がどのように利用されているかについて説明します。

賦形剤、製剤、包装フィルムなどの医薬品材料の水分吸着特性は、それらの保管、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。重量蒸気吸着実験は、非晶質含有量を決定するための最も感度の高い方法の1つであり、^{[5] [6] [7]}処方された医薬品の安定性、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。

食品の水分吸着特性は、食品の保管、安定性、加工、および用途の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、包装やバリア用途の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 などの農産物の保管と性能に重要な役割を果たします。 ^{[12] [13] [14]}

DVS実験はパーソナルケア材料の研究で広く利用されている。例えば、さまざまな化学的処理（コンディショニング、カラーリング、ブリーチ）や機械的処理（パーマ、コーミング、ブロー乾燥）による毛髪サンプルの保湿など。^{[15] [16] [17]} 皮膚サンプルの水分補給挙動もDVSで研究されている。^{[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には、コンタクトレンズや}高吸収性ポリマー の脱水がある。

特に建築材料に関しては、^[19]水分吸着はセメント、^[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大きな要因です。^{[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、ガス供給ストリーム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、その性能にとって非常に重要です。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、余分な水がガス拡散層の細孔に溢れ、電極構造内の物質輸送を妨げ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]

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