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ASTM D792：プラスチックおよびポリマーの密度測定
ASTM D792規格は、プラスチックの密度と比重を液体（通常は水）中の浮力によって測定する正確な手順を概説しています。簡単そうに聞こえますが、このテストは材料内部で何が起こっているか、均質性、さらには配合についてまで多くのことを語ることができます。
密度と比重が重要な理由
密度は、特定の体積にどれだけの質量が詰まっているかを定量化し、比重は、同じ密度をある標準温度における水の密度との比として表したものです。密度はその物質の大きさに対してどれだけ「重い」かを示し、比重は単位に縛られることなく物質を比較する便利な方法を提供する。
製造や材料科学では、これらの数値はデータシート上の抽象的な値以上のものであり、製品の純度、品質、性能を示すものでもある。例えば、ポリマーの密度が正しくない場合、ボイド、不純物、充填剤のミスマッチに関連している可能性がある。エンジニアにとって、これは熱的特性、剛性、強度のばらつきを意味します。
ASTM D792の原理
ASTM D792試験は、水中に沈められた物体は、置換された流体の重量に等しい浮力を受けるというアルキメデスの原理に依拠しています。この単純な法則は、材料試験において最も広く用いられている方法の1つです。
実際には、この試験では固体サンプルの重量を2回測定する。一方の測定値からもう一方の測定値を差し引い て、密度と比重を求めることができる。使用される式は以下の通りである：
比重(SG) = Wₐ/(Wₐ - Ww)
密度 = SG × 試験温度における水の密度
ここで、（W ）は空気中の試料の重量であり、（Ww）は部分的に水に浸漬したときの重量である。23℃における水の密度は約0.9975g/cm³であり、特に指定がない限り、ほとんどの試験でこの数値が使用される。
試験手順とバリエーション
ASTM D792には、さまざまな種類の試料に対応するため、A～Dと表記されたさまざまな試験手順があります。手順Aは水よりも重い固形プラスチックに適用され、手順Bは浮力のある試料を試験する際にワイヤーシンカーを使用します。手順CとDは、小さなペレット、薄膜、粉体など、より複雑な状況に適用され、直接浸漬する代わりにピクノメーターや密度勾配カラムを使用するのが一般的です。
温度管理も重要な検討事項の一つである。わずかな温度変化で水と試料の密度はかなり小さ く変化するため、ある程度の一貫性を持たせるために、実験は通常23±2℃で実施される。
ASTM D792の結果の解釈
ASTM D792の密度および比重の値は、配合、材料のタイプ、および処理に基づき、非常に広い範囲を持つ可能性があります。いくつかの例を挙げると、ポリエチレン(PE)は一般的に0.91～0.96g/cm³で、ポリカーボネート(PC)は約1.20g/cm³でより高密度です。高い方では、PTFE（テフ ロン）の密度は2.15g/cm³を超える。
測定された密度が設定された基準値から急激に変 化した場合は、製造上の問題がある可能性があります。非常に低い値は内部空隙やガス封入の兆候であ り、高い値は過剰充填材や汚染物質の兆候である可能 性がある。したがって、品質管理試験所の大部分は、本格的な試験を実施する前に、ASTM D792を迅速なスクリーニング方法として利用し、異常を発見しています。
ASTM D792の産業への応用
ASTM D792試験で得られる情報は、学術的な興味だけではありません。ポリマーの製造においては、樹脂バッチの一貫性を確認し、配合のドリフトを検出することができます。自動車や航空宇宙用途では、ポリマー複合材の密度を認識することで、部品が正確な重量と性能の仕様を満たしていることを確認することができます。医療機器の製造においても、密度を正確に測定す ることにより、ポリマーグレードが生体適合性や耐久性 の要件に適合していることを確認することができます。
代表的な材料密度
以下に代表的な密度値を示します：
- ポリエチレン（PE）0.91-0.96 g/cm³ ポリエチレン（PE
- ポリカーボネート（PC）1.19-1.22 g/cm³ ポリカーボネート（PC
- ナイロン（PA）：1.13-1.15 g/cm³ ポリテトラフルオロエチレン（PE
- ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）： 2.15-2.20 g/cm³
- アルミニウム：2.70 g/cm³
- ステンレス鋼: 7.90-8.05 g/cm³
- タングステン19.25 g/cm³
これらの例からわかるように、プラスチックと軽合金は密 度の下限を占め、金属、特にタングステンや鉛のような重金属はその 反対側にあります。
典型的な密度と比重の値（ASTM D792参考値）
|
材質 |
密度 (g/cm³) |
比重 |
備考／用途 |
|
0.91 - 0.96 |
0.91 - 0.96 |
包装や容器に使用される軽量で柔軟なプラスチック。 |
|
|
0.90 - 0.91 |
0.90 - 0.91 |
低密度の熱可塑性プラスチックで、自動車部品や繊維製品に使用される。 |
|
|
ポリスチレン（PS） |
1.04 - 1.06 |
1.04 - 1.06 |
硬くて脆い。断熱材や使い捨て製品に使用される。 |
|
ポリ塩化ビニル（PVC） |
1.35 - 1.45 |
1.35 - 1.45 |
耐久性、耐薬品性に優れ、パイプ、電線被覆に使用。 |
|
ポリカーボネート（PC） |
1.19 - 1.22 |
1.19 - 1.22 |
高い耐衝撃性；レンズ、安全ギア、電子機器 |
|
アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS） |
1.03 - 1.07 |
1.03 - 1.07 |
強靭で光沢があり、自動車や家電製品に使用される。 |
|
ナイロン（PA6、PA66） |
1.13 - 1.15 |
1.13 - 1.15 |
強靭なエンジニアリングプラスチック。 |
|
ポリエチレンテレフタレート（PET） |
1.33 - 1.38 |
1.33 - 1.38 |
ボトルやフィルムに使用される。 |
|
2.15 - 2.20 |
2.15 - 2.20 |
シール、ガスケット。 |
|
|
ポリオキシメチレン（POM、アセタール） |
1.40 - 1.42 |
1.40 - 1.42 |
剛性が高く、精密ギアやベアリングに使用される。 |
|
エポキシ樹脂（未充填） |
1.10 - 1.20 |
1.10 - 1.20 |
接着剤、コーティング、複合マトリックス |
|
ガラス繊維強化プラスチック（GFRP） |
1.70 - 1.90 |
1.70 - 1.90 |
航空宇宙用および海洋用の構造用複合材 |
|
炭素繊維強化樹脂 (CFRP) |
1.50 - 1.60 |
1.50 - 1.60 |
航空宇宙、スポーツ、自動車用。 |
|
アルミニウム（純度99.9） |
2.70 |
2.70 |
軽量金属； 航空機、電子機器 |
|
マグネシウム（純） |
1.74 |
1.74 |
最も軽い構造用金属；航空宇宙、自動車。 |
|
チタン（純、グレード2） |
4.51 |
4.51 |
高い強度対重量比；医療、航空宇宙。 |
|
ステンレス鋼 (304) |
7.90 - 8.05 |
7.90 - 8.05 |
耐食性; 機械・構造部品 |
|
銅（純） |
8.92 |
8.92 |
優れた電気伝導性; 配線および電子機器 |
|
ニッケル（純） |
8.90 |
8.90 |
磁性、耐食性; 合金、メッキ |
|
タングステン（純） |
19.25 |
19.25 |
極めて緻密; 放射線遮蔽、高温部品 |
|
鉛（純） |
11.34 |
11.34 |
高密度金属；カウンターウェイト、遮蔽。 |
結論
ASTM D792は、プラスチックやその他の材料の密度と比重を測定するための簡 単で強力な方法である。ASTM D792は、実験室での標準的な 手順をはるかに超えるものであり、材料の構造、配合、 加工がその最終的な性能にどのような影響を及ぼす かを知る必要のあるエンジニア、製造業者、研 究者にとって豊富な情報源となります。
Chin Trento
