يصف كلٌّ من ASTM D3985 وISO 15105-2 طرقًا تعتمد على المستشعر لقياس انتقال الأكسجين عبر الأغشية والصفائح البلاستيكية. وتفيد نتائجهما في تقييم أداء الحاجز، لكن اشتراكهما في مبدأ القياس لا يعني أن القيم المبلّغ عنها قابلة للتبادل تلقائيًا. فدرجة الحرارة والرطوبة والفرق في الضغط الجزئي للأكسجين وتحضير العينة والمعايرة ومعيار تحديد استقرار الانتقال، كلها عوامل تؤثر في النتيجة.

عند مقارنة الطرق أو اختيار جهاز اختبار نفاذية الأكسجين لأغشية الحواجز، يتمثل السؤال الحاسم في ما إذا كانت ظروف الاختبار كاملةً متوافقة مع التطبيق المقصود ومتطلبات الإصدار المحدد من المعيار. فمجرد ذكر المعيار لا يوضح جميع الظروف اللازمة لإعادة إجراء القياس.

أوجه التشابه والاختلاف بين الطريقتين

في كلتا الطريقتين، يُعرَّض أحد جانبي العينة المثبتة لغاز اختبار يحتوي على الأكسجين، ويُقاس الأكسجين الذي ينفذ عبر المادة إلى الجانب الآخر. وينقل غاز حامل الأكسجين النافذ إلى مستشعر. وبعد استقرار معدل الانتقال في الظروف المحددة، يحسب الجهاز معدل انتقال الأكسجين، الذي يُختصر عادةً إلى OTR.

يرتبط ASTM D3985 بطريقة المستشعر الكولومتري للأغشية والصفائح البلاستيكية. ويغطي ISO 15105-2 طريقة الضغط المتساوي التي تستخدم مستشعرًا للأكسجين، كما يقرّ باستخدام مبادئ مختلفة للمستشعرات ضمن نطاقه. ويحدد الإصدار المعمول به والإجراء الموثق للجهاز المتطلبات المحددة واجبة التطبيق. لذلك، لا تكفي قدرة المستشعر وحدها لإثبات أن إعدادًا بعينه يفي بجميع متطلبات أي من الطريقتين.

يوضح الجدول مناهج القياس، لكنه لا يحل محل النص المعياري. وقبل إعلان المطابقة، تحقق من الإصدار الساري للعمل واتبع متطلباته المتعلقة بالأجهزة والتكييف والإجراءات والحسابات وإعداد التقارير. وقد تحدد مواصفات العميل أو خطة تأهيل المادة أيضًا ظروفًا معينة ضمن الطريقة.

تساوي الضغط لا يعني انعدام القوة الدافعة

ينفذ الأكسجين عبر العينة بسبب اختلاف ضغطه الجزئي على جانبي الغشاء. وقد يكون ضغط الغاز الكلي على الجانبين متساويًا تقريبًا، في حين يكون تركيز الأكسجين مرتفعًا في جانب غاز الاختبار ومنخفضًا في جانب الغاز الحامل. وينشأ عن هذا الاختلاف في التركيز القوة الدافعة للنفاذ.

يكتسب توازن الضغط أهمية لأن وجود فرق كبير في الضغط الكلي قد يشوه العينة الرقيقة أو يخل بإحكام الختم أو يؤدي إلى تدفق عبر العيوب. كما أنه يغيّر الظروف الفيزيائية التي يجري قياسها. وتكون موثوقية قيمة OTR المستقرة المعروضة أقل إذا كان الغشاء منحنياً أو خلية الاختبار تسرّب أو كان تدفق الغاز غير ملائم لترتيب القياس في الجهاز.

ينبغي ذكر تركيب غاز الاختبار مع النتيجة. فالقياسات التي تُجرى بتركيزات أكسجين مختلفة إلى حد كبير لا يكون لها تدرج الضغط الجزئي نفسه، حتى إن تطابقت درجة الحرارة والرطوبة. ويمكن أن يدعم قسمة OTR على التدرج إجراء المقارنة عندما تكون استجابة المادة متناسبة بدرجة كافية، لكن يجب إثبات هذا الافتراض للمادة والظروف المعنية. ولا ينبغي تطبيقه دون تحقق على البنى متعددة الطبقات أو في الظروف التي تتغير فيها خصائص المادة.

يصف كل من OTR والنفاذية والممانعة أمورًا مختلفة

OTR هو مقدار الأكسجين الذي ينفذ عبر مساحة محددة من الغشاء خلال مدة محددة وفي ظروف معينة. وغالبًا ما تُعبّر عن النتائج بالسنتيمتر المكعب لكل متر مربع في اليوم. ويجب توضيح الظروف المرجعية المستخدمة لحجم الغاز عند مقارنة قيم من مصادر مختلفة.

ممانعة الأكسجين تربط معدل الانتقال المقاس بالفرق في الضغط الجزئي للأكسجين، وتشمل وحداتها وحدة ضغط. أما النفاذية فتأخذ أيضًا سُمك العينة في الحسبان، ويكون تفسيرها أكثر مباشرةً لمادة متجانسة وموحدة السُمك ومعلوم سُمكها.

بالنسبة إلى غشاء متجانس في ظروف مناسبة، تُحسب النفاذية عادةً بضرب OTR في السُمك ثم القسمة على الفرق في الضغط الجزئي للأكسجين. ويفترض هذا الحساب أن قيمة OTR المبلّغ عنها مُطبّعة بحسب المساحة والزمن وأن الوحدات متسقة. ولا يمكن للحساب تصحيح قراءة غير مستقرة أو مساحة تعرّض غير صحيحة أو تسرّب عند الحواف.

يصبح التطبيع بحسب السُمك أكثر إشكاليةً في الأغشية المصفحة والمطلية. فقد تتحكم طبقة حاجز رقيقة في مقاومة الأكسجين، بينما تسهم طبقة دعم أسمك بكثير في معظم السُمك المقاس. ويؤدي ضرب OTR في السُمك الكلي إلى قيمة محسوبة، لكنه لا يحوّل البنية المركبة إلى خاصية لمادة متجانسة. وغالبًا ما يكون قياس OTR في ظروف متطابقة مقياسًا أوضح لأداء الأغشية متعددة الطبقات الجاهزة.

وبالمثل، لا تثبت قيمة OTR منخفضة لفيلم سميك، بمفردها، أن نفاذية مادته المكوِّنة الجوهرية أقل من نفاذية غشاء أرق. فالمقارنة تتطلب معرفة بنية المادة وسُمكها وظروف الاختبار ذات الصلة.

قد تغيّر الرطوبة ودرجة الحرارة ترتيب الأداء

تؤثر درجة الحرارة في انتشار الأكسجين عبر البوليمرات، وقد تؤثر أيضًا في ذوبانية الغاز. ولا ينبغي اعتبار نتيجة مأخوذة عند درجة حرارة معينة مكافئةً لنتيجة مأخوذة عند درجة أخرى من دون بيانات داعمة. وتكتسب هذه النقطة أهمية خاصة عند مقارنة شهادات المختبرات بعبوة مخصصة للتخزين المبرد أو التخزين في درجات حرارة مرتفعة.

وقد تكون الرطوبة النسبية بالقدر نفسه من الأهمية لطبقات الحواجز الحساسة للرطوبة. فقد يُظهر الاختبار الجاف مقاومة قوية للأكسجين، بينما يؤدي التعرض للرطوبة إلى تقليل فعالية الحاجز في بنية تحتوي على طبقة محبة للماء. ويمكن للطبقات المقاومة للرطوبة على الجانبين إبطاء هذا التغير؛ لذا فإن تاريخ التعرض للرطوبة ومدته مهمان إلى جانب نقطة الضبط الاسمية.

سجّل الرطوبة على جانبي العينة عندما تسمح الطريقة والمعدات بالتحكم المنفصل. فالغشاء الذي يتعرض لغاز رطب من أحد وجهيه وغاز حامل جاف من الوجه الآخر يواجه تدرجًا للرطوبة مختلفًا عن غشاء تم تكييف وجهيه بالتساوي. وفي الغشاء المصفح غير المتماثل، يؤدي قلب العينة إلى تغيير الطبقة المواجهة للبيئة الرطبة. وقد يؤثر هذا الاختلاف في الوقت اللازم للوصول إلى نتيجة مستقرة وفي الأداء المقاس ضمن الظروف المحددة.

إن مطابقة نقطة ضبط حجرة الاختبار وحدها لا تثبت أن الغشاء قد وصل إلى اتزان الرطوبة. فقد تستجيب العينات السميكة أو المطلية أو متعددة الطبقات ببطء. وقد يسجل الاختبار القصير حالة انتقالية تعكس التخزين السابق بدلًا من حالة التعرض المحددة.

الحالة المستقرة والخلفية وحدود الكشف

لا ينفذ الأكسجين عبر الغشاء بالضرورة بمعدل ثابت فور تطبيق الغازين. فقد تتغير الإشارة المقاسة أثناء اتزان العينة ومسار الغاز. وتتطلب نقطة النهاية الموثوقة معيار الاستقرار المحدد في الطريقة أو إجراء الاختبار المعمول به؛ فالانتظار مدة زمنية مريحة ليس بديلًا عن ذلك المعيار.

عند معدلات الانتقال المنخفضة جدًا، يشكل الأكسجين الموجود في الخلفية جزءًا كبيرًا من الإشارة المقاسة. وتشمل مصادره الأكسجين المتبقي في مسار الغاز الحامل، والتسرّب عند الوصلات، والنفاذ عبر الأختام، والتلوث الذي يحدث عند فتح الخلية. ويساعد إجراء اختبار فارغ أو تقييم آخر للخلفية وفقًا لإجراء الجهاز على تحديد ما إذا كانت إشارة العينة المقاسة قابلة للتمييز عن مساهمة النظام.

لنفترض أن غشائين عاليَي الحاجزية أعطيا قراءات قريبة من الحد الأدنى لقدرة القياس المثبتة للجهاز. فقد يعكس الفرق العددي الصغير بينهما تغيرات الخلفية أو قابلية التكرار، بدلًا من اختلاف موثوق في أداء الغشاء. وينبغي تفسير النتيجة بالاستناد إلى النطاق المعتمد للجهاز، وعدم اليقين المنطبق وأي حدود للإبلاغ يقتضيها الإجراء.

وقد يحاكي تسرّب خلية الاختبار أيضًا ضعف أداء الحاجز. فإذا كانت النتيجة أعلى مما هو متوقع، فتحقق من ختم العينة ومساحة التعرض وسطح الغشاء قبل عزو القيمة إلى المادة. فالتجاعيد والجسيمات العالقة عند الحشية والثقوب الدقيقة والتلف الناتج عن القطع قد تُنشئ مسارات لا تتعلق بنفاذ الأكسجين عبر غشاء سليم. وعلى العكس، قد تؤدي نتيجة منخفضة ظاهريًا، مأخوذة قبل الوصول إلى الاتزان، إلى المبالغة في تقدير أداء الحاجز.

تحضير العينة يغيّر مدلول النتيجة

يجب معرفة مساحة الاختبار المعرضة وإحكام إغلاقها على نحو صحيح. فالمساحة غير الصحيحة تدخل مباشرةً في حساب OTR، بينما قد يسمح تلف سطح الإحكام بتجاوز الأكسجين مساحة العينة المقصودة. وينبغي أن تمثل العينات المادة محل التقييم، مع تسجيل تاريخ تكييفها وأي عيوب ظاهرة فيها.

يهم اتجاه الغشاء في البنى غير المتماثلة، ولا سيما عندما يتعرض الوجهان لرطوبة أو غازات مختلفة. حدّد الوجه المواجه للغاز المحتوي على الأكسجين، وحافظ على الاتجاه نفسه في الاختبارات المقارنة. وإذا كان للغشاء طلاء أو طباعة أو معالجة سطحية ذات صلة بتطبيقه النهائي، فسجّل ما إذا كانت تلك الخاصية موجودة في منطقة التعرض.

كما ينبغي مراعاة التباين الموضعي. فقد لا تكشف عينة صغيرة واحدة عيوب الطلاء أو تفاوت السُمك أو الاختلافات على امتداد شريط الإنتاج. وتوفر العينات المكررة المأخوذة من مواضع محددة دليلًا أنفع على الاتساق من تكرار القياس في منطقة واحدة متجانسة على نحو غير معتاد. ويحدد المعيار المعمول به ومواصفات المادة عدد العينات وكيفية التعامل معها للحصول على نتيجة رسمية.

مقارنة النتائج بين المعيارين

تكون المقارنة أقوى عندما يُجرى الاختباران على عينات من دفعة المادة نفسها، حُضرت وكُيّفت بالطريقة نفسها. وحِّد درجة الحرارة والرطوبة النسبية على كل جانب وتركيب غاز الاختبار والفرق في الضغط الجزئي للأكسجين وطرق تحديد مساحة التعرض واتجاه العينة. ووثّق مبدأ المستشعر وطريقة المعايرة ومعالجة الخلفية ومعيار الاستقرار لكل قياس.

حتى عند توحيد الظروف، ينبغي إثبات توافق النتائج بدلًا من افتراضه. فقد تؤثر الاختلافات في مناولة الغاز واستجابة المستشعر والأختام وتحديد نقطة النهاية في النتائج القريبة من الحدود العملية للطريقة. وتساعد القياسات المكررة ومادة مرجعية مناسبة على التمييز بين انحراف منهجي ثابت والتباين المعتاد في القياس. وينبغي أن تكون المادة المرجعية ملائمة لنطاق OTR وظروف الاختبار قيد التقييم.

إذا اختلف تقريرا الاختبار، فتحقق أولًا مما إذا كانا يصفان كميات قابلة للمقارنة فعلًا. فقيمة OTR وقيمة النفاذية تختلفان في الوحدات والمعنى، كما أن نتيجة الاختبار الجاف ونتيجة الاختبار الرطب تصفان حالتي تعرض مختلفتين. وإذا تطابقت هذه التفاصيل، فابحث في التكييف والاستقرار وخلفية النظام قبل استنتاج أن إحدى الطريقتين غير مناسبة.

يحدد التقرير المفيد من الناحية الفنية المعيار وإصداره ووصف العينة وسُمكها وظروف الاختبار والنتيجة ووحداتها وأي انحرافات ذات صلة. وإذا كانت النتيجة قريبة من حد الإبلاغ أو كانت للعينة بنية غير متماثلة، فأدرج المعلومات اللازمة لتفسير هذا القيد بجوار القيمة.