يتطلب تقييم أداء حاجز الرطوبة للأفلام القابلة للتحلل الحيوي أكثر من مجرد وضع عينة في جهاز وتسجيل رقم. يقيس المعياران ASTM F1249 وASTM E96/E96M معدل انتقال بخار الماء (WVTR) وفق مبدئين مختلفين، لذا تؤثر الطريقة وبيئة الاختبار وتحضير العينة وتفاصيل إعداد التقرير كلها في كيفية تفسير النتيجة. بالنسبة إلى المقيّمين الفنيين الذين يختارون جهاز اختبار WVTR للأفلام القابلة للتحلل الحيوي، لا يقتصر السؤال على تحديد الطريقة الأسرع، بل يتعلق بتحديد النهج الذي ينتج بيانات يمكن الاستناد إليها بشأن المادة والتطبيق والقرارات المطروحة.

قد يحتوي الفيلم القابل للتحلل الحيوي على بوليمر حساس للرطوبة أو تركيبة ممزوجة أو طلاء أو بنية متعددة الطبقات. وقد يستجيب كل منها للرطوبة بطريقة مختلفة. فالنتيجة التي تبدو مشجعة في ظل مجموعة من الظروف قد لا تتنبأ بالسلوك في ظل ظروف أخرى، ولا سيما عندما تمتص المادة الماء أو تتغير أبعادها أثناء الاختبار. ويساعد فهم المعايير الفرق على التمييز بين اختلاف حقيقي في المادة واختلاف ناتج عن تصميم الاختبار.

ما الذي يقيسه ASTM F1249 وASTM E96/E96M

يتناول كلا المعيارين مرور بخار الماء عبر مادة في ظل ظروف محددة. ويُبلّغ عادةً عن WVTR بوصفه كتلة الماء المنتقلة لكل وحدة مساحة ولكل وحدة زمن، مثل g/(m²·day). وتشير القيمة الأقل عمومًا إلى انتقال كمية أقل من بخار الماء في ظل الظروف المحددة، لكن لا تكون للرقم دلالة إلا عند النظر إليه مع تلك الظروف.

يستخدم ASTM F1249 مستشعرًا بالأشعة تحت الحمراء مُعدّلًا لقياس بخار الماء المنتقل عبر العينة. ويفصل الفيلم بين جانب مرطّب وجانب جاف في خلية اختبار. وينفذ بخار الماء عبر العينة، ثم ينقله غاز حامل إلى المستشعر. ويحدد الجهاز WVTR استنادًا إلى تدفق البخار المقاس والمساحة المعرضة، مع اتباع الإجراء المعمول به ومتطلبات المعايرة.

يشمل ASTM E96/E96M الطرق الوزنية، أو طرق الكأس. إذ تُحكم العينة فوق الفوهة المفتوحة لوعاء اختبار يحتوي على مادة مجففة أو ماء. ثم يوضع الوعاء المُجمّع في بيئة مضبوطة ويُوزن على فترات. ويُستخدم تغير كتلته بمرور الوقت لحساب انتقال بخار الماء. وتُنشئ طريقتا المادة المجففة والماء حالات تعرض مختلفة للرطوبة واتجاهات مختلفة لتدفق البخار؛ لذلك يجب تحديد الإجراء المختار في التقرير.

تصف هذه المعايير طرق الاختبار، ولا تمثل شهادات لقابلية التحلل الحيوي. فقد تكون قيمة WVTR للفيلم مقاسة من دون أن يكون قد أثبت قابليته للتسميد أو تحلله الحيوي وفق معيار منفصل واجب التطبيق.

القياس بالأشعة تحت الحمراء مقارنةً بطريقة الكأس

لا تُعد أي من التقنيتين الخيار الأفضل تلقائيًا لكل فيلم قابل للتحلل الحيوي. قد يكون جهاز الأشعة تحت الحمراء مفيدًا عندما يحتاج المختبر إلى بيانات انتقال يراقبها الجهاز، وتكون العينات ضمن نطاق القياس المعتمد للمعدات. وقد تكون طريقة الكأس مناسبة عندما يكون الإجراء الوزني محددًا، أو عندما يمتلك المختبر إمكانات مناسبة للميزان والتحكم البيئي. وفي كلتا الحالتين، يجب على المختبر التأكد من ملاءمة الإجراء للمادة ومستوى الانتقال المتوقع.

ينبغي أيضًا تقييم مدة الاختبار بدلًا من افتراضها. فقد تحتاج العينة إلى وقت للتهيئة والوصول إلى سلوك انتقال مستقر، سواء سُجلت الإشارة بواسطة مستشعر أو استُنتجت من عمليات وزن متكررة. وقد تكون أفلام الحواجز عالية الأداء صعبة الاختبار بشكل خاص، لأن الإشارة المقاسة أو تغير الكتلة قد يكون ضئيلًا مقارنةً بالتأثيرات الخلفية.

لماذا تتطلب الأفلام القابلة للتحلل الحيوي اهتمامًا أكبر

لا تندرج كثير من المواد المسوّقة على أنها قابلة للتحلل الحيوي ضمن فئة واحدة متجانسة. فقد تختلف اختلافًا كبيرًا قابلية التركيبات القائمة على النشا، والأفلام القائمة على السليلوز، ومخاليط حمض البوليلاكتيك، وغيرها من المواد، لامتصاص الماء. كما تضيف المواد المضافة والطلاءات وتاريخ المعالجة مزيدًا من التباين. لذلك، يجب تقييم طريقة الاختبار وفق البنية الفعلية للفيلم، لا وفق وصفه بأنه قابل للتحلل الحيوي وحده.

قد تؤثر الرطوبة في المادة التي يجري قياسها

تمتص بعض الأفلام الرطوبة وقد تلين أو تنتفخ أو تتغير بنيتها الداخلية مع ارتفاع الرطوبة النسبية. وفي مثل هذه الحالات، قد لا يستجيب انتقال بخار الماء بطريقة خطية بسيطة لاختلاف الرطوبة عبر الفيلم. ولا ينبغي اعتبار نتيجة مقاسة عند تركيبة رطوبة معينة مكافئة لنتيجة تم الحصول عليها عند تركيبة أخرى.

في أعمال التقييم، سجّل الرطوبة النسبية على جانبي العينة، وليس قيمة بيئية واحدة فحسب. وتؤثر درجة الحرارة أيضًا في ضغط البخار وسلوك المادة والقوة الدافعة للانتقال. وإذا كانت العبوة المقصودة ستتعرض لمناخات متعددة، فقد يكشف الاختبار في أكثر من ظرف مبرر عن سلوك لا تظهره نتيجة واحدة.

التهيئة والاستقرار جزء من النتيجة

قد تختلف سوابق تعرض العينات للرطوبة قبل الاختبار تبعًا لظروف التخزين والمناولة والتصنيع. فقد يتصرف فيلم أُخذ من منطقة تخزين جافة بشكل مختلف عن اللفة نفسها بعد تعرضها لهواء رطب. وينبغي أن تتم التهيئة وفقًا للمعيار المختار وإجراء المختبر الموثق، مع تسجيل أي متطلبات خاصة بالمادة بوضوح.

أثناء الاختبار، راقب استقرار الاتجاه بدلًا من الاعتماد على الزمن المنقضي وحده. ففي الأفلام الحساسة للرطوبة، قد تشمل الاستجابة الأولية امتصاص العينة للرطوبة أو إطلاقها. وينبغي للمختبر تطبيق معايير قبول البيانات الواردة في المعيار المعني وتوثيق كيفية تحديد فترة إعداد التقرير.

من السهل إغفال السلامة المادية للعينة

قد تتجعد الأفلام الرقيقة أو تتمدد عند تركيبها. وقد تتشقق عينة هشة حول موضع الإحكام، كما قد يتضرر طلاء حساس للماء أثناء المناولة. ويمكن أن تُنشئ هذه العيوب مسارات انتقال لا تمثل المادة المقصودة. افحص العينة قبل الاختبار وبعده، وارفض العينات المتضررة بوضوح أو أخضعها للتحقيق وفقًا لإجراء المختبر.

بالنسبة إلى الأفلام المطلية أو متعددة الطبقات، حدّد السطح الذي يواجه الجانب المرطّب. فقد يكون للاتجاه أهمية عندما تستجيب الطبقات للرطوبة بطرق مختلفة. وحافظ على اتساق الاتجاه بين العينات المكررة وأدرجه في سجل الاختبار.

هل يمكن مقارنة نتائج ASTM F1249 وASTM E96/E96M مباشرةً؟

يمكن مقارنتها، لكن لا ينبغي افتراض تكافئها. فقد تختلف الطريقتان في التعرض للرطوبة، واتجاه تدفق البخار، ودعم العينة، وحركة الهواء، وترتيب الإحكام، وطريقة الكشف عن الانتقال. وقد تكون الاختلافات ملحوظة بشكل خاص في الأفلام الحساسة للرطوبة أو عندما تكون القياسات قريبة من الحد العملي للجهاز أو الميزان.

لذلك، لا يعني اختلاف الأرقام بالضرورة وجود تناقض بين نتيجة مورد وفق F1249 ونتيجة داخلية وفق E96/E96M. قبل استخلاص النتائج، تحقّق مما يلي:

• التسمية الدقيقة للمعيار وإصداره والإجراء المستخدم.
• درجة الحرارة والرطوبة النسبية على جانبي العينة.
• بنية الفيلم وسماكته واتجاهه وسجل تهيئته.
• مساحة الاختبار المعرضة وعدد العينات وطريقة التعامل مع العينات المكررة.
• كيفية تحديد استقرار الانتقال والوحدات المُبلّغ عنها.

إذا لزم استخدام الطريقتين عبر سلسلة التوريد، فمن الأساليب العملية اختبار مواد ممثلة في ظروف متقاربة قدر الإمكان، ضمن ما تسمح به الطريقتان. افحص مدى التوافق ضمن النطاق المعني بدلًا من تطبيق معامل تحويل شامل. وينبغي إعادة التحقق من أي علاقة تُحدَّد لتركيبة فيلم أو حالة رطوبة معينة قبل تطبيقها في حالات أخرى.

اختيار جهاز اختبار WVTR للأفلام القابلة للتحلل الحيوي

ابدأ بتحديد القرار الذي ينبغي أن تدعمه البيانات. فقد يقدّر فريق البحث الذي يفحص تركيبات جديدة إمكانية دراسة استجابة الرطوبة ومراقبة التغيرات أثناء الاختبار. وقد يعطي مختبر مراقبة الجودة الأولوية لإجراء قابل للتكرار ومتوافق مع مواصفات العميل. أما المختبر الذي يفصل في النزاعات فقد يحتاج إلى إمكانية تتبع قوية بشكل خاص لظروف الاختبار والمعايرة وسجلات العينات.

عند تقييم جهاز ASTM F1249، راعِ العوامل التالية وفقًا لحجم العمل المقصود:

• نطاق القياس والحساسية: تأكد من أن قيمة WVTR المتوقعة تقع ضمن النطاق المعلن والمنطبق للجهاز عند ظروف الاختبار المقصودة. واستفسر عن كيفية التحقق من الأداء بالقرب من الحد الأدنى لهذا النطاق.
• التحكم في درجة الحرارة والرطوبة: تحقّق من الإعدادات المتاحة وإمكانات التحكم وترتيبات المراقبة على جانبي الفيلم. وينبغي أن يكون بالإمكان تحقيق الظروف المطلوبة باستخدام العينة الفعلية وتهيئة خلية الاختبار.
• تركيب العينة: راجع هندسة الخلية والمساحة المعرضة وترتيبات الإحكام. وقد تتطلب العينات الرقيقة أو الملتفة أو ذات السماكة غير المعتادة عناية خاصة لتجنب التسرب أو التلف.
• المعايرة والتحقق: افهم إجراء المعايرة والمواد المرجعية أو المعايير المستخدمة عند الاقتضاء، وفترات الصيانة، وفحوص التسرب أو الإشارة الخلفية.
• الإنتاجية والسجلات: ضع في الحسبان سعة العينات ووقت التهيئة ومدة الاختبار وكيفية تسجيل النظام للظروف والنتائج. ولا تكون زيادة عدد الخلايا مفيدة إلا إذا كان تحضير العينات والتحكم البيئي قادرين على تلبية حجم العمل.

أما بالنسبة إلى ASTM E96/E96M، فتختلف مراجعة المعدات، لكنها لا تقل أهمية. إذ تؤثر دقة الميزان واستقرار الغرفة البيئية وأوعية الاختبار المناسبة وسلامة الإحكام وروتين الوزن المنضبط كلها في مدى موثوقية اتجاه تغير الكتلة. وينبغي للمختبر تقييم ما إذا كان من الممكن التمييز بثبات بين التغير المتوقع في الكتلة وتفاوت الوزن والتسرب خلال الفترة المختارة.

تُصنّع شركة Paratronix Instruments Co., Ltd. أجهزة اختبار التعبئة والتغليف، وتقدم حلول اختبار التعبئة والتغليف لمواد تشمل العبوات البلاستيكية وذات الحواجز العالية. وعند مناقشة تطبيق WVTR مع مورّد المعدات، قدّم بنية الفيلم ونطاق الانتقال المتوقع إن كان معلومًا ودرجة الحرارة والرطوبة المستهدفتين والمعيار أو طريقة العميل الواجب اتباعها. تساعد هذه التفاصيل على تقييم التهيئة المناسبة دون افتراض أن إعدادًا واحدًا للجهاز يلائم جميع المواد القابلة للتحلل الحيوي.

أنشئ سجل اختبار يمكن لمختبر آخر استخدامه

يصعب تقييم قيمة WVTR دون سياق. وينبغي أن يحدد التقرير، كحد أدنى، المادة واتجاه العينة والمعيار وإصداره والإجراء المستخدم وظروف درجة الحرارة والرطوبة أثناء الاختبار والمساحة المعرضة والتهيئة وعدد العينات والنتائج الفردية أو الملخصة. وسجّل السماكة وطريقة قياسها عند الاقتضاء، إلى جانب ملاحظات مثل التجعد أو الانتفاخ أو مشكلات الإحكام. واتبع متطلبات إعداد التقرير في المعيار المنطبق وأي مواصفات متفق عليها مع العميل.

ومن المهم أيضًا التمييز بين WVTR والنفاذية. يصف WVTR انتقال بخار الماء عبر العينة المختبرة في ظل ظروف محددة. أما النفاذية فهي خاصية للمادة مُطبّعة، وتُستمد باستخدام عوامل تشمل السماكة وفرق ضغط البخار، وفقًا للافتراضات والإجراء المستخدمين. ولا يؤدي قسمة قيمة WVTR على فرق رطوبة اعتباطي تلقائيًا إلى جعل نتائج الطرق المختلفة قابلة للمقارنة، ولا سيما بالنسبة إلى الأفلام التي يتغير سلوكها بتغير الرطوبة.

بالنسبة إلى المقيّم الفني، لا تقتصر النتيجة المفيدة على رقم منخفض، بل تتمثل في نتيجة يمكن تكرارها وتفسيرها وربطها ببيئة التعبئة والتغليف المقصودة. إن الاختيار بين ASTM F1249 وASTM E96/E96M مع مراعاة استجابة الفيلم للرطوبة وظروف الاختبار ومتطلبات إعداد التقرير يمنح هذا الرقم أساسًا أقوى بكثير لتطوير المواد ومراقبة الجودة.