كيف تؤثر درجة الحرارة والرطوبة في المقارنة بين قياسات معدل نفاذية بخار الماء (WVTR) في المختبرات؟

قد تختبر مختبران فيلم التغليف نفسه، لكنهما يبلّغان عن معدلي نفاذية مختلفين لبخار الماء (WVTR)، ولا سيما عند اختلاف ظروف درجة الحرارة والرطوبة. ويُعد فهم هذه الاختلافات ضروريًا لإجراء مقارنات ذات معنى في مجال تغليف المستحضرات الصيدلانية والمواد عالية الحاجزية. هل يمكن لجهاز اختبار WVTR اختبار رقائق الألومنيوم المركبة؟ نعم، شريطة أن يكون نطاق القياس وحد الكشف ملائمين لأداء الحاجزية للرقاقة. تؤثر درجة الحرارة وتدرجات الرطوبة وتهيئة العينة جميعها في النتيجة؛ لذلك تتطلب مقارنة تقارير المختبرات ما هو أكثر من التحقق من الرقم النهائي.

السؤال العملي هو ما إذا كان المختبران قد قاسا المادة نفسها في ظروف متكافئة وبحساسية كافية للتمييز بين انتقال الرطوبة الفعلي والرطوبة الخلفية والتسرب. وإلى أن يتأكد ذلك، لا يعني انخفاض قيمة WVTR المُبلّغ عنها بالضرورة أن الحاجزية أفضل.

قيمة WVTR نتيجة في ظل ظروف محددة، وليست ثابتًا عامًا للمادة

يصف WVTR كتلة بخار الماء التي تنفذ عبر عينة لكل وحدة مساحة ولكل وحدة زمن، ويُعبَّر عنه عادةً بوحدة g/(m²·day). وينبغي ذكر درجة حرارة الاختبار والرطوبة على جانبي العينة إلى جانب هذه القيمة. ومن دونها، تكون النتيجة غير مكتملة.

ينتقل بخار الماء استجابةً للاختلاف في الضغط الجزئي لبخار الماء. ويمكن وصف الانتقال تقريبًا، في فيلم متجانس مثالي وفي حالة مستقرة، بأنه حاصل ضرب النفاذية في فرق ضغط البخار مقسومًا على سُمك الفيلم. تساعد هذه العلاقة على تفسير الاتجاهات، لكنها ليست معادلة تحويل عامة لتغليف متعدد الطبقات.

في المواد المركبة، تسهم عدة طبقات في مقاومة الانتقال. ويمكن للمواد اللاصقة والبوليمرات الحساسة للرطوبة والعيوب والواجهات أن تغيّر الاستجابة. وقد لا تحافظ بنيتان لهما قيم WVTR متقاربة في أحد الظروف على الترتيب نفسه في ظروف أخرى. ويكتسب ذلك أهمية عندما يصبح تقرير تأهيل مادة مرجعًا للفحص الوارد أو اعتماد المورّد.

تغيّر درجة الحرارة القوة الدافعة واستجابة المادة معًا

تؤدي زيادة درجة حرارة الاختبار عادةً إلى ارتفاع انتقال بخار الماء عبر العبوات البوليمرية. ويتداخل في ذلك تأثيران، ويسهّل الفصل بينهما تفسير المقارنات المختبرية.

أحدهما هو القوة الدافعة الناتجة عن ضغط البخار. فالرطوبة النسبية هي نسبة مئوية من ضغط البخار المشبع عند درجة حرارة معينة. ولأن ضغط البخار المشبع يرتفع مع ارتفاع درجة الحرارة، فإن فرق الرطوبة النسبية نفسه عند درجة حرارة أعلى يمثّل فرقًا أكبر في الضغط الجزئي لبخار الماء.

أما التأثير الآخر فيحدث داخل المادة. إذ تغيّر درجة الحرارة امتزاز الماء والانتشار الجزيئي؛ ويزداد معدل الانتشار عمومًا مع ارتفاع درجة الحرارة. وتعتمد الاستجابة الإجمالية على البوليمر وبنيته المجهرية وتركيب المادة المركبة. لذلك لا ينبغي تطبيق تصحيح حراري وُضع لبنية واحدة تلقائيًا على بنية أخرى.

لهذا السبب، لا ينبغي اعتبار النتائج المستخلصة عند 23°C و38°C متكافئة، حتى لو ذكر التقريران الرطوبة النسبية الاسمية نفسها. يمكن لنماذج من نوع أرهينيوس أن تدعم الاستقراء الحراري ضمن نطاق جرى التحقق منه، لكنها تتطلب قياسات خاصة بالمادة وأدلة على استمرار صلاحية آلية الانتقال. ولا يُعد عامل التصحيح العام أساسًا سليمًا لاتخاذ قرار قبول بشأن تغليف المستحضرات الصيدلانية.

تحقق من التحكم الفعلي في الحجرة، وليس من نقطة الضبط فقط. فقد يؤثر عدم استقرار درجة الحرارة في العينة وتوليد الرطوبة والإشارة المقاسة. وفي المواد منخفضة النفاذية، تصبح المساهمات الصغيرة غير المضبوطة أكثر أهمية لأن إشارة العينة تكون صغيرة أصلًا.

عبارة «90% RH» لا تصف ظروف الرطوبة كاملةً

يترك التقرير الذي يذكر «90% RH» فقط سؤالًا مهمًا بلا إجابة: ما مستوى الرطوبة على الجانب المقابل من العينة؟ فالجانب الرطب عند 90% RH في مواجهة غاز حامل جاف اسميًا لا يعادل مواجهته بيئة عند 50% RH.

عندما تكون درجة الحرارة متساوية على الجانبين، يتناسب فرق ضغط البخار مع فرق الرطوبة النسبية. لكن تناسب القوى الدافعة لا يضمن تناسب قيم WVTR. فبعض البوليمرات تمتص رطوبة أكثر عند مستويات رطوبة أعلى، ما يغيّر سلوك انتقالها. لذلك قد يكون تطبيع النتائج بقسمة قيمة WVTR على فرق الرطوبة النسبية وحده مضللًا.

لإجراء مقارنة ذات معنى، حدّد ما يلي:

• الرطوبة المحددة على كلا الجانبين، بما في ذلك المقصود بعبارة «جاف» في طريقة الاختبار.
• ما إذا كانت الرطوبة النسبية المذكورة قيمة مستهدفة أم حالة جرى التحقق منها.
• أي وجه من المادة المركبة واجه الجانب الرطب.
• ما إذا كان اختلاف درجات الحرارة قد يتسبب في تغيّرات موضعية غير مقصودة في الرطوبة أو في حدوث تكاثف.

يستحق اتجاه وضع العينة اهتمامًا خاصًا في المواد المركبة غير المتماثلة. فقد يؤثر في امتصاص الرطوبة والوقت اللازم للاستقرار، كما قد يؤثر في الانتقال المقاس عندما تعتمد خصائص الطبقات على الرطوبة الموضعية. سجّل اتجاه العينة، ولا تفترض أن قلب عينة متعددة الطبقات لا يحدث فرقًا.

قد تفسر تهيئة العينة والوصول إلى الاتزان اختلافًا ظاهريًا بين المختبرات

لا يقيس المستشعر في البداية الانتقال المستقر وحده. فقد تسهم الرطوبة الموجودة مسبقًا في العينة أو الأختام أو الأنابيب أو خلية الاختبار في الإشارة العابرة. وقد تتصرف عينة نُقلت من تخزين رطب بطريقة مختلفة عند بدء الاختبار عن عينة حُفظت في بيئة جافة.

ينبغي أن تتم تهيئة العينة وفقًا للطريقة المعمول بها أو بروتوكول متفق عليه. ولا ينبغي ارتجالها لمجرد تقصير مدة الاختبار. فقد يؤدي التجفيف الشديد للعينة إلى تغيير تاريخها الرطوبي أو التأثير في مكوناتها الحساسة، في حين أن التهيئة غير الكافية قد تترك إشارة إزالة امتزاز ممتدة.

تحتاج المختبرات أيضًا إلى تعريف موحد للاتزان. إن إنهاء كل اختبار بعد عدد ثابت من الساعات لا يثبت أن كل مادة قد وصلت إلى الحالة المستقرة. وقد تتطلب البنى عالية الحاجزية والطبقات الماصة للرطوبة فترة استقرار أطول. وعلى العكس، لا يثبت منحنى مسطح قريب من خلفية الجهاز وحده أن معدل الانتقال الحقيقي قد حُدد بدقة.

عند تعارض النتائج، اطلب منحنيات الانتقال مقابل الزمن ومعايير إنهاء الاختبار. فقد تخفي القيمة النهائية المُبلّغ عنها انجرافًا مستمرًا أو ظاهرة عابرة مبكرة أو إشارة قريبة جدًا من حد القياس الأدنى بحيث لا تسمح بقياس كمي موثوق.

يتطلب اختبار المواد المركبة برقائق الألومنيوم ما هو أكثر من مواصفة نطاق قياس منخفض

تشكّل طبقة رقائق الألومنيوم السليمة حاجزًا استثنائيًا أمام الرطوبة. لكن في المادة المركبة الفعلية، قد تتأثر النتيجة المقاسة بالثقوب الدقيقة أو التلف الناتج عن الثني أو الحواف المكشوفة أو التسرب حول ختم الاختبار. ويمكن لجهاز اختبار WVTR مناسب تقييم البنية، لكن يجب على المختبر إثبات أن القراءة تمثل الانتقال عبر مساحة العينة المحددة.

ابدأ بنطاق القياس المعتمد لدرجة الحرارة والرطوبة والمساحة المكشوفة المقصودة، لا بأدنى رقم في كتيّب المنتج فحسب. اسأل عن كيفية تحديد حد الكشف وحد القياس الكمي، وكيفية تقييم الخلفية في الخلية، وما مقدار عدم اليقين قرب النتيجة المتوقعة. هذه مسائل مترابطة، لكنها ليست مواصفات قابلة للاستبدال بعضها ببعض.

إذا كان الانتقال أدنى من حد الإبلاغ المعتمد، فأبلغ عنه بأنه أدنى من ذلك الحد في الظروف المحددة. لا تصفه بأنه «صفر WVTR»، ولا ترتّب مادتين مركبتين استنادًا إلى فروق رقمية غير محسومة تقع دون القدرة الموثوقة للطريقة.

ينبغي أيضًا التدقيق في طريقة التثبيت. فقد يهيمن تسرب الحواف أو تسرب الختم على إشارة الانتقال الضئيلة جدًا عبر الفيلم. ويجب أن تكون الأقنعة ومواد الإحكام والتجهيزات متوافقة مع الطريقة، كما ينبغي تقييم مساهمتها. وتقلل المساحة المكشوفة الأصغر إجمالي الرطوبة التي تصل إلى الكاشف عند قيمة WVTR معينة، ما قد يصعّب قياس المعدلات المنخفضة.

أخذ العينات قيد آخر أيضًا. فالعينة المسطحة الخالية من العيوب لا تثبت أداء الحاجزية لعبوة محوّلة كاملة. وعندما يُحتمل أن يؤدي التجعيد أو التشكيل أو الإحكام إلى تلف رقائق الألومنيوم، قيّم عينات تمثل تاريخ المعالجة هذا، وفكّر في إجراء اختبارات تكميلية لسلامة العبوة. فنفاذية الفيلم وتسرب العبوة يجيبان عن سؤالين مختلفين.

طابق طريقة الاختبار قبل الحكم على الفرق

يتناول ASTM F1249 قياس انتقال بخار الماء عبر الأفلام والصفائح البلاستيكية باستخدام مستشعر أشعة تحت الحمراء معدّل. وتغطي سلسلة ISO 15106 الأساليب الآلية لتحديد انتقال بخار الماء عبر الأفلام والصفائح البلاستيكية، بينما يتناول ASTM E96/E96M قياسات انتقال بخار الماء بالوزن. ولا تجعل هذه المراجع الطرق المختلفة متكافئة تلقائيًا. تحقّق من نطاق الطريقة والإجراء والطبعة الحالية الملائمة للمادة والغرض.

قد تؤدي مبادئ الكشف وترتيبات الخلايا وإجراءات التشغيل المختلفة إلى اختلاف القدرات العملية للقياس. وحتى المختبرات التي تستند إلى المعيار نفسه قد تستخدم ظروفًا مسموحًا بها مختلفة أو تفاصيل مختلفة لإعداد العينات.

ينبغي أن يتضمن سجل المقارنة المفيد ما يلي:

• هوية العينة: التركيب والسُمك والدفعة وموقع أخذ العينة وتاريخ المعالجة ذي الصلة.
• ظروف التعريض: درجة الحرارة والرطوبة على كلا الجانبين والاتجاه والمساحة المكشوفة.
• الإجراء: الطريقة والتهيئة والتثبيت وإعدادات الغاز الحامل عند الاقتضاء ومعايير الاتزان.
• جودة القياس: فحوص الخلفية وسجلات التحقق وحد الإبلاغ والنتائج المكررة وعدم اليقين عند توفره.

تساعد القياسات المكررة على التمييز بين تفاوت الجهاز وتفاوت العينات. وفي المواد المركبة برقائق الألومنيوم، قد تشير النتائج المتباينة إلى عيوب موضعية أو تلف ناتج عن المناولة، لا إلى عدم استقرار التحكم في الرطوبة. تحرَّ هذه الاحتمالية قبل حساب متوسط القراءات وتحويله إلى قيمة قبول واحدة.

أنشئ بروتوكول مقارنة يستند إلى القرار المطلوب اتخاذه

لتأهيل المورّد، اتفق على ظروف مرجعية وبروتوكول إبلاغ موحدين قبل تبادل العينات. استخدم مادة من الدفعة نفسها، ووثّق توزيع العينات، ووحّد التهيئة والاتجاه. وإذا استمر الاختلاف، فقد تساعد مقارنة بين مختبرات باستخدام عينات مشتركة ومادة مرجعية مناسبة على فصل تفاوت المادة عن الاختلافات المرتبطة بالطريقة.

لاختيار المعدات، حدّد أولًا نطاق WVTR المتوقع وحد القبول. ثم قيّم الحساسية والتحكم البيئي وترتيبات الإحكام ومعايير الاستقرار وإجراءات التحقق. ويكون اختبار المواد المركبة الممثلة أكثر إفادة من مقارنة الحساسية الاسمية للمستشعر وحدها.

تطوّر شركة Paratronix Instruments Co., Ltd. أجهزة اختبار التغليف وتصنّعها لتغليف المستحضرات الصيدلانية والتغليف البلاستيكي والمواد عالية الحاجزية، إلى جانب تقديم حلول أوسع لاختبار التغليف. وعند مناقشة الأمر مع مورّد المعدات، قدّم تركيب المادة المركبة ومستوى الحاجزية المتوقع وظروف الاختبار المطلوبة والطريقة ذات الصلة. تتيح هذه التفاصيل تقييم التهيئة المقترحة في ضوء مهمة القياس الفعلية.

ليس السؤال الحاسم أي مختبر يبلّغ عن أقل قيمة WVTR، بل ما إذا كانت النتيجتان تصفان ظروف تعريض متطابقة وعينة مستقرة وإشارة تستطيع الطريقة قياسها بموثوقية. تحقّق من هذه النقاط قبل تعديل مواصفة أو رفض مادة أو عزو الفرق إلى جهاز الاختبار.