كيف تؤثر الرطوبة في نتائج جهاز قياس معدل نفاذية الغاز

يمكن للرطوبة أن تغيّر أداء حاجز الغاز في غشاء التغليف، لذا فإن التحكم في الرطوبة ضروري عند تفسير نتائج جهاز قياس معدل نفاذية الغاز. وقد تحجب ظروف الرطوبة غير المتسقة المقارنات ذات الدلالة، وتعقّد تأهيل المواد، وتضعف الثقة في حماية التغليف. ويتوقف التأثير على المادة وغاز الاختبار ودرجة الحرارة والرطوبة على جانبي العينة، وليس على الظروف المحيطة في المختبر فحسب.

تظهر أهمية ذلك عندما تجتاز مادةٌ فحصَ الاستلام، لكنها تعطي نتيجة مختلفة أثناء تأهيل المورد. قبل اعتبار هذا الاختلاف عيبًا في التصنيع، تحقق مما إذا كان المختبران قد اختبرا المادة في الحالة الرطوبية نفسها. فقد يكون قياس غشاء جاف وقياس غشاء مرطّب صحيحين من الناحية الفنية، لكنهما يجيبان عن سؤالين مختلفين بشأن التغليف.

تغيّر الرطوبة العينة، وليس بيئة الاختبار فحسب

بالنسبة إلى كثير من أغشية البوليمرات الكثيفة، يُوصَف نفاذ الغاز عادةً بنموذج الذوبان والانتشار: يذوب الغاز في المادة ثم ينتشر عبرها. ويمكن للماء الذي يمتصه البوليمر أن يغيّر حركة الجزيئات وقابلية ذوبان الغاز. لذلك قد يتغيّر معدل النفاذ حتى مع بقاء سُمك العينة ومساحة تعرضها وضغط الغاز الاسمي دون تغيير.

يوضح EVOH هذا التحدي العملي. فحاجزه للأكسجين حساس للرطوبة، إذ يمكن للماء الممتص أن يخلّ بالتفاعلات بين سلاسل البوليمر ويزيد من حركتها. وقد يوفّر هيكل يحتوي على EVOH وهو جاف مقاومة ممتازة للأكسجين، بينما قد يقلّ هذا الأداء عند التعرض للرطوبة. وقد تُظهر مادة البولي أميد أيضًا سلوكًا يعتمد على الرطوبة، مع اختلاف الاستجابة باختلاف الدرجة والتركيب ودرجة الحرارة والغاز.

لا تحوّل ذلك إلى قاعدة مفادها أن «ارتفاع الرطوبة يعني دائمًا ارتفاع نفاذ الغاز». فبعض البوليمرات أقل تأثرًا، كما أن الماء قد يؤثر بطرائق مختلفة في الانتشار والذوبان. وفي الأغشية المطلية أو متعددة الطبقات، تعتمد الاستجابة المقاسة أيضًا على سلامة الطلاء وترتيب الطبقات وسرعة وصول الرطوبة إلى طبقة الحاجز.

لا يمكن استخدام نتيجة معدل نفاذ الأكسجين للتنبؤ تلقائيًا بنفاذ ثاني أكسيد الكربون في ظروف الرطوبة نفسها، لأن التفاعل بين الغاز والبوليمر يختلف. وبالمثل، لا تغني نتيجة حاجز الغاز عن قياس نفاذ بخار الماء.

عبارة «تم الاختبار عند 50% RH» لا تحدد الظروف كاملةً

لا تكون الرطوبة النسبية ذات معنى من دون تحديد درجة الحرارة والموقع. هل كانت 50% RH هي حالة المختبر، أم إعداد حجرة التكييف، أم رطوبة الغاز الملامس للعينة؟ وهل طُبقت على جانب غاز الاختبار، أم جانب الغاز الحامل، أم كليهما؟

فعلى سبيل المثال، لا ينتج عن تيار غني بالأكسجين عند 50% RH يواجه تيارًا حاملًا جافًا اسميًا التوزيع نفسه للرطوبة الذي ينتج عن تطبيق 50% RH على الجانبين. في الترتيب الأول، تنتقل الرطوبة عبر العينة بفعل تدرج الرطوبة. أما في الترتيب الثاني، فقد يقترب الغشاء من حالة رطوبة أكثر تجانسًا. ويمكن لهذه الظروف أن تؤدي إلى نتائج مختلفة لمعدل نفاذ الأكسجين من دون أن يكون أي من الجهازين معطلًا.

وتستحق درجة الحرارة القدر نفسه من الاهتمام. فالرطوبة النسبية تعبّر عن ضغط بخار الماء مقارنةً بضغط الإشباع عند درجة الحرارة المحلية. وقد يقترب تيار مرطّب يمر عبر خط أبرد من نقطة الندى ويتكاثف. وعند ظهور الماء السائل، تكون ظروف التعرض المقصودة لبخار الماء قد اختلت؛ كما قد تؤثر القطرات في مسارات التدفق أو تشغيل الكاشف، بحسب الجهاز.

لإعداد تقارير قابلة للمقارنة، سجّل درجة حرارة العينة والرطوبة على كل جانب وتركيب الغاز وظروف الضغط واتجاه الغشاء. وتُعد الرطوبة النسبية المحيطة في الغرفة معلومة خلفية مفيدة، لكنها لا تحل محل الظروف داخل خلية الاختبار.

وقت التكييف ووقت القياس مسألتان مختلفتان

لا تكتسب العينة المأخوذة من تخزين محكم الإغلاق محتوى الرطوبة في حجرة التكييف فورًا. ويتوقف امتصاص الماء على السُمك وكيمياء البوليمر وتركيب الرقائقي وسجل التعرض. وفي حالة وجود طبقة حاجز مدفونة، قد تؤخر الطبقات الخارجية وصول الرطوبة حتى بعد اتزان السطح المعرّض.

وهذا يخلق خطأً شائعًا: يكيّف المشغّل كل غشاء للمدة الثابتة نفسها ويفترض أن كل غشاء أصبح جاهزًا. وينبغي أن تتبع مدة التكييف العملية الطريقة المعمول بها أو إجراءً داخليًا جرى التحقق من صلاحيته. وعندما يكون ذلك مسموحًا ومناسبًا، يمكن أن يساعد ثبات الكتلة في تقييم اتزان الرطوبة، لكنه لا يثبت بحد ذاته الوصول إلى حالة الاستقرار في نفاذ الغاز.

قد تستمر العينة في التغيّر بعد تركيبها. فالغشاء المكيّف في جو رطب والموجود بين تياري غاز جافين قد يجف تدريجيًا أثناء القياس. وعلى العكس، قد يُظهر الغشاء الجاف المعرّض لغاز رطب معدل نفاذ متغيرًا مع اختراق الرطوبة للتركيب. وقد يكون الجهاز يتتبع تطور المادة، لا مجرد استقرار الكاشف.

احتفظ بمنحنى النفاذ الكامل بمرور الوقت. ولا ينبغي اعتبار نتيجة رقمية أُبلغ عنها قبل استيفاء معيار الاستقرار المحدد في الطريقة مكافئةً لقيمة الحالة المستقرة. كما ينبغي التحقق من أي مقطع مستوٍ إذا لم تكن الرطوبة نفسها قد استقرت.

اختر الطريقة بما يتناسب مع سؤال الرطوبة

عند اختبار الأكسجين باستخدام مستشعر كولومتري، يُعد ASTM D3985 وASTM F1927 مرجعين ذوي صلة، لكن لا ينبغي التعامل معهما كتسميتين قابلتين للتبادل. إذ يتناول ASTM F1927 تحديدًا نفاذ غاز الأكسجين ونفاذيته ومعدل نفاذيته عند رطوبة نسبية مضبوطة. ويُستخدم ASTM D3985 على نطاق واسع لاختبار نفاذ الأكسجين باستخدام مستشعر كولومتري؛ وينبغي التحقق من الظروف والإجراءات المطبقة في الإصدار المستخدم.

تتطلب الغازات الأخرى أو مبادئ القياس المختلفة اختيار طرق مختلفة. فعلى سبيل المثال، يتناول ASTM D1434 خصائص نفاذ الغاز في الأغشية والصفائح البلاستيكية، لكن الاستشهاد به وحده لا يثبت قدرة جهاز بعينه على الحفاظ على ظروف الرطوبة التي يتطلبها المشروع. تحقّق من الطريقة وتجهيز الجهاز ونطاق التشغيل الذي جرى التحقق من صلاحيته معًا.

يظل الاختبار الجاف مفيدًا عندما تحدد المواصفة عمدًا الأداء في الحالة الجافة. والخطأ هو استخدام هذه النتيجة دليلًا على الأداء في ظروف الخدمة الرطبة من دون بيانات داعمة. وبالمقابل، فإن إضافة الرطوبة إلى اختبار قبول معتمد تغيّر الإجراء، وقد تتطلب تعديل حدود القبول بدلًا من مقارنتها مباشرةً بنتائج الاختبارات الجافة السابقة.

ميّز أيضًا بين معدل النفاذ والنفاذية. يصف معدل النفاذ مرور الغاز عبر العينة المختبرة في ظل ظروف محددة. أما تحويله إلى قيمة نفاذية للمادة، فيتطلب مراعاة السُمك ومعالجة الضغط ذات الصلة. وفي الهياكل متعددة الطبقات، قد تخفي قيمة واحدة مطبّعة بحسب السُمك مساهمة كل طبقة على حدة.

ما الذي ينبغي التحقق منه عندما تبدو نتائج الاختبار الرطب غير صحيحة

عندما ترتفع النتيجة بعد الترطيب، يكون تأثر المادة بالرطوبة احتمالًا واردًا، لكن لا ينبغي أن يكون ذلك التشخيص الأول والوحيد. استخدم نمط الإشارة وفحوصات الجهاز للتمييز بين سلوك العينة ومشكلات القياس.

• تغيّر تدريجي خلال فترة تشغيل طويلة: تحقّق من اتزان الرطوبة وسجل التكييف واستقرار تيار الغاز قبل استنتاج أن الغشاء معيب.
• قفزة مفاجئة بعد تغيير الرطوبة: تحقّق من الاضطرابات العابرة أثناء التبديل واضطراب الضغط والتكاثف أو تأثر إحكام إغلاق العينة.
• قراءات أعلى من المتوقع في غشاء ذي حاجز عالٍ: افحص التسربات وإحكام الحواف والإشارة الخلفية، وتحقق مما إذا كانت النتيجة قريبة من قدرة القياس التي جرى التحقق من صلاحية النظام لها.
• نتائج مختلفة بعد قلب العينة: تحقّق من اتجاه الطبقات وتحديد الرطوبة لكل جانب. فقد يتعرض الرقائقي غير المتماثل لتوزيعات مختلفة للرطوبة عند قلبه.
• ضعف قابلية التكرار بعد الاختبارات الرطبة: راجع إجراءات التطهير والرطوبة المتبقية ومتطلبات الكاشف وحالة الحشيات والأنابيب.

يغيّر الترطيب أيضًا تركيب الغاز. فإذا خُلط الأكسجين ببخار الماء عند ضغط كلي ثابت، اختلف ضغطه الجزئي عن حالته في الغاز الجاف. استخدم الحساب المحدد في الطريقة ومعالجة الجهاز الموثقة على أساس الغاز الرطب أو الجاف؛ ولا تطبق تصحيحًا للرطوبة من ابتكارك.

عند معدلات النفاذ المنخفضة جدًا، تزداد الأهمية النسبية للتسربات الصغيرة والمساهمات الخلفية. ويوفر استخدام غشاء مرجعي وإجراء فحص مناسب للتسرب والتحقق من الرطوبة قيمة تشخيصية أكبر من تكرار اختبار عينات إضافية باستخدام إعداد لم يتم التحقق منه.

أعدّ مواصفةً يمكن لمختبر آخر إعادة تطبيقها

تترك مواصفة الشراء التي تكتفي بعبارة «معدل نفاذ الأكسجين أقل من الحد المتفق عليه» مجالًا واسعًا للخلاف. حدّد الطريقة وإصدارها ودرجة الحرارة والرطوبة على الجانبين وظروف الغاز والضغط وإجراء التكييف واتجاه العينة ووحدات الإبلاغ ومعيار الاستقرار. وحدّد كذلك التركيب والسُمك اللذين خضعا للاختبار.

بالنسبة إلى مواد التغليف الحساسة للرطوبة، قد يكون من المفيد الفصل بين اختبار القبول الروتيني وتأهيل التطبيق. فالظروف المرجعية المضبوطة بدقة تدعم المقارنة بين الدفعات. أما الاختبارات الإضافية في ظروف رطبة، فتُقيّم ما إذا كان التركيب يحافظ على حاجز كافٍ في ظل التعرض المقصود. ويخدم الاختباران غرضين مختلفين، ولا ينبغي أن يحل أحدهما محل الآخر ضمنيًا.

في تغليف المستحضرات الصيدلانية، تدعم بيانات النفاذ على مستوى الغشاء اختيار المواد، لكنها لا تثبت وحدها مستوى الحماية الذي توفره العبوة النهائية. فالإحكام ووسائل الإغلاق والأضرار الناتجة عن التشكيل وهندسة العبوة وظروف التخزين وحساسية المنتج عوامل مهمة أيضًا. ولا يمكن لنتيجة غشاء مسطح ذي حاجز عالٍ أن تستبعد التسرب أو فقدان الحاجز بعد التحويل.

اختر المعدات بناءً على ظروف التعرض التي تحتاج إلى إعادة تطبيقها

عند تحديد مواصفات جهاز قياس معدل نفاذية الغاز، لا تكتفِ بالسؤال عما إذا كان يتيح ضبط الرطوبة. تحقّق من الجانب الذي يمكن ترطيبه، وموضع قياس الرطوبة، وطريقة التحكم في درجة الحرارة، وكيفية منع التكاثف، والغازات والكواشف المتوافقة مع الظروف المقترحة. واطلب تأكيد الأداء ضمن نطاق النفاذ المطلوب وتحت تلك الظروف، لا في التشغيل الجاف فحسب.

تطوّر شركة Paratronix Instruments Co., Ltd. وتصنّع أجهزة اختبار التغليف لتغليف المستحضرات الصيدلانية ومواد التغليف البلاستيكية والتطبيقات ذات الحواجز العالية. وعند مناقشة الاحتياجات مع مُصنّع المعدات، تكون نقطة البداية المفيدة هي التركيب الكامل للعينة وبروتوكول الاختبار المقصود. وينبغي تأكيد إمكانات التحكم المحددة في الرطوبة للتجهيز المختار بدلًا من استنتاجها من فئة المنتج العامة.

قبل اعتماد مادة استنادًا إلى نتيجة في ظروف رطبة، أجرِ فحصًا أخيرًا: هل يستطيع مختبر آخر إعادة تطبيق التعرض للرطوبة اعتمادًا على التقرير وحده؟ إذا لم يكن ذلك ممكنًا، فاستكمل الظروف الناقصة قبل استخدام النتيجة لقبول المورد أو اتخاذ قرارات بشأن حماية التغليف.