ما مدى قدرة فيلم الحاجز على منع الأكسجين من الوصول إلى المنتج الموجود بداخله؟ يقيس جهاز اختبار نفاذية الأكسجين لأفلام الحاجز معدل مرور الأكسجين عبر مادة ما في ظل ظروف محددة، مما يساعد المصنّعين على تقييم أدائها الوقائي.

تكتسب هذه القياسات أهمية خاصة لمواد التعبئة والتغليف المستخدمة في الأغذية والأدوية وغيرها من التطبيقات الحساسة للأكسجين. ويساعد فهم دلالات النتائج على مقارنة الأفلام وتقييم جودتها واختيار المواد المناسبة لمتطلبات التعبئة والتغليف لديك.

ما الذي يقيسه جهاز اختبار نفاذية الأكسجين فعليًا؟

يحدد جهاز اختبار نفاذية الأكسجين مدى سرعة انتقال الأكسجين عبر فيلم يفصل بين بيئتين تختلفان في تركيز الأكسجين أو ضغطه الجزئي. وتصف النتائج معدل الانتقال في ظل ظروف الاختبار المحددة.

أكثر النتائج شيوعًا لأفلام التعبئة والتغليف هي معدل انتقال الأكسجين، أو OTR. ويشير انخفاض OTR عمومًا إلى مرور كمية أقل من الأكسجين عبر مساحة الاختبار بمرور الوقت.

على سبيل المثال، ينقل فيلم تبلغ قيمة OTR له 2 cm³/m²/day كمية أكسجين أقل من فيلم تبلغ قيمته 10 cm³/m²/day، شريطة الحصول على النتيجتين في ظروف قابلة للمقارنة.

تفيد هذه المقارنة في الفحص الأولي للمواد، لكنها لا تحدد مدة صلاحية المنتج بمفردها. كما يؤثر في التعرض للأكسجين كل من تركيب العبوة وظروف التخزين وحساسية المنتج.

بحسب الجهاز والطريقة، قد يوفر الاختبار أيضًا بيانات تُستخدم لحساب النفاذية. يرتبط OTR بالنفاذية، لكن لكل منهما دلالة مختلفة.

ما الفرق بين معدل انتقال الأكسجين والنفاذية؟

يصف OTR انتقال الأكسجين عبر عينة محددة بسماكتها عند الاختبار. ويُعبّر عنه عادةً بالسنتيمتر المكعب من الأكسجين لكل متر مربع في اليوم.

تتضمن بعض التقارير فرق الضغط الجزئي للأكسجين في الوحدة، مثل cm³/m²/day/atm. تحقّق دائمًا من المعيار وأعراف إعداد التقارير قبل مقارنة القيم.

النفاذية خاصية للمادة تربط معدل الانتقال بسماكة العينة وفرق الضغط الجزئي للأكسجين، في ظل ظروف محددة وافتراضات مناسبة بشأن المادة.

في فيلم متجانس وفي ظروف الحالة المستقرة، يمكن حساب النفاذية من معدل الانتقال المقاس وسماكة الفيلم وفرق الضغط الجزئي للأكسجين عبر العينة.

يفيد هذا الحساب بوجه خاص عند مقارنة أفلام من المادة نفسها بسماكات مختلفة. وهو يفترض اتساق سلوك المادة وتوافق الظروف الواردة في التقرير.

تتطلب أفلام الحاجز متعددة الطبقات عناية أكبر. إذ يعتمد أداؤها الإجمالي على سماكة كل طبقة وخصائصها، لذا تمثل القيمة المحسوبة الواحدة التركيب المختبَر بأكمله.

تحقّق مما إذا كانت المواصفة تشير إلى OTR لفيلم نهائي أو إلى نفاذية مادة. فالخلط بين هاتين القيمتين قد يؤدي إلى قرار شراء أو تصميم غير مناسب.

كيف يُجرى الاختبار؟

يتضمن اختبار الأفلام النموذجي وضع عينة مسطحة بين حجرتين. وتُحكم العينة عند حوافها بحيث لا يمر الأكسجين إلا عبر مساحة الاختبار المكشوفة.

يُعرّض أحد الجانبين لغاز يحتوي على الأكسجين بتركيب محدد، بينما يكون الضغط الجزئي للأكسجين على الجانب الآخر أقل. ويؤدي هذا الفرق إلى انتقال الأكسجين عبر الفيلم.

عندما يصل الأكسجين إلى الجانب المستقبل، يرصد الجهاز كميته أو يقيسها بطريقة أخرى. ويستخدم الحساب تدفق الأكسجين المقاس ومساحة التعرض لتحديد معدل الانتقال.

تستخدم بعض الأنظمة غازًا حاملًا لنقل الأكسجين النافذ إلى مستشعر. وتستخدم طرق أخرى تغيرات الضغط أو تركيز الغاز، بحسب الجهاز والمعيار المعمول به.

يستمر الاختبار عمومًا حتى استيفاء شروط القياس المطلوبة، والتي تشمل غالبًا الوصول إلى معدل انتقال مستقر. وقد تحتاج أفلام الحاجز العالي إلى وقت أطول للوصول إلى نتيجة نهائية موثوقة.

قد تحتاج العينات إلى تهيئة مسبقة عند درجة حرارة ورطوبة محددتين قبل الاختبار. وتُعدّ خطوات التحضير والإحكام وفحص التسرب مهمة، لأن التسرب البسيط قد يشوّه نتيجة انخفاض معدل الانتقال.

ما الظروف التي تؤثر في نتيجة انتقال الأكسجين؟

لا تكون قيمة OTR ذات دلالة إلا إذا كانت ظروف الاختبار معروفة. فقد يعطي الفيلم نفسه نتائج مختلفة عند تغيّر درجة الحرارة أو الرطوبة أو تركيبة الغاز أو سماكة العينة.

درجة الحرارة

يمر الأكسجين عمومًا عبر أفلام البوليمر بسرعة أكبر مع ارتفاع درجة الحرارة، إلا أن مقدار هذا التأثير يعتمد على المادة وظروف الاختبار.

لذلك قد تختلف النتيجة المقاسة في درجة حرارة الغرفة عن نتيجة مقاسة في ظروف التبريد أو عند درجات حرارة مرتفعة. اختر ظروفًا مناسبة للمقارنة أو التطبيق الجاري تقييمه.

الرطوبة النسبية

قد تؤثر الرطوبة تأثيرًا كبيرًا في طبقات الحاجز الحساسة للرطوبة. فعلى سبيل المثال، قد تنخفض قدرة الحاجز للأكسجين في بعض التركيبات التي تحتوي على EVOH مع ارتفاع الرطوبة النسبية.

تحقّق من الرطوبة المحددة على كل جانب من الفيلم عند مراجعة التقرير. فقد لا تكون القيم المقاسة في ظروف جافة ورطبة قابلة للمقارنة مباشرةً.

سماكة الفيلم وتركيبه

في مادة متجانسة، يوفر ارتفاع سماكة العينة عمومًا مسارًا أطول للأكسجين، وقد يؤدي إلى انخفاض OTR، بافتراض ثبات الظروف الأخرى ذات الصلة.

في الأفلام متعددة الطبقات، تؤثر طبقة الحاجز وسماكتها وحالتها إلى جانب السماكة الكلية. ولا يعني ازدياد سماكة الصفائح المركبة ككل تلقائيًا تحسن حاجز الأكسجين.

الضغط الجزئي للأكسجين ومساحة التعرض

يحدد تركيز الأكسجين وضغطه على كل جانب القوة الدافعة للانتقال. وينبغي أن تحدد التقارير غاز الاختبار وظروف الضغط ذات الصلة.

كما يحتاج الجهاز إلى مساحة العينة المكشوفة الصحيحة لحساب OTR. وقد تؤدي موانع التسرب غير المحكمة أو إدخال مساحة غير صحيحة إلى تقويض النتائج، ولا سيما عند اختبار مواد الحاجز العالي.

كيف ينبغي قراءة تقرير اختبار OTR؟

ابدأ بالقيمة والوحدة الواردتين في التقرير، ثم تحقّق من طريقة الاختبار ودرجة الحرارة والرطوبة وسماكة العينة وظروف الغاز قبل استخلاص أي نتيجة.

تحقّق أيضًا مما إذا كان التقرير يحدد تركيب الفيلم وإجراء التهيئة المسبقة وعدد العينات وأي قيمة لعدم اليقين أو التباين ذات صلة. وتساعد هذه التفاصيل على تقييم مدى قابلية النتائج للمقارنة.

لنفترض أن موردَين أبلغا عن قيمتي OTR تبلغ إحداهما 1 والأخرى 3 cm³/m²/day. تبدو القيمة الأولى أفضل، لكن المقارنة تظل غير مؤكدة إذا اختلفت الرطوبة أو غازات الاختبار.

إذا اختُبر الفيلمان في الظروف ذات الصلة نفسها، فإن القيمة الأقل تشير إلى انتقال كمية أقل من الأكسجين عبر مساحة الفيلم المختبَرة. لكنها لا تضمن مع ذلك أداءً أفضل للعبوة.

ضع التباين في الحسبان إلى جانب المتوسط. فقد تشكل المادة ذات العيوب المتقطعة أو طبقات الحاجز غير المتسقة خطرًا على الجودة، حتى عندما تحقق نتيجتها المتوسطة الهدف المحدد.

في اختبارات القبول، اتفق مسبقًا مع المورد على الطريقة والظروف ووحدات الإبلاغ وحدود القبول. واحتفظ بسجلات تمثيلية للتحقق من أي تغيّرات بمرور الوقت.

هل يعني انخفاض OTR دائمًا أن العبوة أفضل؟

يشير انخفاض OTR إلى حاجز أكسجين أقوى للعينة المختبَرة في ظروف قابلة للمقارنة. وتعتمد قيمة هذا التحسن على المنتج والعبوة.

قد تستفيد الأغذية الحساسة للأكسجين من حاجز أقوى عندما يؤثر الأكسدة في النكهة أو اللون أو القيمة الغذائية. وقد تتطلب المستحضرات الصيدلانية أيضًا التحكم في الأكسجين استنادًا إلى بيانات ثبات المنتج.

لكن قد تكون الفائدة العملية المحدودة هي النتيجة حتى عند استخدام فيلم ذي قيمة OTR منخفضة جدًا، إذا كان الأكسجين يدخل أساسًا عبر اللحامات أو أغطية الإغلاق أو مكونات أخرى للعبوة.

وبالمثل، قد يؤثر الأكسجين الموجود مسبقًا في حيز الرأس بالعبوة أو الممتص من المنتج في الثبات. ولا يقيس اختبار الفيلم مستويات الأكسجين الأولية هذه.

تتطلب بعض المنتجات تبادلًا مضبوطًا للغازات بدلًا من أدنى معدل انتقال ممكن للأكسجين. فعلى سبيل المثال، قد تحتاج المنتجات الطازجة إلى عبوة مصممة بما يتناسب مع متطلبات تنفسها.

اختر قيمة OTR المستهدفة استنادًا إلى حساسية المنتج ومدة الصلاحية المقصودة وتصميم العبوة وظروف التخزين الواقعية. وأكّد الاختيار بإجراء اختبارات مناسبة للعبوة وثبات المنتج.

ما الذي يمكن أن يخبرك به اختبار الفيلم عن العبوة النهائية؟

يساعد اختبار الفيلم على تحديد خصائص المادة نفسها ومقارنة التراكيب المرشحة. وهو مفيد أثناء التطوير وتأهيل الموردين وفحص المواد الواردة ومراقبة جودة التصنيع.

تضيف العبوة النهائية عوامل أخرى، من بينها اللحامات والطيات وأغطية الإغلاق والإجهاد الناتج عن التشكيل والأضرار المحتملة. وقد تؤثر هذه الخصائص في طريقة وصول الأكسجين إلى المحتويات.

بحسب العبوة والطريقة، قد يبلغ اختبار العبوة الكاملة عن دخول الأكسجين لكل عبوة في اليوم. ولا ينبغي اعتبار هذه النتيجة مكافئة لقيمة OTR للفيلم المحسوبة لكل وحدة مساحة.

لإجراء تقدير مبسط، اضرب OTR للفيلم في مساحة الفيلم ذات الصلة لتقدير انتقال الأكسجين عبر تلك المساحة في ظروف مماثلة. ولا يشمل هذا التقدير مسارات الدخول الأخرى.

استخدم تقييم العبوة النهائية عندما يكون أداء اللحامات أو هندسة العبوة مهمًا. واجمع هذه النتائج مع دراسات ثبات المنتج لتحديد ما إذا كان النظام الكامل يفي بمتطلباته المقصودة.

ما المعايير المستخدمة لاختبار حاجز الأكسجين؟

يُستخدم ASTM D3985 على نطاق واسع لاختبار انتقال غاز الأكسجين عبر الأفلام والصفائح البلاستيكية باستخدام مستشعر كولومتري. وينبغي التحقق من إجراءاته ومدى انطباقه على المادة.

يتناول ASTM F1927 انتقال غاز الأكسجين عبر مواد الحواجز باستخدام كاشف كولومتري، مع ضبط الرطوبة النسبية. وقد يكون مناسبًا عندما تؤثر الرطوبة في أداء الحاجز.

يتضمن ISO 15105 طرقًا لتحديد معدلات انتقال الغاز عبر الأفلام والصفائح البلاستيكية. ويتوقف الجزء المعمول به على طريقة القياس ومتطلبات الاختبار.

قد تؤدي المعايير المختلفة وتكوينات الأجهزة وخيارات التهيئة المسبقة إلى نتائج يصعب مقارنتها مباشرةً. اذكر المعيار المحدد وإصداره المستخدمين في كل تقرير.

قبل اختيار طريقة، تحقّق من نطاق قياسها ومتطلبات العينات وإمكانية التحكم في الرطوبة ومدى ملاءمتها لمستوى الحاجز المتوقع. واتبع المعيار الحالي وتعليمات الجهاز.

ما الذي ينبغي البحث عنه عند اختيار جهاز اختبار نفاذية الأكسجين؟

ابدأ بالمواد التي تحتاج إلى اختبارها ونطاق OTR المتوقع لها. ويجب أن يتمكن الجهاز من قياس قيم منخفضة بما يكفي لعيناتك ذات الحاجز الأعلى وبحساسية مناسبة.

تحقّق من نطاق القياس القابل للاستخدام في ظروفك الفعلية، لا من حد الكشف المعلن فقط. واسأل عن كيفية تعامل النظام مع الأكسجين في الخلفية والتسرب والمعايرة وقابلية التكرار.

ينبغي أن تتوافق إمكانية التحكم في درجة الحرارة والرطوبة مع الظروف المطلوبة لمادتك ومواصفاتك. وقد يكون التحكم المستقل في الرطوبة مفيدًا عندما تتعرض سطوح الفيلم لبيئتين مختلفتين.

خذ في الحسبان حجم العينة وتحضيرها ومدة الاختبار وعدد خلايا الاختبار المتاحة. فهذه العوامل تحدد قدرة النظام على دعم حجم العمل المخبري المتوقع.

راجع المعايير المدعومة وميزات إعداد التقارير. وينبغي أن يحتفظ التقرير المفيد بظروف الاختبار وتعريف العينة والنتائج والمعلومات اللازمة لإمكانية التتبع.

وأخيرًا، قيّم الصيانة والمواد الاستهلاكية والتدريب والدعم الفني. توفر Paratronix Instruments أجهزة وحلولًا لاختبار مواد التعبئة والتغليف، بما في ذلك المواد البلاستيكية ومواد الحاجز العالي ومواد التغليف الصيدلاني.

الخلاصة: حوّل قيمة OTR إلى قرار مفيد

يقيس جهاز اختبار نفاذية الأكسجين مدى سهولة مرور الأكسجين عبر فيلم في ظل ظروف محددة. وتساعد نتيجة OTR على مقارنة المواد ومراقبة اتساق أداء الحاجز.

للاستفادة من هذه القيمة، تحقّق من الوحدات والطريقة ودرجة الحرارة والرطوبة والسماكة وظروف الضغط. وقارن النتائج المأخوذة في ظروف متماثلة، وتحقّق من التباين قبل اختيار المادة.

بعد ذلك، قيّم العبوة النهائية واحتياجات المنتج من حيث الثبات. فالحاجز المناسب هو الذي يدعم الأداء المطلوب طوال مدة الصلاحية وظروف التخزين المقصودتين.