يقيس جهاز اختبار نفاذية الأكسجين للأكياس معدل دخول الأكسجين إلى عبوة محكمة الإغلاق في ظل ظروف محددة. ويُعبَّر عادةً عن النتيجة بمعدل انتقال الأكسجين للعبوة بأكملها، أي حجم الأكسجين الذي يدخل إلى العبوة في اليوم. وتصف النتيجة أداء الكيس بعد تجميعه، بما في ذلك المادة واللحامات وأي مكونات مشمولة في الاختبار.

وهذا التمييز مهم، لأن الكيس المصنوع من غشاء عالي الحاجزية قد يسمح مع ذلك بمرور كمية من الأكسجين أكبر من المتوقع. إذ يمكن أن يؤثر ضعف اللحام أو انثناء منطقة ما أو سوء إحكام تركيب أحد الملحقات في أداء العبوة النهائية. لذلك يعطي معدل الانتقال المقاس صورة عن العبوة بوصفها نظامًا متكاملًا، فيما تحدد ظروف الاختبار كيفية تفسير النتيجة.

ما الذي يمثله معدل انتقال الأكسجين المُبلَّغ عنه؟

انتقال الأكسجين هو تحركه من أحد جانبي جدار العبوة إلى الجانب الآخر. وفي الاختبار، يُنشأ فرق في تركيز الأكسجين أو ضغطه الجزئي عبر الكيس. ويتحرك الأكسجين نحو الجانب الأقل احتواءً عليه، ويقيس الجهاز الكمية التي تصل إلى مستشعر على مدى فترة زمنية. ويمثل المعدل المُبلَّغ عنه هذا التدفق في ظل الظروف المحددة.

غالبًا ما يُعبَّر عن نتيجة الكيس بأكمله بوحدات مثل السنتيمتر المكعب لكل عبوة في اليوم. وينبغي تسجيل معيار قياس الحجم وظروف الإبلاغ، لأن حجم الغاز يتغير مع درجة الحرارة والضغط. ويشير المعدل الأقل إلى دخول كمية أقل من الأكسجين إلى العبوة المختبرة خلال وحدة الزمن وتحت تلك الظروف.

النتيجة معدل انتقال، وليست قراءة مباشرة لكمية الأكسجين الموجودة بالفعل داخل الكيس. كما أنها لا تحدد مقدار الأكسجين الذي يمكن للمنتج تحمله. وبالنسبة إلى عبوة ذات معدل انتقال مستقر، يوفر ضرب المعدل في مدة زمنية تقديرًا مبسطًا لكمية الأكسجين الداخلة، لكن ظروف التخزين الفعلية وتدرج الأكسجين قد يتغيران بمرور الوقت.

تستخدم بعض التقارير معدل انتقال محسوبًا لكل وحدة مساحة مكشوفة، مثل السنتيمتر المكعب لكل متر مربع في اليوم. وهذا مفيد عند مقارنة الأغشية المسطحة. أما القيمة الخاصة بالكيس النهائي والمُبلَّغ عنها لكل عبوة، فتشمل تأثير حجم العبوة وبنيتها المعروضة للاختبار. ولا يؤدي قسمة نتيجة العبوة على مساحة غشاء مفترضة بالضرورة إلى الحصول على خاصية موثوقة للمادة، ولا سيما عندما تسهم اللحامات أو الملحقات في دخول الأكسجين.

ما أجزاء الكيس التي تسهم في القياس؟

توجد عدة مسارات محتملة لدخول الأكسجين إلى الكيس النهائي. وغالبًا ما تكون ألواح الغشاء العريضة أكبر الأسطح المكشوفة، لكن العبوة تتضمن أيضًا لحامات حرارية وطيات وزوايا، وفي بعض التصميمات سحّابات أو فوهات أو صمامات أو أنواعًا أخرى من وسائل الإغلاق. ويشمل اختبار العبوة على مستوى العبوة إسهام المسارات المعرضة لجو الاختبار والمتصلة بالجزء الداخلي المقاس.

قد يتكون الغشاء نفسه من عدة طبقات. فالطبقة الحاجزية، مثل طبقة من رقائق الألومنيوم أو طبقة حاجزية مناسبة من البوليمر، تحد من انتقال الأكسجين، في حين توفر الطبقات الأخرى القوة أو قابلية اللحام أو الحماية. وتؤثر السماكة واستمرارية الطلاء وتلف الطبقة الحاجزية جميعها في أداء البنية النهائية. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي الثني المتكرر إلى حدوث عيوب في طبقة حاجزية هشة، حتى عندما يبدو السطح الخارجي مقبولًا بصريًا.

وتطرح اللحامات مسألة مختلفة. إذ تحتوي منطقة اللحام على مادة مندمجة، ويعتمد أداؤها على طريقة تشكيل الكيس وإغلاقه. وقد يؤدي التلوث في اللحام أو التجاعيد الممتدة عبره أو عدم اكتمال الاندماج إلى نشوء مسار لا يرتبط بأداء الحاجز المقاس على عينة غشاء ملساء. كما يحتوي الكيس ذو القاعدة المطوية على طيات ونقاط التقاء تلتقي عندها عدة طبقات، ما يجعل شكله الهندسي مؤثرًا في النتيجة النهائية.

ولا تحدد نتيجة العبوة بأكملها تلقائيًا المنطقة التي تسببت في دخول الأكسجين. فإذا كان معدل الكيس أعلى من المتوقع، فقد يساعد فحص اللحامات والملحقات، أو مقارنته ببيانات الغشاء المسطح، أو اختبار عينات مجهزة بشكل منفصل، في تحديد السبب. وتظل القيمة الأصلية قياسًا مجمعًا للعبوة المختبرة.

كيف يحدد الاختبار دخول الأكسجين؟

في أحد الترتيبات الشائعة، يوضع كيس محكم الإغلاق في جو مضبوط يحتوي على الأكسجين، بينما يمر غاز حامل عبر الجزء الداخلي منه إلى مستشعر أكسجين. وينقل الغاز الحامل الأكسجين الذي يعبر العبوة إلى المستشعر، ويستخدم الجهاز كمية الأكسجين المقاسة وتدفق الغاز لتحديد معدل الانتقال. وتستخدم تصميمات الأجهزة الأخرى وترتيبات العبوات المختلفة أساليب أخرى، لذا يجب قراءة النتيجة المُبلَّغ عنها إلى جانب الطريقة المحددة.

لوصل الكيس بنظام القياس، تُثبَّت أنابيب أو منفذ اختبار من دون إنشاء مسار غير مقصود يسمح للهواء الخارجي بالوصول إلى المستشعر. ويجب أن يكون الوصل محكمًا بما يكفي وملائمًا للعبوة. فإذا حدث تسرب، فقد يُحتسب الأكسجين الداخل عبر تجهيز الاختبار ضمن انتقال الأكسجين عبر العبوة، ما يجعل حاجزية الكيس تبدو أضعف.

تُهيَّأ العبوة وتُختبر في ظروف محددة لدرجة الحرارة والرطوبة. وتُتابع القراءة إلى أن تتحقق معايير الطريقة لنتيجة مستقرة أو قابلة للإبلاغ. وقد تتطلب البنى عالية الحاجزية فترات قياس أطول، لأن كمية قليلة من الأكسجين تصل إلى المستشعر؛ وقد تظل القراءة المبكرة متأثرة بالأكسجين المتبقي أو باستجابة تجهيز الاختبار.

يمكن اختبار الكيس فارغًا أو في حالة مُحضَّرة محددة، وفقًا للطريقة والغرض من القياس. وينبغي وصف وسيلة الإغلاق وحالة التعبئة والدعامة الداخلية وأي معالجة تُجرى قبل الاختبار. وهذه التفاصيل مهمة، لأن الكيس الذي يُشد أو يُطوى أو يُدعَم بطريقة مختلفة قد يكشف مساحات مختلفة ويعرض اللحامات لإجهادات مختلفة.

الظروف التي تغير النتيجة

درجة الحرارة والرطوبة

تؤثر درجة الحرارة في حركة الأكسجين عبر مواد التغليف. ولا ينبغي التعامل مع نتيجة أُخذت عند درجة حرارة معينة على أنها قيمة قابلة للاستبدال بنتيجة عند درجة حرارة أخرى. كما تؤثر درجة الحرارة في العبوة نفسها؛ إذ يمكن أن تغير التبدلات في المرونة والأبعاد حالة اللحامات أو المناطق المعرضة للإجهاد.

وتستحق الرطوبة اهتمامًا خاصًا في البنى التي تحتوي على مواد حاجزية حساسة للرطوبة. فقد يُظهر الغشاء الذي يؤدي أداءً جيدًا وهو جاف معدل انتقال أكسجين أعلى عند تعرضه للرطوبة. وقد تكون الرطوبة على جانبي الكيس مهمة، لذا فإن التقرير الذي يذكر قيمة رطوبة واحدة فقط قد لا يصف بيئة الاختبار بالكامل. وتتطلب مقارنة قيمتين معرفة كيفية ضبط الرطوبة والجهة التي طُبِّقت فيها.

تركيز الأكسجين والضغط

القوة الدافعة لانتقال الأكسجين هي الفرق في ضغطه الجزئي عبر العبوة. وقد ينتج الاختبار الذي يستخدم تركيزًا مرتفعًا من الأكسجين خارج الكيس معدلًا مختلفًا عن اختبار يستخدم الهواء المحيط. وينبغي أيضًا فهم الضغطين الخارجي والداخلي، لأن فرق الضغط غير المقصود قد يشوه الكيس المرن أو يشجع التدفق عبر عيب.

لذلك لا ينبغي مقارنة النتائج المقاسة في ظروف أكسجين مختلفة إلا باستخدام طريقة مناسبة أو تحويل ملائم. فالتعديل التناسبي البسيط يفترض سلوكًا قد لا ينطبق على كل مادة أو على كيس به تسرب.

حجم العبوة وبنيتها

قد تختلف معدلات انتقال الأكسجين لكل عبوة في كيسين مصنوعين من لفة الغشاء نفسها، لأن مساحة المادة المعرضة تختلف بينهما. وقد يختلف أيضًا طول اللحامات وعدد نقاط الالتقاء. وليس من الضروري أن يكون الكيس الأكبر مصنوعًا من مادة حاجزية أضعف لمجرد أن معدل انتقال الأكسجين على مستوى العبوة أعلى.

وقد تؤثر تغييرات البنية في النتيجة من دون تغيير الغشاء الأساسي. فإضافة شكل جديد للسحّاب أو نمط لحام مختلف أو فوهة، يؤدي إلى إدخال أسطح ونقاط التقاء مختلفة. وتكون المقارنات ذات المعنى أكثر موثوقية عندما تبقى هذه التفاصيل واضحة، بدلًا من اعتبار اسم مادة الكيس وصفًا كاملًا له.

النفاذية والتسرب آليتان مختلفتان

النفاذية هي انتقال الجزيئات عبر مادة. أما التسرب فهو حركة الغاز عبر فتحة غير مقصودة، مثل قناة في لحام أو ثقب. وقد يزيد كلاهما كمية الأكسجين التي تُكتشف أثناء اختبار العبوة، لكنهما يشيران إلى أسباب مختلفة وقد يتطلبان قياسات متابعة مختلفة.

قد يُظهر الكيس المصنوع من غشاء مستمر منخفض الحاجزية معدل انتقال مرتفعًا من دون وجود ثقب محدد. وعلى العكس، قد يعطي الكيس المصنوع من غشاء حاجزي ممتاز قراءة مرتفعة بسبب عيب بالغ الصغر في اللحام. ولا يمكن للفحص البصري وحده التمييز بين الحالتين على نحو موثوق.

ولا يُعد اختبار انتقال الأكسجين تلقائيًا بديلًا عن اختبار تسرب مخصص. وتعتمد حساسيته لعيب معين على ترتيب الاختبار وظروف الضغط ونطاق القياس ومدته. صُمم اختبار التسرب لتقييم سلامة العبوة في ظل ظروفه الخاصة، بينما يقيس اختبار انتقال الأكسجين دخول الأكسجين في ظل اختبار الحاجزية المحدد. ويمكن أن توفر النتيجتان أدلة متكاملة عندما يكون أداء العبوة غير متوقع.

ربط القياس بحماية المنتج

تختلف استجابة المنتجات الحساسة للأكسجين للتعرض له. فالوجبة الخفيفة التي تفقد نكهتها بسبب الأكسدة، والتركيبة التي تحتوي على مكوّن حساس للأكسجين، وأحد المكونات المعرضة لتغير اللون، لا تخضع لمعدل انتقال مقبول واحد للأكسجين في الكيس. وتؤثر حساسية المنتج وكمية الأكسجين المتبقي بعد التعبئة وفترة التخزين المقصودة جميعها في دلالة المعدل المقاس.

ومن السهل على وجه الخصوص إغفال الأكسجين الموجود في الحيز العلوي للعبوة. فمعدل انتقال الأكسجين المنخفض يحد من دخوله لاحقًا، لكن نتيجة الاختبار لا تزيل الأكسجين المحتجز بالفعل داخل الكيس عند إغلاقه. وبالمثل، فإن الأكسجين الموجود في المنتج أو المنطلق من مكونات التغليف لا تمثله بالضرورة نتيجة اختبار انتقال الأكسجين لكيس فارغ.

وتضيف ظروف التخزين طبقة أخرى إلى التفسير. فقد تختلف درجة الحرارة والرطوبة أثناء التوزيع عن تلك المستخدمة في الاختبار، وقد يتعرض الكيس للتجعد أو السحج بعد مغادرته خط التغليف. ويمكن أن يكشف اختبار العينات قبل معالجة محددة بالمناولة أو الثني وبعدها عما إذا كانت الحاجزية تتغير بفعل تلك المعالجة. وتنطبق النتيجة على المعالجة التي أُجريت فعليًا؛ ولا تحاكي وحدها جميع ظروف الشحن.

لذلك يُعد قياس الكيس في دراسات مدة الصلاحية أحد المدخلات إلى جانب اختبار المنتج ومعرفة حالته بعد التعبئة. ولا يكفي معدل الانتقال وحده لإثبات ادعاء بشأن مدة الصلاحية.

قراءة تقرير اختبار الكيس

يحدد التقرير المفيد بنية الكيس وأبعاده، ووسيلة الإغلاق والملحقات المشمولة، وعدد العينات والوحدة المُبلَّغ عنها. كما يذكر درجة الحرارة والرطوبة وظروف التعرض للأكسجين والتهيئة وطريقة القياس. وإذا خضعت العينات للثني أو لأي معالجة أخرى، فينبغي إرفاق وصف تلك المعالجة بالنتيجة.

وتكون النتائج الفردية مفيدة عند اختبار عدة أكياس. فقد تشير قيمة واحدة مرتفعة على نحو غير معتاد إلى عيب موضعي أو مشكلة في وصلة الاختبار، بينما قد تشير القيم المرتفعة باستمرار إلى المادة أو البنية أو ظروف الاختبار. ولا يحدد أي من النمطين السبب بمفرده، لكن التباين يساعد في تحديد ما ينبغي فحصه بعد ذلك.

وأخيرًا، يضع نطاق قياس الجهاز وحد الإبلاغ القيم المنخفضة جدًا في سياقها الصحيح. وينبغي فهم النتيجة التي تقل عن حد الكشف أو التقدير الكمي على أنها نتيجة مقيدة بذلك الحد، لا دليلًا على انعدام دخول الأكسجين. وتكون مقارنة تصميمات الأكياس أكثر دلالة عندما تكون القيم المُبلَّغ عنها وظروف الاختبار وتحضيرات العينات قابلة للمقارنة مباشرةً.