ما الغازات التي يمكن لجهاز قياس معدل انتقال الغاز قياسها فعليًا؟

هل يقتصر جهاز قياس معدل انتقال الغاز على قياس الأكسجين، أم يمكنه أيضًا تقييم ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وغازات أخرى؟ تعتمد الإجابة على طريقة القياس في الجهاز، وتكوين المستشعر، ومدى توافقه مع غاز الاختبار، وليس على اسمه فحسب. ومن الضروري فهم هذه الحدود للباحثين الذين يقارنون بين العبوات الصيدلانية والأغشية البلاستيكية والمواد عالية الحاجزية، حتى يتمكنوا من اختيار المعدات المناسبة وتفسير النتائج بدقة.

باختصار، يمكن قياس الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين باستخدام المعدات المناسبة. كما تستطيع بعض الأنظمة تقييم غازات مثل الهيليوم والهيدروجين والأرجون. لكن هذا لا يعني أن بإمكان إعداد قياسي واحد اختبار جميع الغازات. فقد يوصف كل من محلل أكسجين مخصص وجهاز نفاذية غاز يعتمد على الضغط بأنه جهاز لقياس معدل انتقال الغاز، رغم اختلاف قدراتهما اختلافًا كبيرًا.

يحدد مبدأ القياس الحدود العملية

يقيس اختبار انتقال الغاز مرور الغاز عبر عينة في ظروف محددة. وبالنسبة إلى أغشية التعبئة والتغليف، تشمل هذه الظروف المساحة المعرضة، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وفرق ضغط الغاز عبر المادة. ويجب أن يميز الجهاز بين النفاذ الفعلي والتسرب والغاز المتبقي وإشارات الخلفية.

يوضح أسلوبان عامان معظم الاختلافات في توافق الأجهزة مع الغازات: قياس تغير الضغط، أو الكشف عن غاز محدد بعد عبوره العينة.

الأنظمة المعتمدة على الضغط: نطاق أوسع من الغازات، مع بعض الشروط

في ترتيب شائع لقياس فرق الضغط، تفصل العينة بين حجرة غاز اختبار مضغوطة وحجرة استقبال مفرغة. يراقب الجهاز ارتفاع الضغط في جهة الاستقبال ويحسب معدل الانتقال استنادًا إلى هذا التغير، مع مراعاة حجم الحجرة ومساحة العينة وظروف الاختبار.

لأن مستشعر الضغط لا يقتصر بطبيعته على الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون، يمكن لهذا الأسلوب دعم قياس عدة غازات. ويُعد الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون من الخيارات المعتادة. وقد يكون قياس غازات أخرى ممكنًا إذا كانت مواد الجهاز وأختامه ونطاق ضغطه ونظام التفريغ وتدابير السلامة مناسبة.

لكن لهذه المرونة جانبًا آخر: فارتفاع الضغط لا يحدد الغاز الذي تسبب فيه. وقد تسهم التسربات وانبعاث الغازات من العينة والرطوبة المتبقية في الإشارة. لذلك تعتمد موثوقية القياس على إعداد الحجرة، وفحوصات الخلفية، وثبات درجة الحرارة، واستخدام طريقة مناسبة لمستوى حاجزية العينة.

الأنظمة الانتقائية للغاز: يحدد الكاشف ما يتم قياسه

تستخدم كثير من أجهزة قياس معدل انتقال الأكسجين مستشعر أكسجين كولومتريًا. وينقل تيار محدد من الغاز الحامل الأكسجين الذي عبر الغشاء إلى الكاشف. ويقيس هذا الإعداد الأكسجين؛ ولا يتحول إلى محلل لثاني أكسيد الكربون أو النيتروجين لمجرد تغيير أسطوانة الإمداد.

غالبًا ما تستخدم أنظمة قياس انتقال ثاني أكسيد الكربون كاشفًا بالأشعة تحت الحمراء مضبوطًا لقياس CO₂. وقد تستخدم أجهزة أخرى تقنيات كشف مختلفة، لكن القاعدة نفسها تنطبق: يجب أن يستجيب الكاشف على نحو مناسب للغاز المستهدف، وأن يتم التحقق من صلاحية مسار القياس الكامل لهذا التطبيق.

قد يضم الجهاز متعدد الغازات وحدات كشف أو قنوات قياس منفصلة. استفسر عن المقصود عمليًا بعبارة «متعدد الغازات»؛ فقد تشير إلى عدة تكوينات مدعومة، لا إلى قياس عدة غازات في الوقت نفسه ضمن اختبار واحد.

ما الذي يتغير عند تغيير غاز الاختبار؟

الأكسجين: اختبار شائع، لكنه ليس بديلًا عامًا

يُستخدم معدل انتقال الأكسجين، الذي يُختصر عادةً بـ OTR، على نطاق واسع لتقييم العبوات المصممة للحد من دخول الأكسجين. وهو مهم للمنتجات الصيدلانية الحساسة للأكسجين ولعديد من تطبيقات تغليف الأغذية. ويمكن لكل من الأنظمة المناسبة المعتمدة على الضغط وأنظمة الكشف المخصصة للأكسجين قياس انتقاله.

لا تثبت نتيجة الأكسجين أداء المادة الحاجزي تجاه جميع الغازات الأخرى. إذ يعتمد النفاذ على كل من انتشار الغاز عبر المادة وذوبانه فيها. وقد تتصرف بنية متعددة الطبقات تؤدي أداءً جيدًا تجاه الأكسجين بشكل مختلف عند تعرضها لثاني أكسيد الكربون، ولا سيما في ظروف رطوبة مختلفة.

ثاني أكسيد الكربون: مهم عندما يكون الاحتفاظ بالغاز مطلوبًا

يكتسب قياس انتقال CO₂ أهمية عندما يتعين على العبوة الاحتفاظ بثاني أكسيد الكربون أو التحكم في تبادله مع الغلاف الجوي المحيط. ومن الأمثلة على ذلك عبوات المنتجات الغازية وبعض تطبيقات التعبئة في أجواء معدلة. ويمكن لجهاز مناسب يعتمد على الضغط أو نظام كشف مخصص لثاني أكسيد الكربون إجراء هذا القياس.

قد يتفاعل CO₂ مع البوليمرات بطريقة تختلف عن الأكسجين أو النيتروجين. وبحسب المادة والضغط، قد يؤثر الامتزاز والتلدين على سلوك الانتقال. لذلك لا يُعد تحويل نتيجة الأكسجين إلى نتيجة لثاني أكسيد الكربون باستخدام نسبة عامة بديلًا موثوقًا عن اختبار المادة الفعلية في الظروف ذات الصلة.

النيتروجين: ميّز بين غاز الاختبار والغاز الحامل

يمكن قياس انتقال النيتروجين باستخدام طريقة مناسبة تعتمد على الضغط أو ترتيب تحليلي آخر تم التحقق من صلاحيته. وقد يكون ذلك مهمًا عند تقييم العبوات المعبأة بالنيتروجين أو الاحتفاظ بالغاز أو انتقائية الأغشية.

لكن يُستخدم النيتروجين أيضًا بشكل شائع غازًا حاملًا أو غاز تطهير في أنظمة اختبار الأكسجين. ولا يعني وجوده في الجهاز أن الجهاز يقيس انتقال النيتروجين. ففي هذا الإعداد، يقيس الكاشف الأكسجين الذي ينقله تيار الغاز الحامل، لا الغاز الحامل نفسه. ومن الجدير التحقق صراحةً من هذا الفرق عند مراجعة المواصفات.

الهيليوم والهيدروجين والأرجون والغازات المتخصصة

تتطلب بعض التطبيقات البحثية غازات تتجاوز غازات الاختبار المعتادة في مجال التعبئة والتغليف. وقد يكون قياس الهيليوم أو الهيدروجين أو الأرجون ممكنًا باستخدام أنظمة مناسبة تعتمد على الضغط أو أنظمة تحليل متخصصة. ومع ذلك، يجب التحقق من التوافق مع طراز الجهاز المحدد، لا استنتاجه من مبدأ تشغيله العام.

ينطوي الهيدروجين على مخاطر الاشتعال. وقد تتطلب الغازات السامة أو الأكّالة أو التفاعلية موادًا مخصصة للأجزاء الملامسة للغاز، وتهوية، ومراقبة، ومعالجة للعادم. ولا ينبغي افتراض ملاءمة جهاز قياسي لاختبار العبوات لهذه التطبيقات. وحتى الغازات الخاملة قد تنطوي على مخاطر في المناولة، بينما يجعل ميل الهيليوم إلى المرور عبر مسارات التسرب الصغيرة التحكم في التسرب أمرًا بالغ الأهمية.

تتطلب مخاليط الغازات وبخار الماء أسئلة منفصلة

اختبار غاز نقي لا يعادل اختبار خليط غازي. فقد يسجل الجهاز المعتمد على الضغط الزيادة الإجمالية في الضغط الناتجة عن مرور عدة مكونات نافذة، لكن هذا القياس وحده لا يفصل معدلات انتقالها الفردية. ويتطلب تحليل كل مكون على حدة كواشف مناسبة أو تقنية تحليلية قادرة على التمييز بين الغازات.

يمكن لتركيب الخليط أيضًا أن يغير سلوك المادة. وتفيد قياسات الغازات النقية في الفحص الأولي، لكنها قد لا تمثل بالكامل عبوة تحتوي على الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون معًا. وعندما يؤثر أداء المادة في ظل خليط غازي على القرار، تحقق مما إذا كانت الطريقة المقترحة تقيس المكونات منفردة في ظروف الخليط المقصودة.

يُعد بخار الماء مصدرًا آخر شائعًا للالتباس. فعلى الرغم من أن بخار الماء مادة في الحالة الغازية، فإن قياس معدل انتقال بخار الماء، أو WVTR، يتطلب عادةً طريقة مخصصة للرطوبة وظروف رطوبة مضبوطة. ولا يقيس جهاز اختبار الأكسجين WVTR تلقائيًا. وقد تدعم منصة الجهاز المشتركة الاختبارين باستخدام وحدات منفصلة، لكن يجب التصريح بهذه الإمكانية بوضوح.

التوافق مع الغاز لا يمثل سوى نصف قرار الاختيار

قد يكون الجهاز متوافقًا مع الغاز الصحيح، ومع ذلك لا يناسب العينة. فعلى سبيل المثال، تتطلب الصفائح الصيدلانية عالية الحاجزية اهتمامًا دقيقًا بقدرة القياس عند المستويات المنخفضة وثبات الخلفية. أما الأغشية البلاستيكية الأعلى نفاذية فقد تختبر الحد الأعلى لنطاق القياس. والسؤال المهم هو ما إذا كان معدل الانتقال المتوقع يقع ضمن نطاق تشغيل تم التحقق من صلاحيته، لا ما إذا كان الغاز مذكورًا في الكتيب.

تستحق الرطوبة القدر نفسه من الاهتمام. فقد تغير الرطوبة أداء بعض البوليمرات من حيث الحاجزية، لذا قد لا تمثل نتيجة الغاز الجاف ظروف الاستخدام الفعلية. تحقق مما إذا كانت الرطوبة مضبوطة على أحد جانبي العينة أو كليهما، وما إذا كان هذا الترتيب يطابق طريقة الاختبار المقصودة.

كما أن شكل العينة مهم. فاختبار الغشاء المسطح يصف المادة بعد تثبيتها، بينما تضيف العبوة المكتملة، مثل الزجاجة أو الكيس أو الشريط الصيدلاني، تأثيرات الشكل الهندسي والإغلاقات واللحامات والعيوب المحتملة. ولا ينبغي اعتبار نتيجة الغشاء نتيجةً للعبوة بأكملها. إذ يتطلب اختبار العبوات تجهيزات مناسبة وطريقة تحدد ما يجري قياسه.

تساعد المعايير على توضيح هذه الاختلافات. يتناول ASTM D3985 انتقال الأكسجين عبر الأغشية والصفائح البلاستيكية باستخدام مستشعر كولومتري، بينما يتناول ASTM D1434 خصائص نفاذية الغاز للأغشية والصفائح البلاستيكية. تحقق من نطاق المعيار الحالي وطريقة تطبيقه في الجهاز، بدلًا من اعتبار أي من المرجعين دليلًا على قدرة غير محدودة على قياس الغازات.

ما الذي ينبغي التحقق منه قبل اختيار التكوين؟

يبدأ النقاش الفني المفيد بتحديد المادة والقرار الذي تحتاج إلى اتخاذه. زوّد مورد المعدات بالغاز المستهدف، وبنية العينة، والسماكة التقريبية، ومستوى الحاجزية المتوقع، ودرجتي الحرارة والرطوبة المقصودتين. وإذا كان معدل الانتقال المتوقع غير معروف، فقد تساعد العينات الممثلة على تحديد مدى ملاءمة نطاق القياس المقترح.

• القدرة على قياس الغاز المحدد: هل يدعم التكوين المورّد هذا الغاز، أم يتطلب كاشفًا أو وحدة أو خلية اختبار أخرى؟
• حدود القياس: ما نطاق القياس الذي تم التحقق من صلاحيته، وأداء الخلفية، ومقدار عدم اليقين لهذا الغاز وهذه الطريقة؟
• ظروف الاختبار: هل يستطيع النظام محاكاة الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة وتركيب الغاز المطلوب؟
• التشغيل الدوري: ما درجة نقاء الغاز وإجراءات المعايرة أو التحقق وفحوصات التسرب والمواد الاستهلاكية والصيانة المطلوبة؟
• تعريف النتيجة: هل يقدم التقرير معدل الانتقال أو النفاذية السطحية أو معامل النفاذية، وما الوحدات والظروف المرجعية المستخدمة؟

هذه المصطلحات الخاصة بالنتائج ليست قابلة للتبادل. يصف معدل الانتقال كمية الغاز المارة لكل وحدة مساحة وزمن في ظروف محددة. أما النفاذية السطحية فتأخذ فرق الضغط الدافع في الحسبان، كما يأخذ معامل النفاذية السماكة في الحسبان أيضًا عندما يسمح نموذج المادة بذلك. وقد تؤدي مقارنة التقارير دون التحقق من هذه التعريفات إلى استنتاجات مضللة.

تعمل شركة Paratronix Instruments Co., Ltd. على تطوير وتصنيع وتوريد أجهزة اختبار التعبئة والتغليف للعبوات الصيدلانية ومواد التعبئة والتغليف البلاستيكية والمواد عالية الحاجزية. وبالنسبة إلى مزود حلول اختبار التعبئة والتغليف، فإن نقطة البداية المناسبة هي مواءمة طريقة القياس مع التطبيق، لا افتراض أن كل جهاز لقياس معدل انتقال الغاز يقيس الغازات نفسها.

قبل اختيار المعدات، اطلب تأكيدًا خطيًا للغاز المستهدف وطريقة الكشف المركبة وشكل العينة المتوافق وظروف الاختبار المدعومة. يمكن أن يكون الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والغازات المتخصصة أهدافًا للقياس، لكن التكوين المناسب وحده هو ما يجعل الرقم الناتج ذا دلالة.