في اختبار العبوات وأنشطة البحث والتطوير في مجال البوليمرات، يتحير كثيرون حين يعرض تقرير نفاذية الغاز أربع قيم مختلفة تمامًا للغشاء نفسه في وقت واحد — معدل انتقال الغاز، ومعامل النفاذية، ومعامل الانتشار، ومعامل الذوبانية. ويبدو أن الأربعة جميعًا تتصل بـ«مرور الغاز عبر المادة»، لكن كلًّا منها يشير إلى مرحلة مختلفة من النفاذ، وله معنى فيزيائي ومنطق حسابي ومجالات استخدام مختلفة تمامًا.
لا يعبر الغاز غشاء البوليمر «دفعة واحدة»؛ بل هو عملية متسلسلة من ثلاث خطوات. أولًا تلامس جزيئات الغاز السطح وتذوب في المادة؛ ثم تنتشر الجزيئات المذابة من جهة إلى الأخرى تحت تأثير تدرّج التركيز؛ وأخيرًا تتحرر الجزيئات الواصلة إلى السطح المقابل إلى الفضاء الخارجي. وكل خطوة يقابلها مؤشر كمي مستقل.
ما تعنيه المعاملات الأربعة
معدل انتقال الغاز (GTR) — ويسمى أيضًا التدفق الغازي — يصف كمية الغاز المستهدف التي تعبر عينة بمساحة معينة في وحدة الزمن. وهو المؤشر الأكثر عملية والأقرب إلى التطبيق، والمعامل الأكثر شيوعًا في مراقبة الجودة صناعيًا.
معامل النفاذية خاصية أصيلة في المادة. فهو يستبعد تمامًا المتغيرات الخارجية مثل سمك العينة ومساحة الاختبار، ولا يعكس سوى قدرة المادة الذاتية على النفاذ لغاز معين — بما يعادل مقارنة مواد مختلفة السماكات على أساس مرجعي واحد.
معامل الانتشار يصف سرعة حركة جزيئات الغاز بين فراغات مقاطع سلاسل البوليمر بعد دخولها، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بكثافة تراصّ السلاسل ونسبة التبلور والحجم الحر.
معامل الذوبانية يقيس عدد جزيئات الغاز التي يمكن للسطح أن «يمسكها» ويذيبها داخليًا، فيعكس مدى الألفة بين المادة والغاز.
الوحدات والحساب
يُعبَّر عن معدل انتقال الغاز (GTR) عادةً بوحدة cm³/(m²·24h·0.1MPa)؛ وعن معامل النفاذية بوحدة cm³·cm/(m²·24h·0.1MPa)، ويُستخدم البارير (Barrer) كثيرًا في البحث (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg))؛ وعن معامل الانتشار بوحدة cm²/s؛ وعن معامل الذوبانية بوحدة cm³/(cm³·atm).
أما من حيث الحساب، فيُستخرج معدل انتقال الغاز (GTR) من جهاز يعمل بطريقة فرق الضغط يرصد تغيّر جانب الضغط المنخفض في الوقت الحقيقي، مع مراعاة حجم الحجرة ودرجة الحرارة ومساحة العينة؛ ومعامل النفاذية يساوي معدل انتقال الغاز مضروبًا في السمك مقسومًا على فرق الضغط؛ ويُشتق معامل الانتشار من منحنى الضغط–الزمن غير المستقر عند جانب الضغط المنخفض بطريقة زمن التأخر؛ ومعامل الذوبانية يساوي معامل النفاذية مقسومًا على معامل الانتشار.
لماذا يهتم البحث والصناعة بمؤشرات مختلفة
من بين المؤشرات الأربعة، يتبعه معدل انتقال الغاز وحده تأثرًا مباشرًا بسمك العينة: فمضاعفة سمك المادة نفسها تخفض معدل انتقال الغاز إلى النصف تقريبًا. أما معامل النفاذية والانتشار والذوبانية فهي أصيلة ولا يتأثر جوهرها بالسمك حين تبقى التركيبة وعملية التصنيع على حالهما.
تفضّل الأوراق البحثية معامل النفاذية لأنه يزيل متغير السمك ويتيح لمجموعات مختلفة مقارنة أداء الحجب الذاتي على أساس مرجعي واحد؛ أما المصنّعون فيولون معدل انتقال الغاز اهتمامًا أكبر، لأنه يقابل مباشرة التدفق الغازي الفعلي وعمر صلاحية غشاء بسماكة محددة، ويمكن إدخاله مباشرة في معادلات عمر الصلاحية.
مثال: لماذا تختلف PE وPET وEVOH وPA وPVDC هذا الاختلاف الكبير
إن PE بوليمر أوليفيني غير قطبي ذو سلاسل مرنة لكن متراصّة بشكل غير محكم وتبلور منخفض: انتشار مرتفع، وذوبانية منخفضة، ونفاذية إجمالية متوسطة، ما يجعله مادة حجب تقليدية منخفضة. أما PET فهو بولي إستر قطبي شبه متبلور ذو سلاسل أكثر انتظامًا؛ ومعامل انتشاره أقل من PE بمرتبة مقدار، ما يضعه في فئة الحجب المتوسط.
أما EVOH فهو مادة قطبية عالية التبلور تشكّل مجموعاتها الهيدروكسيلية العديدة شبكة كثيفة من الروابط الهيدروجينية؛ ومعامل انتشاره أقل من PET بمرتبتين مقداريتين، لكن ذوبانيته لبخار الماء مرتفعة، فيحجب الأكسجين بامتياز وهو جاف، ويفقد حجبه سريعًا عند الرطوبة العالية. وPA (النايلون) قطبي بشدة وذوبانيته لبخار الماء أعلى بكثير من EVOH، فيتراجع حجبه للأكسجين بشكل ملحوظ بعد امتصاص الماء. وPVDC ذو بنية سلسلية عالية التناظر وعالية التبلور؛ ومعامل انتشاره أدنى من EVOH، وذوبانيته لكل من الأكسجين وبخار الماء ضعيفة، ما يجعله من المواد النادرة فائقة الحجب التي يكاد حجبها للأكسجين يكون مستقلًا عن الرطوبة.
الخلاصة
وإدراك توزّع الأدوار بين المعاملات الأربعة يمنع الخلط بين مؤشرات تنتمي إلى أبعاد مختلفة. ويستطيع جهاز فرق الضغط أن يُخرج معدل انتقال الغاز ومعامل النفاذية والانتشار والذوبانية في اختبار كامل واحد — بما يخدم مراقبة الجودة الصناعية والاحتياجات الميكانيكية للبحث معًا.
