تحديد معدل اختراق بخار الماء بالطريقة الكهربائية: تحت ظروف درجة الحرارة والرطوبة المحددة، يتم تقسيم تجويف الاختبار إلى جانب رطب وجانب جاف. يتم نقل بخار الماء الذي يخترق تجويف الاختبار إلى حوض الكهرباء، حيث يقوم غشاء فينول السيليكون الخامس (P₂O₅) بامتصاص هذا البخار وتحويله إلى هيدروجين وأكسجين بواسطة التحليل الكهربائي. هناك علاقة طردية بين تيار التحليل الكهربائي ومعدل اختراق بخار الماء. ووفقًا لقانون فاراداي، يمكن حساب معدل اختراق بخار الماء WVTR مباشرةً، ووحدة القياس هي g/(m²·24h).
التشبيه: خلية الكهرباء المنقولة تشبه “جهاز عداد جزيئات الماء” – كل جزيء ماء يمر عبر الخلية يتم التعرف عليه وعده، ونتائج القراءة تكون عدد الجزيئات. لا يعتمد هذا الجهاز على وزن الجزيئات أو الفحص البصري، بل يحول جزيئات الماء مباشرة إلى تيار كهربائي، لذلك فإن حساسيته هي الأعلى بين الطرق المختلفة.
التعريفات المذكورة في المعيار
معيار ISO 15106-3 “البلاستيكات – الأفلام والشرائط – تحديد معدل مرور بخار الماء – الجزء الثالث: طريقة استخدام أجهزة الكشف الكهروليتيكية” يحدد طريقة قياس معدل مرور بخار الماء باستخدام أجهزة الكشف الكهروليتيكية التي تعمل بشكل مستمر. يتم نقل بخار الماء الذي يمر عبر العينة إلى حوض الكهرباء، حيث يتم تحليل بخار الماء على سطح الغشاء المحتوي على ثاني أكسيد الفوسفور بواسطة التيار الكهربائي. هناك علاقة طردية بين التيار الكهربائي ومعدل مرور بخار الماء. أما معيار ASTM F3299 فهو المعيار الأمريكي المقابل لهذا المعيار (طريقة كولوم لاستخدام أجهزة الكشف P₂O₅).
كيف يعمل بطارية الإلكتروليز؟
تم تغطية الفيلم P₂O₅ بين القطبين البلاتينيين في خليط الإلكتروليز. قبل بدء الاختبار، يتم تمرير غاز جاف لإزالة كل الرطوبة الموجودة في النظام، ثم يستقر التيار الكهربائي في هذه الحالة. بعد ذلك، يتم امتصاص بخار الماء الذي يمر عبر العينة بواسطة P₂O₅، ويتم إذابة هذا البخار بين القطبين بواسطة الإلكتروليز. وفقًا لقانون فاراداي، يتطلب إلكتروليز 1 مول من الماء (18 جرام) حوالي 96485 كيلو أمبير من الطاقة الكهربائية. لذلك، يتوافق حجم التيار بشكل مباشر مع معدل امتصاص الرطوبة، ولا حاجة لتصحيح الفيلم للقياس – وهذا هو السبب الرئيسي الذي يميز طريقة الإلكتروليز عن طريقة الأشعة تحت الحمراء (التي تتطلب تصحيح الفيلم المرجعي).
السيناريوهات المناسبة والحجم المطلوب
الميزة البارزة لطريقة الكهرباء الحرة هي دقتها: يمكن للأجهزة التجارية أن تحقق اختبارات بمستوى منخفض يصل إلى 0.001 جرام لكل متر مربع في الساعة، وتغطي النطاق المعتاد للاختبارات ما بين 0.001 و100 جرام لكل متر مربع في الساعة. تُستخدم هذه الطريقة في التعامل مع المواد ذات درجة عزل عالية، مثل الألواح الألمنيومية المستخدمة في تغليف الأدوية، والأغشية المطلية بالألومنيوم، والأنسجة المركبة ذات درجة عزل عالية من نوع PVDC/EVOH، ولوحات الجانب الخلفية للألواح الشمسية، وأغشية تغليف الأشكال الدائرية العرضية (OLED). أما بالنسبة للمواد ذات معدل اختراق عالي، مثل الورق والبوليسترين، فإن كمية الانتقال ستتجاوز قدرة خلية الكهرباء الحرة، ويجب استخدام طريقة الوزن بالكؤوس بدلاً من ذلك.
مقارنة مع طريقة الوزن وطريقة الأشعة تحت الحمراء
لكل طريقة دورها الخاص: طريقة الكوب الجوفي (ASTM E96، ISO 2528) هي الطريقة المرجعية، وتغطي قيمًا تتراوح بين 1 إلى 1000 جرام لكل متر مربع في الساعة، لكن عملية الفحص تستغرق أيامًا؛ أما طريقة استخدام مستشعر الأشعة تحت الحمراء المتعددة (ASTM F1249، ISO 15106-2) فتغطي قيمًا تتراوح بين 0.05 إلى 50 جرام لكل متر مربع في الساعة، ويمكن إجراء اختبارات في غضون ساعتين، وهي طريقة مناسبة للفحص الروتيني؛ أما طريقة الاستخدام الكهربائي فهي الأكثر حساسية، ولا تحتاج إلى أي تصحيحات، وهي مناسبة للدراسات المتعلقة بالمواد ذات الحاجز العالي والمدى الافتراضي لاستخدامها، لكنها تتطلب استخدام خلايا معينة التي يجب صيانتها أو تجديدها من وقت لآخر. كما أن سلسلة المعايير ISO 15106 تشمل أيضًا طريقة استخدام مستشعر الضغط (الجزء 5)، وطريقة القياس الطيفي للكتلة الناتجة عن التأين (الجزء 6)، وطريقة قياس تأثير الكالسيوم على المادة المستخدمة في الفحص (الجزء 7).
المراجع/المصادر
- ISO 15106-3:2003، البلاستيك – الأفلام والشرائط – تحديد معدل انتقال بخار الماء – الجزء الثالث: طريقة استخدام أجهزة الكشف الكهروكيميائية.
- ASTM F3299، طريقة اختبار قياسية لقياس معدل انتقال بخار الماء في الأفلام والشرائط البلاستيكية، باستخدام جهاز الكشف الكهروكيميائي، من قبل شركة ASTM International.
- معيار ISO 15106-2 (طريقة استخدام أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء)، وASTM F1249 (طريقة استخدام أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء المُعدلة). هذه الطرق تُستخدم في الأجهزة التي تعمل على مستوى متوسط.
