Dalam pengujian kemasan dan R&D polimer, banyak orang merasa bingung ketika laporan permeasi gas menampilkan empat nilai yang sama sekali berbeda untuk film yang sama pada saat bersamaan — laju transmisi gas, permeabilitas, koefisien difusi, dan koefisien kelarutan. Keempatnya tampak berkaitan dengan “gas yang melewati bahan”, tetapi masing-masing menunjuk pada tahap permeasi yang berbeda, dengan makna fisik, logika perhitungan, dan penerapan yang sama sekali berbeda.
Gas tidak melewati film polimer “dalam satu tarikan napas”; prosesnya merupakan rangkaian tiga tahap. Pertama, molekul gas menyentuh permukaan dan larut ke dalam bahan; kemudian molekul yang telah larut berdifusi dari satu sisi ke sisi lain di bawah gradien konsentrasi; akhirnya molekul yang mencapai permukaan seberang terlepas (desorpsi) ke ruang luar. Setiap tahap bersesuaian dengan indikator kuantitatif yang berdiri sendiri.
Arti keempat parameter tersebut
Laju transmisi gas (GTR) — disebut juga fluks gas — menggambarkan berapa banyak gas target yang melewati sampel dengan luas tertentu per satuan waktu. Ini merupakan indikator yang paling praktis dan berorientasi aplikasi serta parameter QC yang paling umum digunakan di industri.
Koefisien permeabilitas merupakan sifat intrinsik bahan. Parameter ini sepenuhnya menyingkirkan variabel eksternal seperti ketebalan sampel dan luas uji, sehingga hanya mencerminkan kapasitas permeasi bawaan bahan terhadap gas tertentu — setara dengan membandingkan bahan dengan ketebalan berbeda pada dasar acuan yang sama.
Koefisien difusi menggambarkan seberapa cepat molekul gas bergerak melalui celah antar segmen rantai polimer setelah berada di dalam bahan, dan sangat terkait dengan kerapatan penataan rantai, kristalinitas, serta volume bebas.
Koefisien kelarutan mengukur berapa banyak molekul gas yang dapat “ditangkap” oleh permukaan dan larut di bagian dalam, sehingga mencerminkan afinitas antara bahan dan gas.
Satuan dan perhitungan
GTR umumnya dinyatakan dalam cm³/(m²·24h·0.1MPa); koefisien permeabilitas dalam cm³·cm/(m²·24h·0.1MPa), dengan satuan Barrer yang sering digunakan dalam penelitian (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg)); koefisien difusi dalam cm²/s; dan koefisien kelarutan dalam cm³/(cm³·atm).
Untuk perhitungannya, GTR diperoleh melalui instrumen tekanan diferensial yang memantau perubahan pada sisi bertekanan rendah secara waktu-nyata, dikombinasikan dengan volume ruang, suhu, dan luas sampel; permeabilitas sama dengan GTR dikalikan ketebalan dibagi selisih tekanan; difusi diturunkan dari kurva tekanan–waktu kondisi tak-tunak di sisi bertekanan rendah dengan metode time-lag; dan kelarutan sama dengan permeabilitas dibagi difusi.
Mengapa dunia riset dan industri mementingkan indikator yang berbeda
Dari keempatnya, hanya GTR yang secara langsung dipengaruhi oleh ketebalan sampel: menggandakan ketebalan bahan yang sama kira-kira mengurangi GTR menjadi separuhnya. Permeabilitas, difusi, dan kelarutan bersifat intrinsik dan pada dasarnya tidak terpengaruh oleh ketebalan selama formulasi dan prosesnya tidak berubah.
Makalah penelitian lebih menyukai koefisien permeabilitas karena menghilangkan variabel ketebalan dan memungkinkan berbagai kelompok membandingkan kinerja penghalang intrinsik pada satu dasar acuan; produsen lebih mementingkan GTR, yang berkaitan langsung dengan fluks gas aktual dan masa simpan film dengan ketebalan tetap serta dapat langsung dimasukkan ke dalam rumus masa simpan.
Contoh: mengapa PE, PET, EVOH, PA, dan PVDC berbeda begitu jauh
PE adalah poliolefin non-polar dengan rantai yang lentur tetapi kurang rapat serta kristalinitas rendah: difusinya tinggi, kelarutannya rendah, dan permeabilitas keseluruhannya sedang, sehingga menjadi bahan penghalang rendah yang konvensional. PET adalah poliester polar semikristalin dengan rantai yang lebih teratur; difusinya satu orde besaran lebih rendah daripada PE, sehingga menempatkannya pada kelas penghalang menengah.
EVOH adalah bahan polar yang sangat kristalin dengan banyak gugus hidroksil yang membentuk jaringan ikatan hidrogen yang rapat; difusinya dua orde besaran lebih rendah daripada PET, tetapi kelarutannya terhadap uap air tinggi, sehingga sangat baik menghalangi oksigen dalam kondisi kering dan kehilangan kinerja penghalang dengan cepat pada kelembapan tinggi. PA (nilon) bersifat sangat polar dengan kelarutan uap air yang jauh lebih tinggi daripada EVOH, sehingga penghalang oksigennya menurun nyata setelah menyerap air. PVDC memiliki struktur rantai yang sangat simetris dan sangat kristalin; difusinya bahkan lebih rendah daripada EVOH dan kelarutannya terhadap oksigen maupun uap air lemah, sehingga menjadikannya salah satu dari sedikit bahan penghalang ultra-tinggi yang penghalang oksigennya hampir tidak bergantung pada kelembapan.
Kesimpulan
Memahami pembagian peran di antara keempat parameter mencegah tercampurnya indikator dengan dimensi yang berbeda. Instrumen tekanan diferensial dapat mengeluarkan GTR, permeabilitas, difusi, dan kelarutan dalam satu pengujian lengkap — melayani kebutuhan QC industri sekaligus kebutuhan mekanistik penelitian.
