Dalam pengujian pembungkusan dan R&D polimer, ramai orang tertanya-tanya apabila satu laporan resapan gas memaparkan empat nilai yang sama sekali berbeza bagi filem yang sama pada satu masa — kadar transmisi gas, kebolehtelapan, pekali resapan dan pekali kelarutan. Keempat-empatnya kelihatan berkaitan dengan "gas yang menembusi bahan", tetapi setiap satu merujuk kepada peringkat resapan yang berbeza, dengan makna fizikal, logik pengiraan dan kegunaan yang sama sekali berbeza.
Gas tidak menembusi filem polimer "dalam satu hembusan"; ia merupakan proses bersiri tiga langkah. Pertama, molekul gas bersentuhan dengan permukaan dan larut ke dalam bahan; kemudian molekul yang larut itu meresap dari satu sisi ke sisi yang lain di bawah kecerunan kepekatan; akhirnya molekul yang tiba di permukaan jauh terlepas keluar ke ruang luar. Setiap langkah sepadan dengan penunjuk kuantitatif yang tersendiri.
Apakah maksud keempat-empat parameter itu
Kadar transmisi gas (GTR) — juga dipanggil fluks gas — menerangkan berapa banyak gas sasaran yang menembusi sampel dengan luas tertentu dalam satu unit masa. Ia ialah penunjuk yang paling praktikal dan berorientasikan aplikasi serta parameter QC yang paling lazim dalam industri.
Pekali kebolehtelapan ialah sifat intrinsik bahan. Ia menyingkirkan sepenuhnya pemboleh ubah luaran seperti ketebalan sampel dan luas ujian, dan hanya mencerminkan keupayaan resapan semula jadi bahan bagi gas tertentu — bersamaan dengan membandingkan bahan yang berbeza ketebalan pada garis dasar yang sama.
Pekali resapan menerangkan seberapa pantas molekul gas bergerak melalui celah antara segmen rantaian polimer setelah berada di dalam, dan sangat berkait dengan kepadatan susunan rantaian, kehabluran dan isi padu bebas.
Pekali kelarutan mengukur berapa banyak molekul gas yang dapat "ditangkap" oleh permukaan dan dilarutkan ke dalam, mencerminkan affiniti antara bahan dan gas.
Unit dan pengiraan
GTR biasanya dinyatakan dalam cm³/(m²·24h·0.1MPa); pekali kebolehtelapan dalam cm³·cm/(m²·24h·0.1MPa), dengan unit Barrer sering digunakan dalam penyelidikan (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg)); pekali resapan dalam cm²/s; dan pekali kelarutan dalam cm³/(cm³·atm).
Dari segi pengiraan, GTR diperoleh melalui instrumen tekanan beza yang memantau perubahan pada sisi tekanan rendah secara masa nyata, digabungkan dengan isi padu kebuk, suhu dan luas sampel; kebolehtelapan ialah GTR didarab dengan ketebalan dan dibahagi dengan beza tekanan; resapan diperoleh daripada lengkung tekanan–masa keadaan tidak mantap pada sisi tekanan rendah melalui kaedah selang masa; dan kelarutan ialah kebolehtelapan dibahagi dengan resapan.
Mengapa penyelidikan dan industri mengambil berat tentang penunjuk yang berbeza
Daripada keempat-empatnya, hanya GTR yang dipengaruhi secara langsung oleh ketebalan sampel: menggandakan ketebalan bahan yang sama kira-kira mengurangkan GTR kepada separuh. Kebolehtelapan, resapan dan kelarutan bersifat intrinsik dan pada dasarnya tidak dipengaruhi oleh ketebalan apabila formulasi dan prosesnya tidak berubah.
Kertas penyelidikan lebih menggemari pekali kebolehtelapan kerana ia menyingkirkan pemboleh ubah ketebalan dan membolehkan kumpulan yang berbeza membandingkan prestasi penghalang intrinsik pada satu garis dasar; pengeluar lebih mengambil berat tentang GTR, yang secara langsung sepadan dengan fluks gas sebenar dan jangka hayat filem berketebalan tetap serta boleh dimasukkan terus ke dalam formula jangka hayat.
Contoh: mengapa PE, PET, EVOH, PA dan PVDC begitu berbeza
PE ialah poliolefin bukan polar dengan rantaian yang lentur tetapi kurang padat susunannya serta kehabluran yang rendah: resapan tinggi, kelarutan rendah dan kebolehtelapan keseluruhan yang sederhana, menjadikannya bahan penghalang rendah yang konvensional. PET ialah poliester polar separa hablur dengan rantaian yang lebih teratur; resapannya satu urutan magnitud lebih rendah daripada PE, meletakkannya dalam kelas penghalang sederhana.
EVOH ialah bahan polar berkehabluran tinggi yang kumpulan hidroksilnya yang banyak membentuk rangkaian ikatan hidrogen yang padat; resapannya dua urutan magnitud lebih rendah daripada PET, tetapi kelarutannya terhadap wap air tinggi, jadi ia menghalang oksigen dengan sangat baik ketika kering dan kehilangan prestasi penghalang dengan cepat pada kelembapan tinggi. PA (nilon) sangat polar dengan kelarutan wap air yang jauh lebih tinggi daripada EVOH, jadi penghalang oksigennya menurun dengan ketara selepas menyerap air. PVDC mempunyai struktur rantaian yang sangat simetri dan sangat berkehabluran; resapannya lebih rendah daripada EVOH dan kelarutannya terhadap kedua-dua oksigen dan wap air lemah, menjadikannya salah satu daripada bahan penghalang ultra tinggi yang jarang ditemui, iaitu bahan yang penghalang oksigennya hampir tidak bergantung pada kelembapan.
Kesimpulan
Memahami pembahagian tugas antara keempat-empat parameter ini mengelakkan kekeliruan antara penunjuk dengan dimensi yang berbeza. Instrumen tekanan beza boleh mengeluarkan GTR, kebolehtelapan, resapan dan kelarutan dalam satu ujian yang lengkap — sekali gus memenuhi keperluan QC industri dan keperluan mekanistik penyelidikan.
