การทดสอบอัตราการซึมผ่านของก๊าซแบบวัดความต่างความดันกับแบบควา

ในอุตสาหกรรมอาหาร ยา การบินและอวกาศ และวัสดุย่อยสลายได้ สมบัติการกั้นก๊าซของวัสดุเป็นตัวกำหนดอายุการเก็บรักษา ความปลอดภัยในการใช้งาน และความเสถียรในระยะยาวโดยตรง เครื่องวัดอัตราการซึมผ่านของก๊าซแบบวัดความต่างความดันและแบบความดันเท่ากันเป็นเครื่องมือสองประเภทหลัก และหลายคนสับสนกับความแตกต่างระหว่างสองวิธีนี้ บางครั้งจึงเลือกวิธีผิดและทำให้ข้อมูลคลาดเคลื่อน

เหตุใดจึงมีสองวิธี

ทั้งสองวิธีเกิดขึ้นจากความต้องการทดสอบและเส้นทางการมาตรฐานที่ต่างกันของแต่ละอุตสาหกรรม วิธีวัดความต่างความดันพัฒนาขึ้นก่อน โดยอาศัยการวัดความดันในระบบสุญญากาศ และเติบโตเป็นมาตรฐาน GB/T 1038, ISO 15105-1 และ ASTM D1434 แพร่หลายในสถาบันตรวจสอบคุณภาพและมหาวิทยาลัยในเอเชียและยุโรป ต่อมาจึงมีการพัฒนาวิธีความดันเท่ากัน (วิธีคูลอเมตริก) ขึ้นมาเพื่อวัดออกซิเจนโดยเฉพาะ โดยมีมาตรฐาน เช่น ASTM D3985 และได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอเมริกาเหนือและภูมิภาคการค้าที่ใกล้ชิด ทั้งสองวิธีไม่ได้แทนที่กัน แต่แต่ละวิธีได้รับการปรับให้เหมาะกับสถานการณ์ ก๊าซ และลักษณะของวัสดุที่ต่างกัน

เปรียบเทียบหลักการทำงาน

วิธีวัดความต่างความดัน ตัวอย่างแบ่งห้องทดสอบออกเป็นสองช่องที่เป็นอิสระต่อกัน ทั้งสองช่องถูกไล่ก๊าซออกก่อน จากนั้นปิดห้องความดันต่ำและป้อนก๊าซทดสอบเข้าสู่ห้องความดันสูงจนถึงความดันที่กำหนด ทำให้เกิดผลต่างความดันคงที่ 0.1 MPa ตลอดทั้งตัวอย่าง ภายใต้แรงขับจากความชันของความเข้มข้น ก๊าซจะซึมผ่านจากด้านความดันสูงไปยังด้านสุญญากาศที่มีความดันต่ำ มาตรวัดสุญญากาศความแม่นยำสูงติดตามการเพิ่มขึ้นของความดันด้านต่ำแบบเรียลไทม์ และเครื่องมือคำนวณอัตราการซึมผ่านจากพื้นที่และอุณหภูมิ พร้อมทั้งให้ค่าสัมประสิทธิ์การละลาย การแพร่ และสภาพซึมผ่านได้ด้วย

วิธีความดันเท่ากัน (วิธีคูลอเมตริก) ห้องทดสอบทั้งสองช่องอยู่ในสภาวะความดันบรรยากาศเท่ากันโดยไม่มีผลต่างความดัน ด้านหนึ่งมีออกซิเจนความบริสุทธิ์สูง (หรือส่วนผสมที่มีออกซิเจน) ไหลผ่าน อีกด้านหนึ่งมีก๊าซพาเป็นไนโตรเจนความบริสุทธิ์สูง ออกซิเจนที่ซึมผ่านฟิล์มจะถูกไนโตรเจนพาไปยังเซนเซอร์แบบคูลอเมตริก ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าตามสัดส่วนกับความเข้มข้นของออกซิเจน และให้ค่าอัตราการซึมผ่านของออกซิเจน สำหรับภาชนะสำเร็จรูป จะป้อนไนโตรเจนเข้าไปในภาชนะขณะที่ออกซิเจนไหลอยู่ภายนอก เพื่อทดสอบออกซิเจนของบรรจุภัณฑ์ทั้งชิ้น

วัสดุ ความแม่นยำ และความเร็ว

วัสดุที่เหมาะสม วิธีวัดความต่างความดันใช้ได้กับวัสดุหลากหลายมาก ทั้งฟิล์มพลาสติก ฟิล์มคอมโพสิต แผ่นวัสดุกั้นสูง ฟอยล์โลหะ ความแน่นอากาศของยางและยางรถยนต์ เมมเบรนซึมผ่าน ฟิล์มย่อยสลายได้ วัสดุถุงลมสำหรับอากาศยาน กระดาษและกระดาษแข็ง ฟิล์มแล็กเกอร์ ผ้าทอไฟเบอร์กลาส และแผ่นวัสดุสำหรับหลอดเครื่องสำอาง และมีความน่าเชื่อถือเป็นพิเศษกับวัสดุกั้นสูง โดยมีอุปกรณ์จับยึดแบบพิเศษสำหรับวัสดุแผ่นและการเคลือบแบบเพสต์ ส่วนวิธีความดันเท่ากันเหมาะกับงานที่เน้นออกซิเจนและต้องจำลองการใช้งานที่ความดันปกติอย่างใกล้ชิด เช่น บรรจุภัณฑ์อาหารสด บรรจุภัณฑ์ที่ไล่ก๊าซด้วยออกซิเจน บรรจุภัณฑ์ทางการแพทย์ปลอดเชื้อ และสิ่งทอหรือฟิล์มหายใจพิเศษที่มีฟลักซ์สูง

ความแม่นยำ วิธีวัดความต่างความดันมีทฤษฎีที่สมบูรณ์และทำงานในระบบสุญญากาศปิดที่มีการรบกวนจากสิ่งเจือปนต่ำมาก จึงมีความสามารถในการทำซ้ำและความเสถียรที่ดีเยี่ยมสำหรับการทดสอบหลายชนิดก๊าซและวัสดุกั้นสูง ข้อได้เปรียบด้านความแม่นยำของวิธีความดันเท่ากันอยู่ที่ความจำเพาะต่อออกซิเจน เซนเซอร์แบบคูลอเมตริกรับรู้ออกซิเจนได้ดีและแม่นยำมากกับฟิล์มที่มีการกั้นระดับปกติ แต่สำหรับวัสดุกั้นสูง ออกซิเจนในระดับร่องรอยจะถูกพาไปยังเซนเซอร์ได้ไม่ครบทั้งหมด ผลลัพธ์จึงอาจแกว่งได้

ความเร็ว วิธีวัดความต่างความดันเข้าสู่การทดสอบจริงได้เร็วหลังติดตั้งตัวอย่าง และมีรอบการทดสอบต่อตัวอย่างที่สั้น เหมาะกับการคัดกรองตัวอย่างปริมาณมาก ส่วนวิธีความดันเท่ากันต้องใช้เวลาไล่ก๊าซพาและทำให้เส้นฐานคงตัวนานก่อน จึงมักใช้เวลาต่อตัวอย่างนานกว่าหลายเท่า

ก๊าซที่วัดได้และความนิยมในเภสัชตำรับ

ก๊าซที่วัดได้ วิธีวัดความต่างความดันไม่จำกัดชนิดก๊าซ สามารถทดสอบออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน อากาศ ไฮโดรเจน มีเทน และก๊าซอนินทรีย์ทั่วไปอื่น ๆ ได้โดยตรง เครื่องเดียวจึงครอบคลุมงานที่ต้องวัดหลายก๊าซ ส่วนเครื่องแบบคูลอเมตริกทั่วไปมีเซนเซอร์หลักที่จำเพาะต่อออกซิเจนและทดสอบได้เฉพาะออกซิเจน ก๊าซอื่นต้องเพิ่มเซนเซอร์และเส้นทางก๊าซเฉพาะด้วยต้นทุนสูง

ความนิยมในเภสัชตำรับ ในมาตรฐานบรรจุภัณฑ์ยาของจีนและข้อกำหนดเภสัชตำรับ วิธีวัดความต่างความดันเป็นวิธีหลักที่นิยมใช้ บรรจุภัณฑ์ยาครอบคลุมวัสดุที่ซับซ้อนและต้องทดสอบหลายวัสดุหลายก๊าซ ความหลากหลายของวิธีวัดความต่างความดันและความสอดคล้องกับ GB/T 1038 อีกทั้งตรงกับแนวปฏิบัติของเภสัชตำรับในประเทศ จึงนำไปใช้ในการขึ้นทะเบียนและการควบคุมคุณภาพประจำวันได้โดยตรง

การเลือกใช้ตามอุตสาหกรรม

ในบรรจุภัณฑ์อาหารและยา หากความต้องการหลักคือการควบคุมคุณภาพการกั้นแบบหลายก๊าซอย่างรวดเร็วสำหรับฟิล์มจำนวนมาก ให้เลือกวิธีวัดความต่างความดัน หากเป็นบรรจุภัณฑ์อาหารสดระดับพรีเมียมที่ไล่ก๊าซด้วยออกซิเจนและต้องการข้อมูลออกซิเจนที่จำลองสภาวะความดันปกติอย่างใกล้ชิด ให้เพิ่มวิธีความดันเท่ากันเพื่อการตรวจสอบเฉพาะด้าน งานด้านการบินและอวกาศ วัสดุย่อยสลายได้ และมหาวิทยาลัยมักต้องทดสอบออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์พร้อมกัน และต้องการค่าสัมประสิทธิ์การแพร่และการละลาย วิธีวัดความต่างความดันจึงแทบเป็นทางเลือกเดียว ส่วนผู้ส่งออกที่มุ่งตลาดอเมริกาเหนือซึ่งลูกค้าต้องการรายงานออกซิเจนตาม ASTM D3985 สามารถเลือกเครื่องแบบความดันเท่ากันเพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานท้องถิ่น

กล่าวโดยสรุป ห้องปฏิบัติการที่ทดสอบหลายก๊าซเพื่องานวิจัยหรือเภสัชตำรับควรให้ความสำคัญกับวิธีวัดความต่างความดัน ส่วนงานที่จำเพาะต่อออกซิเจนและจำลองสภาวะชั้นวางสินค้าที่ความดันปกติเหมาะกับวิธีความดันเท่ากัน