GTR ค่าการซึมผ่าน ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่

ในการทดสอบบรรจุภัณฑ์และการวิจัยและพัฒนาพอลิเมอร์ หลายคนรู้สึกสับสนเมื่อรายงานผลการซึมผ่านของก๊าซแสดงค่าที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงถึงสี่ค่าสำหรับฟิล์มชนิดเดียวกันในคราวเดียว ได้แก่ อัตราการซึมผ่านของก๊าซ สภาพซึมผ่านได้ สัมประสิทธิ์การแพร่ และสัมประสิทธิ์การละลาย ทั้งสี่ค่าดูเหมือนเกี่ยวข้องกับ “ก๊าซที่ผ่านวัสดุ” แต่แต่ละค่าแสดงถึงขั้นตอนที่ต่างกันของการซึมผ่าน โดยมีความหมายทางฟิสิกส์ ตรรกะการคำนวณ และการนำไปใช้ที่ต่างกันอย่างสิ้นเชิง

ก๊าซไม่ได้ผ่านฟิล์มพอลิเมอร์ “ในลมหายใจเดียว” แต่เป็นกระบวนการต่อเนื่องสามขั้น ขั้นแรกโมเลกุลของก๊าซสัมผัสผิวและละลายเข้าไปในเนื้อวัสดุ จากนั้นโมเลกุลที่ละลายแล้วจะแพร่จากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งตามความชันของความเข้มข้น และสุดท้ายโมเลกุลที่ไปถึงผิวอีกด้านหนึ่งจะคายออกสู่ช่องว่างภายนอก แต่ละขั้นสอดคล้องกับตัวชี้วัดเชิงปริมาณที่เป็นอิสระต่อกัน

ความหมายของพารามิเตอร์ทั้งสี่

อัตราการซึมผ่านของก๊าซ (GTR) — หรือเรียกอีกชื่อว่าฟลักซ์ของก๊าซ — อธิบายว่าก๊าซเป้าหมายผ่านตัวอย่างที่มีพื้นที่ที่กำหนดในหนึ่งหน่วยเวลามากเพียงใด เป็นตัวชี้วัดที่ใช้ได้จริงและเน้นการใช้งานมากที่สุด และเป็นพารามิเตอร์ควบคุมคุณภาพที่พบบ่อยที่สุดในภาคอุตสาหกรรม

สัมประสิทธิ์สภาพซึมผ่านได้ เป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุ โดยตัดตัวแปรภายนอก เช่น ความหนาของตัวอย่างและพื้นที่ทดสอบ ออกไปอย่างสิ้นเชิง สะท้อนเพียงความสามารถในการซึมผ่านโดยเนื้อแท้ของวัสดุต่อก๊าซที่กำหนด ซึ่งเทียบเท่ากับการเปรียบเทียบวัสดุที่มีความหนาต่างกันบนเส้นฐานเดียวกัน

สัมประสิทธิ์การแพร่ อธิบายว่าโมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างระหว่างส่วนของสายโซ่พอลิเมอร์ได้เร็วเพียงใดเมื่อเข้าไปอยู่ภายในแล้ว และมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการจัดเรียงตัวของสายโซ่ ความเป็นผลึก และปริมาตรอิสระ

สัมประสิทธิ์การละลาย วัดว่าผิววัสดุสามารถ “จับ” โมเลกุลของก๊าซและละลายไว้ภายในได้มากเพียงใด สะท้อนความมีสัมพรรคภาพระหว่างวัสดุกับก๊าซ

หน่วยและการคำนวณ

GTR มักแสดงเป็น cm³/(m²·24h·0.1MPa) สัมประสิทธิ์สภาพซึมผ่านได้แสดงเป็น cm³·cm/(m²·24h·0.1MPa) โดยงานวิจัยมักใช้หน่วย Barrer (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg)) สัมประสิทธิ์การแพร่มีหน่วยเป็น cm²/s และสัมประสิทธิ์การละลายมีหน่วยเป็น cm³/(cm³·atm)

ในด้านการคำนวณ ค่า GTR ได้จากการที่เครื่องวัดแบบวัดความต่างความดันติดตามการเปลี่ยนแปลงของความดันด้านความดันต่ำแบบเรียลไทม์ แล้วนำมาคำนวณร่วมกับปริมาตรของห้องทดสอบ อุณหภูมิ และพื้นที่ของตัวอย่าง สภาพซึมผ่านได้เท่ากับค่า GTR คูณความหนาแล้วหารด้วยผลต่างความดัน สัมประสิทธิ์การแพร่คำนวณได้จากเส้นโค้งความดัน–เวลาในสภาวะไม่คงตัวที่ด้านความดันต่ำด้วยวิธี time-lag และสัมประสิทธิ์การละลายเท่ากับสภาพซึมผ่านได้หารด้วยสัมประสิทธิ์การแพร่

เหตุใดงานวิจัยและภาคอุตสาหกรรมจึงให้ความสำคัญกับตัวชี้วัดที่ต่างกัน

ในบรรดาค่าทั้งสี่ มีเพียง GTR เท่านั้นที่ได้รับผลโดยตรงจากความหนาของตัวอย่าง กล่าวคือ หากความหนาของวัสดุเดียวกันเพิ่มเป็นสองเท่า ค่า GTR จะลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง ส่วนสภาพซึมผ่านได้ สัมประสิทธิ์การแพร่ และสัมประสิทธิ์การละลายเป็นค่าที่เป็นสมบัติเฉพาะตัว และโดยพื้นฐานไม่ได้รับผลจากความหนาเมื่อสูตรและกระบวนการผลิตไม่เปลี่ยนแปลง

บทความงานวิจัยนิยมใช้สัมประสิทธิ์สภาพซึมผ่านได้ เพราะตัดตัวแปรด้านความหนาออกไป ทำให้กลุ่มวิจัยต่าง ๆ เปรียบเทียบสมบัติการกั้นโดยเนื้อแท้บนเส้นฐานเดียวกันได้ ส่วนผู้ผลิตให้ความสำคัญกับค่า GTR มากกว่า เนื่องจากสอดคล้องโดยตรงกับฟลักซ์ของก๊าซจริงและอายุการเก็บรักษาของฟิล์มที่มีความหนาคงที่ และนำไปใช้ในสูตรคำนวณอายุการเก็บรักษาได้ทันที

ตัวอย่าง: เหตุใด PE, PET, EVOH, PA และ PVDC จึงแตกต่างกันมาก

PE เป็นพอลิโอเลฟินที่ไม่มีขั้ว สายโซ่ยืดหยุ่นแต่จัดเรียงตัวหลวมและมีความเป็นผลึกต่ำ ส่งผลให้การแพร่สูง การละลายต่ำ และสภาพการซึมผ่านโดยรวมอยู่ในระดับปานกลาง จึงจัดเป็นวัสดุกั้นต่ำตามแบบฉบับ ส่วน PET เป็นพอลิเอสเทอร์ที่มีขั้วและกึ่งผลึก สายโซ่จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบมากกว่า ทำให้การแพร่ต่ำกว่า PE ราวหนึ่งอันดับ จัดอยู่ในกลุ่มวัสดุกั้นปานกลาง

EVOH เป็นวัสดุที่มีขั้วและมีความเป็นผลึกสูง หมู่ไฮดรอกซิลจำนวนมากก่อตัวเป็นเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนที่หนาแน่น ทำให้การแพร่ต่ำกว่า PET ถึงสองอันดับ แต่มีการละลายต่อไอน้ำสูง จึงกั้นออกซิเจนได้ดีเยี่ยมในสภาวะแห้ง และสูญเสียสมบัติการกั้นอย่างรวดเร็วที่ความชื้นสูง ส่วน PA (ไนลอน) มีขั้วสูงและมีการละลายต่อไอน้ำสูงกว่า EVOH มาก สมบัติการกั้นออกซิเจนจึงลดลงอย่างเห็นได้ชัดหลังดูดซับน้ำ PVDC มีโครงสร้างสายโซ่ที่สมมาตรสูงและมีความเป็นผลึกสูง การแพร่จึงต่ำกว่า EVOH อีก ทั้งยังมีการละลายต่อทั้งออกซิเจนและไอน้ำต่ำ จึงจัดเป็นหนึ่งในวัสดุกั้นสูงพิเศษส่วนน้อยที่สมบัติการกั้นออกซิเจนแทบไม่ขึ้นอยู่กับความชื้น

บทสรุป

การมองเห็นการแบ่งบทบาทของพารามิเตอร์ทั้งสี่ช่วยป้องกันการสับสนระหว่างตัวชี้วัดที่มีมิติต่างกัน เครื่องวัดแบบวัดความต่างความดันสามารถให้ค่า GTR สภาพซึมผ่านได้ สัมประสิทธิ์การแพร่ และสัมประสิทธิ์การละลายได้ในการทดสอบเดียวที่สมบูรณ์ ตอบโจทย์ทั้งการควบคุมคุณภาพในภาคอุตสาหกรรมและความต้องการเชิงกลไกของงานวิจัย