Trong thử nghiệm bao bì và R&D polyme, nhiều người bối rối khi một báo cáo thấm khí hiển thị bốn giá trị hoàn toàn khác nhau cho cùng một màng cùng lúc — tốc độ thấm khí, hệ số thấm, hệ số khuếch tán và hệ số hòa tan. Cả bốn dường như đều liên quan đến “khí đi qua vật liệu”, nhưng mỗi tham số chỉ một giai đoạn khác nhau của quá trình thấm, với ý nghĩa vật lý, logic tính toán và trường hợp dùng hoàn toàn khác biệt.
Khí không xuyên qua màng polyme “trong một hơi”; đó là quá trình ba bước nối tiếp. Trước tiên các phân tử khí chạm bề mặt và hòa tan vào vật liệu; sau đó các phân tử đã hòa tan khuếch tán từ bên này sang bên kia theo gradien nồng độ; cuối cùng, các phân tử đến mặt bên kia nhả hấp phụ ra ngoài. Mỗi bước tương ứng với một chỉ số định lượng độc lập.
Bốn tham số nghĩa là gì
Tốc độ thấm khí (GTR) — còn gọi là lưu lượng khí — mô tả lượng khí mục tiêu xuyên qua mẫu có diện tích xác định trong một đơn vị thời gian. Đây là chỉ số thực dụng nhất, hướng đến ứng dụng, và là tham số QC phổ biến nhất trong công nghiệp.
Hệ số thấm là thuộc tính nội tại của vật liệu. Nó loại bỏ hoàn toàn các biến bên ngoài như độ dày mẫu và diện tích thử, chỉ phản ánh năng lực thấm vốn có của vật liệu đối với một loại khí — tương đương việc so sánh các vật liệu khác độ dày trên cùng một chuẩn.
Hệ số khuếch tán mô tả tốc độ phân tử khí di chuyển qua các khe giữa các đoạn mạch polyme khi đã vào bên trong, gắn chặt với cách sắp xếp mạch, độ kết tinh và thể tích tự do.
Hệ số hòa tan đo lượng phân tử khí mà bề mặt có thể “giữ” và hòa tan vào bên trong, phản ánh ái lực giữa vật liệu và khí.
Đơn vị và cách tính
GTR thường dùng đơn vị cm³/(m²·24h·0,1MPa); hệ số thấm dùng cm³·cm/(m²·24h·0,1MPa), trong nghiên cứu hay dùng Barrer (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg)); hệ số khuếch tán dùng cm²/s; và hệ số hòa tan dùng cm³/(cm³·atm).
Về tính toán, GTR được xác định bằng thiết bị chênh áp theo dõi theo thời gian thực sự thay đổi áp suất phía áp thấp, kết hợp thể tích buồng, nhiệt độ và diện tích mẫu; hệ số thấm bằng GTR nhân độ dày chia cho chênh áp; hệ số khuếch tán được suy ra từ đường cong áp suất–thời gian ở trạng thái không ổn định phía áp thấp theo phương pháp thời gian trễ; và hệ số hòa tan bằng hệ số thấm chia cho hệ số khuếch tán.
Vì sao nghiên cứu và công nghiệp quan tâm chỉ số khác nhau
Trong bốn tham số, chỉ GTR chịu ảnh hưởng trực tiếp của độ dày mẫu: tăng gấp đôi độ dày của cùng vật liệu thì GTR giảm khoảng một nửa. Hệ số thấm, khuếch tán và hòa tan đều là thuộc tính nội tại và gần như không chịu ảnh hưởng của độ dày khi công thức và quy trình không đổi.
Bài báo nghiên cứu ưu tiên hệ số thấm vì nó loại bỏ biến độ dày và cho phép so sánh hiệu năng cản nội tại của các nhóm khác nhau trên cùng một chuẩn; nhà sản xuất quan tâm nhiều hơn đến GTR, vì nó tương ứng trực tiếp với lưu lượng khí và hạn sử dụng thực tế của màng có độ dày cố định và có thể đưa thẳng vào công thức tính hạn dùng.
Ví dụ: vì sao PE, PET, EVOH, PA và PVDC khác nhau nhiều đến vậy
PE là polyolefin không phân cực, mạch mềm dẻo nhưng sắp xếp lỏng lẻo, độ kết tinh thấp: khuếch tán cao, hòa tan thấp và hệ số thấm tổng thể ở mức trung bình, là vật liệu cản thấp thông thường. PET là polyester phân cực bán kết tinh với mạch trật tự hơn; hệ số khuếch tán của nó thấp hơn PE một bậc, xếp vào loại cản trung bình.
EVOH là vật liệu phân cực kết tinh cao với nhiều nhóm hydroxyl tạo thành mạng liên kết hydro dày đặc; hệ số khuếch tán thấp hơn PET hai bậc, nhưng hệ số hòa tan hơi nước cao, nên cản oxy rất tốt khi khô và mất cản nhanh ở độ ẩm cao. PA (nylon) phân cực mạnh với hệ số hòa tan hơi nước cao hơn EVOH nhiều, nên khả năng cản oxy giảm rõ sau khi hút nước. PVDC có cấu trúc mạch rất đối xứng và kết tinh rất cao; hệ số khuếch tán còn thấp hơn EVOH và hệ số hòa tan với cả oxy lẫn hơi nước đều yếu, khiến nó là một trong số ít vật liệu cản siêu cao có khả năng cản oxy gần như không phụ thuộc độ ẩm.
Kết luận
Nhìn rõ sự phân công giữa bốn tham số giúp tránh nhầm lẫn các chỉ số ở những chiều khác nhau. Thiết bị chênh áp có thể xuất đồng thời GTR, hệ số thấm, khuếch tán và hòa tan trong một phép thử hoàn chỉnh — phục vụ cả QC công nghiệp lẫn nhu cầu nghiên cứu cơ chế.
