คำถามพบบ่อยเกี่ยวกับการซึมผ่านของก๊าซ (Permeation)

ที่มา: เว็บไซต์ AMETEK MOCON หน้า Knowledge

---

1. การซึมผ่านคืออะไร?

การซึมผ่าน (Permeation) คือ การเคลื่อนที่ของก๊าซหรือไอน้ำผ่านวัสดุกั้น เช่น ผนังขวดหรือชั้นฟิล์ม ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยจะเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า

ภาพ 1: การซึมผ่านของก๊าซตามธรรมชาติ

ตัวอย่าง: ในขวดน้ำอัดลมที่เพิ่งบรรจุใหม่ ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ภายในอยู่ที่ประมาณ 4 atm ในขณะที่ความเข้มข้นของ CO₂ ในอากาศนอกขวดน้อยกว่า 0.5% ดังนั้น CO₂ จะค่อย ๆ ซึมออกจากขวด และออกซิเจนจากอากาศจะค่อย ๆ ซึมเข้าสู่ขวด ส่งผลให้รสชาติของผลิตภัณฑ์เปลี่ยนแปลง เช่น การสูญเสียความซ่า

ภาพ 2: กลไกการละลาย-ซึมผ่าน

กระบวนการซึมผ่านมี 3 ขั้นตอน (กลไกการละลาย-ซึมผ่าน):

• โมเลกุลของก๊าซดูดซึมเข้าสู่พื้นผิวด้านที่มีความเข้มข้นสูง

• โมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านวัสดุกั้น

• โมเลกุลถูกปล่อยออกทางด้านที่มีความเข้มข้นต่ำ

  
  

ปัจจัยที่มีผลต่อการซึมผ่าน:

• การละลาย (Solubility - S): ความสามารถในการละลายของก๊าซในวัสดุ

• การซึม (Diffusivity - D): ความสามารถของก๊าซในการเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ

  
  

สมการสำคัญ:

ความสามารถในการซึมผ่าน (P) = ค่าสัมประสิทธิ์การซึม (D) × ค่าสัมประสิทธิ์การละลาย (S)

ในการใช้งานจริงจะรายงานผลเป็น อัตราการซึมผ่าน (Transmission Rate - TR)

• OTR (ออกซิเจน): cc/m².day

• WVTR (ไอน้ำ): g/m².day

• CO₂TR (คาร์บอนไดออกไซด์): cc/m².day

2. การวัดอัตราการซึมผ่านทำอย่างไร

การวัดอัตราการซึมผ่านทำโดยการทดสอบอัตราการซึมผ่านในสภาวะควบคุม โดยใช้วิธีการ Iso-static (แรงดันเท่ากัน) ซึ่งจะมีการปล่อยก๊าซทดสอบด้านหนึ่งของฟิล์ม และใช้ก๊าซพา (เช่น ไนโตรเจน) อีกด้านหนึ่ง ก๊าซที่ซึมผ่านจะถูกพาไปยังเซนเซอร์เพื่อตรวจวัด

เครื่องมือที่นิยมใช้:

• OX-TRAN® 2/22 – วัด OTR ด้วยเซนเซอร์แบบ Coulometric

• AQUATRAN® 3/34 – วัด WVTR ด้วยอินฟราเรดเซนเซอร์

• PERMATRAN-C® – วัด CO₂TR ด้วยอินฟราเรดเซนเซอร์

3. ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อการซึมผ่าน

ปัจจัยภายนอก:

• อุณหภูมิ:  ทุก ๆ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 10°C จะส่งผลให้อัตราการซึมผ่านเพิ่มเป็น 2 เท่า

• ความชื้นสัมพัทธ์ (RH):  มีผลต่อคุณสมบัติ Non-Fickian ของวัสดุที่ดูดความชื้น (เช่น EVOH)

• Driving Force:  อัตราการซึมผ่านจะแปรผันตาม Driving Force

• ความหนาของวัสดุ:  อัตราการซึมผ่านจะแปรผกผันกับความหนาของวัสดุ

  
  

คุณสมบัติของวัสดุ:

• โครงสร้างโซ่พอลิเมอร์และความเป็นผลึก

• ปฏิกิริยากับความชื้นและขั้วของวัสดุ

• คุณลักษณะพื้นผิวสัมผัสและสารเติมแต่ง

4. เปรียบเทียบ ASTM D3985 และ F2622: ควรเลือกใช้วิธีใด

สำหรับบรรจุภัณฑ์ที่ต้องการป้องกันออกซิเจนอย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบ OTR อย่างแม่นยำจึงมีความสำคัญในการเลือกวัสดุบรรจุภัณฑ์และกระบวนการตรวจสอบคุณภาพที่เหมาะสม

มาตรฐาน ASTM ที่ใช้ทดสอบ OTR:

• ASTM D3985: ใช้เซนเซอร์ Coulometric (ไม่ต้องสอบเทียบ)

• ASTM F2622: ใช้เซนเซอร์แบบ Non-Coulometric (ต้องสอบเทียบ)

  
  

ตารางเปรียบเทียบ:

รายการเปรียบเทียบ	Coulometric (D3985)	Non-Coulometric (F2622)
ต้องสอบเทียบเซนเซอร์	ไม่ต้อง	ต้อง
พึ่งพาก๊าซพาในการทำงาน	ไม่พึ่งพา	พึ่งพา
การตอบสนองของเซนเซอร์	เป็นเชิงเส้น	ไม่เป็นเชิงเส้น
เหมาะสำหรับวัสดุแบบไหน	ฟิล์มที่กันออกซิเจนดี	ฟิล์มที่มีการซึมผ่านออกซิเจนปานกลาง/สูง
ราคาของเซนเซอร์	สูงกว่า	ต่ำกว่า
สามารถสอบกลับกับ NIST ได้	ได้	ไม่ได้

ข้อแนะนำ:

• วัสดุป้องกันออกซิเจนสูง (เช่น อาหารไวต่อออกซิเจน): ควรใช้วิธี Coulometric เพื่อความแม่นยำสูงสุด

• วัสดุป้องกันออกซิเจนต่ำ (เช่น บรรจุภัณฑ์ผลไม้): วิธี Non-Coulometric ก็เพียงพอ

  
  
  
  

5. จำเป็นต้องควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ (RH) ขณะทดสอบ OTR หรือไม่

คำตอบคือ ขึ้นอยู่กับประเภทของพอลิเมอร์

• วัสดุแบบ Fickian (เช่น โพลิโอเลฟิน): ไม่ดูดความชื้น ผลลัพธ์ OTR คงที่ แม้เปลี่ยน RH

• วัสดุแบบ Non-Fickian (เช่น EVOH):  ดูดความชื้น โครงสร้างพองตัวเมื่ออยู่ในสภาวะ RH สูง ทำให้เกิดการซึมผ่านก๊าซได้มากขึ้น

สรุป: วัสดุที่ไวต่อความชื้นต้องทดสอบ OTR ด้วยการควบคุม RH อย่างแม่นยำ เพื่อสะท้อนสภาพใช้งานจริงและประเมินความเสี่ยงสูงสุดได้ถูกต้อง

🟦 สนใจข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดสอบการซึมผ่านด้วย MOCON Permeation Analyzer by Bow Commercial Thailand กรุณาติดต่อ

📩 info@gaspermeationthai.com | 📞 02-076-8100