เทคโนโลยีการเป่าฟิล์มแบบหลายชั้นช่วยยกระดับประสิทธิภาพของฟิล์มบรรจุภัณฑ์อย่างไร

การปรับปรุงประสิทธิภาพด้านสมบัติกันซึม ผ่านการออกแบบชั้นอย่างกลยุทธ์

การเพิ่มประสิทธิภาพในการกันออกซิเจนและไอน้ำของโครงสร้างแบบ 5 ชั้น เทียบกับแบบ 7 ชั้น

การจัดเรียงชั้นต่าง ๆ ภายในวัสดุบรรจุภัณฑ์มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพในการกันสิ่งรบกวนจากภายนอก โดยผลการวิจัยล่าสุดในอุตสาหกรรมซึ่งตีพิมพ์ในนิตยสาร Packaging Digest เมื่อปีที่ผ่านมา ระบุว่าฟิล์มแบบเจ็ดชั้นสามารถลดการแพร่ผ่านของออกซิเจนได้ประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับฟิล์มแบบห้าชั้น นอกจากนี้ ยังสามารถกันการแพร่ผ่านของความชื้นได้ดีขึ้นประมาณ 25 ถึง 35 เปอร์เซ็นต์ อันใดคือเหตุผลที่ทำให้เกิดผลเช่นนี้? คำตอบคือ ชั้นกันพิเศษ (barrier layers) ที่ถูกจัดวางอยู่ระหว่างชั้นยึดเกาะ (tie layers) ที่มีคุณสมบัติสอดคล้องกัน ซึ่งสร้างเส้นทางการเคลื่อนผ่านที่ซับซ้อนและคดเคี้ยว ส่งผลให้สารต่าง ๆ ที่จะผ่านเข้าไปนั้นเคลื่อนที่ช้าลง ด้วยการควบคุมโครงสร้างอย่างแม่นยำยิ่งขึ้นนี้ ผู้ผลิตจึงสามารถวางโพลิเมอร์พิเศษเหล่านั้นไว้ในตำแหน่งที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ เช่น ใช้ EVOH เพื่อกันการแพร่ผ่านของออกซิเจน หรือใช้ PA (Polyamide) เพื่อควบคุมระดับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรจุภัณฑ์ที่มีระบบปรับเปลี่ยนองค์ประกอบของบรรยากาศภายใน (Modified Atmosphere Packaging) การออกแบบเชิงวิศวกรรมที่แม่นยำในลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อองค์กรที่ต้องการให้ผลิตภัณฑ์ของตนคงความสดใหม่ได้นานขึ้น

ชั้นทำงานของ EVOH และโพลีเอไมด์: กลไกการกันสารปนเปื้อนแบบเจาะจง

เมื่อพูดถึงคุณสมบัติการกั้น โพรพิลีนเอทิลีนแอลกอฮอล์ (EVOH) และพอลิเอไมด์ (PA) ทำงานร่วมกันได้อย่างลงตัว EVOH มีโครงสร้างที่อุดมด้วยเอทิลีนซึ่งแน่นหนามาก จึงสามารถกั้นโมเลกุลที่มีขนาดเล็กและไม่มีขั้ว เช่น ออกซิเจน ซึ่งมีขนาดประมาณ 3.86 แองสตรอม ทำให้อัตราการผ่านของออกซิเจน (OTR) ต่ำกว่า 1 ซีซี ต่อตารางเมตรต่อวันอย่างมาก ขณะที่ในทางกลับกัน พอลิเอไมด์มีบทบาทที่แตกต่างออกไปแต่ก็สำคัญไม่แพ้กัน โดยโครงสร้างผลึกของมันช่วยให้ทนต่อการซึมผ่านของไอน้ำได้ดีเยี่ยม แต่ยังคงยอมให้ก๊าซบางชนิดผ่านเข้า-ออกได้อย่างเลือกสรร อัตราการผ่านของไอน้ำ (MVTR) จึงต่ำกว่า 1 กรัม ต่อตารางเมตรต่อวัน เมื่อนำวัสดุทั้งสองชนิดนี้มาใช้ร่วมกัน จะสามารถตอบสนองมาตรฐานที่เข้มงวดทั้งหมดสำหรับผลิตภัณฑ์ เช่น ยาและอาหาร ที่ต้องการอายุการเก็บรักษาที่ยาวนาน ผู้ผลิตจึงใช้เทคนิคการขึ้นรูปแบบโคเอ็กซ์ทรูชัน (coextrusion) เพื่อให้แน่ใจว่าชั้นวัสดุเหล่านี้ยึดติดกันอย่างมั่นคง โดยออกแบบชั้นเชื่อมพิเศษ (tie layers) ระหว่างวัสดุทั้งสองชนิดอย่างรอบคอบ เพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุแยกตัวออกจากกัน ไม่ว่าจะระหว่างกระบวนการผลิตหรือในระยะหลังจากที่ผลิตภัณฑ์ถูกนำไปใช้งานจริง

ความแข็งแรงเชิงกล: อย่างไร การขึ้นรูปแบบร่วม (Co-Extrusion) และการจัดแนวแบบสองแกน (Biaxial Orientation) ยกระดับ ความแข็งแรง

พลศาสตร์ของการพองตัวของฟองอากาศและผลกระทบจากการจัดแนวแบบสองแกนต่อความต้านทานแรงดึงและแรงทิ่มแทง

เมื่อผู้ผลิตควบคุมการพองตัวของฟองอากาศในระหว่างกระบวนการเป่าฟิล์มแบบหลายชั้น (multilayer film blowing) จะเกิดสิ่งที่เรียกว่า การจัดเรียงโมเลกุลแบบสองแกน (biaxial orientation) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วหมายความว่า สายโซ่พอลิเมอร์จะถูกจัดเรียงให้ขนานไปพร้อมกันในสองทิศทาง คือ รอบแนวเส้นรอบวงและตามความยาวของฟิล์ม ผลลัพธ์ที่ได้คือ คุณสมบัติในการใช้งานที่ดีขึ้นอย่างมาก การยืดตัวดังกล่าวทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การเกิดผลึกจากแรงเครียด (strain-induced crystallization) ซึ่งส่งผลให้ฟิล์มเหล่านี้มีความแข็งแรงภายใต้แรงดึงสูงขึ้นอย่างมาก โดยมีการปรับปรุงความต้านทานแรงดึง (tensile strength) ประมาณร้อยละ 56 เมื่อเทียบกับฟิล์มทั่วไป รวมทั้งเพิ่มความสามารถในการต้านทานการเจาะทะลุ (puncture resistance) ได้สูงถึงร้อยละ 300 อัตราส่วนการยืดตัวที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งในขั้นตอนนี้ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้รักษาระดับอัตราส่วนการยืดตัวไว้ที่ประมาณ 2:1 สำหรับทิศทางรอบเส้นรอบวง และประมาณ 1.8:1 สำหรับทิศทางตามแกน ค่าอัตราส่วนเหล่านี้ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้ ขณะเดียวกันก็กระจายแรงเครียดอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ หากไม่มีการปรับสมดุลที่เหมาะสม บรรจุภัณฑ์อาจเกิดการรั่วซึมบริเวณรอยปิดผนึก หรือฉีกขาดทั้งหมดขณะเคลื่อนผ่านสายการผลิตที่มีความเร็วสูง

โครงสร้างแกน LLDPE + ชั้นยึดเกาะ: ยืนยันการเพิ่มขึ้นของความต้านทานแรงฉีกแบบเอลเมนดอร์ฟ (Elmendorf Tear Strength) ถึง 32%

โครงสร้างชั้นแบบร่วมประสานส่งเสริมความแข็งแรงเชิงกล:

• แกนโพลีเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำเชิงเส้น (LLDPE) ดูดซับพลังงานจากการกระแทกผ่านการควบคุมระดับผลึก
• ชั้นยึดเกาะแบบปฏิกิริยา—โดยทั่วไปคือพอลิโอลีฟินที่ผ่านการฝังกราฟต์ด้วยมาเลอิกแอนไฮไดรด์ (maleic anhydride-grafted polyolefins)—ยึดจับพอลิเมอร์ที่ต่างกันอย่างแข็งแรงผ่านพันธะเคมี ป้องกันการแยกชั้น (delamination)
• การทดลองผ่านกระบวนการอัดรีด (extrusion trials) ยืนยันว่าความต้านทานแรงฉีกแบบเอลเมนดอร์ฟ (Elmendorf tear strength) เพิ่มขึ้น 32% ทำให้สามารถลดความหนาของวัสดุ (downgauging) ได้โดยไม่สูญเสียความทนทาน

การออกแบบแบบโคเอ็กซ์ทรูด (co-extruded design) นี้กระจายแรงแบบไดนามิกไปทั่วขอบเขตระหว่างชั้น (interfaces) ซึ่งยับยั้งการเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยแตกภายใต้สภาวะการจัดการจริง

ความหลากหลายในการใช้งาน: สมดุลระหว่างความสามารถในการปิดผนึก ความยืดหยุ่น และความเสถียรทางความร้อน

ชั้นปิดผนึกจาก LDPE/LLDPE ทำให้สามารถปิดผนึกด้วยความร้อนได้อย่างเชื่อถือได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก

ชั้นปิดผนึกจาก LDPE และ LLDPE มอบความสามารถในการปรับตัวทางความร้อนที่เหนือชั้น—รักษาความสามารถในการปิดผนึกด้วยความร้อนได้อย่างเชื่อถือได้ตั้งแต่ –50 °C ถึง 120 °C ช่วงอุณหภูมินี้รองรับการจัดเก็บอาหารแช่แข็ง การอุ่นด้วยไมโครเวฟ และการฆ่าเชื้อขั้นสุดท้ายของอุปกรณ์ทางการแพทย์ โครงสร้างโมเลกุลแบบกิ่งของวัสดุให้คุณสมบัติดังนี้:

• อุณหภูมิเริ่มต้นการปิดผนึกต่ำ (ต่ำสุดถึง 90°C)
• ความแข็งแรงในการยึดเกาะขณะร้อนสูง เพื่อทนต่อแรงดันขณะบรรจุ
• ความต้านทานต่อการแตกร้าวแบบเปราะได้โดดเด่นแม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส

ส่วนผสมของ LDPE/LLDPE แสดงความแปรผันของความแข็งแรงการปิดผนึกน้อยกว่า 15% ตลอดช่วงอุณหภูมินี้—เหนือกว่าพอลิเมอร์แบบเนื้อเดียวถึง 40% ในการทดสอบความเสถียรทางความร้อน ความสม่ำเสมอนี้ทำให้ซองบรรจุแบบยืดหยุ่นยังคงสามารถขึ้นรูปได้เย็น (cold-formability) และถาดแบบแข็งสามารถทนต่อรอบการใช้เครื่องนึ่งฆ่าเชื้อ (autoclave cycles) ได้ทั้งหมด โดยไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ของการปิดผนึกหรือประสิทธิภาพในการผลิต

ความสอดคล้องระหว่างกระบวนการกับวัสดุ: การรับประกันความเข้ากันได้และความสมบูรณ์ในเทคโนโลยีการเป่าฟิล์มหลายชั้น

หลักเกณฑ์การจับคู่พอลิเมอร์—เหตุใด EVOH จึงจำเป็นต้องใช้ชั้น PA หรือชั้นยึดเกาะ (tie layers) เพื่อป้องกันการแยกชั้น (delamination)

EVOH มอบประสิทธิภาพการกันออกซิเจนระดับแนวหน้าของอุตสาหกรรม แต่เนื่องจากธรรมชาติที่ดูดซับความชื้นและยึดเกาะไม่ดีกับพอลิโอลีฟิน เช่น PE หรือ PP การเชื่อมโดยตรงจึงไม่เสถียร หากไม่มีการแก้ไข EVOH/PE จะลอกตัวออกจากกันภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ หรือแรงเครื่องกล จนเกิดเป็นช่องเล็กๆ ที่ทำให้สมรรถนะการกันสูญเสียไป โครงสร้างการออกแบบที่ดีที่สุดแก้ปัญหานี้ด้วยกลยุทธ์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสองวิธี:

• การใช้ชั้นเชื่อม (Tie-layer mediation) : พอลิโอลีฟินที่ผ่านการฝังหมู่มาเลอิกแอนไฮไดรด์ (maleic anhydride-grafted polyolefins) สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์กับหมู่ไฮดรอกซิลของ EVOH ทำให้แรงดึงแยก (peel strength) เพิ่มขึ้น 300–400%
• การจัดเรียงแบบแซนด์วิชด้วยไนลอน (PA sandwiching) : ชั้นไนลอนที่อยู่ติดกับ EVOH ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความชื้น พร้อมทั้งเสริมความมั่นคงของการยึดเกาะระหว่างผิวสัมผัส

ผลการทดสอบภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ แสดงว่าโครงสร้าง EVOH ที่ไม่ผ่านการปรับปรุงจะลอกตัวออกจากกันถึง 80% หลังผ่านการทดสอบเพียง 15 รอบเท่านั้น การจับคู่อย่างเหมาะสมจึงเปลี่ยน EVOH จากจุดอ่อนให้กลายเป็นชั้นกันที่ทนทานและมีสมรรถนะสูง—รับประกันทั้งความสมบูรณ์ของโครงสร้างและหน้าที่การทำงานตลอดกระบวนการอัดรีด (extrusion), การแปรรูป (converting) และการใช้งานจริง

คำถามที่พบบ่อย

ข้อดีของโครงสร้างฟิล์มแบบ 7 ชั้นเมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบ 5 ชั้นคืออะไร

โครงสร้างฟิล์มแบบ 7 ชั้นลดการซึมผ่านของออกซิเจนได้มากถึง 40–60% และลดการซึมผ่านของความชื้นได้ 25–35% เมื่อเทียบกับโครงสร้างแบบ 5 ชั้น ทำให้สามารถรักษาความสดใหม่ของผลิตภัณฑ์ได้ดียิ่งขึ้น

EVOH และโพลีเอไมด์มีส่วนช่วยต่อคุณสมบัติการกันซึมในบรรจุภัณฑ์อย่างไร

EVOH มีคุณสมบัติการกันซึมออกซิเจนได้ดีเยี่ยมเนื่องจากโครงสร้างที่อุดมไปด้วยเอทิลีน ในขณะที่โพลีเอไมด์ให้คุณสมบัติกันความชื้น จึงสามารถควบคุมการซึมผ่านของก๊าซได้อย่างเลือกสรร ทั้งสองวัสดุร่วมกันจึงตอบสนองมาตรฐานสูงที่กำหนดสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีอายุการเก็บรักษานาน

การจัดเรียงโมเลกุลแบบสองแกน (biaxial orientation) คืออะไร และมีส่วนช่วยเพิ่มความแข็งแรงของฟิล์มอย่างไร

การจัดเรียงโมเลกุลแบบสองแกนคือการจัดแนวโซ่พอลิเมอร์ให้ขนานกันในสองทิศทางระหว่างกระบวนการเป่าฟิล์ม ซึ่งส่งผลให้ความแข็งแรงดึงและทนต่อการทิ่มแทงดีขึ้น เนื่องจากการเกิดผลึกภายใต้แรงเครียด (strain-induced crystallization)

ชั้นปิดผนึกที่ทำจาก LDPE/LLDPE ช่วยในการบรรจุภัณฑ์อย่างไร

ชั้นปิดผนึก LDPE/LLDPE ช่วยให้การปิดผนึกด้วยความร้อนมีความน่าเชื่อถือได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง รองรับกระบวนการต่างๆ เช่น การเก็บรักษาในสภาพแช่แข็งและการฆ่าเชื้อแบบปลายทาง (terminal sterilization) โครงสร้างโมเลกุลแบบกิ่งของวัสดุนี้ทำให้สามารถปิดผนึกที่อุณหภูมิต่ำได้ และมีความต้านทานต่อการแตกร้าวแบบเปราะ

เหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้ชั้นยึดเกาะ (tie layers) ร่วมกับ EVOH?

ชั้นยึดเกาะ โดยทั่วไปคือพอลิโอลีฟินที่ผ่านการเติมหมู่มาเลิกแอนไฮไดรด์ (maleic anhydride-grafted polyolefins) มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกับ EVOH เนื่องจาก EVOH มีลักษณะเป็นไฮโดรฟิลิก (ดูดซับความชื้น) และยึดเกาะได้ไม่ดีกับพอลิโอลีฟิน ชั้นยึดเกาะเหล่านี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการลอกออก (peel strength) และป้องกันการแยกชั้น (delamination) เพื่อให้บรรจุภัณฑ์มีความทนทานและมีประสิทธิภาพสูง