การทดสอบการใช้งานของขวดและกระปองพลาสติก
ในงานเป่าพลาสติก เมื่อได้ชิ้นงานขึ้นมาเพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างถูกต้อง จะต้องมีการทดสอบความคงทนของภาชนะบรรจุของเหลว เชน คา Environmental Stress Crack Resistance (ESCR) มีหลายวิธีการและมาตราฐาน เชน มาตราฐาน American Society of Testing and Materials (ASTM) ไดกําหนดวิธีการทดสอบขวดพลาสติก ประกอบดวย Bottle Stress Crack (BSC) Test, Top Load Stress Crack (TLESCR) Test, Internal Pressure (IP) Test และ Drop Test ซึ่งแตละวิธี มีวิธีการและคาที่ใชในการกําหนดที่ตางกันออกไป
stress-strain โพลีเอทีลีน
การทดสอบโดยวิธี Bottle Stress Crack (BSC) Test
การทดสอบโดยวิธี Bottle Stress Crack (BSC) Test ตามมาตราฐาน ASTM D2561-91 มี 2 แบบดวยกัน คือ แบบ A ทําไดโดยการนําขวดที่ตองการทดสอบมาเติมสารที่เรียกวา Stress Cracking Fluid (สารละลาย Stepanal) ปดฝาขวดใหสนิท แลวนําขวดไปวางไวในเตาอบที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮด์) แลวบันทึกตั้งแตเริ่มตนจนกระทั่งขวดเกิดการแตก แบบ B จะคลาย กับแบบ A โดยสารที่เติมลงไปจะมีปริมาตร 1/3 ของขวด แลวนําขวดไปใสไวในภาชนะที่มีสาร Stress Cracking Fluid ใหสารพอทวมบริเวณฐานของขวด การทดสอบทั้งสองแบบการแตกของ ขวดจะเกิดจากความดันไอของสารที่ใชทดสอบนี้
การทดสอบโดยวิธี Top Load Stress Crack (TLESCR) Test
วิธี Top Load Stress Crack (TLESCR) Test จะแตกตางจากวิธี BSC Test โดยการนํานํ้าหนักมากดไวบนฝาขวดน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจะเปนตัวตรวจสอบความสมบูรณของขวดเมื่อตองนํา ขวดเหลานี้ไปวางซ้อนกันในการเก็บเขาโกดังสินคา การทดสอบดวยวิธี TLESCR Test จะเติม สารละลาย Igepal ที่มีความเขมขน 10 เปอรเซ็นต ลงไปจนเต็มขวดแลวปดขวดใหสนิท วางตุมนํ้าหนักขนาด 6 ถึง 8 กิโลกรัม ไวบนขวดกอนนําขวดไปใสในเตาอบที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส (122 องศาฟาเรนไฮด์)
เมื่อขวดยุบตัว เวลาที่ไดจะถูกบันทึกเก็บไวเปนขอมูลเพื่อการเปรียบเทียบตอไป นํ้าหนักที่กดจากด้านบนของขวดพลาสติกซึ่งใสของเหลวไวภายใน ทําใหความดันภายในเพิ่มขึ้นและขวดพลาสติก เกิดการบิดเบี้ยว เปนเหตุการณที่สามารถพบเห็นไดเมื่อมีการซอนทับกันของขวดพลาสติกที่ใชบรรจุของเหลวซึ่งอาจเกิดขึ้นในขณะเก็บไวในโกดังสินคา
การทดสอบโดยวิธี Internal Pressure Test
วิธี Internal Pressure (IP) Test จะคลายกับวิธี BSC เพียงแตวาความดันที่เกิดขึ้นจะไดมาจากการอัดจากเครื่องอัดอากาศ โดยทําที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮด์) และที่ความดัน 34.5 kPa (5 psi) Strebel (1955) ไดเสนอวิธีการทดสอบขวดเพื่อวัดคา ESCR โดยใชวิธี Internal Pressure Test และนําผลที่ไดมาเปรียบเทียบกับวิธีการทดสอบอื่น ๆ การทดลองของ Strebel เริ่มตนโดยการนำ ขวดซึ่งผลิตดวยวิธีการเปาขนาด 16 ออนซ (473 มิลลิลิตร) นํ้าหนัก 25 กรัม ที่มีดรรชนีการไหล (Melt Index) และความหนาแนนของโพลิเอทีลีนที่ตางกัน 5 ชนิด จํานวน 100 ใบ มาทําการทดสอบดวยระบบการทดสอบซึ่งประกอบดวย เตาอบขนาดใหญที่ใชในบาน ทอและเครื่องจายลม การทดสอบดวยวิธี IP Test จะนํ าขวดที่เตรียมไวมาใสสารละลาย Igepal เขมขน 10 เปอรเซ็นต ในปริมาตร 1/3 ของขวด หลังจากนั้นจึงตอทอจายอากาศของระบบเขากับขวดแตละใบ เพื่อกําหนดความดันในการทดสอบ และควบคุมอุณหภูมิไวที่ 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮด์) โดยการนําขวดใสไวในเตาอบแล้วตั้งอุณหภูมิที่ตองการ ทําการบันทึกเวลาตั้งแตเริ่มตนจนขวดแตกไวเปนขอมูล ความดันที่ลดลงทําใหทราบวาขวดเกิดการรั่วหรือแตก หลังจากนั้นจะเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิแลวทําการบันทึกข้อมูลจากการเปลี่ยนอุณหภูมิและความดัน
วิธีการทดลองของ Strebel ที่กลาวมาทั้งหมดจะใกลเคียงกับวิธีการที่กํ าหนดจากมาตรา ฐาน ASTM เพราะตองการเรงการเกิดการแตกของขวด จากการทดสอบดวยวิธี IP Test สามารถสรุปไดวาความดันและอุณหภูมิมีผลตอเวลาของการแตกของขวด ความดันและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ทําใหเวลาของการแตกของขวดลดลงที่ความดันและอุณหภูมิสูงๆ คาของดรรชนีการไหล และ ความหนาแนนของโพลิเอทีลีนที่ตางกันไมมีผลตอเวลาของการแตกของขวด นอกจากการทดสอบผลของความดันและอุณหภูมิแลว Strebel ยังไดทําการบันทึกภาพการเกิดการแตกของขวดโดยใชกลองบันทึกในระดับจุลภาค ผลจากการสังเกตสามารถอธิบายไดวาการแตกของขวดจะเริ่มจากภายในของขวดแลวจะขยายออกมาสูภายนอกขวด ซึ่งบริเวณที่ขวดเริ่มแตก จะเปนบริเวณรอยเสน แบงซีกที่ฐานของขวดเสมอ
การทดสอบโดยวิธี Drop Test
มาตราฐานของ ASTM D2463-95 ที่เปนมาตราฐานในการทํา Drop Test เพื่อทดสอบความแข็งแรงของภาชนะพลาสติก Reed et al. (2000) ไดเสนอผลงานวิจัยที่เกี่ยวของกับการทดสอบ Drop Test โดยทําการทดลองกับขวดรูปทรงกระบอกขนาด 600 ลูกบาศกเซ็นติเมตรและถัง (Drums) รหัส 2101 โดยการเติมนํ้าในภาชนะดังกลาว แลวปลอยภาชนะนั้นจากความสูง ที่กําหนดลงบนแผนเหล็กหรือพื้นแข็งที่มีการติดตั้งแผนวัดแรง (Force Plate) เพื่อวัดแรงที่กระทํา กับภาชนะขณะตกกระแทกพื้น และภายในภาชนะจะติดตั้ง Kistler Pressure Transducers ซึ่งเปนอุปกรณวัดความดัน เพื่อบันทึกความเปลี่ยนแปลงของคาความดันภายในภาชนะขณะตกกระทบพื้น โดยตํ าแหนงติดตั้ง Pressure Transducers ภายในภาชนะสูงจากกนขวดรูปทรงกระบอก 10 มิลลิเมตร ผลที่ไดจะถูกแสดงออกมาในรูปกราฟสัญญาณของความดันกับเวลา และ แรงกับเวลา จากการกําหนดความสูงในการปลอยภาชนะไวที่ 0.5 เมตร สําหรับขวดรูปทรงกระบอก และที่ความสูง 1 เมตรสําหรับถังลักษณะของกราฟของแรงกระทบและกราฟของความดัน ที่เปนลักษณะของกราฟ Sinusoidal หรือ Square Top Curves ซึ่งจากการสมมุติฐานให กราฟเปนลักษณะของ Square Top Curves งานวิจัยของ Reed และคณะ ไดเสนอใหนําทฤษฎี ของการเกิด Water Hammer ภายในทอซึ่งเกิดจากการปดวาลวของทอที่มีนํ้าไหลทันทีทันใดมาเปรียบเทียบกับผลจากกราฟที่ได โดยจะพิจารณาลักษณะของ Characteristic Pulse Time เปนจุดสําคัญ Characteristic Pulse Time ของทั้งความดันและแรงที่ไดจากการทดลองนั้นจะไม เปลี่ยนแปลงตามระยะที่เพิ่มขึ้นโดยอางอิงจากฐานของภาชนะ จะมีแตเพียงแอมพลิจูดของกราฟ หรือขนาดของความดันเทานั้นที่ลดลงตามระยะทางที่อางอิงจากฐานของภาชนะ Reed และ คณะไดทําการทดลองเพื่อเปรียบเทียบเวลาที่เริ่มตนของการเกิด Pressure Pulse โดยติดตั้ง Pressure Transducers ภายในขวดรูปทรงกระบอก ที่ตําแหนงสูงจากฐาน 105 มิลลิเมตร และที่ตําแหนงสูงขึ้นจากฐานของถัง (Drums) 500 มิลลิเมตร Pressure Pulse ทั้งสองตําแหนงจะวัดความคลาดเคลื่อนได 1×10-3 วินาที Reed et al. ไดทดลองเพิ่มเติมโดยทดลองกับถัง (Drums) รหัส 201 ซึ่งมีลักษณะฐานกวางและเตี้ย โดยติดตั้ง Pressure Transducers ไวที่ ตําแหนงตํ่าสุดและตําแหนงสูงสุดของภาชนะเพื่อหาความเที่ยงตรงของการเกิด Pressure Pulse โดยใช Multi-Channel Strawberry Tree System ตอกับคอมพิวเตอร ผลที่ไดปรากฏไมมี ความคลาดเคลื่อนของเวลาของการเกิด Pressure Pulse ซึ่งแสดงว่าไมมีการเคลื่อนตัวของ Water Hammer จากฐานไปยังดานบนของภาชนะ Pressure Pulse ที่เกิดขึ้นภายในภาชนะจึงเกิดเพียง ครั้งเดียวสวนผลที่คาดวากราฟเปนลักษณะของกราฟ Sinusoidal นั้น Reed et al เสนอใหใชแบบจําลองของ มวล-สปริง ซึ่งทั้งสองทฤษฎีที่นํามาใชในการวิเคราะหนี้ ทําใหไดสมการควบคุม ซึ่งใชในการคำนวณผลการทดสอบ Drop test ถึงสองสมการดวยกัน เมื่อนําสมการที่ไดจากทั้ง สองทฤษฎีนี้มาคํานวณหาคาของ Characteristic Pulse Time ของการทํา Drop Test ของภาชนะแบบตางๆ ซึ่งประกอบดวยถัง (Drums) รหัส 2101 HDPE ถัง (Drums) รหัส 201 HDPE ขวดใส สารทําความสะอาด (Detergent HDPE) ขวด (MDPE) ขนาดความจุ 250 ลูกบาศกเซ็นติเมตร ขวด (PVC) ขนาด 150 ลูกบาศกเซ็นติเมตร ขวด (MDPE) ขนาด 50 ลูกบาศกเซ็นติเมตร ขวด (LDPE) ขนาด 50 ลูกบาศกเซ็นติเมตร ขวด (LDPE) ขนาด 1,000 ลูกบาศกเซ็นติเมตร และขวด (MDPE) ขนาด 1,000 ลูกบาศกเซ็นติเมตร คา Characteristic Pulse Time ที่ไดจากทฤษฎีทั้ง สองจะมีคาใกลเคียงกับคาจากผลการทดลอง โดยคาที่ไดจากทฤษฎีที่เกี่ยวกับ Water Hammer จะมีคามากกวาคาที่ไดจากทฤษฎีของ มวล-สปริง ซึ่งคํ านวณที่ภาชนะชนิดเดียวกันประมาณ 10 เปอรเซ็นต และมีค่าใกลเคียงกับผลการทดลองมากกวาทฤษฎีของ มวล-สปริง
สมการที่ไดจากทั้งสองทฤษฎีสามารถนําไปคํานวณหาคาของความดันที่ระยะตางๆ หางจากฐานของภาชนะซึ่งเกิดการตกกระทบกับพื้นแข็งได เสนกราฟความสัมพันธระหวางคาความดันกับระยะหางจากฐานของภาชนะขึ้นไป ที่ไดจากทฤษฎีการเกิด Water Hammer จะเปนเสนตรงความชันเปนศูนย ซึ่งแสดงคาของความดันเพียงคาเดียว สวนเสนกราฟที่ไดจากทฤษฎีของมวลสปริง จะเปนเสนตรงโดยความชันของกราฟจะมีคาคงที่เปนคาลบ แสดงใหเห็นวาความดันภายใน ของภาชนะที่เกิดขึ้นขณะตกกระทบกับพื้น ที่ระยะหางจากฐานซึ่งเปนจุดตกกระทบออกไปจะมีคา ลดลงจนเปนศูนย ผลที่ไดจากการคํานวณและนํามาเขียนกราฟนี้แสดงใหเห็นประสิทธิภาพของ สมการที่ใชในการคํานวณเมื่อนําเสน กราฟไปเปรียบเทียบกับกราฟที่ไดจากการทดลอง จากการเปรียบเทียบพบวาผลการคํานวณที่ไดจากสมการที่เกี่ยวของกับ Water Hammer จะใหคาของความดันที่แมนยํา ที่บริเวณฐานของภาชนะ และสมการที่เกี่ยวของกับ มวล-สปริง คาของความดันที่ไดจากการ คํานวณที่บริเวณครึ่งบนของขวดจะใหค่าตรงตามการทดลอง
**ที่มา “การจำลองมาตราฐานการทดสอบขวดพลาสติกโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยงานวิศวกรรม” ชาคริต สุวรรณจำรัส มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ **
Social tagging: ขวดพลาสติก > ทดสอบขวดพลาสติก > เป่าพลาสติก