การทดสอบขวดพลาสติก

การทดสอบการใช้งานของขวดและกระปองพลาสติก

ในงานเป่าพลาสติก เมื่อได้ชิ้นงานขึ้นมาเพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างถูกต้อง จะต้องมีการทดสอบความคงทนของภาชนะบรรจุของเหลว เชน คา Environmental Stress Crack Resistance (ESCR) มีหลายวิธีการและมาตราฐาน เชน มาตราฐาน American Society of Testing and Materials (ASTM) ไดกําหนดวิธีการทดสอบขวดพลาสติก ประกอบดวย Bottle Stress Crack (BSC) Test, Top Load Stress Crack (TLESCR) Test, Internal Pressure (IP) Test  และ Drop Test ซึ่งแตละวิธี มีวิธีการและคาที่ใชในการกําหนดที่ตางกันออกไป

 

การทดสอบโดยวิธี Bottle Stress Crack (BSC)  Test

การทดสอบโดยวิธี Bottle Stress Crack (BSC) Test ตามมาตราฐาน ASTM D2561-91 มี 2 แบบดวยกัน คือ  แบบ A ทําไดโดยการนําขวดที่ตองการทดสอบมาเติมสารที่เรียกวา Stress Cracking Fluid (สารละลาย Stepanal) ปดฝาขวดใหสนิท แลวนําขวดไปวางไวในเตาอบที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮด์)  แลวบันทึกตั้งแตเริ่มตนจนกระทั่งขวดเกิดการแตก  แบบ B จะคลาย กับแบบ A โดยสารที่เติมลงไปจะมีปริมาตร 1/3 ของขวด แลวนําขวดไปใสไวในภาชนะที่มีสาร Stress Cracking Fluid  ใหสารพอทวมบริเวณฐานของขวด  การทดสอบทั้งสองแบบการแตกของ ขวดจะเกิดจากความดันไอของสารที่ใชทดสอบนี้

 

การทดสอบโดยวิธี Top Load Stress Crack (TLESCR) Test

วิธี Top Load Stress Crack (TLESCR) Test จะแตกตางจากวิธี BSC Test  โดยการนํานํ้าหนักมากดไวบนฝาขวดน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจะเปนตัวตรวจสอบความสมบูรณของขวดเมื่อตองนํา ขวดเหลานี้ไปวางซ้อนกันในการเก็บเขาโกดังสินคา   การทดสอบดวยวิธี TLESCR Test จะเติม สารละลาย Igepal ที่มีความเขมขน 10 เปอรเซ็นต ลงไปจนเต็มขวดแลวปดขวดใหสนิท  วางตุมนํ้าหนักขนาด 6 ถึง 8 กิโลกรัม ไวบนขวดกอนนําขวดไปใสในเตาอบที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส (122 องศาฟาเรนไฮด์)

เมื่อขวดยุบตัว เวลาที่ไดจะถูกบันทึกเก็บไวเปนขอมูลเพื่อการเปรียบเทียบตอไป  นํ้าหนักที่กดจากด้านบนของขวดพลาสติกซึ่งใสของเหลวไวภายใน ทําใหความดันภายในเพิ่มขึ้นและขวดพลาสติก เกิดการบิดเบี้ยว เปนเหตุการณที่สามารถพบเห็นไดเมื่อมีการซอนทับกันของขวดพลาสติกที่ใชบรรจุของเหลวซึ่งอาจเกิดขึ้นในขณะเก็บไวในโกดังสินคา

 

การทดสอบโดยวิธี Internal Pressure Test

วิธี Internal Pressure (IP) Test จะคลายกับวิธี BSC เพียงแตวาความดันที่เกิดขึ้นจะไดมาจากการอัดจากเครื่องอัดอากาศ โดยทําที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮด์)  และที่ความดัน 34.5 kPa (5 psi)  Strebel (1955) ไดเสนอวิธีการทดสอบขวดเพื่อวัดคา ESCR โดยใชวิธี Internal Pressure Test  และนําผลที่ไดมาเปรียบเทียบกับวิธีการทดสอบอื่น ๆ  การทดลองของ Strebel เริ่มตนโดยการนำ ขวดซึ่งผลิตดวยวิธีการเปาขนาด 16 ออนซ (473 มิลลิลิตร) นํ้าหนัก 25 กรัม ที่มีดรรชนีการไหล (Melt Index)  และความหนาแนนของโพลิเอทีลีนที่ตางกัน 5 ชนิด จํานวน 100 ใบ มาทําการทดสอบดวยระบบการทดสอบซึ่งประกอบดวย เตาอบขนาดใหญที่ใชในบาน ทอและเครื่องจายลม การทดสอบดวยวิธี IP Test จะนํ าขวดที่เตรียมไวมาใสสารละลาย Igepal เขมขน 10 เปอรเซ็นต ในปริมาตร 1/3 ของขวด  หลังจากนั้นจึงตอทอจายอากาศของระบบเขากับขวดแตละใบ เพื่อกําหนดความดันในการทดสอบ  และควบคุมอุณหภูมิไวที่ 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮด์)  โดยการนําขวดใสไวในเตาอบแล้วตั้งอุณหภูมิที่ตองการ ทําการบันทึกเวลาตั้งแตเริ่มตนจนขวดแตกไวเปนขอมูล ความดันที่ลดลงทําใหทราบวาขวดเกิดการรั่วหรือแตก  หลังจากนั้นจะเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิแลวทําการบันทึกข้อมูลจากการเปลี่ยนอุณหภูมิและความดัน

 

วิธีการทดลองของ Strebel ที่กลาวมาทั้งหมดจะใกลเคียงกับวิธีการที่กํ าหนดจากมาตรา ฐาน ASTM  เพราะตองการเรงการเกิดการแตกของขวด  จากการทดสอบดวยวิธี IP Test สามารถสรุปไดวาความดันและอุณหภูมิมีผลตอเวลาของการแตกของขวด  ความดันและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ทําใหเวลาของการแตกของขวดลดลงที่ความดันและอุณหภูมิสูงๆ คาของดรรชนีการไหล  และ ความหนาแนนของโพลิเอทีลีนที่ตางกันไมมีผลตอเวลาของการแตกของขวด  นอกจากการทดสอบผลของความดันและอุณหภูมิแลว Strebel ยังไดทําการบันทึกภาพการเกิดการแตกของขวดโดยใชกลองบันทึกในระดับจุลภาค  ผลจากการสังเกตสามารถอธิบายไดวาการแตกของขวดจะเริ่มจากภายในของขวดแลวจะขยายออกมาสูภายนอกขวด ซึ่งบริเวณที่ขวดเริ่มแตก จะเปนบริเวณรอยเสน แบงซีกที่ฐานของขวดเสมอ

 

การทดสอบโดยวิธี Drop Test

มาตราฐานของ ASTM D2463-95 ที่เปนมาตราฐานในการทํา Drop Test เพื่อทดสอบความแข็งแรงของภาชนะพลาสติก  Reed et al. (2000) ไดเสนอผลงานวิจัยที่เกี่ยวของกับการทดสอบ Drop Test  โดยทําการทดลองกับขวดรูปทรงกระบอกขนาด 600 ลูกบาศกเซ็นติเมตรและถัง (Drums) รหัส 2101  โดยการเติมนํ้าในภาชนะดังกลาว แลวปลอยภาชนะนั้นจากความสูง ที่กําหนดลงบนแผนเหล็กหรือพื้นแข็งที่มีการติดตั้งแผนวัดแรง (Force Plate) เพื่อวัดแรงที่กระทํา กับภาชนะขณะตกกระแทกพื้น  และภายในภาชนะจะติดตั้ง Kistler Pressure Transducers ซึ่งเปนอุปกรณวัดความดัน  เพื่อบันทึกความเปลี่ยนแปลงของคาความดันภายในภาชนะขณะตกกระทบพื้น  โดยตํ าแหนงติดตั้ง Pressure Transducers ภายในภาชนะสูงจากกนขวดรูปทรงกระบอก 10 มิลลิเมตร  ผลที่ไดจะถูกแสดงออกมาในรูปกราฟสัญญาณของความดันกับเวลา และ แรงกับเวลา  จากการกําหนดความสูงในการปลอยภาชนะไวที่ 0.5 เมตร  สําหรับขวดรูปทรงกระบอก  และที่ความสูง 1 เมตรสําหรับถังลักษณะของกราฟของแรงกระทบและกราฟของความดัน  ที่เปนลักษณะของกราฟ Sinusoidal หรือ Square Top Curves  ซึ่งจากการสมมุติฐานให กราฟเปนลักษณะของ Square Top Curves  งานวิจัยของ Reed และคณะ ไดเสนอใหนําทฤษฎี ของการเกิด Water Hammer ภายในทอซึ่งเกิดจากการปดวาลวของทอที่มีนํ้าไหลทันทีทันใดมาเปรียบเทียบกับผลจากกราฟที่ได โดยจะพิจารณาลักษณะของ Characteristic Pulse Time เปนจุดสําคัญ Characteristic Pulse Time ของทั้งความดันและแรงที่ไดจากการทดลองนั้นจะไม เปลี่ยนแปลงตามระยะที่เพิ่มขึ้นโดยอางอิงจากฐานของภาชนะ จะมีแตเพียงแอมพลิจูดของกราฟ หรือขนาดของความดันเทานั้นที่ลดลงตามระยะทางที่อางอิงจากฐานของภาชนะ   Reed และ คณะไดทําการทดลองเพื่อเปรียบเทียบเวลาที่เริ่มตนของการเกิด Pressure Pulse โดยติดตั้ง Pressure Transducers ภายในขวดรูปทรงกระบอก  ที่ตําแหนงสูงจากฐาน 105 มิลลิเมตร และที่ตําแหนงสูงขึ้นจากฐานของถัง (Drums) 500 มิลลิเมตร  Pressure Pulse ทั้งสองตําแหนงจะวัดความคลาดเคลื่อนได 1×10^-3 วินาที Reed et al. ไดทดลองเพิ่มเติมโดยทดลองกับถัง (Drums) รหัส 201 ซึ่งมีลักษณะฐานกวางและเตี้ย  โดยติดตั้ง Pressure Transducers ไวที่ ตําแหนงตํ่าสุดและตําแหนงสูงสุดของภาชนะเพื่อหาความเที่ยงตรงของการเกิด Pressure Pulse โดยใช Multi-Channel Strawberry Tree System ตอกับคอมพิวเตอร  ผลที่ไดปรากฏไมมี ความคลาดเคลื่อนของเวลาของการเกิด Pressure Pulse ซึ่งแสดงว่าไมมีการเคลื่อนตัวของ Water Hammer จากฐานไปยังดานบนของภาชนะ  Pressure Pulse ที่เกิดขึ้นภายในภาชนะจึงเกิดเพียง ครั้งเดียวสวนผลที่คาดวากราฟเปนลักษณะของกราฟ Sinusoidal นั้น Reed et al เสนอใหใชแบบจําลองของ มวล-สปริง  ซึ่งทั้งสองทฤษฎีที่นํามาใชในการวิเคราะหนี้ ทําใหไดสมการควบคุม ซึ่งใชในการคำนวณผลการทดสอบ Drop test ถึงสองสมการดวยกัน  เมื่อนําสมการที่ไดจากทั้ง สองทฤษฎีนี้มาคํานวณหาคาของ Characteristic Pulse Time ของการทํา Drop Test ของภาชนะแบบตางๆ ซึ่งประกอบดวยถัง (Drums) รหัส 2101 HDPE  ถัง (Drums) รหัส 201 HDPE  ขวดใส สารทําความสะอาด (Detergent HDPE)  ขวด (MDPE) ขนาดความจุ 250 ลูกบาศกเซ็นติเมตร ขวด (PVC) ขนาด 150 ลูกบาศกเซ็นติเมตร  ขวด (MDPE) ขนาด 50 ลูกบาศกเซ็นติเมตร  ขวด (LDPE) ขนาด 50 ลูกบาศกเซ็นติเมตร  ขวด (LDPE) ขนาด 1,000 ลูกบาศกเซ็นติเมตร  และขวด (MDPE) ขนาด 1,000 ลูกบาศกเซ็นติเมตร  คา Characteristic Pulse Time ที่ไดจากทฤษฎีทั้ง สองจะมีคาใกลเคียงกับคาจากผลการทดลอง โดยคาที่ไดจากทฤษฎีที่เกี่ยวกับ Water Hammer จะมีคามากกวาคาที่ไดจากทฤษฎีของ มวล-สปริง ซึ่งคํ านวณที่ภาชนะชนิดเดียวกันประมาณ 10 เปอรเซ็นต และมีค่าใกลเคียงกับผลการทดลองมากกวาทฤษฎีของ มวล-สปริง

สมการที่ไดจากทั้งสองทฤษฎีสามารถนําไปคํานวณหาคาของความดันที่ระยะตางๆ หางจากฐานของภาชนะซึ่งเกิดการตกกระทบกับพื้นแข็งได  เสนกราฟความสัมพันธระหวางคาความดันกับระยะหางจากฐานของภาชนะขึ้นไป ที่ไดจากทฤษฎีการเกิด Water Hammer จะเปนเสนตรงความชันเปนศูนย ซึ่งแสดงคาของความดันเพียงคาเดียว  สวนเสนกราฟที่ไดจากทฤษฎีของมวลสปริง จะเปนเสนตรงโดยความชันของกราฟจะมีคาคงที่เปนคาลบ แสดงใหเห็นวาความดันภายใน ของภาชนะที่เกิดขึ้นขณะตกกระทบกับพื้น  ที่ระยะหางจากฐานซึ่งเปนจุดตกกระทบออกไปจะมีคา ลดลงจนเปนศูนย  ผลที่ไดจากการคํานวณและนํามาเขียนกราฟนี้แสดงใหเห็นประสิทธิภาพของ สมการที่ใชในการคํานวณเมื่อนําเสน กราฟไปเปรียบเทียบกับกราฟที่ไดจากการทดลอง  จากการเปรียบเทียบพบวาผลการคํานวณที่ไดจากสมการที่เกี่ยวของกับ Water Hammer จะใหคาของความดันที่แมนยํา ที่บริเวณฐานของภาชนะ  และสมการที่เกี่ยวของกับ มวล-สปริง คาของความดันที่ไดจากการ คํานวณที่บริเวณครึ่งบนของขวดจะใหค่าตรงตามการทดลอง

**ที่มา “การจำลองมาตราฐานการทดสอบขวดพลาสติกโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยงานวิศวกรรม” ชาคริต สุวรรณจำรัส มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ **

 

Social tagging: ขวดพลาสติก > ทดสอบขวดพลาสติก > เป่าพลาสติก