ทำไม ปีโป้ ถึงเปิดยาก มีเฉลยในนี้

06 ก.ค. ทำไม ปีโป้ ถึงเปิดยาก มีเฉลยในนี้

งานวิจัยนี้ได้ถูกนำเสนอในงาน IAPRI 2010 World Packaging Conference จาก http://2010iapri.cprtc.cn/  นะครับ ผมนำมานำเสนอให้เพื่อนๆ ชาวพันทิปจากปัญหาในกระทู้นี้ครับ http://www.pantip.com/cafe/wahkor/topic/X9862751/X9862751.html

ก่อนอื่น ขอแนะนำตัวก่อนนะครับ ผมเป็น Packaging engineer ทำงานวิจัยทางด้าน Heat sealing technology และ Universal Design สำหรับ plastic packaging นะครับ heat sealing technology เป็นทุกคนคิดว่ากระบวนการที่ง่ายๆ แต่จริงๆ แล้วมันมีอะไรมากกว่านั้นครับ  ลองมาชมกันดูนะครับ สำหรับท่านใดมีข้อแนะนำประการใดยินดีน้อมรับเป็นอย่างยิ่งครับ กระทู้นี้ คงเป็นตัวอย่างหนึ่งที่ยกเอา heat sealing technology มาใช้เพื่อช่วยให้บรรจุภัณฑ์เปิดง่าย จริงๆ ยังมีอีกหลายๆ เทคโนโลยี เช่นการใช้กาว (adhesive) การใช้ซีลเย็น (cold seal) เพื่อช่วยให้เปิดง่ายเช่นกันครับ

ปัญหาเรื่องการเปิดง่าย เป็นปัญหา classic และท้าทาย ของ packaging engineer ครับ ไม่ใช่แค่ปีโป้อย่างเดียว ยังรวมไปถึงถุงมันฝรั่ง ถุงผงซักฟอก อาหารแช่แข็งต่างๆ ฯลฯ มากมาย เคยไหมครับเวลาเปิด packaging ไม่ออก รู้สึกหงุดหงิดครับ บางคนก็มีโมโหด้วย

สำหรับท่านที่อยากข้ามส่วนวิชาการไป อ่าน คห 9 ได้เลยครับ

มีข่าวดีแจ้งให้ทราบครับ ขออนุญาตเพิ่มเติมข้อมูลหน่อยนะครับ หลังจากที่ผมไม่ได้กินปีโป้มาหลายปี เห็นในกระทู้มีเพื่อนสมาชิกซื้อมาทดลอง เป็นปีป้รุ่นที่เขียนว่า “ถ้วยใหม่ ใหญ่กว่า ราคาเท่าเดิม” เมื่อวานผมเลยซื้อมาทดลองกินบ้าง เล่นซะอิ่มไปเลย ปีโป้รุ่นใหม่มีการพัฒนาให้ฉีกง่ายขึ้นกว่าเก่านะครับ จากการลองแกะกินดูหลายชิ้นก็ง่ายขึ้นกว่าเก่ามาก ผมยังไม่ได้วัด seal strength ว่าเป็นเท่าไร แกะหมดถุงยังเจ็บๆนิ้วหน่อย  การออกแบบปีโป้ใหม่ที่จับยังมีพื้นที่เล็กไปหน่อย ฟังก์ชันของมือคนเราเวลา pinch แล้ว เราจะต้องออกแรงมากขึ้น ถ้าส่วนที่จับจะลื่นหลุด (มีงานวิจัยอ้างอิงส่วนนี้) ซึ่งเป็นการตอบสนองโดยธรมชาติของมนุษย์ นั่นเป็นเหตุทำให้ผมเจ็บนิ้วเวลาเปิดเยอะๆ แต่แกะได้ง่ายขึ้น เข้าใจว่ามีการพัฒนาตัว material เป็นการแสดงถึงพัฒนาการทางด้านบรรจุภัณฑ์ของทางบริษัท เพื่อนๆลองซื้อมาทดลองดูได้ครับ

ผมขอยกตัวอย่างภาพประกอบของถุงแบบที่เรียกว่า pillow pouch นะครับ เพื่อให้เห็นภาพง่ายๆ
ปกติ ถุงราคาถูก เราเปิดได้สามวิธีครับ
วิธีแรก โดยการจับจีบแล้วดึงให้ ลอกออก ดังรูปซ้ายมือ บางทีเราอยากเปิดด้วยวิธี้ แต่ถุงซีลแน่นมาก ทำให้เราเปิดไม่ได้ ต้องไปเปิดด้วยวิธีอื่น ดังรูปกลางและรูปขวา การซีลด้วยวิธีแรกนี้ มีข้อดีคือถุงจะยังคงสวยงามและม้วนเก็บไว้กินได้ หากเรากินไม่หมด
วิธีสอง โดยการกด หรือตบ เจอได้บ่อยในถุงผ้าเย็น ผมว่าเปิดยากมาก ดังรูปกลาง วิธีการนี้ เปิดด้วยเจ็บมือด้วย
วิธีสาม โดยการฉีก วิธีการนี้  เราสร้างขยะชิ้นเล็กชิ้นน้อยขึ้น แล้วข้อสำคัญ เรายังไม่สามารถม้วนเก็บไว้กินครั้งต่อไปได้ในกรณที่เรากินไม่หมด ดังรูปขวา

ฉีกด้วยปาก กับตัดด้วยกรรไกรไม่นับนะครับ เพราะมันไม่อนามัยแล้วก็ไม่มีใครพกกรรไกรตลอดเวลาด้วย มีงานวิจัยในอังกฤษอ้างว่า เกิดอุบัติเหตุจากการเปิดซองถุงต่างๆ ด้วยกรรไกร มีด ด้วยนะครับ เขาคิดเป็นจำนวนเงินเลย หลายล้านปอนด์ แล้วมันไม่สะดวกมากๆ ที่จะต้องไปหาเครื่องมือต่างๆ มาเปิด บรรจุภัณฑ์ที่ดีควรเปิดได้ด้วยมือเปล่าครับ

รูปนี้แสดงถึง seal strength ของถุงขนม  จะเห็นว่า เมื่อเรา Heat seal พลาสติก ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น Heat seal strength จะสูงขึ้นเช่นกัน เริ่มแรก เมื่อเราให้อุณหภูมิสูงขึ้น จนถึงจุดที่เรียกว่า initial condition of heat sealing พลาสติกจะเริ่มหลอมติดกัน เมื่อเราให้อุณหภูมิสูงขึ้นๆ heat seal strength จะสูงขึ้นเช่นกัน จนถึง อุณหภูมิที่จุดหลอมละลาย หรือ melting point ของพลาสติก คุณลักษณะของพลาสติกในช่วงนี้ จะเริมหลอมติดกัน แต่ยังไม่หลอมติดกันอย่างสมบูรณ์ เราเรียกช่วงนี้ว่า peel seal หรือเป็น adhesive bonding เมื่อเราให้อุณหภูมิสูงขึ้นๆ จุดนี้ พลาสติกจะหลอมติดกันเป็นเนื้อเดียวกัน เราเรียกว่า tear seal หรือเรียกว่า cohesive bonding คุณลักษณะของ failure mode ของ พลาสติกในช่วงอุณหภูมิที่ใช้สูงกว่า melting point คือ พลาสติก จะยืดตัวครับ หรือ ฉีกขาดออก จากกัน ซึ่งจะใช้แรงมากๆ บางครั้ง ถึง 45N/15mm เลยทีเดียว  โรงงานต่างๆ นิยมใช้อุณหภูมิในการซีลที่สูงกว่า จุดหลอมละลายนะครับ ดังนั้นมันเลยแน่นมาก เปิดไม่ออก heat seal strength สูงสุด ของการซีล เท่ากับ tensile strength ของตัว material ครับ นั่นคือ เรากำลังดึงวัสดุชิ้นเดียวกันให้แยกออกจากกัน

ที่มันใช้แรงมากขนาดนั้น ก็เพราะเนื้อ sealant ของชั้นพลาสติก มันหลอมติดกันเป็นก้อนเดียวกัน แล้วมีส่วนหนึ่งไหลออกมานอกขอบบริเวณของ heat seal เราเรียกsealant ส่วนที่แล่บออกมาจากขอบ heat seal นี้ว่า polyball ครับ มันมีขนาดเล็กมาก ในรูปนี้ ใช้กล้อง electron microscope ถ่่าย แต่มันจะแข็งมาก แล้วทำให้เนื้อพลาสติกเกิด stress แล้วขาดง่าย และบางส่วนก็จะเป็นรู อาจทำให้อากาศเข้าไปได้ ถ้าเป็นอาหารและยา อาจทำให้เชื้อจุลินทรีย์เข้าไปได้ รูปล่าง เป็นการจับชิ้นงานแล้วดึงทดสอบ ด้วย tensile testing machine นะครับ

รูปนี้ เป็นการวัดพลังงานระหว่างที่เราทำการดึงชิ้นทดสอบ เราสามารถคำนวนพลังงานที่ใช้ในการดึงออกได้ ขอแบ่งตรงนี้ เป็นสองส่วน คือส่วนของ peel seal และ การคำนวน ในส่วนของ tear seal
สำหรับ peel seal เราสามารถคำนวนพลังงานได้ ตั้งแต่ตอนต้นของการดึงชิ้นงาน จนชิ้นทดสอบ หลุดออกจากกันอย่างสมบูรณ์ ระยะจะเท่ากับระยะกว้างของรอยซีล โดยทั่วไปประมาณ 10mm

สำหรับ tear seal เราสามารถคำนวน คำนวนนะครับพลังงานได้ ตั้งแต่ตอนต้นของการดึงชิ้นงาน จนชิ้นทดสอบไม่สามารถหลุดจากกันได้ เนื่องจากมันได้หลอมติดกันอย่างสมบูรณ์แล้ว จุดนี้ เราเรียกว่า yield point ครับ เราสามารถวัดระยะทางที่ลอกออกได้นี้ได้ด้วยเครื่องวัดธรรมดานะครับ ประกอบกับแว่นขยายนะครับ

รูปกราฟนี้ เป็น แรงดึงที่วัดได้จากการที่ซีลตัวอย่างทดสอบที่อุณหภูมิแตกต่างกันครับ รูปด้านล่างคือ failure mode ของ ชิ้นงานตัวอย่าง ดึงมาให้ชมสามชิ้นนะครับ จะเห็นว่า ถ้าเราซีลด้วยอุณหภูมิ 110-117 C เราสามารถจะทราบ Heat seal strength เฉลี่ยได้ แล้วเราสามารถลอก heat seal ออกได้ด้วยดังรูป แต่ถ้าเราซีลที่อุณหภูมิสูงกว่า 118C เราจะไม่สามารถลอกออกได้ง่ายแล้ว เพราะมันหลอมเป็นเื้นื้อเดียว ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าไร ยิ่งหลอมเป็นเื้นื้อเดียวกับมากขึ้น อาจกล่าวได้ว่า อุณหภูมิที่ 118C เป็น boundary temperature การกระบวนการซีล ของวัสดุที่นำมาทดสอบนี้ ตรงนี้ เป็นส่วนสำคัญครับ เพราะ โรงงานแต่ละที่จะไม่มีข้อมูลนี้ เขาเลยซีลที่ปุณหภูมิสูงๆ หรือ เปิดดูจาก catalog ในหนังสือ เอาว่าจะซีลที่อุณหูมิเท่าไรแล้วซีลเลย ซึ่งมันไม่ตรง เพราะวัสดุอาจถูกผสมด้วย filler อื่นๆ หรือ copolymer อื่นๆนะครับ
รูปด้านล่างด้านซ้าย ซีลที่อุณหูภมิ 117 C ชิ้นงานทดสอบ ยังลอกออกได้ครับ
รูปด้านล่างตรงกลาง ซีลที่อุณหภูมิ 118 C ชิ้นงานทดสอบ ลอกได้ประมาณ 4 mm ครับ แล้วก็ไม่แยกจากกันด้วย แล้วชิ้นทดสอบก็ยืดตัว เพราะมันเริ่มละลายเป็นเนื้อเดียวกันแล้ว
รูปด้านล่างด้านขวา ซีลที่อุณหภูมิ 122 C ชิ้นทดสอบ ลอกได้แค่ 1.5 mm ครับ แล้วก็ยืดตัว

ในรูปเป็นกราฟนี้ประกอบด้วยข้อมูลสี่อย่าง แกน y ซ้ายมือ เป็นค่าพลังงาน แกน y ขวามือเป็นกราฟของ heat seal strength ส่วน แกน x เป็นอุณหภูมิที่ใช้ในการทำ heat seal ครับ ส่วนกราฟมีข้อมูลสี่อย่างครับ
• Heat seal strength ASTM F88 กราฟนี้เป็นกราฟเส้นประสีเทาอ่อนนะครับ ตามมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไป
• FHSS (Functional Heat Seal Strength) เป็นกราฟสีเทาเข้มนะครับ heat seal strength ที่ผมนำเสนอ เนื่องจาก ถ้าเรายังต้องการ function การเปิด เราจะเปิดได้ถึงแค่จุดที่เราวัดระยะได้ ยิ่งเราใช้อุณหภูมิสูง FHSS ก็จะยิ่งน้อยลง เพราะเราจะเปิดมันไม่ได้ มันแน่นมากครับ
• Peeling Energy (5, 7.5, 10 mm Peeling range) เป็นกราฟสีดำสามเส้นนะครับ แสดงถึงพลังงานที่เราใช้ในการดึงชิ้นงานทดสอบ จนแผ่นพลาสติกแยกออกจากกันทั้งสองชิ้น ชิ้นทดสอบเราความยาวของซีล เป็น 10mm เราสามารถหาพลังงานที่ระยะ 5, 7.5,10 มม ได้ แล้วเราสามารถออกแบบได้ว่าจะเอา ความยาวเป็นเท่าไร ในการใช้งานจริง เพื่อประหยัดวัสดุได้นะครับ
• Breakage Energy (Tearing Energy) เป็นกราฟสีดำประ แสดงถึงพลังงานที่เราใช้ในการดึงออกจนดึงไม่ได้แล้วเนื่องจากพลาสติกหลอมติดกันหมดแล้ว เราจึงดึงได้นิดเดียว ดังรูปสไลด์ที่ผ่านมานะครับ ระยะนี้วัดได้ด้วยเครื่องมือวัดขนาดนะครับ