งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มความสามารถในการต้านทานน้ำของกระดาษแข็งเพื่อใช้งานทางการบรรจุใน   อุตสาหรรมบรรจุภัณฑ์ โดยการประยุกต์ด้วยพลาสมาซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ (SF­6) โดยใช้เครื่องผลิตพลาสมาความดันต่ำระบบ ICP สภาวะพลาสมา ผลการทดลองพบว่า เวลาในการประยุกต์พลาสมาที่ 60 วินาที เป็นสภาวะพลาสมาที่เหมาะสมในการเพิ่มประสิทธิภาพการต้านทานน้ำ/น้ำมันของกระดาษได้ดีที่สุด       

                ปัจจุบันบรรจุภัณฑ์กระดาษเป็นที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวาง และมีอัตราการขยายตัวค่อนข้างสูง เนื่องจากมีคุณสมบัติเด่นในเรื่องความแข็งแรง น้ำหนักเบา ราคาถูก สามารถย่อยสลายโดยจุลชีพในธรรมชาติ แต่ข้อด้อย คือ ความแข็งแรงลดลงเมื่อสัมผัสน้ำ ทำให้ไม่สามารถปกป้องผลิตภัณฑ์ภายในได้ กระบวนการที่นิยมใช้ในการปรับปรุงสมบัติการต้านทานน้ำของกระดาษโดยทั่วไป คือ การลามิเนตหรือการเคลือบกระดาษด้วยพลาสติกหรือแวกซ์ ซึ่งส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมและต้องเพิ่มค่าใช้จ่ายในการกำจัดหลังการใช้งาน แต่ในปัจจุบันได้มี เทคโนโลยีพลาสมา ซึ่งเป็นเทคโนโลยีปรับสภาพผิววัสดุที่กำลังได้รับความสนใจ เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ใช้ได้กับวัสดุที่มีโครงสร้างซับซ้อน  มีประสิทธิภาพสูงในการกระตุ้นปฏิกิริยาบนผิววัสดุในระดับนาโนเมตร เป็นกระบวนการแบบแห้ง และเป็นเทคโนโลยีสะอาด (Kim et al., 2006) จึงมีความเป็นไปได้สูงที่จะนำเทคโนโลยีพลาสมานี้มาใช้ปรับสภาพผิวกระดาษให้สามารถต้านทานน้ำได้ดีขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้ในงานทางการบรรจุในอุตสาหกรรมได

การทดลอง

           1  วัสดุ

1. กระดาษแข็ง (single-side coated duplex board) น้ำหนักมาตรฐาน 300 g/m2  (บริษัท กระดาษสหไทย จำกัด)
2. ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ (SF6) (บริษัท ไทย อินดัสเทรียล ก๊าซ จำกัด)
3. เครื่องผลิตพลาสมาความดันต่ำระบบ ICP (ศูนย์วิจัยนิวตรอนพลังงานสูง มหาวิทยาลัยเชียงใหม่)

           2  วิธีการทดลอง
สภาวะพลาสมาที่ใช้เป็นพลาสมาภายใต้สภาวะความดันก๊าซที่ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ โดยใช้หลักการทำงานจากการเหนี่ยวนำของคลื่นวิทยุขนาด 13.56 MHz แบบ inductively coupled plasma discharge (ICP) ซึ่งใช้คลื่นวิทยุไปรบกวนอะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซที่อยู่ในแชมเบอร์         ผลของการรบกวนทำให้อิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่ทั่วไปภายในกลุ่มก๊าซมีพลังงานมากเพียงพอที่จะไปชนกับอะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซจนทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนและอยู่ในสถานะของพลาสมา

ผลการทดลอง

           1  สมบัติทางกายภาพ
ผลการทดสอบสมบัติทางกายภาพของกระดาษที่ประยุกต์พลาสมา SF6 พบว่า   กระดาษประยุกต์พลาสมา    และกระดาษที่ไม่ประยุกต์ มีน้ำหนักมาตรฐาน   ความหนา และความชื้นไม่แตกต่างกันทางสถิติ เนื่องจากการประยุกต์พลาสมาส่งผลต่อพื้นผิวกระดาษในระดับนาโนเมตรเท่านั้น จึงไม่ส่งผลต่อ      น้ำหนักมาตรฐาน          ความหนา     และความชื้นของกระดาษ ซึ่งสอดคล้องกับงานวิจัยของVaswani (2005)

           2 สมบัติการต้านทานน้ำ/น้ำมัน
การประยุกต์พลาสมา SF6 บนกระดาษแข็ง สามารถเพิ่มสมบัติการต้านทานน้ำให้กับกระดาษได้อย่างมีนัยสำคัญ (p ≤ 0.05) แสดงดังภาพที่ 1  นอกจากนี้พบว่ากระดาษประยุกต์พลาสมา SF6 ยังมีมุมสัมผัสของน้ำมันมากกว่ากระดาษไม่ประยุกต์อย่างมีนัยสำคัญ (p ≤ 0.05) อีกด้วย โดยกระดาษที่ใช้เวลาประยุกต์พลาสมาตั้งแต่ 10 วินาที ขึ้นไป สามารถต้านทานการซึมผ่านของน้ำมันได้อย่างชัดเจน      

ภาพที่ 1 ความสามารถในการต้านทานน้ำของกระดาษประยุกต์พลาสมา

           นอกจากนี้เมื่อนำกระดาษที่ประยุกต์พลาสมา SF6 เก็บในสภาวะอุณหภูมิ  25 – 32 ºC   ความชื้นสัมพัทธ์ 48 – 74 %   ซึ่งเป็นสภาวะของคลังสินค้าในประเทศเขตร้อนชื้นทั่วไป เป็นเวลานาน 4 สัปดาห์ พบว่า กระดาษที่ประยุกต์พลาสมานานน้อยกว่า 60 วินาที มีความสามารถในการต้านทานน้ำลดลง ส่วนกระดาษที่ประยุกต์พลาสมานาน 60 วินาที สามารถต้านทานน้ำได้เหมือนกับวันแรกที่เริ่มเก็บ โดยในงานวิจัยได้เก็นกระดาษประยุกต์พลาสมาเป็นเวลาเพิ่มเติม 1 ปีในสภาวะคลังสินค้าทั่วไป โดยพบว่าสมบัติในการต้านทานน้ำไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากเมื่อใช้เวลาในการประยุกต์พลาสมานานขึ้น พลาสมาสามารถเข้าทำปฏิกิริยากับเส้นใยเซลลูโลสได้มากขึ้น พื้นที่ของเส้นใยเซลลูโลสที่จะสร้างพันธะกับโมเลกุลของน้ำในอากาศจึงน้อยลง อย่างไรก็ตาม พบว่า กระดาษที่ประยุกต์พลาสมาเมื่อใช้เวลาในการประยุกต์พลาสมานานเกินไป  จะเกิดการกัด (etching) มากขึ้นด้วย ทำให้ผิวกระดาษเกิดรูพรุนขนาดเล็กระดับนาโนเมตรเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้ผิวกระดาษมีลักษณะคล้ายฟองน้ำ (Hopkins and Badyal, 1996) ผิวกระดาษจึงมีพื้นที่รับความชื้นจากไอน้ำในอากาศได้มากขึ้น

ภาพที่ 2 เวลาในการดูดซึมน้ำของกระดาษประยุกต์พลาสมา SF­6
เมื่อเก็บในสภาวะอุณหภูมิ 25-32 ºC ความชื้นสัมพัทธ์
48-74% เป็นเวลา 4 สัปดาห์

สรุปผลการทดลอง
                การปรับปรุงสมบัติการต้านทานน้ำของกระดาษโดยการประยุกต์ด้วยพลาสมาซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ (SF­6) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการต้านทานน้ำและน้ำมันของกระดาษได้โดยไม่ส่งผลต่อสมบัติทางกายภาพของกระดาษ

คณะผู้วิจัย
ผศ.ดร.ธัญญารัตน์ จิญกาญจน์ ¹  นางสาวสุชาดา ถาวรวิริยะนันท์ ¹ รศ.ดร.ธีรวรรณ บุญญาวรรณ ²  ผศ.ดร.พรชัย ราชตนะพันธุ์ ³ และ  ดร.อำพร เสน่ห์ ^1
1ภาควิชาเทคโนโลยีการบรรจุและวัสดุ คณะอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
²ศูนย์วิจัยนิวตรอนพลังงานสูง มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
³ภาควิชาเทคโนโลยีการบรรจุ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
โทร.  (02) 562-5057, (02)562-5045