ความหนืด คืออะไร? มีหน่วยวัดอะไรบ้าง และสำคัญต่อการผลิตอย่างไร

ในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องสำอาง ยา และสารเคมี ปัจจัยหนึ่งที่มักถูกมองข้ามแต่ส่งผลต่อคุณภาพและประสิทธิภาพการผลิตอย่างมากคือ ความหนืด คืออะไร และมีผลต่อกระบวนการบรรจุอย่างไร เมื่อของเหลวมีความหนืดแตกต่างกัน วิธีการจัดการและอุปกรณ์ที่ใช้ก็ต้องแตกต่างกันตามไปด้วย

สำหรับผู้ประกอบการที่ต้องการเครื่องบรรจุของเหลวหนืดที่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์ การเข้าใจความหนืดเป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญ บทความนี้จะอธิบายว่าความหนืดคืออะไร เกิดขึ้นได้อย่างไร วัดด้วยหน่วยอะไร และส่งผลต่อกระบวนการผลิตและการบรรจุอย่างไรบ้าง

ความหนืด คืออะไร?

ความหนืด คือ คุณสมบัติของของเหลวที่แสดงถึงความต้านทานต่อการไหล หรือพูดง่ายๆ คือ ความยากในการที่ของเหลวจะเคลื่อนที่หรือไหลได้ ของเหลวที่มีความหนืดสูงจะไหลช้าและต้องใช้แรงมากกว่าในการทำให้เคลื่อนที่ ในขณะที่ของเหลวที่มีความหนืดต่ำจะไหลได้ง่ายและเร็วกว่า

ในทางฟิสิกส์ ความหนืดถูกนิยามว่าเป็นอัตราส่วนระหว่างแรงเฉือน (Shear Stress) ที่กระทำต่อของเหลว กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็วในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการไหล (Shear Rate) ยิ่งความหนืดสูง ยิ่งต้องใช้แรงมากขึ้นเพื่อให้ได้อัตราการไหลเดิม

ความหนืดเกิดจากอะไร และมีหลักการอย่างไร?

ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดกับการไหลของของเหลว

เมื่อของเหลวไหล ชั้นโมเลกุลแต่ละชั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เท่ากัน ชั้นที่ใกล้ผนังท่อจะเคลื่อนที่ช้ากว่าชั้นที่อยู่กลางท่อ แรงที่เกิดจากการที่ชั้นโมเลกุลเหล่านี้ "ต้านทาน" กันและกันในระหว่างการไหลนี้เองที่เราเรียกว่าความหนืด

ของเหลวที่มีพฤติกรรมตรงตามกฎความหนืดของนิวตัน (Newtonian Fluid) เช่น น้ำและน้ำมันแร่ จะมีความหนืดคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามแรงที่กระทำ ในทางตรงข้าม ของเหลวที่ไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน (Non-Newtonian Fluid) เช่น ครีม เจล ซอส และโยเกิร์ต จะมีความหนืดที่เปลี่ยนแปลงได้ตามแรงเฉือนหรืออัตราการไหล

ปัจจัยที่ส่งผลต่อความหนืดของของเหลว

• อุณหภูมิ เป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อความหนืดมากที่สุด ของเหลวส่วนใหญ่จะมีความหนืดลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เพราะโมเลกุลมีพลังงานจลน์มากขึ้นและเคลื่อนที่ได้อิสระกว่า ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือน้ำผึ้งที่เหลวกว่าเมื่ออุ่น และข้นกว่าเมื่อเย็น
  
  
• องค์ประกอบและสัดส่วนของส่วนผสม ปริมาณของสารละลาย อนุภาคแขวนลอย หรือสารเพิ่มความหนืดในสูตร ล้วนส่งผลต่อระดับความหนืดโดยตรง การเพิ่มหรือลดสัดส่วนส่วนผสมสามารถปรับความหนืดของผลิตภัณฑ์ได้
  
  
• ความดัน ในกรณีที่ใช้แรงดันสูง เช่น ในกระบวนการอุตสาหกรรมบางประเภท ความดันที่เพิ่มขึ้นจะทำให้โมเลกุลอัดแน่นขึ้นและความหนืดสูงขึ้น แม้ว่าผลนี้จะน้อยกว่าผลของอุณหภูมิในของเหลวทั่วไป

ความหนืดมีหน่วยวัดอะไรบ้าง?

หน่วยพาสคัล-วินาที (Pa·s)

หน่วย Pa·s (พาสคัล-วินาที) คือหน่วยวัดความหนืดสัมบูรณ์ (Dynamic Viscosity) ในระบบ SI ซึ่งเป็นระบบหน่วยสากลที่ใช้กันทั่วโลกในงานวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม 1 Pa·s เท่ากับแรงเฉือน 1 นิวตันต่อตารางเมตร ที่ทำให้ชั้นของเหลวสองชั้นที่ห่างกัน 1 เมตรมีความต่างความเร็ว 1 เมตรต่อวินาที

หน่วยเซนติพอยส์ (cP)

เซนติพอยส์ (cP) เป็นหน่วยที่นิยมใช้กันมากในงานอุตสาหกรรมและห้องทดลอง เนื่องจากเป็นหน่วยที่ให้ค่าตัวเลขที่อ่านง่าย โดย 1 cP เท่ากับ 0.001 Pa·s ตัวอย่างที่ชัดเจนคือน้ำที่อุณหภูมิ 20°C มีความหนืดประมาณ 1 cP ซึ่งทำให้หน่วยนี้สะดวกในการเปรียบเทียบกับน้ำเป็นฐาน

หน่วยเซนติสโตกส์ (cSt)

เซนติสโตกส์ (cSt) ใช้วัดความหนืดจลน์ (Kinematic Viscosity) ซึ่งคือความหนืดสัมบูรณ์หารด้วยความหนาแน่นของของเหลว หน่วยนี้นิยมใช้กับน้ำมันหล่อลื่นและน้ำมันเชื้อเพลิง เพราะสะดวกในการคำนวณการไหลในท่อและการออกแบบระบบ 1 cSt เท่ากับ 1 mm²/s

วิธีวัดความหนืดของของเหลวทำได้อย่างไร?

การวัดด้วยเครื่องวัดความหนืด (Viscometer)

Viscometer คืออุปกรณ์พื้นฐานสำหรับวัดความหนืดในงานอุตสาหกรรม มีหลายรูปแบบ เช่น แบบหมุน (Rotational) ที่วัดแรงต้านการหมุนของสปินเดิลในของเหลว หรือแบบแคปปิลลารี (Capillary) ที่วัดเวลาที่ของเหลวใช้ไหลผ่านท่อเล็กๆ ในระยะที่กำหนด เหมาะสำหรับ QC ในสายการผลิตเพราะใช้งานง่ายและราคาไม่สูง

การวัดด้วยเครื่องวัดการไหล (Rheometer)

Rheometer เป็นเครื่องมือขั้นสูงที่วัดพฤติกรรมการไหลของวัสดุได้ละเอียดกว่า Viscometer ทั่วไป สามารถวัดได้ทั้งความหนืดและความยืดหยุ่น (Elasticity) ของวัสดุ Non-Newtonian รวมถึงพฤติกรรมที่เปลี่ยนแปลงตามแรงเฉือน เหมาะสำหรับการวิจัยพัฒนาสูตรผลิตภัณฑ์และการวิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุที่ซับซ้อน

การวัดความหนืดด้วยวิธีทดสอบการไหล

วิธีทดสอบการไหลอย่างง่ายที่ใช้กันในภาคสนาม เช่น การใช้ Flow Cup ที่วัดเวลาเป็นวินาทีที่ของเหลวใช้ไหลผ่านรูเล็กๆ ที่ก้นถ้วย วิธีนี้ไม่ได้ให้ค่าหน่วยมาตรฐาน แต่เพียงพอสำหรับการเปรียบเทียบความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ในสายการผลิตที่ต้องการความเร็วในการทดสอบ

ตัวอย่างของเหลวที่มีความหนืดแตกต่างกัน

ของเหลวความหนืดต่ำ เช่น น้ำและแอลกอฮอล์

น้ำมีความหนืดประมาณ 1 cP ที่อุณหภูมิ 20°C ส่วนแอลกอฮอล์และผลิตภัณฑ์ที่มีแอลกอฮอล์เป็นส่วนประกอบหลัก เช่น โทนเนอร์บำรุงผิว น้ำยาเช็ดแว่น หรือน้ำยาฆ่าเชื้อ มักมีความหนืดต่ำใกล้เคียงกับน้ำ ของเหลวในกลุ่มนี้ไหลได้ง่ายและรวดเร็ว บรรจุได้ด้วยเครื่องบรรจุระบบแรงโน้มถ่วงหรือเกียร์ปั๊มทั่วไป

ของเหลวความหนืดปานกลาง เช่น น้ำมันและแชมพู

น้ำมันพืชมีความหนืดในช่วง 30-100 cP แชมพูและครีมนวดผมอยู่ในช่วง 2,000-10,000 cP น้ำมันในกลุ่มนี้ยังไหลได้ดีที่อุณหภูมิห้อง แต่ต้องใช้ปั๊มที่มีแรงดันพอสมควร ส่วนแชมพูซึ่งมีความหนืดสูงกว่าต้องการเครื่องบรรจุที่มีระบบจ่ายสำหรับผลิตภัณฑ์หนืดโดยเฉพาะ

ของเหลวความหนืดสูง เช่น น้ำผึ้ง ครีม และเจล

น้ำผึ้งที่อุณหภูมิห้องมีความหนืดประมาณ 2,000-10,000 cP ครีมบำรุงผิวเข้มข้นและเจลอาจมีความหนืดสูงถึง 50,000-100,000 cP หรือมากกว่า ผลิตภัณฑ์ในกลุ่มนี้ไหลช้า ต้องการแรงดันสูงในการบรรจุ และมักต้องการเครื่องบรรจุที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับของเหลวหนืด เพื่อให้บรรจุได้แม่นยำและไม่เกิดปัญหาคอขวดในสายการผลิต

ความหนืดมีความสำคัญต่อกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมอย่างไร?

ความหนืดส่งผลต่อเกือบทุกขั้นตอนในกระบวนการผลิต ไม่ว่าจะเป็นการผสม การปั๊ม การลำเลียง และการบรรจุ การทำความเข้าใจความหนืดของผลิตภัณฑ์จึงเป็นพื้นฐานสำคัญในการออกแบบกระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพ

• อุตสาหกรรมอาหาร ความหนืดของซอส แยม น้ำเชื่อม หรือผลิตภัณฑ์นม ส่งผลต่อเวลาในการผสม ระยะเวลาในการพาสเจอร์ไรซ์ และอัตราการบรรจุ ผู้ผลิตอาหารต้องควบคุมความหนืดให้อยู่ในช่วงมาตรฐานเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอใน
  ทุกล็อตการผลิต
  
  
• อุตสาหกรรมเครื่องสำอางและสกินแคร์ ความหนืดกำหนดว่าผลิตภัณฑ์จะมีเนื้อสัมผัสเป็นอย่างไรเมื่อใช้งาน ครีมที่หนืดเกินไปจะทาแล้วหนัก ในขณะที่หนืดน้อยเกินไปจะไหลออกจากบรรจุภัณฑ์ง่ายเกินไป การควบคุมความหนืดให้อยู่ในสเปคจึงสำคัญทั้งต่อการใช้งานและกระบวนการบรรจุ
  
• อุตสาหกรรมสี วาร์นิช และสารเคมี ความหนืดของสีและสารเคลือบกำหนดการกระจายตัวและความหนาของฟิล์มที่เคลือบ ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

ความหนืดส่งผลต่อกระบวนการบรรจุของเหลวอย่างไร?

ความหนืดมีผลต่อความเร็วและความแม่นยำในการบรรจุ

ความหนืดส่งผลโดยตรงต่อความเร็วในการไหลผ่านหัวจ่าย ของเหลวที่มีความหนืดสูงใช้เวลานานกว่าในการไหลเต็มปริมาตรที่ต้องการบรรจุ ทำให้ความเร็วรอบการผลิตต่อนาทีช้าลง นอกจากนี้ ความหนืดที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิหรือแรงเฉือน (Non-Newtonian) ยังทำให้ปริมาณที่บรรจุในแต่ละรอบไม่สม่ำเสมอหากเครื่องบรรจุไม่ได้ออกแบบมาสำหรับผลิตภัณฑ์ประเภทนั้น

ปัญหาที่พบบ่อยเมื่อต้องบรรจุของเหลวที่มีความหนืดสูง

ปัญหาที่พบมากที่สุดเมื่อต้องบรรจุผลิตภัณฑ์หนืดด้วยเครื่องที่ไม่เหมาะสม ได้แก่ ครีมหรือซอสค้างอยู่ในท่อและหัวจ่ายทำให้บรรจุได้ปริมาณน้อยกว่ากำหนด เกิดอากาศแทรกเข้าในผลิตภัณฑ์ระหว่างการจ่าย หัวจ่ายปิดไม่สนิทเพราะผลิตภัณฑ์ค้างอยู่ในวาล์ว และผลิตภัณฑ์หกหรือเปรอะรอบปากบรรจุภัณฑ์เพราะการจ่ายไม่หยุดทันที

วิธีเลือก เครื่องบรรจุของเหลวหนืด ให้เหมาะกับผลิตภัณฑ์

การเลือกเครื่องบรรจุของเหลวหนืดที่เหมาะสมต้องพิจารณาจากค่าความหนืดของผลิตภัณฑ์ก่อน โดยทั่วไปแบ่งเป็น 3 ระดับหลัก ผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดต่ำถึงปานกลาง (ต่ำกว่า 5,000 cP) ใช้เครื่องระบบ Gravity Filler หรือเกียร์ปั๊มได้ดี ผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดสูง (5,000-50,000 cP) ต้องการเครื่องระบบลูกสูบที่ออกแบบมาเฉพาะ และผลิตภัณฑ์ที่หนืดมากหรือมีเนื้อสัมผัสเป็นเนย (มากกว่า 50,000 cP) ต้องการเครื่องบรรจุระบบสกรูหรือระบบเอ็กซ์ทรูดเดอร์ นอกจากนี้ยังควรพิจารณาว่าผลิตภัณฑ์มีเนื้อสัมผัสแบบ Newtonian หรือ Non-Newtonian เพื่อเลือกระบบวาล์วและการควบคุมที่เหมาะสม

สามารถติดต่อสอบถามเพิ่มเติม:

• LINE
  
• Facebook: https://www.facebook.com/asiaengineeringpac
  
• Youtube: https://www.youtube.com/@asiaengineeringpacth
  
• Email: sales@asiaengineeringpac@co.th
  
• โทร: 02 806 4501, 087 542 9042
  
  

คำถามที่พบบ่อย (FAQs) เกี่ยวกับความหนืด

Q: ความหนืด คืออะไร อธิบายให้เข้าใจง่ายได้อย่างไร? 

A: ความหนืดคือความต้านทานต่อการไหลของของเหลว ถ้าเปรียบง่ายๆ น้ำไหลเร็วและง่ายเพราะมีความหนืดต่ำ ส่วนน้ำผึ้งไหลช้าและต้องออกแรงมากกว่าเพราะมีความหนืดสูง ยิ่งหนืดมาก ยิ่งต้องใช้แรงหรือเวลานานกว่าในการทำให้ไหล

Q: ความหนืดกับความข้นต่างกันอย่างไร? 

A: ในชีวิตประจำวัน สองคำนี้มักใช้แทนกันได้ แต่ในทางวิทยาศาสตร์ ความหนืดเป็นค่าวัดที่แม่นยำกว่า โดยวัดเป็น cP หรือ Pa·s ส่วน "ความข้น" เป็นคำพูดทั่วไปที่ไม่มีหน่วยวัดมาตรฐาน การสื่อสารในอุตสาหกรรมควรใช้ค่าความหนืดที่วัดได้จริงเพื่อความแม่นยำ

Q: อุณหภูมิส่งผลต่อความหนืดมากแค่ไหน? 

A: ส่งผลมาก ตัวอย่างที่เห็นชัดคือน้ำผึ้ง ที่อุณหภูมิ 25°C มีความหนืดประมาณ 10,000 cP แต่เมื่ออุ่นที่ 40°C ความหนืดลดลงเหลือประมาณ 2,000 cP ความแตกต่างนี้ส่งผลสำคัญต่อการเลือกอุณหภูมิในการบรรจุ บางโรงงานใช้การให้ความร้อนเพื่อลดความหนืดชั่วคราวและบรรจุได้เร็วขึ้น

Q: เครื่องบรรจุของเหลวทั่วไปใช้กับผลิตภัณฑ์หนืดได้ไหม? 

A: ขึ้นอยู่กับระดับความหนืด เครื่องบรรจุของเหลวทั่วไปออกแบบมาสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดไม่สูงมาก หากนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์หนืดสูงจะเกิดปัญหาปริมาณไม่แม่นยำ ปั๊มสึกหรอเร็ว และวาล์วปิดไม่สนิท ควรเลือกเครื่องที่ออกแบบมาสำหรับความหนืดของผลิตภัณฑ์จริง โดยสามารถขอคำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญเพื่อให้มั่นใจว่าเลือกได้ถูกต้อง