คุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุที่ใช้ผลิตแก้วแบบใช้แล้วทิ้งส่งผลต่อประสิทธิภาพและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างไร

เป็นที่ทราบกันดีว่าแก้วแบบใช้แล้วทิ้งเป็นแหล่งมลพิษทางสิ่งแวดล้อมที่สำคัญ เนื่องจากวัสดุที่ใช้ผลิตแก้วเหล่านี้ไม่สามารถนำไปรีไซเคิลได้ ความไม่สามารถนำกลับมารีไซเคิลหรือนำกลับมาใช้ใหม่นี้ ประกอบกับความต้องการใช้แก้วแบบใช้แล้วทิ้งที่แพร่หลายทั่วโลก ก่อให้เกิดมลพิษจากแก้วแบบใช้แล้วทิ้งในหลุมฝังกลบ มหาสมุทร และแหล่งที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติของสัตว์ป่าทั่วโลก

ทั่วโลกผลิตแก้วแบบใช้แล้วทิ้งมากถึงครึ่งล้านล้านใบในแต่ละปี และแก้วเหล่านี้ส่วนใหญ่มีส่วนประกอบของพลาสติกโพลียูรีเทนมากกว่า 5% ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการรีไซเคิลจึงแทบจะเป็นไปไม่ได้ พลาสติกชนิดนี้เมื่อรวมกับวัสดุอื่นๆ ที่เป็นส่วนหนึ่งของแก้วกาแฟแบบใช้แล้วทิ้ง (เช่น โฟมสไตรีน) ถือเป็นวัสดุที่ต้องใช้ทรัพยากรมากและเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม บริษัทฟาสต์ฟู้ดขนาดใหญ่ยังคงใช้พลาสติกชนิดนี้เพื่อเสิร์ฟกาแฟให้กับลูกค้า แม้จะเป็นที่ทราบกันดีว่าผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเหล่านี้

แล้วอะไรที่ทำให้สูตร "แก้วใช้แล้วทิ้งที่สมบูรณ์แบบ" นี้กลายเป็นสิ่งที่หาสิ่งใดมาทดแทนไม่ได้? การที่อุตสาหกรรมกาแฟส่วนใหญ่พึ่งพาวัสดุเหล่านี้อย่างมากสำหรับถ้วยกาแฟนั้น เชื่อมโยงโดยตรงกับคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุที่ใช้ทำแก้ว  

ทรายแก้วกาแฟแบบใช้แล้วทิ้ง

คุณสมบัติทางความร้อนของแก้วใช้แล้วทิ้ง

ปัจจุบัน กระดาษ โฟมสไตรีน และพลาสติก เป็นวัสดุสามชนิดที่นิยมใช้ในการผลิตถ้วยกาแฟแบบใช้แล้วทิ้งมากที่สุด เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่โดดเด่น เฉพาะสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียวมีการผลิตถ้วยกาแฟกระดาษ พลาสติก และโฟมมากกว่า 120,000 ล้านใบต่อปี ซึ่งคิดเป็นประมาณ 1 ใน 5 ของปริมาณการผลิตทั้งหมดทั่วโลก ในจำนวนถ้วยกาแฟ 120,000 ล้านใบนี้ มีถ้วยกาแฟถึง 99.75% ที่ถูกทิ้งลงถังขยะ ซึ่งย่อยสลายได้น้อยมาก และถ้วยกาแฟที่ย่อยสลายได้อาจใช้เวลานานถึง 20 ปีจึงจะเริ่มย่อยสลาย

พลาสติก กระดาษ และโฟม ล้วนเป็นวัสดุที่มีค่าการถ่ายเทความร้อนต่ำและค่าการนำความร้อนต่ำ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับบรรจุเครื่องดื่มร้อน เพราะยังคงให้ความรู้สึกไม่ร้อนเกินไปแม้จะบรรจุของเหลวร้อนจัดไว้ก็ตาม ค่าการถ่ายเทความร้อนหมายถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการถ่ายเทความร้อนและสามารถวัดได้จากอัตราการดูดซับความร้อนของวัสดุนั้นๆ

เป็นการผสานแนวคิดเรื่องความจุความร้อน (ความเต็มใจของวัสดุที่จะสูญเสียความร้อน) เข้ากับความสามารถในการแพร่ความร้อน (ความเต็มใจของวัสดุที่จะปล่อยความร้อนออกไป) 2ค่า Thermal Effusance ที่สามารถอธิบายได้ดีกว่าสามารถคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้โดยการหาค่ารากที่สองของผลคูณระหว่างค่าการนำความร้อนของวัสดุและความจุความร้อนเชิงปริมาตร3หากต้องการป้องกันการถ่ายเทความร้อนหรือป้องกันไม่ให้กาแฟร้อนสูญเสียความร้อนไปยังสภาพแวดล้อม คุณต้องการวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำและค่าการแพร่ความร้อนต่ำ

คุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนต่ำของพลาสติก กระดาษ และโฟมสไตรีน คือคุณสมบัติเด่นที่ทำให้วัสดุเหล่านี้ไม่สามารถทดแทนได้สำหรับผู้ผลิตถ้วยกาแฟและอุตสาหกรรมฟาสต์ฟู้ดโดยรวม วัสดุแต่ละชนิดมีคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพเฉพาะตัวที่บ่งบอกถึงความสามารถในการเป็นฉนวน ผู้เล่นรายใหญ่ในอุตสาหกรรมฟาสต์ฟู้ดอย่างแมคโดนัลด์ ดังกิ้นโดนัท และสตาร์บัคส์ ต่างเสิร์ฟกาแฟในถ้วยหลากหลายรูปแบบที่ทำจากวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนเหล่านี้อย่างเฉพาะเจาะจง

ประวัติของแก้วใช้แล้วทิ้ง

แก้วแบบใช้แล้วทิ้งเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ค่อนข้างทันสมัยที่เพิ่งปรากฏสู่ตลาดเมื่อประมาณ 100 ปีที่แล้ว โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อจำกัดการใช้ภาชนะสำหรับดื่มสาธารณะ แม้ว่าแนวคิดนี้อาจดูแปลกและบ้าบิ่นในโลกยุคใหม่ แต่ภาชนะสำหรับดื่มสาธารณะกลับเป็นที่นิยมอย่างมาก ประกอบด้วยแก้วดีบุกหรือแก้วที่ใช้ร่วมกัน ซึ่งจะถูกวางไว้ใกล้กับจุดดื่มน้ำ เพื่อให้ผู้ที่เดินผ่านไปมาสามารถหยิบใช้ได้

ลอว์เรนซ์ ลูเอลเลน ได้จดสิทธิบัตรแก้วแบบใช้แล้วทิ้งบุด้วยขี้ผึ้ง ซึ่งเขาอ้างว่าเป็นการเคลื่อนไหวครั้งใหญ่เพื่อพัฒนาสุขอนามัยของประชาชนทั่วไป และความพยายามในการลดการสัมผัสกับโรคต่างๆ เช่น โรคปอดบวมหรือวัณโรค4แม้ว่าแก้วของลูเอลเลนจะมาถึงก่อนการเกิดขึ้นของวัฒนธรรม "กาแฟแบบซื้อกลับบ้าน" นานมาก แต่มันก็จุดประกายความคิดที่ว่าวิธีที่ดีที่สุดในการเสิร์ฟเครื่องดื่มที่สามารถพกพาได้คือการใช้ภาชนะที่สามารถทิ้งได้ง่ายโดยไม่ต้องทำความสะอาดเพิ่มเติม

แมคโดนัลด์เริ่มเสิร์ฟอาหารเช้าในช่วงทศวรรษ 1970 และอีกสิบปีให้หลัง สตาร์บัคส์จึงเปิดสาขาที่ 50 เหตุการณ์สำคัญทางประวัติศาสตร์เหล่านี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการเพิ่มขึ้นของการผลิตและการใช้แก้วกาแฟแบบใช้แล้วทิ้ง และสร้างรากฐานให้กับอุตสาหกรรมการผลิตมูลค่าหลายล้านดอลลาร์ในปัจจุบัน

ถ้วยกระดาษโฟม

ก้าวเข้าสู่ศตวรรษที่ 21 เราต้องเผชิญกับถ้วยกาแฟแบบใช้แล้วทิ้งที่ล้นเกิน โดยส่วนใหญ่ทำจากโฟม กระดาษ หรือพลาสติก ยักษ์ใหญ่สามรายในอุตสาหกรรมกาแฟแบบซื้อกลับบ้าน ได้แก่ แมคโดนัลด์ สตาร์บัคส์ และดังกิ้นโดนัท ต่างขายกาแฟได้เกือบ 2 หมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐต่อปี ด้วยราคาเฉลี่ยของกาแฟ หนึ่งแก้วอยู่ที่ประมาณ 2.00 ดอลลาร์สหรัฐต่อแก้ว จึงอาจกล่าวได้ว่าบริษัทเหล่านี้ต้องใช้ถ้วยกาแฟจำนวนมากเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้บริโภคจำนวนมหาศาลนี้

เป็นเวลาหลายปีที่บริษัทเหล่านี้ใช้ถ้วยโฟม (Styrofoam) เพื่อเสิร์ฟเครื่องดื่มให้กับลูกค้า ซึ่งถ้วยโฟมนี้มีความหนามากกว่าถ้วยกระดาษ ทำให้เป็นฉนวนที่ดีกว่า แม้ว่าวัสดุทั้งสองชนิดจะมีสมบัติทางความร้อนและขนาดที่เกือบจะเหมือนกันก็ตาม5 ภาชนะใส่เครื่องดื่มที่ทำจากโฟมส่วนใหญ่ทำจากโพลีสไตรีนที่ขยายตัว (EPS) ซึ่งเป็นพลาสติกโพลีสไตรีนชนิดหนึ่งที่อัดแน่นไปด้วยฟอง อากาศ ขนาดเล็กเพื่อเพิ่มคุณสมบัติ ในการเก็บความร้อนของถ้วย

โพลีสไตรีนและโพลีคาร์บอเนตเป็นพลาสติกแข็งที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนสูงกว่าและมีความปลอดภัยมากกว่ากระดาษในแง่ของการปกป้องผู้บริโภคจากการรั่วไหลและหกของเครื่องดื่มร้อนจัดภายในภาชนะ แก้วที่บุด้วยพลาสติกทำจากวัสดุเหล่านี้ยังมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าและมีโอกาสน้อยกว่าที่จะปล่อยสารเคมีอันตรายลงในของเหลว6

ถ้วยโฟมใช้แล้วทิ้ง

สไตรีนและความกังวลด้านสุขภาพ

แม้จะมีจุดหลอมเหลวสูง แต่สไตรีน ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีของถ้วยกาแฟโฟม ก็มีความเชื่อมโยงกับปัญหาสุขภาพหลายประการ สไตรีนมีแนวโน้มที่จะซึมออกมาจากภายในถ้วยกาแฟและเข้าไปในเครื่องดื่มร้อนหรืออาหารที่เก็บไว้ภายใน งานวิจัยแสดงให้เห็นว่ากระบวนการซึมนี้เกิดขึ้นเร็วขึ้นในอาหารบางประเภท รวมถึงอาหารที่มีแอลกอฮอล์หรืออาหารที่มีไขมันสูง ผู้บริโภคที่ดื่มเครื่องดื่มจากถ้วยโฟมสี่ครั้งต่อวันเป็นเวลาสามปี จะบริโภคสไตรีนประมาณหนึ่งถ้วยโฟมพร้อมกับเครื่องดื่มเหล่านั้น

แม้ว่านี่จะเป็นสถานการณ์ที่รุนแรง แต่ก็สามารถแสดงให้เห็นภาพที่ชัดเจนได้ว่าสารพิษนี้สามารถสะสมทางชีวภาพได้เร็วเพียงใด อาการระยะสั้นบางอย่างจากการสัมผัสกับสไตรีนอาจรวมถึงอาการระคายเคืองผิวหนัง ตา และทางเดินหายใจส่วนบน รวมถึงโรคทางเดินอาหารหรืออาการทุกข์ทรมานต่างๆ อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว การสัมผัสกับถ้วยและภาชนะที่ทำจากโพลีสไตรีนจะไม่รุนแรงพอที่จะทำให้เกิดอาการเฉียบพลัน กรณีที่สัมผัสรุนแรงกว่าพบในบุคคลที่อาศัยอยู่ใกล้โรงงานผลิตโพลีสไตรีน

บุคคลเหล่านี้อาจเกิดผลข้างเคียงที่รุนแรงมากขึ้นจากการสัมผัสสารดังกล่าว อาการเฉียบพลันที่เด่นชัด ได้แก่ อาการปวดศีรษะ อ่อนเพลีย ขาดการประสานงานของร่างกาย และไม่สามารถคิดได้อย่างชัดเจนเมื่อสัมผัสกับสารดังกล่าว อาการเฉียบพลันที่เด่นชัด ได้แก่ อาการปวดศีรษะ อ่อนเพลีย ขาดการประสานงานของร่างกาย และไม่สามารถคิดได้อย่างชัดเจนเมื่อสัมผัสกับสารดังกล่าว

แก้วกระดาษ

เนื่องจากผลกระทบที่เป็นอันตรายจากการปนเปื้อนของโพลีสไตรีนเป็นที่รับรู้กันมากขึ้น ผู้ผลิตถ้วยกาแฟหลายรายจึงหันมาผลิตถ้วยกระดาษเป็นหลัก ถ้วยเหล่านี้ส่วนใหญ่ทำจากกระดาษเซลลูโลสและบุด้วย PLA (ไบโอพลาสติกที่ผลิตจากชีวมวลหมุนเวียน) 7

แก้วกระดาษเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใส่เครื่องดื่มร้อนและเย็นที่ไม่มีน้ำแข็ง การเคลือบ PLA ช่วยปกป้องกระดาษไม่ให้เปียกชุ่มและย้วย การเคลือบพลาสติกนี้ยังทำหน้าที่เป็นกาวที่ช่วยยึดรอยต่อของแก้วให้ติดกัน กระดาษมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าพลาสติกมาก ดังนั้นการมีชั้นกระดาษอยู่ด้านนอกแก้วจึงช่วยปกป้องมือของผู้บริโภคจากความร้อนที่แผ่ออกมาจากกาแฟร้อน

โดยทั่วไปแล้วแก้วกระดาษมักผลิตด้วยกระดาษชั้นเดียวหรือสองชั้น ถ้วยกาแฟกระดาษชั้นเดียวมีประสิทธิภาพต่ำมากเมื่อบรรจุของเหลวร้อนจัด เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านในและด้านนอกของแก้วทำให้เกิดการควบแน่น การควบแน่นนี้จะทำให้กระดาษเปียกชื้น ทำให้แก้วสูญเสียความแข็ง และอาจส่งผลให้แก้วทั้งใบพังทลายได้

แก้วกระดาษสองชั้นแบบซ้อน

ถ้วยกระดาษสองชั้น

วิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งในการป้องกันไม่ให้แก้วกระดาษสูญเสียความแข็ง คือการเพิ่มชั้นฉนวนเพิ่มเติม ชั้นฉนวนเพิ่มเติมนี้พบได้ในแก้วกาแฟกระดาษสองชั้น ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือกระติกน้ำร้อนแบบใช้แล้วทิ้งที่มีช่องว่างอากาศระหว่างกระดาษสองชั้น ช่องว่างอากาศนี้ช่วยลดการนำความร้อน ทำให้กาแฟร้อนได้นานขึ้น และยังเป็นชั้นป้องกันเพิ่มเติมระหว่างผู้บริโภคกับเครื่องดื่มร้อนอีกด้วย

ถ้วยกระดาษลายริ้ว

ถ้วยกระดาษลูกฟูกลายริ้วเป็นอีกหนึ่งตัวเลือกยอดนิยมในอุตสาหกรรมถ้วยกาแฟแบบใช้แล้วทิ้ง ดีไซน์นี้มีค่าการนำความร้อนและค่าการถ่ายเทความร้อนต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับถ้วยกระดาษแบบชั้นเดียวหรือสองชั้น ถ้วยกระดาษลูกฟูกลายริ้วประกอบด้วยกระดาษเซลลูโลสสามชั้นและชั้นบนสุดที่ขึ้นรูปเป็นโครงสร้างนูนที่มีรูปทรงเฉพาะตัว โครงสร้างนูนนี้ช่วยให้มีช่องว่างระหว่างผนังถ้วย ทำให้มือของผู้ใช้งานสัมผัสได้เฉพาะกับ "รอยริ้ว" ที่ยื่นออกมาด้านนอกของถ้วยเท่านั้น การออกแบบนี้ช่วยให้กระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและไม่จำเป็นต้องใช้ปลอกหุ้มถ้วยกาแฟ ซึ่งเป็นแหล่งของเสียเพิ่มเติมที่มักเกิดขึ้นจากการเสิร์ฟกาแฟ7