<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/18774" type="text/javascript"></script>

พอลิเมอร์ วัสดุเอนกประสงค์ ทุกคนคงคุ้นเคยกกับพลาสติก และได้ใช้งานวัสดุชนิดนี้มาเป็นอย่างดี เนื่องจากพลาสติกเป็นวัสดุที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน พลาสติกจัดเป็นพอลิเมอร์ (polymer) ชนิดหนึ่ง เราลองมาทำความรู้จักกับสารประกอบชนิดนี้กันเลย ผู้เขียน: ผศ. ดร. ปกรณ์ และ ดร. มัณทนา โอภาประกาสิต ชมแล้ว: 120,540 ครั้ง post ครั้งแรก: Thu 21 June 2007, 4:12 pm ปรับปรุงล่าสุด: Wed 13 February 2008, 12:20 pm อยู่ในส่วน: เคมี, ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม, เทคโนโลยีวัสดุ แก้ไขงานเขียน

โครงสร้างสายโซ่พอลิเมอร์

ลักษณะโครงสร้างสายโซ่พอลิเมอร์แบ่งได้เป็น 3 ชนิด คือ โครงสร้างแบบสายโซ่ตรง (linear) โครงสร้างแบบกิ่ง (branch) และโครงสร้างแบบร่างแห (cross-linked network) ซึ่งโครงสร้างสายโซ่ที่แตกต่างกันนี้จะส่งผลต่อสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์และลักษณะการคงตัวหลังการขึ้นรูป โดยทั่วไปพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างแบบสายโซ่ตรงและแบบกิ่ง เมื่อให้ความร้อนหลังการขึ้นรูปแล้วจะอ่อนตัวจนหลอม จึงสามารถนำมาขึ้นรูปใหม่ได้อีก โดยกระบวนการรีไซเคิล ซึ่งพอลิเมอร์ชนิดนี้เรียกว่าเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) เช่น พอลิเอทธิลีน (polyethylene) พอลิสไตรีน (polystyrene) ส่วนพอลิเมอร์อีกประเภทหนึ่ง คือ เทอร์โมเซท (Thermoset) นั้นหลังจากที่ขึ้นรูปแล้ว เมื่อให้ความร้อนพอลิเมอร์ชนิดนี้จะไม่อ่อนตัว แต่จะคงรูปอยู่จนสลายตัวหรือเกิดการเผาไหม้ จึงไม่สามารถนำมาหลอมเพื่อใช้งานใหม่ได้อีกหลังจากที่ขึ้นรูปแล้ว ทั้งนี้เนื่องจากในกระบวนการขึ้นรูปนั้นโครงสร้างของพอลิเมอร์เกิดการเชื่อมต่อของสายโซ่เป็นแบบร่างแห โดยกระบวนการเชื่อมโยงข้าม (crosslink) เช่น ฟีนอลิก เรซิน (phenolic resin) และพอลิยูรีเธน (polyurethane)


โครงสร้างแบบสายโซ่ตรง แบบกิ่ง และแบบร่างแหของพอลิเมอร์

สมบัติทางกายภาพ

สมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ ขึ้นกับปัจจัยหลายประการ เช่น การจัดเรียงตัวของสายโซ่ จะส่งผลถึงโครงสร้างและปริมาณของความเป็นผลึก (crystallinity) ของพอลิเมอร์ โดยทั่วไปพอลิเมอร์สามารถเกิดผลึกได้หากมีการจัดเรียงสายโซ่อย่างเป็นระเบียบ แต่เนื่องจากโครงสร้างที่เป็นสายโซ่ยาวมากจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้พอลิเมอร์มีความเป็นผลึกได้ 100% จึงแบ่งพอลิเมอร์ออกเป็น 2 ประเภทตามลักษณะและปริมาณความเป็นผลึก คือ สารประกอบกึ่งผลึก (semi-crystalline) ที่ประกอบด้วยส่วนที่เป็นผลึกที่เกิดจากการพับตัวของสายโซ่แล้วเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในบางบริเวณ กับสารประกอบอสัณฐาน (amorphous) ที่สายโซ่พอลิเมอร์ไม่สามารถเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบได้เลย ซึ่งปริมาณของผลึกนี้จะส่งผลต่อสมบัติอื่นๆ ของพอลิเมอร์ เช่น ความแข็งแรง ความเหนียว ความปราะของพอลิเมอร์ เป็นต้น


การจัดเรียงตัวของสายโซ่พอลิเมอร์ แบบอสัณฐาน และแบบกึ่งผลึกซึ่งประกอบด้วยบริเวณที่สายโซ่พับแล้วเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ

ปริมาณของผลึกที่เกิดขึ้นในพอลิเมอร์จะขึ้นกับโครงสร้างและชนิดของพอลิเมอร์เองว่าเหมาะสมหรือยากง่ายต่อการเรียงตัวอย่างไร แต่นอกจากปัจจัยเหล่านี้แล้วเราสามารถควบคุมปริมาณผลึกได้โดยกระบวนการทางกายภาพหรือทางความร้อน เช่น หากนำสารประกอบพอลิเมอร์ของสิลิคอนอ๊อกไซค์ (ส่วนประกอบสำคัญในทราย) มาทำการหลอมที่อุณหภูมิสูงจนเป็นของเหลว ซึ่งในสถานะนี้สายโซ่จะสามารถเลื่อนไหลได้ และเรียงตัวอย่างระเกะระกะ ไม่เป็นระเบียบ แล้วปล่อยให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สายโซ่อยู่ในสถานะของแข็ง จะทำให้สายโซ่เหมือนถูกแช่เข็งอย่างรวดเร็ว ไม่มีเวลาในการปรับตัว เพื่อจัดเรียงตัวให้เป็นระเบียบ จะได้ของแข็งอสัณฐานที่เรียกว่า แก้ว ในทางตรงกันข้ามหากปล่อยให้สายโซ่ของสารประกอบสิลิคอนอ๊อกไซค์หลอมที่เคลื่อนไหวได้นี้มีเวลาในการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ แล้วปล่อยให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ก็จะได้เป็นของแข็งที่มีปริมาณผลึกมาก ที่เรียกว่า ควอทซ์ (quartz) กระบวนการนี้ เรียกว่า การแอนนีล (anneal) นอกจากนี้ การควบคุมลักษณะการจัดเรียงตัวของสายโซ่ และเพิ่มปริมาณการเกิดผลึกยังสามารถทำได้โดยการดึงพอลิเมอร์ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง (drawing) ซึ่งส่งผลให้สายโซ่พอลิเมอร์เกิดการยืดและจัดเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน (uniaxial orientation) ทำให้สมบัติเชิงกลของพอลิเมอร์ดีขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับพอลิเมอร์ปกติที่ไม่ได้ผ่านการดึง เป็นต้น


การดึงสายชิ้นตัวอย่างพอลิเมอร์ (drawing) ส่งผลให้สายโซ่เกิดการเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน (uniaxial orientation)

สมบัติทางกายภาพอื่นๆ ของพอลิเมอร์ ขึ้นกับชนิดและหมู่ฟังก์ชันในพอลิเมอร์เป็นสำคัญ ซึ่งชนิดของหมู่ฟังก์ชันนี้ส่งผลโดยตรงต่อแรงระหว่างสายโซ่ (intermolecular forces) ที่มีความแรงแตกต่างกันตามชนิด เช่น แรงแวน เดอ วาล์ว (van De Val) แรงคู่ขั้ว (dipole) หรือแรงพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bonding) นอกจากนี้น้ำหนักโมเลกุล (molecular weight) ก็เป็นอีกหนึ่งปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อสมบัติทางกายภาพ เช่น พอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลมาก จะละลายได้ยากกว่า และมีสมบัติทางกายภาพที่ดีกว่า เป็นต้น

สมบัติทางความร้อน (Thermal properties)

พอลิเมอร์ในสถานะของแข็งประกอบด้วยบริเวณที่เป็นผลึก หรืออสัณฐาน ซึ่งปริมาณของทั้งสองบริเวณนี้ขึ้นกับความสามารถในการจัดเรียงตัวของสายโซ่ว่าเป็นระเบียบหรือไม่ แต่เนื่องจากพอลิเมอร์เป็นสายโซ่ยาว ดังนั้นการจัดเรียงตัวเป็นระเบียบทุกบริเวณจึงเป็นไปได้ยาก ส่วนใหญ่พอลิเมอร์จึงเป็นแบบอสัณฐาน หรือแบบกึ่งผลึก สมบัติทางความร้อนของพอลิเมอร์ที่สำคัญ คือ อุณหภูมิจุดหลอมเหลว (melting point temperature, ) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สายโซ่พอลิเมอร์ส่วนที่เป็นผลึกเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว คล้ายกับการหลอมเหลวของผลึกของแข็งโมเลกุลเล็กชนิดอื่น โดยในสถานะของแข็งสายโซ่ทั้งสายจะเคลื่อนที่ได้น้อยมาก เมื่อเปลี่ยนเป็นของเหลว สายโซ่จะมีพลังงานมากพอที่จะเคลื่อนที่ไหลผ่านสายโซ่อื่นไปมาได้ ในส่วนพอลิเมอร์แบบกึ่งผลึกสามารถตรวจวัด ได้ เพราะจะเกิดการดูดพลังงานมาใช้ในการหลอมผลึกที่อุณหภูมินี้ ส่วนพอลิเมอร์แบบอสัญฐานจะตรวจวัด ไม่ได้

สมบัติทางความร้อนที่สำคัญและเป็นเอกลักษณ์ของพอลิเมอร์ คือ อุณหภูมิการเปลี่ยนจากสถานะคล้ายแก้ว (glass transition temperature, ) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับสายโซ่โดยไม่เปลี่ยนสถานะ (พอลิเมอร์ยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง) แต่เกี่ยวข้องกับการสั่นของส่วนสั้นๆ ในสายโซ่ คือ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า พอลิเมอร์ที่เป็นสายโซ่ยาวจะเกิดการเคลื่อนไหวส่วนต่างๆ ได้ยากมาก (เปรียบเหมือนถูกแช่แข็งไว้) จึงจัดเป็นของแข็งในสถานะคล้ายแก้ว (glassy state) ซึ่งค่อนข้างแข็งแต่เปราะ แต่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้น สายโซ่จะได้รับพลังงานมากขึ้น จนถึงอุณหภูมิเฉพาะของพอลิเมอร์แต่ละชนิดส่วนสั้นๆของสายโซ่โดยเฉพาะบริเวณปลายโซ่ (chain end) จะรับพลังงานมากพอที่จะเคลื่อนไหวได้ แต่ไม่เคลื่อนที่ (คล้ายกับการสั่นหางของงูหางกระดิ่ง) พอลิเมอร์จึงยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง หากเพิ่มอุณหภูมิสูงกว่า พอลิเมอร์จะรับพลังงานไปใช้ในการสั่นนี้เพิ่มขึ้นจนทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น จัดเป็นของแข็งสถานะคล้ายยาง (rubbery state) ซึ่งพอลิเมอร์ทุกชนิดจะแสดง ทั้งหมด แต่บางชนิดอาจจะไม่สามารถตรวจวัดได้หาก นี้เกิดที่อุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิการสลายตัว (degradable temperature) ทั้งนี้เนื่องจากพอลิเมอร์จะสลายตัวเป็นสายสั้นๆ หรือเกิดการเผาไหม้ก่อน

อุณหภูมิ และ ของพอลิเมอร์แต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ขึ้นกับโครงสร้างของสายโซ่ น้ำหนักโมเลกุล และแรงระหว่างโมเลกุลในพอลิเมอร์นั้นๆ เช่น ถ้าโครงสร้างมีความแข็งเนื่องจากพันธะคู่ หรือประกอบด้วยหมู่ฟังค์ชั่นขนาดใหญ่ จะมี สูง เนื่องจากมีอิสระในการเคลื่อนไหวของส่วนต่างๆจำกัด ทำให้ต้องใช้พลังงานสูง หรือหากพอลิเมอร์มีแรงระหว่างโมเลกุลสูง ก็จะมี และ สูงตามไปด้วย เป็นต้น ตัวอย่างเช่น PE จะมี ต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับ PP และ PS ที่มีหมู่ฟังค์ชั่นที่ขนาดใหญ่กว่ามาจำกัดอิสระในการเคลื่อนไหว ข้อมูลจากการทดลองพบว่า ของ PE และ PP อยู่ที่ - 80°C และ - 10°C ตามลำดับ ซึ่งค่า นี้ส่งผลต่อสมบัติอื่นๆ ตลอดจนการประยุกต์ใช้ประโยชน์พอลิเมอร์ 2 ชนิดนี้ ดังนี้ เช่น หากนำมาใช้ผลิตเป็นถุงพลาสติก PE จะเหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ หรือใช้เป็นถุงเย็นมากกว่า PP เพราะที่อุณหภูมิในช่องแช่แข็งอยู่ในช่วงเดียวกันกับ ของ PP ทำให้ PP ยังคงเป็นของแข็งสถานะคล้ายแก้วที่อุณหภูมินี้ จึงเปราะและแตกง่าย ในขณะที่ PE มี ต่ำกว่าอุณหภูมิช่องแช่แข็งมากจึงอยู่ในสถานะเป็นของแข็งสถานะคล้ายยาง ซึ่งมีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิในช่องแช่แข็ง ทำให้เหมาะในการใช้เป็นถุงเย็นมากกว่า เป็นต้น

อย่างไรก็ตามหากมีความจำเป็นต้องใช้พอลิเมอร์หนึ่งๆเพื่อประโยชน์เฉพาะด้าน แต่พอลิเมอร์นั้นยังมีสมบัติไม่เหมาะสมนัก เราสามารถปรับปรุงคุณภาพของพอลิเมอร์ได้โดยควบคุม ให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่ต้องการ เช่น ควบคุมน้ำหนักโมเลกุลของสายโซ่ หรือผสมกับพอลิเมอร์ชนิดอื่นที่สามารถผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ ทำให้ได้พอลิเมอร์ผสมที่มี อยู่ระหว่าง ของพอลิเมอร์ทั้งสอง โดยขึ้นกับอัตราส่วนผสม กระบวนการนี้ เรียกว่า polymer blending จะส่งผลให้ได้สมบัติทางกายภาพและทางกลที่เหมาะสมกว่าเดิม หรือการผสมพอลิเมอร์ที่ต้องการเข้ากับสารโมเลกุลเล็กที่มีโครงสร้างคล้ายกัน ก็จะสามารถลด ของพอลิเมอร์นั้นๆ ลงได้เช่นกัน กระบวนการนี้เรียกว่าการเติมพลาสติไซเซอร์ (plasticizer) ตัวอย่างเช่น หนังเทียมที่ใช้ในรถยนต์ส่วนใหญ่จะผลิตจากพอลิเมอร์ที่มี สูงกว่าอุณหภูมิห้อง ทำให้ที่อุณหภูมิปกติพอลิเมอร์อยู่ในสถานะคล้ายแก้ว จึงแข็งกระด้าง และค่อนข้างเปราะ แต่เมื่อผสมพลาสติไซเซอร์ ทำให้ ลดต่ำลงกว่าอุณหภูมิห้อง ทำให้อยู่ในสถานะคล้ายยางที่อุณหภูมิห้อง พอลิเมอร์จึงยืดหยุ่นขึ้น และนุ่มน่าใช้งาน แต่หลังจากใช้งานไประยะหนึ่ง เมื่อสัมผัสกับแสงแดดเป็นเวลานาน พลาสติไซเซอร์นี้จะค่อยๆระเหย หรือหลุดออกไป ทำให้ เพิ่มสูงขึ้นอีก ดังนั้นการบำรุงรักษาหนังเทียมเหล่านี้จึงต้องใช้การทาด้วยพลาสติไซเซอร์เข้าไปใหม่อีกครั้ง
การทดลองที่เกี่ยวข้องกับการวัดสมบัติทางความร้อนของพอลิเมอร์ที่สำคัญ คือ Differential Scanning Caloremetry (DSC) เป็นเทคนิคที่สามารถแสดง และ ตลอดจนปริมาณความร้อนที่ใช้ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนของพอลิเมอร์ และ Thermal Gravimetric Analysis (TGA) ซึ่งเป็นเทคนิคที่แสดงน้ำหนักของตัวอย่างพอลิเมอร์ที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ตารางสูตรโครงสร้าง และอุณหภูมิการเปลี่ยนจากสถานะคล้ายแก้ว (glass transition temperature, ) ของพอลิเมอร์บางชนิด



สมบัติทางกล (mechanical properties)

ความเค้น (stress) และความเครียด (strain) คือสมบัติทางกลพื้นฐานของพอลิเมอร์ และสามารถนำมาพิจารณาประกอบการประยุกต์ใช้ประโยชน์พอลิเมอร์ได้ สมบัตินี้สามารถทดสอบได้โดยการดึงชิ้นตัวอย่างพอลิเมอร์ด้วยแรงที่ควบคุมได้ ในขณะเดียวกันก็วัดการยืดตัวของชิ้นตัวอย่างเทียบกับขนาดของแรงที่ใช้ การทดลองนี้เรียกว่า tensile experiment จากนั้นจึงคำนวณความเค้น จากอัตราส่วนของแรงต่อหน่วยพื้นที่ และคำนวณความเครียด จากอัตราการยืดตัวของชิ้นตัวอย่างต่อความยาวเริ่มต้น กราฟที่ได้จากการวาดความเค้นและความเครียด จะมีลักษณะ และความชัน slope (อัตราส่วนของความเค้นต่อความเครียด) ที่ต่างกันตามสมบัติของพอลิเมอร์ กล่าวคือ สมบัติแบบพลาสติก (plastic) สมบัติแบบวัสดุยืดหยุ่น (elastomer) และสมบัติแบบเส้นใย (fiber) โดยความชันของกราฟจะบ่งบอกความแข็ง (modulus) ของพอลิเมอร์


การทดสอบความเค้น และความเครียดของชิ้นตัวอย่างพอลิเมอร์ โดย tensile experiment


กราฟระหว่างความเค้นและความเครียดของพอลิเมอร์ที่มีสมบัติแบบต่างๆ

1. สมบัติแบบวัสดุพลาสติกชนิดแข็งเกร็ง (rigid plastic) พอลิเมอร์จะยืดตัวได้น้อยเมื่อเพิ่มความเค้น จะได้กราฟที่มีความชันสูงมาก และเมื่อเพิ่มความเค้นถึงค่าหนึ่งจะทำให้ชิ้นตัวอย่างไม่สามารถทนได้อีก และขาดเป็น 2 ชิ้น ส่งผลให้กราฟมีความยาวน้อยที่สุด
2. สมบัติแบบวัสดุเส้นใย (fiber) พอลิเมอร์จะยืดตัวได้น้อยเมื่อเพิ่มแรงเค้นเช่นเดียวกับพลาสติกแบบแข็งเกร็ง แต่จะทดความเค้นได้มากกว่าก่อนชิ้นตัวอย่างจะขาด ทำให้ได้กราฟที่มีความชันใกล้เคียงกับชนิดแรก แต่ความยาวมากกว่า
3. สมบัติแบบวัสดุพลาสติกชนิดยืดหยุ่น (flexible plastic) ในช่วงแรกพอลิเมอร์จะยืดตัวได้ค่อนข้างน้อยเมื่อเพิ่มความเค้น จนถึงขณะหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นยืดตัวอย่างมากเมื่อเทียบกับความเค้น แล้วกลับมายืดตัวได้น้อยอีกระยะหนึ่ง ก่อนที่ชิ้นงานจะขาด มักจะพบในพอลิเมอร์ที่เป็นแบบกึ่งผลึก
4. สมบัติแบบวัสดุยืดหยุ่น (elastomer) พอลิเมอร์จะยืดตัวอย่างมาก เทียบกับการเพิ่มความเค้นเพียงเล็กน้อย จึงได้กราฟที่มีความชันต่ำที่สุด และจะยืดตัวได้มากที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุชนิดอื่น ก่อนที่ชิ้นงานจะขาด มักจะพบในพอลิเมอร์ที่เป็นอสัญฐาน เช่น ยาง เป็นต้น

นอกจากสมบัติเชิงกลของพอลิเมอร์จะขึ้นกับชนิดและโครงสร้างของพอลิเมอร์เองแล้ว ยังขึ้นกับอุณหภูมิที่ทำการทดสอบ และเวลาที่พอลิเมอร์ใช้ในการตอบสนองต่อแรงที่ให้ด้วย เช่น เมื่อทำการทดสอบ modulus ของพอลิเมอร์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า จะได้ค่าที่ค่อนข้างสูง เมื่อเทียบกับค่าที่วัดได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า เพราะพอลิเมอร์อยู่ในสถานะคล้ายแก้ว และสถานะคล้ายยางที่อุณหภูมิข้างต้น ตามลำดับ หรือผลของเวลาในการตอบสนองต่อแรงกระทำ เช่น เมื่อทดลองนำชิ้นส่วนพอลิเมอร์ เช่น หนังยาง มาทำการดึงด้วยมือทั้งสองข้าง ถ้าค่อยๆดึงโดยใช้เวลาค่อนข้างนาน จะพบว่าหนังยางสามารถยืดตัวอย่างช้าๆ จนได้ความยาวหลังการยืดที่ค่อนข้างสูง แต่หากดึงกระชากอย่างรวดเร็วถึงแม้ใช้แรงเท่ากัน จะพบว่าชิ้นส่วนยางที่ยืดได้นั้นจะสั้นกว่ากรณีแรก ทั้งนี้เพราะสายโซ่พอลิเมอร์มีเวลาที่ใช้ตอบสนองน้อยกว่านั่นเอง ซึ่งผลของอุณหภูมิและเวลาต่อสมบัติทางกลจะผกผันกัน ดังนั้นหากทำการทดลองด้วยเครื่องมืออย่างละเอียด แล้ววาดกราฟการเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกล ตามอุณหภูมิ และตามส่วนกลับของเวลาในการตอบสนอง จะได้กราฟที่มีลักษณะคล้ายกัน เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Time-Temperature Correlation

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน