<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: 120,536 ครั้ง post ครั้งแรก: Thu 21 June 2007, 4:12 pm ปรับปรุงล่าสุด: Wed 13 February 2008, 12:20 pm อยู่ในส่วน: เคมี, ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม, เทคโนโลยีวัสดุ แก้ไขงานเขียน

สืบเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของปริมาณการใช้พอลิเมอร์โดยเฉพาะพลาสติกอย่างก้าวกระโดด จึงเกิดปัญหาต่อสิ่งแวดล้อมตามมา คือ ปัญหาขยะพลาสติกและการกำจัด เนื่องจากสมบัติที่ดีของพอลิเมอร์มีความคงทนต่อสภาวะแวดล้อมต่างๆ เมื่ออัตราการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล การกำจัดขยะพลาสติกจึงทำได้ยาก หากจะทิ้งให้ย่อยสลายก็ใช้เวลานานหลายสิบปี หรือบางชนิดก็ไม่ย่อยสลายเลย นอกจากนี้เมื่อทำพอลิเมอร์มาเผายังทำให้เกิดก๊าซพิษ ที่สงผลต่อปัญหามลภาวะเพิ่มขึ้นอีก เมื่อมองในส่วนของวัตถุดิบที่ใช้ผลิตพลาสติก คือ ปิโตรเคมีที่ได้จากเชื้อเพลิงฟอสซิล (fossil fuel) พบว่ามีปริมาณลดลงอย่างมาก เพราะอัตราการเกิดขึ้นทดแทนเกิดได้ช้ามาก ใช้เวลาหลายร้อยปี แต่มีการขุดมาใช้อย่างมาก จากผลการศึกษาพบว่าหากเรายังบริโภคเชื้อเพลิงฟอสซิลด้วยอัตรานี้ต่อไป อีกไม่เกิน 100 ปีข้างหน้าเชื้อเพลิงชนิดนี้ก็จะหมดไป ตามหลักอุปสงค์-อุปทาน จึงทำให้มีราคาของเชื้อเพลิงฟอสซิลตลอดจนปิโตรเคมีเพิ่มสูงขึ้นอย่างมากในปัจจุบัน ส่งผลให้ราคาพอลิเมอร์เพิ่มสูงขึ้นด้วย
แนวทางการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากพอลิเมอร์ที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน คือ การลดการใช้ (Reduce) การนำกลับมาใช้ใหม่ (Reuse) และการรีไซเคิล (recycle) ซึ่งทั้ง 3 แนวทางนี้ จะส่งผลให้มีการยืดอายุการใช้งานของพอลิเมอร์ให้ยาวขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยจะส่งผลให้การผลิตพอลิเมอร์ใหม่ลดลง อีกแนวทางคือการใช้พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ (degradable polymers) ซึ่งจะแก้ปัญหาการสะสมตัวของพอลิเมอร์ และลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิวอีกด้วย

รีไซเคิล (Recycle)

การรีไซเคิลพอลิเมอร์โดยเฉพาะพลาสติก สามารถทำได้เฉพาะพอลิเมอร์ชนิดเทอร์โมพลาสติกเท่านั้น ไม่สามารถใช้กับเทอร์โมเซ็ตได้ โดยการนำพลาสติกมาหลอมแล้วขึ้นรูปใหม่ ซึ่งอาจส่งผลให้ประสิทธิภาพของพลาสติกที่ได้ลดลง เนื่องจากอาจเกิดการสลายตัวของสายโซ่เนื่องจากความร้อนในกระบวนการขึ้นรูป หรือได้ชิ้นงานที่สีไม่สดใส เนื่องจากไม่สามารถแยกสีที่ผสมกับพลาสติกในการขึ้นรูปครั้งแรกออกได้หมด เป็นต้น สิ่งที่สำคัญของการรีไซเคิล คือ ต้องนำเอาพลาสติกมาทำการคัดแยกก่อน เนื่องจากพลาสติกส่วนใหญ่จะไม่สามารถผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ หากหลอมรวมกันแล้วขึ้นรูป จะทำให้ชิ้นงานที่ได้มีคุณภาพต่ำ ดังนั้นเพื่อให้สะดวกต่อการเก็บรวบรวมและคัดแยก ก่อนนำมาหลอมใช้ใหม่ จึงมีการกำหนดสัญลักษณ์ของพลาสติกมาตรฐานเป็น 7 ประเภทหลัก ดังนี้

1. PETE ใช้ผลิตขวดบรรจุน้ำอัดลม ภาชนะบรรจุขนม พรม เป็นต้น
2. HDPE นำกลับมาผลิตเป็นขวดบรรจุผลิตภัณฑ์ซักผ้า ฝาขวดน้ำอัดลม ถังขยะ เครื่องเล่นในสนามเด็กเล่น
3. V นำกลับมาผลิตเป็นท่อ รั้ว หรือผลิตภัณฑ์อื่นที่ไม่สัมผัสกับอาหาร
4. LDPE นำกลับมาผลิตเป็นถุงชนิดต่างๆ
5. PP นำกลับมาผลิตเป็นชิ้นส่วนยานยนต์ พรม
6. PS นำกลับมาผลิตเป็นตุ๊กตาเด็กเล่น ถาดใส่อาหาร ฉนวน เป็นต้น
7. อื่นๆ


สัญลักษณ์มาตรฐานสำหรับพลาสติกเพื่อการรีไซเคิล


ขยะพลาสติกที่ผ่านการคัดแยก ก่อนนำมารีไซเคิล

พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ (Degradable polymers)

คุณค่าทางทางเศรษฐกิจก็เป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องพิจารณา นอกจากปัญหาด้านอัตราการบริโภค และการกำจัดขยะพลาสติกดังที่กล่าวมาแล้ว ราคาของปิโตรเลียมเพิ่มสูงขึ้นอย่างมากในปัจจุบัน และมีแนวโน้มว่าจะสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องในอนาคต อันเนื่องมาจากหลักการตลาดของอุปสงค์และอุปทาน เพราะปริมาณปิโตรเลียมสำรองในธรรมชาติลดลง แต่กระบวนการเกิดขึ้นใหม่ตามธรรมชาติต้องใช้เวลานับร้อยๆปีในการทับถมของซากสิ่งมีชีวิต ซึ่งไม่สมดุลกับอัตราการบริโภคที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด ดังนั้น จึงมีการคาดหมายว่าปิโตรเลียมและผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องจะหมดไปจากโลกภายในแวลาอีกไม่เกิน 100 ปีข้างหน้า สาเหตุเหล่านี้ จึงเป็นปัจจัยที่ผลักดันให้เกิดการศึกษาค้นคว้าเพื่อผลิตวัสดุที่มีสมบัติทางกายภาพเทียบเคียงกับพลาสติก แต่สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบที่ไม่ได้มาจากปิโตรเลียม กล่าวคือ ใช้วัตถุดิบทดแทน (renewable) ที่มีวงจรการผลิตค่อนข้างสั้น เช่น ผลิตผลทางการเกษตร เป็นต้น และสมบัติที่สำคัญคือ สามารถย่อยสลายได้ โดยเรียกพอลิเมอร์หรือพลาสติกเพื่อวัตถุประสงค์นี้ว่า พลาสติกชีวภาพ ซึ่งในปัจจุบันมีการผลิตได้หลายชนิด หากแบ่งตามกลไกการสลายตัวสามารถจำแนกได้ดังนี้

1. Biodegradable คือ พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้โดยการใช้เอ็นไซม์ จากจุลินทรีย์ในการตัดสายโซ่ แล้วได้ผลิตผลเป็นสารโมเลกุลเล็กที่มีตามธรรมชาติ เช่น น้ำ แอลกอฮอล์ คาร์บอนไดอ๊อกไซค์ เป็นต้น
2. Compostable จัดเป็นพอลิเมอร์ชนิด Biodegradable ซึ่งการสลายตัวเกิดขึ้นแบบจำเพาะโดยการหมักที่อุณหภูมิสูงกว่า 50 °C
3. Hydro-biodegradable พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้โดยการสลายพันธะเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ (hydrolysis)
4. Photo-biodegradable พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้เมื่อได้รับพลังงานจากแสง
5. Bioerodable พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้โดยไม่ต้องพึ่งพาจุลินทรีย์ โดยจะเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีต่างๆ เช่น ปฏิกิริยาอ๊อกซิเดชั่น เป็นต้น

ปัจจุบันมีพลาสติกชีวภาพ 2 ประเภทหลักที่มีการศึกษาวิจัย และนำมาผลิตใช้ประโยชน์ คือ พอลิเมอร์ประเภทที่มีส่วนผสมของแป้ง (polysaccharide) และพอลิเอสเทอร์ (polyesters) โดยพอลิเมอร์ประเภทแรกเกิดจากการผสมพอลิเมอร์บางชนิด เข้ากับสายโซ่พอลิเมอร์ของแป้งที่เกิดจากการเรียงต่อกันของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว เช่นกลูโคส เชื่อมกันด้วยพันธะ glucosidic โดยใช้อัตราส่วนผสมได้ตั้งแต่ 10 -90 % ขึ้นอยู่กับจุดประสงค์ในการใช้งาน ซึ่งหากส่วนผสมของแป้งมากกว่า 60% จะทำให้พลาสติกผสมสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ หากส่วนผสมต่ำกว่า 60% ส่วนผสมที่เป็นแป้งจะทำหน้าที่เป็นจุดที่ทำให้เกิดการแตกตัวของชิ้นส่วนพอลิเมอร์ผสมให้มีขนาดเล็กลง ตัวอย่างพอลิเมอร์ที่นำมาผสมกับแป้ง ประกอบด้วย พอลิไวนีลแอลกอฮอล์ พอลิเอสเทอร์ เป็นต้น โดยก่อนกระบวนการผสมอาจมีการปรับปรุงคุณภาพของแป้งที่ใช้โดยกระบวนการทางเคมีก่อน เพื่อให้มีคุณสมบัติทางเคมีที่เหมาะสมก่อนก็ได้

ส่วนพอลิเอสเทอร์ จัดเป็นพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้เนื่องจากประกอบด้วยพันธะเอสเทอร์อยู่ในสายโซ่เป็นจำนวนมาก ซึ่งพันธะนี้มีความแข็งแรงน้อย สามารถแตกตัวได้ง่ายโดยทำปฏิกิริยากับน้ำ (hydrolysis) ดังนั้นจึงสามารถย่อยสลายเป็นสารโมเลกุลเล็กลงได้ ซึ่งพอลิเอสเทอร์ยังสามารถจำแนกตามส่วนประกอบของสายโซ่เป็น 2 ประเภท คือ aliphatic และ aromatic polyester ในปัจจุบันมีการผลิตพอลิเมอร์ย่อยสลายได้ในกลุ่มนี้หลายชนิดดังแสดงในภาพประกอบ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพอลิเมอร์ประเภท aliphatic polyester เพราะสายโซ่มีความเหมาะสมต่อการสลายพันธะดีกว่า ในส่วนของ aromatic polyester จะต้องทำการปรับปรุงโครงสร้างให้เหมาะสมขึ้น โดยอาจต่อสายโซ่กับ aliphatic polyester ให้เป็นโคพอลิเมอร์ (aliphatic-aromatic copolyester) ก่อนจึงจะสามารถย่อยสลายได้ ซึ่งในการนี้มีการใช้ PET เป็นส่วนประกอบหลัก

Aliphatic polyester ประกอบด้วยพอลิเมอร์ 4 ตระกูลใหญ่ๆ คือ polybutylene succinate (PBS), polycaprolactone (PCL), polyhydroxyalkanoates (PHA), polylactic acid (PLA) ซึ่ง 2 ชนิดแรกต้องใช้มอนอเมอร์จากปิโตรเคมี ส่วน PLA ใช้วัตถุดิบทดแทนแต่ยังคงอาศัยปฏิกิริยาเคมีในการสังเคราะห์สายโซ่ของพอลิเมอร์ในขั้นตอนสุดท้าย ในขณะที่ PHA เป็นพอลิเมอร์ตระกูลเดียวที่กระบวนการสังเคราะห์ทั้งหมดเกิดขึ้นในจุลินทรีย์ ในปัจจุบันมีนำพอลิเมอร์เหล่านี้มาใช้ทางการค้าโดยมีผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดบ้างแล้วคือ PLA ที่สามารถนำไปทดแทนพลาสติกประเภทบรรจุภัณฑ์ เช่น ขวด PET ถุงพลาสติก เป็นต้น โดยพอลิเมอร์ชนิดนี้สังเคราะห์ได้จากวัตถุดิบที่เป็นแป้ง เช่น ข้าวโพด มันสำปะหลัง เป็นวัตถุดิบ โดยต้องนำแป้งมาผ่านกระบวนการหมักบ่มด้วยจุลิทรีย์ เพื่อให้ได้ lactic acid monomer จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการสังเคราะห์เป็นพอลิเมอร์ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมใน “พลาสติกจากข้าวโพด”) แต่ข้อจำกัดของ PLA คือไม่คงรูปเมื่อได้รับความร้อน ส่วนอีกชนิดคือ PHA ที่มีสมบัติทางกลดีกว่า เหมาะกับการขึ้นรูปด้วยความร้อน (thermal forming) โดยพอลิเมอร์ชนิดนี้มีอนุพันธุ์หลายชนิดด้วยกันดังแผนภาพ ส่วนใหญ่สามารถสังเคราะห์ได้โดยตรงโดยจากสารจำพวกแป้งและน้ำตาล แล้วได้เป็นสายโซ่ยาวของพอลิเมอร์ โดยการใช้จุลินทรีย์ตลอดกระบวนการ จึงเรียกพอลิเมอร์ประเภทนี้ว่า microbial polymers


แผนภาพแสดงประเภทและตัวอย่างของ polyesters

PHA - polyhydroxyalkanoates
PHB - polyhydroxybutyrate
PHH - polyhydroxyhexanoate
PHV - polyhydroxyvalerate
PLA - polylactic acid
PCL - polycaprolactone
PBS - polybutylene succinate
PBSA - polybutylene succinate adipate
AAC - Aliphatic-Aromatic copolyesters
PET - polyethylene terephthalate
PBAT - polybutylene adipate/terephthalate
PTMAT- polymethylene adipate/terephthalate



ผลิตภัณฑ์เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม: CD ที่มีส่วนผสมของ PLA ซึ่งสังเคราะห์ได้จากการหมักบ่มข้าวโพด

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน