บทที่ 12 โพลิ เมอร์

1. บทที่ 12โพลิเมอร์ Polymers

2. การจัดเรียงตัวของโพลิเมอร์การจัดเรียงตัวของโพลิเมอร์ • Polymer เป็นวัตถุอินทรีย์มีโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ เกิดจากการรวมตัวกันของดมเลกุลขนาดเล็ก ของธาตุ C, N, O, H, S, Si, F and Cl เป็นต้น • เกิดจากการสังเคราะห์จากวัสดุธรรมชาติ และ ในห้องปฏิบัติการ Monomer 1 nm Polymer chain 0.1-1 um

3. ลักษณะโมเลกุลของ Polymer มี 3 แบบ • เป็นสายยาว (Linear polymer chain) 10-100 nm

4. (b) สายยาวที่มีสาขา (Branched polymer chain) 10 nm

5. (c) ตาข่าย 3 มิติ (Cross-linked polymer) 100 nm

6. Polymerization • กระบวนการสังเคราะห์โพลิเมอร์ เป็นกระบวนการที่ทำให้โมโนเมอร์ กลายเป็น โพลิเมอร์ แบ่งได้เป็น 2 วิธีหลัก คือ • Addition Polymerization • Condensation Polymerization

8. การจำแนกประเภทของโพลิเมอร์การจำแนกประเภทของโพลิเมอร์

9. ประเภทของพลาสติก 1. Thermoplastics • เกิดจากกระบวนการPolymerization โครงสร้างจะเป็น อสัณฐาน (Amorphous) คือโมเลกุลเดี่ยวต่อกันเป็นลูกโซ่ยาว พลาสติกชนิดนี้จะอ่อนตัวและสามารถขึ้นรูปได้เมื่ออุณหภูมิสูง

10. ถ้าหากลูกโซ่โมเลกุลมีการเรียงตัวขนานกันและอัดกันแน่นด้วย แรง Van der Waal’s force (ปลายของแต่ละลูกโซ่จะไม่ต่อกัน) มีความหนาแน่นสูง พลาสติกชนิดนี้จะมีสีใสเหมือนแก้ว จะเหนียว และแข็งแรง รับแรงกระแทกได้ดี • ถ้าหากแนวโมเลกุลเรียงขนานกันบางช่วง ทำให้ความหนาแน่นต่ำ แรงระหว่างโมเลกุลลดลง จะมีสีขุ่น ทึบแสง รับแรงกระแทกได้น้อย

11. ตัวอย่าง Thermoplastics 1. Polyethylene (โพลีเอทิลีน) เรียกย่อว่า PE มีความยืดหยุ่นดีมีทั้งแบบอ่อน และแบบแข็งได้แก่ • Low Density Polyethylene (LDPE)มีความต้านทานการกัดกร่อนดี กันความชื้นได้ดี ความแข็งแรงต่ำ และมีความยืดหยุ่นสูง นิยมใช้ในการผลิต bags, bottles, and liners. • High Density Polyethylene (HDPE)เป็นกลุ่มที่นิยมใช้มากที่สุด รับแรงกระแทกได้ดี น้ำหนักเบา ดูดซับความชื้นน้อย มีความแข็งแรงสูง ไม่เป็นพิษ บรรจุอาหารได้ • Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMW PE)น้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง กลึงไสได้เช่นเดียวกับไม้ ใช้ในงานเครื่องจักกลที่ทนต่อการสึกหรอ ต้านทานต่อแรงขัดสี และการกัดกร่อน

12. 2. Polyvinyl Chlorideเรียกย่อว่า PVCไม่มีสี ย้อมสีได้ ทนต่อน้ำมัน จารบี กรด และด่าง ปกติ PVC จะแข็ง แต่เมื่อผสมสารที่ทำให้อ่อนตัวจะฉีดขึ้นรูปและปาดผิวได้ ถ้าเติมสารที่ทำให้อ่อนตัวมากจะกลายเป็น PVC อ่อน หรือหนังเทียม Ex. ท่อน้ำ, แผ่นพลาสติกบาง, แผ่นเสียง, ของเด็กเล่น

13. 3. Polypropyleneเรียกย่อว่า PPมีคุณสมบัติคล้ายกับ PE แต่ทนความร้อนได้สูงกว่า แต่เปราะที่อุณหภูมิต่ำ ใช้ในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ ชิ้นส่วนรถยนต์ ได้จากกระบวนการ polymerization ของ Propylene (C3H6) สัญลักษณ์การนำกลับมาใช้ใหม่ Propylene

14. 4. Acrylonitrile-Butadiene-Stryreneเรียกย่อว่า ABS เหนียว ทนต่อการกระแทกได้ดีความต้านแรงดึงสูง ใช้ทำใบพัดลม หมวกกันน็อค อุปกรณ์สุขภัณฑ์ 5. Polymethylmethacrylateเรียกย่อว่า PMMA หรือ plexiglass ทนแดด ทนต่อบรรยากาศ แข็งและเหนียว รอยแตกไม่แหลมคม จึงนิยมนำมานำแผ่นแก้วนิรภัย ฝาครอบไฟท้าย ไฟเลี้ยวยานยนต์

15. โพลิสไตรีน(Polystyrene: PS) • Polystyrene was discovered in 1839 by Eduard Simon • มีลักษณะโปร่งใส เปราะ ทนต่อกรดและด่าง ไอน้ำและอากาศซึมผ่านได้พอควร ใช้ทำชิ้นส่วนอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องใช้สำนักงาน เป็นต้น

16. 2. Thermosetting Plastics • เกิดจากการนำโมเลกุลเดี่ยวชนิดเดียวกัน หรือต่างชนิดมาทำปฎิกิริยาแยกน้ำออก ภายใต้ความดันและอุณหภูมิ เรียกว่า ‘Polycondensation’ • ปลายของโซ่โมเลกุลชนิดนี้จะยังสามารถทำปฏิกิริยาได้อีก และกลายเป็นไฮโมเลกุลรูปตาข่าย 3 มิติไขว้กัน จะทำให้ได้พลาสติกที่มีพันธะที่แข็งแรง และคงรูป หลังจากการเย็นตัว

17. เมื่อได้รับความร้อนจะยืดหยุ่น แต่ถ้าสูงเกินไป หรือนานเกินไป จะทำให้โมเลกุลขาดจากกัน และแข็งเปราะ ไม่สามารถขึ้นรูปได้

18. ตัวอย่าง Thermosetting Plastics • Unsaturated Polyesterเรียกย่อว่า UPไม่มีสี ผิวเป็นมันเงา มีทั้งที่ยืดหยุ่นได้ และแข็งเปราะ Ex. ชิ้นส่วนตัวถังรถยนต์ และตัวเรือ • Epoxy Resinเรียกย่อว่า EPไม่มีสี และมีสีออกเหลืองเหมือนน้ำผึ้ง แข็งและเหนียว จับเกาะวัสดุทุกชนิด ทนการกัดกร่อนได้ดีมาก Ex. ชิ้นส่วนเครื่องบิน กาว • Polyurethaneเรียกย่อว่า PURโปร่งใส สีเหลืองเหนียว และอ่อนเหมือนยาง Ex. โพรียูลีเทนแข็งใช้ทำเฟือง เปลือกรองเพลา โพรียูลีเทนอ่อนใช้ทำ ฟองน้ำเฟอร์นิเจอร์ โพรียูลีเทนเหลวใช้ทำเคลือบเงา

19. Plastics Manufacturing process 1. การฉีดพลาสติก (Plastic Injection molding) ใช้สำหรับผลิตชิ้นส่วน หรือชิ้นงานจากเม็ดพลาสติก Injection moulding vdo

20. Plastic Injection molding

21. การอัดรีด (Extrusion) • สำหรับขึ้นรูปพลาสติกอ่อน ใช้ขึ้นรูปท่อ แผ่น หรือรูปพรรณต่างๆ

22. die Extruded metal Extrusion Extruded product

23. เป่าขึ้นรูป(Blow moulding) • สำหรับทำถุงพลาสติก ขวด และถัง Injection blow moulding vdo

24. Elastomer ยางจัดเป็น พลาสติกยืดหยุ่น(Elastic hydrocarbon polymer) มีความยืดหยุ่นและความเหนียวสูง แต่ความยืดหยุ่นจะลดลงเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า -72 C ยางมี สอง ประเภท คือ • ยางธรรมชาติ (Natural rubber) ได้จากต้นพืช • ยางสังเคราะห์ (Synthetic rubber) ได้จากกระบวนการ Polymerization

25. ยางธรรมชาติ (Natural Rubber, NR) • ส่วนมากได้จากยางพารา สายพันธุ์ Hevea Braziliensis มีต้นกำเนิดจากทวีปอเมริกาใต้ • น้ำยางสด (Latex) เมื่อกรีดออกมาจากต้นมีเนื้อยางแห้ง 30%โดยน้ำหนัก แขวนลอยอยู่ในน้ำ • ยางธรรมชาติที่มีขายในท้องตลาด มี 2 รูปแบบ คือ น้ำยาง และ ยางแห้ง Website สถาบันวิจัยยาง กรมวิชาการเกษตร http://www.rubberthai.com/

26. กระบวนการปั่นเหวี่ยง + เติมสารเคมีกันบูด น้ำยางสด 30%wt น้ำยางข้น 60%wt 1. น้ำยาง (Latex): ได้จากการนำน้ำยางสดมาผ่านกระบวนการเหวี่ยงแยกน้ำออกโดยมีเนื้อยาง 60%โดยน้ำหนัก เรียกว่า น้ำยางข้น • ผลิตภัณฑ์จากน้ำยางข้น ได้แก่ ถุงมือยาง ถุงยางอนามัย ลูกโป่ง จุกนม ที่นอน เบ้าหล่อปูนพลาสเตอร์ เป็นต้น

27. 2. ยางแห้งได้จากการนำน้ำยางมาเติมกรดฟอร์มิก ทำให้เนื้อยางจับตัวและแยกตัวออกมาจากน้ำ แล้วจึงทำการไล่ความชื้นออก ได้แก่ 2.1 ยางแผ่น ( Rubber Sheet)แบ่งเป็น ยางแผ่นรมควัน และยางแผ่นไม่รมควัน ยางแผ่นไม่รมควัน ตากแดด น้ำยางเจือจาง 12-18% เติมกรดค่า pH 5.1-4.8 ให้แข็งตัว รีดน้ำออก ด้วยลูกรีด ล้างน้ำ ให้สะอาด ยางแผ่นรมควัน อบรมควัน 50-70c 3 วัน

28. ยางแผ่นรมควัน (Ribbed Smoked Sheet, RSS) มี 5 ชั้นคุณภาพ ใช้มากที่สุดคือ ชั้นที่ 3 ผลิตภัณฑ์ของยางแผ่นรมควัน เช่น ยางล้อรถยนต์ สายพาน ท่อน้ำ รองเท้า อะไหล่รถยนต์ เป็นต้น

29. 2.2 ยางเครฟ (Crepe Rubber) • เป็นยางที่ได้จากการนำเศษยางไปรีดด้วยเครื่อง Creping machine แล้วนำไปผึ่งลมให้แห้ง • สีของยางจะเข้ม และมีความบริสุทธิ์แตกต่างกัน

30. อบให้แห้ง ทำให้เป็น ก้อนเล็ก 2-3 มม. ทำความสะอาด อัดเป็นแท่งมาตรฐาน 330*670*170 มม. น้ำยาง หรือยางแท่ง 2.3 ยางแท่ง (Technically classified rubber) ยางแท่งจะมีคุณภาพสม่ำเสมอมากกว่ายางแผ่น และยางเครฟ แต่ราคาจะสูง

31. โครงสร้างของยางธรรมชาติโครงสร้างของยางธรรมชาติ โครงสร้างเป็นโมเลกุลตาข่าย ชื่อเคมี คือ cis-1, 4 polyisoprene monomer

32. สมบัติทั่วไปของยางธรรมชาติสมบัติทั่วไปของยางธรรมชาติ ข้อดี • มีความยืดหยุ่นสูง • มีความเหนียวติดกันได้ดี • มีความต้านทานแรงดึงสูงโดยไม่ต้องใช้สารเพิ่มเสริมแรง • มีความต้านทานการฉีกขาดทั้งที่อุณหภูมิห้อง และอุณหภูมิสูง • มีความต้านทานการขัดถูดี • เป็นฉนวนไฟฟ้า • มีความร้อนสะสมต่ำ เหมาะเป็นผลิตภัณฑ์ยางขนาดใหญ่

33. ข้อเสีย • ไม่ทนต่อน้ำมันปิโตรเลียม, กรดไนตริก, กรดกำมะถันเข้มข้น • มีช่วงอุณหภูมิใช้งานตั้งแต่ -55 C ถึง 70 C • มีความต้านทานแรงกดต่ำ • มีความว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจน เกิดรอยแตกร้าว • หากเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำนานจะเกิดการเสื่องสภาพ

34. การใช้งาน (Applications) • ทนต่อแรงดึงสูง ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง เช่น ถุงมือยาง ลูกโป่ง ยางรัดของ ที่นอนยางพารา เป็นต้น • มีการสะสมความร้อนต่ำ เหนียวติดกันดี  ยางรถบรรทุก, ยางล้อเครื่องบิน, ยางกันกระแทกเรือ เป็นต้น • ทนต่อการฉีกขาดสูงทั้งที่อุณหภูมิต่ำและสูง ยางกระเป๋าน้ำร้อน แบบพิมพ์ปูนพลาสเตอร์ เป็นต้น

36. กระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์จากน้ำยางกระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์จากน้ำยาง วิธีการผลิตจะขึ้นอยู่กับชนิดของผลิตภัณฑ์ กระบวนการผลิตที่สำคัญ ได้แก่ • การจุ่มแบบพิมพ์ (Dipping Process) • การผลิตยางยืด (Treading Process) • การผลิตยางฟองน้ำ (Foaming Process) • การหล่อเบ้าพิมพ์(Casting process)

37. สารเคมีสำหรับผลิตภัณฑ์จากน้ำยางสารเคมีสำหรับผลิตภัณฑ์จากน้ำยาง • สารเคมีที่ใช้ผสมลงไปในน้ำยางเป็นตัวช่วยในกระบวน การแปรรูป ให้ยางมีขอบเขตการใช้งานกว้างขึ้นและเพื่อลดต้นทุนการผลิต เป็นต้น • แต่อย่างไรก็ตามหลักการสำคัญควรใช้สารเคมีน้อยที่สุดเพื่อให้เหลือสารเคมีที่ตกค้างในผลิตภัณฑ์ให้น้อยที่สุด • โดยทั่วไปแล้วควรล้างผลิตภัณฑ์นั้น ๆ ด้วยน้ำร้อน เพื่อเป็นการปลอดภัยต่อผู้อุปโภคสารเคมีสำหรับผสมน้ำยางประกอบด้วย1. สารช่วยความเสถียร 2. สารวัลคาไนซ์ 3. สารกระตุ้นปฏิกิริยา    4. สารเร่งปฏิกิริยาคงรูป 5. สารป้องกันยางเสื่อมสภาพ  6. สารตัวเติม7. สารที่ทำให้เกิดเจล 8. สารช่วยให้ยางมีสีสวย

38. 1. การจุ่มแบบพิมพ์ (Dipping Process) • แบบพิมพ์จะผลิตด้วยวัสดุเซรามิกส์, แก้ว หรืออะลูมิเนียม • ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ เช่น ถุงมือยาง รองเท้าบูธยางไม่มีตะเข็บ ลูกโป่ง จุกนม ถุงยางอนามัย เป็นต้น ทำความสะอาดแบบพิมพ์ จุ่มแบบพิมพ์ลงในน้ำยาง จนน้ำยางฉาบแบบพิมพ์สม่ำเสมอ ถอดผลิตภัณฑ์ ออก จากพิมพ์ น้ำยาง + สารเคมี ยกแม่พิมพ์ขึ้นช้าๆ ล้างทำ ความสะอาด อบยางให้แห้ง และคงรูป

39. 2. การผลิตยางยืด (Treading Process) • เป็นการนำน้ำยางมาผสมสารเคมีแล้วให้ไหลไปตามท่อเล็กๆไปยังอ่างกรด (ทั่วไปนิยมใช้กรดอะซิตริกเข้มข้น 15-55%) เพื่อให้ยางจับตัวกัน จากนั้นดึงยางออกเป็นเส้นด้าย ล้างกรดออกด้วยน้ำ จากนั้นนำไปอบยางให้แห้ง และอบคงรูป • ผลิตภัณฑ์ ได้แก่ ยางยืดขอบกางเกง เป็นต้น น้ำยาง ตู้อบแห้ง 85-95 C ตู้อบให้คงรูป 135-145 C อ่างน้ำ อ่างกรด

40. 3. การผลิตยางฟองน้ำ (Foaming Process) • ยางฟองน้ำจะมีรูพรุน ระบายอากาศได้ดี สามารถกดหรือบิดโดยไม้เสียรูป เช่นที่นอน เบาะเก้าอี้ หมอนหนุน เป็นต้น หลักการผลิตยางฟองน้ำ • การทำให้ยางเกิดฟองอากาศขนาดต่างๆด้วยวิธีทางกลหรือเคมี • การทำให้น้ำยางที่เป็นฟองแล้วเปลี่ยนสถานะเป็นเจล(Gel) • การอบยางให้คงรูป

41. 4. การหล่อเบ้าพิมพ์ (Casting process) • ผลิตภัณฑ์เช่น ตุ๊กตา ลูกบอล หน้ากาก หรือ หุ่นยาง ได้จากเป็นการเทน้ำ ยางที่ผสมสารเคมีแล้วลงในเบ้าที่ทำจากเซรามิกส์ หรืออะลูมิเนียม เมื่อยางจับตัวกันแล้วจึงถอดเบ้าออก • ผิวด้านนอกจะเหมือนกับแบบพิมพ์

42. Vulcanization • เป็นกระบวนการที่ทำให้เกิด Cross-linking Elastomer โมเลกุลขึ้น โดยการเติม Sulfur (หรือ เติม peroxide-based substance) เพื่อให้เกิดพันธะอะตอมระหว่างโพลิเมอร์ เพื่อให้ได้ยางแท่งที่มีความแข็งแรง ทนต่อสารละลาย และมีความทนทานต่อการใช้งาน และสภาพแวดล้อม • กระบวนการนี้ เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า Curing

43. Vulcanization ยางธรรมชาติจะมีการเปลี่ยนแปลง คือเมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนนุ่มและเมื่อเย็นตัวลงจะแตกง่าย ซึ่งนำไปใช้ประโยชน์ได้น้อย แต่ถ้านำยางธรรมชาติไปเผารวมกับกำมะถันโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยายางทำปฏิกิริยากับกำมะถันในที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของกำมะถัน จะได้ยางมีสภาพคงตัวในอุณหภูมิต่าง ๆ ดีขึ้น และยืดหยุ่นได้มากขึ้น ปฏิกิริยาระหว่างยางกับกำมะถันเรียกว่า ปฏิกิริยาวัลคาไนเซชัน ( vulcanization ) กรรมวิธีนี้จะได้ยางที่มีความยืดหยุ่นสูงขึ้น และทนความร้อนได้ดีกว่าเดิม

44. Vulcanization ปกติยางธรรมชาติ เมื่อได้รับความร้อนจะเหนียวและอ่อนตัว แต่มื่ออุณหภูมิต่ำจะแข็งและเปราะ ฉะนั้นจึงต้องปรับคุณภาพของยางธรรมชาติ ก่อนนำมาทำยางรถยนต์ โดยการวัลคาไนเซชัน และเติม - ซิลิกา ซิลิเกต เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของยาง               - ผงถ่าน เพื่อช่วยป้องกันการสึกกร่อน และทนต่อแสงแดดที่จะทำลายโครงสร้างของพอลิเมอร์ในยาง

45. Additives • Fillers:สารเพิ่มความแข็งแรง เช่น glass fibers, Graphite • Plasticizer:สารเพิ่มความยืดหยุ่น • Lubricants:สารหล่อลื่น • Pigment:สี • Flame retardant:สารป้องกันการติดไฟ • Stabilizer:สารกันเสีย เพิ่มอายุการใช้งาน • Antistate:สารลดการเกิดประจุไฟฟ้า

46. ยางสังเคราะห์ (Synthetic rubber)

47. ยางสังเคราะห์ (Synthetic rubber) • ยางสังเคราะห์เป็นยางที่ได้จากการสังเคราะห์จากปฏิกิริยาเคมี polymerization โดยมีขั้นตอน ดังนี้ • สังเคราะห์โมโนเมอร์ยางจากอุตสาหกรรมปิโตเคมี • นำโมโนเมอร์มาต่อกัน

48. พอลิบิวตาไดอีน มอนอเมอร์ คือ บิวตะไดอีน หรือ 1,3 บิวตะไดอีน ถ้าหากผ่านกระบวนการ วัลคาไนเซชัน ยังมีความยืดหยุ่นน้อยกว่ายางธรรมชาติใช้เป็นยางรถยนต์ได้ • พอลิคลอโรพรีน หรือ นีโอพรีน มอนอเมอร์ คือ คลอโรพีน สลายตัวยากทนไฟ ทนต่อสภาพที่สัมผัสกับน้ำมันเบนซินหรือ ตัวทำละลายอินทรีย์ได้ดี • ยางSBR คือ ยางสไตรีน • บิวตาไดอีน จัดเป็นพวกยางโคพอลิเมอร์ มอนอเมอร์ คือ สไตรีน กับ บิวตาไดอีน ยางชนิดนี้ทนต่อการขัดถู เกิดปฏิกิริยากับ น้ำได้ยากกว่ายางธรรมชาติ ยืดหยุ่นต่ำ ใช้เป็นส่วนผสมในการทำยางรถยนต์

49. ยางโพลีไอโซพรีน (Cis-1,4-Polyisoprene, Isoprene rubber, IR) • เป็นยางสังเคราะห์ที่มีโครงสร้างเคมีคล้ายยางธรรมชาติ แต่ทนการฉีกขาดได้ต่ำกว่า • สามารถใช้แทนยางธรรมชาติ แต่ราคาจะสูงกว่า • ใช้กันมากในอุตสาหกรรม เนื่องจากมีคุณสมบัติสม่ำเสมอ สิ่งเจือปนน้อย สีสม่ำเสมอ

50. ยาง สไตรีน-บิวตาดีน (Styrene-Butadiene Rubber, SBR) • เป็นยางสังเคราะห์ที่ใช้กันมากที่สุด • ราคาไม่แพง • ผลิตภัณฑ์ ได้แก่ สายพาน พื้นรองเท้า ฉนวนหุ้มสายไฟ ท่อยาง • ผสมกับยางชนิดอื่นเพื่อผลิต ยางรถยนต์ขนาดเล็ก