พอลิเมอร์ (Polymer)

หัวข้อการเรียนรู้ 1. ความรู้เกี่ยวกับพอลิเมอร์ 2. โครงสร้างของพอลิเมอร์ 3. การนำพอลิเมอร์ไปใช้ประโยชน์

1. ความรู้เกี่ยวกับพอลิเมอร์ “สารพอลิเมอร์ (polymer) คือ โมเลกุลขนาดใหญ่มากประกอบด้วยอะตอม เป็นจํานวนหลายร้อยหลายพันอะตอมต่อกันด้วยพันธะเคมี พอลิเมอร์ธรรมชาติเป็นพื้นฐานของขบวนการแห่ง ชีวิตทั้งหมด ”

1.1 การเกิดพอลิเมอร์ “การเกิดของพอลิเมอร์นั้นมาจากการรวมตัวขององค์ประกอบที่เรียกว่า มอนอเมอร์ (Monomer) ซึ่งเป็นหน่วยเล็ก ๆ ซ้ำ ๆ กันประกอบกันเป็นพอลิเมอร์ดังภาพ”

1.2 ประเภทของพอลิเมอร์แบ่งตามการเกิด ก . พอลิเมอร์ธรรมชาติ “พอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ไกลโคเจน กรดนิวคลีอิกและยางธรรมชาติ(พอลีไอโซปรีน)” เส้นใยจากฝ้าย ยางพารา เส้นใยจากไหม ขนแกะ โปรตีน เส้นใยจากธรรมชาติอื่น ๆ

ข . พอลิเมอร์สังเคราะห์ “พอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์เพื่อใช้ประโยชน์ต่าง ๆ เช่น พลาสติก ไนลอน โฟมและกาว เป็นต้น” ยางสังเคราะห์ พลาสติก โฟม พีวีซี เส้นใยสังเคราะห์ กาว

1.3 ประเภทของพอลิเมอร์แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ ก. โฮโมพอลิเมอร์ (Homopolymer) “พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นกลูโคสทั้งหมด) พอลิเอทิลีน PVC (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นเอทิลีนทั้งหมด)”

ข.โคพอลิเมอร์ (Copolymer) หรือ เฮเทอโรพอลิเมอร์ (Heteropolymer) “พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ต่างชนิดกันมารวมกันเป็นสายโซ่พอลิเมอร์ เช่นโปรตีน (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นกรดอะมิโนต่างชนิดกัน ) พอลิเอสเทอร์ พอลิเอไมด์ เป็นต้น”

ข-1. โคพอลิเมอร์แบบสลับ (Alternating copolymers) กรณีของพอลิเมอร์ที่มาจากโมโนเมอร์ 2 ชนิด สามารถแบ่งได้ตามลักษณะการจัดเรียง ข-1. โคพอลิเมอร์แบบสลับ (Alternating copolymers) “ในสายโซ่โมเลกุลของพอลิเมอร์ประกอบด้วยโมโนเมอร์ A และโมโนเมอร์ B เรียงสลับกันไปอย่างมี ระเบียบ” ข-2. โคพอลิเมอร์แบบสุ่ม (Random copolymers) “ในสายโซ่โมเลกุลของพอลิเมอร์ประกอบด้วยโมโนเมอร์ A และโมโนเมอร์ ปะปนกันอย่างไม่มีระเบียบ”

ข-3. โคพอลิเมอร์แบบบล็อค (Block copolymers) “ในสายโซ่โมเลกุลพอลิเมอร์ประกอบด้วยโมโนเมอร์ A และโมโนเมอร์ B ซึ่งแต่ละโมโนเมอร์ทั้ง 2 ชนิดพบว่าอยู่กันเป็นกลุ่ม ๆ ในสายโซ่พอลิเมอร์ ” ข-4. โคพอลิเมอร์แบบกราฟท์ (Graft copolymers) “ในสายโซ่โมเลกุลพอลิเมอร์ประกอบด้วยโมโนเมอร์ A และโมโนเมอร์ B ซึ่งอาจจะมีสายโซ่พอลิเมอร์ A เป็นหลักและมีสายโซพอลิเมอร์ B แยกเป็นกิ่งออกไป”

สรุปการแบ่งชนิดตามการจัดเรียงของมอนอเมอร์

2. โครงสร้างของพอลิเมอร์ 2.1 พอลิเมอร์แบบเส้น (Chain length polymer) “พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกัน มากกว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็งขุ่น เหนียวกว่า โครงสร้างอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน ดังภาพ” High density polyethylene terepthalate

2.2 พอลิเมอร์แบบกิ่ง (Branched polymer) “เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ยึดกันและแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่ส้ันและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลักทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำ ยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่างพอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ” polyethylene terepthalate

2.3 พอลิเมอร์แบบร่างแห (Cross -linked polymer) “เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่อเชื่อมกันเป็นร่างแห พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่าง เบกาไลต์ เมลามีน ใช้ทำถ้วยชาม ดังภาพ” ตัวอย่างชามเมลามีน

3. การนำพอลิเมอร์ไปใช้ประโยชน์ 3.1 พลาสติก “เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่สังเคราะห์ขึ้นใช้แทนวัสดุธรรมชาติ พลาสติกบางชนิดเมื่อเย็นก็แข็งตัว เมื่อถูกความร้อนก็อ่อนตัว พลาสติกบางชนิดแข็งตัวถาวร” พลาสติกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามเกณฑ์การเปลี่ยนแปลงเมื่อได้รับความร้อน 3.1.1 เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) “เป็นพลาสติกที่ใช้กันแพร่หลายที่สุด ได้รับความร้อนจะอ่อนตัว และเมื่อเย็นลงจะแข็งตัว สามารถเปลี่ยนรูปได้พลาสติกประเภทนี้โครงสร้างโมเลกุลเป็นโซ่ตรงยาว มีการเชื่อมต่อระหว่างโซ่พอลิเมอร์น้อย มีสมบัติพิเศษคือ เมื่อหลอมแล้วสามารถนำมาขึ้นรูปกลับมาใช้ใหม่ได้”

ตัวอย่างเทอร์โมพลาสติก โพลิเอทิลีน (Polyethylene: PE) “มีลักษณะขุ่น และทนความร้อนได้พอควร ใช้ทําถุงพลาสติกหรือทําตุ๊กตา ใช้เป็นส่วนประกอบของรถยนต์และฉนวนกันความร้อน” โพลิโพรพิลีน (Polypropylene: PP) “มีลักษณะแข็งกว่า โพลิเอทิลีนทนต่อสารไขมันและความร้อนสูงใช้ทำแผ่นพลาสติก ถุงพลาสติกบรรจุอาหารที่ทนร้อน”

โพลิสไตรีน (Polystyrene: PS) “มีลักษณะโปร่งใส เปราะ ทนต่อกรดและด่าง ไอน้ำและอากาศซึมผ่านได้พอควร ใช้ทำชิ้นส่วนอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เครื่องใช้สำนักงาน” โพลิไวนิลคลอไรด์ (Polyvinylchloride: PVC) “มีสภาพแข็งเปราะและไม่ยืดหยุ่น สมบัติเช่น นี้ใช้ทำท่อน้ำ มีน้ําหนักเบา ทนต่อสารเคมี ฉนวนหุ้มไฟฟ้า รองเท้า อุปกรณ์ทางการแพทย์และแผ่นเสียง ไม่ควรจะนํามาบรรจุอาหารหรือทําขวดพลาสติก เพราะอาจมีสารตกค้างออกมาได้”

3.1.2 เทอร์มอเซต (Thermosetting) “เป็นพลาสติกที่มีโครงสร้างแบบตาข่าย หรือร่างแห ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทนความร้อนและความดัน ไม่อ่อนตัวและเปลี่ยนรูปร่างไม่ได้ แต่ถ้าอุณหภูมิสูงก็จะแตกและไหม้เป็นขี้เถ้าสีดำ” ตัวอย่างเทอร์มอเซตติง อีพ็อกซี (epoxy) “ใช้ใส่ในส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้า ใช้เคลือบผิวของพื้นและผนัง ใช้เคลือบผิวถนน เพื่อกันลื่น ใช้เป็นสารในการทำสีของแก้ว”

เมลามีน - ฟอร์มาลดีไฮด์เรซิน (Melamine - formaldehyde resin) “มีลักษณะแข็งมาก ไม่หลอมละลาย มีผิวหน้าที่แข็งทนต่อการขีดข่วนและทนต่อการเกาะของคราบน้ำชากาแฟได้ดี ดังนั้นจึงนิยมนํามาทําภาชนะพวกจานชามต่าง ๆ” พอลียูรีเธน (Polyurethane) “นิยมใช้ทําโฟมชนิดยืดหยุ่นและโฟมชนิดแข็ง จึงใช้เป็นฉนวนในกระติกน้ําแข็งหรือผนังตู้เย็น ทําส่วนประกอบของเรือเพื่อให้การลอยตัวดีขึ้นและทําน้ำยาเคลือบผิววัสดุป้องกันรอยขีดข่วนได้ดี”

3..2 ยางธรรมชาติและยางสังเคราะห์ 3.2.1. ยางธรรมชาติ “เป็นสารพอลิเมอร์ชนิดหนึ่งซึ่งได้มาจากต้นไม้ น้ำยางธรรมชาติจะมีลักษณะเป็นสีขาวเหมือนน้ำนม ยางธรรมชาติ เกิดจากโมเลกุลของไอโซปรีนหลาย ๆ โมเลกุลมาต่อกันเป็นสายพอลิเมอร์”

ตัวอย่างยางสังเคราะห์ 3.2.2. ยางสังเคราะห์ “สาเหตุที่ทำให้มีการผลิตยางสังเคราะห์ขึ้นในอดีต เนื่องจากการขาดแคลนยางธรรมชาติที่ใช้ในการผลิตอาวุธยุทโธปกรณ์และปัญหาในการขนส่งจากแหล่งผลิตในช่วงสงครามโลกคร้ังที่ 2 จนถึงปัจจุบันได้มีการพัฒนาการผลิตยางสังเคราะห์ เพื่อให้ได้ยางที่มีคุณสมบัติตามต้องการในการใช้งานที่สภาวะต่าง ๆ เช่น ที่สภาวะทนต่อน้ำมัน ทนความร้อน ทนความเย็น เป็นต้น” ตัวอย่างยางสังเคราะห์ ยางสไตรีนบิวตาไดอีน (Styrene-Butadiene Rubber, SBR) “สารพอลิเมอร์ชนิดนี้มีประโยชน์มาก ยืดหยุ่นและทนต่อการแตกสลายได้ดี ยางชนิดนี้ส่วนใหญ่ใช้ทําอุปกรณ็กีฬาและผสมทํายางรถยนต์”

ยางบิวตาไดอีน (Butadiene Rubber, BR) “มีสมบัติเด่นด้านความยืดหยุ่น ความต้านทานต่อการขัดถูความร้อนสะสมในยางต่ำส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมยางล้อ เพราะเป็นยางที่มีความต้านทานต่อการขัดถูสูง และนำไปทำใส้ในลูกกอล์ฟและลูกฟุตบอลเนื่องจากมีสมบัติด้านการกระเด้งตัวที่ดี”

3..3 เส้นใยธรรมชาติและเส้นใยสังเคราะห์ “เส้นใย (Fibers) คือ พอลิเมอร์ชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างของโมเลกุลสามารถนำมาเป็นเส้นด้าย หรือเส้นใย จำแนกตามลักษณะการเกิดได้ดังนี้” 3.3.1. เส้นใยธรรมชาติ เส้นใยเซลลูโลส เส้นใยโปรตีน เส้นใยไหม

3.3.2.เส้นใยสังเคราะห์ ไนลอน (Nylon) เรยอน (Rayon) “สารไนลอนเป็นพอลิเมอร์ชนิดหนึ่ง ซึ่งถูกพัฒนามาจากการสังเคราะห์ยาง ประโยชน์ของไนลอนสามารถใช้แทนผ้าไหม ทําเสื้อผ้า ใช้ทําพรม หวีแปรงผมและเครื่องใช้สุขภัณฑ์ต่างๆ” เรยอน (Rayon) “มนุษย์ได้มีการปรับปรุงเส้นใยเรยอนให้มีประสิทธิภาพการใช้งานให้ดีขึ้น โดยการนําเอาเซลลูโลสมาทําปฏิกิริยากับคาร์บอนซัลไฟด์และโซเดียมไฮดรอกไซด์”