มาทำความรู้จักพอลิเมอร์กันเถอะ!

พอลิเมอร์ (Polymer)

 

               พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่และมีมวลโมเลกุลมากเกิดจากมอนอเมอร์ (Monomer) ซึ่งเป็นโมเลกุลเดี่ยวอาจเป็นชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันจำนวนหลายโมเลกุลมายึดต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนซ์

ประเภทของพอลิเมอร์
ประเภทของพอลิเมอร์สามารถจำแนกตามเกณฑ์ได้ดังนี้
1. แบ่งตามแหล่งกำเนิดของพอลิเมอร์ แบ่งได้อีกเป็น 2 ประเภท คือ
– พอลิเมอร์ธรรมชาติ มีทั้งที่เป็นสารอินทรีย์ เช่น แป้ง ไกลโคเจน เซลลูโลส เป็นต้น และทั้งที่เป็นสารอนินทรีย์ เช่น แร่ซิลิเกตและทรายซิลิกา เป็นต้น
– พอลิเมอร์สังเคราะห์ เช่น พลาสติก ยางสังเคราะห์ และเส้นใยสังเคราะห์ เป็นต้น
2. แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบในโมเลกุล แบ่งได้อีกเป็น 2 ประเภท คือ
– โฮโมพอลิเมอร์ (Homopolymer) คือ พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น พอลิเอทิลีน เป็นพอลิเมอร์ที่มีมอนอเมอร์คือเอทิลีนเหมือนกันหมด
– โคพอลิเมอร์ (Copolymer) คือ พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ ของมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน เช่น สายโซ่ของโปรตีน เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากกรดอะมิโนต่างชนิดกันมารวมตัวกัน

3. แบ่งตามคุณสมบัติของพอลิเมอร์และการใช้งาน แบ่งเป็น 3 ประเภท คือ
– เส้นใย เช่น ฝ้าย ขนสัตว์ ไหม และเส้นใยสังเคราะห์ มีลักษณะเป็นเส้นเล็กยาว มีความแข็งแรง และทนต่อแรงดึงตามความยาวของเส้น
– สารยืดหยุ่น เช่น ถุงมือยาง และยางรถยนต์ เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างเมื่อยืดดึงและเมื่อปล่อยก็จะกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ เนื่องจากแรงยึดระหว่างโมเลกุลไม่แข็งแรง เมื่อถูกยืดโมเลกุลจะยืดออกและเรียงตัวเป็นระเบียบ แต่เมื่อปล่อยจากการยืดจะกลับสู่สภาพเดิมที่เป็นสายโซ่ที่พันขดกันเป็นก้อนเหมือนเดิม
– พลาสติก เช่น เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่สังเคราะห์ขึ้นใช้แทนวัสดุธรรมชาติ บางชนิดเมื่อเย็นก็แข็งตัว เมื่อถูกความร้อนก็อ่อนตัว บางชนิดแข็งตัวถาวร มีหลายชนิด เช่น ไนลอน ยางเทียมที่ใช้ทำสิ่งต่างๆ เช่น เสื้อผ้า ฟิล์ม ภาชนะ ส่วนประกอบเรือ หรือ รถยนต์ เป็นต้น

โครงสร้างและสมบัติของพอลิเมอร์
สมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์จะมีความสัมพันธ์กับโครงสร้างภายในซึ่งแบ่งเป็น 3 แบบ ดังนี้
1. โครงสร้างแบบสายยาวหรือแบบโซ่ตรง เกิดจากมอนอเมอร์ที่สร้างพันธะเรียงต่อกันเป็นเส้นตรง มีสมบัติเหนียว แข็งแรง สามารถยืดตัวและโค้งงอได้ เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัวและจะแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง สามารถเปลี่ยนกลับไปกลับมาได้โดยที่สมบัติของพอลิเมอร์ไม่เปลี่ยนแปลง
2. โครงสร้างแบบสาขาหรือแบบกิ่ง เกิดจากมอนอเมอร์ที่มายึดกันและแตกกิ่งก้านสาขาออกจากโซ่พอลิเมอร์หลัก สมบัติของโครงสร้างนี้มีลักษณะคล้ายโครงสร้างแบบยาว แต่จะมีความหนาแน่นน้อยและโค้งงอได้ดีกว่า เนื่องจากมีกิ่งก้านสาขาขวางกั้นอยู่ระหว่างโมเลกุลของสายพอลิเมอร์

3. โครงสร้างแบบร่างแหหรือแบบตาข่าย เกิดจากมอนอเมอร์ที่มาเชื่อมต่อกันเป็นร่างแห ภายในโมเลกุลมีกิ่งก้านสาขาเชื่อมโยงกัน มีสมบัติแข็งแรง ทนทาน โค้งงอได้น้อย คงรูปร่าง ไม่ยืดหยุ่น และทนความร้อนได้ดี เนื่องจากโมเลกุลยึดกันแน่นในทุกๆทิศทาง

การสังเคราะห์พอลิเมอร์
เกิดจากปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่า ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน (Polymerization) ของมอนอเมอร์ ซึ่งจำแนกเป็นประเภทตามลักษณะการเกิดปฏิกิริยาได้ดังนี้
1. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบต่อเติม (Addition Polymerization) คือ ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์จากมอนอเมอร์ที่มีพันธะคู่รวมตัวกัน เมื่อเกิดการรวมตัวพันธะคู่จะเปิดออกแล้วต่อกันเป็นพอลิเมอร์ที่ยาวออกไป เกิดเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว โดยอาศัยอุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม
เช่น การเกิดพอลิไวนิลคลอไรด์ หรือ PVC เป็นต้น

2. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น (Condensation Polymerization) เกิดจากมอนอเมอร์อย่างน้อย 2 ชนิดมารวมกัน โดยแต่ละชนิดมีหมู่ที่ทำหน้าที่เฉพาะมากกว่าหนึ่งหมู่ เมื่อรวมหรือควบแน่นกันจะมีสารโมเลกุลเล็ก เช่น น้ำหรือแอมโมเนียเกิดขึ้น เช่น การรวมกันของกรดอะดิปิกกับ 1,6 – ไดแอมิโนเฮกเซน ได้ผลิตภัณฑ์เป็นไนลอน เป็นต้น

พอลิเมอร์ในชีวิตประจำวัน
พลาสติก
พลาสติกมีสมบัติที่เป็นประโยชน์หลายประการ เช่น มีน้ำหนักเบา มีความเหนียว แข็งแรง ไม่ทำปฏิกิริยากับอากาศ กรด เบส และสารเคมี เป็นฉนวนความร้อนและฉนวนไฟฟ้าที่ดี อีกทั้งส่วนมากมักอ่อนตัวและหลอมเหลวเมื่อได้รับความร้อน จึงนำไปขึ้นเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ง่าย

ทั้งนี้สามารถแบ่งพลาสติกออกได้ 2 ประเภท ตามสมบัติของพลาสติกเมื่อได้รับความร้อน คือ
1. เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) เป็นพลาสติกที่มีโครงสร้างแบบโซ่ตรง หรือโครงสร้างแบบกิ่งเป็นสายยาว เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัวและหลอมเหลว แต่หากอุณหภูมิลดลงจะกลับไปแข็งตัวตามเดิม นอกจากนี้ยังสามารถหลอมซ้ำและทำให้เป็นรูปร่างเดิมหรือรูปร่างใหม่โดยที่สมบัติของพลาสติกยังคงเดิม

2. เทอร์โมเซตพลาสติก (Thermosetplastic) เป็นพลาสติกที่มีโครงสร้างแบบตาข่ายหรือร่างแห หากได้รับความร้อนจะไม่อ่อนตัว เมื่อขึ้นรูปแล้วจะแข็งตัวและมีความแข็งแรง ทนต่อความร้อนและความกดดัน กรณีที่เกิดการแตกหักหรือไหม้กลายเป็นขี้เถ้าจะไม่สามารถนำกลับไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ได้

ยาง
ยางเป็นพอลิเมอร์ที่สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบในธรรมชาติและจากการสังเคราะห์สารเคมี ดังนี้
1. ยางธรรมชาติ (Natural Rubber) เกิดจากมอนอเมอร์ที่เรียกว่า ไอโซพรีน รวมตัวกันเป็นพอลิไอโซพรีน ยางธรรมชาติจะได้จากพืช เช่น ต้นยางพารา ต้นยางกัตตา มีสมบัติต้านทานต่อแรงดึงสูง ยืดหยุ่นได้ดี ไม่ละลายน้ำ แต่สมบัติบางประการ เช่น แข็งและเปราะที่อุณหภูมิต่ำ เหนียวและอ่อนตัวเมื่อร้อน ไม่ทนตัวทำละลายอินทรีย์ เป็นต้น ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่ไม่เหมาะต่อการนำไปใช้ จึงได้ทำการปรับปรุงคุณภาพของยางธรรมชาติด้วยกระบวนการวัลคาไนเซชัน (Vulcanization Process) โดยเติมกำมะถันลงไปทำปฏิกิริยากับยาง ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวกระตุ้นที่เหมาะสม เผาที่อุณหภูมิสูงประมาณ 140 °C ทำให้สายโซ่พอลิเมอร์ของยางเชื่อมต่อกันด้วยโมเลกุลของกำมะถัน เรียกว่า ยางวัลคาไนส์ (Vulcanized – Rubber) ซึ่งจะยืดหยุ่นได้ดี มีความคงตัวสูง และไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์

2. ยางสังเคราะห์หรือยางเทียม (Synthetic Rubber) เป็นพอลิเมอร์ที่มีสมบัติยืดหยุ่นได้สูงมาก แต่หากได้รับความร้อนสูงเป็นเวลานาน สมบัติต่างๆ จะเสียไป และไม่สามารถหลอมกลับมาใช้ใหม่ได้ แบ่งเป็นหลายชนิดดังนี้
– พอลิบิวตาไดอีน (Polybutadiene) ประกอบด้วยโมเลกุลของมอนอเมอร์เพียงชนิดเดียว คือ บิวตาไดอีน (Butadiene) มีความยืดหยุ่นกว่ายางธรรมชาติ สามารถใช้ทำยางรถยนต์ได้

– นีโอพรีน (Neoprene) ประกอบด้วยโมเลกุลของคลอโรบิวตาไดอีน (Chlorobutadiene) เป็นพอลิเมอร์ที่สลายตัวยาก ทนไฟ ทนต่อน้ำมันเบนซิน และตัวทำละลายอื่นได้ดี

– ยางเอสบีอาร์ หรือ ยางสไตรีน บิวตาไดอีน (SBR หรือ Styrene Butadiene Rubber) เป็นโคพอลิเมอร์ ประกอบด้วยโมเลกุลของมอนอเมอร์ 2 ชนิด คือ สไตรีน (Styrene) และบิวตาไดอีน (Butadiene) เป็นยางสังเคราะห์ที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆของรถยนต์

– ยางเอบีเอส หรือ ยางอะคริโลไนตริลบิวตาไดอินสไตรีน (ABS หรือ Acrylonitrile Butadiene Styrene) เป็นโคพอลิเมอร์ ประกอบด้วยโมเลกุลของมอนอเมอร์ 3 ชนิด คือ อะคริโลไนตริล บิวตาไทดีน และสไตรีน มีสมบัติคล้ายพลาสติก คือ ไม่ยืดหยุ่นและสามารถนำมาทำเป็นรูปร่างต่างๆ ได้ตามแม่แบบ

เส้นใยสังเคราะห์
เส้นใยเซลลูโลสเป็นเส้นใยธรรมชาติที่มีคุณสมบัติที่ดีแต่เมื่อเปียกน้ำจะทำให้ความเหนียวและความแข็งแรงของเส้นใยลดลงและไม่ทนต่อแสงแดด นักวิทยาศาสตร์จึงได้พัฒนาเส้นใยสังเคราะห์ขึ้นจากปฏิกิริยาการรวมตัวระหว่างมอนอเมอร์ 2 ชนิด ที่ไม่มีพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอนกับคาร์บอน แต่มีหมู่อื่นซึ่งไวต่อปฏิกิริยาแทน เช่น หมู่แอมิโน (–NH2) หมู่คาร์บอกซิล (–CO2H) หรือหมู่ไฮดรอกซิล (–OH) เส้นใยที่ผลิตได้จะมีความเหนียว ทนทาน ยับยาก ซักรีดได้ง่าย และทนกรด-เบสได้ดีกว่าเส้นใยธรรมชาติ

โดยเส้นใยสังเคราะห์กับเส้นใยธรรมชาติมีข้อดีและข้อเสียต่างกัน โดยเส้นใยสังเคราะห์จะมีความเหนียว ทนทาน ยับยาก ซักรีดได้ง่าย และทนต่อกรด–เบสได้ดีกว่าเส้นใยธรรมชาติ ในขณะที่เส้นใยธรรมชาติจะดูดซับเหงื่อได้ดีกว่า ดังนั้นการนำเส้นใยแต่ละชนิดมาใช้จึงต้องคำนึงถึงความเหมาะสมของคุณสมบัติต่างๆด้วย

ซิลิโคน
ซิลิโคน (Silicone) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น โมเลกุลของมอนอเมอร์แต่ละโมเลกุลจะประกอบด้วยสารอนินทรีย์ ได่แก่ ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) โดยซิลิโคนแบ่งออกเป็นหลายชนิดตามมอนอเมอร์ตั้งต้น จึงมีสมบัติที่เหมาะแก่การนำไปใช้ประโยชน์มากกว่ายาง เช่น สลายตัวได้ยาก ไม่ไวต่อการทำปฏิกิริยาเคมี ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี และไม่มีปฏิกิริยาต่อร่างกายมนุษย์ ในทางการแพทย์จึงนิยมนำมาใช้ทำอวัยวะเทียมและอุปกรณ์ทางการแพทย์

โฟม
โฟม (Foam) เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่ผ่านกระบวนการเติมแก๊สให้เกิดฟองจำนวนมากแทรกอยู่ระหว่างเนื้อพลาสติก ส่งผลให้เนื้อโฟมเบาและมีความยืดหยุ่น นิยมใช้สำหรับการบรรจุอาหารได้ทั้งอาหารร้อนและอาหารเย็น แต่มีข้อเสียคือย่อยสลายเองทางธรรมชาติได้ยากและยากในการกำจัดจึงมักก่อให้เกิดมลพิษอย่างมากเมื่อมีการเผาทำลายหรือทิ้งลงตามแหล่งน้ำต่างๆ

ปัญหาที่เกิดจากการใช้พอลิเมอร์
ปัญหาที่เกิดจากการใช้พอลิเมอร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่มาจากการใช้พลาสติก ซึ่งสรุปได้ดังนี้
1. ปัญหาในการเลือกใช้ ไม่ควรนำภาชนะพลาสติกมาบรรจุอาหารร้อน มัน หรือมีรสเปรี้ยวเพื่อไม่ให้สารจากพลาสติกปนเปื้อนกับอาหาร และไม่ควรนำพลาสติกที่มีสีสันสดใสมาบรรจุอาหาร
2. ปัญหาในการทำลายพลาสติกที่ใช้แล้วอย่างถูกวิธี โดยทั่วไปพลาสติกเกือบทุกชนิดจะสลายตัวได้ยาก ไม่ละลายในน้ำ ไม่ละลายในสารละลายกรด–เบส ตลอดจนในตัวทำละลายอินทรีย์บางชนิด และเมื่อมีการกำจัดขยะพลาสติกอย่างไม่ถูกวิธีจึงส่งผลเสียต่อสภาพแวดล้อมในด้านต่างๆ
ดังนั้น การลดปัญหาขยะพลาสติกที่ดีที่สุดคือ การใช้พลาสติกเท่าที่จำเป็น หรือนำพลาสติกที่ใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่โดยผ่านกระบวนการต่างๆ โดยเรียกพลาสติกเหล่านี้ว่า พลาสติกแปรรูปเพื่อใช้ใหม่ หรือพลาสติกรีไซเคิล (Recycled Plastic)

นอกจากพลาสติกแล้ว อย่างที่กล่าวไปก่อนหน้านี้ว่าโฟมก็เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์อีกชนิดหนึ่งที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก เนื่องจากแก็สในการผลิตโฟมคือ สาร CFC (Chlorofluorocarbon) ซึ่งเป็นธาตุคาร์บอน ฟลูออรีน และคลอรีนที่อยู่ในสถานะแก๊ส หากทำปฏิกิริยากับรังสีอัลตราไวโอเล็ตในบรรยากาศ โมเลกุลจะแตกตัวเป็นอะตอมของคลอรีน ทำปฏิกิริยากับแก๊สโอโซน เกิดเป็นแก๊สคลอรีนโมโนออกไซด์ ส่งผลไปทำลายแก๊สโอโซนในชั้นบรรยากาศให้ลดลง ทำให้มีปริมาณรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ผ่านลงมาบนพื้นโลกมากขึ้นจนเกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก (Greenhouse Effect) ทำให้โลกร้อนขึ้น

 

…………..    …Download : มาทำความรู้จักพอลิเมอร์กันเถอะ!
By : Iceberg Wissen (8 November 2019)

ท่านสามารถสอบถามข้อมูลอื่นๆเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุพอลิเมอร์ได้ที่
PTI WISSEN TEAMS
Polytech Industry Company Limited
Website : www.polytechindustry.co.th
Email: info@ptigroups.com