วทยาศาสตรพอลเมอรเบองตน

บทท 10 สารเตมแตงพอลเมอร (Polymer additives)

2

- การผสมสารเตมแตง (additive) ลงในพอลเมอร เรยกวา polymer compounding - พอลเมอรทผสมสารเตมแตงแลวเรยกวา compound - ปรมาณสารเตมแตงมกก าหนดเปน phr : part per hundred of resin

สมบตทวไปของสารเตมแตง

- ท าหนาทไดอยางมประสทธภาพ - ไมเปนพษ - ไมเกดการคายส (bleeding) หรอเปนฝา (blooming) - ไมท าใหสมบตของพอลเมอรเสยไป - เสถยรภายใตการขนรปและการใชงาน - ราคาถก

3

- สารเตมแตง (additive): ของแขง ยาง ของเหลว และกาซ

ประเภทของสารเตมแตงตามการใชงาน - สารดดแปรสมบตเชงกล (Mechanical properties modifiers) - สารดดแปรสมบตทางเคม (Chemical properties modifiers) - สารดดแปรเพอความสวยงาม (Aesthetic properties modifiers) - สารดดแปรสมบตทพนผว (Surface properties modifiers) - สารดดแปรส าหรบกระบวนการผลต (Processing modifiers)

(ดตาราง 4.1)

- พอลเมอรโดยทวไป มกมการเตมสารเตมแตงมากกวา 1 ชนด

4

ประเภทของสารเตมแตงตามการใชงาน - สารดดแปรสมบตเชงกล (Mechanical properties modifiers) - สารดดแปรสมบตทางเคม (Chemical properties modifiers) - สารดดแปรเพอความสวยงาม (Aesthetic properties modifiers) - สารดดแปรสมบตทพนผว (Surface properties modifiers) - สารดดแปรส าหรบกระบวนการผลต (Processing modifiers)

(ดตาราง 4.1)

- พอลเมอรโดยทวไป มกมการเตมสารเตมแตงมากกวา 1 ชนด

5

1. ฟลเลอร (Filler) - เปนของแขง - เพอลดตนทน และปรบปรงสมบตเชงกล เชน ทนแรงกด ทนแรงกระแทก - extender filler or inert filler เตมเพอเพมปรมาณผลตภณฑ ลดตนทน เชน CaCO3 (หนปนจากธรรมชาต) Talc or talcum Kaolin or kaolinite Wood powder

Kaolin

Talcum

Wood powder

6

ฟลเลอร (Filler) - Functional filler or active filler เตมเพอปรบปรงสมบตเชงกล เพมความแขงแรง ทนแรงดง (reinforcing filler)

7

ผลของฟลเลอรตอสมบตของพอลเมอร

สมบตของฟลเลอร - สะอาด ไมมสงเจอปน ไมชน ไมเปนพษ - เฉอยตอปฏกรยา ไมละลาย มเสถยรภาพทางความรอน - ไมดดความชน หรอดดความชนต า - กระจายตวในพอลเมอรไดงาย - สมบตและโครงสรางไมเปลยนแปลงขณะขนรป

8

สมบตของฟลเลอร - ขนาดอนภาคสม าเสมอ - ไมเกดการสกหรอจากการขดสกบเครองมอทใชในการขนรป - ไมมผลเสยตอพนผวผลตภณฑ ไมท าใหเกดส ยกเวน ฟลเลอรทเตมเพอใหส

ชนดของฟลเลอร - ใชขนาดเฉลย การกระจายขนาด (Average particle size and size distribution) และ รปรางของอนภาค (particle shape) เปนเกณฑใน การแบงเกรดฟลเลอร - ขนาดของฟลเลอร ไมควรเกน 40 m - Functional filler ไมควรเกน 5 m - ฟลเลอรควรทมการกระจายขนาดอนภาคทแคบ (ขนาดเทาๆ กน) - ฟลเลอรธรรมชาต ราคาถก แต การกระจายขนาดอนภาคกวาง

9

ชนดของฟลเลอร - รปรางของอนภาค มผลมากตอสมบตของพลาสตก - Aspect ratio = L/T - Aspect ratio สง (เสนใย) ชวยเพมความแขงแรงและท าใหผลตภณฑม สมบต anisotropic - Aspect ratio = 1 (ทรงกลม) ท าใหผลตภณฑม สมบต isotropic

10

การเลอกใชฟลเลอร - ราคาไมแพง - สมบตของฟลเลอร - สมบตของผลตภณฑหลงจากเตมฟลเลอร - เพมความทนแรงดง ฟลเลอรควรม aspect ratio สง - เพมความใส ฟลเลอรควรมดชนหกเหทพอเหมาะ - ผลตภณฑผวเรยบ ฟลเลอรควรมขนาดเลก กลม หรอแผนแบน - ผลตภณฑดดความชนต า ฟลเลอรไมดดความชน - ตองกระจายตวและเขากบพอลเมอรไดด

11

2. เสนใยเสรมแรง (Reinforcing fiber) - เพมความแขงแรง (strength) และความแขงตง (stiffness) 2.1 ใยแกว (glass fiber) - เสรมแรงไดทง thermoplasic และ thermoset - แขงแรง น าหนกเบา เสถยรภาพทางรปรางสง - ทนตอการกดกรอน และขนรปไดหลายแบบ - ใชแทนโลหะ

1. E – glass - ใชมากทสด แพงทสด (E = electrical เปนฉนวนทดมาก) 2. C – glass - ทนตอสารเคม ทนตอการกดกรอน - C = corrosion and chemical resistant - used for manufacturing storage tanks, pipes and other chemical resistant equipment

12

ใยแกว (glass fiber) 3. S – glass - แขHงแรงกวา E – glass และ C - glass - S = Strength - military and aerospace applications 4. D – glass - Dielectric property - low density - electronic application

13

ใยแกว (glass fiber) การผลต - Direct melt process - หลอมแกวทอณหภม 1260C หรอสงกวาแลวดงเปนเสน - ขนาดเสนผานศนยกลางขนกบความเรวในการดง (2 – 25 m)

roving fiber chopped fiber milled fiber

Yarn glass woven roving woven fabric

14

2.2 ใยคารบอน (Carbon fiber) - ประกอบดวยคารบอน > 90% - สด า ผวเรยบ มนวาว ไมตดไฟ แขงแรง (strength) และ แขงตง (stiffness) - นยมใชแทนโลหะ เพราะ น าหนกเบา มการขยายตวและหดตวต า ทนทานตอ การกดกรอน ทนตอการลาและการเกดรอยแตก และน าไฟฟาได - ใยคารบอน สงเคราะหจาก Polyacrylonitrile (PAN) ม 2 ขนตอน 1. Oxidative stabilization - ยดเสนใย PAN ในสภาวะทมออกซเจน เพอแยกไฮโดรเจนออก - เหลอ ladder polymer ของวง pyridine 2. Carbonization - เพมความรอนให ladder polymer เพอก าจด ไฮโดรเจนและไนโตรเจน

15

1 2

3

4

16

ใยคารบอน (Carbon fiber) - การใชงาน - เสรมแรงเทอรโมพลาสตกและเทอรโมเซต - ผลตภณฑทเสรมแรงดวยใยคารบอน: ชนสวนอากาศยาน เรอ อปกรณทางการทหาร อปกรณกฬา ภาชนะบรรจสารเคม ถงบรรจน ามน

17

2.3 ใยอะรามด (Aramid fiber) - Aromatic polyamide fibers - meta-aramid (Nomex) และ para-aramid (Kevlar 49) - para-aramid (Kevlar 49): ขอด น าหนกเบามาก มความแขงแรงสง มเสถยรภาพทางความรอนสง ขยายตวทางความรอนต า ทนทานตอตวท าละลายอนทรย ทนแรงกระแทกสง ขอดอย ดดความชน สามารถถกไฮโดรไลซไดดวยกรดหรอเบส ราคาแพง ไมทนตอแสงยว กระจายตวในพอลเมอรไดยาก - การใชงาน: เหมอนเสนใยคารบอน ผาเบรก คลตช เสอเกราะกนกระสน หมวกนรภย ท าฉนวนไฟฟา

18

3. พลาสตไซเซอร (plasticizer) - เพมความออนตว เพมความสามารถในการหกงอ (flexibility) เพมความสามารถในการยด (stretch ability) เพมความสามารถในการไหลแบบพลาสตก (plastic flow ability) - ท าให Tg ของพลาสตกต าลง ทฤษฎการท างานของพลาสตไซเซอร 1. Lubricity theory พลาสตไซเซอรท าหนาทเหมอนสารหลอลน (lubricant) ลดแรงเสยดทาน ท าให สายโซพอลเมอรเคลอนทผานกนไดงาย 2. Gel theory พลาสตไซเซอรท าลายแรงดงดดระหวางโมเลกลของพอลเมอร แยกสวนทมขวของ พอลเมอรใหอยหางกน โมเลกลพลาสตไซเซอรมทงสวนทมขวและไมมขว 3. Free volume theory พลาสตไซเซอรเพมชองวางระหวางสายโซพอลเมอร ท าใหโมเลกลพอลเมอร เคลอนทงายขน

19

พลาสตไซเซอร (plasticizer) สมบตของพลาสตไซเซอร - เขากนไดดกบพอลเมอร (compatibility) ในทกสภาวะและชวงอณหภม - มประสทธภาพ (efficiency) ของการเปนพลาสตไซเซอร พลาสตไซเซอรทมโครงสรางแบบอะลฟาตกเชงเสน มประสทธภาพสงสด พลาสตไซเซอรทมประสทธภาพสงตองลด Tg ของพอลเมอรไดด - มความคงตวสง (permanence) ทงระหวางการขนรปและขณะใชงาน พลาสตไซเซอรทมน าหนกโมเลกลสง (>300) จะมความคงตวสง - เสถยร (stability) ไมตดไฟ ไมมกลน ไมมพษ

พลาสตไซเซอรทนยมใชมากทสด คอ Phthalate ester เปนของเหลว ใส ไมมส มกลนเลกนอย ไมละลายน า ราคาไมแพง

Dioctyl phthalate (DOP)

20

4. สารประสาน (Coupling agent) - ท าใหฟลเลอรหรอเสนใยเสรมแรงกระจายตวและยดเกาะไดดกบพอลเมอร - ฟลเลอรหรอเสนใยเสรมแรง สวนใหญเปน hydrophilic ขณะทพอลเมอรเปน hydrophobic ท าใหมแรงยดเหนยวต า ตองมการเตม coupling agent - สตรทวไปของ coupling agent (R’O)x-M-(R-X)y

M = Si, Ti, Zr

X = หมไวนล (-CH=CH2) หรอ หมอะมโน (-RNH2)

R = หมอนทรย เชอมระหวาง X กบ M

R’O = หมทเกดพนธะกบฟลเลอรหรอเสนใยเสรมแรง

การยดระหวางสารประสานและฟลเลอรหรอเสนใย

- เกดปฏกรยาโดยตรงระหวางหม R’O ของสารประสาน กบ หม OH ของฟลเลอร

- หม R’O ของสารประสานถกไฮโดรไลซดวยความชนทอยบนผวของฟลเลอรให กลายเปนหม OH กอน

21

การยดระหวางสารประสานและฟลเลอรหรอเสนใย

- หม OH ทเกดขนบนสารประสาน เขาท าปฏกรยากบหม OH บนฟลเลอร

การยดระหวางสารประสานและพอลเมอร

- หม X บนสารประสาน เขาท าปฏกรยากบหมฟงกชนของพอลเมอร 1. ถา X เปนหมไวนล (-CH=CH2) หรอ หมอะครลก (RCO-CH=CH2)

จะใชกบพอลเอสเทอรชนดไมอมตวหรอพอลโอเลฟนชนดเชอมขวาง 2. ถา X เปนหมอะมโน (-RNH2) จะใชกบอพอกซเรซนหรอพอลเอไมด

ตวอยางสารประสาน: Chromium complexes, silanes, titanates, zirconium aluminate

silane: Y-Si(OR3) หม –OR เชน –OCH3, -OC2H5

Y เชน หมไวนล หมอะมโน หรอหมอพอกซ

22

5. สารคงสภาพ (Stabilizer) 5.1 สารคงสภาพทางความรอน (heat stabilizer)

- พอลเมอรทตองเตม heat stabilizer มากทสดคอ PVC เพราะ PVC ถกให ความรอนสงถง 200C ในกระบวนการขนรป ซงอาจท าใหเสยสภาพได หรออาจเกด dehydrohalogenation ไดแกส HCl ซงจะท าใหเรงการเสอมสภาพ ของ PVC ใหเรวขน (autocatalysis) - การเสอมสภาพของ PVC ท าใหเกดหมเอทลน (-CH=CH-) ท าใหพลาสตกเปนส เหลอง น าตาล และ ด าในทสด - heat stabilizer ทเตมใน PVC เชน สารประกอบดบก dibutyl tin maleate dioctyl tin thioglycolate

dehydrohalogenation

23

5.2 สารคงสภาพทางยว (UV stabilizer)

- พอลเมอรทม Cl เปนองคประกอบ เชน polyvinylchloride, polyvinylidene chloride มกจะสลายตวเมอไดรบแสงยว (200 – 400 nm) UV stabilizer ม 2 ประเภท 1. Light screener กรองหรอดดซบแสงยวกอนจะมาท าลายผวหนาของพอลเมอร สวนใหญเปนพวก pigment เชน carbon black 2. UV absorber ท าหนาทดดซบแสงยวแทนพอลเมอร เชน benzophenone benzotriazole

24

6. สารหลอลน (Lubricant) - ชวยในกระบวนการขนรป ลดแรงเสยดทาน - เชน graphite, molybdenum disulphile, grease, silicone oil, paraffin oil สารหลอลนม 2 ประเภท 1. Internal lubricant ละลายในพอลเมอร ชวยเพมประสทธภาพการไหล และลดความหนด 2. External lubricant น าหนกโมเลกลต า ไมละลายในพอลเมอร ชวยปองกนไมให พอลเมอรตดกบแมพมพ

7. สารหนวงไฟ (Flame retardant) - ปองกนไมใหพอลเมอรตดไฟงาย เชน Antimony trioxide

8. สารปองกนไฟฟาสถต (Antistatic agent) - ปองกนการเกดไฟฟาสถตบนผวพอลเมอร เชน สารประกอบเอมน สารประกอบฟอสเฟต

25

9. สารฟ (Blowing agent) - ท าใหเกดฟองแกสในกระบวนการผลตโฟม ม 2 ประเภท 1. สารฟทางเคม (Chemical blowing agent) เตมเขาไปในพอลเมอรขณะขนรป แลวท าใหเกดแกสเนองจากปฏกรยาเคม การฟดวยน าของ PU 2. สารฟทางกายภาพ (Physical blowing agent) เตมเขาไปในพอลเมอรขณะขนรป เกดการเปลยนแปลงทางกายภาพแลวกอใหเกด แกส สวนใหญเปนสารทเฉอยตอปฏกรยาเคม จดเดอดต า ระเหยไดเมอไดรบความ รอนระหวางกระบวนการผลต เชน pentane, hexane, chloroform, แกสไนโตรเจน หรอ อากาศ