431101 engineering materials
DESCRIPTION
431101 Engineering Materials. Part: Polymeric Materials. ผศ. ดร. วิมลลักษณ์ สุตะพันธ์ ผศ. ดร. กษมา จารุกำจร Trimester 1/2552. คะแนน. คะแนนสอบแบ่งเป็น 2 ส่วน โดย สอบปลายภาค 80 % สอบย่อย 20 % อาจสอบย่อยทุกครั้งของการเรียน. OUTLINE. POLYMERIC MATERIALS POLYMER SYNTHESIS - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
431101 Engineering Materials431101 Engineering Materials
Part: Polymeric MaterialsPart: Polymeric Materials
ผศ . ดร . วิ�มลลกษณ์� สุ�ตะพันธ์�
ผศ . ดร . กษมา จาร�ก�าจร
Trimester 1/2552
คะแคะแนนนน คะแนนสุอบแบ�งเป็!น 2
สุ�วิน โดยสุอบป็ลายภาค 80 %
สุอบย�อย 20 % อาจสุอบย�อยทุ�กคร&ง
ของการเร(ยน
OUTLINE
1.1. POLYMERIC MATERIALSPOLYMERIC MATERIALS2.2. POLYMER SYNTHESISPOLYMER SYNTHESIS3. PHYSICAL PROPERTIES OF
POLYMERS4. POLYMER PROCESSING5. POLYMER BLENDS6. COMPOSITE MATERIALS
11stst Part: Polymeric Materials Part: Polymeric MaterialsPolymer SynthesisPolymer SynthesisPhysicalPhysical PropertiesProperties ofof PPolymersolymers
ผศ.ดร. วิ�มลลกษณ์� สุ�ตะพันธ์�
Polymeric materials Polymeric materials 1. Introduction to
polymers2. Molecular weight of
polymers3. Polymer Classifications
Polymer synthesisPolymer synthesis1. Step polymerization2. Chain polymerization
OUTLINE
Polymeric Materials
Plastic Elastomer (Rubber) Foam Paint Composition Adhesive
Composition Textile Others
Introduction
Plastic ApplicationsPlastic Applications
Foam ApplicationsFoam Applications
Paint ApplicationsPaint Applications
Adhesive ApplicationsAdhesive Applications
Introduction
Rubber Rubber ApplicationsApplications
Textile Textile ApplicationsApplications
Introduction
IntroductionOthers Others ApplicationsApplications
Polymers
Polymers
Polymer = Poly + mer
Polymerization
Mer Unit = Monomer Polymer
Polymer ค)อ สุารโมเลก�ลใหญ่�ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&าจ�านวินมากโดยทุ(-หน�วิยซ้ำ�&าเชื่)-อมโยงกนด.วิยพันธ์ะเคม(
Polymer ค)อ สุารโมเลก�ลใหญ่�(macromolecules) ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&าจ�านวินมากโดยทุ(-หน�วิยซ้ำ�&าเชื่)-อมโยงกนด.วิยพันธ์ะโควิาเลนซ้ำ�
Polymer ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&าเพั(ยงหน1-งชื่น�ด เร(ยกวิ�า homopolymer เชื่�น พัอล�เอทุ�ล(น
(polyethylene) Polymer ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&ามากกวิ�าหน1-ง
ชื่น�ด เร(ยกวิ�า copolymer เชื่�นstyrene-butadiene copolymer หร)อpoly (styrene-co-butadiene)
Polymers
Polymers
Polymers
Polymers
Ex. Polyethylene (PE)Ex. Polyethylene (PE)
Ex. Polypropylene (PP)Ex. Polypropylene (PP)
propylenepropylene polypropylenepolypropylene
nn
Ex.PolybutadieneEx.Polybutadiene
Ex. PolyisopreneEx. Polyisoprene
Ex. PolyamideEx. Polyamide
Ex. PolyesterEx. Polyester
H2O, by product
H2O, by product
A listing of Mer Structures of Vinyl Polymers
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Polyethylene
(PE)
Poly (vinyl chloride)
(PVC)
Polytetrafluoroethylene
(PTFE)
A listing of Mer Structures of Vinyl Polymers
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Polypropylene
(PP)
Polystyrene
(PS)
Poly (methyl methacrylate)
(PMMA)
A listing of Mer Structures of Other Polymers
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Phenol-
Formaldehyde
(Bakelite)
Poly (hexamethylene adipamide)
(Nylon 6,6)
A listing of Mer Structures of Other Polymers
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Poly (ethylene
Terephthalate)
(PET, a polyester)
Polycarbonate(PC)
Molecular Structure of HomopolymerMolecular Structure of Homopolymer
AAAAAAAAAAAAA
Linear Chains
Branched Chains
Network or Cross-linked Chains
Copolymer
A A polymer polymer derived from more than one species of derived from more than one species of monomermonomer
Ex. styrene-butadiene copolymer [Poly (styrene-co-butadiene)]
Ex. acrylonitrile-vinyl chloride copolymer
styrene butadiene styrene-butadiene copolymer
+
แบ�งได.เป็!น 4 ป็ระเภทุ
1. Random Copolymer
2. Alternative Copolymer
3. Block Copolymer
4. Graft Copolymer
Molecular Structure of Copolymer
1. Random Copolymer
~ABAABABBABAAB~
2. Alternative Copolymer
~ABABABABABAB~
Molecular Structure of Copolymer
Molecular Structure of Copolymer
3. Block Copolymer
~AAAABBBBAAAA~
4. Graft Copolymer
BBBBB
~AAAAAAAAAAAAA~
BBBB
• ชื่น�ดของวิสุด�พัอล�เมอร�ทุ(-พับในชื่(วิ�ตป็ระจ�าวิน• ค�าจ�ากดควิามของ “พัอล�เมอร�”• ควิามแตกต�างของ “โฮโมพัอล�เมอร�” กบ “โค
พัอล�เมอร�”
สุ�-งทุ(-ควิรร4.
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
น�&าหนกโมเลก�ล (Molecular Weight: MW)
พัอล�เอทุ�ล(น (Polyethylene), PE
[ CH2-CH2 ]
n = 1000 MW = 28000
n = 1500 MW = 42000
n = 2500 MW = 70000
n
น�&าหนกโมเลก�ล (Molecular Weight: MW)
น�&าหนกโมเลก�ล VS สุถานะของสุาร
น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�
MW ของพัอล�เมอร�ม(การกระจายไม�ได.ม(เพั(ยงค�าเด(ยวิเด(-ยวิ ๆ ดงน&นจ1งใชื่.ค�าเฉล(-ยของ MW เชื่�น และ
nM wM
น�&าหนกโมเลก�ลน�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน vs น�&าหนก
โมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก
ในสุนามม(ชื่.างน�&าหนก 10,000.00 kg/ตวิ อย4� 5 ตวิจะหาน�&าหนกโมเลก�ล
เฉล(-ยของชื่.างได.อย�างไรบ.างMW = Mn = 10,000
ย�ง 4 ตวิเกาะอย4�บนหลงชื่.างจะหาน�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยของสุตวิ�ทุ&งสุองชื่น�ดได.อย�างไรบ.าง*ย�งม(น�&าหนก 1 kg/ตวิชื่.างม(น�&าหนก10,000.00 kg/ตวิ
น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน vs น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก
น�&าหนกโมเลก�ล : น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน
น�&าหนกโมเลก�ล : น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก น�&าหนกโมเลก�ล : น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก
Ethylene Ethylene แทุนด.วิยแทุนด.วิย
Polyethylene Polyethylene แทุนแทุนด.วิยด.วิย
น�&าหนกโมเลก�ลของสุายโซ้ำ�พัอล�เมอร�น�&าหนกโมเลก�ลของสุายโซ้ำ�พัอล�เมอร� = = น�&าหนกโมเลก�ลของหน�วิยซ้ำ�&าน�&าหนกโมเลก�ลของหน�วิยซ้ำ�&า xx จ�านวินหน�วิยซ้ำ�&าจ�านวินหน�วิยซ้ำ�&า
หน�วิยซ้ำ�&าเหม)อนเด�ม หน�วิยซ้ำ�&าเหม)อนเด�ม XX เป็ล(-ยนไป็ เป็ล(-ยนไป็ MWMW ของสุายโซ้ำ�ก8ของสุายโซ้ำ�ก8จะไม�เทุ�ากนจะไม�เทุ�ากน
X = 10;X = 10;
X = 20;X = 20;
22 CHCH
xCHCH )( 22
xCHCH )( 22
ในพัอล�เอทุ�ร(น 50 โมเลก�ล อาจจะป็ระกอบไป็ด.วิย
= 20 โมเลก�ล= 10 โมเลก�ล= 10 โมเลก�ล= 10 โมเลก�ล
น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�จ1งจ�าเป็!นต.องแสุดงเป็!นค�าเฉล(-ยน�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน (โมเลก�ลรวิมทุ&งหมด);
น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก (โมเลก�ลรวิมทุ&งหมด);
100022 )( CHCH
50022 )( CHCH
120022 )( CHCH
80022 )( CHCH
wMnM
xCHCH )( 22
น�&าหนกโมเลก�ลของหน�วิยซ้ำ�&า = 2C + 4H = 28 g/mol
X(Nx)
จ�านวินโมเลก�ลทุ(-ม(ขนาด X
(Mx)น.น.โมเลก�ล
ของโมเลก�ลทุ(-ม(ขนาด X
(Wx)น.น.โมเลก�ล
รวิมของโมเลก�ลแต�ละ
ขนาด
1000
5008001200
20101010
1000 x
28500 x 288 00 x
281200 x
28
20 x 1000 x 28
10 x 500 x
28 10 x
8 00 x 28
10 x 12
00 x
28
(Mx)น.น.โมเลก�ล
ของโมเลก�ลทุ(-ม(ขนาด X
(Wx)น.น.โมเลก�ล
รวิมของโมเลก�ลแต�ละ
ขนาด
28,00014,00022,40033,600
560,000
140,000
224,000
336,000
∑ Wx = 1,260,
000
∑ Nx = 50
336,000224,000140,000560,00033,600)(336,00022,400)(224,00014,000)(140,00028,000)(560,000
xWxMxW
1010102033,600)(1022,400)(1014,000)(1028,000)(20
xNxMxN
wM
nM
0.25010n
0.25010n
0.25010n
0.45020n
fractionnumberxN
xNxn
xMxn
1200
800
500
1000
nM
0.271,260,000336,000w
0.181,260,000224,000w
0.111,260,000140,000w
44.01,260,000560,000w
fractionweightxW
xWxw
xMxw
1200
800
500
1000
wM
น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�
ตวิอย�างการ ค�านวิณ์ MW
Chain structure of polymer
จ�านวินโมเลก�ล
MW (g/mol)
81210
20,00080,000
100,000
ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�
g/mol70,667
302,120,000
10)12(8100,0001080,000120,0008
Mn
2
จาก
เฉลยการหาnM
ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�
เฉลยการหา
จาก
เม)-อ
จ�านวินโมเลก�ล
MW (g/mol)
81210
20,00080,000100,000
ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�
ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�
เฉลยการหา
wM
g/mol84,9061,000,000960,000160,000
100,0001,000,00080,000960,00020,000160,000
จ�านวินโมเลก�ล
MW(g/mol)
Wx
81210
20,00080,000100,000
160,000960,000
1,000,000
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Moleucular Weight Distribution
• MW > Mn
• การกระจายน�&าหนกโมเลก�ล,MWD = (MW / Mn)
• MWD = Molecular Weight Distribution
• MWD ≥ 1• MWD = 1, MW = Mn
Date Polymer
1930 Styrene-butadiene rubber
1936 Poly(vinyl chloride)1936
Polychloroprene(neoprene)
1936 Poly(methyl methacrylate)
1936 Poly(vinyl acetate)1937 Polystyrene1939 Nylon-6 61941 Polytetrafluoroethylene1942 Unsaturated polyester1943 Polyethylene, branched1943 Buthyl rubber1943 6-Nylon
Date Polymer
1943 Silicones1944 Poly(ethylene
terephthalate)1947 Epoxies1948 ABS resins1955 Polyethylene, linear1956 Polyoxymethylene1957 Polypropylene1957 Polycarbonate1964 Ionomer resins1965 Polyimides1970 Thermoplastic elastomers1970 Aromatic polyamides
ป็ระวิต�การผล�ตพัอล�เมอร�ทุ(-ม(ควิามสุ�าคญ่ทุางการค.าป็ระวิต�การผล�ตพัอล�เมอร�ทุ(-ม(ควิามสุ�าคญ่ทุางการค.า
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
Polymer Classification
Original Occurrin
gNatural-/Bio- Polymer
Synthetic Polymers
Thermal Behavior
Thermoplastics
Thermosets
Tacticity
Isotactic
Syndiotactic
Atactic
Crystallinity
Crystalline Polymers
Semicrystalline Polymers
Amorphous Polymers
Application
Commodity Polymers
Engineering Polymers
Original Occurring: พัอล�เมอร�ชื่(วิภาพั(Natural-/Bio- polymer) และพัอล�เมอร�
สุงเคราะห� (Synthetic Polymers)
Thermal Behavior: เทุอร�โมพัลาสุต�ก(Thermoplastics) และเทุอร�โมเซ้ำต(Thermosets)
Tacticity: Isotactic, Syndiotactic and Atactic
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
Crystallinity : พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers),
พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers), และพัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers)
Application : Commodity Polymers ( PE, PP, PVC etc.) และ Engineering Polymers ( PET, PC, Nylons, Epoxy etc.)
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
พัอล�เมอร�ชื่(วิภาพั (Natural-/Bio-polymer)
o Natural-rubber (Polyisoprene)o Cellulose (polysaccharide)
• พัอล�เมอร�สุงเคราะห� (Synthetic Polymers)
o PE, PP, PS, PVC, PMMA, PET, Nylon
o Epoxy, Melamine, Phenolic
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Epoxy, Melamine, Phenolic
Epoxy, Melamine, Phenolic
แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)
แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)
1 เทุอร�โมพัลาสุต�ก (Thermoplastics)
แบ�งได.เป็!น 2 ป็ระเภทุ
Ex. Thermoplastics
Polyethylene Polystyrene Poly(vinyl chloride) Polypropylene Polycarbonate
etc.Solid Polymer
Solid Polymer
Cooling
Δ (Heating)
Liquid Polymer
แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)
แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)
2. เทุอร�โมเซ้ำต (Thermosets): พัอล�เมอร�ทุ(-ผ�าน กระบวินการเค(ยวิร�งค� (curing) และได.โครงสุร.าง
โมเลก�ลทุ(-เป็!นร�างแห (crosslinked structure) ซ้ำ1-งไม� หลอมละลาย (infusible) เม)-อได.รบควิามร.อน และไม�
ละลาย (insoluble) ในตวิทุ�าละลายใด ๆEx. Thermosets
Phenolic resin Malamine resin Epoxy resin Unsaturated Polyester resin Rubber etc.
Crosslinked structure
Infusible
Δ (Heating)
Name Arrangement
TacticityTacticity
Tacticity of Polypropylene
Tacticity of Polypropylene
Tacticity of polystyreneTacticity of polystyrene
แบ�งตามควิามเป็!นผล1ก (Crystallinity)
แบ�งตามควิามเป็!นผล1ก (Crystallinity)
1. พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers)2. พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers)3. พัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers): PS
แบ�งออกเป็!น 3 ป็ระเภทุ
1. พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers)
1. พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers)
Crystalline Polymers
2. พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers)
2. พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers)
Semicrystalline Polymers
3. พัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers)
3. พัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers)
Polystyrene
แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)
แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)
แบ�งได.เป็!น 2 ป็ระเภทุ1. Commodity Application: PE, PP,
PS,
2. Engineering Application: PC, POM
แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)
แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)