431101&531101 engineering materials part:...
TRANSCRIPT
431101&531101
Engineering Materials
Part: Polymers
รศ.ดร.ไชยวฒน รกสกลพวฒน อ.ดร. ตตยา ตรงสถตกล
ภาคการศกษาท 2/2559
สาขาวชาวศวกรรมพอลเมอร
ส านกวชาวศวกรรมศาสตร
OUTLINE
1. POLYMERIC MATERIALS
2. POLYMER SYNTHESIS
3. PHYSICAL PROPERTIES OF
POLYMERS
4. POLYMER PROCESSING
5. POLYMER BLENDS
6. COMPOSITE MATERIALS
Topics: 1. Polymeric Materials
2. Polymer Synthesis
รศ. ดร. ไชยวฒน รกสกลพวฒน
• In 2014, the Building and Construction
sector consumed 9.6 million tonnes of
plastics (20% of total European
plastics consumption), making it the
second largest plastic application after packaging
Polymeric materials
1. Introduction to polymeric materials
2. Molecular weight of polymers
3. Polymer Classifications
Polymer synthesis
1. Step polymerization
2. Chain polymerization
Topic Outline
Introduction
วสดพอลเมอร (Polymeric Materials)
คอ วสดทประกอบไปดวยโมเลกลขนาดใหญ
(macromolecules) หลายๆ โมเลกล แตละโมเลกลม
หนวยยอย 1 หรอ 2 ชนดตอกนเปนล าดบยาวดวย
พนธะโคเวเลนซ
วสดพอลเมอร โมเลกลพอลเมอร
หลายโมเลกล 1 โมเลกล
Introduction
จดเดนของวสดพอลเมอร
(Advantages of Polymeric Materials)
1. น าหนกเบา
2. เปนฉนวนความรอนและฉนวนไฟฟาทด
3. สามารถลดเสยงรบกวน
4. มใหเลอกหลากหลายชนด
5. ข นรปเปนรปรางตาง ๆ ทซบซอน
รปแบบการใชงานวสดพอลเมอร
Plastic
Elastomer (Rubber)
Foam
Paint Composition
Adhesive Composition
Textile
Others
Introduction
Introduction
Plastic Applications
พลาสตก (plastics) คอ วสดพอลเมอรทมลกษณะแขง
ทอณหภมหอง สามารถน ามาหลอมข นรปเปนรปราง
ตาง ๆ ดวยการใชแมพมพหรอแมแบบ และโดยทวไป
การหลอมข นรปตองใชความรอนกบความดน
Introduction
ช นสวนยานยนตผลตข นจากพลาสตกเพมมากข นเนอง
จากมขอดในเรองแขงแรง น าหนกเบา และมความคงทนสวยงาม
ในสวนของเครองยนต หลายประเทศมกฎบงคบใหใช
พลาสตกแทนท โลหะหลายสวนเพอใหรถยนตม
น าหนกเบา ประหยดน ามน
Introduction
Introduction
Elastomers (Rubbers) Applications
อลาสโตเมอร (Elastomers) คอ วสดพอลเมอรทม
ความยดหยน สามารถเปลยนแปลงรปรางไดมากเมอ
ใหแรง และเมอปลอยแรงสามารถคนสรปรางเดมได
100% หรอเกอบ 100%
•ใชในงานกนรวซม (sealing
application)
Introduction
•ใชในงานดานทไมใชการกนรวซม (non-sealing
application) เชน ยางรถยนต และองคประกอบอน ๆ
Introduction
•Source: http://www.prp.co.th/profile/aboutprp
Foam Applications
โฟม (foam) คอ วสดพอลเมอรทมโพรงแกสอย
ภายใน ท าใหเปนวสดทมความหนาแนนต า น าหนก
เบา มท งโฟมชนดแขง (rigid foam) และโฟมชนด
ออน (flexible foam)
Introduction
•การใชโฟมในสวนตาง ๆ ของเครองบน
Introduction
•การใชโฟมในหมวกกนนอกหรอหมวกนรภย
Introduction
•การใชโฟมในสวนตาง ๆ ของรถยนตและเกาอ ทนตกรรม
Paint Applications
วสดพอลเมอรทใชเปนสวนประกอบของสทา (paint)
จะท าหนาทเปนฟลมยดเกาะกบพ นผวททาส
Introduction
Introduction
•การเกดฟลม (Film Formation) ของสทา
•Source: http://www.matrixpi.ca/Pages/Article.aspx
Adhesive Applications
สารยดตด (adhesives) หรอกาว จะมวสดพอลเมอร
เปนองคประกอบหลก โมเลกลพอลเมอรแพรกระจาย
ไปบนพ นผวของวสดและท าใหวสดสามารถยดตดกน
อยางแขงแรง
Introduction
Introduction
ตวอยางการใชงานสารยดตด (adhesives)
•ใชยดตดช นสวนของรถราง (rail vehicles)
ซงผลตจากพอลเมอร
คอมโพสท
•ใชยดตดปารเกต(parquet)ในงานปพ น
Textile Applications
สงทอ (Textile) หมายถง เสนใย ดาย ผนผา รวมท ง
ผลตภณฑทเกดจากเสนใย ดายและผนผา วสดพอล
เมอรสามารถน าไปผลตเปนเสนใย ดาย ทมสมบต
เดนในหลาย ๆ ดาน เชน
Introduction
1.ชดผจญเพลงผลตจาก
เสนใยพอลเมอรทมชอทาง
การคาวา DuPont™
Nomex® and Kevlar®
fiber มความตานทานความรอนและการตดไฟสง
Introduction
2.ชดนกบนอวกาศ
(space suit) ผลตจากเสนใยพอลเมอร
สงเคราะห ซงทนความ
รอนสงและไมตดไฟ
Introduction
3.ชดกฬาทมความยดหยน
สง ใสสบาย ผลตจากเสน
ใยพอลเมอรทมชอทาง
การคาวา
4.เสนใยทางการแพทย
ส าหรบเยบปดบาดแผลแบบ
ละลายไดและละลายไมได
Introduction
Others Applications
นอกจากน วสดพอลเมอรยงสามารถใชงานดานอน ๆ
ไดอกดวย เชน
1. อปกรณทางการแพทย
หลาย ๆ อยางผลตจากวสด
พอลเมอร เชน คอนแทก
เลนส ปากกาฉดอนซลน
ส าหรบผปวยเบาหวาน
Introduction
2.วสดพอลเมอรทดดซมน า
ไดหลายเทาของตวมนเอง
ใชผลตแผนซบน าทอยใน
ผาออมส าเรจรป
Introduction
วสดพอลเมอประเภทพลาสตกชวภาพ (Bioplastics)
คอ วสดพอลเมอรทมตนก าเนดจากปโตรเคม พชหรอ
สตว สามารถแตกสลายไดทางชวภาพ
(biodegradability)
-ชวยลดปญหาขยะซงเกดจากบรรจภณฑพลาสตก
แตกสลายยาก
Introduction
ตวอยางพลาสตกชวภาพทมตนก าเนดมาจากพชและ
สตว:
1. พอลแลคตกแอซด (polylactic acid), PLA
Introduction
2.พอลไฮดรอกซอลคาโนเอต (polyhydroxyalkanoate)
Introduction
3.พอลเมอรผลตจากแปงมชอทางการคาวา “มาเทอรไบ”
(Mater-bi starch based polymer)
Polymer = Poly + mer
Polymerization
Mer Unit = Monomer Polymer
Polymer
Polymer คอ สารโมเลกลใหญ (macromolecule) ท
เกดจากการน าหนวยมอนอเมอรจ านวนมากมาท าให
เกดการเชอมโยงกนดวยพนธะเคม ซงโดยสวนใหญ
เปนพนธะโคเวเลนซ
หนวยทมาจากมอนอเมอร และมลกษณะซ า ๆ กนบน
โมเลกลพอลเมอร เรยกวา “หนวยซ า (repeating
unit)”
Polymer
ตวอยางการเขยนโครงสรางเคมของพอลเมอร
• มอนอเมอร A A หรอ nA
• พอลเมอร A AAAA หรอ [A]n
• หนงหนวยซ าของพอลเมอร A [A] หรอ A
• พอลเอทลน [CH2-CH2]n หรอ CH2-CH2-CH2-CH2
• หนงหนวยซ าของพอลเอทลน [CH2-CH2]
หรอ CH2-CH2
• เอทลนมอนอเมอร CH2=CH2 หรอ nCH2=CH2
ตวอยาง:
ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Polyethylene
(PE)
Polyvinyl Chloride
(PVC)
Polytetrafluoroethylene
(PTFE หรอ Teflon)
-CH2-CH2-
-CH2-CH(Cl)-
-CF2-CF2-
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Polypropylene
(PP)
Polystyrene
(PS)
Polymethyl methacrylate
(PMMA)
ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร
-CH2-CH(CH3)-
-CH2-CH(C6H5)-
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Phenol-
Formaldehyde
(Bakelite)
Polyhexamethylene
adipamide
(Nylon 6,6)
ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Polyethylene
terephthalate
(PET, a polyester)
Polycarbonate
(PC)
ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร
Polymers
Polymers แบงตามชนดของหนวยซ าท
ปรากฏบนโซหรอโมเลกลพอลเมอร ไดเปน 2
กลม คอ
1. โฮโมพอลเมอร (Homopolymers)
2. โคพอลเมอร (Copolymers)
Homopolymers คอ สารโมเลกลใหญทโซ
ประกอบดวยหนวยซ าเพยงหนงชนด เชน
พอลเอทลน (polyethylene, PE)
Homopolymers
Copolymers คอ สารโมเลกลใหญทประกอบดวย
หนวยซ ามากกวาหนงชนด เชน styrene-butadiene
copolymer หรอ poly (styrene-co-butadiene)
Copolymers
styrene-butadiene copolymer
Homopolymers
Ex. Polyethylene (PE)
Ex. Polypropylene (PP)
propylene polypropylene
n
Homopolymers
Ex.Polybutadiene
Ex. Polyisoprene
tionPolymerizaC C
CH2 CH2
H H n
Butadiene Polybutadiene
Homopolymers
Ex. Polyamide
Ex. Polyester
Hexamethylene diamine Adipic acid Polyamide หรอ Nylon-6,6
n H-N-(CH2)6-N-H + n HO-C-(CH2)4-C-OH [N-(CH2)6-N-C-(CH2)4C]n
O
H H
O O O
H H
+ (2n-1) H2O
Terephthalic acid Ethylene glycol Poly(ethylene terephthalate) (PET)
nHO-C-(CH2)6-C-OH + n O-CH2CH2-O [ C-(CH2)6-C-O-CH2CH2O]n
O H O O O H
+ (2n-1) H2O
พนธะเอไมด (amide linkage)
พนธะเอสเทอร (ester linkage)
Homopolymers
โครงสรางโมเลกลของพอลเมอร Molecular Structure of polymers
AAAAAAAAAAAAA
Linear Chains
Branched Chains
Network or Cross-
linked Chains
โครงสรางโมเลกลของพอลเมอรทมกพบในชวต
ประจ าวน
1. พอลเมอรสายโซตรง (linear chain) ไดแก พอล
ไสตรน (PS) พอลเอทลน (PE) พอลโพรพลน
(PP) และ PET
2. พอลเมอรแบบครอสลงค (crosslinked chain)
ไดแก ยางทผานการวลคาไนซ เชน ยางรถยนต
3. พอลเมอรแบบโครงขาย (network) เชน ฟนอล
ฟอรมลดไฮด (Phenol-formaldehyde) และเมลา
มน
โครงสรางโมเลกลของพอลเมอร
Copolymers
สารโมเลกลใหญทประกอบดวยหนวยซ ามากกวาหนงชนด
Ex. styrene-butadiene copolymer หรอ เรยกอกอยางวา [Poly (styrene-co-butadiene)]
Ex. acrylonitrile-vinyl chloride copolymer
styrene Butadiene styrene-butadiene copolymer
+ n n
n + m
acrylonitrile-vinyl chloride copolymer
แบงไดเปน 4 ประเภท
1. Random Copolymer
2. Alternating Copolymer
3. Block Copolymer
4. Graft Copolymer
Molecular Structure of Copolymers
1. Random Copolymer
~ABAABABBABAAB~
2. Alternating Copolymer
~ABABABABABAB~
1. Random Copolymer
~ABAABABBABAAB~
Molecular Structure of Copolymers
3. Block Copolymer
~AAAAAABBBBBB~
4. Graft Copolymer
BBBBB
~AAAAAAAAAAAAA~
BBBB
Molecular Structure of Copolymers
• ชนดของวสดพอลเมอรทพบในชวตประจ าวน
• ค าจ ากดความของ “พอลเมอร”
• ความแตกตางของ “โฮโมพอลเมอร” กบ “โคพอลเมอร”
สงทควรร
• น าหนกโมเลกลของสาร คอ ผลรวมของน าหนก
อะตอมของ
ธาตทประกอบเปนโมเลกลของสารน น
เชน มเทน (methane) มสตรโมเลกล คอ CH4
น าหนกโมเลกลของมเทน = 121 + 1 4
= 16
น าหนกโมเลกล
(Molecular Weight: MW)
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
น าหนกโมเลกล (Molecular Weight: MW)
Molecular weight
16
30
44
.
.
.
น าหนกโมเลกล (Molecular Weight: MW)
•น าหนกโมเลกลของสารโมเลกลเลกชนดเดยวกนจะมคาเทากนเสมอ
MW ของพอลเมอร
= จ านวนหนวยซ า x น าหนกโมเลกลของหนวยซ า
หนวยซ าเหมอนเดม คา X เปลยนไป (ความยาว
โซเปลยน) MW ของโซกจะไมเทากน
xCHCH )( 22
น าหนกโมเลกลของพอลเมอร
•ตวอยางเชน polyethylene
จ านวนหนวยซ า
น าหนกโมเลกลของพอลเมอร
น าหนกโมเลกลของหนวยซ า = 2×12+ 4×1 = 28
เมอ x = 100, MW = 28×100 = 2800 x = 500, MW = 28×500 = 14000 x = 1000, MW = 28×1000 = 28000
ดงน น น าหนกโมเลกลของพอลเมอร (MW) จงตองแสดง
เปนคาเฉลย
ของ MW
xCHCH )( 22
• น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน (number-average molecular weight, 𝑴 n) คอ น าหนกโมเลกลของพอลเมอรทข นอยกบเศษสวนโดย
จ านวน (number fraction) หรอโดยโมลของ
โมเลกลพอลเมอรทมขนาดตาง ๆ กน
• น าหนกโมเลกลเฉลยโดยน าหนก (weight-average molecular weight, 𝑴 𝒘) คอ น าหนกโมเลกลของ พอลเมอรทข นอยกบเศษสวน
โดยน าหนก (weight fraction) ของโมเลกลพอ
ลเมอรขนาดตาง ๆ กน
น าหนกโมเลกลเฉลยของพอลเมอร
𝑴 𝒏= 𝒏𝒙𝑴𝒙
𝒏𝒙 = 𝑵𝒙
𝑵𝒙
เศษสวนโดยจ านวน (number fraction)
ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥
𝑴𝒙 = MW ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥
𝑵𝒙 = จ านวนโมเลกลพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥
และ 𝑴 𝒏 เขยนอกแบบไดวา
𝑴 𝒏= 𝑵
𝒙𝑴
𝒙
𝑵𝒙
น าหนกโมเลกลเฉลยโดย
จ านวน
น าหนกโมเลกลเฉลยโดย
น าหนก 𝑴 𝒘= 𝒘𝒙𝑴𝒙
𝒘𝒙 = 𝑵𝒙𝑴𝒙
𝑵𝒙𝑴𝒙 เศษสวนโดยน าหนก (weight fraction)
ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥
𝑴𝒙 = MW ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥
𝑵𝒙 = จ านวนโมเลกลพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥
และ 𝑴 𝒘 เขยนอกแบบไดวา
𝑴 𝒘= 𝑵
𝒙𝑴𝒙𝟐
𝑵𝒙𝑴𝒙
น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน vs น าหนกโมเลกลเฉลย
โดยน าหนก
ในสนามมชางน าหนก 10,000.00 kg/ตว อย 2 ตว
จะหาน าหนกโมเลกลเฉลยของชางไดอยางไรบาง
(Mn) (Mw)
น าหนกโมเลกล
𝑴 n vs. 𝑴 w
𝑴 𝒏= 𝒏𝒙𝑴𝒙 =
𝑵𝒙𝑴
𝒙
𝑵𝒙
= 𝟐×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎
𝟐= 10,000
𝑴 𝒘= 𝒘𝒙𝑴𝒙 =
𝑵𝒙𝑴𝒙𝟐
𝑵𝒙𝑴
𝒙
= 𝟐×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎
𝟐×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎
= 10,000
•จะเหนไดเมอระบบประกอบดวยโมเลกลหรอของทมน าหนกเทากน
𝑴 𝑛 = 𝑴 𝑤
ยง 4 ตวเกาะอยบนหลงชางจะหาน าหนกโมเลกลเฉลยของ
สตวท งสองชนดไดอยางไรบาง
* ยงมน าหนก 1 kg/ตว
** ชางมน าหนก10,000.00 kg/ตว
𝑴 n vs. 𝑴 w
น าหนกโมเลกล : น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน
𝑴 𝒏 = 𝒏𝒙𝑴𝒙 =
𝑵𝒙𝑴
𝒙
𝑵𝒙
= 𝟒×𝟏+𝟏×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎
𝟒+𝟏
𝑴 n 2,000
𝒏𝒙 = 𝑵𝒙
𝑵𝒙 คอ เศษสวนโดยจ านวน (number fraction)
น าหนกโมเลกล : น าหนกโมเลกลเฉลยโดยน าหนก
𝑴 𝒘 = 𝒘𝒙𝑴𝒙 =
𝑵𝒙𝑴𝒙𝟐
𝑵𝒙𝑴
𝒙
𝑴 w = 𝟒×𝟏×𝟏+𝟏×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎
𝟒×𝟏+𝟏×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎 10,000
𝒘𝒙 = 𝑵𝒙𝑴𝒙
𝑵𝒙𝑴𝒙 คอ เศษสวนโดยน าหนก(weight fraction)
ในระบบทประกอบไปดวยโมเลกลหรอของทม
น าหนกตางกน ดงตวอยางของระบบทมยงหนกตวละ 1
kg อย 4 ตว กบชางหนกตวละ 10,000 kg อย 1 ตว
𝑴 𝑛 𝑴 𝑤
และคาเฉลยโดยน าหนกจะมคามากกวาคาเฉลยโดย
จ านวน
𝑴 n vs. 𝑴 w
ในพอลเอทลน 50 โมเลกล อาจจะประกอบไปดวย = 20 โมเลกล
= 10 โมเลกล
= 10 โมเลกล
= 10 โมเลกล
น าหนกโมเลกลของพอลเมอรจงจ าเปนตองแสดงเปนคาเฉลย น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน: 𝑴 n
น าหนกโมเลกลเฉลยโดยน าหนก: 𝑴 w
100022 )( CHCH
50022 )( CHCH
120022 )( CHCH
80022 )( CHCH
น าหนกโมเลกลของพอลเมอร
•ตวอยางการหาน าหนกโมเลกลเฉลยของพอลเอทลน
xCHCH )( 22
น าหนกโมเลกลของหนวยซ า = 2C + 4H = 28 g/mol
X จ านวนโมเลกลทมหนวยซ า = X
(Nx)
น.น.โมเลกลของโมเลกลทมหนวยซ า = X
(Mx)
ผลคณระหวาง Nx กบ Mx
(NxMx)
1000
500
800
1200
20
10
10
10
28,000
14,000
22,400
33,600
560,000
140,000
224,000
336,000
𝑁𝑥 = 50 𝑁𝑥𝑀𝑥 = 1,260,000
น าหนกโมเลกลของพอลเมอร
= 100028 =500 28 =800 28 =1200 28
น าหนกรวมของโมเลกลทมจ านวนหนวยซ าเทากบ x
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 าหนกโมเลกลของพอลเมอร
•การหาเศษสวนโดยจ านวนและเศษสวนโดยน าหนก
จ านวนโมเลกลทม
หนวยซ าเทากบ 1000 จ านวนโมเลกลท งหมด
น าหนกรวมของ
โมเลกลทมหนวยซ า
เทากบ 1000 น าหนกรวม
ท งหมด
น าหนกโมเลกลของพอลเมอร
𝑴 𝒏= 𝒏𝒙𝑴𝒙 = 0.4× 𝟐𝟖, 𝟎𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟐 × 𝟏𝟒, 𝟎𝟎𝟎
0.2× 𝟐𝟐, 𝟒𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟐 × 𝟑𝟑, 𝟔𝟎𝟎
𝑴 𝑛 = 2𝟓, 𝟐00
𝑴 𝒘= 𝒘𝒙𝑴𝒙 = 0.44× 𝟐𝟖, 𝟎𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟏𝟏 × 𝟏𝟒, 𝟎𝟎𝟎
0.1𝟖 × 𝟐𝟐, 𝟒𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟐𝟕 × 𝟑𝟑, 𝟔𝟎𝟎
𝑴 𝑤 = 2𝟔, 𝟗𝟒𝟐
น าหนกโมเลกลของพอลเมอร
𝑴 𝒏 = 𝑵𝒙𝑴𝒙
𝑵𝒙
= 𝟓𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟏𝟒𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟐𝟐𝟒,𝟎𝟎𝟎+𝟑𝟑𝟔,𝟎𝟎𝟎
𝟐𝟎+𝟏𝟎+𝟏𝟎+𝟏𝟎
= 𝟐𝟓, 𝟐𝟎𝟎
𝑴 𝒘= 𝑵𝒙𝑴𝒙
𝟐
𝑵𝒙𝑴𝒙
= 𝟓𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟐𝟖,𝟎𝟎𝟎+𝟏𝟒𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟏𝟒,𝟎𝟎𝟎+𝟐𝟐𝟒,𝟎𝟎𝟎×𝟐𝟐,𝟒𝟎𝟎+𝟑𝟑𝟔,𝟎𝟎𝟎×𝟑𝟑,𝟔𝟎𝟎
𝟓𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟏𝟒𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟐𝟐𝟒,𝟎𝟎𝟎+𝟑𝟑𝟔,𝟎𝟎𝟎
= 𝟐𝟔, 𝟗𝟒𝟐
ตวอยางการค านวณ MW
จ านวนโมเลกล MW
(g/mol)
8
12
10
20,000
80,000
100,000
ตวอยางการค านวณน าหนกโมเลกลของพอลเมอร
Chain structure of
polymer
g/mol70,667
302,120,000
10)12(8100,0001080,000120,0008
Mn
2
จาก
เฉลยการหา nMตวอยางการค านวณน าหนกโมเลกลของพอลเมอร
ตวอยางการค านวณน าหนกโมเลกลของพอลเมอร
เฉลยการหา wM
จ านวนโมเลกล (Nx) น าหนกโมเลกล (Mx) NxMx
8
12
10
20,000
80,000
100,000
160,000
960,000
1,000,000
g/mol84,9061,000,000960,000160,000
100,0001,000,00080,000960,00020,000160,000
𝑴 𝒘 =
𝑵𝒙𝑴𝒙𝟐
𝑵𝒙𝑴𝒙
• 𝑴 𝒏< 𝑴 𝒘
• 𝑴𝑾𝑫 =𝑴
𝒘
𝑴 n
• 𝑴𝑾𝑫 ≥ 𝟏
• 𝑴𝑾𝑫 = 𝟏 เมอ 𝑴 𝒏 = 𝑴 𝒘
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
คาการกระจายน าหนกโมเลกลของพอลเมอร
(Molecular Weight Distribution; MWD)
น าหนกโมเลกล vs. สมบตของพอลเมอร
Date Polymer
1930 Styrene-butadiene rubber
1936 Poly(vinyl chloride)
1936 Polychloroprene(neoprene)
1936 Poly(methyl methacrylate)
1936 Poly(vinyl acetate)
1937 Polystyrene
1939 Nylon-6 6
1941 Polytetrafluoroethylene
1942 Unsaturated polyester
1943 Polyethylene, branched
1943 Buthyl rubber
1943 Nylon-6
Date Polymer
1943 Silicones
1944 Poly(ethylene terephthalate)
1947 Epoxies
1948 ABS resins
1955 Polyethylene, linear
1956 Polyoxymethylene
1957 Polypropylene
1957 Polycarbonate
1964 Ionomer resins
1965 Polyimides
1970 Thermoplastic elastomers
1970 Aromatic polyamides
ประวตการผลตพอลเมอรทมความส าคญทางการคา
การจ าแนกประเภท (Classification)
Polymer Classification
Original
Occurring
Natural-/Bio-
Polymer
Synthetic
Polymers
Thermal
Behavior
Thermoplas
tics
Thermosets
Tacticity
Isotactic
Syndiotactic
Atactic
Crystallinity
Crystalline
Polymers
Semicrystalline
Polymers
Amorphous
Polymers
Application
Commodity
Polymers
Engineering
Polymers
Original Occurring: พอลเมอรชวภาพ (Natural-
/Bio- polymer) และพอลเมอรสงเคราะห (Synthetic Polymers)
Thermal Behavior: เทอรโมพลาสตก
(Thermoplastics) และเทอรโมเซต (Thermosets)
Tacticity: Isotactic, Syndiotactic and Atactic
การจ าแนกประเภท (Classification)
Crystallinity :
พอลเมอรผลก (Crystalline Polymers),
พอลเมอรกงผลก (Semicrystalline Polymers), และ
พอลเมอรอสณฐาน (Amorphous Polymers)
Applications : Commodity Polymers ( PE, PP, PVC
etc.) และ Engineering Polymers ( PET, PC, Nylons,
Epoxy etc.)
การจ าแนกประเภท (Classification)
พอลเมอรชวภาพ (Natural-/Bio-polymer)
Natural-rubber (Polyisoprene)
Cellulose (polysaccharide)
พอลเมอรสงเคราะห (Synthetic Polymers)
PE, PP, PS, PVC, PMMA, PET, Nylon
Epoxy, Melamine, Phenolic
การจ าแนกตาม
แหลงก าเนด
การจ าแนกตามพฤตกรรมทาง
ความรอน
1. เทอรโมพลาสตก (Thermoplastics)
แบงไดเปน 2 ประเภท
Ex. Thermoplastics
Polyethylene Polystyrene Poly(vinyl chloride) Polypropylene Polycarbonate etc.
Solid Polymer
Solid Polymer
Cooling
Δ (Heating)
Liquid Polymer
Source:http://www.nobelprize.org/educational/chemistry/plastics/rea
dmore.html?print=1
When ice is heated,
it melts. When a
thermoplastic object
is heated, it melts
as well.
เทอรโมพลาสตกเปรยบเสมอน
น าแขง
The melted ice can be
formed into a new
shape, and it will keep
that shape when it's
cooled. Similarly, a
melted thermoplastic
object can be formed
into a different shape,
and it will keep that
new shape when it's
cooled.
2. เทอรโมเซต (Thermosets): พอลเมอรทผาน
กระบวนการเคยวรงค (curing) และไดโครงสราง
โมเลกลทเปนรางแห (crosslinked structure) ซงไม
หลอมละลาย (infusible) เมอไดรบความรอน และไม
ละลาย (insoluble) ในตวท าละลายใด ๆ
Crosslinked structure
Infusible
Δ (Heating)
การจ าแนกตามพฤตกรรมทาง
ความรอน
เทอรโมเซตเปรยบเสมอน
ไขดบ
•Just as a raw egg
has the potential to
become a boiled
egg, a fried egg, and
so on, thermosetting
polymers have the
potential to become
all sorts of different
objects.
•Once an egg has
been boiled, however,
you can't make it into
a fried egg. In the
same way, once a
thermosetting plastic
object has been
formed, it can't be
remade into a
different object.
Source:http://www.nobelprize.org/educational/chemistry/plastics/rea
dmore.html?print=1
ตวอยางพอลเมอรในกลมเทอรโมเซต (Thermosets) 1. Phenolic resin 4. Melamine resin 2. Epoxy resin 5. Unsaturated Polyester resin 3. Vulcanized Rubber
Melamine resin Vulcanized Rubber
References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.
Epoxy, Melamine, Phenolic
การจ าแนกตาม Tacticity
• Tacticity คอ การจดต าแหนงของหมแทนท
(substituent groups) ในโซพอลเมอร
• หมแทนท คอ หมทมาแทนอะตอมไฮโดรเจนในพอลเอ
ทลน
• ตวอยางหมแทนทในสายโซพอลเมอร
Polystyrene (PS) หม
methyl
หม
phenyl
Polyethyle
ne
การจ าแนกตาม Tacticity
Isotactic structure
Syndiotactic structure
Atactic structure
R = หมแทนท
Tacticity of Polypropylene
Tacticity of polystyrene
การจ าแนกตามความเปนผลก
1.พอลเมอรผลก (Crystalline Polymers)
2.พอลเมอรกงผลก (Semicrystalline Polymers)
3.พอลเมอรอสณฐาน (Amorphous Polymers)
แบงออกเปน 3 ประเภท
การจ าแนกตามความเปน
ผลก
Crystalline Polymers
1.พอลเมอรผลก (Crystalline Polymers)
การจ าแนกตามความเปน
ผลก
2.พอลเมอรกงผลก (Semicrystalline Polymers)
ตวอยางเชน:
-Polyethylene (PE)
-Polypropylene (PP) Polyethylene
Polystyrene
การจ าแนกตามความเปน
ผลก 3.พอลเมอรอสณฐาน (Amorphous Polymers): PS
ตวอยางเชน:
-Polystyrene (PS)
-Poly(methyl methacrylate) (PMMA)
การจ าแนกตามการใช
งาน
แบงไดเปน 2 ประเภท 1. Commodity Applications : PE, PP, PS, PVC
การใชงานในดานทมการผลตกนในปรมาณมาก
ความแขงแรงไมสงนก และราคาไมแพง เชน บรรจ
ภณฑส าหรบเครองอปโภคและบรโภค
การจ าแนกตามการ
ใชงาน
2. Engineering Applications : PC, POM, Nylon
การใชงานในดานวศวกรรม ไดแก กลม
พอลเมอรทมสมบตเดนหรอสมบตพเศษใน
ดานตาง ๆ เชน
1. มความแขงแรงสง
2. เหนยว
3. ทนความรอนสง
4. ทนการกดกรอนไดด
5. คงรปรางไดด
2. Engineering Applications
การจ าแนกตามการ
ใชงาน
การสงเคราะหหรอการเตรยมพอลเมอร (Polymer Synthesis)
สารตงตนส าหรบการสงเคราะหพอลเมอร
สารต ง ตนส าห รบ ส ง เคร าะ หพอล เ มอ ร ค อ มอนอ เมอ ร (momomers)
แหลงทมาของมอนอเมอร
1. โดยสวนใหญมาจากปโตรเลยมและแกสธรรมชาต เชน เอทลน โพรพลน เปนตน
2. มาจากการมกแปงหรอน าตาลทมาจากพช เชน กรดแลคตก
ประเภทของการสงเคราะหพอลเมอร
ประเภทของการสงเคราะหพอลเมอร ปฏกรยาแบบขน (Step Polymerization) หรออกชอ คอ
ปฏกรยาแบบควบแนน (Condensation Polymerization)
ปฏกรยาแบบลกโซ (Chain Polymerization) หรออกชอคอ ปฏกรยาแบบเตม (Addition Polymerization)
ปฏกรยาแบบขน (Step Polymerization)
เรมตนจากมอนอเมอรทมหมฟงกชนตางกน เชน –OH กบ -COOH
มอนอเมอรจะหายไปอยางรวดเรวโดยเกดปฏกรยาเปนขน ๆ monomer + monomer dimer
dimer + monomer trimer
dimer + dimer tetramer
POLYMER
จากกลไกการสงเคราะหขางตน จะเหนวา น าหนกโมเลกลเฉลย
ของพอลเมอรเพมขนตามเวลาทใชในการสงเคราะห
หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอมนอยกวาจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน
จากการควบแนนของมอนอเมอรสองตว จะไดผลตภณฑ และอาจเกดสารโมเลกลเลก เชน น า หรอ กรดไฮโดรคลอรก (HCl)
ปฏกรยาแบบขน (Step Polymerization)
n H-N-(CH2)6-N-H + n HO-C-(CH2)4-C-OH [ N-(CH2)6-N-C-(CH2)4C ]n
O O O O H H H H
+ (2n-1) H2O
เรมตนจากมอนอเมอรทมพนธะค
ปฏกรยาสงเคราะหตองใชตวรเรมปฏกรยา (Initiator) เพอชวยแตกพนธะคของมอนอเมอร
หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอมเทากบจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน
น าหนกโมเลกลเฉลยของพอลเมอรไมขนกบเวลาทใชในการสงเคราะห
ปฏกรยาแบบลกโซ (Chain Polymerization)
X
ความสมพนธระหวางน าหนกโมเลกลของพอลเมอร และเวลาในการสงเคราะห
Chain Polymerization Step Polymerization
ปฏกรยาการสงเคราะหพอลเมอรแบบขน (Step Polymerization)
พอลเมอไรเซชนแบบขน
พอลเมอไรเซชนแบบขน (step polymerization)
[หรอเรยกวา“พอลเมอไรเซชนแบบควบแนน” (Condensation polymerization)]
ใชส าหรบสงเคราะหพอลเมอรจากมอนอเมอรประเภททมหมฟงกชน เชน
-หมไฮดรอกซล (-OH, hydroxyl group)
-หมคารบอกซล (-COOH, carboxyl group) และ
-หมเอมน (-NH2, amine group)
ตวอยางสารอนทรยทมหมฟงกชน 1. สารกลมแอลกอฮอล (alcohol) ม หมไฮดรอกซล (-OH) เชน
CH3OH, HO-CH2-CH2-OH
2. สารกลมเอมน (amine) ม หมเอมน (-NH2) เชน CH3CH2NH2,
H2N-(CH2)6-NH2
3. กรดคารบอกซลก ม หมคารบอกซลก (-COOH หรอ –C-OH ) เชน
CH3COOH, HOOC-(CH2)4-COOH
O
สารอนทรยหนงโมเลกล ตวอยางโครงสรางทางเคม
มหมฟงกชนหนงหม
มหมฟงกชนสองหม
มหมฟงกชนมากกวาสองหม
- หมฟงกชนทงสองเปนชนดเดยวกน
- หมฟงกชนทงสองตางชนดกน
จ านวนหมฟงกชนในสารอนทรย 1 โมเลกล
HO-CH2-CH2-OH
HO-CH2-CH2-COOH
• พอลเมอรไมสามารถสงเคราะหจากสารเรมตนทมหมฟงกชนเพยงหมเดยวในหนงโมเลกล
CH3OH + HOOC(CH2)4 CH3
การสงเคราะหพอลเมอรจากสารอนทรยทมหมฟงกชน
CH3OC(CH2)4CH3 + HOH
O
Polymer
• พอลเมอรสามารถสงเคราะหจากสารเรมตนประเภท 1 โมเลกลมหมฟงกชน 2
เชน การสงเคราะหพอลเอสเทอร (polyester) ทชอวา พอลเอทลนเทอเรพทาเลต (polyethylene terephthalate, PET)
การสงเคราะหพอลเมอรจากสารอนทรยทมหมฟงกชน (ตอ)
พนธะเอส
เทอร (ester)
PET
Dicarboxylic acid
Diols
• พอลเอไมด (polyamide) เชน Polyhexamethyleneadipamide
หรอชอทางการคา คอ nylon 6,6
+ by product H N (CH2)6 N C (CH2)4 C OH O O
n H H
+ n H2N (CH2)6 NH2 nHO C (CH2)4 C OH O O
Diamine Dicarboxylic acid
การสงเคราะหพอลเมอรจากสารอนทรยทมหมฟงกชน (ตอ)
Nylon 6,6
พนธะเอ
ไมด
Aramids หรอ aromatic polyamide มหมเบนซนในโครงสราง
Aramids ทส าคญ มชอทางการคา คอ “Kevlar” และ “Nomex”1
Kevlar
พนธะเอไมดตอกบหมเบนซนทต าแหนงท 1 และ 4 ( para-linkage)
ตวอยางพอลเอไมดทส าคญ
1 2 3
4
5 6
Nomex
พนธะเอไมดตอกบหมเบนซนทต าแหนงท 1 และ 3 ( meta-linkage)
Kevlar ผสม Nomex-เปนองคประกอบส าคญส าหรบผาปองกนไฟ
ตวอยางพอลเอไมดทส าคญ
1 2
3
4 5
6
ปฏกรยาการสงเคราะหพอลเมอรแบบลกโซ (Chain Polymerization)
พอลเมอไรเซชนแบบลกโซ (chain polymerization)
[หรอเรยกวา“พอลเมอไรเซชนแบบเตม (Addition polymerization)]
โดยหลก ๆ แลวจะใชส าหรบสงเคราะหพอลเมอรจากมอนอเมอร ประเภท “ไวนลมอนอเมอร (vinyl monomers)”
CH2= CH Y
พอลเมอไรเซชนแบบลกโซ
ไวนลมอนอเมอรและพอลเมอรทได
หม Y มอนอเมอร พอลเมอรทได ชอพอลเมอร
H
CH3
Cl
CH2=CH2
CH2=CH
CH2=CH
( CH2- CH2)n ( CH2- CH )n ( CH2- CH )n
พอลเอทลน
พอลโพรพลน
พอลไวนลคลอไรด
CH3
Cl
CH3
Cl
CH2= CH Y
เอทลน
โพรพ
ลน
ไวนลคลอ
ไรด
กลไกการเกดปฏกรยา
ปฏกรยาแบงออกเปน 3 ขนตอน:
1. ขนรเรมโซ (Initiation)
2. ขนแผโซ (Propagation)
3. ขนสนสดโซ (Termination)
“ใชตวรเรมปฏกรยา (initiator) ในการเรมตนปฏกรยาเสมอ”
ขนรเรมโซ
RO OR peroxide
RO 2 alkoxy radicals
RO C = C H
H
H
H + RO C C
H H
H H
1. ตวรเรมปฏกรยาแตกตวใหหมวองไวตอปฏกรยา
2. หมวองไวตอปฏกรยาเปดพนธะคของมอนอเมอรออก อนมลอสระ
(radical)
มอนอเมอร
ขนแผโซ
H RO C C C C
H
H H
H H
H H
RO C C H H
H H + C = C
H
H
H
H
(n-1)CH2= CH2
H RO C C C C
H
H H
H H
H H
n
โซอนมลอสระ
(chain radical)
ขนสนสดโซ
ขนสนสดโซอาจเกดโดย:
1. เกดปฏกรยาการรวมตว (combination reaction)
H RO C C C C
H
H H
H H
H H
n
C C C C OR H H H H
H H H H
n +
H RO C C C C
H
H H
H H
H H
n
C C C C OR H H H H
H H H H
n
ขนสนสดโซ (ตอ)
2. เกดปฏกรยาดสพรอพพอชนเนชนหรอปฏกรยาแบบแบงสวน (disproportionation reaction)
H
H RO C C C C
H
H H
H H
H H
n
C C C C OR H H H H
H H H
n +
C C C C OR H H H H
H H H
n H RO C C C C
H
H H
H H
H H
n
H +
Step Polyn vs. Chain Polyn
1. มอนอเมอร Step polyn เรมตนจากมอนอเมอรทมหมฟงกชนตางกน เชน –OH กบ -COOH Chain polyn เรมตนจากมอนอเมอรทมพนธะค 2. น าหนกโมเลกลของหนวยซ า Step polyn หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอมนอย
กวาจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน Chain polyn หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอม
เทากบจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน
3. กลไกการเกดปฏกรยา Step polyn ปฏกรยาเกดระหวางหมฟงกชนทแตกตางกน ของมอนอเมอร Chain polyn ปฏกรยาสงเคราะหตองใชตวรเรมปฏกรยา
(Initiator) เพอชวยเปดพนธะคของมอนอเมอร
Step Polyn vs. Chain Polyn
4. การเพมขนของน าหนกโมเลกล Step polyn น าหนกโมเลกลเฉลยของ ผลตภณฑเพมขนตามเวลาทใชในการ สงเคราะห
Step Polyn vs. Chain Polyn
Chain polyn น าหนกโมเลกลเฉลยของ ผลตภณฑไมขนกบเวลาทใชในการ สงเคราะห
MW range (g/mol)
Mean Mi (g/mol)
xi wi xiMi wiMi
5000-10,000 7,500 0.05 0.02 375 150
10,000-15,000 12,500 0.16 0.10 2000 1250
15,000-20,000 17,500 0.22 0.18 3850 3150
20,000-25,000 22,500 0.27 0.29 6075 6525
25,000-30,000 27,500 0.20 0.26 5500 7150
30,000-35,000 32,500 0.08 0.13 2600 4225
35,000-40,000 37,500 0.02 0.02 750 750
Mn=21,150 Mw =23,200
Link ศกษาเพมเตม • https://www.youtube.com/watch?v=dWizoVj1qXI
• https://www.youtube.com/watch?v=KoBfqvSZN7c
• https://www.youtube.com/watch?v=1o9mVZxoayA
• https://www.youtube.com/watch?v=kfhZuNIf5hc
• https://www.youtube.com/watch?v=1__xaRqQeOo
Link ศกษาเพมเตม
• https://www.youtube.com/watch?v=wRCvf_EuSoc
• https://www.youtube.com/watch?v=Z6rCE8alv3g
• https://www.youtube.com/watch?v=0yOJajPJptA
• https://www.youtube.com/watch?v=HpPHN7fcLHI
Link ศกษาเพมเตม
• https://www.youtube.com/watch?v=dXT1r5
WA6SM