เนื่องจากเห็นว่ากำลังจะมีคนที่ไม่ได้จบมาทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (พวก Ziegler-Natta หรือ Metallocene หรืออะไรทำนองนี้) กำลังจะไปทำวิจัยเกี่ยวกับเรื่องนี้ที่ต่างประเทศ บันทึกช่วยจำฉบับนี้ก็เลยขอขุดเอาความรู้เก่า ๆ ที่ไปเรียนมาสมัยที่ไปเรียนการเดินเครื่องโรงงานที่ญี่ปุ่นช่วงราวเดือน พฤษภาคม - มิถุนายน ๒๕๓๑ มาเล่าให้ฟัง
ส่วนคนที่จะไปทำวิจัยเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ทั้ง ๆ ที่ตัวเองก็ไม่ได้จบมาทางด้านนี้ก็ไม่ใช่เรื่องประหลาดอะไร ผมเชื่อเสมอว่าถ้าใครก็ตามได้เรียนรู้และเข้าใจหลักการในการคิดแล้วละก็ ไม่ว่าจะเป็นปัญหาใด ๆ ก็สามารถที่จะจัดการได้ การทำวิทยานิพนธ์เป็นเพียงการฝึกให้แก้ปัญหาเท่านั้น ความแตกต่างอยู่ตรงที่ว่าแต่ละคนมีโจทย์ให้แก้ที่ไม่เหมือนกัน
พอลิเอทิลีน (Polyethylene) หรือโพลีเอทิลีน (เรียกแบบเดิม) หรือที่เรียกย่อสั้น ๆ ว่า PE นั้นที่ใช้กันอยู่ในบ้านเรามีอยู่ด้วยกัน 3 ประเภทคือ
1. พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (Low density polyethylene) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า LDPE
2. พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำโครงสร้างเส้นตรง (Linear low density polyethylene) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า LLDPE และ
3. พอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (High density polyethylene) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า HDPE
พอลิเอทิลีนตัวแรกที่นำมาใช้งานกันนั้นคือ LDPE ค้นพบโดยบังเอิญโดยนักวิจัยของ ICI (Imperial Chemical Industry ของอังกฤษ) ในช่วงประมาณทศวรรษ 1930 (ในช่วงแรกนั้นยังไม่มีการจำแนกประเภท PE ออกเป็นพวกความหนาแน่นต่ำหรือสูง ก็เพราะว่ามันมีอยู่เพียงชนิดเดียว) ปฏิกิริยาการเกิด LDPE นั้นเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่กระตุ้นโดยใช้ initiator เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดที่ความดันสูงประมาณ 1500-3000 บรรยากาศ
กระบวนการสังเคราะห์ที่ใช้ความดันกับ initiator นี้สามารถสังเคราะห์พอลิเมอร์จากเอทิลีนได้ แต่ไม่สามารถใช้ตัวโมโนเมอร์ที่ใหญ่กว่า (พวกตั้งแต่โพรพิลีนขึ้นไป)
ต่อมาอีกประมาณ 20 ปีให้หลังในช่วงทศวรรษ 1950 ในระหว่างที่ทำการวิจัยเรื่องการสังเคราะห์อัลฟาแอลกอฮอล์ (แอลกอฮอล์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิล -OH อยู่ที่ปลายโซ่ หรือที่ในตำราอินทรีย์เคมีเรียกว่า primary alcohol) Prof. Ziegler ได้ค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำการพอลิเมอร์ไรซ์เอทิลีนได้ที่อุณหภูมิและความดันที่ต่ำกว่า (เกิดที่ความดันบรรยากาศก็ได้)
อันที่จริงแล้วตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้สังเคราะห์ HDPE นั้นมีอยู่ 2 ตระกูลด้วยกัน แต่ตระกูล Ziegler-Natta และ Metallocene นั้นได้รับความนิยมมากกว่าเพราะสามารถนำไปใช้พอลิเมอร์ของโอเลฟินส์ตัวที่ใหญ่กว่าเอทิลีนได้ (เช่นพอลิโพรพิลีน พอลิบิวทิลีน) แต่ของอีกตระกูลนั้น (ถ้าจำไม่ผิดน่าจะเป็นของ Phillips - ลองไปตรวจสอบดูด้วย) ทำได้แค่พอลิเอทิลีนเท่านั้น
ต่อมาได้มีการค้นพบว่าพอลิเอทิลีนที่ได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยานี้มีความหนาแน่นสูงกว่าที่ได้จากกระบวนการเดิม จึงมีการแบ่งพอลิเอทิลีนออกเป็น 2 ประเภทโดยใช้เกณฑ์การแบ่ง 2 เกณฑ์คือความดันที่ใช้ในการผลิตและความหนาแน่นของพอลิเอทิลีนที่ได้
การแบ่งโดยใช้เกณฑ์ความดันในการผลิตจะเรียกพอลิเอทลีนแบบดั้งเดิมว่า High pressure polyethylene และเรียกพอลิเอทิลีนที่สังเคราะห์จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาว่า Low pressure polyethylene การเรียกแบบนี้จะเห็นในหนังสือรุ่นเก่า แต่ปัจจุบันจะไม่ใช้กันแล้ว จะนิยมแบ่งโดยใช้ความหนาแน่นเป็นเกณฑ์ โดยเรียกพอลิเอทลีนแบบดั้งเดิมที่ได้จากกระบวนการความดันสูงว่า Low density polyethylene และพวกที่สังเคราะห์จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ความทดันในการสังเคราะห์ที่ต่ำกว่าว่า High density polyethylene
สาเหตุที่ทำให้พอลิเอทิลีนที่ได้จากกระบวนการทั้งสองมีความหนาแน่นที่แตกต่างกันเป็นเพราะรูปร่างสายโซ่พอลิเมอร์ที่ได้นั้นแตกต่างกัน โครงสร้างสายโซ่โมเลกุลของ LDPE มีลักษณะเป็นกิ่งก้านทำให้สายโซ่โมเลกุล LDPE แต่ละสายโซ่อยู่ห่างจากกัน ส่วนโครงสร้างสายโซ่โมเลกุลของ HDPE มีลักษณะเป็นเส้นตรงที่มีกิ่งก้านน้อยกว่า ทำให้สายโซ่โมเลกุลของ HDPE แต่ละสายโซ่อยู่ใกล้ชิดกันมากขึ้น ช่องว่างระหว่างสายโซ่โมเลกุลจึงน้อยกว่า ทำให้ความหนาแน่นของ HDPEสูงกว่า
โดยปรกติแล้วในการสังเคราะห์ HDPE จะมีการผสมโอเลฟินส์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเอทิลีนที่เรียกว่า co-monomerเข้าไปด้วย (เช่นพวก C3= C4= C6= และ C8=) co-monomer จะเป็นพวกที่มีพันธะคู่ C=C อยู่ที่ปลายโซ่ที่เรียกกันว่าอัลฟาโอเลฟินส์ (α-olefin) หรือ 1-โอเลฟินส์ (1-olefin) เพื่อปรับค่าความหนาแน่นของพอลิเมอร์ โดยอัลฟาโอเลฟินส์ที่เติมเข้าไปจะทำให้เกิดกิ่งยื่นออกมาจากสายโซ่พอลิเมอร์ ทำให้โมเลกุลพอลิเมอร์ไม่แนบชิดติดกัน ความหนาแน่นก็เลยลดลง ยิ่งใช้ co-monomer ตัวใหญ่ (ตั้งแต่ C6= ขึ้นไปเช่นเฮกซีนหรือออกทีน) ความหนาแน่นก็ยิ่งลดลงและอาจลดลงเหลือในระดับ LDPE ก็ได้ ซึ่งจะกลายเป็นพอลิเมอร์ที่เรียกว่า LLDPE
แบบจำลองสายโซ่โมเลกุลของพอลิเมอร์ทั้ง 3 แบบแสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง
รูปที่ 1 แบบจำลองสายโซ่โมเลกุลของ LDPE HDPE และ LLDPE
คุณสมบัติของพอลิเมอร์ที่ได้นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับรูปร่างกิ่งก้านโมเลกุล แต่ยังขึ้นอยู่กับความยาวของสายโซ่โมเลกุลด้วย การควบคุมความยาวสายโซ่โมเลกุลทำได้โดยการเติมไฮโดรเจนเข้าไปในระหว่างการพอลิเมอร์ไรซ์ โดยไฮโดรเจนจะทำหน้าที่เป็นตัวปิดการเจริญเติบโตของสายโซ่ ถ้าใส่ไฮโดรเจนมากก็จะได้สายโซ่สั้น ถ้าใส่ไฮโดรเจนน้อยก็จะได้สายโซ่ยาว
สรุปก็คือ ในการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนจะมีสารตั้งต้น 3 ตัวคือ เอทิลีน โอเลฟินส์ที่ใหญ่กว่าเอทิลีน และไฮโดรเจน ส่วนพอลิเมอร์ที่ออกมาจะมีคุณสมบัติอย่างไรก็ขึ้นอยู่กับส่วนผสมของสาร 3 ตัวนี้ที่ป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์
ที่นี้ลองมาดูกันว่าความเป็นกิ่งก้านของโมเลกุลกับความยาวสายโซ่ของโมเลกุลส่งผลอย่างไรต่อคุณสมบัติของพอลิเอทิลีนที่ได้
เริ่มจากความยาวสายโซ่พอลิเมอร์ พอลิเมอร์ที่มีสายโซ่สั้นจะหลอมเหลวได้ง่ายกว่าพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาวกว่า ส่วนพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาวจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่าและมีความหนืดมากกว่า ทั้งนี้เพราะความยาวสายโซ่โมเลกุลทำให้สายโซ่ต่างสายโซ่กันพันเข้าด้วยกันได้ พารามิเตอร์หนึ่งที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับความยาวสายโซ่คือค่า "ดัชนีการไหล - Melt Flow Index (MFI)"
ค่าดัชนีการไหลเป็นการวัดความสามารถในการไหลของพอลิเมอร์เมื่อมีแรงกด หลักการวัดคือนำเอาพอลิเมอร์มาให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด จากนั้นให้แรงกดตามที่กำหนดต่อพอลิเมอร์ เพื่อให้พอลิเมอร์ไหลผ่านรูที่มีขนาดที่กำหนด ในเวลาที่กำหนด (ขนาดของน้ำหนักกดต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนดโดยจะขึ้นอยู่กับพอลิเมอร์ว่ามีความหนืดมากน้อยเท่าใด พอลิเมอร์ที่มีความหนืดสูงจะใช้น้ำหนักกดที่มากกว่าพอลิเมอร์ที่เหลวกว่า) จากนั้นทำการชั่งน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ไหลผ่านรูออกมา พอลิเมอร์ที่มีความหนืดต่ำจะไหลผ่านรูได้มากกว่าพอลิเมอร์ที่มีความหนืดสูง
พอลิเมอร์ที่ไหลได้ง่ายนั้นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการขึ้นรูปแบบ Injection molding (การฉีดขึ้นรูปในแม่แบบ) เพราะทำให้พอลิเมอร์ไหลเข้าเต็มแม่แบบได้ง่าย และไม่ต้องใช้ความดันสูงในการฉีด ตัวอย่างชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยวิธีการนี้ได้แก่พวก ลังน้ำอัดลม ขัน ถัง กาละมัง ชิ้นงานที่มีความบางและแข็งต่าง ๆ เช่น ปลอกปากกา ฯลฯ พอลิเมอร์ที่ใช้ในการฉีดขึ้นรูปนั้นมักมีความแข็ง คงรูปได้ดี แต่รับแรงกระแทกได้ไม่ดี อาจแตกร้าวเมื่อมีแรงกระแทกได้
ส่วนการขึ้นรูปเป็นถุงพลาสติกหรือแผ่นฟิล์มต่าง ๆ นั้นต้องการพอลิเมอร์ที่มีความเหนียว (Film grade) เพราะถ้าเหลวเกินไปจะไม่สามารถเป่าขึ้นรูปได้ ดังนั้นในการเป่าขึ้นรูปจึงต้องการพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่ยาว แต่การที่มีพอลิเมอร์สายโซ่ยาวเพียงอย่างเดียวจะทำให้อัดผ่านแม่แบบได้ยากเพราะพอลิเมอร์มีความหนืดสูง ดังนั้นในการผลิตจึงอาจต้องให้มีพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่สั้นผสมอยู่ด้วยเพื่อให้ทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นในการอัดผ่านแม่แบบ พอลิเมอร์สำหรับขึ้นรูปด้วยการเป่านั้นจะมีความเหนียว รับแรงกระแทกได้ดี มีความยืดหยุ่น แต่การคงรูปไม่ดี (เพราะมันอ่อนตัวเกินไป) ถ้าเอามาผลิตเป็นขวดก็จะได้ขวดที่ตั้งไม่ได้ ถ้าผลิตเป็นสายยางก็จะได้สายยางที่เมื่อไม่มีน้ำก็จะแบนแฟบ
ผลิตภัณฑ์บางอย่างเช่น ขวดน้ำ ขวดแชมพู สบู่เหลว กระป๋องน้ำมันเครื่อง สายยาง ฯลฯ ที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการอัดผ่านแม่แบบ (Extrusion) แล้วเป่าให้พองตัว (Blow molding) ต้องการพอเมอร์ที่คงรูปได้ (ขึ้นรูปเป็นขวดหรือกระป๋องแล้วสามารถตั้งได้ หรือเวลาที่ยกขวดเทน้ำ ขวดก็ต้องไม่พับลงมาเหมือนกับกรณีของน้ำดื่มบรรจุขวดพลาสติกขุ่นหลายยี่ห้อ) แต่ก็ต้องสามารถรับแรงกระแทกได้ในระดับหนึ่ง ไม่เช่นนั้นพอมีแรงกระแทกหน่อยเดียวภาชนะก็แตกออก ของที่บรรจุข้างในก็หกออกมาหมด พอลิเมอร์สำหรับการขึ้นรูปแบบนี้ก็ต้องมีคุณสมบัติที่อยู่ระหว่างพวก Injection grade และ Film grade
ความสามารถในการรับแรงของพอลิเมอร์และการทนต่อตัวทำละลาย จะขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ที่ส่งผลต่อค่า "ความหนาแน่น - Density" ของพอลิเมอร์ กิ่งก้านที่ยื่นออกมาจากสายโซ่หลักจะทำหน้าที่เป็นเสมือนสปริงรับแรงกระแทก ถ้าระยะห่างระหว่างสายโซ่เพิ่มขึ้นก็จะรับแรงกระแทกได้ดี แต่ระยะห่างที่เพิ่มมากขึ้นก็ทำให้ช่องว่างระหว่างสายโซ่มากขึ้นไปด้วย ตัวทำละลายที่มีขนาดโมเลกุลเล็กก็จะแทรกเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ได้ง่ายขึ้น ทำให้พอลิเมอร์ไม่ทนต่อตัวทำละลาย (พอลิเอทิลีนเกรดทำกระป๋องน้ำมันเครื่องสามารถใช้เก็บน้ำมันได้ แต่เกรดที่ทำเป็นถุงพลาสติกไม่สามารถใช้เป็นภาชนะบรรจุน้ำมันได้) การละลายพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่โมเลกุลใกล้ชิดกันก็ทำได้โดยการใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้น เพราะอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้สายโซ่พอลิเมอร์ขยายตัวแยกห่างจากกัน ช่องว่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น ตัวทำละลายจึงสามารถแทรกเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ได้
โดยทั่วไปค่าดัชนีการไหลและความหนาแน่นของพอลิเมอร์จะเปลี่ยนแปลงในทิศทางเดียวกัน กล่าวคือพอลิเอทิลีนที่มีค่าดัชนีการไหลสูงก็มักมีค่าความหนาแน่นสูงตามไปด้วย พวก Injection grade มักใช้พอลิเมอร์ที่มีสายโซ่โมเลกุลสั้นและมีกิ่งก้านที่สั้นและ/หรือน้อย ในขณะที่พวก Film grade ต้องการพอลิเมอร์ที่มีสายโซ่โมเลกุลที่ยาวและมีกิ่งก้านที่มากกว่าและ/หรือยาวกว่า ส่วนพวก Blow molding เป็นขวดหรือกระป๋องนั้นเป็นพวกที่อยู่ตรงกลาง
การใช้งานบางอย่างนั้นอาจใช้ LDPE HDPE LLDPE หรือ PP แทนกันก็ได้ เช่นการนำไปทำเป็นถุงหูหิ้ว แต่บางงานบางตัวก็ไม่สามารถใช้ได้ ตัวอย่างเช่นในกรณีของถุงพลาสติกใส่อาหาร เครื่องดื่มที่ร้อน ถุง LDPE จะเป็นถุงพลาสติกใส แต่ไม่สามารถใส่ของร้อนได้ (เช่นก๋วยเตี๋ยวน้ำร้อน ๆ) พลาสติกที่ทนน้ำร้อนได้คือ HDPE แต่ถุง HDPE จะเป็นถุงขุ่น ทำให้เมื่อใส่อาหารแล้วจะดูไม่ดี ผู้ซื้อมักไม่ชอบเลือกซื้อของที่มองไม่เห็นสิ่งที่อยู่ในถุง ถุงพลาสติกที่ใสและทนน้ำร้อนได้คือ PP ซึ่งจะใสเหมือน LDPE แต่ตาเปล่าจะไม่สามารถบอกความแตกต่างระหว่างถุงพลาสติกที่ทำจาก LDPE และ PP ได้ วิธีการง่าย ๆ ในการแยกแยะว่าเป็นแบบไหนคือการใช้เทคนิคอินฟราเรด กล่าวคือ PP จะมีการดูดกลืนคลื่นแสงของหมู่เมทิล (-CH3) ในขณะที่ PE จะมีน้อยมากหรือไม่เห็นเลย
ในบางครั้งความรู้สึกของคนก็อยู่เหนือผลการทดสอบ เคยมีการนำเสนอว่าถ้าเราใช้พอลิเมอร์ที่มีความเหนียวมากขึ้นมาทำเป็นถุงหูหิ้ว ก็จะทำให้ทำถุงที่บางลงได้โดยที่ยังสามารถรับน้ำหนักของได้เท่าเดิม ดังนั้นจึงเป็นการลดปริมาณพลาสติกที่ใช้ในการเป่าถุงและลดต้นทุนการผลิตถุง แต่พอเอาเข้าจริงปรากฏว่าผู้บริโภคตัดสินว่าถุงใดมีความแข็งแรงมากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับความหนาของถุง ดังนั้นถ้าเปลี่ยนพอลิเมอร์ที่ใช้ทำถุงเป็นพอลิเมอร์ที่เหนียวมากขึ้น ทำให้ทำถุงหูหิ้วได้บางลงโดยที่ยังรับน้ำหนักได้เท่าเดิม ผู้บริโภคก็ต้องขอถุงหูหิ้วซ้อนกับ 2 ใบอยู่ดี ซึ่งผู้ขายก็ต้องให้ตามนั้นมิฉะนั้นจะโดนมองว่าขี้เหนียวแม้กระทั่งถุงพลาสติกใบเดียว
ว่าแต่ว่าวันนี้คุณได้ลดการใช้ถุงพลาสติกลงบ้างแล้วหรือยัง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น