ทำไมเติมเอทานอลแล้วได้พอลิเมอร์เพิ่มขึ้น MO Memoir 2559 Feb 24 Wed

บ่ายวันนี้แม่นางถังแก๊ส (ที่เพิ่งจะได้รับการเลื่อนตำแหน่งเป็นแม่ย่านางประจำแลปไปเมื่อไม่นานนี้ - ขอแสดงความยินดีย้อนหลังด้วยคร๊าบ) นึกยังไงก็ไม่รู้ อยู่ดี ๆ ก็ถามผมว่า "ทำไมเติมเอทานอลแล้วได้พอลิเมอร์เพิ่มขึ้น"
 

คือเรื่องมันเริ่มจากการที่เขาอ่านบทความเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์โพรพิลีนใน slurry phase ซึ่งเมื่อถึงเวลาที่กำหนดไว้ก็จะทำการเติมเอทานอล (ethanol) เข้าไปใน reactor เพื่อทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา จากนั้นก็จะแยกเอาผงพอลิเมอร์ที่เป็นของแข็งแขวนลอยอยู่นั้นออกมาจากตัวทำละลาย ผงพอลิเมอร์ที่ได้มานี้จะเป็นชนิด isotactic (คือหมู่ -CH₃ มีการจัดเรียงในสายโซ่พอลิเมอร์มีการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบในทิศทางเดียวกัน) จากนั้นก็จะเติมเอทานอลในปริมาณที่มากเกินพอลงไปในตัวทำละลายที่เหลือ ก็จะได้พอลิเมอร์ที่เป็น atactic ( คือหมู่ -CH₃ มีการเรียงตัวแบบไม่เป็นระเบียบ) แยกตัวเป็นของแข็งออกมาจากตัวทำละลาย

ประเด็นคำถามของเขาก็อยู่ตรงการเติมครั้งที่สองนี่แหละครับ ว่าทำไมมันได้พอลิเมอร์เพิ่มขึ้น

แต่ก่อนอื่นผมก็ถามเขากลับไปก่อนว่านึกยังไงถึงมาถามคำถามนี้กับผม ในเมื่อผมเองไม่เคยทำวิจัยหรือการทดลองใด ๆ ทางด้านการพอลิเมอร์ไรซ์พอลิโอเลฟินส์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta เลย แต่ถ้าจะให้ผมตอบ ผมก็จะขอตอบแบบอิงตำราเคมีอินทรีย์ ไม่ขอใช้คำตอบแบบ paper เขาว่ามา
 

ผมตอบเขาไปว่าการที่พอลิเมอร์จะละลายได้ในตัวทำละลายนั้น โมเลกุลตัวทำละลายจะต้องสามารถแทรกเข้าไปในช่องว่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ได้ พอลิเมอร์ (ตระกูลเดียวกัน) ที่มีความหนาแน่นต่ำจะมีระยะห่างระหว่างสายโซ่มากกว่าพอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นสูงกว่า ดังนั้นพอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าจะละลายได้ง่ายกว่า เช่นในกรณีของพอลิโพรพิลีนนั้น ชนิด isotactic มีความหนาแน่นสูงกว่า ช่องว่างระหว่างสายโซ่นั้นแคบ ทำให้โมเลกุลตัวทำละลายไม่สามารถแทรกเข้าไปแยกสายโซ่พอลิเมอร์ออกจากกันได้ ดังนั้น ณ อุณหภูมิของการทำปฏิกิริยา พอลิโพรพิลีนชนิด isotactic จึงแยกตัวเป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย
 

ส่วนพอลิโพรพิลีนชนิด atactic นั้นมีระยะห่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์มากกว่า ตัวทำละลายจึงแทรกเข้าไประหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ได้ง่าย ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจึงทำให้พอลิโพรพิลีนชนิด atactic นั้นละลายอยู่ในตัวทำละลาย
 

ในการวัดความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาเปรียบเทียบกันนั้น การทำการทดลองจะใช้สภาวะต่าง ๆ ที่เหมือนกันหมด แตกต่างเพียงแค่ชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ และเมื่อปล่อยให้ปฏิกิริยาดำเนินไปจนถึงเวลาที่กำหนด ก็จะหยุดปฏิกิริยาด้วยการเติมเอทานอล (หรือสารอื่นใดก็ได้ที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา) เข้าไปในระบบเพื่อไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา (ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์โพรพิลีนนี้จำเป็นต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาจึงจะเกิดได้) จากนั้นก็แยกเอาพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นออกมาชั่งน้ำหนักเปรียบเทียบกัน

ในมุมมองของผม ผมบอกเขาไปว่าสาเหตุที่การเติมเอทานอลในปริมาณมากเกินพอลงไปในตัวทำละลาย แล้วทำให้พอลิโพรพิลีนชนิด atactic นั้นแยกตัวออกมาจากตัวทำละลายก็เพราะเอทานอลไปดึงเอาโมเลกุลตัวทำละลายที่แทรกอยู่ระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ออกมา
 

เอทานอลนั้นเป็นโมเลกุลที่มีทั้งส่วนมีขั้วและไม่มีขั้ว มันจึงสามารถละลายได้ทั้งโมเลกุลมีขั้วและโมเลกุลไม่มีขั้ว แต่ส่วนที่มีขั้วจะมีความแรงมากกว่า ทำให้มันละลายโมเลกุลมีขั้ว (เช่นน้ำ) ได้ดีกว่าโมเลกุลไม่มีขั้ว (เช่นไฮโดรคาร์บอน) และตัวเอทานอลเองก็ไม่สามารถละลายพอลิโพรพิลีนได้ (เพราะสายโซ่พอลิโพรพิลีนเป็นสายโซ่ที่ไม่มีขั้ว) ดังนั้นพอเติมเอทานอลเข้าไปในตัวทำละลาย (ที่เป็นไฮโดรคาร์บอน) ที่มีพอลิเมอร์ละลายอยู่ในปริมาณที่มากพอ ไม่เพียงแต่เอทานอลจะไปดึงเอาไฮโดรคาร์บอนส่วนเกินมาละลายอยู่ในเฟสของมัน เอทานอลเองก็จะไปดึงเอาโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่แทรกอยู่ระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ออกมาด้วย ทำให้สายโซ่พอลิเมอร์จับตัวกันกลายเป็นของแข็ง

พอถึงตรงนี้มันก็มีคำถามขึ้นมาว่าถ้าเปลี่ยนเป็นแอลกอฮอล์ตัวอื่นเช่นเมทานอลหรือโพรพานอลล่ะ จะได้ผลอย่างไร

ความเห็นของผมก็คือถ้าเป็นแอลกอฮอล์โมเลกุลเล็กเช่นเมทานอล มันละลายไฮโดรคาร์บอนได้ไม่ดีเพราะส่วนที่ไม่มีขั้วของโมเลกุลมันเล็ก ดังนั้นมันอาจจะไม่สามารถดึงเอาไฮโดรคาร์บอนออกจากช่องว่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ได้ แต่ถ้าใช้แอลกอฮอล์โมเลกุลใหญ่เกินไป มันจะแสดงคุณสมบัติเช่นเดียวกับโมเลกุลไม่มีขั้ว คือเผลอ ๆ มันจะเข้าไปร่วมแทรกอยู่ระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ร่วมกับไฮโดรคาร์บอนด้วย ดังนั้นแอลกอฮอล์ที่ใช้ได้จะต้องมีขนาดของหมู่อัลคิล (ส่วนที่ไม่มีขั้วของโมเลกุล) ที่ไม่เล็กหรือใหญ่เกินไป

หลังจากที่ผมถามเขาเสร็จ ผมก็ถามเขากลับไปบ้างว่า "แน่ใจหรือว่าสิ่งที่ได้ออกมาครั้งที่สองนั้นเป็น "polymer" เพียงอย่างเดียวโดยไม่มี "oligomer" รวมอยู่ด้วย" ก็ได้แต่เพียงรอยยิ้มเป็นคำตอบกลับมา

ทั้งหมดที่กล่าวมานั้นคือความเห็นของผม ที่อธิบายด้วยความรู้พื้นฐานด้านเคมีอินทรีย์ ส่วนจะรับฟังได้หรือไม่นั้นก็ขอให้ลองพิจารณากันเอาเอง