รู้ทันนักวิจัย (๑๘) โอลิโกเมอร์ (Oligomer) กับพอลิเมอร์ (Polymer) MO Memoir : Saturday 29 September 2561

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (High Densitiy Polyethylene หรือ HDPE) และพอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำโครงเสร้างเชิงเส้น (Linear Low Density Polyethylene หรือ LLDPE) มีทั้งการสังเคราะห์ในเฟสแก๊สและที่ใช้ตัวไฮโดรคาร์บอนที่เฉื่อยเป็นตัวทำละลาย
 

การสังเคราะห์ในเฟสแก๊สมีข้อดีตรงที่ไม่ต้องมีการใช้ตัวทำละลาย (คือประหยัดค่าใช้จ่ายตรงส่วนที่ต้องจัดหาตัวทำละลายและการทำตัวทำละลายให้บริสุทธิ์เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่) และไม่มีปัญหาเรื่องการเกิด "โอลิโกเมอร์" แต่เนื่องจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymerisation reaction) เป็นปฏิกิริยาที่คายความร้อนมาก ประกอบกับแก๊สเป็นสารที่มีความจุความร้อนต่ำและนำความร้อนได้ไม่มี จึงทำให้การระบายความร้อนออกจากระบบค่อนข้างยาก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้องมีขนาดใหญ่ (สัมประสิทธิการถ่ายเทความร้อนต่ำ จึงต้องชดเชยด้วยการเพิ่มพื้นที่ผิว) กระบวนการสังเคราะห์ที่ใช้ในเฟสแก๊สนี้จึงไม่ค่อยเป็นที่นิยมกันเท่าใดนัก แม้ว่าจะเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นทีหลังก็ตาม
 

การสังเคราะห์ในเฟสของเหลวมีข้อดีตรงที่ของเหลวมีความจุความร้อนที่สูงกว่าแก๊ส และยังสามารถใช้การระเหยของของเหลวตัวกลางนั้นในการระบายความร้อนที่ปฏิกิริยาปลดปล่อยออกมา จึงทำให้การควบคุมอุณหภูมิทำได้ง่ายกว่าและการระบายความร้อนออกมีประสิทธิภาพสูงกว่า (สัมประสิทธิการถ่ายเทความร้อนสูง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก็มีขนาดที่เล็กลงได้) แต่ก็มีข้อเสียตรงที่ต้องมีระบบแยกเอาตัวทำละลายกับพอลิเมอร์ที่ได้ออกจากกันเพื่อนำตัวทำละลายกลับไปใช้งานใหม่ และยังมีการเกิด "โอลิโกเมอร์" ที่ต้องแยกออกจากพอลิเมอร์และตัวทำละลายและต้องหาทางกำจัดทิ้งไป โดยเฉพาะในกรณีของการเกิดปฏิกิริยาใน slurry phase (เฟสที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ในของเหลว)

รูปที่ ๑ ด้านซ้ายคือรายละเอียดวิธีการทำปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ที่ให้ไว้ในบทความ ไม่ได้มีการกล่าวถึงการยุติการเกิดปฏิกิริยาและการแยกเอาผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นและตัวทำลายออกจากกัน (ในความเป็นจริงใช้การลดอุณหภูมิและกรองออกจากกัน) ด้านขวาคือผลการทดลองที่แสดงปริมาณพอลิเอทิลีนที่แยกออกมาได้ (ในรูปของ น้ำหนักที่ผลิตได้ต่อหน่วยโมลตัวเร่งปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลา)
 

การเกิดปฏิกิริยาใน slurry phase นั้น เอทิลีน โคโมโนเมอร์ (โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่าเอทิลีน) และไฮโดรเจน (ตัวควบคุมความยาวสายโซ่) ที่เป็นแก๊สจะละลายเข้าไปในตัวทำละลายที่เป็นของเหลวและมีตัวเร่งปฏิกิริยาละลายอยู่ การเกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์จะทำให้ได้สายโซ่โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ขึ้นแต่ในช่วงแรกนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะยังละลายอยู่ในตัวทำละลาย จนกระทั่งสายโซ่พอลิเมอร์นั้นมีความยาวในระดับหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ได้ สายโซ่โมเลกุลนั้นก็จะแยกเฟสเป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย
 

"โอลิโกเมอร์ (oligomer)" ในที่นี้คือสายโซ่โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ขึ้นแต่ยังละลายอยู่ในตัวทำละลาย โอลิโกเมอร์ไม่สามารถนำไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นชิ้นงานได้ ตรงนี้ลองนึกภาพเทียนไขดูก็ได้ เราอาจหล่อเนื้อเทียนให้เป็นก้อนเป็นแท่งได้ แต่ไม่สามารถเอามาขึ้นรูปเป็นชิ้นส่วนที่มีผนังบางเช่น ฝาขวดน้ำพลาสติก ลังพลาสติก ถังและขันน้ำพลาสติกได้ ดังนั้นจึงถือว่าเป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ก่อให้เกิดการสูญเสียสารตั้งต้นและต้องหาทางกำจัดหรือเอาไปใช้ประโยชน์อย่างอื่น 
  

ในอุตสาหกรรมนั้นจะแยกเอาพอลิเมอร์ที่เป็นของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในตัวทำละลายนั้นออกจากตัวทำละลายในขณะที่ตัวทำละลายยังร้อนอยู่ (เช่นใช้การเหวี่ยงแยก) ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้โอลิโกเมอร์แข็งตัวปะปนมากับพอลิเมอร์โดยให้โอลิโกเมอร์นั้นยังคงละลายอยู่ในเฟสตัวทำละลาย จากนั้นจึงค่อยแยกเอาโอลิโกเมอร์ออกจากตัวทำละลาย (เช่นด้วยการใช้การกลั่น) เพื่อนำเอาตัวทำละลายกลับไปใช้งานใหม่
 

ผมมีโอกาสได้ฟังการบรรยายผลงานวิจัยของคณะนักวิจัยที่ทีมงานประกอบด้วยทั้งฝ่ายมหาวิทยาลัยและบริษัทที่ผลิตพอลิเอทิลีนจำหน่ายและมีโอกาสได้พบปะพูดคุยกับผู้ทำวิจัยเหล่านั้นอยู่หลายครั้ง สิ่งหนึ่งที่ผมถามได้พวกเขาอยู่เสมอคือในระดับห้องปฏิบัติการนั้นเขามีแยกเอาตัวทำละลายกับพอลิเมอร์ออกจากกันอย่างไร คำตอบที่ได้รับเป็นประจำก็คือก็ใช้การหยุดปฏิกิริยา ลดอุณหภูมิ กรองเอาตัวทำละลายออก และทำให้ "ของแข็ง" ที่ได้มานั้นแห้ง (คือกำจัดตัวทำละลายที่ยังหลงเหลืออยู่ออกให้หมด) และคำถามที่ตามมาก็คือนั่นก็แสดงว่าไม่ได้มีการแยกเอา "โอลิโกเมอร์" ออกจาก "พอลิเมอร์" ใช่ไหม ซึ่งคำถามนี้ดูเหมือนว่าผู้ถูกถามจะไม่ค่อยเข้าใจคำถาม โดยเฉพาะกับทางคณะนักวิจัยที่เป็นฝ่ายทางมหาวิทยาลัย บางคนงงด้วยซ้ำว่าโอลิโกเมอร์คืออะไร "พอลิเมอร์" ในที่นี้คือสายโซ่โมเลกุลที่สามารถเข้าไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ได้ ส่วน "โอลิโกเมอร์" คือสายโซ่โมเลกุลที่สั้นเกินกว่าจะเอาไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ได้ และต้องแยกออกจาก "พอลิเมอร์" ก่อนนำเอา "พอลิเมอร์" นั้นไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ

แล้วการที่มี "โอลิโกเมอร์" ผสมรวมอยู่กับ "พอลิเมอร์" มันทำให้เกิดอะไรหรือครับ อย่างแรกที่สำคัญก็คือมันทำให้ปริมาณ "ของแข็ง" ที่ได้จากการระเหยตัวทำละลายออกไปแล้วมี "มากขึ้น" ดังนั้นเมื่อนำเอาปริมาณ "ของแข็ง" ที่ได้นั้นไปคำนวณค่าความว่องไวในการทำปฏิกิริยาก็จะทำให้ตัวเร่งความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยามีค่าสูงหรือออกมาดูดีนั่นเอง (ตัวเลขสวยสำหรับการตีพิมพ์บทความวิขาการ) ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นในการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนใน slurry phase ควรพิจารณาความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาจากปริมาณ "พอลิเมอร์" หรือส่วนที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้จริงที่สังเคราะห์ได้จริง เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผลิต "ของแข็ง" ได้มากกว่าตัวอื่น แต่ถ้า "ของแข็ง" ที่ได้นั้นเป็น "โอลิโกเมอร์" เสียส่วนใหญ่ (คือส่วนที่ต้องทิ้งไป) ก็คงเอาไปใช้ประโยชน์อะไรไม่ได้เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผลิต "ของแข็ง" ได้ต่ำกว่า 10 เท่า แต่ของแข็งที่ได้นั้นเป็น "พอลิเมอร์" ทั้งหมด