บิสมาเลอิไมด์ (Bismaleimide) MO Memoir : Thursday 12 June 2569

การบ่มยางหรือ vulcanization เป็นกระบวนการทำให้ยางธรรมชาตินั้นมีความยืดหยุ่นสูง แข็งแรง และทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้น โครงสร้างโมเลกุลของยางธรรมชาติประกอบด้วยสายโซ่ของ polyisoprene ที่มีพันธะ C=C อยู่ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ การบ่มยางคือการใช้สารเคมีที่เหมาะสมเข้าไปเชื่อมต่อระหว่างสายโซ่เข้าด้วยกัน โดยอาศัยการทำปฏิกิริยาที่ตำแหน่งพันธะ C=C ของสายโซ่หนึ่งกับพันธะ C=C ของอีกสายโซ่หนึ่ง (เรียกว่าการเชื่อมโยงแบบขวางหรือ cross linking)

สารเคมีตัวแรกที่ต้นพบว่าสามารถทำการเชื่อมโยงสายโซ่เข้าด้วยกันได้คือกำมะถัน (เป็นการค้นพบโดยบังเอิญของCharles Goodyear - รูปที่ ๑) โดยเมื่อยางธรรมชาติมีอุณหภูมิที่สูงมากพอ พันธะ C=C ก็จะแตกออกและทำปฏิกิริยากับโมเลุลกำมะถันได้ ความยาวสายโซ่โมเลกุลกำมะถันที่เชื่อมระหว่างสายโซ่ polyisoprene เป็นตัวควบคุมคุณสมบัติของยางว่าจะให้อ่อนนุ่มหรือแข็งกระด้าง เมื่อนำยางดังกล่าวไปใช้งาน อุณหภูมิที่สูงจากการใช้งานก็สามารถทำให้สายโซ่กำมะถันที่เชื่อมระหว่างสายโซ่ polyisoprene นั้นขาดออกจากกัน และมีการจับเข้ากับตำแหน่ง C=C ตำแหน่งใหม่ ทำให้ความยาวสายโซ่กำมะถันที่เชื่อมต่อระหว่างสายโซ่ polyisoprene นั้นสั้นลง ยางก็จะเสียความอ่อนนุ่ม (เรียกว่าแข็งมากขึ้นก็ได้)

รูปที่ ๑ โครงสร้างโมเลกุลของยางธรรมชาติ (A) ก่อนการทำปฏิกิริยากับกำมะถัน และ (B) หลังทำปฏิกิริยากับกำมะถัน

เพื่อให้ยางนั้นสามารถคงคุณสมบัติเดิมได้แม้ว่าจะผ่านอุณหภูมิที่สูงจากใช้งาน ก็ต้องหาสารที่สามารถเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่ polylisoprene ได้โดยที่โมเลกุลของสารดังกล่าวต้องมีเสถียรภาพและทนต่ออุณหภูมิที่สูงระหว่างการใช้งานได้ ซึ่งก็มีการจดสิทธิบัตรสารเคมีหลากหลายชนิดดังกล่าว (ทั้งที่มีอะตอมกำมะถันและไม่มีอะตอมกำมะถัน) และหนึ่งในสารเหล่านี้คือบิสมาเลอิไมด์ (Bismaleimide)

รูปที่ ๒ โครงสร้างโมเลกุลของ Maleic acid, Maleic anhydride, Maleamide, Maleimide และ Bismaleimide

ที่มาของชื่อ Maleimide ก็มาจาก Maleic anhydride (รูปที่ ๒) ซึ่ง Maleic anhydride เกิดจากการที่หมู่ -COOH ที่ปลายโซ่ทั้งสองข้างของ Maliec acid หลอมรวมเข้าด้วยกันและคายโมเลกุล H₂O ออกมา ทำให้รูปร่างโมเลกุลเปลี่ยนจากเส้นเป็นวง ในกรณีของ Meleimide ก็เกิดจากการที่หมู่ -CONH₂ ที่อยู่ปลายโซ่ของโมเลกุลหลอมรวมเข้าด้วยกันและคาย NH₃ ออกมา ส่วนคำนำหน้า Bis นั้นแปลว่า 2 ดังนั้น Bismaleimide ก็คือโมเลกุลที่มี Maleimide สองหมู่เชื่อมต่อกัน แต่ชื่อ Bismaleimide ก็เป็นชื่อกลาง ๆ เพราะว่าแม้ว่า Maleimide สองโมเลกุลจะถูกเชื่อมต่อด้วยโมเลกุลต่างชนิดกัน (ที่อยู่ในกรอบสีแดงในรูปที่ ๒) เขาก็เรียกว่ารวม Bismaleimide ดังนั้นถ้าจะระบุให้เฉพาะเจาะจงลงไป ก็ต้องมีการระบุโมเลกุลที่มาทำหน้าที่เชื่อมต่อด้วย

โครงสร้างโมเลกุลของ Bismaleimide จะมีพันธะ C=C อยู่ที่ปลายโซ่ทั้งสองด้าน (รูปที่ ๒ และรูปที่ ๓) การเชื่อมต่อเข้ากับโมเลกุลยางธรรมชาติก็จะใช้พันธะ C=C นี้ ซึ่งกลไกการทำปฏิกิริยาก็มีอยู่ด้วยกันหลากหลายกลไก เช่นปฏิกิริยา Diels-Alder (อ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๐ Charge gas compression ภาค ๒ MO Memoir : Thursday 2 June 2559")

รูปที่ ๓ ตัวอย่างสิทธิบัตรสหภาพยุโรปที่ใช้ Bismaleimide เป็นสารบ่มยาง

งานหนึ่งที่มีการนำเอา Bismaleimide ไปใช้กันอย่างกว้างขวางคือการนำไปใช้ทำ epoxy resin ที่ทนอุณหภูมิสูง มีความแข็งแรงสูง และดูดความชื้นต่ำ จึงมีการนำไปใช้ในการขึ้นรูปเป็นโครงสร้างของอากาศยานต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมด้านอวกาศและการบิน, แผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์, carbon fibre composite เป็นต้น

และด้วยการที่ Bismaleimide เป็นวัสดุที่มีความสำคัญในการอุตสาหกรรมด้านอวกาศและอากาศยาน มันจึงถูกจัดให้เป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง โดยอยู่ในหมวด 1C008.a.1 (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ Bismaleimide เป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1C008.a.1

ถุงลมนิรภัยกับยาน้องหมาแมว MO Memoir : Thursday 4 June 2569

แคลเซียมคาร์ไบด์ (Calcium Carbide - CaC₂) ผลิตได้จากการเผาถ่านโค้ก (Coke - C) กับหินปูน (Lime - CaCO₃) ที่อุณหภูมิสูงมากพอ แคลเซียมคาร์ไบด์นี้ถ้านำมาทำปฏิกิริยากับน้ำก็จะได้แก๊สอะเซทิลีน (Acetylene - C₂H₂) ที่บ้านเราเรียกหินแก๊สหรือแก๊สก้อน ในอดีตตามตลาดนัดกลางคืนจะเห็นพ่อค้าแม่ค้าจุดตะเกียงแก๊สที่ใช้แก๊สที่ผลิตจากแคลเซียมคาร์ไบด์นี้ นอกจากนี้ก็ยังมีการใช้เป็นแก๊สบ่มผลไม้ให้สุก และอู่ซ่อมท่อไอเสียบางอู่ก็ยังใช้แก๊สที่ผลิตจากแคลเซียมคาร์ไบด์นี้ในงานตัดท่อและเชื่อมท่อไอเสีย (คือแบตเตอรี่ของรถมันใช้ตัวถังเป็นขั้วลบ และในการเชื่อมไฟฟ้านั้นก็ต้องมีการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวชิ้นงานที่ต้องการเชื่อม มันก็เลยมีสิทธิเข้าไปกวนกันได้ การเชื่อมแก๊สจะปลอดภัยกว่า)

(ถ่านโค้กก็ได้จากการเอาถ่านหินเกรดสูงหน่อยไปเผาในที่ที่มีอากาศจำกัด อุตสาหกรรมหนึ่งที่ใช้ถ่านโค้กเยอะก็คือการถลุงเหล็ก คือพอเอาถ่านโค้กไปเผากับแร่เหล็ก (สารประกอบเหล็กออกไซด์) ในสภาพอากาศจำกัด ถ่านโค้กก็จะกลายเป็นแก๊ส CO หรือคาร์บอนมอนอกไซด์ ที่จะไปดึงออกซิเจนออกจากเหล็กกลายเป็นแก๊ส CO₂ ไป)

ถ้าเอา CaC₂ ไปเผาที่อุณหภูมิสูง (ระดับ 1000ºC) โดยมีแก๊สไนโตรเจนไหลผ่านก็จะได้สารประกอบที่มีชื่อว่าแคลเซียมไซยานาไมด์ (Calcium Cyanamide - CaCN₂) (รูปที่ ๑) ซึ่งเมื่อนำสารนี้ไปทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) ก็จะได้ไซยานาไมด์ (Cyanamide - H₂NCN) (รูปที่ ๒)

 รูปที่ ๑ การสังเคราะห์แคลเซียมไซยานาไมด์ 

รูปที่ ๒ การสังเคราะห์ไซยานาไมด์

ถ้านำไซยานาไมด์ไปทำปฏิกิริยากับเบสก็จะได้สารประกอบที่มีชื่อว่าไดไซยานไดเอไมด์ (Dicyandiamide) หรือ 2-ไซยาโนกัวนิดีน (2-Cyanoguanidine) (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ การสังเคราะห์ 2-Cyanoguanidine

เมื่อนำไดไซยานไดเอไมด์ไปทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียมไนเทรต (Ammonium Nitrate -NH₄NO₃) ก็จะได้เกลือกัวนิดิเนียมไนเทรต (Guanidinium Nitrate) หรือกัวนิดีนไนเทรต (Guanidine Nitrate) (รูปที่ ๔) ซึ่งมีการนำมาใช้เป็นสารทำให้เกิดแก๊สให้กับถุงลมนิรภัยเพราะให้แก๊สในปริมาณมากโดยที่อุณหภูมิไม่สูงมาก (ปลอดภัยต่อวัสดุที่ใช้ทำถุงลมนิรภัย) แต่ถ้านำเกลือนี้ไปปฏิกิริยาต่อกับกรดกำมะถัน (Sulphuric acid - H₂SO₄) ก็จะได้สารประกอบไนโตรกัวนิดีน (Nitroguanidine) (รูปที่ ๕)

รูปที่ ๔ การสังเคราะห์ Guanidinium Nitrate

รูปที่ ๕ การสังเคราะห์ Nitroguanidine

บริษัท Mitsui Chemicals ประเทศญี่ปุ่น ได้นำเอา Nitroguanidine ไปสังเคราะห์เป็นยากำจัดเห็บและหมัดในสุนัขและแมวที่มีชื่อว่าไดโนทีฟูแรน (Dinotefuran) (รูปที่ ๖ และ )) ส่วนรูปที่ ๘ เป็นหนึ่งในวิธีการสังเคราะห์ (มันมีด้วยกันหลายวิธี ซึ่งวิธีการในรูปที่ ๘ ก็ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นวิธีการแรกที่ทาง Mitsui ใช้หรือเปล่า)

รูปที่ ๖ Dinotefuran ที่ใช้เป็นยากำจัดเห็บและหมัดในสุนัขและแมว

รูปที่ ๗ หนึ่งในยาหยดหลังสุนัข (และแมว) เพื่อกำจัดเห็บและหมัด ที่ใช้ Dinotefuran เป็นส่วนประกอบ

รูปที่ ๘ หนึ่งในเส้นทางการสังเคราะห์ Dinotefuran จาก Nitroguanidine

Guanidine nitrate และ Nitroguanidine ถูกจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-use item - DUI) ในหมวด 1C011.c และ 1C011.d ตามลำดับ (รูปที่ ๙) เลข "0" ที่อยู่หลังตัวอักษร C บอกว่าสารสองตัวนี้มีที่ทางจาก Wassenaar หรือ Nuclear Supplier group (NSG) trigger lists แสดงว่ามันมีความเกี่ยวข้องกับอาวุธนิวเคลียร์ สาเหตุก็เป็นเพราะสารสองตัวนี้จัดเป็น Insensitive explosive คือเป็นวัตถุระเบิดแรงสูงที่จุดระเบิดได้ยาก ซึ่งเรื่องนี้เป็นเรื่องสำคัญสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ที่ป้องกันการระเบิดจากเหตุที่ไม่ได้ตั้งใจ (เช่นหัวรบโดนไฟครอกหรือระเบิดนิวเคลียร์ตกจากเครื่องบินด้วยอุบัติเหตุ) เรื่อง Insensitive explosive นี้อ่านตัวอย่างเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "ปฏิกิริยา Nucleophilic substitution ของสารประกอบ Organic halides MOMemoir : Wednesday 7 September 2559")

รูปที่ ๙ สินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1C011