รศ.ดร.สมบัติ คชสิทธิ์ อธิการบดี · นโยบายรัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ
บทที่ ทฤษฎี - Chiang Mai...
Transcript of บทที่ ทฤษฎี - Chiang Mai...
3
บทท 2
ทฤษฎ
2.1 เสนใยธรรมชาต [2, 7-10]
เสนใยธรรมชาตเปนวสดอนทรยทสาคญ พบไดงายทวไปตามธรรมชาต เสนใยธรรมชาตสามารถแบงไดเปน 3 กลม ตามแหลงกาเนดเสนใยแสดงดงรป 2.1 ซงจาแนกไดดงน 1. เสนใยทไดมาจากพช (Vegetable fiber) ซงรวมถงเสนใยฝาย เสนใยแฟลกซ เสนใยปาน ปอ และพชชนดอนๆ เชน สบปะรด ผกตบชวา ไผ และกลวย เปนตน เสนใยเหลานจะมองคประกอบสวนใหญเปนพวกเซลลโลส (Cellulose) 2. เสนใยทไดมาจากสตว (Animal fiber) เปนเสนใยทไดมาจากสตว เชน แพะ แกะ และไหม เปนตน ซงเสนใยเหลานจะมสวนประกอบของกรดอะมโนตางๆ ประกอบเปนโปรตน
3. เสนใยทไดมาจากแรธาต (Mineral fiber) ซงไมคอยจะนยมใชในงานสงทอปกตแตจะนยมใชกบงานดานทนไฟ และความรอน โดยเฉพาะอยางยงเสนใยหน (Asbestos)
รป 2.1 การจาแนกเสนใยตามแหลงกาเนด [10]
เสนใย
จากแร
ใย
จากพช
ลาตน (ไผ)
เมลด (ฝาย)
ใบ (สบปะรด)
ฯลฯ
จากสตว
ขนสตว
ไหม
ฯลฯ
4
2.1.1 องคประกอบทางเคมของเสนใยธรรมชาต [11]
องคประกอบทางเคมของเสนใยธรรมชาต มความหลากหลายขนกบชนดของเสนใย โดยเสนใยธรรมชาตประกอบดวยพอลเมอรหลก 4 ชนด คอ เซลลโลส (Cellulose) เฮม-เซลลโลส (Hemicellulose) เพกทน (Pectin) และลกนน (Lignin) ซงสมบตแตละองคประกอบจะสงผลตอสมบตของเสนใยดวย องคประกอบทางเคมของเสนใยธรรมชาตชนดตางๆ แสดงดงตาราง 2.1 ตาราง 2.1 องคประกอบทางเคม ปรมาณความชน และมมไมโครไฟบรลลา (Microfibrillar angle)
[1, 12]
Fiber Cellulose
(wt%)
Hemicell-
uloses
(wt%)
Lignin
(wt%)
Pectin
(wt%)
Moisture
content
(wt%)
Waxes
(wt%)
Microfibrillar
Angle (deg)
Bamboo
Flax
60.8
71
18.6-20.6
32.2
2.2
2.3
8-12
1.7
2-10
5-10
Hemp 70-74 17.9-22.4 3.7-5.7 0.9 6.2-12 0.8 2-6.2
Jute 61-71.5 13.6-20.4 12-13 0.2 12.5-
13.7 0.5 8
Kenaf 45-57 21.5 8-13 3-5
Ramie 68.6-76.2 13.1-16.7 0.6-0.7 1.9 7.5-17 0.3 7.5
Nettle 86 11-17
Sisal 66-78 10-14 10-14 10 10-22 2 10-22
Henequen 77.6 4-8 13.1
Banana 63-64 10 5 10-12
Abaca 56-63 12-13 1 5-10
Oil palm
EFB 65 19 42
Oil palm
mesocarp 60 11 46
Cotton 85-90 5.7 0-1 7.85-8.5 0.6 -
Coir 32-43 0.15-0.25 40-45 3-4 8 30-49
5
ในป ค.ศ.1838 Anselme [13,14] ศกษาวาผนงเซลลของพชสวนใหญประกอบดวย
เซลลโลส ซงเปนวสดเสรมแรงภายในผนงเซลล โดยเซลลโลสเปนพอลเมอรเชงเสน (Linear
polymer) สวนเฮมเซลลโลสประกอบดวยกลมของพอลแซกคาไรด (Polysaccharides) เมอกาจดลกนนออกไปองคประกอบทยงคงเหลออยกบเซลลโลส คอ เฮมเซลลโลส ซงสมบตทวไปของเฮ-
มเซลลโลส คอ มมวลโมเลกลตากว าเซลลโลส และเน องจากมนเปนพอลเมอรชอบนา (Hydrophilic polymer) ดงนนจงสงผลตอสมบตการสลายตวตามธรรมชาต การดดความชน และการสลายตวโดยความรอน องคประกอบทสาคญอกชนดหนงคอ ลกนน ทาหนาทเปนสารยดตดภายในผนงเซลล มความเสถยรทางความรอนสง แตมผลกระทบกบการยอยสลายโดยรงสอลตรา-ไวโอเลต (Ultraviolet) สวนองคประกอบสดทาย คอ เพกทน เปนเฮเทอโรพอลแซกคาไรด (Heteropolysaccharides) เปนเมทรกซภายในผนงเซลล
2.1.2 โครงสรางของเสนใยธรรมชาต เสนใยธรรมชาตจาพวกเสนใยพชเปนเสนใยเซลลโลส ประกอบดวย ไมโครไฟ-
บรล (Microfibrils) ซงเปนสวนทมการจดเรยงตวอยในสวนอสญฐานทเปนพวกลกนน (Lignin) และเฮมเซลลโลส (Hemicellulose) โดยไมโครไฟบรลจะเรยงตวตามความยาวของเสนใย มมทเกดขนระหวางการจดเรยงตวของ Fibril กบแนวแกนเสนใย เรยกวา Microfibrillar angle ซงลกษณะโครงสรางภายในเสนใยเซลลโลสแสดงดงรป 2.2 การเกดพนธะไฮโดรเจนและการพนกนภายในเสนใยทาใหเกดความแขงแรง (Strength) และความแขงตง (Stiffness) ของเสนใย
รป 2.2 โครงสรางภายในของเสนใยเซลลโลส ( = Microfibrillar angle) [9]
6
สมบตทางกายภาพของเสนใยธรรมชาตขนอยกบ โครงสรางทางเคม เชน
- ปรมาณของเซลลโลส (Cellulose) - Degree of polymerization
- การจดเรยงตวขององคประกอบทางเคม
- สมบตการเปนผลก
โดยสามารถทจะปรบปรงสมบตของเสนใยธรรมชาตไดมากมายขนกบชนดของพช แหลงทมา ความแตกตางของความยาว และขนาดของเสนใย
2.1.3 การดดแปรเสนใย (Fiber modification) [2]
จากสมบตการเขากนไดดกบนาของเสนใยธรรมชาตนเองททาใหเกดปญหาความไมเขากนระหวางเสนใยเซลลโลสกบเมทรกซ การยดเกาะระหวางผวของเสนใยเซลลโลสกบพอล-
เมอรเกดไดไมด การถายทอดความเคนและกระจายแรงกระทาทไดรบจากภายนอกระหวางเสนใยกบเมทรกซจงทาไดไมดดวย ซงจะสงผลกระทบโดยตรงตอสมบตเชงกลของวสดผสม การกาจดปญหาดงกลาวของเสนใยเซลลโลสสามารถทาไดโดยทาการดดแปรสมบตของเสนใย เพอเพมสมบตการตานทานการดดซบนาและเพมการยดเกาะระหวางผวของเสนใยกบพอลเมอร การดดแปรสมบตของเสนใยสามารถทาไดทงทางกายภาพ (Physical method) และทางเคม (Chemical
method) 1. การดดแปรสมบตทางกายภาพของเสนใย จะเปนการเปลยนเฉพาะโครงสราง
และสมบตทางพนผวของเสนใยเทานน ไมไดทาการเปลยนองคประกอบทางเคมของเสนใย เชน วธทางไฟฟา (Electrical discharge method และ Corona treatment)
2. การดดแปรสมบตทางเคมของเสนใย จะเปนการเปลยนองคประกอบทางเคมของเสนใย โดยนาสารเคมบางอยางมาทาปฏกรยากบหมไฮดรอกซล (-OH groups) ของเสนใยทาใหเกดการตอกงของหมฟงกชน หรอเกดการยดเกาะทผวนอก เชน การทาปฏกรยากบสารคควบ (Coupling agent treatments) การทาใหโคพอลเมอรดวยการตอกง (Graft copolymerization) และอะเซทเลชน (Acetylation)
ซงพอลเมอรแตละชนดกมความชอบทจะเขากนไดกบเสนใยเซลลโลสทผานการดดแปรแตกตางกน ทงนเนองจากพอลเมอรแตละชนดนนมโครงสรางทางเคมแตกตางกน ดงนนการเลอกวาจะใชการดดแปรเสนใยดวยวธใดกตองคานงถงเรองการเขากนไดกบตวเมทรกซทใชดวย
7
2.1.4 สมบตเชงกลของเสนใยธรรมชาต [1]
สมบตเชงกลของเสนใยธรรมชาตไมไดขนอยกบชนดของเสนใยธรรมชาตเทานน สมบตตางๆ ยงขนอยกบปรมาณของเซลลโลส และปจจยอนๆ เชน จานวนเซลล ขนาดของเซลล และขนาดของลเมน เสนใยทมการยดมากกวา 5% จะนมแตเหนยว ในขณะทเสนใยธรรมชาตทมการยดนอยกวา 5% จะเหนยวแตเปราะ สมบตเชงกลของเสนใยธรรมชาตแสดงในตาราง 2.2
ตาราง 2.2 แสดงคาลกษณะเฉพาะเกยวกบความหนาแนน เสนผานศนยกลาง และสมบตเชงกลของเสนใยจากธรรมชาตและเสนใยสงเคราะห [1, 12]
Fiber Density (g cm-3)
Diameter
(m) Tensile
Strength (MPa) Young’s
Modulus (GPa) Elongation
at Break (%)
Bamboo Flax
1.15 1.5
300-380 40-600
518 345-1500
2.0-4.5 27.6
2 2.7-3.2
Hemp 1.47 25-500 690 70 1.6 Jute 1.3-1.49 25-200 393-800 13-26.5 1.16-1.5 Kenaf 930 53 1.6 Ramie 1.55 - 400-938 61.4-128 1.2-3.8 Nettle 650 38 1.7 Sisal 1.45 50-200 468-700 9.4-22 3-7 Oil palm EFB
0.7-1.55 150-500 248 3.2 25
Oil palm mesocarp
80 0.5 17
Cotton 1.5-1.5 12-38 287-800 5.5-12.6 7-8 Coir 1.15-1.46 100-460 131-220 4-6 15-40 E-glass 2.55 17 3400 73 2.5 Kevlar 1.44 3000 60 2.5-3.7 Carbon 1.78 5-7 3400a-4800b 240b-425a 1.4-1.8
a Ultra high modulus carbon fibers b Ultra high tenacity carbon fibers
โดยทวไปเสนใยธรรมชาตเหมาะสาหรบนามาเสรมแรงพอลเมอร เนองจากความแขงแรง ความเหนยวและความหนาแนนตา ความหนาแนนของเสนใยธรรมชาตตากวาเสนใยแกวดงนนจงสามารถผลตวสดผสมทมนาหนกเบาได อยางไรกตามสมบตอนๆ ของเสนใยแกวกยงคงดกวาเสนใยธรรมชาต เชน ความตานทานแรงดง (Tensile strength) อตรารอยละของการยด (Percentage of elongation) และ มอดลสการยดหยน (Elastic modulus) อยางไรกตาม สามารถปรบปรงสมบตของเสนใยธรรมชาตเพอใหมสมบตทดขนได ความแตกตางของโครงสรางเสนใยทเกดจากกระบวนการผลตตางๆจะใหคามอดลสของยง (Young’s modulus) แตกตางกนออกไป ดงแสดงในตาราง 2.3
8
ตาราง 2.3 แสดงความสมพนธระหวางโครงสรางของเสนใย วธการผลต และมอดลส [13]
โครงสราง การผลต ผลผลต มอดลสของยง E
ไม
เสนใย
ไมโครไฟบรล
การตกผลก
การบดละเอยด
(Pulping)
การแยกสลายดวยนา ตามดวยการแยกสลายเชงกล
(Mechanical disintegration)
ยงไมมเทคโนโลย
10 GPa
40 GPa
70 GPa
250 GPa
2.1.5 เส
หญามถนกาอบอน และเขทางใต และต(Species) (D
สวนทพบในสารวจอยบาง วทยาศาสตรผานศนยกลาลาปลอง แตลแพรพนธดวเชงกลของไมแตกตางกนเแขงแรงมากสมประสทธวา ไผรวกอา
สนใยไผ [6]
ไมไผเปนพชเนดและการกขตรอน ยกเวตะวนออกเฉยDransfieid, 19
นประเทศไทยง เนองจากขนสาหรบงาน คอ Thyrsost
างประมาณ 9
ละปลอง ยาว
ยหนอ ซงแทมไผรวก พบพยงเลกนอยกกวาทอนกความยดหยนาย 2 ป ทใชเ
รป 2
ชใบเลยงเดยวกระจายพนธนทวปยโรป ยงใตของทวป980) ในขณะยมประมาณ 1
นอยในปาลกแนวจยนจะใชtachys slam
.5 cm. สง 5-
7-23 cm. ลกทงออกมาจากวา ความแขงย ทงไมไผในลาง และทอนเทานนททอนเสรมแผนพน
9
2.3 ลกษณะข
วทมอายยนยาอยางกวางขว(Liese, 1986
ปเอเชย คอ มทไมไผทวโล13 สกล 60 ชและขาดแคลเสนใยไผชนensis Gamb
10 m. ไมมหกษณะทางพฤกโคนตน จางแรงของไผรสภาวะสดแลอนกลางมควนปลายมคามนสาเรจรปเพอ
ของตนไผ ชน
าวหลายปอยวางเกอบทกส6) ไมไผมการการกระจายพลกมประมาณชนด ซงคาดวนผเชยวชาญในดไผรวก มาble ไผรวกจะนาม หนาใบกษศาสตร มกการศกษาสรวกทสภาวะละสภาวะแหวามแขงแรงากกวาทอนกอใชสาหรบส
นดไผรวก
ในวงศ Gra
สวนของโลก
รกระจายพนธพนธถง 45 สก 75 สกล 1,25
วายงมบางชนในการจาแนกาเปนกรณศกะเปนไผลาเลกมขนเลกๆ กากขนเองตามปสมบตบางประสดและสภาว
หงนนในสวนงมากกวาทอกลางและทอนสวนของโครง
amineae เชนทงในเขตห
ธมากทสดในกล (Genus) 7
50 ชนด (FA
นดทหลงเหลกชนดพนธ กษา ซงไผชนก ขนชดแนนาบหม กาบหนปาราบและบนะการทางกายวะแหง พบวนของทอนโคอนปลาย นอนโคน [15] แงสรางอาคาร
นเดยวกบหนาว เขตแถบรอน750 ชนด
AO, 1978)
อจากการ
นดนมชอนทบ เสนนอ สขาว นเขาสงๆ
ยภาพและา มความนมความ
อกจากคาละพบอกขนาดเบา
10
โดยการหาคาหนวยแรงดงประลยและมอดลสยดหยน มคา 1776 kg/cm2 และ 2.40 x 105
ตามลาดบ [16] สมบตเหลานเปนทนาสนใจอยางมากในเชงกายภาพ สามารถนาไปคนควาวจยและประยกตใชเพอประโยชนในดานตางๆ อกมาก
ประโยชนของไมไผ ไมไผ ซงเมอแบงออกเปนหมวดหม และแยกออกเปนประเภทๆ แลว สามารถใชไมไผมาทาเปนประโยชนไดดงน 1. ดานการอนรกษธรรมชาต เชน - ปองกนการพงทลายของดนตามรมฝง
- ชวยเปนแนวปองกนลมพาย
- ชะลอความเรวของกระแสนาปาเมอฤดนาหลากกนภาวะนาทวมฉบพลน
2. ประโยชนจากลกษณะทางฟสกส จากความแขงแรง ความเหนยว การยดหด ความโคงงอ และการสปรงตว ซงเปนคณลกษณะประจาตวของไมไผ เราสามารถนามนมาใชเปนวสดเสรมในงานคอนกรต และเปนสวนตางๆ ของการสรางทอยอาศยแบบประหยดไดเปนอยางดอกดวย
3. ประโยชนจากลกษณะทางเคมของไมไผ - เนอไผใชบดเปนเยอกระดาษ
- เนอไผบางชนดสามารถสกดทายารกษาโรคได - ใชในงานอตสาหกรรมนานาชนด
4. การใชไมไผในผลตภณฑหตถกรรม และอตสาหกรรม แบงออกได ดงน ผลตภณฑเครองจกสานจากเสนตอก ไดแก กระจาด กระบง ฯลฯ ผลตภณฑจากลาตน และกงของไมไผ ไดแก เกาอ โตะ ชนวางหนงสอ ทาดามไมกวาด ฯลฯ ผลตภณฑจากเนอไมไผ ไดแก ถาดใสขนม ทพพไม ตะเกยบ ไมเสยบอาหาร ฯลฯ ผลตภณฑทไดจากไผซกไดแก โครงโคมกระดาษ โครงพด โครงรม ลกระนาด คนธน ฯลฯ
5. ประโยชนทางดานการบรโภค เชน การนาหนอไมไผมาทาเปนอาหาร ไมวาจะเปนซบ แกง ตม หรอนามาดองจมนาพรก
การทาเสนใยไผจะทาจากสวนของลาตนของตนไผ ความยาวและความแขงแรงของเสนใยจะขนอยกบตนไผ และสมบตของเสนใยจะพจารณาจากความยาว ความแขงแรง ความทนทาน ความสามารถในการดดซม และความตานทานจากเชอรา เปนตน
11
2.2 ทอนาโนคารบอน (Carbon Nanotube : CNTs) [17]
ทอนาโนคารบอนเปนอกโครงสรางหนงของคารบอน ซ งเพ งคนพบในป ค .ศ .1991 กลาวคอ มลกษณะคลายกบ ฟลเลอรน (Fullerene) ตางกนทฟลเลอรนมโครงสรางเปนทรงกลม (Spherical shape) แต CNTs มโครงสรางเปนทรงกระบอก (Cylindrical shape) ชอของ CNTs
มาจากขนาดทอยในระดบนาโน (10-9m) หรอมความกวางประมาณ 1 ใน 10,000 ของความกวางของเสนผม 2.2.1 การคนพบ CNTs
การคนพบ CNTs เกดจากความบงเอญท Sumio Iijima นกวจยจากหองปฏบตการของบรษท NEC ในญปน ขณะกาลงสงเคราะหฟลเลอรนโดยวธการระเหยดวยการอารก (Arc-
evaporation) แลวพบวาทขวคาโทดเกดมวสดโครงสรางแบบแกรไฟตทเปนทงอนภาคขนาดนาโนและทอนาโน ซงเปนโครงสรางทไมเคยมผใดสงเกตเหนมากอน ตอมาทมงานของอจมาสามารถสงเคราะหวสดดงกลาวในปรมาณมาก โดยปรบสภาวะของวธการระเหยดวยการอารก ทอนาโนทเกดขนนมลกษณะเปนทอแกรไฟตทมเสนผานศนยกลาง 3-10 nm และมความยาวในชวง 1 m และเปนทอซอนกน 2-50 ชน เรยกวา Multi-Walled Carbon Nanotube (MWNT) ตอมามการสรางและทาใหบรสทธ แพรหลายไปตามหองปฏบตการตางๆ ทวโลก รวมถงการพฒนาเปนทอเดยวทเรยกวา Single-Walled Carbon Nanotube (SWNT) ในอกสองปตอมาทอขนาดนาโนของแกรไฟตนสามารถเปนไดทงแบบทอปลายเปดหรอปลายปด (Cap) ถาเปนแบบปลายปดจะครอบดวยครงทรงกลมของฟลเลอรน C- 60 ขนาดของทอสาหรบ SWNT มตงแต 0.7 ถง 2 nm สวน MWNT มขนาดระหวาง 10 ถง 300 nm โดยมชองวางระหวางชนของแตละทอมขนาดอยในระหวาง 0.34 ถง 0.36 nm สามารถทาใหยาวไดถง 20 cm และมรายงานวาสามารถทาใหยาวไดถง 100 m ลาสดสามารถทาทอคารบอนนาโนทวบ ขนาดเลกสดไดถง 3 Å
2.2.2 สมบตของ CNTs
เราทราบกนดวาเพชรมความแขงแกรงมาก ดวยโครงสรางโครงตาขายสามมตจากการเชอมตอระหวางพนธะของอะตอมคารบอนทมสตาแหนงอยางลงตว ขณะทโครงสรางของแกรไฟตนนคารบอนหนงอะตอมเชอมพนธะกบคารบอนอกสามอะตอมในระนาบเดยวกนและอกหนงพนธะทเหลอจะยดกบระนาบถดไป พนธะในระนาบเดยวกนของแกรไฟต (กราฟน) มความแขงแกรงมาก (มากกวาเพชร) แตพนธะระหวางระนาบไมแขงแรงมากนกและเลอนไหลได ดวยลกษณะโครงสราง CNTs ดงกลาวรวมถงพนธะระหวางอะตอมคารบอนทยาวเพยง 0.14 nm (สน
12
กวาเพชร) จงทาให CNTs แขงแรงกวาเพชร และแกรไฟต คาความยดหยน (Young’s modulus of
elasticity) ของ CNTs มคาสงถง 1 TPa หรอ 1000 GPa และ CNTs มพนทผวไดถง 1500 m2/g โดยมความหนาแนน 1.33 ถง 1.40 g/cm
3 ซงนอยมากเมอเทยบกบอลมเนยมทมความหนาแนนสงถง 2.7 g/cm
3 CNTs มความสามารถในการนาไฟฟาไดดกวาทองแดง มดหนงของ CNTs
สามารถนาไฟฟาไดถง 109 A/cm2 ขณะททองแดงไดสงสดเพยง 106 A/cm
2 สมบตเชงไฟฟาอกอยางหนงทนาสนใจของ CNTs คอ สามารถปลดปลอยอเลกตรอนจากปลายของ CNTs ในสภาวะสญญากาศได เม อวางอย ในสนามไฟฟาทใชคาศกยตากวา เชน จะกระตนฟอสเฟอร (Phosphors) ทวางไวหาง 1 mm ใชศกยไฟฟาเพยง 1-3 V ขณะทตองใชศกยไฟฟาสงถง 50-100 V สาหรบปลายทเปนขวโมลบดนม (Molybdenum)
CNTs มความสามารถนาความรอนไดดมากตามแนวยาวของทอ CNTs แตเปนฉนวนความรอนไดดมากเชนกนตามแนวขวางของทอ CNTs ยงทนตออณหภมไดถง 2800 °C ภายใตสญญากาศ และ 750 °C ในสภาวะปกต สมบตเหลานเปนทนาสนใจอยางมากในเชงกายภาพ นอกจากนยงมการคนพบสมบตอกหลายประการเพมขนเมอมการประยกตใชเพอประโยชนในดานตางๆ อกมาก
2.2.3 การสงเคราะหและการผลต เทคนคในการผลตคารบอนนาโนทวบทใชกนอยในปจจบนมดงน
1. เทคนคแรกเรมคอดสชารจแบบอารก (Arc discharge) ซงเปนการใชกระแสไฟตรงขนาด 100 A และศกยประมาณ 20 V โดยควบคมอณหภมท 2,000 ถง 3,000 °C ซงทาใหเกดไอพลาสมารอนระหวางขวคารบอน 2 ขว จะเกดการควบแนนทขวแคโทด (เปน Water-cooled
electrode) ไดผลตผลเปน MWNT ประมาณ 30 เปอรเซนตของนาหนก และมขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 2-20 nm ดวยความยาวนอยกวา 50 nm และถามการใชโลหะคะตะลสตรวมดวยจะไดเปน MWNTs
2. ใชแสงเลเซอร (Pulsed-laser vaporation) ไปทาใหเปาคารบอนผสมโลหะกลายเปนไอในเตาเผาทอณหภม 1,100 – 1,200 °C และใชกาซเฉอย เชน อารกอนหรอไนโตรเจนไปกวาดทอนาโนทไดออกจากเตาเผาไปหลอเยนทตวเกบกก (Collector) ทองแดงดานนอกเตาเผา เทคนคนใชโคบอลตและนกเกลเปนตวเรงปฏกรยาได SWNTs ทเปนระเบยบมากกวาวธแรกแตมขอเสยคอตนทนการผลตสงทงสองเทคนคขางตนมปญหาในเรองของการสงเคราะหใหไดปรมาณมาก และทาใหได CNTs ทมระเบยบยาก
13
3. การตกเคลอบดวยไอทางเคม (Chemical vapor deposition : CVD) เปนอก
ทางเลอกหนงทมตนทนตา โดยอาศยการกอรปของทอนาโนบนวสดรองรบ (Substrate) เมอทาปฏกรยาของแกสผสมพวกไฮโดรคารบอน (เชน Acetylene methane หรอ Ethylene) และไนโตรเจน ภายในหองปฏกรยาทอณหภม 600 - 800 °C สาหรบการผลต MWNT และ 900 - 1200 °C สาหรบการผลต SWNT ในบรรยากาศปกต การเรงปฏกรยาทาไดโดยใชวสดรองรบพวกโลหะหรอโลหะออกไซด หรอปอนแกสดงกลาวรวมกบโลหะคะตะลสตเขาไปในหอง ซงทาใหสามารถผลต CNTs ไดในปรมาณมาก และสามารถควบคมขนาดและความยาวของ CNTs ไดงายโดยควบคมอตราการไหลของแกสและระยะเวลาในการเกดปฏกรยา
2.2.4 การประยกตใช CNTs
CNTs สามารถชวยเสรมความแขงแกรง (Reinforce) ของวสดเดมใหมากยงขน นาหนกเบา และสามารถสรางไดหลายรปแบบไดแก ฟลมบาง ไฟเบอร โฟม สารเคลอบ และ ผง เปนตน ปจจบนมการผลตวสดผสมของ CNTs ไดปรมาณมาก เชน พลาสตกเสรม CNTs เพอนามาใชในรถยนต ใชเปนชนสวนอเลกทรอนกสหรอเครองใชไฟฟา ดวยสมบตททนตอสารเคม ทนตอการหลดลอก รวมถงปองกนไฟฟาสถตยไดมากขน นอกจากนยงนาไปใชประโยชนสาหรบการสรางจอภาพอยางแบน และเซลลเชอเพลง (Fuel cells) ซง CNTs จะไปแทนทคะตะ-ลสตเดม คอ แพลตตนม
เนองจาก CNTs มขนาดเลกมาก ดงนนการจะจดเรยงอนภาคของ CNTs ใหไดตามตองการนนเปนสงทยาก แตไดมรายงานออกมาวาสามารถใชลาแสงเลเซอรสองเสนทางานคลายตะเกยบคอ จะคบและเคลอนยายอนภาคของ CNTs ไดตามตองการ ซงเรยกเทคนคนวา “Optical
Trapping” จงคาดวานาจะสามารถนา CNTs มาใชในการสรางไมโครชพทมความไวสงและใชพลงงานตาไดในอนาคต ในทางการแพทยแนวคดสาคญทจะใชประโยชนจาก CNTs คอการททอนาโนนสามารถเขาถงโครงสรางในระดบเซลลได คอสามารถใชเปนโพรบ (Probe) ตรวจวด หรอใชเปนปเปตขนาดเลกมากสาหรบปลดปลอยสารหรอโมเลกล (Ultrasmall pipette) เขาสเซลลเปาหมายได อนหลงนคอศกยภาพของ CNTs ในการขนถายและปลดปลอยยาเขาสอวยวะเปาหมาย (Targeted drug delivery)
14
2.3 วสดผสม (Composites) [18-20]
วสดผสมเปนวสดทมวสด 2 ชนดขนไปเปนองคประกอบ วสดผสมสวนใหญประกอบดวยสารเตมทเหมาะสมหรอวสดเสรมแรงกบสารเชอมประสานพวกเรซนทเขากนได เมอผสมผสานกนแลวจะไดลกษณะทเปนสมบตทตองการ ตวแปรทจะทาใหวสดผสมมสมบตตางๆ กน มมากมายทงนรวมถงรปราง ปรมาตร และสวนประกอบของสารเตมหรอวสดเสรมแรงทฝงกระจายในเนอวสดผสม แบบอยางของวสดผสมมพวกดสเพอรชนฮารดเดนด (Dispersion hardened)
และไฟเบอรสเตรงเทนด (Fiber-strengthened) ในโลหะ เซรามก แกว คอนกรต และพลาสตก ตวอยางของวสดผสมพวกดสเพอรชนฮารดเดนด ไดแก การมอนภาคของวสดแขงฝงในเนอวสดออน เชน อนภาคของเหลกหรอโครเมยมฝงในทองแดง อนภาคของทอเรย (Thoria) ในนกเกล หรอวสดผสมของทองแดง-ซลมาไนต (Silimanite) ทใชในการหามลอเครองบน
ตวอยางของวสดผสมพวกไฟเบอรสเตรงเทนด ไดแก เสนใยแกว เสนใยทเสรมแรงในพลาสตก (FRP) โฟมพอลเอทลนในพวซทใชทาเบาะนง หรอโฟมพอลสไตรน (Polystyrene form)
ใชทาทนลอยนา เปนตน
วสดผสมสวนใหญจะเปนพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย ซงประกอบดวยสวนประกอบสองสวนหรอมากกวา คอ สวนทเปนเสนใย และสวนทเปนเมทรกซ (Matrix) โดยเสนใยอาจมความยาวตอเนองตลอดความยาวของเมทรกซ หรอกรณทเสนใยมความยาวไมตอเนอง เชน เสนใยขนาดสนกระจายไมเปนระเบยบอยในเมทรกซ หรออาจมสวนทสาม ทเรยกวาอนเตอรเฟส (Interphase) อยรอบๆ เสนใยทาหนาทเปนตวยดเกาะระหวางเสนใยและเมทรกซ
โดยทวไปเสนใยและเมทรกซจะมสมบตทางกายภาพ (Physical properties) และสมบตเชงกล (Mechanical properties) ตางกน เสนใยจะมความแขงแรงมากกวาเมทรกซ และสามารถรบแรงกระแทกจากภายนอกทกระทาตอวสดผสมไดชวยไมใหเกดการเสยสภาพหรอการผดรปภายใตแรงกระทานนๆ เมทรกซโดยทวไปจะเปนพอลเมอรหรอพลาสตก ทาหนาทใหเสนใยกระจายตวและยดเกาะ และชวยถายเทแรงกระทาจากภายนอกทกระทาตอวสดผสมมายงเสนใย ตลอดจนชวยกาหนดรปรางของวสดผสม
ความแขงแรงของวสดผสมจะถกกาหนดโดยสมบตเสนใย สดสวนโดยปรมาตรของเสนใยในเมทรกซ ความแขงแรงและการกระจายตว ความแขงแรงของพนธะระหวางเสนใยและ
เมทรกซ ซงจะตองแขงแรงเพยงพอทจะปองกนไมใหแรงกระทาจากภายนอกสามารถแยกเสนใยและเมทรกซออกจากกน
15
2.4 องคประกอบของวสดผสม [18-20]
2.4.1 เมทรกซ (Matrix) ในวสดผสม เมทรกซทใชอาจจะเปนพวกเทอรมอพลาสตก (Thermoplastic) หรอ
เทอรมอเซต (Thermoset) โดยทเมทรกซมหนาทดงตอไปน
1. ใหเสนใยหรออนภาคกระจายตวและยดเกาะตามทศทางทตองการ
2. ปองกนไมใหเสนใยหรออนภาคเกดความเสยหายอนเนองมาจากสงแวดลอม
3. ถายเทแรงกระทาจากภายนอกไปสเสนใยหรออนภาค
4. ชวยกาหนดรปรางของวสดผสม
5. ตองเชอมดวยตวเสรมแรงได พอลเมอรเมทรกซทใชโดยทวไปแบงเปน 2 ประเภท ไดแก
1. เทอรมอเซตพอลเมอร (Thermoset)
พอลเมอรกลมนจะหลอมตวในเฉพาะครงแรกทไดรบความรอน และเกดการเชอมโยง (Cross linking) ระหวางสายโซโมเลกลดวยความรอนหรอตวเชอมขวาง (Cross linking
agent) ทาใหมเครอขายเปนแบบรางแห (Network) โครงสรางของพอลเมอรจะคงตวไมสามารถเปลยนแปลงไดอกเมอไดรบความรอน ตวอยางของเทอรมอเซตพอลเมอร ไดแก อพอกซเรซน (Epoxy resin) พอลเอสเตอร (Polyester) ฟนอล-ฟอรมลดไฮด (Phenol-formaldehyde) เปนตน
2. เทอรมอพลาสตก (Thermoplastic)
สามารถหลอมตวเมอใหความรอน แลวแขงตวเมอทาใหเยนตวลง การหลอมตวดวยความรอนสามารถทาไดหลายครง เนองจากไมมการเชอมโยงกนระหวางสายโซโมเลกล และไมเกดการเปลยนแปลงสมบตทางเคม และสมบตทางกายภาพอกดวย ตวอยางของเทอรมอพลาสตกพอล-
เมอร ไดแก พอลเอทลน (Polyethylene) พอลพรอพลน (Polypropylene) ไนลอน (Nylon) พอ-
ลสไตรน (Polystylene) เปนตน
อพอกซเรซน (Epoxy resins) [3] อพอกซเรซน หรออพอกซเปนเมทรกซ ทมสมบตทางกายภาพทกวาง มความแขงแรง
เขากนไดดกบเสนใยทกชนดและสามารถผานกระบวนการไดสะดวก ทาใหอพอกซเปนสารทไดรบการเลอกใชมากทสด สวนใหญแลวอพอกซจะใชในงานโครงสรางตางๆ ทงนโครงสรางทางเคมของเรซนของสารทาใหสก (During agents) ชนดของสารดดแปรโครงสราง (Modifying
reactants) ทมใหเลอกมากมาย และสภาวะการกอโครงสรางตาขาย (Curing conditions) จะเปนตวกาหนดสมบตความเหนยวทน ความทนทานตอสารเคมและตวทาละลาย สมบตทางกลตงแตทม
16
ความยดหยนสงจนถงมความแขงแรงสง (High strength) และมความแขง (Hardness) สมบตตานทานการคบ (Creep) และความลา (Fatique) นอกจากนอพอกซยงเดนในดานการยดเกาะ (Adhesion) เสนใยไดดเยยม ความทนทานความรอนและสมบตทางไฟฟาทด ปฏกรยากอโครงสรางตาขายไมกอใหเกดสารขางเคยง และมการหดตวตาหลงปฏกรยากอโครงสรางตาขาย ขอเสยของอพอกซทสาคญ คอ การดดความชน และความเปราะ
ตาราง 2.4 แสดงสมบตของอพอกซ [3]
สมบต
อณหภมการออนตว (Heat-deflection temperature) ท 1.82 MPa, °C
ความคงทนความรอนสงสดเมอใหความรอนอยางตอเนอง °C
สมประสทธการขยายตว cm/cm/°C x 10-5
ความแขงแรงดง (Tensile strength) MPa
เปอรเซนตการยด (% elongation)
ความทนแรงโคงงอ (Flexural strength) MPa
ความทนแรงอด (Compressive strength) MPa
ความทนแรงกระแทก (Notched Izod impact strength) J/m
ความแขง (Hardness) Rockwell M 90
ความถวงจาเพาะ
140
120
2.5
52
5
124
70
11
M105
1.0
2.4.2 ตวเสรมแรง (Reinforcement)
ตวเสรมแรง ไดแก พวกทเปนอนภาคหรอเสนใย สวนใหญนยมใชเปนตวเสรมแรง ซงเสนใยทนยมใชโดยทวไป คอเสนใยแกว (Glass fiber) เสนใยคารบอน (Carbon fiber) และเสนใยอะรามด (Aramid fiber)
หนาทของตวเสรมแรง ดงตอไปน 1. เพมความแขงแรงใหกบวสดผสม
2. สามารถรบแรงกระทาจากภายนอก โดยแรงกระทานนจะถกถายทอดไปตามเสนใยหรออนภาค
โดยทลกษณะของเสนใยทเปนตวเสรมแรงทด จะตองมลกษณะดงน 1. เสนผานศนยกลางมขนาดเลก
2. อตราสวนความยาวตอขนาดเสนผานศนยกลางมคาสง
17
3. มความโคงงอและความยดหยนสง
4. มคามอดลสของยงและคาความแขงแรงสง
2.4.3 สารเตมและสารปรบแตง (Filler and Additives)
สารเตมและสารปรบแตง นามาใชทงเทอรมอพลาสตกและเทอรมอเซตเพอเปลยนลกษณะการทางานของระบบเรซน กระบวนการหรอตวแปรทเกยวของกบราคาของสารเตมอาจเปนเรซนทมราคาโดยมวลตา ซงไมมผลตอการนาไปประยกตใชเลย สารเตมอนๆ ซงจะมผลตอการทาสารประกอบ และ/หรอชนงานสาเรจรป เชน แคลเซยมคารบอเนตชวยปรบปรงความเงางามของผวพอลไวนลคลอไรดชนดแขง และแทลคม (Talc) ชวยปรบปรงอณหภมเบยงเบนทางความรอน (Heat deflection temperature) ของพอลพรอพลน โดยสารเตมทงสองมการใชทวไปเนองจากมราคาตา และใชไดในปรมาณสง การเตมอะลมเนยมไทรไฮเดรตจะชวยทาใหเกดเปลวไฟชาลง (Flame retardant) นอกจากนยงมสารปรบแตงทชวยยบยงการเสยคณภาพจากแสงอลตราไวโอเลต สารปรบแตงทนาไฟฟาได (Conductive additives) ใชในพลาสตกชนดเสรมแรงเพอปองกนการสอดแทรกจากความถของคลนแมเหลกไฟฟาและวทย สวนสารใหส (Colorants) ชวยทาใหเกดส การเตมเมตลลคสเตยเรท (Metallic stearates) ในสารประกอบอดแบบเพอใหชนงานสาเรจรปหลดออกจากพนผวแมแบบไดงาย และสารปรบแตงประเภทเทอรมอพลาสตกทใชในสตรผสมเทอรมอ-
เซตเพอควบคมการหดตวทเกดขนในระหวางการบมตว ซงมผลดทาใหแบบทไดใกลเคยงกบขอกาหนดทตองการ พนผวจงเรยบจดอยในสนคาสาเรจรปประเภทเกรดเอ
2.5 แรงยดเหนยวระหวางเมทรกซกบเสนใย (Fiber-matrix interface) [20]
สมบตเชงกลของวสดผสมทมเสนใยเปนตวเสรมแรงไมไดขนกบความแขงแรงของเสนใยและเมทรกซเทานน แตยงขนอยกบลกษณะของผวสมผสระหวางเสนใยและเมทรกซซงพบวาผวสมผสระหวางเสนใย และ เมทรกซเปนสวนสาคญทาใหวสดผสมมสมบตเชงกลใกลเคยงกบทฤษฎ ในทางปฏบตระหวางเสนใยกบเมทรกซจะตองมแรงยดเหนยวทดเพอใชในการถายเทแรงกระทาจากเมทรกซสเสนใย ซงแรงยดเหนยวนนจะขนอยกบชนดและธรรมชาตของพนธะทเกดขน อาจมความแตกตางกนขนอยกบชนดของเมทรกซและเสนใยทใชในแตละระบบ
แรงยดเหนยวระหวางเสนใยกบเมทรกซแบงออกเปน 5 ประเภท คอ
1. การดดซบและการชบ (Adsorption and Wetting)
เมอผวสมผสของวตถ 2 ชนดเคลอนทเขามาใกลกนอยางพอเพยง แรงกระทาทางกายภาพทดทสดคอการชบพนผวของของแขงโดยของเหลว เพราะเนองจากพนผวสมผสของวตถทงสองจะ
18
มความขรขระในระดบขนาดเลก ทาใหการสมผสกนนนไมแนบสนทกน โดยจะยงมชองวางอย ดงรป 2.4 ซงเปนจดออนหายไปสงผลใหมการยดตดทดขน สาหรบการยดตดกนของพนผวเสนใยกบพอลเมอรเมทรกซนน เมทรกซทหลอมเหลวจะเขาไปแทนทในสวนบรเวณทขรขระขนาดเลกของผวเสนใย จดออนของรอยตอทจะเกดขนคอฟองอากาศภายใน (Void)
รป 2.4 แสดงการดดซบและการชบ [21]
2. การแพร (Diffusion)
การแพรกระจายของโมเลกลพอลเมอรชนดหนงไปยงโมเลกลของพอลเมอรอกชนดหนงสามารถทาใหเกดพนธะระหวางพนผวของพอลเมอรทงสองชนด การแพรกระจายโมเลกลของ
พอลเมอรเขาหากนนนจะทาใหสายโซโมเลกลเกยวพนกนเปนรางแห ดงรป 2.5 ความแขงแรงของพนธะจะขนกบจานวนสายโซโมเลกลทแพรเขาไป และพนกนยงเหยง ถามมากกจะมความแขงแรงของการยดตดกนมาก การแพรกระจายสามารถทาใหเกดขนได โดยใชพวกสารละลายหรอตวกลางพลาสตก (Plasticizing agents) ทมองคประกอบททาใหสายโซโมเลกลเคลอนทไดสะดวก สาหรบเสนใยเสรมแรงอาจมการเคลอบผวดวยพอลเมอรกอนทจะนาไปผสมกบเมทรกซ
รป 2.5 การแพรกระจาย และการเกยวพนกนของสายโซโมเลกลพอลเมอร [20]
3. การดงดดทางไฟฟาสถต (Electrostatic attraction)
เมอพนผวของวสดสองชนดทมประจไฟฟาตางขวกนมาสมผสกนจะเกดแรงดงดดทางไฟฟาสถตทาใหเกดการยดตดระหวางผวสมผส ดงรป 2.6 ความแขงแรงของการยดตดจะขนอยกบความหนาแนนของประจไฟฟา
19
รป 2.6 แรงดงดดทางไฟฟาสถตทผวสมผส [20]
4. การเกดพนธะทางเคม (Chemical bonding)
การเกดพนธะทางเคมเกดจากหมเคมของเมทรกซเกดพนธะกบหมเคมของผวเสนใย ความแขงแรงของพนธะขนอยกบจานวน และชนดของพนธะ สาหรบพนผวทเกดความเสยหายจะทาใหพนธะทางเคมขาดกนได ในสวนของเสนใยเสรมแรงจะมการใชตวประสานคควบเพอใหเกดพนธะทางเคมระหวางผวเสนใยกบเมทรกซ แสดงดงรป 2.7
รป 2.7 พนธะทางเคมระหวางผวสมผส 2 ชนด [20]
5. การยดตดทางกล (Mechanical adhesion)
การยดตดทางกลเปนการยดตดทเกดจากการยดเหนยวทางกลระหวางผวเสนใยทขรขระ และเมทรกซ โดยเมทรกซจะเขาไปแทรกในสวนทขรขระ และเปนมมทไมสามารถหลดออกมาได (Re-entrantangle) ของผวเสนใย ดงรป 2.8 ซงถามสวนนมาก ความแขงแรงของการยดตดกมากดวย นอกจากนผวทขรขระของเสนใยยงเปนการเพมพนผวสมผสอกดวย
รป 2.8 การยดตดทางกล [20]
20
2.6 การเสรมแรง (Reinforcement) การเรยงตวของเสนใยในเมทรกซ ในวสดผสมทเสรมแรงดวยเสนใย เสนใยอาจจะมการเรยงตวเปน 3 แบบ ดงรป 2.9 คอ
1. เรยงตวแบบตอเนองในทศทางเดยวกนตลอดความยาวของเมทรกซ (Unidir-ectional-
continuous fibers)
2. เรยงตวเปนระเบยบแบบไมตอเนอง (Aligned discontinuous fibers)
3. เรยงตวไมเปนระเบยบแบบไมตอเนอง (Randomly oriented discontinuous fibers)
รป 2.9 แสดงการเรยงของเสนใยพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย [12, 14, 21]
2.7 กลไกของการเสรมแรงดวยเสนใย [20]
2.7.1 เสนใยเ รยงตวแบบตอเน องในทศทางเดยวกนตลอดความยาวของเมทรกซ (Unidirectional continuous fiber) วสดผสมชนดนจะมเสนใยยาวเรยงตวในทศทางเดยวกนอยางตอเนองตลอดความยาวของเมทรกซ โดยทศทางทเสนใยเรยงตวจะเปนทศทางเดยวกบทศทางของแรงกระทาจากภายนอก ถาสมมตวาเสนใยทกเสนเหมอนกนและพนธะทเกดขนระหวางเสนใยของเมทรกซสมบรณ ความเครยด (Strain, ) ในวสดผสมจะเทากบความเครยดของเสนใยและเมทรกซ แรงกระทาตอวสดผสม (Wc) จะถกแบงไปยงเสนใย (Wf) และเมทรกซ (Wm) ดงรป 2.10
21
Volume of fiber Volume of composite
Vf =
Volume of matrix Volume of composite
Vm =
รป 2.10 แรงกระทาตอวสดผสมกรณเสนใยเรยงตวแบบตอเนองตลอดความยาวของเมทรกซ [21]
ดงนน Wc = Wf + Wm (2.1)
เนองจาก W = A (2.2)
เมอ = ความเคน (Stress)
A = พนทหนาตด (Cross-sectional area)
ดงนน cAc = fAf + mAm (2.3)
เมอ c , f , m เปนคาความเคนของวสดผสม เสนใยและเมทรกซ ตามลาดบ
Ac , Af , Am เปนพนทหนาตดของวสดผสมเสนใยและเมทรกซ ตามลาดบ
จดรปสมการ 2.3 ใหม จะได
AA c
mm
c
ff
c
(2.4)
นาสดสวนโดยปรมาตรของเมทรกซ (V) มาใช เชน กรณของเสนใย (ความยาวของเสนใยเทากบความยาวของวสดผสม)
สดสวนโดยปรมาตรของเสนใย AA
c
f (2.5)
สดสวนโดยปรมาตรของเมทรกซ AA
c
m (2.6)
แทนสมการ 2.5 และ 2.6 ลงในสมการ 2.4 จะได c = fAf + mAm (2.7)
และ Vf + Vm = 1 (2.8)
ดงนน c = fAf + m(1-Vf) (2.9)
เ มอวสดผสม เสนใย และเมทรกซ มสมบตของความยดหยน คาความเคน จะมความสมพนธกบ คามอดลสของยง (Young’s modulus, E) ดงน
Fc
F Ff
Fc
22
c = Ecc , f = Eff , m = Emm (2.10)
เนองจากคาความเครยดของวสดผสม (c) , เสนใย (f) และเมทรกซ (m) เทากน
c = f = m (2.11)
ดงนน Ec = EfVf + Em (1-Vf) (2.12)
เมอ Ec, Ef และ Em คอ คามอดลสของยงของวสดผสม, เสนใยและเมทรกซ ตามลาดบ
จากสมการ 2.7 c = fAf + mAm เมอสดสวนโดบปรมาตรของเสนใย (Vf) สงเกนกวาคาสดสวนโดยปรมาตรตาสด (Vmin) วสดผสมจะเกดการเสยสภาพเมอเสนใยเสยสภาพ ดงนน c
TS = fTSVf + ’
mV (2.13)
เมอ cTS = คาความทนแรงดงของวสด
fTS = คาความทนแรงดงของเสนใย
’ m = คาความเคนแรงดงทเกดจากเมทรกซ ณ ความเครยดททาใหวสดผสมเสยสภาพ
เมอสดสวนโดยปรมาตรของเสนใย (Vf) มคาตากวาสดสวนโดยปรมาตรทตาทสด (Vmin) วสดผสมจะเสยสภาพเมอคาความเคนของเมทรกซมคาเทากบ คาความทนแรงดงของเมทรกซ ดงนน c
TS = mTSVm (2.14)
2.7.2 เสนใยเรยงตวแบบไมตอเนอง (Discontinuous fiber) วสดผสมทนาไปใชในงานวศวกรรม โดยสวนใหญมการจดเรยงของเสนใยแบบไม
ตอเนอง โดยเสนใยทใชจะเปนเสนใยสน ถงแมวาความแขงแรงจะนอยกวาวสดผสมทมการจดเรยงตวของเสนใยแบบตอเนอง เมอพจารณาทสดสวน โดยปรมาตรของเสนใยทเทากน ขอดของเสนใยสน คอ สะดวกในการเตรยมวสด เชน เทคนคการฉดขนรป
การจดเรยงตวของเสนใยสนม 2 ลกษณะ คอ
1. เรยงตวขนานกนอยางเปนระเบยบ
2. เรยงตวแบบไมเปนระเบยบ
2.8 ตวประสานคควบ [18, 22, 23]
ตวประสานคควบจะชวยเพมแรงยดเหนยวระหวางเสนใย และเมทรกซ ทงทางกายภาพและทางเคม อกทงยงชวยปองกนผวของเสนใยจากความชน และปองกนความเสยหายทเกดจากกระบวนการผสม และการผลตวสดผสม โดยทวไปแลวการใชตวประสานคควบจะอยในขนตอนการปรบปรงผวเสนใยในกระบวนการผลตเสนใย และในสวนมากจะใชสารประกอบของไซเลน
และไททาเนควบเปนตวป
2.9 สมบตเช ความแขเปลยนแปลงชนด และสามหรอการอด (มกส พอลเมอการทดสอบ Testing and
Standard;
สามารถเปนแ
2.9.1 คว ควถายทอดตลอการเกดแรงตความเครยด (เขยนเปนกรา
ต เปนตวประประสานแสดง
ชงกล (Mecha
งแรงของวสดงรปราง หรอมารถทดสอบ(Tension or C
อร และวสดผ เชน มาตรฐาd Materials JIS) หรอมแนวทางในก
วามตานทานวามตานทานแอดแนวของชตานนเกดขน(Strain) ขนภาฟแสดงพฤต
ะสานคควบ ซงดงรป 2.11
รป 2.11 ก
anical prope
ดขนอยกบควอการแตกหก บไดโดยการทCompression
ผสมชนดตาง านสมาคมอเStandard A
มาตรฐานอน ารทดสอบได
แรงดง (Tens
แรงดงสามารชนตวอยาง ทนทวบรเวณขภายในวสด โดกรรมเชงกลข
23
ซงกลไกการป
กลไกของตวป
erties) [18, 2
วามสามารถข สมบตของวทาการทดลองn test) การทด ๆ จะตองทาเมรกนสาหรบ
ASTM) มาต ๆ ทยอมรบกด
sile strength
รถอธบายไดวศทางการเคลของชนตวอยดยความสมพของวสดไดเร
ประสานของเ
ประสานคคว
23-25]
ของวสดทจะรสดนนจะเปน การทดสอบดสอบตวอยางเปนรปทรง แบการทดสอบตรฐานอตสาหกนทวโลก ซง
h) [18, 23-29
วา ขณะทดงวลอนทภายในาง จะสงผลในธของความรยกวา กราฟค
เสนใยกบเมท
บ [22]
รงดวยแรงกรนลกษณะเฉพทสาคญ คอ กงของวสดไมวและขนาดตามบวสด (Amer
หกรรมญปน งมาตรฐานเห
9]
วสดดวยแรงภนแกนตามแนใหเกดความเมเคน และควาความเคน – คว
ทรกซทมตวป
ระทาโดยปราพาะตวของวการทดสอบโวาจะเปน โลมมาตรฐานกอrican Soci
(Japanese I
หลานเปนตวบ
ภายนอก แรงกนวแรงจะมกาเคน (Stress)
ามเครยดสามวามเครยด ดง
ประสานค
ศจากการสดแตละดยการดงหะ เซรา-อนทจะทาety for
Industrial
บงช และ
กระทาจะรตานกน
และารถนามางรป 2.12
กรแรง และควความเครยดอเรยกชอวา กฎ
โดดลสของควาคาความเคน กราฟความเคเสนกราฟ
ควกระทา คานจตอนว (in/in
อตราสวนระ
รป
ราฟความเคนามเครยดภายอยางเปนสดสฎของฮค (Ho
ดย แทนคาามยดหยน หร และ แทนคคน – ความเค
วามเครยดเปจะเกดขนพรอn) บางครงหวางสวนตา
ป 2.12 กราฟ
น – ความเครยยในขอบเขตสวน หลกการooke’s law) ซ
คงทของควารอ มอดลสขอคาความเครยครยด ดงนนม
นผลทเกดจาอมกบคาความงอาจใชหนวางของความยา
24
ความเคน – ค
ยดของวสดจะตของความยดรนคนพบโดยซงแสดงในรป
=
มเปนสดสวนองยง (Modul
ยด สมการนเปมอดลสของค
ากการเปลยนมเคน มหนวยวยเปนเปอรเซาว (L) ตอ ค
oL
L
ความเครยดขอ
ะแสดงความสดหยน การเพย โรเบรต ฮค ปแบบของสม
น (Constant o
lus of elastic
ปนสมการขอความยดหยน
นแปลงของอะยเปนมลลเมตซนตกได กาความยาวเดม
L
องวสด [29]
สมพนธแบบพมขนของห (Robert Ho
มการทางคณต
of proportion
city or Youn
องแนวเสนทเจงเทากบคว
ะตอมทเคลอตรตอมลลเมตรคานวณคาค (Lo) ดงสมกา
เชงเสนระหวนวยแรงจะท
ooke) โดยใชตศาสตร คอ
(2.1
nality) ซงเรยng’s modulus
เหยยดตรงเรามชน (Slope
อนทไปขณะถตร (mm/mm)
ความเครยดหาร
(2.1
วางหนวยทาใหเพมชสปรง จง
15)
ยกวา มอ-
s) แทนมตนของe) ของ
ถกแรงมา) หรอนวหาไดจาก
16)
25
ความเคนสามารถคานวณไดจากแรงภายนอก (F) ทมากระทาตอพนทหนาตดของวสด (A)
และเกดการตอตานขน โดยมหนวยการวดเปนแรงตอพนท เชน ปอนดตอตารางนว (psi) นวตนตอตารางเมตร (N/m2) หรอ ปาสคาล (Pa) โดยแสดงดงสมการ
A
F (2.17)
แรงภายนอกทมากระทาตอวสด และสงผลใหเกดความเคนนนมดงน 1. ความเคนแรงดง (Tensile stress)
2. ความเคนแรงอด (Compressive stress)
3. ความเคนแรงเฉอน (Shear stress)
4. ความเคนแรงดดโคง (Bending or Flexural stress)
ความเคนแรงดง (Tensile stress) คอ คาความเคนทเกดจากการดงโดยแรงภายนอกมากระทาตงฉากกบพนทหนาตด ซงเปนหนวยแรงตอพนท
ความเคนแรงอด (Compressive stress) คอ คาความเคนทเกดขนจากแรงดดหรอกด ซงพยายามใหวสดอดแนนตดกนหรอ ทาใหอะตอมของวสดอดแนน การทดสอบแบบนวสดจะเกดแรงตานจากแรงอดเพอใหเกดการคนตวของวสดในการรกษาสภาพของตวเองใหสมดล
ความเคนแรงเฉอน (Shear stress) คอ คาความเคนทเกดจากการทดสอบการดงหรอการอดเพอใหวสดเลอนผานกน ซงพนทจะขนานกบทศทางของแรงภายนอกทกระทา ความเคนแรงดดโคง (Bending or Flexural stress) คอ คาความเคนทไดจากการทดสอบกดชนตวอยางใหเกดการงอตวโดยใชหวกด ซงกดลงตงฉากกบชนตวอยางทอยในลกษณะแนวนอน โดยมตวรองรบเปนตวกาหนดชวงหาง
เปอรเซนตการยดตว (%Elongation) คอ การยดออกของชนงานทแสดงเปนคาเปอรเซนตของความยาวเรมตน ซงเปอรเซนตการยดตวนเปนการเพมขนของความยาวของชนงานทถกดง ถาเปนเปอรเซนตการยดตวทจดขาด (%Elongation at break) จะเปนการคดเปอรเซนตการยดขณะทชนงานขาดหรอแตกออก
เปอรเซนตความยด (% Elongation) = )(oL
L x 100 (2.18)
พนของวสด ถาวเสนกราฟนอ ซงกนดงรป 2.1
2.5
ตาราง 2.5 ล
สมบตของ
Soft, wSoft, tHard, bHard, s
Hard, t
ป
ใหแรงขนานกบการจดเรย
นทภายใตกรวสดใดมพนทอยจงเปนวสดงพลาสตกแต13 ซงลกษณ
รป 2.13 กรา
ลกษณะของกร
งพลาสตก
weak tough brittle strong tough
ปจจยทมผลกร1. การเต
การจนกบทศทางกยงตวของโมเล
าฟระหวางควทใตเสนกราทเปราะ
ตละประเภทกณะเสนโคงทป
าฟความเคน –
ราฟความเคน
ล
Modulus
Low Low High High High
ระทบตอคาคตรยมชนทดสจดเรยงโครงสารจดเรยงตวลกล กระบวน
26
วามเคน-ความฟมากจงเปน
กมลกษณะกรปรากฏ ทาให
– ความเครยด
น-ความเครยด
กษณะของกร
Yield str
LowLowNoneHighHigh
ความทนแรงดสอบและขนาดสรางโมเลกล ของโมเลกลอนการเตรยมช
มเครยดเปนสนวสดทมความ
ราฟระหวางคสามารถจาแน
ดของวสดพอล
ดทเกยวของก
ราฟระหวางค
ress Ulstr
e
LYieMo
HH
ดง การยดตว ดชนทดสอบมผลกระทบมอาจใหผลการนทดสอบกม
สงบงชถงความเหนยวมาก
ความเคนกบคนกสมบตของ
ลเมอร 4 ประ
บสมบตของพ
ความเคน-ควาltimate rength Low ld stress oderate High High
และมอดลสข
มากตอคาควารทดสอบทไดผลกระทบสา
มเหนยว (To
สวนวสดทม
ความเครยดทงพลาสตกได
ะเภท [29]
พอลเมอร [30
ามเครยด Elongatio
breakModera
HighLow
ModeraHigh
ของยง
ามตานทานแรดสงกวาใหแราคญ
ughness) มพนทใต
ทแตกตางดดงตาราง
0]
on at k ate
h
ate h
รงดง การรงตงฉาก
อยางไรกตาความเครยดเพ
อณหภมเปลยเพมขน
2.9.2 การแตกหกสความสมพนธประเมณคาคเทากบพนทใซงคามอดลสของวสดทตพลงงานตอหแสดงใหเหน
รป 2.14
2. อตรา ถาอต
มการยดยาวพมขน การยด
3. อณห สมบ
ยนเลกนอย เม
ความตานทา ทฟเนสส (To
สามารถวดสธกบความแขความเหนยวจาใตเสนโคงควสของความเหองใชในการหนวยปรมาตนถงความแตก
4 กราฟ Mod
าของความเครตราความเครยวออกจะแปรดตวจะลดลงภม (Temper
บตความทนแมออณหภมเพ
านแรงกระแทoughness) คสมบตดวยกางแรงและควาากมอดลสขอวามเคน ( ) –หนยว (Modul
รทาใหวสดเรของวสดทสกตางระหวางว
dulus of Tou
27
รยด (Rate of
ยดเพมขนจะใรผกผนกบสด
rature) แรงดงของพพมขน ความท
ทก (Impact s
อ ความสามารทดสอบแรามสามารถในองความเหนย– ความเครยดlus of tough
กดการแตกหสงกวาในการวสดเหนยวแล
ughness ของว
f straining) ใหคาความทดสวนของอ
พลาสตกบางทนแรงดงและ
strength) [25
ารถของวสดทงกระแทก (Iนการยดตวขอว (Modulus
ด () ทไดจากhness) น จะแหกเสยหาย วรทาใหวสดเกละวสดเปราะ
วสดเหนยว (a
นแรงดงและตราความเค
อยางจะเปละมอดลสจะล
5]
ทจะดดซบพลImpact te
องวสด เนองจof Toughne
กการทดสอบแสดงถงพลงวสดทมความกดการแตกหก
a) และวสดเป
มอดลสของยรยด นนคอเ
ลยนอยางรวดลง ขณะทก
ลงงานไวไดโest) ซงความจากโดยทวไปess) ซงกาหนแรงดง (Tens
งานตอหนวยมเหนยวสงกกเสยหาย จาก
ปราะ (b) [24,
ยงเพมขน เมออตรา
ดเรวเมอการยดยาว
ดยไมเกดมเหนยวมปเรามกจะนดใหมคาsile test)
ยปรมาตรกวาจะใชกรป 2.14
26]
เชงกลฟาดกรชนทดสอบ สมการ 2.19
เมอ B =
h =
เครอ
ซอด (Izod ty
การพลงงานทตอปอนดตอตาร
สมบตความระทบตอพนท(Eab) สามาร
ความกวางขอความหนาขอ
องทดสอบคว1. แบบตมน
ype) หรอ แบ2. แบบนาหทดสอบโดยองใชในการทรางนวของรอ
รป 2.15
มทนแรงกระทหนาตดตามถทราบคาพล
องชนทดสอบองชนทดสอบ
วามตานทานแนาหนกเหวยงบบชารป (Cha
นกตกกระแทใชตมนาหนทาใหชนทดสอยบาก
5 การทดสอบ
28
แทกสนใจในมแนวเดยวกบลงงานของกา
ImE =
บ
(หากมรอยบ
แรงกระแทกขกระแทก (Pe
arpy type) แสทก (Drop we
กเหวยงกระสอบทรอยบาก
บแรงกระแทก
นเชงพลงงานบแนวแรง ซงารทนการกร
hB
Eab
บาก หกสวนค
ของวสดทใชndulum imp
สดงดงรป 2.1
eight impact)แทกทงแบบกเกดการแตก
กแบบ Charp
นทถกดดกลนจากคาพลงงาะแทกของชน
ความลกรอยบ
act) ซงอาจใช15
บอชอดและแกหก คานวณอ
py และ Izod
นไวจากการไานทถกดดกลนทดสอบ (E
(2.1
บากออก)
ชการทดสอบ
บบชารป จะออกมาเปนห
[31]
ไดรบแรงลนไวโดยEIm) ไดดง
19)
บแบบอ-
ะแสดงถงนวย ฟต-
29
2.9.3 ความตานทานแรงอด (Compressive strength) [32-33]
การทดสอบแรงอดเปนการทดสอบทมลกษณะการใสแรงกระทาในแบบตรงขามกบการทดสอบแรงดง คอการทดสอบแรงดงเปนการทดสอบในลกษณะการดงยดชนทดสอบ สวนการทดสอบแรงอดเปนการทดสอบในลกษณะการกดอดชนทดสอบ โดยการพจารณาเลอกการทดสอบแรงอดแทนกระบวนการทดสอบอนจะขนอยกบประเภทของการนาไปใชงานของวสด
แรงเคนอดเกดจากแรงอดทใหกบชนทดสอบ ซงทาใหชนทดสอบเกดการหดตวหรออดตวภายใตแรงอดนน ชนทดสอบทใชในการทดสอบแรงอดนตองมลกษณะสนและมเสนผานศนยกลางมากกวาความยาว เนองจากการทดสอบแรงอดกบชนทดสอบทมขนาดยาวจะเกดการโคงงอดานขาง ซงมรปแบบการเกดทไมแนนอนจากการเสยรปแบบยดหยน ดงรปท 2.16 ดงนนโดยปกตชนทดสอบทใชในการทดสอบแรงอดมกเตรยมเปนทรงกระบอก อยางไรกตามบางวสดเชน อฐ ซงเตรยมเปนทรงกระบอกไดยาก กรณเชนนจะเตรยมชนทดสอบในรปทรงทสะดวกทสด
การทดสอบแรงอดมประโยชนในการวดคามอดลสอลาสตก คาความเคนจดคราก ความตานทานแรงอดสงสด และการเปลยนแปลงรปรางภายหลงจดคราก วธทดสอบแรงอดนจะมการกาหนดในมาตรฐาน ASTM D695
รป 2.16 การเสยรปแบบโคงงอออกดานขางของวสดภายใตแรงอด [32]
มาตรฐานกาหนดใหชนงานทดสอบถกอดดวยอตราเรว 1.3 mm/min จนกวาจะแตกหก กอนการทดสอบ ชนงานทดสอบจะตองมขนาดตามทระบในมาตรฐาน และไมมขอบกพรองบนผวทมองเหน ในการทดสอบแรงอด พบวาการไดศนยของชนงานทดสอบมความสาคญอยางมากตอการกระจายของแรงอยางสมาเสมอซงจะสงผลตอความสมาเสมอของผลการทดสอบ
30
2.10 การหาคาความหนาแนนดวยเครองชงไฟฟา (Density Determination with Electrical
Balance) [26]
ความหนาแนน (Density) ความถวงจาเพาะ (Specific gravity) จดเปนสมบตทางกายภาพอยางหนงของวสดทสามารถใชแปลงจากคามวลไปสปรมาตร หรอจากปรมาตรไปสมวลไดประโยชนทสาคญทางดานวสดคอ การอาศยคาความหนาแนนเปนตวชวดถงประสทธภาพในการอดแนนตวของวสดในระหวางขนตอนการขนรป ซงสตรทใชในการคานวณนนยงสามารถนาไปสการหาคาความพรนของวสดไดอกดวย
การหาคาความหนาแนนและความถวงจาเพาะของชนงานนนอาศยหลกการเดยวกนแตใชวธการคานวณทแตกตางกน เนองจากการหาคาความถวงจาเพาะนนเปนการนาคาความหนาแนนของวสดไปเทยบกบคาความหนาแนนของนา และเนองจากคาความหนาแนนของนา ณ อณหภมตางๆ มคาใกลเคยงกน คอ ประมาณ 1 g/cm3 จงทาใหคาความถวงจาเพาะและความหนาแนนของวสดมคาใกลเคยงกน ดงนนในทนจงอาจกลาวเฉพาะคาใดคาหนงเทานน
การหาคาความหนาแนนและความถวงจาเพาะ อาศยหลกการของอารคมดสทกลาวไววา “เมอจมของแขงลงในของเหลวจะมแรงพยงเกดขนบนของแขงนน โดยแรงพยงทเกดขนจะมคาเทากบนาหนกของของเหลวทถกแทนทดวยปรมาตรของของแขง” วธการจงทาไดโดยหาคามวลของวตถในอากาศและขณะทจมอยในนา
fl .WW
W =
fla
a
(2.20)
เมอ คอ คาความหนาแนนของชนงาน (g/cm3) fl คอ คาความหนาแนนของของเหลว (g/cm3) aW คอ นาหนกแหงของชนงาน (g) flW คอ นาหนกของชนงานในของเหลว (g)
2.11 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning electron microscope; SEM)
[18, 23, 26]
กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดเปนการประยกตนาเอาอเลกตรอนทมชวงคลนสนกวาคลนแสงมาใชแทนคลนแสง และใชเลนสสนามแมเหลกไฟฟามาแทนเลนสกระจก และมตวตรวจวดทจะมาจบสญญาณอเลกตรอนทเกดจากการทลาอเลกตรอนไปกระทบผวตวอยาง จากนนกจะมอปกรณในการแปลงสญญาณทไดใหเปนสญญาณภาพปรากฏบนจอรบภาพตอไป ผลทไดคอ ภาพของวตถหรอตวอยางทกาลงขยายมากกวา 3,000 เทา ถงระดบมากกวา 100,000 เทาซงมากกวา
กลองจลทรรรายละเอยดขแบบใชแสงส ในกลอเลกตรอนทตรวจวดอเลก
2.11.1
ทสาคญดงตอ
การสองกราด
รศนแบบธรรของภาพซงขสองสวางธรรองจลทรรศนทตยภม (Seco
กตรอนกระเจ
1 สวนประกอ ในกลองจล
อไปน 1. แหลงก2. อเลกโท
ดของลาอเลก3. ปมสญญ4. ชองใส5. ตวตรว6. อปกรณ
รป 2.17 ส
รมดาทมกาลขนกบลกษณะมดามกาลงแนอเลกตรอนondary elect
จงกลบ (Back
อบของกลองจลทรรศนอเลก
กาเนดอเลกตรทรแมกเนตกตรอน
ญากาศ และรตวอยาง (Spe
จวดสญญาณณสรางภาพ (I
สวนประกอบข
31
ลงขยายไดเตะตวอยางไดตยกขณะใชดวแบบสงกราดtron) มาจบส
kscatter electr
จลทรรศนอเลกตรอนแบบส
รอน (Electron
เลนส (Electr
ระบบควบคมecimen cham
อเลกตรอน (Imaging devi
ของกลองจลท
มทไมเกน 3ตงแต 3 ถง 1วตถเลกสดเพด สญญาณภสญญาณอเลกron)
ลกตรอนแบบสองกราด ดง
n source)
romagnetic l
ความดน ( Cmber)
Electron sign
ices)
ทรรศนอเลกต
,000 เทา แล100 nm ในขยง 0.2 m เทาพทไดเกดจกตรอนทตยภ
บสองกราด
รป 2.17 ประ
lens) หรอ ขด
ontrol pressu
nal detector)
ตรอนสองกร
ละยงสามารถณะทกลองจทานน
จากการใชตวภมทเกดขน ห
ะกอบดวยสว
ดลวดทาหนา
ure system)
)
าด [34]
ถแจกแจงลทรรศน
วตรวจวดหรอใชตว
วนหลก ๆ
ทควบคม
32
2.11.2 การเตรยมชนตวอยางสาหรบทดสอบ
ในการวเคราะห และศกษาการใชกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดเพอใหไดภาพทดนน นอกจากจะขนกบประสทธภาพ หรอความสามารถของเครองแลว ยงขนกบชนดของตวอยาง และเทคนคการเตรยมตวอยางทเหมาะสมอกดวย ประเภทของตวอยางจะเปนวสด หรอผงวสดทเปนของแขงความดนไอตามากกวา 1 หรอเทากบ 10-3 ทอร ขนาดของตวอยางถกจากดโดยขนาดของชองใสตวอยาง และแทนวางตวอยางของเครอง
กรณตวอยางเปนชนงาน กอนนาเขาศกษาในเครองตองทาการตดชนงานเขากบกานวางตวอยาง ซงสวนใหญทาดวยโลหะจาพวกเหลก อลมเนยม ทองเหลอง ทองแดง มลกษณะเปนรปทรงกลมมกานทมขนาดเสนผานศนยกลางและความสงพอเหมาะใสไดพอดกบชองวางในฐานวางตวอยาง และใชสารยดตดตวอยางเขากบกานวางตวอยางซงสวนใหญใชวสดจาพวกเทปกาวสองหนา เทปกาวคารบอน หรอนายาทาเลบ กรณทตวอยางไมนาไฟฟาตองนาตวอยางนนไปผานขนตอนการฉาบผวดวยโลหะกอนนาไปศกษา กรณตวอยางเปนผง มกใชสารยดตดตวอยางจาพวกทเปนเทปกาวสองหนา หรอเทปกาวคารบอนตดดานบนของกานวางตวอยาง และ โรงผงตวอยางใหกระจายลงบนดานหนาของกานวางตวอยางทมเทปกาวอย จากนนใชลกยางเปาลม และปดฝนเศษของผงตวอยางทไมยดตดบนกานวางตวอยางออก จากนนจงนาเขาเครอง หรอทาการฉาบผวดวยโลหะกรณตวอยางไมนาไฟฟา
การเคลอบฉาบผวตวอยางนยมใชสารตวนาไฟฟาจาพวกโลหะหนกทมโมเลกลขนาดเลก เชน คารบอน ทอง และ โลหะผสมทอง-พลลาเดยม เปนตน โดยมจดประสงคเพอเพมสมบตในการนาไฟฟาใหกบตวอยาง ทงนมหลกการเบองตนของการฉาบผวตองกระทาภายใตภาวะสญญากาศ และใหกระแสไฟฟาทเหมาะสมเพอใหโลหะหนกเปลยนสภาพจากแทงโลหะมาเปนโมเลกล และตกลงบนผวตวอยางในอตราสวนเดยวกน ทาใหโลหะฉาบผวตวอยางไดเปนเนอเดยวกน