431101 Engineering Materials

431101 Engineering Materials431101 Engineering Materials

Part: Polymeric MaterialsPart: Polymeric Materials

ผศ . ดร . วิ�มลลกษณ์� สุ�ตะพันธ์�

ผศ . ดร . กษมา จาร�ก�าจร

Trimester 1/2552

คะแคะแนนนน คะแนนสุอบแบ�งเป็!น 2

สุ�วิน โดยสุอบป็ลายภาค 80 %

สุอบย�อย 20 % อาจสุอบย�อยทุ�กคร&ง

ของการเร(ยน

OUTLINE

1.1. POLYMERIC MATERIALSPOLYMERIC MATERIALS2.2. POLYMER SYNTHESISPOLYMER SYNTHESIS3. PHYSICAL PROPERTIES OF

POLYMERS4. POLYMER PROCESSING5. POLYMER BLENDS6. COMPOSITE MATERIALS

11stst Part: Polymeric Materials Part: Polymeric MaterialsPolymer SynthesisPolymer SynthesisPhysicalPhysical PropertiesProperties ofof PPolymersolymers

ผศ.ดร. วิ�มลลกษณ์� สุ�ตะพันธ์�

Polymeric materials Polymeric materials 1. Introduction to

polymers2. Molecular weight of

polymers3. Polymer Classifications

Polymer synthesisPolymer synthesis1. Step polymerization2. Chain polymerization

OUTLINE

Polymeric Materials

Plastic Elastomer (Rubber) Foam Paint Composition Adhesive

Composition Textile Others

Introduction

Plastic ApplicationsPlastic Applications

Foam ApplicationsFoam Applications

Paint ApplicationsPaint Applications

Adhesive ApplicationsAdhesive Applications

Introduction

Rubber Rubber ApplicationsApplications

Textile Textile ApplicationsApplications

Introduction

IntroductionOthers Others ApplicationsApplications

Polymers

Polymers

Polymer = Poly + mer

Polymerization

Mer Unit = Monomer Polymer

Polymer ค)อ สุารโมเลก�ลใหญ่�ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&าจ�านวินมากโดยทุ(-หน�วิยซ้ำ�&าเชื่)-อมโยงกนด.วิยพันธ์ะเคม(

Polymer ค)อ สุารโมเลก�ลใหญ่�(macromolecules) ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&าจ�านวินมากโดยทุ(-หน�วิยซ้ำ�&าเชื่)-อมโยงกนด.วิยพันธ์ะโควิาเลนซ้ำ�

Polymer ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&าเพั(ยงหน1-งชื่น�ด เร(ยกวิ�า homopolymer เชื่�น พัอล�เอทุ�ล(น

(polyethylene) Polymer ทุ(-ป็ระกอบด.วิยหน�วิยซ้ำ�&ามากกวิ�าหน1-ง

ชื่น�ด เร(ยกวิ�า copolymer เชื่�นstyrene-butadiene copolymer หร)อpoly (styrene-co-butadiene)

Polymers

Polymers

Polymers

Polymers

Ex. Polyethylene (PE)Ex. Polyethylene (PE)

Ex. Polypropylene (PP)Ex. Polypropylene (PP)

propylenepropylene polypropylenepolypropylene

nn

Ex.PolybutadieneEx.Polybutadiene

Ex. PolyisopreneEx. Polyisoprene

Ex. PolyamideEx. Polyamide

Ex. PolyesterEx. Polyester

H2O, by product

H2O, by product

A listing of Mer Structures of Vinyl Polymers

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

Polyethylene

(PE)

Poly (vinyl chloride)

(PVC)

Polytetrafluoroethylene

(PTFE)

A listing of Mer Structures of Vinyl Polymers

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

Polypropylene

(PP)

Polystyrene

(PS)

Poly (methyl methacrylate)

(PMMA)

A listing of Mer Structures of Other Polymers

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

Phenol-

Formaldehyde

(Bakelite)

Poly (hexamethylene adipamide)

(Nylon 6,6)

A listing of Mer Structures of Other Polymers

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

Poly (ethylene

Terephthalate)

(PET, a polyester)

Polycarbonate(PC)

Molecular Structure of HomopolymerMolecular Structure of Homopolymer

AAAAAAAAAAAAA

Linear Chains

Branched Chains

Network or Cross-linked Chains

Copolymer

A A polymer polymer derived from more than one species of derived from more than one species of monomermonomer

Ex. styrene-butadiene copolymer [Poly (styrene-co-butadiene)]

Ex. acrylonitrile-vinyl chloride copolymer

styrene butadiene styrene-butadiene copolymer

+

แบ�งได.เป็!น 4 ป็ระเภทุ

1. Random Copolymer

2. Alternative Copolymer

3. Block Copolymer

4. Graft Copolymer

Molecular Structure of Copolymer

1. Random Copolymer

~ABAABABBABAAB~

2. Alternative Copolymer

~ABABABABABAB~

Molecular Structure of Copolymer

Molecular Structure of Copolymer

3. Block Copolymer

~AAAABBBBAAAA~

4. Graft Copolymer

BBBBB

~AAAAAAAAAAAAA~

BBBB

• ชื่น�ดของวิสุด�พัอล�เมอร�ทุ(-พับในชื่(วิ�ตป็ระจ�าวิน• ค�าจ�ากดควิามของ “พัอล�เมอร�”• ควิามแตกต�างของ “โฮโมพัอล�เมอร�” กบ “โค

พัอล�เมอร�”

สุ�-งทุ(-ควิรร4.

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

น�&าหนกโมเลก�ล (Molecular Weight: MW)

พัอล�เอทุ�ล(น (Polyethylene), PE

[ CH2-CH2 ]

n = 1000 MW = 28000

n = 1500 MW = 42000

n = 2500 MW = 70000

n

น�&าหนกโมเลก�ล (Molecular Weight: MW)

น�&าหนกโมเลก�ล VS สุถานะของสุาร

น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�

MW ของพัอล�เมอร�ม(การกระจายไม�ได.ม(เพั(ยงค�าเด(ยวิเด(-ยวิ ๆ ดงน&นจ1งใชื่.ค�าเฉล(-ยของ MW เชื่�น และ

nM wM

น�&าหนกโมเลก�ลน�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน vs น�&าหนก

โมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก

ในสุนามม(ชื่.างน�&าหนก 10,000.00 kg/ตวิ อย4� 5 ตวิจะหาน�&าหนกโมเลก�ล

เฉล(-ยของชื่.างได.อย�างไรบ.างMW = Mn = 10,000

ย�ง 4 ตวิเกาะอย4�บนหลงชื่.างจะหาน�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยของสุตวิ�ทุ&งสุองชื่น�ดได.อย�างไรบ.าง*ย�งม(น�&าหนก 1 kg/ตวิชื่.างม(น�&าหนก10,000.00 kg/ตวิ

น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน vs น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก

น�&าหนกโมเลก�ล : น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน

น�&าหนกโมเลก�ล : น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก น�&าหนกโมเลก�ล : น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก

Ethylene Ethylene แทุนด.วิยแทุนด.วิย

Polyethylene Polyethylene แทุนแทุนด.วิยด.วิย

น�&าหนกโมเลก�ลของสุายโซ้ำ�พัอล�เมอร�น�&าหนกโมเลก�ลของสุายโซ้ำ�พัอล�เมอร� = = น�&าหนกโมเลก�ลของหน�วิยซ้ำ�&าน�&าหนกโมเลก�ลของหน�วิยซ้ำ�&า xx จ�านวินหน�วิยซ้ำ�&าจ�านวินหน�วิยซ้ำ�&า

หน�วิยซ้ำ�&าเหม)อนเด�ม หน�วิยซ้ำ�&าเหม)อนเด�ม XX เป็ล(-ยนไป็ เป็ล(-ยนไป็ MWMW ของสุายโซ้ำ�ก8ของสุายโซ้ำ�ก8จะไม�เทุ�ากนจะไม�เทุ�ากน

X = 10;X = 10;

X = 20;X = 20;

22 CHCH

xCHCH )( 22

xCHCH )( 22

ในพัอล�เอทุ�ร(น 50 โมเลก�ล อาจจะป็ระกอบไป็ด.วิย

= 20 โมเลก�ล= 10 โมเลก�ล= 10 โมเลก�ล= 10 โมเลก�ล

น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�จ1งจ�าเป็!นต.องแสุดงเป็!นค�าเฉล(-ยน�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยจ�านวิน (โมเลก�ลรวิมทุ&งหมด);

น�&าหนกโมเลก�ลเฉล(-ยโดยน�&าหนก (โมเลก�ลรวิมทุ&งหมด);

100022 )( CHCH

50022 )( CHCH

120022 )( CHCH

80022 )( CHCH

wMnM

xCHCH )( 22

น�&าหนกโมเลก�ลของหน�วิยซ้ำ�&า = 2C + 4H = 28 g/mol

X(Nx)

จ�านวินโมเลก�ลทุ(-ม(ขนาด X

(Mx)น.น.โมเลก�ล

ของโมเลก�ลทุ(-ม(ขนาด X

(Wx)น.น.โมเลก�ล

รวิมของโมเลก�ลแต�ละ

ขนาด

1000

5008001200

20101010

1000 x

28500 x 288 00 x

281200 x

28

20 x 1000 x 28

10 x 500 x

28 10 x

8 00 x 28

10 x 12

00 x

28

(Mx)น.น.โมเลก�ล

ของโมเลก�ลทุ(-ม(ขนาด X

(Wx)น.น.โมเลก�ล

รวิมของโมเลก�ลแต�ละ

ขนาด

28,00014,00022,40033,600

560,000

140,000

224,000

336,000

∑ Wx = 1,260,

000

∑ Nx = 50

336,000224,000140,000560,00033,600)(336,00022,400)(224,00014,000)(140,00028,000)(560,000

xWxMxW

1010102033,600)(1022,400)(1014,000)(1028,000)(20

xNxMxN

wM

nM

0.25010n

0.25010n

0.25010n

0.45020n

fractionnumberxN

xNxn

xMxn

1200

800

500

1000

nM

0.271,260,000336,000w

0.181,260,000224,000w

0.111,260,000140,000w

44.01,260,000560,000w

fractionweightxW

xWxw

xMxw

1200

800

500

1000

wM

น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�

ตวิอย�างการ ค�านวิณ์ MW

Chain structure of polymer

จ�านวินโมเลก�ล

MW (g/mol)

81210

20,00080,000

100,000

ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�

g/mol70,667

302,120,000

10)12(8100,0001080,000120,0008

Mn

2

จาก

เฉลยการหาnM

ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�

เฉลยการหา

จาก

เม)-อ

จ�านวินโมเลก�ล

MW (g/mol)

81210

20,00080,000100,000

ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�

ตวิอย�างการค�านวิณ์น�&าหนกโมเลก�ลของพัอล�เมอร�

เฉลยการหา

wM

g/mol84,9061,000,000960,000160,000

100,0001,000,00080,000960,00020,000160,000

จ�านวินโมเลก�ล

MW(g/mol)

Wx

81210

20,00080,000100,000

160,000960,000

1,000,000

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

Moleucular Weight Distribution

• MW > Mn

• การกระจายน�&าหนกโมเลก�ล,MWD = (MW / Mn)

• MWD = Molecular Weight Distribution

• MWD ≥ 1• MWD = 1, MW = Mn

Date Polymer

1930 Styrene-butadiene rubber

1936 Poly(vinyl chloride)1936

Polychloroprene(neoprene)

1936 Poly(methyl methacrylate)

1936 Poly(vinyl acetate)1937 Polystyrene1939 Nylon-6 61941 Polytetrafluoroethylene1942 Unsaturated polyester1943 Polyethylene, branched1943 Buthyl rubber1943 6-Nylon

Date Polymer

1943 Silicones1944 Poly(ethylene

terephthalate)1947 Epoxies1948 ABS resins1955 Polyethylene, linear1956 Polyoxymethylene1957 Polypropylene1957 Polycarbonate1964 Ionomer resins1965 Polyimides1970 Thermoplastic elastomers1970 Aromatic polyamides

ป็ระวิต�การผล�ตพัอล�เมอร�ทุ(-ม(ควิามสุ�าคญ่ทุางการค.าป็ระวิต�การผล�ตพัอล�เมอร�ทุ(-ม(ควิามสุ�าคญ่ทุางการค.า

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

Polymer Classification

Original Occurrin

gNatural-/Bio- Polymer

Synthetic Polymers

Thermal Behavior

Thermoplastics

Thermosets

Tacticity

Isotactic

Syndiotactic

Atactic

Crystallinity

Crystalline Polymers

Semicrystalline Polymers

Amorphous Polymers

Application

Commodity Polymers

Engineering Polymers

Original Occurring: พัอล�เมอร�ชื่(วิภาพั(Natural-/Bio- polymer) และพัอล�เมอร�

สุงเคราะห� (Synthetic Polymers)

Thermal Behavior: เทุอร�โมพัลาสุต�ก(Thermoplastics) และเทุอร�โมเซ้ำต(Thermosets)

Tacticity: Isotactic, Syndiotactic and Atactic

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

Crystallinity : พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers),

พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers), และพัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers)

Application : Commodity Polymers ( PE, PP, PVC etc.) และ Engineering Polymers ( PET, PC, Nylons, Epoxy etc.)

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

พัอล�เมอร�ชื่(วิภาพั (Natural-/Bio-polymer)

o Natural-rubber (Polyisoprene)o Cellulose (polysaccharide)

• พัอล�เมอร�สุงเคราะห� (Synthetic Polymers)

o PE, PP, PS, PVC, PMMA, PET, Nylon

o Epoxy, Melamine, Phenolic

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

การจ�าแนกป็ระเภทุ(Classification)

References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001.

Epoxy, Melamine, Phenolic

Epoxy, Melamine, Phenolic

แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)

แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)

1 เทุอร�โมพัลาสุต�ก (Thermoplastics)

แบ�งได.เป็!น 2 ป็ระเภทุ

Ex. Thermoplastics

Polyethylene Polystyrene Poly(vinyl chloride) Polypropylene Polycarbonate

etc.Solid Polymer

Solid Polymer

Cooling

Δ (Heating)

Liquid Polymer

แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)

แบ�งตามพัฤต�กรรมทุางควิามร.อน(Thermal behavior)

2. เทุอร�โมเซ้ำต (Thermosets): พัอล�เมอร�ทุ(-ผ�าน กระบวินการเค(ยวิร�งค� (curing) และได.โครงสุร.าง

โมเลก�ลทุ(-เป็!นร�างแห (crosslinked structure) ซ้ำ1-งไม� หลอมละลาย (infusible) เม)-อได.รบควิามร.อน และไม�

ละลาย (insoluble) ในตวิทุ�าละลายใด ๆEx. Thermosets

Phenolic resin Malamine resin Epoxy resin Unsaturated Polyester resin Rubber etc.

Crosslinked structure

Infusible

Δ (Heating)

Name Arrangement

TacticityTacticity

Tacticity of Polypropylene

Tacticity of Polypropylene

Tacticity of polystyreneTacticity of polystyrene

แบ�งตามควิามเป็!นผล1ก (Crystallinity)

แบ�งตามควิามเป็!นผล1ก (Crystallinity)

1. พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers)2. พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers)3. พัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers): PS

แบ�งออกเป็!น 3 ป็ระเภทุ

1. พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers)

1. พัอล�เมอร�ผล1ก (Crystalline Polymers)

Crystalline Polymers

2. พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers)

2. พัอล�เมอร�ก1-งผล1ก (Semicrystalline Polymers)

Semicrystalline Polymers

3. พัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers)

3. พัอล�เมอร�อสุณ์ฐาน (Amorphous Polymers)

Polystyrene

แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)

แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)

แบ�งได.เป็!น 2 ป็ระเภทุ1. Commodity Application: PE, PP,

PS,

2. Engineering Application: PC, POM

แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)

แบ�งตามการใชื่.งาน (Application)