สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

รายงานการวจย

การสงเคราะหและสรางหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน

นางสาวสพรรษา มสกะเจรญคณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภมงานวจยนไดรบทนสนบสนนงานวจยจากกองทนสงเสรมการวจยป 2556

ปงบประมาณ 2556

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

ก

ชอโครงการ การสงเคราะหและสรางหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชนSynthesis and Functionalization of Multiwall Carbon Nanotubes

คณะผวจยและหนวยงานตนสงกดนางสาวสพรรษา มสกะเจรญ หวหนาโครงการสาขาวชาฟสกส คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลยมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม

บทคดยอ

โครงการวจยนศกษาการสรางหมฟงกชนทมออกซเจนเปนองคประกอบบรเวณผวของทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน (MWNTs) ดวยกระบวนการออกซเดชน กระตนการเกดปฏกรยาและเพมปรมาณของหมออกไซดบนผว MWNTs โดยการสน MWNTs ในกรดซลฟรกและกรดไนตรกเปนเวลาสนๆ และใหความรอนจนถงจดเดอด ศกษาโครงสรางของ MWNTs ดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดและ Raman spectrum พบวาสาหรบการเกดปฏกรยาออกซเดชนหรอการสรางหมฟงกชนของ MWNTs นนจะทาใหโครงสรางของ MWNTs เกดความเสยหายนอย ซงความเสยหายนนอาจทาใหสมบตของ MWNTs เปลยนไปได ผลจาก FTIR พบวามหมฟงกชนบนผวของ MWNTs ซงในระหวางปฏกรยาออกซเดชนของ MWNTs จะเกดการกอตวของหมไฮดรอกซลคารบอนลและคารบอกซลบนผว MWNTs และจากการทดสอบการตกตะกอนของ MWNTs พบวาMWNTs ทมหมฟงกชนไมพบตะกอนแมทงไวเปนเวลา 3 เดอน นอกจากนผลการทดสอบการกระจายตวเพอปรบปรงสมบตการเชอมตอบรเวณรอยตอระหวาง MWNTs ในยางธรรมชาต และศกษาสมบตทางกลโดยทดสอบคาความทนตอแรงดง คายงมอดลสและความแขงในแตละปรมาณ MWNTs ทผสมในยางธรรมชาต เปรยบเทยบคอมโพสตทใช MWNTs ทมการสรางหมฟงกชนและคอมโพสตทใชMWNTs เพอศกษารายละเอยดของผลจากการสรางหมฟงกชนใหแก MWNTs

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

สารบญ

หนาบทคดยอภาษาไทย กสารบญ ข

1 บทนา 1

2 ทฤษฎ 7

3 วสด อปกรณและวธการทดลอง 28

4 ผลการทดลอง 35

5 สรปผลการทดลองและขอเสนอแนะ 46

เอกสารอางอง 48

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

บทท 1

บทนา

1.1 ทมาและความสาคญ

ทอนาโนคารบอนเปนการมวนตวของแผน grapheme มคา aspect ratio สงและมสมบตทางกลทดมาก เชน มคา Young’s modulus เทากบ 1-1.8TPa คาสภาพการนาไฟฟามคาสง มพลงงานกระตนตากวา 300 meV สาหรบทอนาโนคารบอนทเปนสารกงตวนาและมสภาพการนาไฟฟาประมาณ 3000 W/mK ดงนนจากสมบตตางๆ เหลานจงไดมการนาทอนาโนคารบอนมาประยกตใชเปนตวเสรมแรง

ในปจจบนการวจยวสดผสมหรอคอมโพสท(Composite Materials) มงเนนการใชวสดขนาดเลกในระดบนาโนเมตรผสมกบสารตางๆเพอปรบปรงคณสมบตเชงกลใหมประสทธภาพสงขนแนวทางวจยหนงคอการพฒนาวสดผสมโดยใชทอนาโนคารบอนเปนองคประกอบ แลวนามาศกษาโครงสราง เสถยรภาพทางไฟฟา และเสถยรภาพเชงความรอนของนาโนคอมโพสทนน โดยใชกลองจลทรรศนอเลคตรอนแบบสองกราด (scanning electron microscopy) รามานสเปกโตรสโคป(Raman spectroscopy) การวดคาสภาพตานทานไฟฟา และ thermal gravimetric analysis ในสวนของประสทธภาพเชงกลของวสดพจารณาจากคา tensile strength , initial modulus และคาความแขง(Hardness) ทขนกบการนาไปใชงาน

การทาวสดผสมของทอนาโนคารบอนมอปสรรคสาคญคอ การกระจายตวของทอนาโนคารบอนและการสรางแรงยดเหนยวระหวางทอนาโนคารบอนกบวสดทเปนเมทรกซ เนองจากทอนาโนคารบอนไมมหมฟงกชนทจะสรางแรงดงดดกบเมทรกซแตมแรงยดเหนยวทแขงแรงระหวางทอนาโนคารบอนดวยกนเองทเกดจากไพอเลกตรอน (p-p interaction) การเตมหมฟงกชนทมประจเพอเปนแขนของทอนาโนคารบอนทาใหความสามารถในการกระจายตวในเมทรกซเพมขน และสามารถผสมทอนาโนคารบอนกบวสดทเปนเมทรกซจนเปนเนอเดยวกน ดงจะเหนไดจากในป ค.ศ.2007 Ka-Keung Wong และคณะ [11] พบวาการนาทอนาโนคารบอนชนดผนงชนเดยว (SWNTs) ซงถกสรางหมฟงกชนโดยการสนในกรดไนตรกและกรดซลฟรกมาเตรยมคอมโพสทของ epoxy กบ SWNTs(SWNTs/ epoxy) การสรางหมฟงกชนใหแก SWNTs สามารถปรบปรงการกระจายตวของ SWNTs

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

2

ในพอลเมอรและปรบปรงคณสมบตการเชอมตอบรเวณรอยตอระหวาง SWNTs กบพอลเมอร และเมอศกษาสมบตทางกลโดยทดสอบคา tensile และ micro-hardness ในแตละปรมาณ SWNTs ทผสมใน epoxy พบวาการสรางหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอนทาใหไดคอมโพสททมศกยภาพสง

ในอนาคตคณะผวจยมแนวความคดทจะทาวจยเกยวกบการสงเคราะหวสดคอมโพสทระหวางทอนาโนคารบอนกบพอลเมอรเพอพฒนาประสทธภาพเชงกลของพอลเมอรใหมประสทธภาพในการใชงาน อาทเชน การผสมทอนาโนคารบอนกบยางพาราเพอพฒนาคาความยดหยน (tensilestrength) และ คาความแขง(Hardness) นาไปใชในการปรบปรงคณภาพของยางรถยนตใหมความทนทานตอการสกกรอนมากขน ดงนนจงมแผนวจยขนตนเพอศกษาและสรางชดเครองมอสาหรบเตมหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอนทาใหทอนาโนคารบอนสามารถกระจายตวในพอลเมอรไดด เหมาะทจะนามาผสมกบยางพาราหรอพอลเมอรชนดตางๆเพอทาวจยในอนาคตตอไป

1.2 แนวคดในการวจย

ใน ค.ศ. 1991 Iijima แหงบรษท NEC ประเทศญปน ไดคนพบทอนาโนคารบอนทมคณสมบตหลายอยาง เชน แขงแรงกวาเหลกกลา 100 เทา แตมนาหนกเบากวา 6 เทา สามารถเปนตวนาไฟฟาหรอสารกงตวนา เปนตน

ยงพศ พรพฒนกล และคณะ[12] ศกษาการเพมความสามารถในการกระจายตวของทอนาโนคารบอน (CNT) ในสารละลายไคโตซาน โดยทาทอนาโนคารบอนใหบรสทธ (CNT-P) และทาการเพมหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอนโดยการดดแปรผวหนาของทอนาโนคารบอนใหมหมกรด พบวาประสทธภาพการกระจายตวของทอนาโนคารบอนทดดแปรดวยกรดในสารละลายไคโตซานเพมขนประมาณสามเทาเมอเทยบกบทอนาโนคารบอนทไมไดผานการดดแปรผวหนาดวยกรดและพบวา การเพมหมฟงกชนกรดแบบสรางพนธะโคเวเลนตกบทอนาโนคารบอนดวยวธรฟลกซมประสทธภาพดกวาวธอลตราโซนก แตใหผลผลตตากวา

ใน ค.ศ. 2005 Kueseng และ Jacob [1] ไดเตรยมและศกษานาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตโดยการผสมทอนาโนคารบอนชนดผนงชนเดยว (SWNTs) และอนภาคนาโนซลคอนคารไบด(SiC paricles) ใหกระจายตวในนายางธรรมชาต แลวระเหยตวทาละลายออก วธการนอนภาคนาโนสามารถกระจายตวในยางธรรมชาตไดด การทดสอบสมบตทางกลของนาโนคอมโพสต พบวาคา

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

3

initial modulus เพมขนถง 50% เมอเทยบกบยางธรรมชาต มอดลสและความทนตอแรงดง(tensile strength) ของยางธรมชาตทผสม SiC 1.5% มคาดกวายางธรรมชาตทผสม SWNTs ในปรมาณการเตมทเทากน ลกษณะโครงสรางของนาโนคอมโพสตศกษาโดยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) และ รามานสเปกโตรสโคป (Raman spectroscopy) ของ SWNTs/NR พบstrong band ท 1595 cm-1(G-mode C-C stretching) และอกสอง band ท 1300 cm-1 (Dmode-disorder induced) และ 2590 cm-1 (D* band) SWNTs/NR หลงจากททาการทดสอบcyclic stress พบวา Raman band ท 2590 cm-1 เลอนไปทาง wave number ทนอยลง และRaman shift ของ SWNTs/NR ทแชนากลน 30 วน แสดงใหเหนวาความเคนภายในถายทอดจากยางธรรมชาตไปยง SWNTs ซงกคอการมการเชอมกนทบรเวณรอยตอ

ใน ค.ศ. 2006 Yang และคณะ [2] ไดเตรยมและศกษาวธการทงายในการเกดปฏกรยาออกซเดชนบรเวณผวของทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน (MWNTs) การสนจะกระตนการเกดปฏกรยาและเปนการเพมปรมาณของหมออกไซดบนผว MWNTs การสนเปนเวลาสนๆสาหรบการเกดปฏกรยาออกซเดชนหรอการสรางหมฟงกชนของ MWNTs นนจะทาใหโครงสรางของ MWNTsเกดความเสยหายนอย ซงอาจทาใหสมบตของ MWNTs เปลยนไปได ผลจาก XPS, IR และ Ramanspectrum พบวามหมฟงกชนบนผวของ MWNTs ในระหวางปฏกรยาออกซเดชนของ MWNTs จะเกดการกอตวของหมไฮดรอกซล คารบอนลและคารบอกซลบนผว MWNTs ทใสในกรดไนตรกและกรดซลฟรกจะเกดหมฟงกชนมากกวา MWNTs ทใสในไฮโดรเจนเปอรออกไซดและกรดซลฟรก

ใน ค.ศ. 2006 Fakhru’l และคณะ [3] ไดนาทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน ไปใชเตรยมนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาต โดยการผสม MWNTs ในยางธรรมชาตแลวระเหยตวทาละลายออกไป การใชวธนจะทาให MWNTs กระจายตวอยางเปนเนอเดยวกนในยางธรรมชาต ซงเปนการเพมสมบตทางกลของนาโนคอมโพสต ศกษาสมบตตางๆ เชนความทนตอแรงดง(tensilestrength) มอดลส (modulus) การทนตอการฉกขาด (tear strength) ความทนตอแรงยดจนขาด(elongation at break) และ ความแขง (hardness) พบวา initial modulus เพมขน 12 เทาจากยางธรรมชาต นอกจากนศกษาการกระจายตวของ MWNTs ดวยกลองจลทรรศนแบบสองผาน ทาใหทราบถงลกษณะโครงสรางของนาโนคอมโพสต ในการศกษานเปนการประยกตใชลกษณะทางกายภาพและสมบตทางกลของ MWNTs เพอปรบปรงสมบตทางกล ทางกายภาพ และสมบตทางเคม

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

4

ใน ค.ศ.2007 Wong และคณะ [4] ไดนาทอนาโนคารบอนชนดผนงชนเดยว (SWNTs) ซงถกสรางหมฟงกชนโดยการสนในกรดไนตรกและกรดซลฟรกมาเตรยมคอมโพสตของ epoxy กบSWNTs (SWNTs/ epoxy) การสรางหมฟงกชนใหแก SWNTs เพอปรบปรงการกระจายตวของSWNTs ในพอลเมอรและปรบปรงสมบตการเชอมตอบรเวณรอยตอระหวาง SWNTs กบพอลเมอรศกษาสมบตทางกลโดยทดสอบคาความทนตอแรงดงและความแขงในแตละปรมาณ SWNTs ทผสมในepoxy ศกษาสมบตทางความรอนดวย thermogravimetry analysis (TGA) และศกษากลไกของคอมโพสตหลงจากทดสอบความทนตอแรงดงดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดเปรยบเทยบคอมโพสตทใช SWNTs ทมการสรางหมฟงกชนและคอมโพสตทใช SWNTs เพอศกษารายละเอยดของผลจากการสรางหมฟงกชนใหแก SWNTs

ใน ค.ศ. 2008 Sangchay และคณะ [5] ไดเตรยมและศกษาคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน (MWNTs) ดวยวธ two-roll mill ศกษาผลของปรมาณ MWNTs ทผสมในยางธรรมชาต พบวาผสม MWNTs 5 phr สามารถเพมคาความทนตอแรงดงและความทนตอแรงยดถง 54.6% และ 14.2% ตามลาดบ คาของคาการเสยรปหลงการกดอด(compression set)ความตานตอการฉกขาด (tear resistance) มอดลสและ ความแขง (hardness) ของคอมโพสตเพมขนตามปรมาณ MWNTs ทเพมขน ในขณะท scorch time เวลาทใชในการคงรป (cure time)และ %swelling ในโทลอน (toluene) และนามนลดลงตามการเพมขนของปรมาณ MWNTs

1.3 วตถประสงคของโครงการวจย

1.3.1 เพอสงเคราะหและศกษาลกษณะโครงสรางทอนาโนคารบอน

1.3.2 เพอศกษากระบวนการเตมหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอน

1.3.3 เพอสรางชดเครองมอสาหรบเตมหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอน

1.4 แผนการดาเนนการ ขอบเขต และวธการวจย1.4.1 ศกษาคนควาจากเอกสารวจยทเกยวของ1.4.2 สรางชดเครองมอเตมหมฟงกชนใหแกทอนาโนคารบอน1.4.3 ทาการสงเคราะหทอนาโนคารบอนและเตมหมฟงกชน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

5

1.4.4 ศกษาการตกตะกอนของทอนาโนคารบอน1.4.5 รวบรวม วเคราะหผลและสรปผลการทดลอง1.4.6 เขยนรายงานวทยานพนธ

รายละเอยด \ เดอน 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1.1 ศกษาคนควาจากเอกสารวจยทเกยวของ

1.2 สรางชดเครองมอเตมหมฟงกชนใหแกทอนาโนคารบอน1.3 ทาการสงเคราะหทอนาโน

คารบอนและเตมหมฟงกชน

1.4 ศกษาการตกตะกอนของทอนาโนคารบอน

1.5 รวบรวม วเคราะหผลและสรปผลการทดลอง

1.6 เขยนรายงานการวจย

1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ (ตวบงชผลสาเรจของโครงการ)1.5.1 ดานวชาการ

1.5.1.1 องคความร: การเตมหมฟงกชนใหกบทอนาโนคารบอน สมบตการกระจายตวของทอนาโนคารบอน

1.5.1.2 รายงานวจยฉบบสมบรณ

1.5.1.3 มการเผยแพรผลงานวจย

1.5.2 ดานนโยบาย

1.5.2.1 พฒนาความสามารถของนกวจยใหมประสทธภาพ

1.5.2.2 นกวจยสามารถนาความรไปตอยอดเพอพฒนาเทคโนโลยได

1.5.3 ดานเศรษฐกจ/พานชย

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

6

1.5.3.1 นกวจยสามารถนาความรไปประยกตกบภาคอตสาหกรรมได

1.5.4 ดานสงคมและชมชน

1.5.4.1 นกวจยรนใหมมสามารถมความคดวเคราะหอยางเปนระบบและถายทอดความรไดอยางมประสทธภาพ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

7

บทท 2

ทฤษฎ

2.1 ความรเบองตนเกยวกบนาโนเทคโนโลย [6]

คาวา “นาโน” มรากศพทมาจากภาษากรก แปลวา “คนแคระ” หมายถง หนงในพนลานหนวย หรอหนงในพนลานสวน (4,5,6) แตทนยมเรยกกนจนตดปาก คอ นาโนเมตร (nanometre)ซงหมายถงสบกาลงลบเกาเมตร หรอ 1 สวนพนลานของ 1 เมตร (7) หรอเรยกในอกชอหนงวา แองสตรอม ยนต (angstrom unit) (8) ดงนน “นาโนเทคโนโลย” คอ วทยาการประยกตแขนงใหมทวาดวยเรองของเทคโนโลยในการประกอบและผลตสงตางๆ ขนมาจากการจดเรยงอะตอม หรอโมเลกลเขาดวยกนดวยความแมนยาและถกตองในระดบนาโนเมตรหรอขนาด 1 ในพนลานสวนของ 1 เมตรโดยเปนการผสมผสานของวทยาศาสตรหลายแขนง เชน ชววทยา ฟสกส ชวเคม วศวกรรมศาสตรสาขา หนยนต และเครองจกรกล (3,4,10)

นาโนศาสตร (nanoscience) หมายถง การศกษาหลกการพนฐานของโมเลกลและโครงสรางขนาด 1 ถง 100 นาโนเมตร (อกษรยอ น.ม. –nm) โครงสรางเหลานเรยกโดยรวมวา“โครงสรางนาโน (nanostructures)” โครงสรางนาโนไมเพยงเปนสงมชวตทมขนาดเลกกวาสงใดๆ ทมนษยเคยประดษฐขนมากอนหนาน แตยงเปนสงทเลกจวทสดทเราสามารถสรางขนมาได ถาอยากรวา 1 น.ม. จวขนาดไหน กลองเปรยบเทยบกบผมของคนเราดจะพบวา 1 น.ม. มขนาดประมาณ1/50,000 สวนของเสนผมของคนเราหรอเสนผมมขนาดประมาณ 50,000 น.ม. หรอเทากบอะตอมของไฮโดรเจน 10 ตวรวมกน ซงสงเลกจวทสดทมนษยสามารถมองเหนไดโดยไมตองมเครองชวยมขนาดเสนผาศนยกลางประมาณ 10,000 น.ม.

2.2 ทอนาโนคารบอน (Carbon Nanotubes; CNTs)ทอนาโนคารบอนจะประกอบดวยหนวยยอยเลกๆ (โครงสรางของอะตอมคารบอนจานวน

6 อะตอมมาจดเรยงตวกนเปนวงแหวนรปหกเหลยม) จานวนมากมายมาจดเรยงตวกนเปนผนงทอถกคนพบครงแรกในป ค.ศ. 1991 โดยนกวทยาศาสตรชาวญปน ชอ สมโอะ อจมะ(Sumio Iijima)[10] ซงทอนาโนคารบอนนนมลกษณะเหมอนกบแผนแกรไฟตทมวนเปนทอแสดงดงรป2.3 ขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 2 นาโนเมตรจนถงหลายสบนาโนเมตร [11] โดยอะตอมคารบอนเหลานตางเชอมตอกนแบบ sp 2 [12, 13] และสามารถแบงทอนาโนคารบอนออกเปนสองชนด คอ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

8

รป 2.1 ลกษณะพนฐานของทอนาโนคารบอน [21]

2.2.1 ทอนาโนคารบอนผนงชนเดยว (Single-walled Carbon Nanotubes; SWNTs) มอยดวยกนทงหมด 3 รปแบบ ดงแสดงในรป 2.2

Armchair (n,n)

Zig-Zag (n,0)

Chiral (n,m)

รป 2.2 รปแบบโครงสรางของทอนาโนคารบอน [11]

โดยมดชน (n, m) เปนตวบงบอกรปแบบการจดเรยงตวของอะตอมคารบอนบนทอนาโนคารบอน โดยกาหนดใหเวกเตอรผลลพธของผลรวมเวกเตอร n + m คอ เสนรอบวงของทอนาโนคารบอนดงแสดงในรป 2.3

ถา m = n จะได ทอนาโนคารบอนทมการจดเรยงอะตอมแบบ Armchair (n,n) ซงแบบจาลองเกดจากการมวนใหตาแหนง (0,0) ไปพบกบตาแหนง (n,n) มขนาดมม เทากบ 30องศา

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

9

ดงแสดงในรป 2.4ถา m = 0 จะได ทอนาโนคารบอนทมการจดเรยงอะตอมแบบ Zig-zag (n,0) ซง

แบบจาลองเกดจากการมวนใหตาแหนง (0,0) ไปพบกบตาแหนง (n,0) มขนาดมม เทากบ 0 องศาดงแสดงในรป 2.4

ถา m n จะได ทอนาโนคารบอนทมการจดเรยงอะตอมแบบ Chiral (n,m) ซงแบบจาลองเกดจากการมวนใหตาแหนง (0,0) ไปพบกบตาแหนง (n,m) มขนาดมม เทากบ 0-30 องศา ดงแสดงในรป 2.4

รป 2.3 ดชนบงบอกรปแบบการจดเรยงตวของอะตอมบนทอนาโนคารบอน [14]

รป 2.4 ทอนาโนคารบอนผนงชนเดยวในรปแบบตางๆ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

10

2.2.2 ทอนาโนคารบอนผนงหลายชน (Multi-walled Carbon Nanotubes; MWNTs) คอ ทอนาโนคารบอนทมผนงซอนกนหลายชน ดงแสดงในรป 2.5

(ก) (ข) (ค)

รป 2.5 ภาพของทอนาโนคารบอนทถายดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน [16](ก) ทอนาโนคารบอนผนงชนเดยว (ข) ทอนาโนคารบอนผนงหลายชนแบบทอปลายปด

และ (ค) ทอนาโนคารบอนผนงหลายชนแบบทอปลายเปด

2.3 ทฤษฎการเตบโตของทอนาโนคารบอน [17, 18]การเตบโตของวสดนาโนโครงสราง 1 มต (one-dimensional nanostructures) ได ทอนาโน

(nanotubes) เสนใยนาโน (nanofibers) และเสนลวดนาโน (nanowires) นนมความสมพนธกบโครงสรางผลกของวสดนาโนนนๆ ซงเกดจากกระบวนการนวคลเอชน (nucleation) และการเจรญเตบโตของสารจากสถานะกาซ (Vapor) ของเหลว (Liquid) หรอ ของแขง (Solid) เมอความ เขมขนของอะตอม ไอออน หรอนวเคลยสของสารมมากพอ จะเกดการไหลไปรวมกนทนวคลไอ (Nuclei) และเกดกระบวนการนวคลเอชนเจรญเตบโตเปนวสดนาโนโครงสราง 1 มตขนนนเอง โดยจะเรยกกลไกการเตบโตนว า กลไกVLS (Vapor-Liquid-Solid mechanism; VLS Mechanism)

สาหรบการเตบโตของทอนาโนคารบอนโดยอาศยกลไก VLS น อธบายไดโดย เมอโลหะ คะตะลสต (metal catalyst) ทอยในสถานะของแขง เมอไดรบความรอนทอณหภมสง จะทาใหเกดการเปลยนสถานะจากของแขงกลายเปนของเหลว และเมอใหแหลงกาเนดคารบอนทอยในสถานะกาซไหลเขามา โลหะคะตะลสตซงอยในสถานะของเหลวจะเปนตวดกจบอะตอมคารบอน โดยอะตอมคาร

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

11

บอนจะตกสะสมและแพร (diffuse) เขาไปในผวโลหะคะตะลสต ทาใหเกดโลหะผสมระหวางคารบอนและโลหะคะตะลสตทอยในสถานะของเหลว (alloy liquid) ขน และเมออะตอมคารบอนตกสะสมและแพรมากขนจนอมตวอยางสดขด จะทาใหเกดการตกตะกอนของอะตอมคารบอนทผวนอกบรเวณรอยตอพนผวของของแขงและโลหะผสมทเปนของเหลว (solid-alloy liquid interface) เปนโดมของฟลเลอรนส (fullerene dome) และสรางตวเปนทอนาโนคารบอนในทสด ดงแสดงในรป 2.6

รป 2.6 การสรางตวของทอนาโนคารบอนแบบ VLS mechanism [17] แบงเปน 3 ขนตอน คอI Alloying เปนขนตอนทโลหะคะตะลสตไดรบความรอนและมไอของอะตอม คารบอน

มาตกสะสมกลายเปนโลหะผสมทอยในสถานะของเหลวII Nucleation เปนขนตอนทไอของอะตอมคารบอนเกดการตกสะสมทบรเวณผวรอยต

อระหวางของแขงและโลหะผสมทเปนของเหลวIII Axial growth เปนขนตอนการเจรญเตบโตเปนทอนาโน

โดยรปแบบการเตบโตของทอนาโนคารบอนมอยดวยกน 2 แบบ คอ แบบ Base growth และTip growth [26] ทงนขนอยกบอนตรกรยาระหวางโลหะคะตะลสตกบแผนฐานรอง(substrate) ถาอนตรกรยาระหวางโลหะคะตะลสตกบฐานรองออน (Weak substrate-catalyst interaction)การเตบโตของทอนาโนคารบอนจะเปนแบบ Tip growth โดยโลหะคะตะลสตจะอยดานบนของปลายทอ ดงแสดงในรป 2.7 (ก)แตถาอนตรกรยาระหวางโลหะคะตะลสตกบฐานรองแขงแรง (Strong substrate-catalyst interaction) การเตบโตของทอนาโนคารบอนจะเปนแบบ Base growth โดยโลหะคะตะลสตจะอยดานลางของทอ ดงแสดงในรป 2.7 (ข)

ความสมบรณของผลกของทอนาโนคารบอนนนขนอยกบธรรมชาตทางเคมของอนภาคโลหะคะตะลสต อณหภม และองคประกอบของกาซทใชในระหวางการสรางตวของทอ สวนขนาดเสนผานศนยกลางของทอนาโนคารบอนนนสามารถควบคมไดจากขนาดของโลหะคะตะลสต

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

12

(ก) (ข)รป 2.9 แสดงการเตบโตของทอนาโนคารบอน [19]

(ก) แบบ Tip growth และ (ข) แบบ Base growth

2.4 สมบตของทอนาโนคารบอน2.4.1 สมบตเชงอเลกทรอนกส (Electronic properties)

ทอนาโนคารบอนสามารถแสดงสมบตไดทงตวนาไฟฟาและกงตวนาไฟฟา ทงนขนอยกบขนาดเสนผานศนยกลางของทอและทศทางการจดเรยงตวของวงแหวนหกเหลยม (helicity or chirality)

ททามมเทยบกบแกนของทอ (chiral angle) [11] ดงแสดงในรป 2.8(1) ทตาแหนง (n-m)/3 ไดเปนจานวนเตม จะแสดงสมบตทางไฟฟาแบบตวนาไฟฟา

(Conductor) หรอโลหะซงสวนใหญเปนทอนาโนคารบอนแบบ armchair

(2) ทตาแหนง (n-m)/3 ไดไมเปนจานวนเตม จะแสดงสมบตทางไฟฟาแบบสารกงตวนาไฟฟา (Semiconductor) ซงสวนใหญเปนทอนาโนคารบอนแบบ chiral และ 2 ใน 3 สวนของแบบ zig-zag

รป 2.8 แสดงลกษณะการเรยงตวของอะตอมคารบอนทาใหสมบตตางกนไป [20]

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

13

2.4.2 สมบตทางกลทอนาโนคารบอนมความแขงแรงตอแรงดง (tensile strength) ในแนวแกนของทอ ดงแสดงรป

2.9 และมคาโมดลสของยง (Young's modulus) สงมาก [20] โดยทอนาโนคารบอนชนดผนงชนเดยวจะมคาโมดลสของยงมากกวา 1 TPa (Tera Pascal; 1012 N/m2) สวนคาความแขงแรงตอการดงสงสดสาหรบทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชนนนมคาเทากบ 200 GPa [22] ดงแสดงรป 2.10 (Giga Pascal;

109 N/m2)ซงมากกวาเหลกประมาณ 100 เทา แตมนาหนกเบากวาประมาณ 6 เทา [11] มสมบตในการนาความรอนทด [21] อกทงยงไมทาปฏกรยากบสารอนๆหรอทาปฏกรยากบสารอนไดยาก(Chemically inert) ดงนนจงมการนาทอนาโนคารบอนไปเปนวสดทตานทานการกดกรอนดวย

รป 2.9 แสดงการใชกลองจลทรรศนแรงอะตอม (AFM) หาคาโมดลสของยง [23]

รป 2.10 แสดงการเปรยบเทยบคาความแขงแรงตอแรงดงของทอนาโนคารบอนกบวสดตางๆ(สเกลของกราฟเปนสเกล log) [24]

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

14

2.4.3 การประยกตใชทอนาโนคารบอน [20, 25]สมบตพเศษของทอนาโนคารบอนดงไดกลาวไปแลวในหวขอกอนหนาน ดงนนจงมการนาทอ

นาโนคารบอนมาประยกตใชในงานดานตางๆ ดงแสดงรป 2.11 คอ

รป 2.11 แสดงภาพรวมการนาทอนาโนคารบอนไปประยกตใช [26]

2.4.4 การประยกตใชทอนาโนคารบอน ในการทาวสดผสม (composite materials)

ทอนาโนคารบอนมความแขง (stiffness) และมความยดหยนสงมาก ดงนนจงถกนาไปใชกบการปรบปรงโครงสรางในวสดตางๆ เชน การเสรมแรง (reinforcements) ในวสดผสมทตองการ ความแขงแรงสง ทนทาน และนาหนกเบา แตการทดลองทบอกวาการเตมทอนาโนคารบอนในวสด แรงกระทาตอกนเปนแรงแวนเดอรวาลส ซงเปนแรงทออนมาก ทาใหการรบแรงทาไดนอยกวาการทาเปนวสดผสมมหลายอยาง เชน ปญหาของการสรางรอยตอ (interface) ระหวางทอนาโนคารบอนกบพอลเมอร เนองจากทอนาโนคารบอนนนมพนผวทเรยบและมขนาดทใกลเคยงกบหวงโซของพอลเมอร (polymer chain) ปญหาตอมาคอ การททอนาโนคารบอนสวนมากมกจะอยกนเปนกลมกอน ทาใหเกดการเลอนไปมาไดงาย เนองจากการททอนาโนคารบอนมาอยใกลกนจะมแรงกระทาตอกนเปนแรงแวนเดอรวาลส ซงเปนแรงทออนมาก ทาใหการรบแรงทาไดนอยกวาการอยแบบเสนเดยวจากเหตผลดงกลาวทาใหทอนาโนคารบอนชนดผนงชนเดยวมความแขงแรงกวาทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชนโดยการแกการอยเปนกลมของทอนาโนคารบอนสามารถทาไดโดยการทาใหแตกและการทาใหกระจดกระจาย (disperse) เปนตน แตขอดของการใชทอนาโนคารบอนในการปรบปรงโครงสราง

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

15

ของพอลเมอรในวสดผสมนน คอ เพมความเหนยว (toughness) ของวสดผสม โดยทอนาโนคารบอนจะดดกลนพลงงานเอาไวขณะมการยดหยนเกดขน และจากการททอนาโนคารบอนมความหนาแนนนอยทาใหเพมความสามารถในการนาไฟฟาและยงทนทานตอแรงกดตางๆ อกดวย

ตวอยางการประยกตใชงานในดานอนๆ เชน การเตมพอลเมอรทสามารถตอบสนองตอ แสงได (Photoactive polymers) เชน PPV (poly-p-phenylenevinylene) ดวยทอนาโนคารบอน พบวามการเพมความสามารถในการนาไฟฟาอยางมาก แตสญเสยผลของการตอบสนองตอแสง (photoluminescence)

และผลของการตอบสนองทางไฟฟา (electro-luminescence) เพยงเลกนอยเทานน อกทงวสดผสมทไดยงมความแขงแรงเพมมากขนอกดวย สาหรบวสดผสมระหวางทอนาโนคารบอนกบพอลเมอรนนถกนาไปใชในหลายสาขา เชน งานดานชวเคมคอใชเปนเยอเลอกผานของโมเลกลหรอใชเปนทปลกเซลลกระดก (osteointegration) เปนตน

ปจจบนบรษท Babolat ของฝรงเศสไดนาแรกเกต VS Nanotube Power ดงรป 2.12 ออกจาหนายเปนครงแรกในป 2002 โดยทาจากวสดผสมระหวางแกรไฟตกบทอนาโนคารบอน ทาใหแรกเกตมความทนทานสงมากในขณะทนาหนกเบาลง การตลกมพลงเพมมากขนและลดอาการเกรงของกลามเนอของนกเทนนสไดเปนอยางด [26]

รป 2.12 แรกเกต VS Nanotube Power ของ Babolat [27]

2..5 ยางธรรมชาต [7,8]

ยางธรรมชาตมชอทางเคมคอ ซส-1,4-พอลไอโซพรน (cis-1,4-polyisorene) ซงมสตรโครงสราง ดงรป 2.1 เปนโมเลกลทประกอบดวยคารบอนและไฮโดรเจนลวน ทาใหมสมบตไมทนตอนามน แตเปนฉนวนไฟฟาไดด ใน 1 โมเลกลจะประกอบดวยหนวยของไอโซพรน (C5H8)มาตอกนเปน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

16

สายโซยาวแบบเสนตรงใน 1 หนวยไอโซพรนจะมพนธะคและหมอลฟาเมทธลนทวองไวตอการเกดปฏกรยา ทาใหสามารถวลคาไนซ (vulcanize)ไดดวยกามะถน และทาใหยางทาปฏกรยาไดงายดวยออกซเจนและโอโซน ทาใหยางเกดการเสอมสภาพไดงายเชนเดยวกน ดงนนการออกสตรยางจาเปนจะตองมแอนตออกซแดนทและแอนตโอโซแนนทรวมดวย ยางธรรมชาตมสายโซทเคลอนไหวหกงอไปมาไดงาย ทาใหยางธรรมชาตคงสภาพยดหยนไดด มอณหภมของการเปลยนสถานะคลายแกว ประมาณ -72°C สามารถใชงานไดทอณหภมตามาก สาหรบความสมาเสมอในโครงสรางโมเลกลทาใหยางธรรมชาตสามารถตกผลกไดเมอยด การเกดผลกเนองจากการยดตวยงทาใหยางคงรปมสมบตเชงกลดขน นนคอ ยางจะมความทนทานตอแรงดง ความทนทานตอการฉกขาด และความตานทานตอการขดถสงขน ยางธรรมชาตมนาหนกโมเลกลเฉลยสง อยในชวง 200,000 ถง 400,000และมการกระจายตวของนาหนกโมเลกลกวางมาก ทาใหยางแขงเกนไปทจะนาไปแปรรปโดยตรงจะตองมการบดยาง กอนทจะนาไปใชในกระบวนการผลต ซงเครองมอทใชในการบดยางโดยทวไปจะใชเครองบดยางสองลกกลง

รป 2.13 สตรโครงสรางของพอลไอโซปรน (polyisoprene)

นายางทกรดไดจากตนจะเรยกวานายางสด (field latex) นายางทไดจากตนยางมลกษณะเปนเมดยางเลก ๆ กระจายอยในนา (emulsion) มลกษณะเปนของเหลวสขาว มสภาพเปนคอลลอยด มปรมาณของแขงประมาณรอยละ 30-40 pH 6.5-7 นายางมความหนาแนนประมาณ0.975-0.980 กรมตอมลลลตร มความหนด 12-15 เซนตพอยส สวนประกอบในนายางสดแบงออกไดเปน 2 สวน คอ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

17

2.5.1 สวนประกอบของเนอยาง ซงมสวนประกอบหลกๆดงแสดงในรป 2.13 คอ

2.5.1.1 อนภาคยาง ถกหอหมดวยสารจาพวกไขมนและโปรตน โดยโปรตนนจะอยชนนอกและอาจมโลหะบางชนด เชน แมกนเซยม โปแตสเซยม และทองแดง ปะปนอยปรมาณเลกนอยประมาณ 0.5% โดยปกตอนภาคยางจะแขวนลอยในน า ประกอบดวยสารประกอบพวกไฮโดรคารบอนมชอโครงสรางทางเคมวาซส 1,4 พอลไอโซพรน (cis 1,4 polyisoprene) ลกษณะอนภาคแตกตางกนมาก คออยระหวาง 0.02 µ จนถง 2 µ (200 Å -20,000Å)อนภาคยางสวนใหญจะมขนาดเกน 0.4µ (4000 Å) และขนาดอนภาคเฉลยประมาณ 1.2 µ เมอนานายางสดมาปนดวยความเรวสงพบวา อนภาคยางทมขนาดใหญจะแยกตวออกจากชนนาขนมาอยดานบนซงสามารถแยกเปนนายางขน สวนอนภาคทมขนาดเลกจะปนอยกบหางนายาง (Skim latex)

2.5.1.2 โปรตน สวนของโปรตนทงหมดทมอยในนายาง จะแบงเปน 3 สวนดวยกนคอ สวนทหอหมอยตรงผวรอบนอกของอนภาคยางซงมประมาณ 25 % สวนทอยในชนนาซงมประมาณ 50%และสวนของสารลทอยด (lutoid) ซงมประมาณ 25% โปรตนหลกๆทมอยในนายางม 2 ประเภท คอ

ประเภทแรกเรยกวา แอลฟา-โกลบลน (α-Globulin) เปนโปรตนทมนาหนกโมเลกลสงประมาณ200,000 ซงเปนโปรตนทมสมบตเปน surface-active จะอยบนรอยตอระหวางนากบอากาศและนามนกบนา ไมละลายในนากลนแตละลายในนากรด ดาง และเกลอ มคา isoelectric point ท pH4.8 ประเภททสองเรยกวา ฮวน (Hevein) เปนโปรตนทมนาหนกโมเลกลตาประมาณ 10,000 โปรตนชนดนจะอยทอนภาคของเนอยาง และละลายอยในชนนา มคา isoelectric point ท pH 4.5สวนประกอบของฮวน มกามะถนอยราว 5% และเปนประเภท crystalline disulphide linkageเวลานายางบดเนา โปรตนสวนหนงจะสลายตวเปนสารพวกไฮโดรซลไฟด และสารเมอรแคปแทน ซงทาใหมกลนเหมนได ฮวนมทงประจบวกและลบอยในโมเลกล ขนอยกบคา pH ของตวกลาง โปรตนชนดนจดเปนสารลดแรงตงผว ชนด amphoteric stabilizer ซงจะเกดการเปลยนแปลงประจของโปรตนตามสภาวะแวดลอม

2.5.1.3 ไขมน ไขมนทอยกบอนภาคของเมดยาง สวนใหญเปนพวกฟอสโฟไลปด (ประมาณ 2.0%)Eicosyl alcohol (ประมาณ 6.0%) พวกสเตอรอยด และเอสเทอรของสเตอรอยด (ประมาณ 0.4%)ฟอสโฟไลปดนจะอยระหวางชนของโปรตนและอนภาคยางโดยตวมนเองทาหนาทยดโปรตนใหเกาะตดกบอนภาคของเมดยางฟอสโฟไลปดทสาคญของนายางเปนชนดเลซทน (Lecithin)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

18

2.5.2 สวนทไมใชนายาง ซงมสวนประกอบหลกๆ ดงน

2.5.2.1 สวนทเปนนาหรอเซรม เซรมของนายางมความหนาแนนประมาณ 1.02 กรมตอมลลลตร ประกอบดวยสารชนดตางๆ คอ คารโบไฮเดรต ซงเปนสารพวกแปงและนาตาล มอยในนายางประมาณ 1% นาตาลสวนใหญเปนชนด ควบาซทอล (Quebarchitol)

2.5.2.2 โปรตนและกรดอะมโน สวนทอยในเซรมของนายาง มคา isoelectric point หลายคา โปรตนทมคา isoelectric point สงสามารถสลายตวใหประจบวกได เปนสาเหตใหนายางสญเสยสภาพ

2.5.2.3 สวนของลทอยดและสารอนๆ เปนอนภาคคอนขางกลม ขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 0.5-3.0 µ หมดวยเนอเยอชนเดยว สามารถเกดการออสโมซสไดงาย ดงนนการเตมลงในนายางสดจะทาใหลทอยดบวมและแตกงาย สารอนๆ โดยมากเปนอนภาคเฟรย-วสลง (Frey-wyssling)เปนสารทมอนภาคใหญกวายางแตความหนาแนนนอยกวา ประกอบดวยสารเมดสพวกคาโรตนอยด

รป 2.14 องคประกอบของนายางธรรมชาต [9]

นายางสดทกรดไดจากตนยาง จะคงสภาพความเปนนายางอยไดไมเกน 6 ชวโมง เนองจากแบคทเรยในอากาศ และจากเปลอกของตนยางขณะกรดยางจะลงไปในนายาง และกนสารอาหารทอยในนายาง เชน โปรตน นาตาล ฟอสโฟไลปด โดยแบคทเรยจะเจรญเตบโตอยางรวดเรว ปฏกรยาทเกดขนหลงจากแบคทเรยกนสารอาหาร คอ จะเกดการยอยสลายไดเปนกาซชนดตาง ๆ เชน กาซ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

19

คารบอนไดออกไซด กาซมเทน เรมเกดการบดเนาและสงกลนเหมน การทมกรดทระเหยงายเหลานในนายางเพมมากขน จะสงผลใหคา pH ของนายางเปลยนแปลงลดลง ดงนนนายางจงเกดการสญเสยสภาพ ซงสงเกตไดจาก นายางจะคอย ๆ หนดขน เนองจากอนภาคของยางเรมจบตวเปนเมดเลก ๆและจบตวเปนกอนใหญขน จนนายางสญเสยสภาพโดยนายางจะแยกเปน 2 สวน คอ สวนทเปนเนอยาง และสวนทเปนเซรม ดงนนเพอปองกนการสญเสยสภาพของนายางไมใหอนภาคของเมดยางเกดการรวมตวกนเองตามธรรมชาต จงมการใสสารเคมลงไปในนายางเพอเกบรกษานายางใหคงสภาพเปนของเหลว โดยสารเคมทใชในการเกบรกษานายางเรยกวา สารปองกนการจบตว (Anticoagulant)ไดแก แอมโมเนย โซเดยมซลไฟด ฟอรมาลดไฮด เปนตน เพอทรกษานายางไมใหสญสยสภาพ

2.6 วสดผสม (composite material) [29,30]

วสดผสม คอ การนาเอาวสด 2 ชนดหรอมากกวามารวมกน เพอใหไดสมบตตามทตองการและมประโยชนในการนาไปใชงาน โดยจะรวมเอาขอดของวสดหลกเอาไว ซงวสดหลกในวสดผสมทนามาประกอบเปนวสดผสมนนจะเปนวสดในกลมเดยวกนหรอไมเปนกได ดงนนวสดผสมอาจประกอบขนมาจากโลหะกบพอลเมอร พอลเมอรกบเซรามก หรออาจเปนวสดผสม

สาหรบวสดผสมถอไดวาเปนวสดหลายเฟส (multiphase material) ทประกอบดวยเฟส 2เฟส คอ กลมของ matrix phase และกลมของ dispersed phase ซงแตละเฟสจะแยกกนอยางชดเจนและใหสมบตทเกอกลกน โดยแตละเฟสจะทาหนาท ดงน

เมทรกซเฟส (matrix phase) จะทาหนาทหอหมดสเพอสเฟส (dispersed phase) และเปนตวชวยยดใหดสเพอสเฟสรวมอยดวยกนกบเมทรกซเฟส ซงประกอบเปนวตถกอนเดยว ทาใหวสดผสมคงรปรางและทนแรงยดไดด โดย matrix phase และ dispersed phase อาจเปน พอลเมอรโลหะ หรอเซรามกกได

ดสเพอสเฟส (dispersed phase) เปนเฟสทกระจายตวอยในเมทรกซเฟส สวนใหญเปนวสดทมความแขงแรงสง จงทาหนาทเปนตวเสรมการนาไฟฟาและเสรมความแขงแรงใหวสดผสม สาหรบการเรยงตว ขนาด และรปรางของดสเพอสเฟสในเมทรกซเฟสจะเปนตวกาหนดสมบตของวสด

ประโยชนทไดรบจากวสดผสม

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

20

- เพมความแขงแรง (strength)

- เพมความตานทานการสกหรอ (wear) และการกดกรอน (corrosion) ทางเคม

- ลดความสามารถในการซมผานของกาซและของเหลว

- ลดการดดซมของนา

- นาหนกของวสดลดลง

- ลดการขยายตวทางความรอน (thermal expansion)

- เปลยนแปลงคณสมบตทางไฟฟา เชน เพมคาสภาพความตานทานทางไฟฟา

- ยงคงรกษาความแขงแรง/stiffness ทอณหภมสง ขณะอยภายใตความเครยด

- สามารถปรบปรงและออกแบบใหมการบดงอได

2.7 นาโนคอมโพสต (nanocomposite) [31]

นาโนคอมโพสต คอการนาวสดทมขนาดอยในระดบนาโนเมตรมาผสมเพอปรบปรงคณสมบตของสารทมขนาดใหญใหดขนคลายกบคอนกรตเสรมเหลก โดยสารทเราตองการเปลยนแปลงคณสมบตจะเสมอนเปนคอนกรต และสารทมโครงสรางระดบนาโนซงโดยทวไปทนยมนามาใช คอ เคลย พอลเมอรและวสดนาโนคารบอน จะเสมอนเปนเหลกเสน คอมโพสตแยกออกเปน 2 ชนดตามเฟสของวสดทนามาใชคอมโพสต คอ วสดผสมชนดหลายชน (multilayer composite) และวสดผสมชนดสารอนนทรย (inorganic composite)

วสดผสมชนดหลายชน (multilayer composite) โดยทวไปจะสรางจากการพนกาซลงบนพนผวของชนงาน หรอเกดจากการสะสมของ monolayer สวนวสดผสมชนดสารอนนทรย/อนทรย(inorganic/organic composite) สามารถเตรยมไดจาก sol-gel technique คอ การสรางตวเชอมระหวางกลมของอะตอม หรอการเคลอบผวของสารดวยอนภาคขนาดนาโน เชน สารประเภทพอลเมอร หรอ การผสมนาโนวสดลงไปในขนตอนการขนรป

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

21

วสดนาโนคอมโพสตสามารถเพมสมบตทดแกวสดได ตวอยางเชน การเจอโครงสรางระดบ นาโนของอะลมไนด ลงในโลหะผสมอะลมเนยม สามารถเพมคาความแขงและตานทานการสกหรอไดเปนอยางด

2.8 สมบตของพอลเมอร

2.8.1 การทดสอบสมบตทางกล (Mechanical Tests) [32]

นกเคมมกศกษาลกษณะกายภาพของวสดตาง ๆ โดยอาศยความรเกยวกบโครงสรางของโมเลกล (molecucular feature) เชน การจดเรยงอนภาคในโมเลกล รปรางของโมเลกล และพลงงานพนธะเปนตน ในขณะทวศวกรหรอผทนาวสดนน ไปใชงานมกจะมงความสนใจไปทลกษณะสมบตของวสด ซงมประโยชนตอการนาไปประยกตใช ถงแมวาในระยะหลายปทผานมาไดมการศกษาสมบตทางกายภาพและทางเคมของพอลเมอรในขนสงแลวกตาม โดยทวไปพบวาเราไมสามารถทานายสมบตทางกล (mechanical properties) ของพอลเมอรโดยอาศยความรจากโครงสรางพนฐานทางเคมไดอยางแมนยา เชน ความแขงแรง (strength) ทแทจรงของพอลเมอรอาจมคาเพยง0.1-0.01 เทาของคาทไดจากการคานวณโดยใชความรพนฐานจากความแขงแรงของพนธะ และแรงระหวางโมเลกล เพราะฉะนนในปจจบนการทดสอบสมบตทางกล จงเปนวธทดทจะศกษาถงสมบตและความเปนไปไดในการนาเอาพอลเมอรไปใชงาน

1. ความทนตอแรงดง (Tensile Strength)

ความทนตอแรงดงของพอลเมอร สามารถทดสอบจากลกษณะการยดออกของตวอยางเมอ

ไดรบแรงดงจากภายนอก ดงรป 2.18 โดยอาศยเทอม 2 เทอมทสมพนธกน คอ ความเค (stress :σ)

และความเครยด (strain:ε) ความเคน คอ แรงทใชในการดงหรอยดตวอยาง ตอหนงหนวย

พนทหนาตดความเครยด (ε) คอ อตราสวนระหวางความยาวทเปลยนไปของตวอยางเมอไดรบแรงดงตอความยาวเรมตน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

22

รป 2.15 ลกษณะการยดออกของพอลเมอรเมอไดรบแรงดงจากภายนอก

เนองจากพฤตกรรมความเคนและความเครยดของวสดเปนลกษณะทขนกบเวลา อตราเรวทความเคนหรอแรงถกใหกบตวอยางจงมผลตอการยดของตวอยาง หรอความเครยดเปนอยางมาก เชนเมอนาตวอยางประเภทเสนใยมาทดสอบ โดยใชแรงดงอยางรวดเรวจนทาใหเสนใยขาดออกโดยงายแตเมอใชแรงขนาดเดมแตดงอยางชา ๆ จะทาใหเสนใยยดออกและทนตอแรงดงอยไดนานกอนทจะขาด ในทางปฏบตทวไปการทดสอบความเคนและความเครยดของพอลเมอร มกใชตวอยางรปรางดงแสดงในรป 2.15

รป 2.16 รปรางตวอยางของพอลเมอรทใชทดสอบความเคน และ ความเครยด

ปลายของตวอยางถกยดดวยทจบ และจะถกดงใหยดออกดวยแรงทรขนาดแนนอน จากนนจงนาขอมลไปเขยนกราฟระหวางความเคนและความเครยด (stress-strain curve) สาหรบพอลเมอรทมลกษณะคลายยาง (elastomer) ซงเกดการยดออกไดงายเมอไดรบแรงดง กราฟทไดมลกษณะดง

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

23

รปท 2.16 และ 2.17 นอกจากความเคนและความเครยด แลวยงมเทอมทแสดงสมบตเชงกลประเภทอนของพอลเมอร อก เชน มอดลส หรอ ความแขงแกรง (stiffness) ซงแสดงโดยคาอตราสวนระหวางความเคนและความเครยด (หรอความชนในชวงแรกของเสนกราฟ) และ toughness ซงแสดงความตานทานตอการขาด

รป 2.17 กราฟความสมพนธระหวางความเคน- ความเครยดของพอลเมอร

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

24

รป 2.18 กราฟการทดสอบความทนตอแรงดงของพอลเมอรทมสมบตตาง ๆ กน

ขอมลสาคญทไดจากกราฟความสมพนธระหวางความเคน-ความเครยด คอคาความทนตอแรงดง ณ จดขาด (tensile strength at break) ซงคานสาหรบพอลเมอรทวไปทพบในชวตประจาวนสรปไวในตารางท 2.2

ตาราง 2.1 คาความทนตอแรงดง ณ จดขาดสาหรบพอลเมอรทวไปทพบในชวตประจาวน

Polymer Tensile Strength (psi)

Polyethylene (low to medium density) 1,000 - 2,400Poly (tetrafluoroethylene) 3,500Polyethylene (high density) 4,400Poly (dimethylsiloxane) 5,000Polypropylene 5,000Poly (vinylidene chloride) 8,000Polystyrene 8,000ABS terpolymer 8,500Polyamide 9,000 - 12,000Polycarbonate 9,500Polyesters (cast) ~ 10,000Polysulfone 10,200 - 12,00Poly (phenylene oxide) 10,500Epoxy resin

Cast 12,000Molded 16,000

Glass-filled nylon 31,000Fabric-reinforced epoxy resin 60,000 - 85,000

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

25

2. ความแขงและความตานทานการขดถ (Hardness and Abrasion Resistance)

สมบตความแขง ความตานทานการขดถ ความตานทานตอรอยขดขวนของวสดทวไป มความเกยวของกนแตไมจาเปนตองมความแปรผนโดยตรงตอกน การทดสอบความแขงทาโดยใชแทงโลหะปลายมน (indentor) กดลงทผวหนาของตวอยางดวยแรงคงทแลวปลอย จากนนวดรอยลกทเกดจากการกดและการคนตวของตวอยาง จากการทดสอบพบวาพอลเมอรประเภททมคาความแขงตา ไดแกพอลโอเลฟนส สวนประเภททมความแขงสง เชน พอลเอไมด และพอลเอธลนเทเรฟทาเลต ความตานทานการขดถและการขดขวน สามารถวดไดจากความสามารถของพอลเมอรทจะคงลกษณะผวหนาทเรยบไวไดเมอถกขดถกบวสดชนดอน การทดสอบทาไดโดยวดนาหนกทหายไปของตวอยางหลงการทดสอบ พอลเมอรทมกถกทดสอบความสามารถความตานทานการขดถ ไดแกประเภททนามาทาเปนเฟอง บานพบ ยางรถยนต พนรองเทา วธการทดสอบทาโดยใชกระดาษทราย หรอดนสอทมแกนทาดวยวสดทมคาความแขงตางกน ลากผานผวหนาของวสดดวยแรงคงท

3. Shore durometer type A

เครองวดความแขงในปจจบนมหลายชนดขนกบลกษณะการใชงานและการเลอกชนดทใชตองมความถกตองและเหมาะสมกบระบบการวดวเคราะหตวอยาง เครองวดความแขงของยางชนดเอ (Type A) เปนเครองวดวเคราะหอกชนดหนงทใชเปนตวชบอกคาความแขงทางดานยาง ทใชเปนมาตรฐานในปจจบนและไดรบการผลตตามมาตรฐาน ASTM D 2240 , JIS K 6253 กบมาตรฐาน JISK 6301 แสดงดงตาราง 2.3 ซงในขอกาหนดทเปนมาตรฐานสากลเครองวดความแขงชนดเดยวกนจะตองแสดงหรอพสจนใหเหนวามความสอดคลองของคาบงช และเปนไปตามขอกาหนดของคณลกษณะเฉพาะของเครองมอชนดนนๆ ซงเครองวดความแขงของยางชนด เอ แสดงใหเหนดงรป 2.18

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

26

รป 2.18 แสดงคณลกษณะหวกดเครองวดความแขงของยางชนด เอ

ตาราง 2.2 แสดงคณสมบตเครองวดความแขงชนด เอ

ชนด การใช/วสด มาตรฐาน แรงสปรง นวตน (กรม)ความแขง 0-100

ขนาดของหวกด (มม.)ขนาด/ความสง

A สาหรบยางทวไป/วสดทมความยดหยน

ASTM D2240 JIS K

6253

0.550-8.050 N (56.1-821.1 gf)

ทรงรปกรวยปลายตด เสนผานศนยกลาง 0.79 มม. ,ทามม 35 องศา / 2.50

+/-0.04A สาหรบยางทวไป/

วสดทมความยดหยนJIS K 6301 0.539-8.379 N (55-

855 gf)ทรงรปกรวยปลายตด เสนผานศนยกลาง 0.79 มม. ,ทามม 35 องศา / 2.50

+/-0.04

2.8.2 สมบตการตานการสลายตวดวยความรอนความรอน

Thermogravimetric Analysis (TGA) เปนวธเบองตนในการวเคราะหความเสถยรของพอลเมอรเมอไดรบความรอน โดยใชพนฐานการวดนาหนกอยางตอเนองดวยเครองชงทมความไวสง(thermobalance) ในระหวางการวเคราะห อณหภมของตวอยางซงอยในบรรยากาศปกต หรอกาซเฉอยจะถกทาใหเพมขนอยางตอเนอง ขอมลการวเคราะหจะถกบนทกเปนเทอรโมแกรมทแสดงการเปลยนแปลงนาหนกของตวอยาง และอณหภม ดงรป 2.19 การสญเสยนาหนกในชวงแรกของการ

วเคราะห หรอทอณหภมตาอาจเกดจากการระเหยของนาหรอตวทาละลาย แตทอณหภมสงมกเกด

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

27

จากการสลายตวของพอลเมอร ขอมลเหลานทาใหทราบเกยวกบความเสถยรตออณหภมของพอลเมอร เทคนคนยงมประโยชนมากในการวเคราะหหาสารทระเหย หรอสารเตมแตงทใสลงไปในพอลเมอรอกดวย

Temperature (°C)

รปท 2.19 เทอรโมแกรมทไดจากการวเคราะหดวย TGA

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

บทท3การทดลอง

ในบทนจะกลาวถงสารเคมและอปกรณทใชในการทดลอง การทดลองและขนตอนการดาเนนงานวจยทงหมด การเตมหมฟงกชนบรเวณผนงและปลายทอนาโนคารบอนทสงเคราะหดวยกระบวนการตกสะสมไอสารเคม (CVD) รวมถงกระบวนการเตรยมนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอนและการวเคราะหโครงสรางจลภาคของนาโนคอมโพสตดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด(SEM) เครองวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซ (EDS) ซงจะกลาวเปนลาดบดงตอไปน

3.1 การเตมหมฟงกชนแกทอนาโนคารบอน (Functionalization of MWNTs)3.1.1 สารเคม

1. H2SO4 98%2. HNO3 65%3. ทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน (Multi-walled carbon nanotube,

(MWNTs)) จากหนวยวจยนาโนวสด มหาวทยาลยเชยงใหม4. Deionize water

3.1.2 วสดอปกรณ1. กระดาษกรอง whatman เบอร 4 และ 5 ขนาด 90 mm2. ขวดสญญากาศ (Buchner Flask)3. กรวยบคเนอร (Buchner funnel) ขนาด 90 mm4. ขวดชมพ5. ปมสญญากาศ6. กระดาษอนดเคเตอร (indicator)7. กระบอกตวง8. บกเกอร

9. เครอง อลตราโซนกรน TRANSSCONIC 310 ของบรษท ELMA ประเทศเยอรมน10. ถงมอ

11. หนากากกนกรด

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

29

12. กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) พรอมตดตงเครองวเคราะหการกระจายพลงงานรงสเอกซ (EDS) รน JSM-6335F ผลตโดยบรษท JEOL ประเทศญปน

13. เครองชงไฟฟาความละเอยดสงรน SER 14204346 ผลตโดยบรษท A&Dประเทศ ญปน

14. เครอง Fourier Transform Infared (FT-IR) spectrometer15. เครองรามาน (Raman spectrometer) รน T64000 ผลตโดยบรษท HORIBA

JOBIN YVON ประเทศฝรงเศส3.1.3 ขนตอนการเตมหมฟงกชนแกทอนาโนคารบอน [32]

1. นา MWNTs 5 g ผสมในกรด H2SO4 120 ml และ HNO3 40 ml2. สนอลตราโซนก 30 นาท3. ใหความรอนจนเดอด (134°C) 20 นาท แลวทงใหเยนทอณหภมหอง (25°C)4. สนอลตราโซนก 30 นาท5. ลางดวยนา DI-water และกรองดวยกระดาษกรอง whatman เบอร 4 และ 5

หลายๆครง จน pH~6 โดยจดอปกรณการกรองดงรป 3.1

รป 3.1 อปกรณการกรองของการเตมหมฟงกชนแกทอนาโนคารบอน

6. นา MWNTs ทไดไปตรวจสอบโครงสรางดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) เครองวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซ (EDS) ดงแสดง

ในรป 3.2

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

30

รป 3.2 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) และเครองวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซ (EDS)

7. ตรวจสอบหมฟงกชนดวย Raman spectroscopy และ Fourier TransformInfrared (FT-IR) spectroscopy ดงแสดงในรป 3.3

รป 3.3 เครอง Raman spectrometer

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

31

3.2 การเตรยมนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอนและลวดนาโนซลคอนคารไบด3.2.1 สารเคม

1. นายางธรรมชาต จากบรษทซมอนยางพาราจากด สถาบนบมเพาะวสาหกจมหาวทยาลยแมโจ ซงมสวนผสม ดงตาราง 3.1

ตาราง 3.1 แสดงสวนผสมของนายางธรรมชาต

2. ทอนาโนคารบอน ทสงเคราะหโดยวธตกสะสมไอเคม และมหมฟงกชนทมออกซเจนเปนองคประกอบทบรเวณผนงและปลายทอ (FMWNTs)

3. ลวดนาโนซลคอนคารไบด (SiC NWs) ทสงเคราะหโดยวธใหความรอนดวยกระแสไฟฟา

4. นา DI-water3.2.2 วสดและอปกรณ

1. เครองอลตราโซนก2. บกเกอรขนาด 100 ml3. กลองพลาสตก4. แทงแกวคนสาร5. เตาอบ ยหอ vecstar บรษท vecstar ltd. ประเทศองกฤษ

3.2.3 ขนตอนการเตรยมนาโนคอมโพสต1. บดทอนาโนคารบอนและลวดนาโนซลคอนคารไบดใหละเอยด2. ชง FMWNTs และ SiC NWs ปรมาณเปอรเซนตโดยนาหนกเปยกของนายาง

สวนผสม นาหนกเปยก (g)60% Natural Rubber 16720% Potassium oleate 1.010% KOH 5.050% Sulfer 3.050% ZDC 2.050% CPL 2.050% ZnO 2.0

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

32

10 ml- ผสม FMWNTs ปรมาณ 1,3,5,10,20,30,40 และ 50 wt.%- ผสม FMWNTs ปรมาณ 5 wt.% และ SiC NWs ปรมาณ 0.25,0.5,1,3

และ 5 wt%- ผสม FMWNTs ปรมาณ 10 wt.% และ SiC NWs ปรมาณ 0.25,0.5,1,3

และ 5 wt.%3. ผสม FMWNTs และ SiC NWs ในแตละเงอนไขกบนา DI-water 30 ml4. สนอลตราโซนกเปนเวลา 1 ชวโมง5. ผสม F-MWNTs และ SiC NWs ในแตละเงอนไข (จากขอ 4) กบนายาง 10 ml

ใชแทงแกวคนจนเปนเนอเดยวกน6. ขนรปนาโนคอมโพสตโดยการเทลงเบาพลาสตกขนาด 8.3 cm× 11.5 cm7. อบทอณหภม 60°C 12 ชวโมง8. ลอกแผนนาโนคอมโพสตออกจากเบาพลาสตก จะไดนาโนคอมโพสตขนาดความ

หนา 0.6-0.8 mm9.นาแผนนาโนคอมโพสตไปศกษาโครงสรางดวย SEM, EDS และ XRD และ

นาไปทดสอบสมบตทางกล ทางไฟฟา และ ศกษาสมบตทางความรอนดวยThemogravimetry analysis

3.3 การทดสอบสมบตทางกลของนาโนคอมโพสต3.3.1 การทดสอบการทนแรงดง (tensile strength) ตามมาตรฐาน ASTM D412-98

1. ตดนาโนคอมโพสตเปนรป dumbbell ขนาดตามมาตรฐาน ASTM D412-98 ดงรป 3.4 จานวน 3 ชน

(ก)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

33

(ข)รป 3.4 ขนาดและลกษณะของชนทดสอบ (หนวย mm)

2. วดความหนาโดยใชเวอรเนยคาลปเปอร3. นาชนทดสอบเขาเครองทดสอบแรงดง ดงรป 3.5 ปรบใหบรเวณ Gauge length

ไมหยอนหรอตงจนเกนไป

รป 3.5 เครองทดสอบ tensile test รน H10KS บรษท Hounsfield test equipment ประเทศองกฤษ

4. ตงคาเงอนไขการทดสอบ ดงนStress Range = 100 MPaStrain = 1500%Gauge length = 33 mmSpeed = 500 mm/min

5. ทดสอบแรงดงโดยเพมแรงดงขนเรอยๆ จนชนงานขาดบรเวณ Gauge length แลว

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

34

บนทกคาตางๆ6. นาขอมลทไดไปวเคราะหคา tensile strength และ initial modulus และสรปผล

การทดลอง3.3.2 การทดสอบความแขง (hardness) ของนาโนคอมโพสตดวย shore durometer A ตาม

มาตรฐาน ASTM D2240 ดงรป 3.6 (ก)1. ตดนาโนคอมโพสตขนาด 1×1 ตารางนว2. นาไปทดสอบหาความแขงดวยเครอง shore durometer A ดงรป 3.6 (ข) โดยหมน

reset knop ทวนเขมนาฬกาจนเขมทงสองพบกน แลวจบ gauge ในแนวดง กดเขมดานลางของ Gauge ใหแนนเขากบชนทดสอบจนขอบลางสมผสกบพนผวชนทดสอบ บนทกคความแขงจากเขม (อนงอ) ทคางอยเปนคาความแขง shore A ของชนทดสอบ

3. ทาการทดสอบชนละ 10 จด ทวแผนชนทดสอบ แลวหาคาเฉลย4. นาขอมลทไดวเคราะหและสรปผลการทดลอง

(ก) (ข)รป 3.6 (ก) shore durometer A และ (ข) การวดคาความแขงดวย shore durometer A

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

บทท 4

ผลการทดลอง

ในบทนจะกลาวถงผลการทดลองของการศกษาลกษณะโครงสรางดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning electron microscope, SEM) การตรวจสอบหมฟงกชนของทอนาโนคารบอนดวย Raman spectroscopy และ Fourier Transform Infrared (FT-IR)spectroscopy การทดสอบการตกตะกอนของทอนาโนคารบอนทเตมหมฟงกชนดวย รวมถงสมบตตางๆ เชน สมบตทางกล และสมบตทางความรอน ของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน

4.1 การตรวจสอบหมฟงกชนบนผนงทอนาโนคารบอน

การเตมหมฟงกชนใหแกทอนาโนคารบอนเปนการนาหมฟงกชนทมองคประกอบของออกซเจนมาเกาะบรเวณผนงและปลายทอ เพอใหทอนาโนคารบอนสามารถละลายนาได ซงการตรวจสอบการเตมหมฟงกชนใหแกทอนาโนคารบอน สามารถตรวจสอบไดดวย Fourier Transform

Infrared (FT-IR) spectroscopy ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด และวเคราะหองคประกอบทางเคมดวยเทคนคการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบพนท

ก) ข) ค)

รป 4.1 การตรวจสอบการละลายนาของทอนาโนคารบอนเมอตงทงไว 3 เดอน

ก) ทอนาโนคารบอนทมการสรางหมฟงกชน ข) ทอนาโนคารบอน

ค) ไดอะแกรมแสดงการยดเหนยวระหวางโมเลกลของนาและทอนาโนคารบอน

ทมหมคารบอกซลมาเกาะ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

36

จากรป 4.1 จะเหนวาเมอนาทอนาโนคารบอน (MWNTs) และทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน (FMWNTs) ไปละลายนา พบวาทอนาโนคารบอนจะแขวนลอยในนาและเมอตงทงไวประมาณ1-2 ชวโมงกจะเกดการตกตะกอนดงรป 4.1 (ข) แตเมอมการเตมหมฟงกชนใหแกทอนาโนคารบอนทอนาโนคารบอนจะสามารถละลายนาไดดงรป 4.1 (ก) และจะไมตกตะกอนแมจะตงทงไวนาน 3เดอน

4.1.1 การตรวจสอบหมฟงกชน Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy

รป 4.2 กราฟ FT-IR spectra ของทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน

การตรวจสอบหมฟงกชนบรเวณผนงทอนาโนคารบอน จากกราฟรป 4.2 acid treatment มพคการสองผานของอนฟราเรด ท 2649.9 cm-1 ซงเปนพคของพนธะ O-H ของหมฟงกชนคารบอกซล ซงกราฟ untreated ม O-H นอยมาก พคท 2175.1 cm-1และ 1080.6 cm-1 เปนพคของพนธะC-O ซงใน untreatedไมปรากฏการสองผานของอนฟราเรด ท wavenumber น พคท 2046.7cm-1, 1984.9 cm-1 และ 1710 cm-1 เปนพคของพนธะ C=O ซงเปนพคในหมฟงกชนคารบอนลสวนใน untreated ปรากฏการ transmittance ท 670 cm-1 ซงเปนพนธะ C-C จากกราฟการสองผานของอนฟราเรดท wavenumber ตางๆ พบวามหมคารบอกซล (COOH) หมคารบอนล (CO)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

37

และหมไฮดรอกซล (OH) บรเวณผนงทอนาโนคารบอน ซงมหมฟงกชนตรงกนกบรายงานของ Liangtiและคณะ[35]

4.1.2 ศกษาลกษณะของทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน (FMWNTs) ดวยภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM)

ก) ข)

รป 4.3 ภาพ FE-SEM 50,000X ของ ก) ทอนาโนคารบอน

ข) ทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน

จากภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) ดงรป 4.3 จะเหนวาทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชนนนไมทาใหทอนาโนคารบอนเกดการเสยหาย

4.1.3 ศกษาองคประกอบทางเคมดวยเครองสเปกโทรสโกปพลงงานกระจาย (EnergyDispersive Spectroscopy, EDS)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

38

รป 4.4 แสดงสเปกตรมองคประกอบธาตแบบพนท โดย EDS ทกาลงขยาย 20000X

ของทอนาโนคารบอน

ตาราง 4.1 องคประกอบธาตแบบพนท โดย EDS ทกาลงขยาย 20000X ของทอนาโนคารบอน

Element Weight% Atomic%C 100 100

Totals 100

จากการวเคราะหสเปกตรมของทอนาโนคารบอนดวยเทคนคการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบพนท (EDS) ดงรป 4.4 และ ตาราง 4.1 พบวามคารบอนเปนองคประกอบหลกองคประกอบเดยวของทอนาโนคารบอน

รป 4.5 แสดงสเปกตรมองคประกอบธาตแบบพนท โดย EDS ทกาลงขยาย 20000X

ของทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน (FMWNTs)

ตาราง 4.2 องคประกอบธาตแบบพนท โดย EDS ทกาลงขยาย 20000X ของทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน

Element Weight% Atomic%C 82.56 86.31O 17.44 13.69

Totals 100

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

39

จากการวเคราะหสเปกตรมของทอนาโนคารบอนดวยเทคนคการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบพนท (EDS) ดงรป 4.5 และ ตาราง 4.2 พบวาทอนาโนคารบอนมองคประกอบของคารบอนและออกซเจน แสดงวามหมฟงกชนทมออกซเจนเปนองคประกอบบรเวณผนงของทอนาโนคารบอน ซงสอดคลองกบ FT-IR spectra

4.1.4 Raman spectroscopy

รป 4.6 Raman spectra ของทอนาโนคารบอนและทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชน

การวเคราะหลกษณะของทอนาโนคารบอนและทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชนดวยเครองรามาน (Raman spectrometer) จะไดสเปกตรมรามาน (Raman Spectrum) ทแสดงความสมพนธระหวาง Raman shift กบ Raman Intensity ดงรป 4.6 โดยจะพบพค D-band และG-band สาหรบทอนาโนคารบอนซง Raman Intensity ของพค D-band และ G-band ของสเปกตรมรามาน สามารถนามาคานวณหาอตราสวนระหวาง Raman Intensity ของพค D-bandกบ G-band (ID/IG ratio) เพอบอกถงลกษณะการจดเรยงตวของทอนาโนคารบอน

จากการคานวณพบวา ID/IG ของทอนาโนคารบอนมคาเทากบ 0.998 และ ID/IG ของทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชนมคาเทากบ 0.464 จะเหนวาคา ID/IG ของทอนาโนคารบอนทมการเตมหมฟงกชนทไดนนมคานอยกวา ID/IG ของทอนาโนคารบอน แสดงวาคารบอนเรยงตวเปนระเบยบ ซงกคอ มทอนาโนคารบอนในปรมาณทมากกวาคารบอนอสณฐาน (amorphous) นนเอง ดงนนในการ

1000 1500 2000 2500 3000

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman Shift (cm-1)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

40

ตมทอนาโนคารบอนในกรดซลฟรกและกรดไนตรกนนไมเพยงแตจะเปนการสรางหมฟงกชนใหแกทอนาโนคารบอนเทานน แตยงสามารถลดปรมาณของคารบอนอสณฐานลงไดอกดวย

4.2 ศกษาลกษณะของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน (FMWNTs /NR)ดวยภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM)

4.2.1 ลกษณะของยางธรรมชาตนาโนคอมโพสตของ FMWNTs /NR

(ก) (ข)

รป 4.7 ภาพถายจากกลองดจตอลของ (ก) ยางธรรมชาต (ข) นาโนคอมโพสต FMWNTs /NR

4.2.1.1 ลกษณะโครงสรางจลภาคของยางธรรมชาต แสดงดงรป 4.8

(ก) (ข)

รป 4.8 ภาพถายจากกลอง LV-SEM ของยางธรรมชาต ก) ภาพ top view 20000X (ข) ภาพ crosssection 10000X

4.2.1.2 ลกษณะโครงสรางจลภาคของนาโนคอมโพสต FMWNTs /NR แสดงดงรป 4.9 4.10และ 4.11

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

41

(ก) (ข)

รป4.9 ภาพถายจากกลอง LV-SEM ของนาโนคอมโพสต FMWNTs 1wt.% /NR

(ก) ภาพ top view 20000X (ข) ภาพ cross section 20000X

(ก) (ข)

รป4.10 ภาพถายจากกลอง LV-SEM ของนาโนคอมโพสต FMWNTs 5wt.% /NR

(ก) ภาพ top view 15000X (ข) ภาพ cross section 15000X

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

42

(ก) (ข)

รป 4.11 ภาพถายจากกลอง LV-SEM ของนาโนคอมโพสต FMWNTs 30wt.% /NR

(ก) ภาพ top view 15000X (ข) ภาพ cross section 10000X

4.3 สมบตทางกลของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน (FMWNTs /NR)

เปนการศกษาความแขงแรงและความยดหยนของนาโนคอมโพสตและหาความสมพนธของสมบตทางกลกบปรมาณของทอนาโนคารบอน ทเตมในยางธรรมชาต

4.3.1 การทดสอบแรงดง (Tensile test)

4.3.1.1 กราฟ stress-strain ของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน(FMWNTs /NR) แสดงดงรป 4.12

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

43

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

5

10

15

20

25

30

stre

ss (M

Pa)

strain (%)

รป 4.12 กราฟ stress-strain ของ FMWNTs /NR

4.3.1.2 คาความทนตอแรงดง (tensile strength) ของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน (FMWNTs /NR) แสดงดงรป 4.24

รป 4.13 คา tensile strength ของ FMWNTs /NR

F5%

F20%

F50%

F10%F1%

NR

F3%

0 10 20 30 40 500

5

10

15

20

25

30

Tens

ile s

tren

gth

(MPa

)

FMWNTs weight fraction (%)

F40%F30%

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

44

จากกราฟรป 4.13 พบวาคาความทนตอแรงดง (Tensile strength) มคาเพมขนเมอเตมทอนาโนคารบอนในปรมาณทมากขน แตคาความทนตอแรงดงจะมคาลดลงเมอเตมทอนาโนคารบอนในปรมาณทมากจนเกนไป โดยคาความทนตอแรงดงมคาสงสดซงมคาเทากบ 27.32 MPa ซงเพมจากยางธรรมชาต 117.9% เมอเตมทอนาโนคารบอน 5% โดยนาหนกของยางธรรมชาต

4.3.1.3 คา initial modulus ของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน(FMWNTs /NR) แสดงดงรป 4.14

0 10 20 30 40 500.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Initi

al M

odul

us (M

Pa)

FMWNTs weight fraction (%)

รป 4.14 Initial modulus ของ FMWNTs /NR

จากกราฟรป 4.14 Initial Modulus ของนาโนคอมโพสตของ FMWNTs/NR พบวาคาInitial Modulus มคาสอดคลองกบคาความทนตอแรงดง คอคา Initial Modulus มคาเพมขนเมอเตมทอนาโนคารบอนในปรมาณทมากขน และจะมคาลดลงเมอเตมทอนาโนคารบอนในปรมาณทมากจนเกนไป โดยคา Initial Modulus มคาสงสดเทากบ 5.6 MPa ซงเพมจากยางธรรมชาต 600%หรอ6.4 เทา เมอเตมทอนาโนคารบอน 5wt.% โดยนาหนกของยางธรรมชาต

จากรายงานของ Fakhru’l-Razi [3] พบวาคอมโพสตของยางกบทอนาโนคารบอนชนดผนงหลายชน 1-10 wt.% คายงมอดลส (Young’s modulus) สงสดเมอผสมทอนาโนคารบอน 10 wt.%

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

45

โดยมคาเทากบ 2.55 MPa ในขณะทนาโนคอมโพสตของยางกบทอนาโนคารบอนทเตมหมฟงกชนของการศกษานเพยง 5 wt.% สามารถเพมคาความทนตอแรงดงและ initial modulus ไดถง 27.32MPa และ 5.6 MPa ตามลาดบ

4.3.2 ความแขงของนาโนคอมโพสต (Hardness of nanocomposites)

วเคราะหคาความแขงของนาโนคอมโพสตโดย Shore durometer A มาตรฐาน ASTMD2240 แสดงดงรป 4.15

รป 4.15 กราฟความสมพนธของคา hardness ของ FMWNTs/NRและปรมาณ FMWNTs

การเตมทอนาโนคารบอนในยางธรรมชาตนนเปนการเพมสมบตทางกล โดยทาใหยางธรรมชาตมความแขงแรง ยดหยนไดด ซงสมบตตางๆเหลานทาใหสามารถนานาโนคอมโพสตไปประยกตใชในอตสาหกรรมตอไปได

0 10 20 30 40 50

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

hard

ness

FMWNT weight fraction (%)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

5สรปผลการทดลองและขอเสนอแนะ

5.1 สรปผลการทดลองการศกษาโครงสรางของทอนาโนคารบอน รวมถงการตรวจลกษณะของการตรวจสอบหม

5.1.1 การตรวจสอบหมฟงกชนบนผนงทอนาโนคารบอนจากการตรวจสอบลกษณะโครงสรางดวย SEM และ EDS พบวาทอนาโนคารบอนไมม

การเสยหายหลงปฏกรยาออกซเดชนจากการตรวจสอบ Raman spectroscopy พบวา ID/IG ของทอนาโนคารบอนมคาเทากบ

0.998 และ ID/IG เตมหมฟงกชนมคาเทากบ 0.464 แสดงวาการตมทอนาโนคารบอนในกรด สามารถลดปรมาณของคารบอนอสณฐานลงได

จากการตรวจสอบหมฟงกชนดวย FT-IR spectrum พบวามหมคารบอกซล (COOH)

หมคารบอนล (CO) และหมไฮดรอกซล (OH) บรเวณผนงทอนาโนคารบอน ทาให3 เดอน

5.1.2 ศกษาลกษณะของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน(FMWNTs /NR)

การศกษาลกษณะของนาโนคอมโพสต FMWNTs/NR จาก SEM และ EDS พบวาทอบอนใน

ปรมาณมากเกนไป เชน FMWNTs 30 wt.% จะเกดการจบกนเปนกลมกอนระหวางทอนาโนคารบอนและลวดนาโนซลคอนคารไบด

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

47

5.1.3 สมบตทางกลของนาโนคอมโพสตของยางธรรมชาตกบทอนาโนคารบอน

นาโนคอมโพสตTensilestrength

สงสด(Mpa)

Initialmodulus

สงสด(Mpa)

Elongationat break

(%)ความแขง (Hardness)

ยางธรรมชาต(NR)

12.59 0.87 1339.4 32

FMWNTs 5wt.%/NR 27.55 5.6 1153

36( FMWNTs)

5.2 ขอเสนอแนะ1. functionalization ควรมการปองกนอนตรายจากกรด เชน ควรสวมถง

มอและหนากากกนกรด และควรทาใน hood

มาก2. กอนนา FMWNTs

ความปลอดภยแกผทาการทดลอง3. FMWNTs DI-water

FMWNTs อาจจะละลายไมหมด4. การผสมสารละลาย FMWNTs

เพราะยางจะจบตวเปนกอนกบทอนาโนคารบอน5. FMWNTs

แขงตวอยางรวดเรว

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

เอกสารอางอง

[1] K. Kueseng, K.I. Jacob, “Natural rubber nanocomposites with SiCnanoparticles and carbon nanotubes”, European Polymer Journal, 42:220-227,(2006).

[2] C. Yang, X. Hu, Y. Zhang, “A Study of the Functionalization on Multi-walledCarbon Nanotubes”, Proceedings of the 1st IEEE International Conference onNano/Micro Engineered and Molecular Systems, (2006).

[3] A. Fakhru’l-Razi, M.A. Atieh, N. Girun, T.G. Chuah, “Effect of multi-wallcarbon nanotubes on the mechanical properties of natural rubber”, CompositeStructures,75:496-500, (2006).

[4] K.K. Wong, S.Q. Shi, K.T. Lau, “Mechanical and Thermal Behavior of aPolymer Composite Reinforced with Functionalized Carbon Nanotubes”, KeyEngineering Materials, 334-335:705-708, (2007).

[5] W. Sangchay, L. Sikong, K. Kooptarnond, “Mechanical Properties ofMWNT-Rubber Composite”, CMU. J. Nat. Sci. Special Issue onNanotechnology, 7(1):137-143, (2008).

[6] “ ลย ” [online] available

www.dmsc.moph.go.th/webroot/SamutSongkhram/km-nano.htm (15 August2009).

[10] S. Iijima, “helical microtubules of graphitic carbon”, Natures, 354:56-58,(1991).

[11] พศษฐ สงหใจ. “ 21”. Industrial Technology

review (เมษายน 2543):98-100.

[12] W.S.M. Bride, “Synthesis of Carbob Nanotubes by Chemical VaporDeposition (CVD)”, Williamsburg, Virginia, (April 2001).

[13] “The Role of Natural Graphite in Electronics Cooling” [Online]. Available

http://www.electronics-cooling.com/html/2001_august_techbrief.html (10August 2009)

[14] M.Dresselhusm, G. Dresselhusm, P. Eklund, R. Sarito, “Carbon Nanotubes”,Physics world:33-38, (1999).

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

49

[15] “Carbon Nanotubes” [Online]. Available

http://www.nanotech-now.com/nanotube-buckyball-sites.htm (10 August2009)

[16] J.-M. Bonard, H. Kind, T. Stockly, L.-O. Nilsson, “Fiel emission from carbonnanotubes:the first five years”, Solid-state Electronics,45:893-914, (2001).

[17] B.Y. Xia, P.Y. Sun, Y. Wu, B. Mayers, B. Gates,Y. Yin. F. Kim, H. Yan,“One-Dimentional Nanostructures: Synthesis, characterization, andApplications”, Advances materials, 15:353-389,(2003).

[18] C.N. Rao, B.C. Satishkumar, A. Govindaraj, manashi Nath, “Nanotubes”,CHEMPHYSCHEM, 2:78-105, (2001).

[19] สภาพร ดาวทอง “กระบวนการตกสะสมไอเคม”. วทยานพนธวทยาศาสตรมหาบณฑต (วสดศาสตร),มหาวทยาลยเชยงใหม เชยงใหม, 2548.

[20] M. Daenen, R.D. de Fouw, B. hamers, P.G.A. Jenssen, K. Schoutden, M.A.J.Veld, “The Wondrous World of carbon Nanotubes”, Eindhoven University ofTechnology, (2003).

[21] “Properties” [Online]. Available

http://atom.ecn.purdue.edu/~agoyal/nano/prperties.htm (15 August 2009).

[22] J.P. salvetat, J.M. Bonard, N.H. Thomson, A.J. Kulik, L. Forro, W. Benoit, L.Zuppiroli, “Mechanical properties of carbon nanotubes”, Applied Physics A,69:255-260, (1999).

[23] D. Qian, G.J. Wagner, W.K. Liu, M.-F. Yu, R. S Ruoff, “Mecanics of cabonnanotubes”, Appl Mech Rev, 55:6, (2002).

[24] “Nanotubes” [Online]. Available

http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html (15 August 2009).

[25] L. Forro, C. Sckonenberger, Carbon Nanotubes, “Materials For The Future”,Europhysics News, 32, (2001).

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

50

[26] “การสงเคราะหทอนาโนคารบอนโดยกระบวนการตกสะสมไอเคม”.

วทยานพนธวทยาศาสตรมหาบณฑต(วสดศาสตร), มหาวทยาลยเชยงใหม เชยงใหม,2548.

[27] “ผลตภณฑนาโนเทคโนโลย” [Online]. Available

http://www.nanotec.or.th/nanotec/index.php?leftmenu=nanotechnlogy&index=product (15 August 2009).

[28] สมอ บญพนธ “การผลตเสนใยซลคอนคารไบดจากแทงแกรไฟตผสมซลคอนไดออกไซดโดยเทคนคการใหความรอนดวยกระแสไฟฟาแรงสง”. วทยานพนธวทยาศาสตรมหาบณฑต (ฟสกสประยกต), มหาวทยาลยเชยงใหม เชยงใหม, 2548.

[29] “วสดศาสตรเชงฟสกส”. :104-105 (2538).

[30] วรพงษ ปญญาดา “สมบตเชงกลของวสดผสมเสนใยนาโนซลคอนคารไบดและทอนาโนคารบอนกบยาง”. การคนควาแบบอสระปรญญาวทยาศาสตรบณฑต (วสดศาสตร),มหาวทยาลยเชยงใหม เชยงใหม, 2551.

[31] “การวเคราะหพอลเมอร” [Online]. Available

http://www.sci.buu.ac.th/~chemistry/staff/thanida/Polymer_Chemistry/image_files/chapter5.html (15 September 2009).

[32] C. Peng, J. Jin, G.Z. chen, “ A comparative study on electrochemical co-deposition and capacitance of composite films of conducting polymers andcarbon nanotubes”, Electrochimica Acta, (2007).

[33] T. Jintakosol, P. Singjai, "Synthesis of silicon carbide nanowires doped withAl2O3", Key Engineering Materials, 353-358:2171-2174, (2007).

[34] A.V. Desai, M.A. Haque, “Mechanics of the interface for carbon nanotube-polymer composites”, Thin-Walled Structures, 43:1787-1808, (2005).

[35] L. Qu, K.M. Lee, L. Dai, “Functionalization and applications of carbonnanotubes”, Carbon Nanotechnology, (2006).