431101&531101

Engineering Materials

Part: Polymers

รศ.ดร.ไชยวฒน รกสกลพวฒน อ.ดร. ตตยา ตรงสถตกล

ภาคการศกษาท 2/2559

สาขาวชาวศวกรรมพอลเมอร

ส านกวชาวศวกรรมศาสตร

OUTLINE

1. POLYMERIC MATERIALS

2. POLYMER SYNTHESIS

3. PHYSICAL PROPERTIES OF

POLYMERS

4. POLYMER PROCESSING

5. POLYMER BLENDS

6. COMPOSITE MATERIALS

Topics: 1. Polymeric Materials

2. Polymer Synthesis

รศ. ดร. ไชยวฒน รกสกลพวฒน

• In 2014, the Building and Construction

sector consumed 9.6 million tonnes of

plastics (20% of total European

plastics consumption), making it the

second largest plastic application after packaging

Polymeric materials

1. Introduction to polymeric materials

2. Molecular weight of polymers

3. Polymer Classifications

Polymer synthesis

1. Step polymerization

2. Chain polymerization

Topic Outline

Introduction

วสดพอลเมอร (Polymeric Materials)

คอ วสดทประกอบไปดวยโมเลกลขนาดใหญ

(macromolecules) หลายๆ โมเลกล แตละโมเลกลม

หนวยยอย 1 หรอ 2 ชนดตอกนเปนล าดบยาวดวย

พนธะโคเวเลนซ

วสดพอลเมอร โมเลกลพอลเมอร

หลายโมเลกล 1 โมเลกล

Introduction

จดเดนของวสดพอลเมอร

(Advantages of Polymeric Materials)

1. น าหนกเบา

2. เปนฉนวนความรอนและฉนวนไฟฟาทด

3. สามารถลดเสยงรบกวน

4. มใหเลอกหลากหลายชนด

5. ข นรปเปนรปรางตาง ๆ ทซบซอน

รปแบบการใชงานวสดพอลเมอร

Plastic

Elastomer (Rubber)

Foam

Paint Composition

Adhesive Composition

Textile

Others

Introduction

Introduction

Plastic Applications

พลาสตก (plastics) คอ วสดพอลเมอรทมลกษณะแขง

ทอณหภมหอง สามารถน ามาหลอมข นรปเปนรปราง

ตาง ๆ ดวยการใชแมพมพหรอแมแบบ และโดยทวไป

การหลอมข นรปตองใชความรอนกบความดน

Introduction

ช นสวนยานยนตผลตข นจากพลาสตกเพมมากข นเนอง

จากมขอดในเรองแขงแรง น าหนกเบา และมความคงทนสวยงาม

ในสวนของเครองยนต หลายประเทศมกฎบงคบใหใช

พลาสตกแทนท โลหะหลายสวนเพอใหรถยนตม

น าหนกเบา ประหยดน ามน

Introduction

Introduction

Elastomers (Rubbers) Applications

อลาสโตเมอร (Elastomers) คอ วสดพอลเมอรทม

ความยดหยน สามารถเปลยนแปลงรปรางไดมากเมอ

ใหแรง และเมอปลอยแรงสามารถคนสรปรางเดมได

100% หรอเกอบ 100%

•ใชในงานกนรวซม (sealing

application)

Introduction

•ใชในงานดานทไมใชการกนรวซม (non-sealing

application) เชน ยางรถยนต และองคประกอบอน ๆ

Introduction

•Source: http://www.prp.co.th/profile/aboutprp

Foam Applications

โฟม (foam) คอ วสดพอลเมอรทมโพรงแกสอย

ภายใน ท าใหเปนวสดทมความหนาแนนต า น าหนก

เบา มท งโฟมชนดแขง (rigid foam) และโฟมชนด

ออน (flexible foam)

Introduction

•การใชโฟมในสวนตาง ๆ ของเครองบน

Introduction

•การใชโฟมในหมวกกนนอกหรอหมวกนรภย

Introduction

•การใชโฟมในสวนตาง ๆ ของรถยนตและเกาอ ทนตกรรม

Paint Applications

วสดพอลเมอรทใชเปนสวนประกอบของสทา (paint)

จะท าหนาทเปนฟลมยดเกาะกบพ นผวททาส

Introduction

Introduction

•การเกดฟลม (Film Formation) ของสทา

•Source: http://www.matrixpi.ca/Pages/Article.aspx

Adhesive Applications

สารยดตด (adhesives) หรอกาว จะมวสดพอลเมอร

เปนองคประกอบหลก โมเลกลพอลเมอรแพรกระจาย

ไปบนพ นผวของวสดและท าใหวสดสามารถยดตดกน

อยางแขงแรง

Introduction

Introduction

ตวอยางการใชงานสารยดตด (adhesives)

•ใชยดตดช นสวนของรถราง (rail vehicles)

ซงผลตจากพอลเมอร

คอมโพสท

•ใชยดตดปารเกต(parquet)ในงานปพ น

Textile Applications

สงทอ (Textile) หมายถง เสนใย ดาย ผนผา รวมท ง

ผลตภณฑทเกดจากเสนใย ดายและผนผา วสดพอล

เมอรสามารถน าไปผลตเปนเสนใย ดาย ทมสมบต

เดนในหลาย ๆ ดาน เชน

Introduction

1.ชดผจญเพลงผลตจาก

เสนใยพอลเมอรทมชอทาง

การคาวา DuPont™

Nomex® and Kevlar®

fiber มความตานทานความรอนและการตดไฟสง

Introduction

2.ชดนกบนอวกาศ

(space suit) ผลตจากเสนใยพอลเมอร

สงเคราะห ซงทนความ

รอนสงและไมตดไฟ

Introduction

3.ชดกฬาทมความยดหยน

สง ใสสบาย ผลตจากเสน

ใยพอลเมอรทมชอทาง

การคาวา

4.เสนใยทางการแพทย

ส าหรบเยบปดบาดแผลแบบ

ละลายไดและละลายไมได

Introduction

Others Applications

นอกจากน วสดพอลเมอรยงสามารถใชงานดานอน ๆ

ไดอกดวย เชน

1. อปกรณทางการแพทย

หลาย ๆ อยางผลตจากวสด

พอลเมอร เชน คอนแทก

เลนส ปากกาฉดอนซลน

ส าหรบผปวยเบาหวาน

Introduction

2.วสดพอลเมอรทดดซมน า

ไดหลายเทาของตวมนเอง

ใชผลตแผนซบน าทอยใน

ผาออมส าเรจรป

Introduction

วสดพอลเมอประเภทพลาสตกชวภาพ (Bioplastics)

คอ วสดพอลเมอรทมตนก าเนดจากปโตรเคม พชหรอ

สตว สามารถแตกสลายไดทางชวภาพ

(biodegradability)

-ชวยลดปญหาขยะซงเกดจากบรรจภณฑพลาสตก

แตกสลายยาก

Introduction

ตวอยางพลาสตกชวภาพทมตนก าเนดมาจากพชและ

สตว:

1. พอลแลคตกแอซด (polylactic acid), PLA

Introduction

2.พอลไฮดรอกซอลคาโนเอต (polyhydroxyalkanoate)

Introduction

3.พอลเมอรผลตจากแปงมชอทางการคาวา “มาเทอรไบ”

(Mater-bi starch based polymer)

Polymer = Poly + mer

Polymerization

Mer Unit = Monomer Polymer

Polymer

Polymer คอ สารโมเลกลใหญ (macromolecule) ท

เกดจากการน าหนวยมอนอเมอรจ านวนมากมาท าให

เกดการเชอมโยงกนดวยพนธะเคม ซงโดยสวนใหญ

เปนพนธะโคเวเลนซ

หนวยทมาจากมอนอเมอร และมลกษณะซ า ๆ กนบน

โมเลกลพอลเมอร เรยกวา “หนวยซ า (repeating

unit)”

Polymer

ตวอยางการเขยนโครงสรางเคมของพอลเมอร

• มอนอเมอร A A หรอ nA

• พอลเมอร A AAAA หรอ [A]n

• หนงหนวยซ าของพอลเมอร A [A] หรอ A

• พอลเอทลน [CH2-CH2]n หรอ CH2-CH2-CH2-CH2

• หนงหนวยซ าของพอลเอทลน [CH2-CH2]

หรอ CH2-CH2

• เอทลนมอนอเมอร CH2=CH2 หรอ nCH2=CH2

ตวอยาง:

ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร

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

Polyethylene

(PE)

Polyvinyl Chloride

(PVC)

Polytetrafluoroethylene

(PTFE หรอ Teflon)

-CH2-CH2-

-CH2-CH(Cl)-

-CF2-CF2-

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

Polypropylene

(PP)

Polystyrene

(PS)

Polymethyl methacrylate

(PMMA)

ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร

-CH2-CH(CH3)-

-CH2-CH(C6H5)-

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

Phenol-

Formaldehyde

(Bakelite)

Polyhexamethylene

adipamide

(Nylon 6,6)

ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร

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

Polyethylene

terephthalate

(PET, a polyester)

Polycarbonate

(PC)

ตวอยางหนวยซ าของพอลเมอร

Polymers

Polymers แบงตามชนดของหนวยซ าท

ปรากฏบนโซหรอโมเลกลพอลเมอร ไดเปน 2

กลม คอ

1. โฮโมพอลเมอร (Homopolymers)

2. โคพอลเมอร (Copolymers)

Homopolymers คอ สารโมเลกลใหญทโซ

ประกอบดวยหนวยซ าเพยงหนงชนด เชน

พอลเอทลน (polyethylene, PE)

Homopolymers

Copolymers คอ สารโมเลกลใหญทประกอบดวย

หนวยซ ามากกวาหนงชนด เชน styrene-butadiene

copolymer หรอ poly (styrene-co-butadiene)

Copolymers

styrene-butadiene copolymer

Homopolymers

Ex. Polyethylene (PE)

Ex. Polypropylene (PP)

propylene polypropylene

n

Homopolymers

Ex.Polybutadiene

Ex. Polyisoprene

tionPolymerizaC C

CH2 CH2

H H n

Butadiene Polybutadiene

Homopolymers

Ex. Polyamide

Ex. Polyester

Hexamethylene diamine Adipic acid Polyamide หรอ Nylon-6,6

n H-N-(CH2)6-N-H + n HO-C-(CH2)4-C-OH [N-(CH2)6-N-C-(CH2)4C]n

O

H H

O O O

H H

+ (2n-1) H2O

Terephthalic acid Ethylene glycol Poly(ethylene terephthalate) (PET)

nHO-C-(CH2)6-C-OH + n O-CH2CH2-O [ C-(CH2)6-C-O-CH2CH2O]n

O H O O O H

+ (2n-1) H2O

พนธะเอไมด (amide linkage)

พนธะเอสเทอร (ester linkage)

Homopolymers

โครงสรางโมเลกลของพอลเมอร Molecular Structure of polymers

AAAAAAAAAAAAA

Linear Chains

Branched Chains

Network or Cross-

linked Chains

โครงสรางโมเลกลของพอลเมอรทมกพบในชวต

ประจ าวน

1. พอลเมอรสายโซตรง (linear chain) ไดแก พอล

ไสตรน (PS) พอลเอทลน (PE) พอลโพรพลน

(PP) และ PET

2. พอลเมอรแบบครอสลงค (crosslinked chain)

ไดแก ยางทผานการวลคาไนซ เชน ยางรถยนต

3. พอลเมอรแบบโครงขาย (network) เชน ฟนอล

ฟอรมลดไฮด (Phenol-formaldehyde) และเมลา

มน

โครงสรางโมเลกลของพอลเมอร

Copolymers

สารโมเลกลใหญทประกอบดวยหนวยซ ามากกวาหนงชนด

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

Ex. acrylonitrile-vinyl chloride copolymer

styrene Butadiene styrene-butadiene copolymer

+ n n

n + m

acrylonitrile-vinyl chloride copolymer

แบงไดเปน 4 ประเภท

1. Random Copolymer

2. Alternating Copolymer

3. Block Copolymer

4. Graft Copolymer

Molecular Structure of Copolymers

1. Random Copolymer

~ABAABABBABAAB~

2. Alternating Copolymer

~ABABABABABAB~

1. Random Copolymer

~ABAABABBABAAB~

Molecular Structure of Copolymers

3. Block Copolymer

~AAAAAABBBBBB~

4. Graft Copolymer

BBBBB

~AAAAAAAAAAAAA~

BBBB

Molecular Structure of Copolymers

• ชนดของวสดพอลเมอรทพบในชวตประจ าวน

• ค าจ ากดความของ “พอลเมอร”

• ความแตกตางของ “โฮโมพอลเมอร” กบ “โคพอลเมอร”

สงทควรร

• น าหนกโมเลกลของสาร คอ ผลรวมของน าหนก

อะตอมของ

ธาตทประกอบเปนโมเลกลของสารน น

เชน มเทน (methane) มสตรโมเลกล คอ CH4

น าหนกโมเลกลของมเทน = 121 + 1 4

= 16

น าหนกโมเลกล

(Molecular Weight: MW)

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

น าหนกโมเลกล (Molecular Weight: MW)

Molecular weight

16

30

44

.

.

.

น าหนกโมเลกล (Molecular Weight: MW)

•น าหนกโมเลกลของสารโมเลกลเลกชนดเดยวกนจะมคาเทากนเสมอ

MW ของพอลเมอร

= จ านวนหนวยซ า x น าหนกโมเลกลของหนวยซ า

หนวยซ าเหมอนเดม คา X เปลยนไป (ความยาว

โซเปลยน) MW ของโซกจะไมเทากน

xCHCH )( 22

น าหนกโมเลกลของพอลเมอร

•ตวอยางเชน polyethylene

จ านวนหนวยซ า

น าหนกโมเลกลของพอลเมอร

น าหนกโมเลกลของหนวยซ า = 2×12+ 4×1 = 28

เมอ x = 100, MW = 28×100 = 2800 x = 500, MW = 28×500 = 14000 x = 1000, MW = 28×1000 = 28000

ดงน น น าหนกโมเลกลของพอลเมอร (MW) จงตองแสดง

เปนคาเฉลย

ของ MW

xCHCH )( 22

• น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน (number-average molecular weight, 𝑴 n) คอ น าหนกโมเลกลของพอลเมอรทข นอยกบเศษสวนโดย

จ านวน (number fraction) หรอโดยโมลของ

โมเลกลพอลเมอรทมขนาดตาง ๆ กน

• น าหนกโมเลกลเฉลยโดยน าหนก (weight-average molecular weight, 𝑴 𝒘) คอ น าหนกโมเลกลของ พอลเมอรทข นอยกบเศษสวน

โดยน าหนก (weight fraction) ของโมเลกลพอ

ลเมอรขนาดตาง ๆ กน

น าหนกโมเลกลเฉลยของพอลเมอร

𝑴 𝒏= 𝒏𝒙𝑴𝒙

𝒏𝒙 = 𝑵𝒙

𝑵𝒙

เศษสวนโดยจ านวน (number fraction)

ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥

𝑴𝒙 = MW ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥

𝑵𝒙 = จ านวนโมเลกลพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥

และ 𝑴 𝒏 เขยนอกแบบไดวา

𝑴 𝒏= 𝑵

𝒙𝑴

𝒙

𝑵𝒙

น าหนกโมเลกลเฉลยโดย

จ านวน

น าหนกโมเลกลเฉลยโดย

น าหนก 𝑴 𝒘= 𝒘𝒙𝑴𝒙

𝒘𝒙 = 𝑵𝒙𝑴𝒙

𝑵𝒙𝑴𝒙 เศษสวนโดยน าหนก (weight fraction)

ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥

𝑴𝒙 = MW ของพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥

𝑵𝒙 = จ านวนโมเลกลพอลเมอรทมจ านวนหนวยซ า = 𝑥

และ 𝑴 𝒘 เขยนอกแบบไดวา

𝑴 𝒘= 𝑵

𝒙𝑴𝒙𝟐

𝑵𝒙𝑴𝒙

น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน vs น าหนกโมเลกลเฉลย

โดยน าหนก

ในสนามมชางน าหนก 10,000.00 kg/ตว อย 2 ตว

จะหาน าหนกโมเลกลเฉลยของชางไดอยางไรบาง

(Mn) (Mw)

น าหนกโมเลกล

𝑴 n vs. 𝑴 w

𝑴 𝒏= 𝒏𝒙𝑴𝒙 =

𝑵𝒙𝑴

𝒙

𝑵𝒙

= 𝟐×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎

𝟐= 10,000

𝑴 𝒘= 𝒘𝒙𝑴𝒙 =

𝑵𝒙𝑴𝒙𝟐

𝑵𝒙𝑴

𝒙

= 𝟐×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎

𝟐×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎

= 10,000

•จะเหนไดเมอระบบประกอบดวยโมเลกลหรอของทมน าหนกเทากน

𝑴 𝑛 = 𝑴 𝑤

ยง 4 ตวเกาะอยบนหลงชางจะหาน าหนกโมเลกลเฉลยของ

สตวท งสองชนดไดอยางไรบาง

* ยงมน าหนก 1 kg/ตว

** ชางมน าหนก10,000.00 kg/ตว

𝑴 n vs. 𝑴 w

น าหนกโมเลกล : น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน

𝑴 𝒏 = 𝒏𝒙𝑴𝒙 =

𝑵𝒙𝑴

𝒙

𝑵𝒙

= 𝟒×𝟏+𝟏×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎

𝟒+𝟏

𝑴 n 2,000

𝒏𝒙 = 𝑵𝒙

𝑵𝒙 คอ เศษสวนโดยจ านวน (number fraction)

น าหนกโมเลกล : น าหนกโมเลกลเฉลยโดยน าหนก

𝑴 𝒘 = 𝒘𝒙𝑴𝒙 =

𝑵𝒙𝑴𝒙𝟐

𝑵𝒙𝑴

𝒙

𝑴 w = 𝟒×𝟏×𝟏+𝟏×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎

𝟒×𝟏+𝟏×𝟏𝟎,𝟎𝟎𝟎 10,000

𝒘𝒙 = 𝑵𝒙𝑴𝒙

𝑵𝒙𝑴𝒙 คอ เศษสวนโดยน าหนก(weight fraction)

ในระบบทประกอบไปดวยโมเลกลหรอของทม

น าหนกตางกน ดงตวอยางของระบบทมยงหนกตวละ 1

kg อย 4 ตว กบชางหนกตวละ 10,000 kg อย 1 ตว

𝑴 𝑛 𝑴 𝑤

และคาเฉลยโดยน าหนกจะมคามากกวาคาเฉลยโดย

จ านวน

𝑴 n vs. 𝑴 w

ในพอลเอทลน 50 โมเลกล อาจจะประกอบไปดวย = 20 โมเลกล

= 10 โมเลกล

= 10 โมเลกล

= 10 โมเลกล

น าหนกโมเลกลของพอลเมอรจงจ าเปนตองแสดงเปนคาเฉลย น าหนกโมเลกลเฉลยโดยจ านวน: 𝑴 n

น าหนกโมเลกลเฉลยโดยน าหนก: 𝑴 w

100022 )( CHCH

50022 )( CHCH

120022 )( CHCH

80022 )( CHCH

น าหนกโมเลกลของพอลเมอร

•ตวอยางการหาน าหนกโมเลกลเฉลยของพอลเอทลน

xCHCH )( 22

น าหนกโมเลกลของหนวยซ า = 2C + 4H = 28 g/mol

X จ านวนโมเลกลทมหนวยซ า = X

(Nx)

น.น.โมเลกลของโมเลกลทมหนวยซ า = X

(Mx)

ผลคณระหวาง Nx กบ Mx

(NxMx)

1000

500

800

1200

20

10

10

10

28,000

14,000

22,400

33,600

560,000

140,000

224,000

336,000

𝑁𝑥 = 50 𝑁𝑥𝑀𝑥 = 1,260,000

น าหนกโมเลกลของพอลเมอร

= 100028 =500 28 =800 28 =1200 28

น าหนกรวมของโมเลกลทมจ านวนหนวยซ าเทากบ x

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 าหนกโมเลกลของพอลเมอร

•การหาเศษสวนโดยจ านวนและเศษสวนโดยน าหนก

จ านวนโมเลกลทม

หนวยซ าเทากบ 1000 จ านวนโมเลกลท งหมด

น าหนกรวมของ

โมเลกลทมหนวยซ า

เทากบ 1000 น าหนกรวม

ท งหมด

น าหนกโมเลกลของพอลเมอร

𝑴 𝒏= 𝒏𝒙𝑴𝒙 = 0.4× 𝟐𝟖, 𝟎𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟐 × 𝟏𝟒, 𝟎𝟎𝟎

0.2× 𝟐𝟐, 𝟒𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟐 × 𝟑𝟑, 𝟔𝟎𝟎

𝑴 𝑛 = 2𝟓, 𝟐00

𝑴 𝒘= 𝒘𝒙𝑴𝒙 = 0.44× 𝟐𝟖, 𝟎𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟏𝟏 × 𝟏𝟒, 𝟎𝟎𝟎

0.1𝟖 × 𝟐𝟐, 𝟒𝟎𝟎 + 𝟎. 𝟐𝟕 × 𝟑𝟑, 𝟔𝟎𝟎

𝑴 𝑤 = 2𝟔, 𝟗𝟒𝟐

น าหนกโมเลกลของพอลเมอร

𝑴 𝒏 = 𝑵𝒙𝑴𝒙

𝑵𝒙

= 𝟓𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟏𝟒𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟐𝟐𝟒,𝟎𝟎𝟎+𝟑𝟑𝟔,𝟎𝟎𝟎

𝟐𝟎+𝟏𝟎+𝟏𝟎+𝟏𝟎

= 𝟐𝟓, 𝟐𝟎𝟎

𝑴 𝒘= 𝑵𝒙𝑴𝒙

𝟐

𝑵𝒙𝑴𝒙

= 𝟓𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟐𝟖,𝟎𝟎𝟎+𝟏𝟒𝟎,𝟎𝟎𝟎×𝟏𝟒,𝟎𝟎𝟎+𝟐𝟐𝟒,𝟎𝟎𝟎×𝟐𝟐,𝟒𝟎𝟎+𝟑𝟑𝟔,𝟎𝟎𝟎×𝟑𝟑,𝟔𝟎𝟎

𝟓𝟔𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟏𝟒𝟎,𝟎𝟎𝟎+𝟐𝟐𝟒,𝟎𝟎𝟎+𝟑𝟑𝟔,𝟎𝟎𝟎

= 𝟐𝟔, 𝟗𝟒𝟐

ตวอยางการค านวณ MW

จ านวนโมเลกล MW

(g/mol)

8

12

10

20,000

80,000

100,000

ตวอยางการค านวณน าหนกโมเลกลของพอลเมอร

Chain structure of

polymer

g/mol70,667

302,120,000

10)12(8100,0001080,000120,0008

Mn

2

จาก

เฉลยการหา nMตวอยางการค านวณน าหนกโมเลกลของพอลเมอร

ตวอยางการค านวณน าหนกโมเลกลของพอลเมอร

เฉลยการหา wM

จ านวนโมเลกล (Nx) น าหนกโมเลกล (Mx) NxMx

8

12

10

20,000

80,000

100,000

160,000

960,000

1,000,000

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

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

𝑴 𝒘 =

𝑵𝒙𝑴𝒙𝟐

𝑵𝒙𝑴𝒙

• 𝑴 𝒏< 𝑴 𝒘

• 𝑴𝑾𝑫 =𝑴

𝒘

𝑴 n

• 𝑴𝑾𝑫 ≥ 𝟏

• 𝑴𝑾𝑫 = 𝟏 เมอ 𝑴 𝒏 = 𝑴 𝒘

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

คาการกระจายน าหนกโมเลกลของพอลเมอร

(Molecular Weight Distribution; MWD)

น าหนกโมเลกล vs. สมบตของพอลเมอร

Date Polymer

1930 Styrene-butadiene rubber

1936 Poly(vinyl chloride)

1936 Polychloroprene(neoprene)

1936 Poly(methyl methacrylate)

1936 Poly(vinyl acetate)

1937 Polystyrene

1939 Nylon-6 6

1941 Polytetrafluoroethylene

1942 Unsaturated polyester

1943 Polyethylene, branched

1943 Buthyl rubber

1943 Nylon-6

Date Polymer

1943 Silicones

1944 Poly(ethylene terephthalate)

1947 Epoxies

1948 ABS resins

1955 Polyethylene, linear

1956 Polyoxymethylene

1957 Polypropylene

1957 Polycarbonate

1964 Ionomer resins

1965 Polyimides

1970 Thermoplastic elastomers

1970 Aromatic polyamides

ประวตการผลตพอลเมอรทมความส าคญทางการคา

การจ าแนกประเภท (Classification)

Polymer Classification

Original

Occurring

Natural-/Bio-

Polymer

Synthetic

Polymers

Thermal

Behavior

Thermoplas

tics

Thermosets

Tacticity

Isotactic

Syndiotactic

Atactic

Crystallinity

Crystalline

Polymers

Semicrystalline

Polymers

Amorphous

Polymers

Application

Commodity

Polymers

Engineering

Polymers

Original Occurring: พอลเมอรชวภาพ (Natural-

/Bio- polymer) และพอลเมอรสงเคราะห (Synthetic Polymers)

Thermal Behavior: เทอรโมพลาสตก

(Thermoplastics) และเทอรโมเซต (Thermosets)

Tacticity: Isotactic, Syndiotactic and Atactic

การจ าแนกประเภท (Classification)

Crystallinity :

พอลเมอรผลก (Crystalline Polymers),

พอลเมอรกงผลก (Semicrystalline Polymers), และ

พอลเมอรอสณฐาน (Amorphous Polymers)

Applications : Commodity Polymers ( PE, PP, PVC

etc.) และ Engineering Polymers ( PET, PC, Nylons,

Epoxy etc.)

การจ าแนกประเภท (Classification)

พอลเมอรชวภาพ (Natural-/Bio-polymer)

Natural-rubber (Polyisoprene)

Cellulose (polysaccharide)

พอลเมอรสงเคราะห (Synthetic Polymers)

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

Epoxy, Melamine, Phenolic

การจ าแนกตาม

แหลงก าเนด

การจ าแนกตามพฤตกรรมทาง

ความรอน

1. เทอรโมพลาสตก (Thermoplastics)

แบงไดเปน 2 ประเภท

Ex. Thermoplastics

Polyethylene Polystyrene Poly(vinyl chloride) Polypropylene Polycarbonate etc.

Solid Polymer

Solid Polymer

Cooling

Δ (Heating)

Liquid Polymer

Source:http://www.nobelprize.org/educational/chemistry/plastics/rea

dmore.html?print=1

When ice is heated,

it melts. When a

thermoplastic object

is heated, it melts

as well.

เทอรโมพลาสตกเปรยบเสมอน

น าแขง

The melted ice can be

formed into a new

shape, and it will keep

that shape when it's

cooled. Similarly, a

melted thermoplastic

object can be formed

into a different shape,

and it will keep that

new shape when it's

cooled.

2. เทอรโมเซต (Thermosets): พอลเมอรทผาน

กระบวนการเคยวรงค (curing) และไดโครงสราง

โมเลกลทเปนรางแห (crosslinked structure) ซงไม

หลอมละลาย (infusible) เมอไดรบความรอน และไม

ละลาย (insoluble) ในตวท าละลายใด ๆ

Crosslinked structure

Infusible

Δ (Heating)

การจ าแนกตามพฤตกรรมทาง

ความรอน

เทอรโมเซตเปรยบเสมอน

ไขดบ

•Just as a raw egg

has the potential to

become a boiled

egg, a fried egg, and

so on, thermosetting

polymers have the

potential to become

all sorts of different

objects.

•Once an egg has

been boiled, however,

you can't make it into

a fried egg. In the

same way, once a

thermosetting plastic

object has been

formed, it can't be

remade into a

different object.

Source:http://www.nobelprize.org/educational/chemistry/plastics/rea

dmore.html?print=1

ตวอยางพอลเมอรในกลมเทอรโมเซต (Thermosets) 1. Phenolic resin 4. Melamine resin 2. Epoxy resin 5. Unsaturated Polyester resin 3. Vulcanized Rubber

Melamine resin Vulcanized Rubber

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

Epoxy, Melamine, Phenolic

การจ าแนกตาม Tacticity

• Tacticity คอ การจดต าแหนงของหมแทนท

(substituent groups) ในโซพอลเมอร

• หมแทนท คอ หมทมาแทนอะตอมไฮโดรเจนในพอลเอ

ทลน

• ตวอยางหมแทนทในสายโซพอลเมอร

Polystyrene (PS) หม

methyl

หม

phenyl

Polyethyle

ne

การจ าแนกตาม Tacticity

Isotactic structure

Syndiotactic structure

Atactic structure

R = หมแทนท

Tacticity of Polypropylene

Tacticity of polystyrene

การจ าแนกตามความเปนผลก

1.พอลเมอรผลก (Crystalline Polymers)

2.พอลเมอรกงผลก (Semicrystalline Polymers)

3.พอลเมอรอสณฐาน (Amorphous Polymers)

แบงออกเปน 3 ประเภท

การจ าแนกตามความเปน

ผลก

Crystalline Polymers

1.พอลเมอรผลก (Crystalline Polymers)

การจ าแนกตามความเปน

ผลก

2.พอลเมอรกงผลก (Semicrystalline Polymers)

ตวอยางเชน:

-Polyethylene (PE)

-Polypropylene (PP) Polyethylene

Polystyrene

การจ าแนกตามความเปน

ผลก 3.พอลเมอรอสณฐาน (Amorphous Polymers): PS

ตวอยางเชน:

-Polystyrene (PS)

-Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

การจ าแนกตามการใช

งาน

แบงไดเปน 2 ประเภท 1. Commodity Applications : PE, PP, PS, PVC

การใชงานในดานทมการผลตกนในปรมาณมาก

ความแขงแรงไมสงนก และราคาไมแพง เชน บรรจ

ภณฑส าหรบเครองอปโภคและบรโภค

การจ าแนกตามการ

ใชงาน

2. Engineering Applications : PC, POM, Nylon

การใชงานในดานวศวกรรม ไดแก กลม

พอลเมอรทมสมบตเดนหรอสมบตพเศษใน

ดานตาง ๆ เชน

1. มความแขงแรงสง

2. เหนยว

3. ทนความรอนสง

4. ทนการกดกรอนไดด

5. คงรปรางไดด

2. Engineering Applications

การจ าแนกตามการ

ใชงาน

การสงเคราะหหรอการเตรยมพอลเมอร (Polymer Synthesis)

สารตงตนส าหรบการสงเคราะหพอลเมอร

สารต ง ตนส าห รบ ส ง เคร าะ หพอล เ มอ ร ค อ มอนอ เมอ ร (momomers)

แหลงทมาของมอนอเมอร

1. โดยสวนใหญมาจากปโตรเลยมและแกสธรรมชาต เชน เอทลน โพรพลน เปนตน

2. มาจากการมกแปงหรอน าตาลทมาจากพช เชน กรดแลคตก

ประเภทของการสงเคราะหพอลเมอร

ประเภทของการสงเคราะหพอลเมอร ปฏกรยาแบบขน (Step Polymerization) หรออกชอ คอ

ปฏกรยาแบบควบแนน (Condensation Polymerization)

ปฏกรยาแบบลกโซ (Chain Polymerization) หรออกชอคอ ปฏกรยาแบบเตม (Addition Polymerization)

ปฏกรยาแบบขน (Step Polymerization)

เรมตนจากมอนอเมอรทมหมฟงกชนตางกน เชน –OH กบ -COOH

มอนอเมอรจะหายไปอยางรวดเรวโดยเกดปฏกรยาเปนขน ๆ monomer + monomer dimer

dimer + monomer trimer

dimer + dimer tetramer

POLYMER

จากกลไกการสงเคราะหขางตน จะเหนวา น าหนกโมเลกลเฉลย

ของพอลเมอรเพมขนตามเวลาทใชในการสงเคราะห

หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอมนอยกวาจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน

จากการควบแนนของมอนอเมอรสองตว จะไดผลตภณฑ และอาจเกดสารโมเลกลเลก เชน น า หรอ กรดไฮโดรคลอรก (HCl)

ปฏกรยาแบบขน (Step Polymerization)

n H-N-(CH2)6-N-H + n HO-C-(CH2)4-C-OH [ N-(CH2)6-N-C-(CH2)4C ]n

O O O O H H H H

+ (2n-1) H2O

เรมตนจากมอนอเมอรทมพนธะค

ปฏกรยาสงเคราะหตองใชตวรเรมปฏกรยา (Initiator) เพอชวยแตกพนธะคของมอนอเมอร

หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอมเทากบจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน

น าหนกโมเลกลเฉลยของพอลเมอรไมขนกบเวลาทใชในการสงเคราะห

ปฏกรยาแบบลกโซ (Chain Polymerization)

X

ความสมพนธระหวางน าหนกโมเลกลของพอลเมอร และเวลาในการสงเคราะห

Chain Polymerization Step Polymerization

ปฏกรยาการสงเคราะหพอลเมอรแบบขน (Step Polymerization)

พอลเมอไรเซชนแบบขน

พอลเมอไรเซชนแบบขน (step polymerization)

[หรอเรยกวา“พอลเมอไรเซชนแบบควบแนน” (Condensation polymerization)]

ใชส าหรบสงเคราะหพอลเมอรจากมอนอเมอรประเภททมหมฟงกชน เชน

-หมไฮดรอกซล (-OH, hydroxyl group)

-หมคารบอกซล (-COOH, carboxyl group) และ

-หมเอมน (-NH2, amine group)

ตวอยางสารอนทรยทมหมฟงกชน 1. สารกลมแอลกอฮอล (alcohol) ม หมไฮดรอกซล (-OH) เชน

CH3OH, HO-CH2-CH2-OH

2. สารกลมเอมน (amine) ม หมเอมน (-NH2) เชน CH3CH2NH2,

H2N-(CH2)6-NH2

3. กรดคารบอกซลก ม หมคารบอกซลก (-COOH หรอ –C-OH ) เชน

CH3COOH, HOOC-(CH2)4-COOH

O

สารอนทรยหนงโมเลกล ตวอยางโครงสรางทางเคม

มหมฟงกชนหนงหม

มหมฟงกชนสองหม

มหมฟงกชนมากกวาสองหม

- หมฟงกชนทงสองเปนชนดเดยวกน

- หมฟงกชนทงสองตางชนดกน

จ านวนหมฟงกชนในสารอนทรย 1 โมเลกล

HO-CH2-CH2-OH

HO-CH2-CH2-COOH

• พอลเมอรไมสามารถสงเคราะหจากสารเรมตนทมหมฟงกชนเพยงหมเดยวในหนงโมเลกล

CH3OH + HOOC(CH2)4 CH3

การสงเคราะหพอลเมอรจากสารอนทรยทมหมฟงกชน

CH3OC(CH2)4CH3 + HOH

O

Polymer

• พอลเมอรสามารถสงเคราะหจากสารเรมตนประเภท 1 โมเลกลมหมฟงกชน 2

เชน การสงเคราะหพอลเอสเทอร (polyester) ทชอวา พอลเอทลนเทอเรพทาเลต (polyethylene terephthalate, PET)

การสงเคราะหพอลเมอรจากสารอนทรยทมหมฟงกชน (ตอ)

พนธะเอส

เทอร (ester)

PET

Dicarboxylic acid

Diols

• พอลเอไมด (polyamide) เชน Polyhexamethyleneadipamide

หรอชอทางการคา คอ nylon 6,6

+ by product H N (CH2)6 N C (CH2)4 C OH O O

n H H

+ n H2N (CH2)6 NH2 nHO C (CH2)4 C OH O O

Diamine Dicarboxylic acid

การสงเคราะหพอลเมอรจากสารอนทรยทมหมฟงกชน (ตอ)

Nylon 6,6

พนธะเอ

ไมด

Aramids หรอ aromatic polyamide มหมเบนซนในโครงสราง

Aramids ทส าคญ มชอทางการคา คอ “Kevlar” และ “Nomex”1

Kevlar

พนธะเอไมดตอกบหมเบนซนทต าแหนงท 1 และ 4 ( para-linkage)

ตวอยางพอลเอไมดทส าคญ

1 2 3

4

5 6

Nomex

พนธะเอไมดตอกบหมเบนซนทต าแหนงท 1 และ 3 ( meta-linkage)

Kevlar ผสม Nomex-เปนองคประกอบส าคญส าหรบผาปองกนไฟ

ตวอยางพอลเอไมดทส าคญ

1 2

3

4 5

6

ปฏกรยาการสงเคราะหพอลเมอรแบบลกโซ (Chain Polymerization)

พอลเมอไรเซชนแบบลกโซ (chain polymerization)

[หรอเรยกวา“พอลเมอไรเซชนแบบเตม (Addition polymerization)]

โดยหลก ๆ แลวจะใชส าหรบสงเคราะหพอลเมอรจากมอนอเมอร ประเภท “ไวนลมอนอเมอร (vinyl monomers)”

CH2= CH Y

พอลเมอไรเซชนแบบลกโซ

ไวนลมอนอเมอรและพอลเมอรทได

หม Y มอนอเมอร พอลเมอรทได ชอพอลเมอร

H

CH3

Cl

CH2=CH2

CH2=CH

CH2=CH

( CH2- CH2)n ( CH2- CH )n ( CH2- CH )n

พอลเอทลน

พอลโพรพลน

พอลไวนลคลอไรด

CH3

Cl

CH3

Cl

CH2= CH Y

เอทลน

โพรพ

ลน

ไวนลคลอ

ไรด

กลไกการเกดปฏกรยา

ปฏกรยาแบงออกเปน 3 ขนตอน:

1. ขนรเรมโซ (Initiation)

2. ขนแผโซ (Propagation)

3. ขนสนสดโซ (Termination)

“ใชตวรเรมปฏกรยา (initiator) ในการเรมตนปฏกรยาเสมอ”

ขนรเรมโซ

RO OR peroxide

RO 2 alkoxy radicals

RO C = C H

H

H

H + RO C C

H H

H H

1. ตวรเรมปฏกรยาแตกตวใหหมวองไวตอปฏกรยา

2. หมวองไวตอปฏกรยาเปดพนธะคของมอนอเมอรออก อนมลอสระ

(radical)

มอนอเมอร

ขนแผโซ

H RO C C C C

H

H H

H H

H H

RO C C H H

H H + C = C

H

H

H

H

(n-1)CH2= CH2

H RO C C C C

H

H H

H H

H H

n

โซอนมลอสระ

(chain radical)

ขนสนสดโซ

ขนสนสดโซอาจเกดโดย:

1. เกดปฏกรยาการรวมตว (combination reaction)

H RO C C C C

H

H H

H H

H H

n

C C C C OR H H H H

H H H H

n +

H RO C C C C

H

H H

H H

H H

n

C C C C OR H H H H

H H H H

n

ขนสนสดโซ (ตอ)

2. เกดปฏกรยาดสพรอพพอชนเนชนหรอปฏกรยาแบบแบงสวน (disproportionation reaction)

H

H RO C C C C

H

H H

H H

H H

n

C C C C OR H H H H

H H H

n +

C C C C OR H H H H

H H H

n H RO C C C C

H

H H

H H

H H

n

H +

Step Polyn vs. Chain Polyn

1. มอนอเมอร Step polyn เรมตนจากมอนอเมอรทมหมฟงกชนตางกน เชน –OH กบ -COOH Chain polyn เรมตนจากมอนอเมอรทมพนธะค 2. น าหนกโมเลกลของหนวยซ า Step polyn หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอมนอย

กวาจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน Chain polyn หนงหนวยซ าของพอลเมอรมจ านวนอะตอม

เทากบจ านวนอะตอมโดยรวมของมอนอเมอรเรมตน

3. กลไกการเกดปฏกรยา Step polyn ปฏกรยาเกดระหวางหมฟงกชนทแตกตางกน ของมอนอเมอร Chain polyn ปฏกรยาสงเคราะหตองใชตวรเรมปฏกรยา

(Initiator) เพอชวยเปดพนธะคของมอนอเมอร

Step Polyn vs. Chain Polyn

4. การเพมขนของน าหนกโมเลกล Step polyn น าหนกโมเลกลเฉลยของ ผลตภณฑเพมขนตามเวลาทใชในการ สงเคราะห

Step Polyn vs. Chain Polyn

Chain polyn น าหนกโมเลกลเฉลยของ ผลตภณฑไมขนกบเวลาทใชในการ สงเคราะห

MW range (g/mol)

Mean Mi (g/mol)

xi wi xiMi wiMi

5000-10,000 7,500 0.05 0.02 375 150

10,000-15,000 12,500 0.16 0.10 2000 1250

15,000-20,000 17,500 0.22 0.18 3850 3150

20,000-25,000 22,500 0.27 0.29 6075 6525

25,000-30,000 27,500 0.20 0.26 5500 7150

30,000-35,000 32,500 0.08 0.13 2600 4225

35,000-40,000 37,500 0.02 0.02 750 750

Mn=21,150 Mw =23,200

Link ศกษาเพมเตม • https://www.youtube.com/watch?v=dWizoVj1qXI

• https://www.youtube.com/watch?v=KoBfqvSZN7c

• https://www.youtube.com/watch?v=1o9mVZxoayA

• https://www.youtube.com/watch?v=kfhZuNIf5hc

• https://www.youtube.com/watch?v=1__xaRqQeOo

Link ศกษาเพมเตม

• https://www.youtube.com/watch?v=wRCvf_EuSoc

• https://www.youtube.com/watch?v=Z6rCE8alv3g

• https://www.youtube.com/watch?v=0yOJajPJptA

• https://www.youtube.com/watch?v=HpPHN7fcLHI

Link ศกษาเพมเตม

• https://www.youtube.com/watch?v=dXT1r5

WA6SM