Upload
surasak-khui-kha
View
164
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
1
เคมี�อิ�นทรี�ย์� -120211
1
พอิลิ�เมีอิรี� (Polymer)ดรี. วั�นชาติ� ปรี�ชาติ�วังศ์�
สำ�าน�กวั�ชาวั�ศ์วักรีรีมีศ์าสำติรี�แลิะทรี�พย์ากรี อิาคารีวั�ชาการี 4 ห้�อิง146
โทรี 2308 : [email protected]: F.W. Billmeyer, Jr., “Textbook
of Polymer Science”, Wiley, Singapore, 1984
2
พอิลิ�เมีอิรี� (Polymer)
• บทน�า พอิลิ�เมีอิไรีเซช�$น• สำ�ณฐานวั�ทย์า เกณฑ์�การีจำ�าแนกพอิลิ�
เมีอิรี�•พลิาสำติ�ก•ย์างธรีรีมีชาติ�แลิะการีวั�ลิคาไนซ�• ย์างสำ�งเครีาะห้�ชน�ดติ*าง ๆ
3
พอิลิ�เมีอิรี� ค,อิอิะไรี???
• Polymer = Poly (ห้ลิาย์ ) + meros (สำ*วัน)•เก�ดจำาก โมีโนเมีอิรี� (monomer) ซ-$งเป.น
โมีเลิก/ลิเลิ0ก ๆ มีาติ*อิโย์งก�นโดย์พ�นธะเคมี�•เรี�ย์กโครีงสำรี�างท�$ ซ�1า ๆ ก�นวั*า Repeating
Units• เรี�ย์กกรีะบวันการีท�$โมีโนเมีอิรี�มีาติ*อิก�นวั*า พอิลิ�
เมีอิไรีเซช�$น (Polymerization)
4
ชน�ดขอิงพอิลิ�เมีอิรี�
•Plastics–Thermoplastics
–Thermosetting
• Elastomers or Rubber
•Fibers•Adhesives•Coatings
5
การีเรี�ย์กช,$อิ เรี�ย์กโดย์เติ�มี “Poly” น�าห้น�าช,$อิขอิงโมีโนเมีอิรี�ท�$ใช�เติรี�ย์มี
Monomer Polymerethylene CH2=CH2 Polyethylene
propylene CH2=CH(CH3) Polypropylene
vinyl chloride CH2
=CHCl Polyvinyl chloride
styrene CH2
=CH(C6
H5
) Polystyrene
tetrafluoroethylene CF2
=CF2
Polytetrafluoroethylene
6
การีเรี�ย์กช,$อิ (ติ*อิ)
MonomerPolymer
methyl methacrylate CH2
=C(CH3
)(COOCH
3 ) PMMA
caprolactam NH2
(CH2
)5
COOHPolycaprolactam
7
Polymerization
Polymerization เป.นปฏิ�ก�รี�ย์าการีเติรี�ย์มีพอิลิ�เมีอิรี� โดย์ท�าให้�โมีโนเมีอิรี� มีาติ*อิเรี�ย์งก�นโดย์พ�นธะเคมี� (พ�นธ
ะโคเวัเลินติ� )• ปฏิ�ก�รี�ย์าควับแน*น (Condensation) ห้รี,อิ Step-
reaction: มี�โมีเลิก/ลิเลิ0ก ๆ อิอิกมีา แลิะปฏิ�ก�รี�ย์าเก�ดเป.นข�1น ๆ
• ปฏิ�ก�รี�ย์าการีเติ�มี (Addition) ห้รี,อิ Chain-reaction: ไมี*มี�การีสำ5ญเสำ�ย์โมีเลิก/ลิเลิ0ก ๆ แลิะปฏิ�ก�รี�ย์าเป.นปฏิ�ก�รี�ย์าลิ5กโซ*
8
Condensation Polymerization (แบบ
ควับแน*น) •Step-reaction Polymerization เพรีาะ ปฏิ�ก�รี�ย์าเก�ดเป.นข�1น ๆ
Pi + Pj ----> P i+j
• โมีเลิก/ลิท�$เข�าท�าปฏิ�ก�รี�ย์าไมี*จำ�าเป.น ติ�อิงเป.นโมีโนเมีอิรี�อิาจำจำะเป.นโมีเลิก/ลิท�$มี�จำ�านวันโมีโนเมีอิรี�อิย์5*ห้ลิาย์ติ�วั
• มี�โมีเลิก/ลิเลิ0ก ๆ เป.น by-product อิอิกจำากปฏิ�ก�รี�ย์า• สำ5ติรีโครีงสำรี�างขอิง repeating unit ติ*างจำาก
monomer• โมีโนเมีอิรี�เป.น bifunctional ( มี�ห้มี5*ฟั8งก�ช�น 2 ห้มี5*)
9
Polyester เก�ดจำาก diol + dibasic acidn HO-R-OH + n HOOC-R’-COOH -->
H(O-R-OCO-R’-CO-)nOH + (2n-1)H2O
Polyamide เก�ดจำาก diamine + dibasic acid ห้รี,อิmonomer ท�$มี� amine แลิะ carboxyl group อิย์5*ใน
โมีเลิก/ลิเด�ย์วัก�น n NH2(CH2)xCOOH ----> H(-NH(CH2)xCO-)nOH +
(n-1) H2O n NH2(CH2)xNH2 + n HOOC-(CH2)y-COOH -----
>H(-NH(CH2)xNH-CO (CH2)yCO)nOH - + (2n 1)
H2
O
10
Addition Polymerization (แบบเติ�มี)
• - Chain reaction Polymerization เพรีาะปฏิ�ก�รี�ย์าเก�ดอิย์*างติ*อิเน,$อิง
• เป.นปฏิ�ก�รี�ย์าการีเติ�มี โดย์ท�$ไมี*มี�การีสำ5ญเสำ�ย์โมีเลิก/ลิเลิ0ก ๆPn* + M ------> Pn+1*
(M = monomer, Pn * = polymer chain with *reactive site ( ) and degree of polymerization
of n)• RRRRRRRR RRRR โดย์ท�$วัไปค,อิ พ�นธะไมี*อิ�$มีติ�วั เช*น พ�นธะค5*• เรี�ย์กโมีโนเมีอิรี�ท�$มี�พ�นธะค5*วั*า vinyl monomer
11
ข�1นติอินย์*อิย์ขอิง Addition
1 . Initiation: Initiator จำะให้� free radical อิอิกมีา เช*น peroxide แติกติ�วัเป.น 2free radicals แลิะจำะเข�า
ท�าปฏิ�ก�รี�ย์าก�บโมีโนเมีอิรี�I ---> 2R.
R. + CH2=CHX ---> RCH2-CHX .
2. Propagation: chain radical ท�$เก�ดจำะเติ�มีโมีโนเมี อิรี�ติ�วัถั�ดไป
R(CH2-CHX)n CH2-CHX . + CH2=CHX ---> R(CH2-CHX)n+1 CH2-CHX .
12
ข�1นติอินย์*อิย์ขอิง Addition (ติ*อิ) 3. Termination: เป.นการีสำ�1นสำ/ดขอิง
polymerization3.1 Combination ห้รี,อิ Coupling เป.นการีรีวัมีขอิงfree radicals แลิะได� 1 โมีเลิก/ลิขอิงพอิลิ�เมีอิรี�-CH2CHX. + .XHCCH2- ----> -CH2CHX-XHCCH2-
3.2 Disproportionation มี�การีให้� H. ก�บอิ�ก free radical ได� 2 โมีเลิก/ลิขอิงพอิลิ�เมีอิรี� (โมีเลิก/ลิห้น-$งมี�พ�นธะค5* ) -CH2CHX. + .XHCCH2- ----> -CH2CH2X + XHC=CH-
13
ชน�ดขอิง Initiator
14
- Polymerization น�1าห้น�ก โมีเลิก/ลิ (MW)
• เมี,$อิ Polymerization ด�าเน�นไป น�1าห้น�กโมีเลิก/ลิจำะเพ�$มีข-1น
• น�1าห้น�กโมีเลิก/ลิมี�ผลิ ติ*อิสำถัานะ เช*น Polyethylene (CH2-CH2)n จำาก ethylene
ethylene (CH2=CH2) -> hexane (C6H14) -> Polyethylene H(CH2)nH
( ก<าซ -> ขอิงเห้ลิวั - > ขอิงแข0ง )
15
- Polymer Oligomer
Polymer– n ติ�อิงมี�ค*ามีากพอิท�$ท�าให้�สำมีบ�ติ� ( เช*น
จำ/ดห้ลิอิมีเห้ลิวั ) ขอิง polymer ไมี*เปลิ�$ย์น เมี,$อิมี�การีเติ�มีโมีโนเมีอิรี�ไปอิ�กติ�วั
Tm (n) = Tm (n+1)
Oligomer- โมีเลิก/ลิท�$มี�น�1าห้น�กโมีเลิก/ลิไมี*มีากน�ก ==>
สำมีบ�ติ�เปลิ�$ย์นเมี,$อิมี�การีเติ�มีโมีโนเมีอิรี�อิ�กติ�วั
16
สำ�ณฐานวั�ทย์า (Morphology)
• ผลิ-ก (Crystalline): มี�การีเรี�ย์งติ�วัเป.นรีะเบ�ย์บ(ควัามีห้นาแน*นสำ5ง) ==> ไม่�โปร่�งแสง
• อิสำ�ณฐาน (Amorphous): ไมี*มี�การีจำ�ดเรี�ย์งติ�วั แลิะมี�ช*อิงวั*างรีะห้วั*างโซ*สำ5ง (ควัามีห้นาแน*นติ�$า) มี�รี5ป
“รี*างท�$เรี�ย์กวั*า random coil” ==> โปร่�งแสง
( ถั/งรี�อินจำะข/*นกวั*าถั/งเย์0น เพรีาะเป.นชน�ดท�$มี�ควัามีเป.นผลิ-กสำ5ง)
17
Folded Chains (a) sharp fold(b) switchboard
Fringed Micelle
(c) loose loops with adjacent entry, (d) combination of (a-c)
18
- Crystalline Amorphous• พอิลิ�เมีอิรี�ท/กติ�วัจำะติ�อิงมี�สำ*วันอิสำ�ณฐานโดย์ท�$อิาจำ
จำะมี�สำ*วันท�$เป.นผลิ-ก ห้รี,อิไมี*ก0ได� ข-1นอิย์5*ก�บควัามี สำามีารีถัในการีจำ�ดเรี�ย์งติ�วัขอิงโซ* พอิลิ�เมีอิรี�
• พอิลิ�เมีอิรี� “ท�$เป.นอิสำ�ณฐานท�1งห้มีด เรี�ย์ก พอิลิ�เมี” อิรี�อิสำ�ณฐาน (Amorphous Polymer)
• พอิลิ�เมีอิรี�ท�$มี�ท� 1งผลิ-กแลิะอิสำ�ณฐานเรี�ย์กพอิลิ�เมีอิรี� ก-$งผลิ-ก (Semi-crystalline Polymer)
• โดย์ท�$วัไปพอิลิ�เมีอิรี�จำะไมี*เป.น 100% crystalline ย์กเวั�นเติรี�ย์มีจำากการีติกผลิ-กเด�$ย์วั(Single Crystal)
19
Morphology ขอิง Fibers
20
Thermal Transitions การีเปลิ�$ย์นแปลิงสำถัานะเมี,$อิได�รี�บควัามีรี�อิน•Melting Temperature (Tm) ห้รี,อิ
จำ/ดห้ลิอิมีเห้ลิวั ผลิ-ก - > ขอิงเห้ลิวั
• Glass Transition Temperature (Tg )
อิสำ�ณฐาน -> ขอิงเห้ลิวั Tm > Tg
21
เกณฑ์�การีจำ�าแนกพอิลิ�เมีอิรี�• มี�การีจำ�าแนกพอิลิ�เมีอิรี� ได�ห้ลิาย์ชน�ดติามีการีใช�งาน
(1 ) Plastic Tg > 25 C (amorphous)
Tm > 25 C (semi-crystalline)
(2) Rubber Tg < 25 C (amorphous)
Tm < 25 C (semi-crystalline)
3( ) Fiber (ผ*านกรีะบวันการีด-งR 4 Adhesive แลิะ Coating materials
22
ติ�วัอิย์*างค*า Tg แลิะ Tm ขอิงพอิลิ�เมี อิรี�ชน�ด Tg Tm
Polydimethylsiloxane -127 -40rubber
Polyisoprene -73 28* rubber Poly(ethylene oxide) -41 66
plasticPolyethylene -36 137 plasticPolypropylene -3 176 plasticPET 61 270
plasticPolystyrene 100 250 plastic
* เป.นการีติกผลิ-กภาย์ใติ�การีด-ง ( ไมี*ใช* Tm ปกติ�)
23
เกณฑ์�การีจำ�าแนกพอิลิ�เมีอิรี� (ติ*อิ)
การีเปลิ�$ย์นรี5ปเมี,$อิได�รี�บควัามีรี�อิน•Thermoplastic สำามีารีถัข-1นรี5ปให้มี*เมี,$อิ T
> Tm เป.นพลิาสำติ�กท�$สำามีารีถั recycle ได� เช*น ขวัดน�1า ซ-$งจำะมี�สำ�ญลิ�กษณ� recycle แลิะ
รีห้�สำขอิงชน�ดขอิงพลิาสำติ�ก•Thermoset ไมี*อิาจำข-1นรี5ปให้มี*ได� เพรีาะเก�ด
การี crosslink เป.นโครีงสำรี�าง 3 มี�ติ� เช*น กาวัอิ�ปอิกซ� ย์าง เมีลิามี�น
24
เกณฑ์�การีจำ�าแนกพอิลิ�เมีอิรี� (ติ*อิ)
การ่ polymerization•Addition เช*น PE, PP, PS, PVC,
PMMA, PTFE (Teflon)•Condensation เช*น PET,
Polyamide (Nylon)
25
เกณฑ์�การีจำ�าแนกพอิลิ�เมีอิรี� (ติ*อิ)
จำ�านวันชน�ดขอิงโมีโนเมีอิรี�•Homopolymer ใช�โมีโนเมีอิรี�ชน�ดเด�ย์วั•Copolymer ปรีะกอิบด�วัย์โมีโนเมีอิรี�
อิย์*างน�อิย์ 2 ชน�ด•random ABAABABBABBAA•alternating ABABABABAB•block AAAAAABBBBBB•graft AAAAAAAAAA
BB
26
Plastics
• เป.นพอิลิ�เมีอิรี�ท�$มี� Tg สำ5งกวั*าอิ/ณห้ภ5มี�ห้�อิง จำ-งมี� สำภาพแข0ง
• พลิาสำติ�กท�$มี�การีใช�งานท�$วัไป- Polyethylene - Polypropylene- Polyvinyl chloride - Polystyrene- PET - Nylon (Polyamide)
• พลิาสำติ�กพ�เศ์ษ- เสำ,1อิก�นกรีะสำ/น
27
Polyethylene (PE)
• เติรี�ย์มีจำาก ethylene CH2=CH2
• มี�จำ/ดห้ลิอิมีเห้ลิวั -110137oC มี� 2
ปรีะเภท 1 Low Density PE (LDPE): PE ซ-$งมี�ก�$งติ*อิจำาก
โซ*ห้ลิ�ก ท�าให้�มี�การีจำ�ดเรี�ย์งติ�วัในสำ*วันผลิ-กไมี*ด� (มี�ช*อิงวั*างมีาก)
2. High Density PE (HDPE): PE ซ-$งมี�ก�$งน�อิย์ มีาก มี�การีเรี�ย์งติ�วัก�นด� ท�าให้�มี�ควัามีเป.นผลิ-กสำ5ง =>
แข0งแรีงกวั*า *Ultra High MW PE: ใช�ท�าเป.นช�1นสำ*วันในกรีะด5กเท�ย์มี
28
Polypropylene (PP)
• เติรี�ย์มีจำาก propylene CH2=CH(CH3)
• มี�จำ/ดห้ลิอิมีเห้ลิวัสำ5งกวั*า PE เพรีาะห้มี5* CH3 ท�$เพ�$มี - (165 177oC )
• ใช�ท�าภาชนะใสำ*อิาห้ารีท�$ใช�ในเติาไมีโครีเวัฟัได�
29
Polyvinyl Chloride (PVC)
• เติรี�ย์มีจำาก CH2=CHCl
• เป.นพลิาสำติ�กท�$แข0ง เน,$อิงจำากมี�แรีงด-งด5ดแบบมี� ข�1วั ซ-$งเก�ดจำาก Cl ( มี�ค*า Electronegativity)
ท�าให้�จำ/ดห้ลิอิมีเห้ลิวัสำ5ง 204( oC ) – ใช�ท�าท*อิน�1าปรีะปา
• “มี�การีเติ�มีสำารี plasticizer” เพ,$อิลิดควัามีแข0ง– ห้น�งเท�ย์มี ==> ในรีถัย์นติ�ให้มี*จำะมี�กลิ�$น
เพรีาะ plasticizer รีะเห้ย์อิอิกมีา
30
Polystyrene (PS)
• เติรี�ย์มีจำาก CH2=CH(C6H5)
• โดย์ท�$วัไปเป.นอิสำ�ณฐานเน,$อิงจำากขนาดขอิงC6H5 ท�$ให้ญ* ท�าให้�เก�ดการีเรี�ย์งติ�วัเป.นผลิ-ก
ได�ไมี*ด�• เป.นพลิาสำติ�กใสำ (แติ*เปรีาะ ) ห้รี,อิท�าให้�เป.น
โฟัมี โดย์การีเติ�มีสำารีท�าให้�เก�ดโฟัมี• มี� Tg = 100oC, Tm = 150-243oC
31
Poly(ethylene terephthalate) (PET)
• เติรี�ย์มีจำาก ethylene glycol แลิะterephthalic acid
• มี� repeating unit เป.น(O-CH2-CH2-O-CO- -
CO-)• เป.นพลิาสำติ�กท�$เห้น�ย์วั ใช�ท�าขวัดน�1ามี�นพ,ช
ขวัดน�1าอิ�ดลิมี
32
Polyamide (Nylon)
• เติรี�ย์มีจำาก diamine + dibasic acid ห้รี,อิโมีโนเมีอิรี�ท�$มี�ห้มี5* amine แลิะcarboxyl อิย์5*อิย์*างลิะข�าง
H(-NH(CH2)xNH-CO (CH2)yCO)nOH
มี�กใช�งานในรี5ปขอิงเสำ�นใย์ (fiber)
33
Aramid
• Aramid = Aromatic + amide (-CO- -CO-NH- -
NH-)n • ช,$อิการีค�าวั*า Kevlar• ใช�ท�าเสำ,1อิเกรีาะก�นกรีะสำ/น เพรีาะมี�ควัามีเห้น�ย์วั
ซ-$งเก�ดจำากวังแห้วัน C6H4 ท�$อิย์5*ในโซ*พอิลิ�เมีอิรี� เท�ย์บก�บพลิาสำติ�กท�$วัไป ซ-$งเป.น CH2
34
Polytetrafluoroethylene(PTFE)
• ช,$อิการีค�าวั*า Teflon (-CF2-CF2-)n
• ทนติ*อิอิ/ณห้ภ5มี�สำ5ง จำ/ดอิ*อินติ�วั = 370oC • ใช�เคลิ,อิบกรีะทะ เพรีาะสำารีอิ,$นเกาะไมี*ด�
35
Composite Materials
• วั�สำด/ปรีะกอิบ ห้มีาย์ถั-งวั�สำด/ซ-$งเก�ดจำากการีน�าวั�สำด/ อิย์*างน�อิย์ 2 ชน�ดมีาใช�งานรี*วัมีก�น อิาจำเป.น
โลิห้ะ พอิลิ�เมีอิรี� เซรีามี�กซ�- ป?กเครี,$อิงบ�น ( โลิห้ะผสำมี + carbon fiber)- เสำา ( คอินกรี�ติ + เห้ลิ0กเสำ�น)- ย์างรีถัย์นติ� ( ย์าง + เสำ�นใย์เห้ลิ0ก ไนลิอิน PET)- ไมี�เทนน�สำ ( รี/ *น graphite, boron, etc.)
http://www.ccm.udel.edu
36