คม-441-บทที่-1-บทนำ

วิทยาศาสตรพ์ อลิเมอร์เบือ้ งตน้ บทที่ 1 บทนา http://www.pslc.ws/macrog/kidsmac/basics.htm 1

เรียนพอลิเมอร์ไปทาไม?  รจู้ ักพอลิเมอร์ทเ่ี กี่ยวข้องกับชวี ิตประจำวนั ของเรำ  มีควำมรเู้ บื้องต้นเพือ่ กำรศึกษำตอ่ ในข้ันสงู - พอลิเมอร,์ สิ่งทอ (คณะวิทยำศำสตร์, คณะวิศวกรรมศำสตร์ ฯลฯ) - ปโิ ตรเลียมและปิโตรเคมี  มีควำมรู้ในกำรประกอบอำชีพในอนำคต - โรงงำนอุตสำหกรรม - งำนวิจัย 2

บทที่ 1 บทนา เมื่อพดู ถึงพอลิเมอร์ คณุ นึกถึงอะไร? - พลำสติก - โฟม - ยำงธรรมชำติ - เส้นใยต่ำง ๆ (cellulose), ใยไหม, ใยฝ้ำย - ขนสัตว์ เขำสตั ว์ - คร่ัง 3

Polymer คอื อะไร? Polymer มำจำกรำกศัพทภ์ ำษำกรีก poly = many และ meros = part Polymer หมำยถงึ สำรที่มโี มเลกลุ ขนำดใหญ่มำก ท่ปี ระกอบด้วยหน่วยของ โมเลกลุ เลก็ ๆ ทซ่ี ้ำๆ กัน (repeating unit หรือ monomer) ยึดเกำะกนั ด้วย พันธะทำงเคมี (พันธะโคเวเลนซ์) nCH2=CH2 polymerisation [-CH2-CH2-]n monomer ethylene polyethylene H2C H2 CH *C n CH * styrene polymerisation n polystyrene polymer 4

Macromolecule Macromolecule คือสำรทีม่ โี มเลกุลขนำดใหญ่ ทห่ี มำยรวมถงึ พอลิเมอร์ดว้ ย แต่สำร โมเลกุลใหญบ่ ำงชนิด อำจไม่ใช่พอลิเมอร์กไ็ ด้ lipid 5

Deoxyribonucleic acid (DNA): เป็นพอลิเมอรธ์ รรมชำติชนิดหนึ่ง มอนอเมอร์ของ DNA คือ nucleotides ซึง่ แต่ละ nucleotide ประกอบดว้ ย น้ำตำล 5 คำร์บอน หรือ deoxyribose nucleotide ทเ่ี ป็นมอนอเมอร์ของ DNA มี 4 ชนิด ได้แก่ A = adenine G = guanine C = cytosine T = thymine 6

History of Polymers คศ. 1500’s – นกั สำรวจชำวองั กฤษได้คน้ พบชนเผ่ำ Mayan ซึง่ เป็นชนเผ่ำพืน้ เมืองของทวีปอเมริกำกลำง พวกเขำสณั นิษฐำน ว่ำชำว Mayan น่ำจะเปน็ ชนเผ่ำแรก ๆ ที่มกี ำรประยุกต์ใช้พอลิ เมอร์ เนือ่ งจำกเขำพบว่ำเดก็ ๆ ชำว Mayan เล่นฟตุ บอลที่ทำ จำกยำงพำรำ คศ. 1839 – Charles Goodyear ค้นพบกระบวนกำร valcanization โดยกำรผสมนำ้ ยำงธรรมชำติกบั sulfur และให้ควำมรอ้ นที่ 270 °F (~132 °C) ได้เปน็ สำรประกอบ พอลิเมอร์ตัวใหมท่ ี่แขง็ แรงและทนทำนกวำ่ ยำงธรรมชำติ ซึง่ ต่อมำได้นำมำผลติ ยำง รถยนต์ คศ. 1907 – Leo bakeland ได้สังเครำะห์พลำสติกที่มีควำมแข็งและทน ควำมร้อนสูง ให้ชือ่ ว่ำ Bakelite ซึ่งนำมำใช้ผลติ ฉนวนไฟฟ้ำ คศ. 1917 – M. Palanyi ใช้ X-ray crystallography ในกำรศึกษำโครงสร้ำงทำงเคมขี องเซลลูโลส ทำให้ ทรำบวำ่ แตล่ ะยนู ติ เซลล์ของพอลิเมอร์ประกอบด้วยโมเลกุลที่เชือ่ มต่อกันเป็นสำยยำว 7

คศ. 1920 - Hermann Staudinger นักเคมชี ำวเยอรมนั ได้ตพี ิมพ์ งำนวิจยั เกีย่ วกบั พอลิเมอร์ ในหวั ข้อ ‘Uber Polymerization’ โดยเขำ ได้กล่ำวไว้ว่ำ “…rubber and other polymeric substances such as starch, cellulose and proteins are long chains of short repeating molecular units linked by covalent bonds. In other words, polymers are like chains of paper clips, made up of small constituent parts linked from end to end...” ผลงำนตีพมิ พข์ องเขำ ในคร้ังนนั้ ถือว่ำเปน็ กำรเริ่มตน้ ศักรำชของงำนวิจยั และกำรพัฒนำ ทฤษฎีใหม่ ๆ ของพอลิเมอร์ Uber (German) = hyper, super, above PVC pipe 1927 – มกี ำรผลติ vinyl chloride resin ใน ระดบั อตุ สำหกรรมเปน็ ครั้งแรก สำรประกอบ พอลิเมอร์ตวั นี้ ถกู นำมำใช้อย่ำงแพร่หลำย จนถึงปัจจุบัน 8

1930 – สงั เครำะห์ polystyrene หรือ styrofoam ซึง่ ใช้ผลติ แผ่นเทปคำสเสท กล่องโฟม ภำชนะกันควำมร้อน 1938 – Wallace Carothers นกั วจิ ยั ของบริษทั Dupont สงั เครำะห์ ไนลอน (Nylon) ซึง่ ใช้ในกำรผลิตเชือกไนลอน เสื้อผำ้ และของใช้อืน่ ๆ 1941 – มกี ำรพฒั นำ Polystyrene เพื่อผลติ เปน็ ของใชใ้ นชีวติ ประจำวนั ตำ่ ง ๆ เช่น ภำชนะบรรจอุ ำหำร ท่อพลำสติก ของเล่น ฯลฯ 1970 – James Economy เปน็ คนแรก ๆ ที่พฒั นำวสั ดพุ อลิเมอร์ ทนควำมร้อนสงู ทีเ่ รียกวำ่ Ekonol ที่ใช้ ผลติ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และสว่ นประกอบเครื่องยนต์ของอำกำศยำน Ekonol : O C * - p-oxybenzoyl repeat units - linear thermoplastic * O - a highly crystalline polymer but has no observed melting point even at n up to 900 - 1000° F. 9 p-oxybenzoyl

1971 – S. K. Wolek พัฒนำวสั ดพุ อลเิ มอรท์ ีม่ คี ุณสมบัติแขง็ แรง ทนทำน ทนควำมร้อนไดส้ ูงถงึ 300 °C ใช้ทำเสื้อเกรำะกนั กระสนุ และ เสื้อกันไฟสำหรบั นักดบั เพลิงและนักแข่งรถ http://www.bangkokbiznews.com http://www.ryt9.com/s/prg/757980 1976 จนถึง ปัจจุบนั มกี ำรใช้วสั ดพุ อลิเมอรแ์ ละพลำสติก มำกกวำ่ วัสดุทเี่ ป็นโละ 10

ประเภทของพอลิเมอร์ 1. จาแนกตามแหล่งทีม่ า 1.1 พอลิเมอรธ์ รรมชาติ (Natural polymers) เป็นพอลิเมอรท์ ีพ่ บตำมธรรมชำติ มนุษย์ไดน้ ำเอำพอลิ เมอรเ์ หล่ำนีม้ ำตดั แปลงเพือ่ ใช้ประโยชน์ เช่น ไหม ฝำ้ ย ปอ ป่ำน นำ้ ยำงพำรำ ฯลฯ 1.2 พอลิเมอรส์ ังเคราะห์ (Synthetic polymers) เนือ่ งจำกพอลิเมอร์ธรรมชำติ มปี ริมำณ คุณสมบตั ิ และขอบเขตกำรใช้งำนที่จำกดั ดงั นนั้ มนษุ ย์จงึ ได้ทำกำรสงั เครำะห์พอลเิ มอรข์ นึ้ มำ เช่น polyvinylchloride (PVC), polystyrene (PS), polyethylene (PE), polypropylene (PP) 11

2. จาแนกตามลกั ษณะโครงสรา้ งของโมเลกลุ 2.1 พอลิเมอรแ์ บบเสน้ ตรง (linear polymers) โมเลกุลของพอลเิ มอรป์ ระเภทนเี้ ปน็ สำยโซ่ตรง ยำว ไม่มีกิง่ ก้ำนแยกออกไป ตวั อย่ำงเช่น linear polyethylene H2 H2 H2 H2 H2 CCCCC CCCCCC H2 H2 H2 H2 H2 H2 2.2 พอลิเมอรแ์ บบกิ่งกา้ น (branched polymers) โมเลกลุ ของพอลิเมอร์มกี ง่ิ ก้ำนแยกออกมำ จำกสำยโซ่หลัก ตำแหนง่ ของสำยโซท่ ี่มกี ง่ิ ก้ำนแยกออกมำเรียกว่ำ branch point ข้อสงั เกต : กง่ิ ก้ำนที่แยกออกมำจำกสำยโซ่หลกั จะตอ้ งมี monomer ชนดิ เดียวกับสำยโซ่หลกั ถำ้ เปน็ monomer ต่ำงชนดิ กันไม่ถือว่ำเปน็ พอลิเมอร์แบบก่งิ กำ้ น แต่จะจดั ว่ำเปน็ โคพอลิเมอร์ branch branch star comb 12

2.3 พอลิเมอร์แบบร่างแห (network or crosslinked polymers) โมเลกลุ ของพอลิเมอร์ประเภท นีจ้ ะเชื่อมต่อกันทำให้เกดิ โครงสร้ำงแบบร่ำงแห ดงั รปู H2 H2 H H2 H2 H C CH C C C CH C C CH CH C CH C C C CH C C C H2 H H2 H2 H H2 H2 SS S S SS H2 S H2 H H2 S H2 H S C CH C C CC CC CH CH C C C C C C C CH C H2 H H2 H2 H H2 H2 S S S S S S SS S S *+S S H2 S H2 H H2 H2 H CH S C CH C C C CH C C CH C * nS S CH3 S CH C C C CH C C C H2 H2 H H2 H2 H H2 Poly(isoprene) Sulfur Crosslinked Poly(isoprene) 2.4 พอลิเมอรแ์ บบข้ันบันได (ladder polymers) ซึ่งมีกำรเชื่อมต่อเปน็ วงอย่ำงสมำ่ เสมอของสำย โซ่หลกั ถำ้ กำรปดิ วงน้ันเกิดไม่สม่ำเสมอจะเรียกว่ำ พอลิเมอร์แบบกึง่ ขัน้ บันได (semi-ladder polymers) ladder Semi-ladder 13

http://www.google.com/patents/EP2150597A2?cl=en 14

3. จาแนกตามจานวนชนดิ ของมอนอเมอร์ 3.1 โฮโมพอลิเมอร์ (homopolymers) เปน็ พอลิเมอรท์ ี่ระกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียว เช่น Monomer Polymer Ethylene CH2=CH2 Polyethylene -(CH2-CH2)n- Propylene CH2=CH-CH3 Polypropylene –(CH(CH3)-CH2)n- Styrene HC CH2 Polystyrene H2 CH C -A-A-A-A-A-A-A-A- n 3.2 โคพอลิเมอร์ (copolymers) ในสำยโซ่โมเลกุลของพอลิเมอรร์ ะเภทน้ีจะกอบด้วยมอนอเมอร์ ต้ังแต่ 2 ชนิดขนึ้ ไป โคพอลิเมอร์อำจแบง่ ตำมลกั ษณะกำรจัดเรียงตัวของมอนอเมอร์ได้หลำยแบบ ดังนี้ 3.2.1 โคพอลิเมอรแ์ บบสุ่ม (random copolymers) มอนอเมอร์ 2 ชนิด (สมมตเิ ปน็ A และ B) เรียงตวั สลับกันอยำ่ งไม่เป็นระบบ สญั ลกั ษณ์ที่ใช้แทนพอลิเมอร์ชนิดนีอ้ ำจใช้เปน็ poly(A-ran-B) ---ABBBAABBABABAAAB--- 15

3.2.2 โคพอลิเมอร์แบบสลบั (alternating copolymers) มอนอเมอรเ์ รียงตวั สลบั กันอย่ำงเปน็ ระเบียบ อำจใช้สญั ลักษณ์แทนเปน็ poly(A-alt-B) หรือ poly(A-co-B) ---ABABABABABABABAB--- 3.2.3 โคพอลิเมอรแ์ บบบล็อก (block copolymers) ประกอบด้วยกลุ่มของมอนอเมอร์ 2 (diblock) หรือ 3 (triblock)ชนิด เรียงตวั สลบั กนั อย่ำงเปน็ ระเบียบ ---AAAABBBB--- AB diblock copolymer ---AAABBBAAA--- ABA triblock copolymer 3.2.4 โคพอลิเมอร์แบบกราฟท์ (graft copolymers) ประกอบด้วยกลุ่มของมอนอเมอร์ 2 ชนิด ที่ สำยโซ่หลักจะประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียว และมีสำยโซ่ของกลุ่มมอนอเมอร์อกชนิดหนึ่งแยกเปน็ ก่งิ กำ้ นออกมำ ---AAAABBBBAAAAABBBBAAAAABBBBAAAAABBBBAAA--- 16

4. จาแนกตามลักษณะการใช้งาน 4.1 พลาสติก (plastics) มคี ุณสมบัติเปน็ ของไหลหนืด (viscous fluid) ขณะที่อยู่ในกระบวนกำรขึน้ รูป และจะอยู่ในรปู ของแข็งทีค่ งรปู ได้เมือ่ อยู่เป็นผลติ ภณั ฑ์ที่พร้อมใช้งำน พลำสติกสำมำรถแบ่งเปน็ ประเภทย่อย ๆ ไดอ้ กี 2 ชนิด ตำมพฤติกรรมเมือ่ ได้รบั ควำมร้อน ได้แก่ 4.1.1 เทอรโ์ มพลาสติก (thermoplastics) จะละลำยได้ดีในตัวทำละลำยบำงชนิด เมื่อได้รับควำม ร้อนจะหลอมตวั เปน็ ของเหลว สำมำรถขนึ้ รูปเปน็ ผลติ ภัณฑต์ ่ำง ๆ ได้ตำมต้องกำร เมื่อเย็นลงจะ กลำยเปน็ ของแขง็ พลำสติกประเภทนีส้ ำมำรถนำกลบั มำหลอมและแข็งตัวได้ใหม่ โดยไมท่ ำใหส้ มบตั ิ ทำงเคมเี ปลีย่ นไป เช่น Polyethylene Polystyrene Polyvinylchloride Poly(methyl methacrylate) (transparent thermoplastic) 17

4.1.2 เทอรโ์ มเซ็ทติง้ พลาสติก หรือ เทอรโ์ มเซท็ (thermosetting plastic or thermosets) พลำสติกประเภทนีเ้ มื่อขนึ้ รปู แล้วจะไม่สำมำรถนำมำหลอมใหมไ่ ด้เนือ่ งจำกเมื่อให้ควำมร้อนเข้ำไป จะเกิดปฏิกริ ิยำกำรเชือ่ มโยงระหว่ำงสำยโซ่โมเลกุล (crosslinking reaction) ทำให้ผลิตภณั ฑท์ ีไ่ ด้มี ควำมคงทน เมือ่ ได้รับควำมร้อนสงู อกี คร้ังพลำสติกจะเสื่อมสภำพและสลำยตัวไป Melamine formaldehyde Polyurethane Polyimide 18

4.2 เส้นใย (fiber) พอลิเมอร์ทีเ่ ปน็ เสน้ ใยจำกธรรมชำติ เช่น ฝ้ำย ไหม ปอ ขนสัตว์ เป็นตน้ เส้นใย ดัดแปลงจำกธธรมชำติ เช่น เรยอน (rayon) ผลติ จำกเซลลูโลส และเสน้ ใยสังเครำะหต์ ำ่ ง ๆ เช่น ไนลอน พอลิเอสเทอร์ พอลิพรอพลิ นี เปน็ ตน้ ซึง่ ส่วนใหญจ่ ะนำมำผลติ เปน็ เครื่องนุ่งห่มและของใช้ ฝ้ำย ไหม ปอ เรยอน ไนลอน 19

4.3 อีลาสโตเมอร์ (elastomers) บำงครั้งเรียกว่ำ rubber มคี ุณสมบัติยืดหยุ่นหรือเปลี่ยนแปลงรปู ร่ำง ได้ตำมแรงกระทำ และจะกลับสู่สภำพเดิมเมือ่ หยุดให้แรงกระทำ ดึง ดงึ เช่น ยำงสไตรีนบิวตะไดอนี (styrene-butadiene rubber, SBR), ยำงธรรมชำติ (polyisoprene) SBR Natural rubber rubber band (ทำจำก natural rubber) 20

4.4 โฟม (foams) เปน็ พอลิเมอรท์ มี่ รี ูพรุนสงู เนือ่ งจำกมกี ำรเติมสำรทที่ ำให้เกดิ ฟอง (foaming agents) ในกระบวนกำรผลติ ทำใหผ้ ลติ ภณั พท์ ี่ได้มีนำ้ หนกั เบำ 4.4 กาว (adhesives) มคี วำมเหนียวเพือ่ ใช้ในกำรตดิ วสั ดเุ ข้ำดว้ ยกัน กำวธรรมชำติได้แก่ ยำงเหนียว ของตน้ ไม้ กำวที่ได้จำกกำรเคี่ยวหนงั หรือเอน็ ของสัตว์ กำวแป้ง เปน็ ตน้ กำวสังเครำะห์ เชน่ cyanoacrylate หรือ superglue, กำว epoxy เปน็ ต้น 4.5 สารเคลือบผิว (surface coating agents) ซึ่งนบั รวมถงึ ส(ี paint) ด้วย เช่น Poly(vinyl acetate), poly(methylmethacrylate), Polyurethanes 21

แหลง่ วัตถดุ ิบที่สาคญั ของพอลิเมอร์ แหล่งวตั ถดุ บิ หลักสำหรบั กำรผลติ พอลิเมอร์มี 3 แหลง่ คือ พืช น้ำมัน (รวมถงึ ก๊ำซธรรมชำติ) (petroleum) และ ถำ่ นหิน (coals) 1. พอลิเมอรจ์ ากพืช ได้แก่ ยำงพำรำ ปอ ป่ำน ฝ้ำย ไหม คร่งั นอกจำกนเี้ รำสำมำรถเตรยี มเอทิลีนจำกเอ ทำนอล ซึง่ เอทำนอลได้จำกกำรหมักพืชหรือวัสดเุ หลือใช้ทำงกำรเกษตรทีม่ ีแป้งและนำ้ ตำลสูง เช่น ออ้ ย มันสำปะหลงั ข้ำวโพด กำกน้ำตำล สำหร่ำยบำงชนิด ฯลฯ ปัจจบุ นั ยงั พบว่ำมีกำรพยำยำมนำวตั ถิบที่มี เซลลูโลสสงู เช่น ฟำงข้ำว หญ้ำ มำผลติ เอทำนอลด้วย เอทิลนี ทีไ่ ด้สำมำรถนำไปเตรียมเปน็ พอลีเอทลิ นี เยื่อไม้ (เซลลูโลส) เปน็ อีกวตั ถดุ ิบหนึ่งทีใ่ ช้ในกำรผลติ พอลิเมอร์บำงชนิด เช่น เซลลโู ลสอะซีเตต เซลลโู ลส ไนเตรต เปน็ ตน้ http://www.youtube.com/watch?v=mlpU8H5aBgs กบนอกกะลำ ตอนคณุ ค่ำคุณคร่ัง 2. พอลิเมอร์จากถ่านหิน ถำ่ นหินเปน็ แหล่งวตั ถดุ บิ สำคญั ในกำรเตรยี มฟีนอล และนำ้ มนั แนพทำลนี ซึ่ง สำมำรถนำไปสังเครำะห์เปน็ พอลเิ มอรอ์ ื่น ๆ อกี หลำยชนิด เช่น พอลเี อสเทอร์ ไนลอน ฟิโนลิก พอลี คำร์บอเนต เปน็ ตน้ 22

แผนผังแสดงผลิตภณั ฑ์ที่ได้จำกถำ่ นหิน ถำ่ นหิน ให้ควำมร้อนสงู (~1000 °C) ในเตำทีป่ รำศจำกอำกำศ กำ๊ ซถำ่ นหิน น้ำมันถ่ำนหนิ แอมโมเนีย ถำ่ นโค้ก น้ำมันเบำ กลน่ั น้ำมนั คำร์บอลิก น้ำมันแนพทำลีน คมู ำโรน เบนซนี พธำลิก แอนไฮไดรด์ ฟีนอล ฟีนอลิก อนิ ดีน สไตรนี โพลีเอสเทอร์ ไนลอน อพี อกซี พอลิสไตรีน พธำเลต พลำสติไซเซอร์ พอลิคำร์บอเนต น้ำมันเบำ เช่น น้ำมนั เบนซนิ (Petrol หรือ Gasoline) พำรำฟิน (Parafin 23 หรือ Kerosene) เบนซีน (Benzene) น้ำมันหนกั เช่น นำ้ มนั ดีเซล (Diesel) น้ำมนั หล่อลื่น (Lubricants) นำ้ มนั เตำ (Fuel oils)

ไอน้ำ ถำ่ นโค้ก CaO + 3C → CaC2 + CO วอเตอร์กำ๊ ซ หินปนู (CaO) H2O + C H2 + CO เมทำนอล แคลเซียมคำร์ไบด์ (CaC2) กำ๊ ซไนโตรเจน น้ำ ฟอร์มำลดีไฮด์ แคลเซียมไซยำนำไมด์ อะเซทิลีน ยูเรีย-ฟอร์มำลดีไฮด์ เมลำมีน เมลำมนี - ฟอรม์ ำลดีไฮด์ ฟีนอล-ฟอร์มำลดไี ฮด์ อะไครโลไนไตรล์ พอลิไวนลิ คลอไรด์ โพลิฟอรม์ ำลดีไฮด์ กรดอะซิติก พอลิไวนลิ ิดนี คลอไรด์ ยำงไนไตรล์ เซลลูโลสอะซเี ตต พอลิคลอโรพรีน อะไครลิกไฟเบอร์ พอลิไวนลิ อะซีเตต อะไครโลไนไตรล์ บิวตะไดอีน สไตรนี พอลิไวนลิ แอลกอ24ฮอล์

3. พอลิเมอร์จากนา้ มันดิบและก๊าซธรรมชาติ เปน็ แหล่งวตั ถุดิบทีส่ ำคญั และใหญ่ทสี่ ดุ เพรำะนำ้ มัน และกำ๊ ซธรรมชำตปิ ระกอบด้วยสำรประกอบไฮโดรคำร์บอนตำ่ ง ๆ มำกมำยซึง่ จะถูกแยกออกมำจำก น้ำมันดบิ (crude oil) โดยกำรกลน่ั ลำดับส่วน (fractional distillation) จุดเดือด (°C) จำนวนคำร์บอน สถำนะ กำรนำไปใช้ ก๊ำซหงุ ต้ม (LPG) < 30 C1 - C4 ก๊ำซ 30 - 110 C5 – C7 ของเหลว ตัวทำละลำยในอตุ สำหกรรมเคมี (Naphtha) 65 - 170 ของเหลว น้ำมนั เบนซิน (Gasoline) 170 - 250 C6 – C12 ของเหลว น้ำมนั ก๊ำด น้ำมันเครือ่ งบินไอพ่น (Kerosene or paraffin oil) C10 – C14 ของเหลว น้ำมันดเี ซล (Diesel) ของเหลวขน้ น้ำมนั หล่อลื่น 250 - 340 C14 – C19 ของเหลวหนืด น้ำมันเตำ (Fuel oil) > 350 C19 – C35 กึ่งเหลวกง่ึ แข็ง หรือแขง็ เทียนไข จำระบี > 400 C35 – C40 กึง่ เหลวกง่ึ แข็ง หรือแข็ง ยำงมะตอย > 400 C40 – C50 > 400 > C50 25

Naphtha Cracking Ethylene Propylene Methane Butylene Polyethylene polypropylene Butyl rubber Butadiene SBR Polystyrene Polyisobutylene Nitrile rubber Polyacrylonitrile Polymethylmethacrylate Polybutadiene Polyvinylchloride Polyacrylonitrile Phenol 26

Cracking: - breaking up large hydrocarbon molecules into smaller and more useful bits. - achieved by using high pressures and temperatures without a catalyst, or lower temperatures and pressures in the presence of a catalyst. - Zeolites are extensively used as the catalyst. - The source of the large hydrocarbon molecules is often the naphtha fraction or the gas oil fraction from the fractional distillation of crude oil (petroleum). - Fractions obtained from the distillation process as liquids are re-vaporised before cracking. http://www.chemguide.co.uk/organicprops/alkanes/cracking.html 27

Natural Gas Typical Composition of Natural Gas Methane Methane CH4 70-90% Ethane C2H6 0-20% Acetylene Methanol Propane C3H8 0-8% 0-0.2% Butane C4H10 0-5% Ammonia Formaldehyde 0-5% Carbon Dioxide CO2 trace Urea Polyformaldehyde Oxygen O2 Nitrogen N2 Phenol - formaldehyde Hydrogen sulphide H2S Melamine-formaldehyde Rare gases A, He, Ne, Xe Source: www.naturalgas.org Urea - formaldehyde 28

การเรยี กช่อื พอลเิ มอร์ (Polymer nomenclature) 1. เรียกตำมมอนอเมอร์ทีเ่ ป็นส่วนประกอบ โดยเติมคำว่ำ ‘poly’ นำหน้ำชือ่ มอนอเมอร์ที่ใช้เตรียม monomer polymer Trade name Polyethylene - Ethylene CH2=CH2 Polypropylene - Polyamide Propylene CH2=CH-CH3 Nylon, Nylon6 Polyvinylchloride Amide R O N R' Polystyrene - C R' Polyvinylacetate Styrofoam Vinyl chloride (CH2=CHCl) - Styrene CH2=CH(C6H5) Vinyl acetate O H2C HC O C H 29

2. เรียกตำมโครงสร้ำงของโมเลกลุ พอลิเมอร์ เช่น Ethylene glycol + Dimethyl terephthalate ไดผ้ ลติ ภณั ฑ์เปน็ Poly(ethylene terephthalate) (PET) OO CH3 H2 + OO C OH H2 H2 HO C C COCCO H2 n H3C O Poly(ethylene terephthalate) (PET) O Ethylene glycol Dimethyl terephthalate 3. เรียกตำมระบบ IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) monomer polymer IUPAC name Ethylene CH2=CH2 Polyethylene Polyethene or Poly(methylene) Propylene CH2=CH-CH3 Polypropylene Polypropene Styrene CH2=CH(C6H5) Polystyrene poly(1-phenylethene-1,2-diyl) Vinyl acetate O Polyvinylacetate Poly(1-acetyloxiethylene) H2C HC O C H 30

4.กำรเรียกชื่อแบบอืน่ ๆ 1,3-บิวทะไดอนี 1,2-พอลิ(1,3-บิวทำไดอนี ) ทรำนซ-์ 1,4-พอล(ิ 1,3-บิวทำไดอีน) ซีส-1,4-พอลิ(1,3-บิวทำไดอนี ) ชนิดของโคพอลิเมอร์ คาเชือ่ ม ตัวอย่าง ไม่ระบุ แรนดอม พอลิ(A-โค-B) พอลิ(สไตรนี -โค-เมทิล เมทำคริเลท) บล็อค กรำฟท์ พอล(ิ A-แรน-B) พอลิ(เอทิลีน-แรน-ไวนิลอะซีเตท) พอลิ(A-บลอ็ ค-B) พอลิ(สไตรนี -บลอ็ ค-พอลิบิวทะไดอีน) พอลิ(A-กรำฟท-์ B) พอลิ(ไอโซพรีน-กรำฟท-์ พอลิสไตรนี ) 31

ตวั อย่ำงกำรเรียกชื่อพอลิเมอร์ (กำรบ้ำน) 32

น้าหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ มคี วำมเปน็ ไปไดน้ อ้ ยมำกที่สำยโซ่พอลิเมอร์ที่เรำสังเครำะห์ขน้ึ มำจะมคี วำมยำวเท่ำกันทงั้ หมด ดังน้ัน น้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอรจ์ ึงนยิ มแสดงเปน็ น้ำหนักโมเลกุลเฉลีย่ (average molecular weight) 1. Number average molecular weight (Mn ) คำนวณจำกสมกำร N Mn  NiMi  Total weight Number of polymers i1 N Ni i1 เมือ่ N คือ จำนวนโมเลกุลของพอลิเมอร์ทั้งหมด Ni คือ จำนวนโมเลกลุ ของพอลิเมอร์ทีม่ ีนำ้ หนกั โมเลกลุ เท่ำกับ Mi Mi คือ น้ำหนกั โมเลกลุ ของพอลเิ มอร์ i Example 1: จำกกำรศึกษำตวั อย่ำงพอลิเมอร์ชนิดหนงึ่ พบว่ำ มี 10 โมเลกุล มนี ้ำหนักโมเลกลุ 10,000 มี 5 โมเลกุล มนี ้ำหนักโมเลกลุ 8,000 และ มี 5 โมเลกุล มนี ้ำหนักโมเลกลุ 5,000 จงหำ Mn ของพอ ลิเมอรช์ นิดน้ี 33

2. Weight average molecular weight ( Mw ) คำนวณจำกสมกำร N เมือ่ N คือ จำนวนโมเลกลุ ของพอลิเมอร์ทั้งหมด N i M 2 Ni คือ จำนวนโมเลกุลของพอลิเมอร์ที่มีนำ้ หนักโมเลกลุ เทำ่ กบั Mi i Mi คือ น้ำหนักโมเลกลุ ของพอลเิ มอร์ I Mw  i1 N  NiMi i1 จาก Example 1 จงหำMw ของพอลิเมอรช์ นิดน้ี Polydispersity Index (PDI) คือค่ำทีบ่ ่งบอกถงึ กำรกระจำยตวั ของน้ำหนักโมเลกุลของพอลิ เมอร์ PDI  Mw PDI = 1 monodisperse 34 PDI > 1 polydisperse Mn

Degree of Polymerization (DP) DP คือ จำนวนมอนอเมอร์เฉลีย่ ต่อหนึง่ สำยโซ่โมเลกลุ ของพอลิเมอร์ 1. Number average degree of polymerisation ( DPn ) : DPn = Mn M0 2. Weight average degree of polymerisation ( DPw) : DPw = Mw M0 เมือ่ M0 คือ มวลโมเลกลุ ของมอนอเมอร์ HHHHHHHHHHHH DP = 6 H C C (C C ) C C C C C C C C H HHHHHHHHHHHH 35

การบา้ น จำกกำรศึกษำตัวอย่ำงของพอลิเมอร์ชนิดหนึ่งพบว่ำ มีโมเลกุลที่มีน้ำหนัก 10,000 จำนวน 3 โมเลกุล มีโมเลกุลที่มีน้ำหนัก 20,000 จำนวน 3 โมเลกุล มี โมเลกลุ ที่มีน้ำหนัก 30,000 จำนวน 4 โมเลกุล จงคำนวณหำ 1. Mn 2. Mw 3. PDI 4. DPn 5. DPw 36

3. Z-average molecular weight ( Mz ) N N  Ni N M 3 i M 4 i i Mz  i1 Mz1  i1 N N N  NiMi3 i M 2 i i1 i1 น้ำหนกั โมเลกลุ เฉลี่ย Mz และ Mz1 ไม่เปน็ ทนี่ ิยมใช้มำกนัก 4. Viscosity-average molecular weight (Mv) ได้จำกำรวดั ควำมหนืดของพอลิเมอร์แล้วนำมำ คำนวณหำน้ำหนักโมเลกลุ เฉลี่ย M v  N N i M1a 1/a  i   i1   N  NiMi    i1 เมื่อ a คือ ค่ำคงที่ซ่งึ ขนึ้ อยู่กบั ชนิดของพอลิเมอรแ์ ละชนดิ ของตวั ทำละลำย สำมำรถหำได้จำกกำร ทดลอง โดยท่ัวไปค่ำ a จะอยู่ระหวำ่ ง 0.5 – 0.8 จะเหน็ ว่ำ Mn < Mv < Mw 37

Mn Mv Mw จำนวนโมเล ุกล Mz M z 1 น้ำหนักโมเลกลุ วิธีการหาน้าหนกั โมเลกุลเฉลยี่ ของพอลิเมอร์ Absolute methods : สำมำรถหำนำ้ หนักโมเลกุลโดยไม่ต้องเทียบกบั สำรอ้ำงองิ หรือสำรมำตรฐำน End-group analysis Light scattering measurement Colligative properties measurement Ultracentrifugation Relative methods: ต้องอ้ำงองิ กบั สำรมำตรฐำน Viscosity measurement Gel permeation chromatography 38

http://video.mthai.com/player.php?id=9M1186251149M0 กบนอกกะลำ ตอนยำงรถยนต์ 39