วิชาวิทยาศาสตร์

เคมี

1. นักเรียนสามารถระบุสมบัติทางกายภาพและการใช้ประโยชน์วัสดุประเภท� พอลิเมอร์ เซรามิกส์ และวัสดุผสม โดยใช้หลักฐานเชิงประจักษ์ และสารสนเทศ

2. นักเรียนสามารถบอกวิธีการใช้วัสดุประเภทพอลิเมอร์ เซรามิกส์ และวัสดุผสม � ในชีวิตประจำวันได้อย่างประหยัดและคุ้มค่า

จุดประสงค์การเรียนรู้

แผนผังมโนทัศน์

​

บท พอลิเมอร์

เรื่อง การเกิดพอลิเมอร์และสมบัติของพอลิเมอร์

เรื่อง พลาสติก ยาง และเส้นใย

บท เซรามิกส์

เรื่อง วัตถุดิบและกระบวนการผลิตเซรามิกส์

เรื่อง ตัวอย่างผลิตภัณฑ์จากเซรามิกส์

บท วัสดุผสม

เรื่อง วัสดุผสมและตัวอย่างการใช้ประโยชน์

พอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (polymer) จัดเป็นสารโมเลกุลใหญ่ที่เกิดจากสารโมเลกุลเล็กจำนวนมากมารวมกันโดยกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน (polymerization reaction)

ดังสมการ

ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน

(polymerization reaction)

ประเภทของพอลิเมอร์

1. โฮโมพอลิเมอร์ (homopolymer) �หรือ พอลิเมอร์เอกพันธ์ คือ �พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์�ชนิดเดียวกัน

2. โคพอลิเมอร์ (copolymer) หรือ �พอลิเมอร์ร่วม คือ พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน

​

ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันเกิดจากหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์ (monomer) มารวมตัวกันภายใต้ความร้อน และมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา แบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ

ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเติม

(addition polymerization)

ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น (condensation polymerization)

1. ความเหนียว

2. มีความยืดหยุ่น

3. มีนํ้าหนักเบา

4. ทนทานต่อแรงกระแทก

5. เป็นฉนวนไฟฟ้าและฉนวนความร้อน

6. ทนต่อสารเคมี

คือ พอลิเมอร์ที่นำมาผ่านกระบวนการขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ �เช่น จาน ชาม ถุงใส่อาหาร แบ่งตามสมบัติทางกายภาพที่เกี่ยวกับ�การเปลี่ยนแปลงเมื่อผ่านความร้อนได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้

เป็นพลาสติกที่ไม่สามารถนำกลับมาขึ้นรูปใหม่ได้หรือรีไซเคิลโดยผ่านความร้อนหรือแรงดัน เช่น เบเคอไลต์ เมลามีน พอลิยูรีเทน

คือ พอลิเมอร์ที่มาจากนํ้ายางของต้นยาง ที่ปลูกตามภาคต่าง ๆ โดยเฉพาะภาคใต้ของประเทศไทย รู้จักกันในชื่อ “ยางพารา” หรือ�พอลิไอโซพรีน (polyisoprene) โดยมีมอนอเมอร์ของไอโซพรีนจำนวน 1,500-15,000 หน่วย มารวมตัวกัน มี 2 ชนิด ดังนี้

ยางธรรมชาติ มีสมบัติที่สำคัญคือ มีความยืดหยุ่นสูง มีความต้านทานแรงดึง ทนต่อการขัดถู เป็นฉนวนที่ดีทนนํ้าแต่ไม่ทนต่อนํ้ามันเบนซินและตัวทำละลายอินทรีย์

​

ยางสังเคราะห์ มีคุณสมบัติทนต่อนํ้ามันเบนซินและตัวทำละลายอินทรีย์ได้ดีกว่ายางธรรมชาติ เช่น ยางคลอโรพรีน (ยาง CR) ที่มีธาตุคลอรีน (Cl) เป็นองค์ประกอบในมอนอเมอร์ด้วย

​

กระบวนการวัลคาไนเซชัน (vulcanization) โดยเติมกำมะถัน (S₈) กำมะถันจะเข้าไปสร้างพันธะเคมีเชื่อมขวางระหว่างโครงสร้างสายยาวของยาง ส่งผลให้ยางคงตัวได้ดีที่อุณหภูมิต่าง ๆ ทนแสงและตัวทำละลายต่าง ๆ

​

เส้นใยธรรมชาติ เช่น เส้นใยจากพืชที่เป็นเซลลูโลส เส้นใยโปรตีนจากตัวไหม หรือใยหินจากแร่ธาตุ

​

เส้นใยสังเคราะห์ ส่วนใหญ่ผลิตจากกระบวนการทางเคมีระหว่างมอนอเมอร์ 2 ชนิด หรือจากการนำเส้นใยธรรมชาติมาผสมกับสารเคมีเป็นเส้นใยกึ่งสังเคราะห์อย่างเรยอน ตัวอย่างเส้นใยสังเคราะห์ที่เรามักได้ยินคือ ไนลอน (ไนลอน-6,6)

​

เป็นพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเหมาะสมต่อการดึงยืดและปั่นเป็นเส้นด้าย ซึ่งมีทั้งที่เกิดตามธรรมชาติ หรือจากการสังเคราะห์

เส้นใยฝ้าย

เส้นใยไหม

เส้นใยหิน

เซรามิกส์

เซรามิกส์ (ceramic)

หมายถึง ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากวัตถุดิบในธรรมชาติ เช่น ดิน หิน ทราย และ แร่ธาตุต่าง ๆ นำมาผสมกัน แล้วทำเป็นสิ่งประดิษฐ์ หลังจากนั้นจึงนำไปเผาเพื่อเปลี่ยนเนื้อวัตถุให้แข็งแรง และสามารถคงรูปอยู่ได้

แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ

- วัตถุดิบหลัก เช่น ดินขาว ดินเหนียว แร่เฟลด์สปาร์

แร่ควอรตซ์

- วัตถุดิบที่ช่วยเสริมให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณภาพสูงขึ้น � เช่น แร่โดโลไมต์และสารประกอบออกไซด์บางชนิด

ดิน (clay) เป็นวัตถุที่เกิดขึ้นในธรรมชาติจากการสลายตัวของหินและแร่ องค์ประกอบทางเคมีที่สำคัญ คือ Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O

ควอรตซ์ (quartz) หรือหินเขี้ยวหนุมาน หรือโป่งขาม มีองค์ประกอบหลักคือ ซิลิกา (SiO₂) ส่วนมาก ใสไม่มีสี ถ้ามีสิ่งเจือปน จะทำให้มีสีต่าง ๆ ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างของผลิตภัณฑ์เซรามิกส์ ช่วยให้เกิดความแข็งแรงไม่โค้งงอ ทำให้ผลิตภัณฑ์ทั้งก่อนเผาและหลังเผาหดตัวน้อย

การเตรียมวัตถุดิบ

​

การขึ้นรูปผลิตภัณฑ์

การตกแต่งผลิตภัณฑ์

การทำลวดลายหรือกำจัดส่วนเกินหรือ�การต่อชิ้นส่วนของผลิตภัณฑ์เพิ่มเข้าไป �เช่น ต่อหูถ้วย ควรทำในขณะที่ผลิตภัณฑ์มีความเหนียวอยู่

การเคลือบผิวผลิตภัณฑ์

การเผา

อบแห้งผลิตภัณฑ์ก่อนเผา

เป็นขั้นตอนที่สำคัญ เพื่อขจัดนํ้าออกอย่างรวดเร็วในขณะเดียวกัน ต้องไม่ทำให้เกิดความดันในเนื้อผลิตภัณฑ์ เพื่อไม่ให้เกิดรอยแตก ทำโดยยกไปผึ่งแดดหรือวางใกล้เตาเผาซึ่งเป็นการอบแบบค่อยเป็นค่อยไป

การขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ มีหลายวิธี การจะใช้วิธีใดขึ้นอยู่กับชนิด รูปร่าง คุณภาพ และสมบัติของผลิตภัณฑ์ ที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น

แบ่งตามลักษณะการใช้งานได้ดังนี้

แบ่งตามลักษณะการใช้งานได้ดังนี้

การกำจัดของเสียในอุตสาหกรรมเซรามิกส์

คือ การใช้เครื่องจักรในการบดย่อย ไม่ว่าชิ้นงานจะมีขนาดใหญ่หรือมีความแข็งมากเพียงใด เราก็ยังนำเอากลับมาใช้งานได้ เช่น สุขภัณฑ์ขนาดใหญ่ ลูกถ้วยไฟฟ้าที่มีความแข็งสูงมาก อิฐทนไฟ กระเบื้องปูพื้น แม้แต่กระถางเนื้อดินแดง โดยการนำกลับมาใช้งานสำหรับเติมเป็นเนื้อผลิตภัณฑ์ใหม่ได้ทั้งหมด

วัสดุผสม

วัสดุผสม หรือ วัสดุรวม (composite materials) คือ วัสดุที่ถูกสร้างขึ้นมาจากวัสดุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป ไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ โดยวัสดุผสมจะไม่ละลายซึ่งกันและกัน ประกอบด้วยวัสดุชนิดหนึ่งหรือหลายชนิดกระจายตัวและแทรกตัวอยู่ในเนื้อวัสดุหลัก

เป็นส่วนที่ทำให้วัสดุผสมมีความแข็งแรง มักเป็นส่วนที่ไม่ต่อเนื่อง (discontinuous phase) ซึ่งอาจมีลักษณะเป็นแผ่นอนุภาคเล็ก ๆ หรือเส้นใยก็ได้ วัสดุเสริมแรงที่นิยมใช้ ได้แก่ เส้นใยแก้ว เส้นใยธรรมชาติ หรือเส้นลวดโลหะ

ส่วนเสริมแรง (reinforcement phase �หรือ dispersed phase)

แบ่งตามลักษณะเสริมแรงได้ 3 ลักษณะ

แบ่งตามประเภทของส่วนพื้นหรือส่วนเมตริกซ์

ตัวอย่างวัสดุผสมที่ใช้พอลิเมอร์เป็นส่วนพื้น

ตัวอย่างวัสดุผสมที่ใช้โลหะเป็นส่วนพื้น

การนำเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มาเสริมแรงในวัสดุพื้นของโลหะ

ผสมไทเทเนียมอะลูมิไนด์ เพื่อสร้างเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง เช่น

The National Aerospace plane

ตัวอย่างวัสดุผสมที่ใช้เซรามิกส์เป็นส่วนพื้น