Characterization and analysis of polymers
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 57

บทที่  การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์ (Characterization and Analysis of Polymers) PowerPoint PPT Presentation


  • 460 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

บทที่  การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์ (Characterization and Analysis of Polymers). บทที่  การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์. การวิเคราะห์ลักษณะผิวหน้าของพอลิเมอร์.

Download Presentation

บทที่  การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์ (Characterization and Analysis of Polymers)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์(Characterization and Analysis of Polymers)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การวิเคราะห์ลักษณะผิวหน้าของพอลิเมอร์

การวิเคราะห์ลักษณะผิวหน้าของวัสดุมีความสำคัญและได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการศึกษาเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาสารกึ่งตัวนำอุปกรณ์ไฟฟ้าการเคลือบผิวและพอลิเมอร์พื้นฐานการวิเคราะห์อาศัยการแผ่รังสีจากแหล่งพลังงานสูง (อิเลคตรอนโฟตอนหรือไอออน) ที่ตกกระทบหรือผ่านผิวหน้าของตัวอย่างและเป็นสาเหตุให้เกิดการสะท้อนกลับของพลังงานซึ่งสามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์ได้


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การวิเคราะห์ลักษณะผิวหน้าของพอลิเมอร์ แบ่งได้ 2 ชนิด คือ

  • Scanning Electron Microscopy (SEM)

เทคนิคนี้ใช้ลำอิเลคตรอนสแกนไปบนผิวหน้าของสารตัวอย่างซึ่งทำให้เกิดการกระเจิงของอิเลคตรอน (scattered electron) และเกิดสัญญาณเพื่อใช้ในการสร้างภาพที่สามารถเห็นความลึกของตัวอย่าง SEM มีประโยชน์มากในการศึกษาเกี่ยวกับผิวหน้าของพอลิเมอร์เนื่องจากมีกำลังขยายสูงและเป็นภาพสามมิติ


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การประยุกต์ใช้เทคนิค Scanning Electron Microscopy (SEM)

  • ใช้ศึกษาการกระจายของเม็ดสีที่แขวนลอยอยู่ในสี

  • โครงสร้างของรูพรุนในพอลิเมอร์ประเภทโฟม

  • การพองหรือการแตกออกของวัสดุที่ใช้เคลือบผิว

  • การแยกเฟสในพอลิเมอร์ผสม

  • ลักษณะการแตกของผิวหน้าระหว่างวัสดุและสารที่ใช้ยึดติด


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • Attenuated Total Reflectance Spectroscopy (ATR)

เทคนิคนี้อาจเรียกว่า Internal Reflection Spectroscopy (IRS) ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการวิเคราะห์พื้นผิวของพอลิเมอร์โดยสารตัวอย่างจะถูกนำไปติดกับผลึก ThBr หรือ AgCl ซึ่งเป็นวัสดุที่ยอมให้แสง IR ผ่านได้และมีค่า refractive index มากกว่าพอลิเมอร์โดยลำแสง IR จะถูกโฟกัสไปตกที่ผลึกหรือเพลตตัวอย่าง (sample plate) ดังรูปที่ 5.1หลังจากที่ลำแสงผ่านไปยังผิวของพอลิเมอร์ด้วยความลึกในระดับไมโครเมตรจะเกิดการสะท้อนที่ผิวหน้าและบางส่วนจะถูกดูดกลืน (absorb) ไว้ลำแสงที่สะท้อนจะตรงไปยังสเปกโทรมิเตอร์และถูกแปลงเป็นสัญญาณที่เป็นฟังก์ชันกับความยาวคลื่น


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

Crystal

Critical angle

Reflected beam

Incident beam

Polymer sample

รูปที่ 5.1Attenuated Total Reflectance Spectroscopy (ATR) เกิดการสะท้อนเพียงครั้งเดียว


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การดูดกลืนสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยใช้ internal reflector plate ดังรูปที่ 5.2 ซึ่งสามารถทำให้เกิดการสะท้อนหลายๆครั้งที่ผิวหน้าของตัวอย่างหรือเรียกว่า multiple internal reflection (MIR) จำนวนครั้งของลำแสงที่ตกกระทบและความลึกของการผ่านเข้าไปในผิวของพอลิเมอร์เป็นฟังก์ชันกับ relative refractive index มุมตกกระทบลักษณะของผิวหน้าของตัวอย่างและความยาวคลื่นATR มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการศึกษาพื้นผิวที่ถูกเคลือบการเกิดออกซิเดชันที่ผิวหน้าของตัวอย่างลักษณะการยึดติดของสารประเภทกาวและการศึกษาผิวหน้าของพอลิเมอร์ในด้านอื่น


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

Polymer sample

Reflected beam

Incident beam

Crystal

Polymer sample

รูปที่ 5.2 Attenuated Total Reflectance spectroscopy (ATR) :เกิดการสะท้อนหลายครั้ง : Multiple Internal Reflection (MIR)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การวิเคราะห์สมบัติทางอุณหภูมิของพอลิเมอร์ (Thermal Analysis)

สมบัติทางอุณหภูมิของพอลิเมอร์เช่นอุณหภูมิหลอมเหลวอุณหภูมิกลาสทรานซิชันสามารถศึกษาโดยใช้เทคนิคต่างๆดังนี้

  • Differential Scanning Calorimetry (DSC) และDifferential Thermal Analysis (DTA)

  • Thermogravimetric Analysis (TGA)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • Differential Scanning Calorimetry (DSC) และDifferential Thermal Analysis (DTA)

DTA และ DSC เป็นเทคนิคที่ใช้ศึกษาปริมาณความร้อนและการเปลี่ยนแปลงความร้อนที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิของพอลิเมอร์โดยมีหลักการทำงานเหมือนกันคือสารตัวอย่างและสารอ้างอิงที่เฉื่อยต่อการเกิดปฏิกิริยาบรรจุในถ้วยอะลูมิเนียมขนาดเล็ก (ทองแดงหรือแกรไฟต์ใช้สำหรับการวิเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 800C) จะถูกให้ความร้อนในบรรยากาศไนโตรเจนจากนั้นสมบัติทางความร้อนของตัวอย่างที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิในตัวอย่างจะถูกตรวจวัดและแปรผล


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

Reference

Sample

.

.

Heating element

Heating element

Sample Temperature sensor

Reference Temperature sensor

รูปที่ 5.3ส่วนประกอบหลักของเครื่อง DTA

Block


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ขนาดของตัวอย่างที่ใช้วิเคราะห์อยู่ในช่วง 0.5-1.0 mg ถึงแม้ว่าทั้งสองเทคนิคนี้ให้ข้อมูลที่คล้ายกันแต่มีข้อแตกต่างที่สำคัญคือในเทคนิค DTA สารตัวอย่างและสารอ้างอิงจะถูกให้ความร้อนจากแหล่งพลังงานที่เดียวกันรูปที่ 5.3 และความแตกต่างของอุณหภูมิ (∆T) ระหว่างสารตัวอย่างและสารอ้างอิงจะถูกบันทึกเมื่อเริ่มให้ความร้อนถ้าอุณหภูมิของตัวอย่างต่ำกว่าสารอ้างอิงแสดงว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบดูดความร้อน (endothermic) แต่ถ้าอุณหภูมิของตัวอย่างสูงกว่าสารอ้างอิงแสดงว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบคายความร้อน (exothermic)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

∆T

Sample Thermocouple

Reference Thermocouple

.

.

.

Sample

Reference

Liquid nitrogen

Cooling area

Block

Heating element

Power for heating element

to temperature controller

Temperaturesensor

รูปที่ 5.4ส่วนประกอบหลักของเครื่อง DSC


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

สำหรับเทคนิค DSC สารตัวอย่างและสารอ้างอิงจะถูกให้ความร้อนจากแหล่งพลังงานสองแหล่งที่แยกกัน (รูปที่ 5.4) ค่าพลังงานความร้อน (d∆Q/dt) ที่ใช้ในการรักษาอุณหภูมิของตัวอย่างและสารอ้างอิงให้เท่ากันจะถูกบันทึกไว้

ข้อมูลที่ถูกนำมาพลอตกราฟกับอุณหภูมิคือ∆T (สำหรับ DTA) หรือ d∆Q/dt (สำหรับ DSC) กราฟที่ได้เรียกว่าเทอร์โมแกรม (thermogram)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

รูปที่ 5.5 เทอร์โมแกรมที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วย DSC


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ข้อดีของเทคนิค DSC คือพื้นที่ใต้พีคจะสัมพันธ์โดยตรงกับเอนทาลปี (enthalpy) หรือการเปลี่ยนแปลงความร้อนของตัวอย่างซึ่งมีความสัมพันธ์กับความจุความร้อนความร้อนของการหลอมเหลวหรือเอนทาลปีของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นตัวอย่างของเทอร์โมแกรมที่ได้จาก DSC แสดงดังรูปที่ 5.5


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • Thermogravimetric Analysis (TGA)

TGA เป็นวิธีเบื้องต้นในการวิเคราะห์ความเสถียรของพอลิเมอร์เมื่อได้รับความร้อนโดยใช้พื้นฐานการวัดน้ำหนักอย่างต่อเนื่องด้วยเครื่องชั่งที่มีความไวสูง (thermobalance) ในระหว่างการวิเคราะห์อุณหภูมิของตัวอย่างซึ่งอยู่ในบรรยากาศปกติหรือก๊าซเฉื่อยจะถูกทำให้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องการสูญเสียน้ำหนักในช่วงแรกของการวิเคราะห์หรือที่อุณหภูมิต่ำอาจเกิดจากการระเหยของน้ำหรือตัวทำละลายแต่ที่อุณหภูมิสูงมักเกิดจากการสลายตัวของพอลิเมอร์เทคนิคนี้ยังมีประโยชน์มากในการวิเคราะห์หาสารที่ระเหยหรือสารเติมแต่งที่ใส่ลงไปในพอลิเมอร์อีกด้วย


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

Weihht (%)

รูปที่ 5.6เทอร์โมแกรมที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วย TGA


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การทดสอบสมบัติเชิงกล (Mechanical Tests)

โดยทั่วไปพบว่าเราไม่สามารถทำนายสมบัติเชิงกล (mechanical properties) ของพอลิเมอร์โดยอาศัยความรู้จากโครงสร้างพื้นฐานทางเคมีได้อย่างแม่นยำเช่นความแข็งแรง (strength) ที่แท้จริงของพอลิเมอร์อาจมีค่าเพียง 0.1-0.01 เท่าของค่าที่ได้จากการคำนวณโดยใช้ความรู้พื้นฐานจากความแข็งแรงของพันธะและแรงระหว่างโมเลกุลเพราะฉะนั้นในปัจจุบันการทดสอบสมบัติเชิงกลจึงเป็นวิธีที่ดีที่จะศึกษาถึงสมบัติและความเป็นไปได้ในการนำเอาพอลิเมอร์ไปใช้งาน


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

แรง

(F)

ความเค้น =

(A)

พื้นที่หน้าตัด

  • ความทนต่อแรงดึง (Tensile Strength)

ความทนต่อแรงดึงของพอลิเมอร์สามารถทดสอบจากลักษณะการยืดออกของตัวอย่างเมื่อได้รับแรงดึงจากภายนอกโดยอาศัยเทอม 2 เทอมที่สัมพันธ์กันคือความเค้น (stress : ) และความเครียด (strain : ) ความเค้นคือแรงที่ใช้ในการดึงหรือยืดตัวอย่างต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่หน้าตัด


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

L

ความยาวเดิมที่เปลี่ยนไป

=

ความเครียด =

ความยาวเดิม

L

ความเค้น

โมดูลัส (Modulus) =

=

ควมเครียด

ความเครียด () คืออัตราส่วนระหว่างความยาวที่เปลี่ยนไปของตัวอย่างเมื่อได้รับแรงดึงต่อความยาวเริ่มต้น

เนื่องจากพฤติกรรมความเค้นและความเครียดของวัสดุเป็นลักษณะที่ขึ้นกับเวลาอัตราเร็วที่ความเค้นหรือแรงถูกให้กับตัวอย่างจึงมีผลต่อการยืดของตัวอย่างหรือความเครียดเป็นอย่างมาก


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ที่จับตัวอย่าง

Force

Force

เช่นเมื่อนำตัวอย่างประเภทเส้นใยมาทดสอบโดยใช้แรงดึงอย่างรวดเร็วจนทำให้เส้นใยขาดออกโดยง่ายแต่เมื่อใช้แรงขนาดเดิมแต่ดึงอย่างช้าๆจะทำให้เส้นใยยืดออกและทนต่อแรงดึงอยู่ได้นานก่อนที่จะขาดในทางปฏิบัติทั่วไปการทดสอบความเค้นและความเครียดของพอลิเมอร์มักใช้ตัวอย่างรูปร่างดังแสดงไว้ข้างล่าง

รูปที่ 5.7รูปร่างตัวอย่างของพอลิเมอร์ที่ใช้ทดสอบความเค้นและความเครียด


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ปลายของตัวอย่างถูกยึดด้วยที่จับและจะถูกดึงให้ยืดออกด้วยแรงที่รู้ขนาดแน่นอนจากนั้นจึงนำข้อมูลไปพลอตกราฟระหว่างความเค้นและความเครียด (stress-strain curve)

นอกจากความเค้นและความเครียดแล้วยังมีเทอมที่แสดงสมบัติเชิงกลประเภทอื่นของพอลิเมอร์อีกเช่น modulus หรือ stiffness ซึ่งแสดงโดยค่าอัตราส่วนระหว่างความเค้นและความเครียด (หรือความชันในช่วงแรกของเส้นกราฟ) และ toughness ซึ่งแสดงความต้านทานต่อการขาด


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

Break point

Elongation at break

Ultimate strength

Yield point

Stress

Strain (elongation)

เมื่อนำข้อมูลไปพลอตกราฟระหว่างความเค้นและความเครียด (stress-strain curve) จะได้กราฟที่ได้มีลักษณะดังรูปที่ 5.8

รูปที่ 5.8กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น- ความเครียด


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

(a) Soft and weak

(b) Soft and tough

(e) Hard and tough

(d) Hard and strong

(c) Hard and brittle

Stress

Strain

รูปที่ 5.9กราฟการทดสอบความทนต่อแรงดึงของพอลิเมอร์ที่มีสมบัติต่างๆกัน


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

Polymer Tensile Strength (psi)

ข้อมูลสำคัญที่ได้จากกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียด คือค่าความทนต่อแรงดึงณจุดขาด (tensile strength at break) ซึ่งค่านี้สำหรับพอลิเมอร์ทั่วไปที่พบในชีวิตประจำวันสรุปไว้ในตารางที่ 5.1

Polyethylene (low to medium density) 1,000-2,400 Poly(tetrafluoroethylene) 3,500

Polyethylene (high density) 4,400

Poly(dimethylsiloxane)5,000 Polypropylene5,000 Poly(vinylidene chloride)8,000


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ABS terpolymer8,500 Polyamide 9,000-12,000 Polycarbonate9,500 Polyesters (cast) ~10,000 Polysulfone 10,200-12,000 Poly(phenylene oxide) 10,500 Epoxyresin Cast 12,000 Molded 16,000 Glass-filled nylon 31,000 Fabric-reinforced epoxy resin 60,000-85,000

Polymer Tensile Strength (psi)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • ความต้านทานต่อแรงกระแทก (Impact Resistance)

ความต้านทานต่อแรงกระแทกมักจะสัมพันธ์กับค่า toughness พอลิเมอร์ที่มีแนวโน้มจะแตกง่ายเมื่อได้รับแรงกระแทกมักไม่ค่อยมีประโยชน์ในการนำไปประยุกต์ใช้ตัวอย่างเช่นพอลิเมอร์ที่อยู่ในสถานะคล้ายแก้ว (glassy state) หรืออยู่ในช่วงอุณหภูมิต่ำที่กว่าค่า Tg

การทดสอบโดยทั่วไปมี 2 วิธีคือ

  • การเหวี่ยงลูกตุ้ม (pendulum) จากความสูงต่างๆให้กระแทกตัวอย่างพอลิเมอร์

  • การปล่อยก้อนน้ำหนักจากระดับความสูงต่างๆให้ตกลงมากระแทกตัวอย่าง


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ho

hf

ตัวอย่างพอลิเมอร์

แสดงค่าพลังงานที่ถูกดูดซับ (absorbed energy)

การปล่อยก้อนน้ำหนักจากระดับความสูงต่างๆให้ตกลงมากระแทกตัวอย่างโดยเพิ่มน้ำหนักหรือแรงกระแทกจนตัวอย่างพอลิเมอร์แตกข้อมูลที่ได้จากการทดสอบนี้สามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบค่า toughness โดยต้องคำนึงถึงขนาดและความหนาของตัวอย่างด้วย

รูปที่ 5.10ลักษณะของตัวอย่างและวิธีการทดสอบความทนต่อแรงกระแทก


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

3FL

Flexural strength =

2wh2

  • การทดสอบการโค้งงอของพอลิเมอร์ (Bend Test)

ความสามารถของวัสดุที่จะสามารถทนต่อแรงที่ทำให้ตัวอย่างโค้งงอโดยไม่เกิดการแตกหรือเสียรูปของตัวอย่างเมื่อหยุดให้แรงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับพอลิเมอร์ที่ถูกนำไปใช้งานบางประเภทเช่นยางล้อรถล้อเฟืองโครงสร้างของยานยนต์เรือและเครื่องบินเป็นต้น

และค่า flexural strength สามารถหาได้จากสมการ

เมื่อ F = น้ำหนักที่ทำให้เกิดการแตกของพอลิเมอร์ L= ระยะห่างระหว่างตำแหน่งของวัสดุที่รองรับตัวอย่าง W= ความกว้างของตัวอย่างและ h = ความสูงของตัวอย่าง


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

F

F

W

h

L

L3F

(a)

(b)

Flexural modulus =

4wh3

โมดูลัสของความยืดหยุ่น (modulus of elasticity) ในการทำให้ตัวอย่างโค้งงอสามารถคำนวณได้จากสมการ

รูปที่ 5.11 การทดสอบการโค้งงอของพอลิเมอร์ (bend test) (a) ตัวอย่างก่อนใช้แรงกดให้โค้งงอ (b) ค่าเมื่อตัวอย่างเกิดการโค้งงอ


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • ความแข็งและความต้านทานการขัดถู (Hardness and Abrasion Resistance)

สมบัติความแข็งความต้านทานการขัดถูความต้านทานต่อรอยขีดข่วนของวัสดุทั่วไปมีความเกี่ยวข้องกันแต่ไม่จำเป็นต้องมีความแปรผันโดยตรงต่อกัน

  • การทดสอบความแข็งทำโดยใช้แท่งโลหะปลายมน (indentor) กดลงที่ผิวหน้าของตัวอย่างด้วยแรงคงที่แล้วปล่อยจากนั้นวัดรอยลึกที่เกิดจากการกดและการคืนตัวของตัวอย่าง


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ความต้านทานการขัดถูและการขีดข่วนสามารถวัดได้จากความสามารถของพอลิเมอร์ที่จะคงลักษณะผิวหน้าที่เรียบไว้ได้เมื่อถูกขัดถูกับวัสดุชนิดอื่น

  • วิธีการทดสอบทำโดยใช้กระดาษทรายหรือดินสอที่มีแกนทำด้วยวัสดุที่มีค่าความแข็งต่างกันลากผ่านผิวหน้าของวัสดุด้วยแรงคงที่แล้ววัดน้ำหนักที่หายไปของตัวอย่างหลังการทดสอบ

พอลิเมอร์ที่มักถูกทดสอบความสามารถความต้านทานการขัดถูได้แก่ประเภทที่นำมาทำเป็นเฟืองบานพับยางรถยนต์พื้นรองเท้า


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การวิเคราะห์น้ำหนักโมเลกุล (Measurement of Molecular Weight)

น้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์สามารถวิเคราะห์ได้จากหมู่ฟังก์ชันของพอลิเมอร์โดยวิธีทางกายภาพหรือทางเคมีการวัดสมบัติคอลลิเกตีฟหรือการวัดความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์ที่เจือจาง


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การวิเคราะห์น้ำหนักโมเลกุล (Measurement of Molecular Weight) แบ่งได้เป็น 4 ประเภท คือ

  • การวิเคราะห์หมู่ฟังก์ชันที่ปลายโมเลกุลของพอลิเมอร์ (End-Group Analysis)

  • การวิเคราะห์สมบัติคอลิเกตีฟ (Colligative Property Measurement)

  • ความหนืดและขนาดโมเลกุลของพอลิเมอร์ (Solution Viscosity and Molecular Size)

  • เจลเพอร์มีเอชันโครมาโตกราฟี (Gel Permeation Chromatography)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

การวิเคราะห์หมู่ฟังก์ชันที่ปลายสายโซ่โมเลกุลจะต้องรู้ว่าในพอลิเมอร์หนึ่งโมเลกุลมีหมู่ฟังก์ชันที่สามารถวิเคราะห์ได้กี่หมู่เนื่องจากการวิเคราะห์ทำโดยหาจำนวนหมู่ฟังก์ชันต่อน้ำหนักของตัวอย่างพอลิเมอร์น้ำหนักโมเลกุลที่วัดได้จึงอยู่ในรูปน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยตามจำนวน (Mn ) ซึ่งวิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับตัวอย่างที่มีมวลโมเลกุลสูงมากๆเพราะจำนวนหมู่ฟังก์ชันที่ปลายสายโซ่จะมีน้อยเกินไปและทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการวิเคราะห์

  • การวิเคราะห์หมู่ฟังก์ชันที่ปลายโมเลกุลของพอลิเมอร์ (End-Group Analysis)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

เทคนิคนี้แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทตามลักษณะของหมู่ฟังก์ชันคือ

  • พอลิเมอร์ที่เตรียมจากปฏิกิริยาควบแน่น

การวิเคราะห์ทางเคมีของหมู่ฟังก์ชันที่ปลายสายโซ่โมเลกุลเช่นหมู่คาร์บอกซิลในพอลิเอสเทอร์และพอลิเอไมด์สามารถวิเคราะห์โดยไทเทรตกับเบสโดยใช้แอลกอฮอล์หรือฟีนอลเป็นตัวทำละลายขณะที่หมู่อะมิโนในพอลิเอไมด์วิเคราะห์ได้โดยการไทเทรตกับกรดส่วนหมู่ไฮดรอกซิลวิเคราะห์โดยการไทเทรตหรือเทคนิค Infrared spectroscopy วิธีทางเคมีเหล่านี้มีขีดจำกัดอยู่ที่ความสามารถในการละลายของพอลิเมอร์ในตัวทำละลายที่เหมาะสมสำหรับการไทเทรต


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • พอลิเมอร์ที่เตรียมจากปฏิกิริยาแบบลูกโซ่

การวิเคราะห์พอลิเมอร์ประเภทนี้มีหลากหลายเทคนิคขึ้นกับกลไกในการเกิดพอลิเมอร์ตัวริเริ่มปฏิกิริยาและลักษณะที่ปลายของโมเลกุลพอลิเมอร์

เช่นวิเคราะห์หาหมู่ฟังก์ชันหรืออะตอมซึ่งเป็นส่วนของตัวริเริ่มที่ติดอยู่ที่ปลายโมเลกุลของพอลิเมอร์สำหรับหมู่ปลายสายโซ่ที่ไม่อิ่มตัวซึ่งเกิดขึ้นจากการย้ายโซ่ในพอลิเอธิลีนที่เป็นเส้นตรงและพอลิ--โอลิฟินส์สามารถวิเคราะห์ได้โดยเทคนิค Infrared spectroscopy


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • การวิเคราะห์สมบัติคอลิเกตีฟ (Colligative Property Measurement)

ความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติคอลลิเกตีฟและความเข้มข้นของสารละลายพอลิเมอร์ที่เจือจางสามารถนำมาวิเคราะห์น้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ได้สมบัติคอลลิเกตีฟได้แก่การลดลงของความดันไอ (vapor-pressure lowering) การเพิ่มขึ้นของจุดเดือด (boiling-point elevation) การลดต่ำลงของจุดเยือกแข็ง (freezing-point depression) และความดันออสโมติก (osmotic pressure)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

1

RT2

 Tb

lim

=

c

c

0

Mn

Hv

1

RT2

 Tf

lim

=

c

c

0

Mn

Hf

RT2

lim

=

c

c

0

Mn

สมการที่ใช้ในการวิเคราะห์ได้แก่


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

เมื่อTbTfและคือจุดเดือดที่เพิ่มขึ้นจุดเยือกแข็งที่ลดลงและความดันออสโมติกตามลำดับ

คือความหนาแน่นของตัวทำละลาย

HvและHfคือเอนทาลปีของการกลายเป็นไอ (vaporization) และของการหลอมเหลว (fusion) ของตัวทำละลายต่อกรัม

cคือความเข้มข้นของตัวถูกละลายในหน่วยกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตรและคือน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยตามจำนวน (number- average molecular weight)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

สมบัติคอลลิเกตีฟค่า

ความดันไอต่ำลง4 x 10-3mmHg

จุดเดือดสูงขึ้น1.3 x 10-3 oC

จุดเยือกแข็งลดลง2.5 x 10-3 oC

ความดันออสโมติก15 cm solvent

ตัวอย่างสมบัติคอลลิเกตีฟของสารละลายพอลิเมอร์แสดงในตาราง

ตารางที่ 5.2สมบัติคอลลิเกตีฟของสารละลายพอลิสไตรีน (M = 20,000) ความเข้มข้น 0.01 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตรในตัวทำละลายเบนซีน


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • ความหนืดและขนาดโมเลกุลของพอลิเมอร์ (Solution Viscosity and Molecular Size)

ความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์มีความสัมพันธ์กับขนาดโมเลกุลและสามารถนำมาใช้วิเคราะห์หาน้ำหนักโมเลกุลได้

วิธีการทดลองการวัดความหนืดทำโดยการเปรียบเทียบระหว่างช่วงเวลาในการไหลผ่านหลอดแคปิลลารีของสารละลาย (effux time; t) และของตัวทำละลาย (to) จากค่า t to และความเข้มข้นของสารละลายสามารถคำนวณหาความหนืดได้โดยใช้สมการในตารางที่ 5.3 เมื่อ c เป็นความเข้มข้นในหน่วย g / dL หรือ g / 100 mL


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ความหนืดชื่อเรียกอื่นสัญลักษณ์และสมการ

Relative viscosity Viscosity ratio r =  / o t / t0

Specific viscosity - sp = r – 1 = ( - 0)/ 0 (t – t0)/ t0

Reduced viscosity Viscosity number red = sp/c

Inherent viscosity Logarithmic viscosity number inh = (ln r)/c

Intrinsic viscosity   Limiting viscosity number [] = (sp/c)c=0 = [(ln r)/c]c=0[] = KMvaMark-Houwink Equation

ตารางที่ 5.3 การคำนวณหาความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์ (Kและ a เป็นค่าคงที่)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ค่า [] ได้จากการลากเส้นกราฟไปที่ c = 0 ตามความสันพันธ์ในสมการเมื่อ kและ k เป็นค่าคงที่

(sp/c) = [] + k []2c

(ln red/c) = [] + k []2c

ค่า Intrinsic viscosity [] ไม่แปรผันตามความเข้มข้นเนื่องจากเป็นค่าที่ได้จากการลากเส้นกราฟไปตัดที่แกนความเข้มข้นเป็นศูนย์ (c = 0) แต่จะขึ้นกับตัวทำละลายที่ใช้อาจใช้ Inherent viscosity ที่ความเข้มข้น 0.5 g/dl แทนค่า[] โดยประมาณได้


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

a

b

อุปกรณ์วัดความหนืดที่มีลักษณะเป็นแคปิลลารี (capillary viscometer) ชนิด Ostwald-Fenske หรือ Ubbelohde รูปที่ 5.12

รูปที่ 5.12 อุปกรณ์วัดความหนืด (viscometer) (a) Ostwald-Fenske และ (b) Ubbelohde


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

เพื่อให้การวิเคราะห์มีความถูกต้องสูงควรคำนึงถึงข้อควรระวังต่อไปนี้

  • ระหว่างการวิเคราะห์ควรควบคุมอุณหภูมิให้คงที่อย่างน้อย+ 0.02 oC

  • ค่า effux time ไม่ควรต่ำจนเกินไป (โดยทั่วไปมักควบคุมให้สูงกว่า 100 วินาที)

  • ควรควบคุมความเข้มข้นของสารละลายให้มีค่าความหนืดอยู่ระหว่าง 1.1 และ 1.5 เพื่อความถูกต้องในการหาความหนืดโดยการลากเส้นกราฟไปตัดแกนความเข้มข้น c = 0


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

  • เจลเพอร์มีเอชันโครมาโตกราฟี (Gel Permeation Chromatography)

เป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างกว้างขวางเพื่อศึกษาการกระจายของน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์หรืออาจเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า size exclusion chromatography เป็นวิธีการแยกโดยอาศัยขนาดโมเลกุลของพอลิเมอร์การแยกเกิดขึ้นในคอลัมน์โครมาโตกราฟีที่บรรจุเม็ด (bead) ของแข็งที่มีรูพรุนหรือเจล (gel) โดยทั่วไปมักใช้เม็ดพอลิสไตรีนที่ผ่านการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลและมีรูพรุนหรือแก้วที่เป็นรูพรุน


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ตัวอย่างของสารละลายพอลิเมอร์เจือจางจะถูกใส่ลงไปในคอลัมน์และชะด้วยกระแสของตัวทำละลายโมเลกุลพอลิเมอร์จะผ่านเม็ดรูพรุนและสามารถแพร่เข้าไปในรูซึ่งลักษณะการแพร่นี้ขึ้นกับขนาดโมเลกุลของพอลิเมอร์และขนาดของรูพรุนโมเลกุลขนาดต่างๆจะถูกชะออกมาจากคอลัมน์ตามลำดับขนาดโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ไม่สามารถแพร่เข้าไปในรูพรุนได้จะผ่านคอลัมน์ออกมาก่อนเป็นอันดับแรกส่วนโมเลกุลขนาดเล็กจะติดอยู่ในรูพรุนของเจลและใช้เวลาอยู่ในคอลัมน์นานกว่าและถูกชะออกมาภายหลัง


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

แบบฝึกหัด


Characterization and analysis of polymers

r

c (g/100ml)

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

1.170

0.275

ตอนที่ 1คำนวณหาน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์เมธิลเมธาอะไครเลตตัวอย่างจากข้อมูลความหนืดของสารละลายพอลิเมอร์ในอะซีโตนที่ 30oC กำหนด [] = 5.83 × 10-5(Mv0.72)

1.215

0.344

1.629

0.896

1.892

1.199


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

(a) size exclusion chromatography (b)วัดค่า modulus ของพอลิเมอร์(c)วิเคราะห์ค่า Tg (d)เทอร์โมแกรมระหว่างการเปลี่ยนแปลงความร้อนและอุณหภูมิ(e)เทอร์โมแกรมระหว่างน้ำหนักและอุณหภูมิ(f) elongation at break (g) flexural strength (h)วิเคราะห์ขนาดหรือน้ำหนักโมเลกุล(i)อัตราการไหลของสารตัวอย่างในแคปิลลารี(j)ใช้วิเคราะห์ผิวหน้าของพอลิเมอร์(k) stress-strain curve (l)ไม่สามารถวิเคราะห์พอลิเมอร์ที่มีการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลอย่างหนาแน่น

1) DSC 2) GPC 3) Tensile test 4) TGA 5) Bend test 6) Solution viscosity 7) SEM

ตอนที่ 2เลือกข้อความทางด้านซ้ายมือที่มีความสัมพันธ์กับเทคนิคการวิเคราะห์พอลิเมอร์ที่กำหนดให้


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

เฉลยแบบฝึกหัด


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

red (dL/g)

sp

inh (dL/g)

ln r

0.170

0.618

0.157

0.571

0.215

0.625

0.195

0.567

0.629

0.702

0.488

0.545

0.892

0.744

0.638

0.532

ตอนที่ 1

1). คำนวณหาน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์เมธิลเมธาอะไครเลตในอะซีโตนที่ 30oC จากข้อมูลที่โจทย์กำหนดให้นำมาคำนวณค่าความหนืดได้ดังตาราง


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

พลอตกราฟระหว่างredหรือinhและความเข้มข้นจากนั้นลากเส้นกราฟต่อไปตัดที่ความเข้มข้นเท่ากับศูนย์จะได้ค่า Intrinsic viscosity, [] = 0.580 dL/g

red

inh

redและinh (dL/g)

พอลิเมอร์เมธิลเมธาอะไครเลตในอะซีโตนที่ 30oC


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

กำหนด [] = 5.83 × 10-5(Mv0.72)


Characterization and analysis of polymers

บทที่ การศึกษาลักษณะและการวิเคราะห์พอลิเมอร์

ตอนที่ 2

1) c, d 2) a, h3) b, f, k4) e5) g6) i, l7) j

HOME


  • Login