1 / 36

เคมีอินทรีย์ 1202-111 พอลิเมอร์ (Polymer)

เคมีอินทรีย์ 1202-111 พอลิเมอร์ (Polymer). ดร.วันชาติ ปรีชาติวงศ์ สำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์และทรัพยากร อาคารวิชาการ 4 ห้อง 146 โทร 2308 : wanchart@yahoo.com Reference: F.W. Billmeyer, Jr., “Textbook of Polymer Science”, Wiley, Singapore, 1984. พอลิเมอร์ (Polymer).

chung
Download Presentation

เคมีอินทรีย์ 1202-111 พอลิเมอร์ (Polymer)

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. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. เคมีอินทรีย์ 1202-111 พอลิเมอร์ (Polymer) ดร.วันชาติ ปรีชาติวงศ์ สำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์และทรัพยากร อาคารวิชาการ 4 ห้อง 146 โทร 2308 : wanchart@yahoo.com Reference: F.W. Billmeyer, Jr., “Textbook of Polymer Science”, Wiley, Singapore, 1984

  2. พอลิเมอร์ (Polymer) • บทนำ พอลิเมอไรเซชั่น • สัณฐานวิทยา เกณฑ์การจำแนกพอลิเมอร์ • พลาสติก • ยางธรรมชาติและการวัลคาไนซ์ • ยางสังเคราะห์ชนิดต่าง ๆ

  3. พอลิเมอร์ คืออะไร??? • Polymer = Poly (หลาย) + meros (ส่วน) • เกิดจากโมโนเมอร์ (monomer) ซึ่งเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ มาต่อโยงกันโดยพันธะเคมี • เรียกโครงสร้างที่ซ้ำ ๆ กันว่า Repeating Units • เรียกกระบวนการที่โมโนเมอร์มาต่อกันว่า พอลิเมอไรเซชั่น (Polymerization)

  4. Plastics Thermoplastics Thermosetting Elastomers or Rubber Fibers Adhesives Coatings ชนิดของพอลิเมอร์

  5. การเรียกชื่อ เรียกโดยเติม “Poly” นำหน้าชื่อของโมโนเมอร์ที่ใช้เตรียม MonomerPolymer ethylene CH2=CH2 Polyethylene propylene CH2=CH(CH3) Polypropylene vinyl chloride CH2=CHCl Polyvinyl chloride styrene CH2=CH(C6H5) Polystyrene tetrafluoroethylene CF2=CF2 Polytetrafluoroethylene

  6. การเรียกชื่อ (ต่อ) MonomerPolymer methyl methacrylate CH2=C(CH3)(COOCH3) PMMA caprolactam NH2(CH2)5COOH Polycaprolactam

  7. Polymerization Polymerization เป็นปฏิกิริยาการเตรียมพอลิเมอร์ โดยทำให้โมโนเมอร์ มาต่อเรียงกันโดยพันธะเคมี (พันธะโคเวเลนต์) • ปฏิกิริยาควบแน่น (Condensation) หรือ Step-reaction: มีโมเลกุลเล็ก ๆ ออกมา และปฏิกิริยาเกิดเป็นขั้นๆ • ปฏิกิริยาการเติม (Addition) หรือ Chain-reaction: ไม่มีการสูญเสียโมเลกุลเล็ก ๆ และปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่

  8. Condensation Polymerization (แบบควบแน่น) • Step-reaction Polymerizationเพราะปฏิกิริยาเกิดเป็นขั้น ๆ Pi + Pj ----> P i+j • โมเลกุลที่เข้าทำปฏิกิริยาไม่จำเป็นต้องเป็นโมโนเมอร์ อาจจะเป็นโมเลกุลที่มีจำนวนโมโนเมอร์อยู่หลายตัว • มีโมเลกุลเล็ก ๆ เป็น by-product ออกจากปฏิกิริยา • สูตรโครงสร้างของ repeating unit ต่างจาก monomer • โมโนเมอร์เป็น bifunctional (มีหมู่ฟังก์ชัน 2 หมู่)

  9. Polyesterเกิดจาก diol + dibasic acid n HO-R-OH + n HOOC-R’-COOH --> H(O-R-OCO-R’-CO-)nOH + (2n-1)H2O Polyamideเกิดจาก diamine + dibasic acid หรือ monomer ที่มี amine และ carboxyl group อยู่ในโมเลกุลเดียวกัน 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) H2O

  10. Addition Polymerization (แบบเติม) • Chain-reaction Polymerization เพราะปฏิกิริยาเกิดอย่างต่อเนื่อง • เป็นปฏิกิริยาการเติม โดยที่ไม่มีการสูญเสียโมเลกุลเล็ก ๆ Pn* + M ------> Pn+1* (M = monomer, Pn* = polymer chain with reactive site (*) and degree of polymerization of n) • Reactive Site โดยทั่วไปคือ พันธะไม่อิ่มตัว เช่น พันธะคู่ • เรียกโมโนเมอร์ที่มีพันธะคู่ว่า vinyl monomer

  11. ขั้นตอนย่อยของ Addition 1. Initiation: Initiator จะให้ free radical ออกมา เช่น peroxide แตกตัวเป็น 2 free radicals และจะเข้าทำปฏิกิริยากับโมโนเมอร์ I ---> 2R. R. + CH2=CHX ---> RCH2-CHX . 2. Propagation: chain radical ที่เกิดจะเติมโมโนเมอร์ตัวถัดไป R(CH2-CHX)n CH2-CHX .+ CH2=CHX ---> R(CH2-CHX)n+1 CH2-CHX .

  12. ขั้นตอนย่อยของ Addition (ต่อ) 3. Termination: เป็นการสิ้นสุดของ polymerization 3.1 Combinationหรือ Coupling เป็นการรวมของ free radicals และได้ 1 โมเลกุลของพอลิเมอร์ -CH2CHX. + .XHCCH2- ----> -CH2CHX-XHCCH2- 3.2 Disproportionationมีการให้ H.กับอีก free radical ได้ 2 โมเลกุลของพอลิเมอร์ (โมเลกุลหนึ่งมีพันธะคู่) -CH2CHX. + .XHCCH2- ----> -CH2CH2X + XHC=CH-

  13. ชนิดของ Initiator

  14. Polymerization - น้ำหนักโมเลกุล (MW) • เมื่อ Polymerization ดำเนินไป น้ำหนักโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น • น้ำหนักโมเลกุลมีผลต่อสถานะ เช่น Polyethylene (CH2-CH2)nจาก ethylene ethylene (CH2=CH2) -> hexane (C6H14) -> Polyethylene H(CH2)nH (ก๊าซ -> ของเหลว -> ของแข็ง )

  15. Polymer - Oligomer Polymer • n ต้องมีค่ามากพอที่ทำให้สมบัติ (เช่น จุดหลอมเหลว) ของ polymer ไม่เปลี่ยนเมื่อมีการเติมโมโนเมอร์ไปอีกตัว Tm (n) = Tm (n+1) Oligomer - โมเลกุลที่มีน้ำหนักโมเลกุลไม่มากนัก ==> สมบัติเปลี่ยนเมื่อมีการเติมโมโนเมอร์อีกตัว

  16. สัณฐานวิทยา (Morphology) • ผลึก (Crystalline): มีการเรียงตัวเป็นระเบียบ (ความหนาแน่นสูง) ==> ไม่โปร่งแสง • อสัณฐาน (Amorphous): ไม่มีการจัดเรียงตัวและมีช่องว่างระหว่างโซ่สูง (ความหนาแน่นต่ำ) มีรูปร่างที่เรียกว่า “random coil” ==> โปร่งแสง (ถุงร้อนจะขุ่นกว่าถุงเย็น เพราะเป็นชนิดที่มีความเป็นผลึกสูง)

  17. Folded Chains (a) sharp fold (b) switchboard (c) loose loops with adjacent entry, (d) combination of (a-c) Fringed Micelle

  18. Crystalline - Amorphous • พอลิเมอร์ทุกตัวจะต้องมีส่วนอสัณฐานโดยที่อาจจะมีส่วนที่เป็นผลึกหรือไม่ก็ได้ ขึ้นอยู่กับความสามารถในการจัดเรียงตัวของโซ่ พอลิเมอร์ • พอลิเมอร์ที่เป็นอสัณฐานทั้งหมด เรียก “พอลิเมอร์อสัณฐาน” (Amorphous Polymer) • พอลิเมอร์ที่มีทั้งผลึกและอสัณฐานเรียกพอลิเมอร์กึ่งผลึก (Semi-crystalline Polymer) • โดยทั่วไปพอลิเมอร์จะไม่เป็น 100% crystalline ยกเว้นเตรียมจากการตกผลึกเดี่ยว (Single Crystal)

  19. Morphology ของ Fibers

  20. Thermal Transitions การเปลี่ยนแปลงสถานะเมื่อได้รับความร้อน • Melting Temperature (Tm) หรือ จุดหลอมเหลว ผลึก -> ของเหลว • Glass Transition Temperature (Tg) อสัณฐาน -> ของเหลว Tm > Tg

  21. เกณฑ์การจำแนกพอลิเมอร์เกณฑ์การจำแนกพอลิเมอร์ • มีการจำแนกพอลิเมอร์ ได้หลายชนิดตามการใช้งาน (1) Plastic Tg > 25 oC (amorphous) Tm > 25 oC (semi-crystalline) (2) Rubber Tg < 25 oC (amorphous) Tm < 25 oC (semi-crystalline) (3) Fiber (ผ่านกระบวนการดึง) (4) Adhesive และ Coating materials

  22. ตัวอย่างค่า Tgและ Tmของพอลิเมอร์ ชนิด TgTm Polydimethylsiloxane -127 -40 rubber Polyisoprene -73 28*rubber Poly(ethylene oxide) -41 66 plastic Polyethylene -36 137 plastic Polypropylene -3 176 plastic PET 61 270 plastic Polystyrene 100 250 plastic * เป็นการตกผลึกภายใต้การดึง (ไม่ใช่ Tmปกติ)

  23. เกณฑ์การจำแนกพอลิเมอร์ (ต่อ) การเปลี่ยนรูปเมื่อได้รับความร้อน • Thermoplasticสามารถขึ้นรูปใหม่เมื่อ T > Tmเป็นพลาสติกที่สามารถ recycle ได้ เช่น ขวดน้ำ ซึ่งจะมีสัญลักษณ์ recycle และรหัสของชนิดของพลาสติก • Thermosetไม่อาจขึ้นรูปใหม่ได้ เพราะเกิดการ crosslink เป็นโครงสร้าง 3 มิติเช่น กาวอีปอกซี ยาง เมลามีน

  24. เกณฑ์การจำแนกพอลิเมอร์ (ต่อ) การ polymerization • Addition เช่น PE, PP, PS, PVC, PMMA, PTFE (Teflon) • Condensation เช่น PET, Polyamide (Nylon)

  25. เกณฑ์การจำแนกพอลิเมอร์ (ต่อ) จำนวนชนิดของโมโนเมอร์ • Homopolymer ใช้โมโนเมอร์ชนิดเดียว • Copolymerประกอบด้วยโมโนเมอร์อย่างน้อย 2 ชนิด • random ABAABABBABBAA • alternating ABABABABAB • block AAAAAABBBBBB • graft AAAAAAAAAA B B

  26. Plastics • เป็นพอลิเมอร์ที่มี Tgสูงกว่าอุณหภูมิห้อง จึงมีสภาพแข็ง • พลาสติกที่มีการใช้งานทั่วไป - Polyethylene - Polypropylene - Polyvinyl chloride - Polystyrene - PET - Nylon (Polyamide) • พลาสติกพิเศษ - เสื้อกันกระสุน

  27. Polyethylene (PE) • เตรียมจาก ethylene CH2=CH2 • มีจุดหลอมเหลว 110-137oC มี 2 ประเภท 1. Low Density PE (LDPE): PE ซึ่งมีกิ่งต่อจากโซ่หลัก ทำให้มีการจัดเรียงตัวในส่วนผลึกไม่ดี (มีช่องว่างมาก) 2. High Density PE (HDPE): PE ซึ่งมีกิ่งน้อยมาก มีการเรียงตัวกันดี ทำให้มีความเป็นผลึกสูง => แข็งแรงกว่า *Ultra High MW PE: ใช้ทำเป็นชิ้นส่วนในกระดูกเทียม

  28. Polypropylene (PP) • เตรียมจาก propylene CH2=CH(CH3) • มีจุดหลอมเหลวสูงกว่า PE เพราะหมู่ CH3ที่เพิ่ม (165 - 177oC) • ใช้ทำภาชนะใส่อาหารที่ใช้ในเตาไมโครเวฟได้

  29. Polyvinyl Chloride (PVC) • เตรียมจาก CH2=CHCl • เป็นพลาสติกที่แข็ง เนื่องจากมีแรงดึงดูดแบบมีขั้ว ซึ่งเกิดจาก Cl (มีค่า Electronegativity) ทำให้จุดหลอมเหลวสูง (204oC ) • ใช้ทำท่อน้ำประปา • มีการเติมสาร “plasticizer” เพื่อลดความแข็ง • หนังเทียม ==> ในรถยนต์ใหม่จะมีกลิ่น เพราะ plasticizer ระเหยออกมา

  30. Polystyrene (PS) • เตรียมจาก CH2=CH(C6H5) • โดยทั่วไปเป็นอสัณฐานเนื่องจากขนาดของ C6H5ที่ใหญ่ ทำให้เกิดการเรียงตัวเป็นผลึกได้ไม่ดี • เป็นพลาสติกใส (แต่เปราะ) หรือทำให้เป็นโฟม โดยการเติมสารทำให้เกิดโฟม • มี Tg = 100oC, Tm = 150-243oC

  31. Poly(ethylene terephthalate) (PET) • เตรียมจาก ethylene glycol และ terephthalic acid • มี repeating unit เป็น (O-CH2-CH2-O-CO- -CO-) • เป็นพลาสติกที่เหนียว ใช้ทำขวดน้ำมันพืช ขวดน้ำอัดลม

  32. Polyamide (Nylon) • เตรียมจาก diamine + dibasic acid หรือโมโนเมอร์ที่มีหมู่ amine และ carboxyl อยู่อย่างละข้าง H(-NH(CH2)xNH-CO (CH2)yCO)nOH มักใช้งานในรูปของเส้นใย (fiber)

  33. Aramid • Aramid = Aromatic + amide (-CO- -CO-NH- -NH-)n • ชื่อการค้าว่า Kevlar • ใช้ทำเสื้อเกราะกันกระสุน เพราะมีความเหนียว ซึ่งเกิดจากวงแหวน C6H4ที่อยู่ในโซ่พอลิเมอร์ เทียบกับพลาสติกทั่วไป ซึ่งเป็น CH2

  34. Polytetrafluoroethylene (PTFE) • ชื่อการค้าว่า Teflon (-CF2-CF2-)n • ทนต่ออุณหภูมิสูง จุดอ่อนตัว = 370oC • ใช้เคลือบกระทะ เพราะสารอื่นเกาะไม่ดี

  35. Composite Materials • วัสดุประกอบ หมายถึงวัสดุซึ่งเกิดจากการนำวัสดุอย่างน้อย 2 ชนิดมาใช้งานร่วมกัน อาจเป็น โลหะ พอลิเมอร์ เซรามิกซ์ - ปีกเครื่องบิน (โลหะผสม + carbon fiber) - เสา (คอนกรีต + เหล็กเส้น) - ยางรถยนต์ (ยาง + เส้นใยเหล็ก ไนลอน PET) - ไม้เทนนิส (รุ่น graphite, boron, etc.) http://www.ccm.udel.edu

More Related