สารสังเคราะห์


พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วย หน่วยเล็ก ๆ ของสารที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี เรียกว่าพันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond) หน่วยเล็กๆของพอลิเมอร์คือโมเลกุลเล็กๆ เรียกว่า มอนอเมอร์ (Monomer)


มอนอเมอร์ (Monomer) คือ หน่วยเล็ก ๆ ของสารในพอลิเมอร์
ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ เรียกว่า พอลิเมอไรเซชั่น (Polymerization) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของมอนอเมอร์แต่ละชนิด ภายใต้สภาวะต่างๆ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิ ความดัน เป็นต้น ทำให้เกิดพอลิเมอร์ชนิดต่างๆขึ้นมากมาย ทั้งที่เป็นพอลิเมอร์ในธรรมชาติ หรือพอลิเมอร์สังเคราะห์

พอลิเมอร์ แบ่งตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้
  แบ่งตามการเกิด
ก. พอลิเมอร์ธรรมชาติ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ยางธรรมชาติ
ข. พอลิเมอร์สังเคราะห์ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์โดยปฏิกิริยาเคมี โดยใช้สารเริ่มต้นหรือมอนอเมอร์ ส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลของไฮโดรคาร์ไม่อิ่มตัว ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ

ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว คือสารประกอบที่มีพันธะคู่ระหว่างคาร์บอนอะตอมในโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอน เช่น เอทิลีน โพรพิลีน เป็นต้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชั่น จะได้พอลิเมอร์ ที่มีมวลโมเลกุลมาก และมีโครงสร้างแข็งแรง เช่น พอลีเอทิลีน พอลีโพรพิลีน เป็นต้น ซึ่งพอลิเมอร์เหล่านี้เรียกว่า เม็ดพลาสติก ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่อเนื่อง เรียกว่า ปิโตรเคมี เพื่อใช้ประโยชน์ในการผลิตวัสดุต่าง ๆ เช่น พลาสติก ไนลอน ดาครอนและลูไซต์  วัสดุต่างๆที่เป็นพลาสติก ในปัจจุบันจึงได้จากกระบวนการพอลิเมอไรเซชั่นเป็นจำนวนมาก เช่น พลาสติกต่างๆ ภาชนะใส่อาหาร ท่อสายยาง ฟิล์มถ่ายรูป ของเล่นเด็ก และอีกมากมาย

  แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ

โฮมอลิเมอร์ เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง พอลิเอทิลีน PVC
ข. โคพอลิเมอร์ เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน เช่น โปรตีน พอลิเอสเทอร์
โครงสร้างของพอลิเมอร์
ก. พอลิเมอร์แบบเส้น
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง ขุ่นเหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ ตัวอย่าง PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน

ข. พอลิเมอร์แบบกิ่ง
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ยึดกันแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่สั้นและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลัก ทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่าง พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ

ค. พอลิเมอร์แบบร่างแห
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่อเชื่อมกันเป็นร่างแห พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่างเบกาไลต์ เมลามีนใช้ทำถ้วยชาม

พลาสติก (Plastics)

พลาสติก (Plastic) มาจากรากศัพท์ภาษากรีกว่า "plastikos" หมายความว่าหล่อ หรือหลอมเป็นรูปร่างได้ง่าย พลาสติกเป็นโพลิเมอร์ประเภทหนึ่งที่ส่วนใหญ่ได้จากการสังเคราะห์ขึ้น (Synthetic polymer) แต่ก็มีพลาสติกที่เกิดขึ้นจากธรรมชาติเช่นกัน เช่น ชะแล็ก พลาสติกเป็นสารอินทรีย์ เป็นไฮโดรคาร์บอน มีไฮโดรเจนและคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก พลาสติกเป็นโพลิเมอร์ที่สามารถนำมาหล่อเป็นรูปร่างต่างๆตามแบบ โดยใช้ความร้อนและแรงอัดเพียงเล็กน้อย มีจุดหลอมเหลวระหว่าง 80-350 องศาเซลเซียส ขึ้นอยู่กับชนิดของพลาสติกด้วย

ปัจจุบันพลาสติก (plastic) มีความสำคัญต่อชีวิตประจำวันเป็นอย่างมาก เครื่องมือเครื่องใช้และวัสดุก่อสร้างหลายชนิดทำด้วยพลาสติก เช่น เครื่องใช้ในครัวเรือนจำพวกจานชาม ขวดโหลต่าง ๆ ของเล่นเด็ก วัสดุก่อสร้าง สีทาบ้าน กาวติดไม้และติดโลหะ อุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์และวิทยาศาสตร์การแพทย์ เป็นต้น เหตุที่พลาสติกเป็นที่นิยมเพราะมีราคาถูก มีน้ำหนักเบา ทนความชื้นได้ดี ไม่เป็นสนิม ทำให้เป็นรูปร่างต่าง ๆ ตามต้องการได้ง่ายกว่าโลหะ เป็นฉนวนไฟฟ้า มีทั้งชนิดโปร่งใสและมีสีต่าง ๆ กัน ด้วยเหตุนี้พลาสติกจึงใช้แทนโลหะหรือวัสดุบางชนิด เช่น แก้ว ได้เป็นอย่างดี แต่พลาสติกก็มีข้อเสียหลายอย่างด้วยกันคือ ไม่แข็งแรง (รับแรงดึง แรงบิดและแรงเฉือนได้ต่ำมาก) ไม่ทนความร้อน (มีจุดหลอมเหลวต่ำ ติดไฟง่าย และไม่คงรูป จึงทำให้ขอบเขตการใช้งานของพลาสติกยังไม่กว้างเท่าที่ควร

  พลาสติกประกอบไปด้วยโมเลกุลของธาตุหลาย ๆ ธาตุจับกันเป็นโมเลกุลใหญ่ที่เรียกว่า พอลีเมอร์ ลักษณะที่เด่นชัดของพลาสติกอยู่ตรงที่โมเลกุลของพลาสติกมีขนาดใหญ่โตกว่าสารอื่น ๆ มาก

 

พลาสติกที่ใช้ส่วนใหญ่ได้จากปฏิกิริยาสังเคราะห์ทางเคมี ส่วนพลาสติกที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและใช้มากคือ เชลแล็ก (shellac) พลาสติกเป็นสารประกอบอินทรีย์ (สารอินทรีย์หมายถึงสารซึ่งในโมเลกุลมีธาตุไฮโดรเจน และคาร์บอนรวมกันอยู่ อาจมีเพียงอะตอมของธาตุทั้งสองหรือมีอะตอมของธาตุอื่นรวมอยู่ด้วย เช่น มีเทน CH4 เป็นสารอินทรีย์ที่มีแต่อะตอมของไฮโดรเจน และคาร์บอน กรดน้ำส้ม CH3COOH มีอะตอมของไฮโดรเจน คาร์บอน และออกซิเจนรวมอยู่ด้วย เป็นต้น)

   เราสามารถแบ่งพลาสติกออกได้เป็น ๒ พวกใหญ่ ๆ คือ

1. เทอร์มอเซตติงพลาสติก (thermosetting plastic) เป็นพลาสติกชนิดที่จะแข็งตัวคงรูปอยู่ได้ โดยอาศัยปฏิกิริยาทางเคมี ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นโดยอาศัยความร้อนและความกดดัน ภายหลังปฏิกิริยาเคมีมันก็จะแข็งตัว และเราจะไม่สามารถเปลี่ยนรูปของมันโดยไม่เปลี่ยนคุณสมบัติของมันได้กล่าวคือ เมื่อได้รับความร้อนมาก ๆ มันจะสลายตัวเสียรูปไป

2. เทอร์มอพลาสติกพลาสติก (thermoplastic plastic) เป็นพลาสติกที่แข็งตัวโดยไม่อาศัยปฏิกิริยาทางเคมี แต่อาศัยคุณสมบัติทางกายภาพ เมื่อทำพลาสติกชนิดนี้ให้ร้อนขึ้นแล้วเทลงในเบ้าหรือแบบมันก็จะเปลี่ยนรูปร่างไปตามแบบนั้น และเมื่อเย็นลงก็จะแข็งตัวคงรูปอยู่ได้ และเมื่อเป็นรูปแล้วเราสามารถที่จะหลอมและเปลี่ยนรูปเป็นอย่างอื่นได้อีก เพราะคุณสมบัติทางเคมีของมันยังคงเดิมไม่เปลี่ยนแปลง

ยางธรรมชาติ และยางสังเคราะห์
ยางเป็นวัสดุที่มีประโยชน์มากอีกอย่างหนึ่ง ยางธรรมชาติได้มาจากการกรีดผิวของต้นยางพารา (hevea brasiliensis) ซึ่งมักจะเจริญงอกงามอยู่ตามบริเวณใกล้เขตเส้นศูนย์สูตร ในที่ซึ่งมีอากาศร้อน ฝนตกชุก และดินดี


  ยางธรรมชาติ (latex)
ยางธรรมชาติ มีชื่อทางเคมีว่า พอลีไอโซปรีน ประกอบด้วยไอโซปรีน จำนวน 1500 - 150000 หน่วย ลักษณะโครงสร้างของโมเลกุลจะขดม้วนเป็นวงและบิดเป็นเกลียว มีรูปร่างไม่แน่นอน แรงดึงดูดระหว่างโซ่สูง จึงมีความยืดหยุ่น และต้านทานต่อแรงดึงมาก


  ยางสด  ที่กรีดได้จากผิวของต้นยางพารานั้นมีลักษณะข้นขาว เมื่อสะสมยางสดไว้แล้วก็ชั่งหาน้ำหนัก แล้วให้ยางสดผ่านตะแกรงเพื่อแยกเอาเศษผงหรือสิ่งสกปรกออก จากนั้นก็เทลงถังใหญ่แล้วผสมกับกรดอะเซติก (acetic acid) หรือกรดฟอร์มิก (formic acid) อย่างอ่อนเพื่อทำให้ยางสดจับตัวเป็นก้อน จากนั้นนำไปรีดให้เป็นแผ่นบาง ๆ ด้วยลูกกลิ้ง ทั้งนี้เพื่อเป็นการกำจัดน้ำและน้ำกรดที่จะยังหลงเหลืออยู่ออกด้วย แผ่นยางนี้จะถูกนำไปรมควัน และผึ่งแห้งประมาณ ๔-๕ วัน ที่อุณหภูมิ ๔๐-๕๐ องศาเซลเซียส โดยใช้ควันจากไม้สด ๆ ควันนี้จะทำให้แผ่นยางกลายเป็นสีน้ำตาล ในขณะเดียวกันควันก็ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดราบนแผ่นยางได้ ยางที่ได้นี้เรียกว่า ยางดิบ (crepe rubber) หรือยางแผ่นรมควัน ซึ่งจะถูกส่งไปสู่ผู้ผลิตสินค้าประเภทยางต่อไป ยางดิบอาจใช้ทำประโยชน์ เช่น ทำพื้นรองเท้าหรือถุงมือยางได้ แต่ส่วนมากไม่นิยมใช้ยางดิบทำ เพราะยางดิบไม่คงคุณภาพที่อุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ

  ยางดิบ
ยางดิบมักจะเยิ้มเป็นยางเหนียวในฤดูร้อน และแข็งเปราะหักง่ายในฤดูหนาวเมื่ออุณหภูมิลดลง จนกระทั่งใน พ.ศ. ๒๓๘๒ นักประดิษฐ์ผู้หนึ่งชื่อ ชาลส์ กูดเยียร์ (Charles Goodyear, ค.ศ. ๑๘๐๐-๑๘๖๐ ชาวอเมริกัน) ผู้ซึ่งได้พยายามคิดค้นหาวิธีแก้ปัญหานี้อยู่ บังเอิญทำก้อนยางที่ผสมกับกำมะถันตกลงไปในเตาขณะที่ทำการทดลองอยู่ ผลปรากฏว่ายางก้อนนั้นเปลี่ยนคุณสมบัติเป็นยางที่ดี ไม่อ่อนเสียรูปเวลาร้อนและไม่เปราะหักง่ายเวลาเย็น วิธีการเปลี่ยนยางดิบให้มีคุณสมบัติดีขึ้นโดยผสมกับกำมะถันนี้ คือวิธีวัลคาไนเซชัน (vulcanization มาจากคำว่า vulcan ซึ่งเป็นชื่อของเทพเจ้าแห่งไฟของชาวโรมันโบราณ) ยางที่ได้รับการอบแบบวัลคาไนเซชันแล้วนี้จะยังคงความยืดหยุ่นได้ดีอยู่เสมอ

  ยางสังเคราะห์
ความจำเป็นในการใช้ยางในระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 ทำให้นักวิทยาศาสตร์ของหลายประเทศต้องคิดค้นหายางเทียม (synthetic rubber) ขึ้นใช้แทนยางธรรมชาติ ประเทศเยอรมันถูกตัดขาดจากแหล่งยางธรรมชาติ เนื่องจากการล้อมของฝ่ายสัมพันธมิตรจึงต้องดิ้นรนขวนขวายค้นคว้าประดิษฐ์ยางเทียมขึ้น แต่ได้ยางเทียมที่ใช้ได้ไม่สู้ดีนัก ต่อมาใน พ.ศ. 2482 ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 ประเทศเยอรมันก็ประสบ

 

ปัญหาขาดแคลนยางธรรมชาติอีกจึงได้คิดค้นทำยางเทียมที่มีคุณภาพดีได้ 2 ชนิด คือ

1.  บูนาเอส (buna S) ทำมาจากก๊าซบิวตะไดอีน  (butadiene) และสไตรีน (styrene) ซึ่งเป็นของเหลว

     สกัดมาจากน้ำมันปิโตรเลียม เรียกว่ายาง SBR  :  Styrenr - Butadiene Rubber

2.  บูนาเอ็น (buna N) ทำมาจากบูทาเดียนและอะไครโลนีไทรด์ (acrylonitride) ซึ่งเป็นของเหลวที่

     ได้มาจากก๊าซอะเซทิลีน (acetylene) และกรดไฮโดรไซยานิก (hydrocyanic acid)

     ต่อมาใน พ.ศ. 2485 กองทัพญี่ปุ่นได้ยึดเอเชียอาคเนย์ ซึ่งเป็นแหล่งปลูกยางพาราไว้ได้ ทำให้ยางธรรมชาติที่จะถูกส่งไปสหรัฐอเมริกาถูกตัดขาดลง จึงได้มีการผลิตยางเทียมกันเป็นการใหญ่จนปัจจุบันนี้ สหรัฐอเมริกา เป็นผู้นำแนวหน้าของโลกในฐานะผู้ผลิตยางเทียม