1

บทที ่1 บทนํา

ที่มาและความสําคัญ Flax (Linum usitatissimum L.) เปนพืชชนิดหนึ่งท่ีสามารถผลิตไดมากในประเทศสหรัฐอเมริกา เสนใยของ flax ถูกนํามาใชประโยชน เชน ใชทําเปนฉนวนความรอนตามอาคารบานเรือน หรืออาจนํามาสานขึ้นรูปเปน nonwoven mat ซ่ึงจะถูกนําไปใชประโยชนอาทิ ผลิตกระเปา ผาออมสําหรับเด็ก ฯลฯ การใชงานจากเสนใย flax น้ันสามารถใชไดท้ังท่ีเปน flax 100% หรืออาจนํา flax มาปนผสมกับเสนใยตัวอ่ืน ๆ เชน cotton ก็ได อน่ึง เสนใยของ flax มีความทนทานมาก และยังพบวา เสนใย flax อยางหยาบสามารถนํามาผลิตเปนตัวกรองอนุภาคของสารขนาดใหญไดออกจากน้ําได และจากงานวิจัยกอนหนานี้พบวา หากนํา flax มาผานการปรับสภาพดวยกรดโพลีคารบอกซิลิก เชน กรดซิตริกแลวพบวา เสนใยของ flax จะมีความสามารถในการจับกับ divalent metal ion ในสารละลายได จึงชวยในการกําจัดมลพิษของสารที่เปนประจุบวกได ดังนั้น งานวิจัยช้ินนี้จึงมุงศึกษาประสิทธิภาพในการดูดซับไอออนทองแดง โดยใชเสนใยธรรมชาติคือ flax และ cotton มา treat ดวยกรดซิตริก แลวนําไปทดสอบประสิทธิภาพในการดูดซับไอออนทองแดงในสารละลาย วัตถุประสงคของการวิจัย 1. เพ่ือพัฒนาประสิทธิภาพของ nonwoven mats ในการดูดซับ divalent metal ion โดยใช nonwoven mats ซ่ึงทําข้ึนจากเสนใย flax, เสนใย flax ผสม cotton, และเสนใย cotton โดย nonwoven mats ท่ีนํามาทดสอบจะถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก

2. เพ่ือเปรียบเทียบท้ังความสามารในการจับกับ metal ion และความแข็งแรงของเสนใยภายใน mats ท่ีผานและไมผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก สมมุติฐานการวิจัย กรดซิตริก (C6H8O7) มีผลตอความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงของ nonwoven mats และทําให nonwoven mat ท่ีผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกมีความแข็งแรงของเสนใยลดลง

2

ขอบเขตการวิจัย ในงานวิจัยช้ินนี้จะแบงชุดการทดลองของเปน 2 ชุดคือ ชุดแรกจะใชเสนใย flax ท่ีผานการแชนํ้าแลวนํามาปนยอยเปนเสนใย สวนใย cotton จะไดจากเศษ cotton ซ่ึงเก็บรวบรวมจากเครื่องกรอฝายชนิด vertex spinning สวนชุดท่ี 2 จะใช flax ซ่ึงไดจากการคาในแถบยุโรป สวนใย cotton จะไดจากเศษ cotton ซ่ึงเหลือจากการใชแปรงทําความสะอาดเสนใย เสนใยท้ังสองชนิดในการทดลองชุดท่ี 2 จะมีความยาวมากกวาเสนใยในชุดแรก การตรวจสอบความแข็งแรงของเสนใยภายหลังการผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกจะทําโดยใชเครื่อง Instron CRE tensile tester และตรวจสอบพื้นผิวของเสนใยภายหลังผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก โดยใชเคร่ือง JEOL JSM 5800 Scanning Electron Microscope ในสวนของการศึกษาคุณสมบัติการดูดซับไอออนทองแดง จะเตรียมไอออนทองแดงจากสารละลาย copper chloride เขมขน 20 mM ภายหลังการดูดซับจะวัดปริมาณไอออนทองแดงที่เหลืออยูในสารละลายโดยใชเครื่อง ICP-AES ขอตกลงเบื้องตน

กรดโพลีคารบอกซิลิก ซ่ึงมีหมูคารบอกซิล (-COOH) อยูภายในโมเลกุล เม่ือละลายน้ําไดสารละลายกรด นํ้าจะเขาไปดึงโปรตรอน (H+) จากหมูคารบอกซิล ไดเปนไฮโดรเนียมไอออน (H3O

+) และ COO- ซ่ึงเปนไอออนลบ ดังนั้น divalent metal ion ซ่ึงมีประจุบวกจะเขาไปสรางพันธะไอออนนิกกับไอออนลบตัวนี้ได ดังนั้น เม่ือนําเสนใยมาผานการปรับสภาพดวยกรด โพลีคารบอกซิลิกแลว กรดโพลีคารบอกซิลิกจะเขาไปเกาะอยูภายในสายเซลลูโลส ซ่ึงจะชวยเพ่ิมตําแหนงในการสรางพันธะของ divalent metal ion กับไอออนลบ ดังนั้นจึงไดมีการนํากรดโพลีคารบอกซิลิกมาใชในการ treat เสนใยธรรมชาติ เพื่อนําไปใชในการดูดซับ divalent metal ion ตอไป คํานิยามศัพท

1. nonwoven mat หมายถึง ผาชนิดหนึ่งท่ีไดจากการนําเสนใยของพืชมาปน รวมกัน จากน้ันแผออกเปนแผน แตไมไดนํามาทอจนเปนเนื้อผา แตยังเห็นเปนกอนของเสนใยอยู เชน เสนใยในผาออมสําหรับเด็ก เปนตน

2. treat หรือ การผานการปรับสภาพ หมายถึง การนําเสนใยไปแชในสาร เพื่อใหสาร น้ันสามารถเขาไปเกิดปฏิกิรยิากับสารภายในเสนใย เชน การนําเสนใยไปผานการปรับสภาพดวยกรดซติรกิ จะหมายถึง การนําเสนใยไปแชในสารละลายกรดซิตริก เพ่ือใหกรดซิตริกเขาไปจับกับเซลลูโลสภายในเสนใยได

3. divalent metal ion หมายถึง ไอออนของโลหะท่ีมีวาเล็นซอิเล็คตรอน (อิเล็คตรอนวงนอก) 2 อิเล็คตรอน

3

ประโยชนท่ีคาดวาจะไดรับ 1. สามารถพัฒนาประสิทธิภาพของ nonwoven mats ในการดูดซับ divalent metal ion โดยทํา nonwoven mats ข้ึนจากเสนใย flax, เสนใย flax ผสม cotton, และเสนใย cotton โดย nonwoven mats ท่ีนํามาทดสอบจะถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก

2. ทราบความแตกตางทั้งในดานความสามารในการจับกับ metal ion และความแข็งแรงของเสนใยภายใน mats ท่ีผานและไมผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก

3. ทราบถึงผลของกรดซิตริกท่ีมีตอความสามารถในการจับกับไอออนทองแดงของเสนใย และความแข็งแรงของเสนใย

4. เปนเพ่ิมคุณประโยชนใหแกเสนใยธรรมชาติใหสามารถนํามาใชประโยชนเพื่อการกําจัดไอออนของโลหะออกจากน้ําได

4

บทที ่2 เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวของ

โครงสรางภายในเสนใยของ flax

ภาพที่ 1 โครงสรางภายในของ flax ท่ีมา: Oever V. D. M.J.A, Bos H.L., Kemenade V. M.J.J.M. (1995)

ในอดีตมีผูเช่ือวา เสนใยธรรมชาติอยางเชน flax ซ่ึงสามารถนํากลับมาใชใหมไดจะถูกนําเขามาใชงานแทนการใช glass fibres เพ่ือเพ่ิมความแข็งแรงใหแกวัสดุทนความรอน เสนใย flax มีคุณสมบัติท่ีดีคือ มีความหนาแนนต่ําเม่ือเปรียบเทียบกับ glass fibres และราคาก็ยังถูกกวามาก มีรายงานวา เสนใย flax มีความแข็งแรงมากกวา glass fibres ท่ีใชกันอยูในปจจุบันมันจึงเหมาะที่นําไปใชทําวัสดุทนความรอน ซ่ึงเรื่องนี้ก็มีสาเหตุมาจากโครงสรางของเสนใย flax ท่ีประกอบขึ้นจากมัดเสนใยยอย ๆ หลาย ๆ มัด มันจึงสามารถจัดเรียงตัวไดหลากรูปแบบ ซ่ึงข้ึนอยูกับอุณหภูมิท่ีใชขณะปนแยกเสนใยออกมาจากตน

จากภาพท่ี 1 จะเห็นไดวา โครงสรางของเสนใย flax จะประกอบขึ้น bast fibre bundle ซ่ึง bast fibre bundle เม่ือศึกษาลึกลงไปอีกจะพบวาประกอบข้ึนมาจาก

5

elementary fibre หลาย ๆ มัดมารวมกัน และเมื่อแบงยอยลงไปอีกก็จะเปนมัดของ microfibril ซ่ึงเสนใยแตละข้ันจะมีความแข็งแรงแตกตางกันออกไป ตามลําดับดังนี้

1.Bast fibre bundle จะไดออกมาภายหลังการแยกเสนใยในข้ันแรก โดยการขัดถูเสนใย ซ่ึงเรียกกระบวนการในขั้นนี้วา breaking and scotching Bast fibre bundle น้ี โดยมากแลวจะถูกนําไปใชในเชิงการคาเพ่ือผลิตเปนวัสดุทนไฟและฉนวนความรอน แตความแข็งแรงของเสนใยข้ันนี้คอนขางต่ําเม่ือเปรียบเทียบกับเสนใยท่ีอยูบริเวณตอนกลางของลําตน ซ่ึงเนื่องมาจากพันธะระหวางเพกตินในเสนใยคอนขางออน จึงมักเรียกเสนใยนี้วา “technical fibres”

2. Elementary fibre เปนชั้นของเสนใยท่ีมีความแข็งแรงอยางแทจริง ซ่ึงมีความแข็งแรงโดยเฉล่ียอยูท่ี 1500 MPa

3. Microfibril เปนช้ันท่ีแบงยอยลงมาจากชั้น elementary fibre ช้ันนี้จะมีความแข็งแรงต่ํากวาชั้น elementary fibre และช้ัน bast fibre bundle

4. Cellulose เปนช้ันท่ีบอกถึงความแข็งแรงของเสนใย flax เพราะถาหากในลําตน flax มี cellulose อยูมากก็จะมีความแข็งแรงมาก และสามารถทนความรอนไดสูง สวนบริเวณแกนกลางลําตน (wood) จะเปนบริเวณเนื้อไมของตน flax จะมีเสนใยอยูนอย และไมคอยถูกนํามาใชประโยชนมากนัก โดยมากแลวจะเปนสวนท่ีเหลือท้ิงภายหลังจากการปนตน flax เพ่ือเอาเสนใยออกจนหมดแลว (Van den Oever,1995)

6

โครงสรางภายในเสนใยของ cotton

ภาพที่ 2 โครงสรางภายในของ cotton ท่ีมา: Cotton incorporated (2003)

Cotton เปนเสนใยธรรมชาติอยางหนึ่งท่ีมีความแข็งแรงและทนทานมากที่สุดท่ีมนุษยคนพบแลวในปจจุบัน ซ่ึง cotton จะประกอบดวยชั้นตาง ๆ ดังนี้ 1. Cuticle เปนช้ันนอกสุดของตน มี wax เคลือบอยู ซ่ึง wax น้ีจะเปนสารจําพวกเพกติน และ proteinaceous ทําใหชั้นนี้คอนขางเรียบและทําใหนํ้าซึมผานเขาไปขางในไดยาก แตกระบวนการขัดถู (scouring) จะทําใหช้ัน cuticle ถูกกําจัดออกไปได

2. Primary wall เปนช้ันท่ีมีการสรางผนังเซลลมากที่สุด จึงทําใหชั้นนี้มีองคประกอบของเซลลูโลสอยูในปริมาณมาก โดยเซลลูโลสจะสานกันเปนเสนใยอยางเปนระเบียบอยูภายในชั้นนี้

3. Winding layer เปนช้ันแรกของ secondary wall โครงสรางของชั้นนี้จะแตกตางจากชั้น Primary wall และ Secondary wall โดยเสนใยยอย ๆ (fibril) จะสานกันทํามุมขนาด 40-70 องศา

7

4. Secondary wall (S layer) ภายหลังจากที่เสนใยตน flax เจริญเติบโตเต็มท่ีแลว เซลลูโลสชั้นใหมจะถูกเพ่ิมเขาไปในชั้น secondary wall โดย fibril ในช้ันนี้จะเรียงตัวกันทํามุม 70-80 องศา

5. Lumen wall เปนชั้นท่ีแบงแยกระหวาง secondary wall ออกจาก lumen 6. Lumen เปนโพรงอยูท่ีแกนกลางของตน cotton เม่ือตน cotton ยังเจริญไมเต็มท่ี

ภายใน lumen จะมี protoplast แทรกอยู แตเม่ือเจริญเต็มท่ีแลว protoplast จะแหงไป ทําใหเกิดเปนชองวางข้ึนภายในลําตน (Cotton incorporated,2003) โครงสรางของเซลลูโลส

ภาพที่ 3 โครงสรางสายเซลลูโลส ท่ีมา: Cotton incorporated (2003)

เซลลูโลสเปนสารโมเลกุลใหญ ซ่ึงทําขึ้นจาก anhydroglucose แตละหนวยมาตอกัน

ดวยพันธะ 1,4,oxygen anhydroglucose แตละหนวยจะเชื่อมตอกันเปนสาย beta-cellobiose ดังนั้น anhydro-beta-cellobiose จึงมีลักษณะเปนสายโพลิ เมอรสายยาว ๆ (Cotton incorporated,2003)

8

โครงสรางของกรดซิตริก

ภาพที่ 4 สูตรโครงสรางของกรดซิตริก

ท่ีมา: Wikipedia, the free encyclopedia (2001)

กรดซิตริกเปนกรดอินทรียอยางออน ซ่ึงพบมากในผลไมรสเปรี้ยว กรดซิตริกถูกนําไปใชในอุตสาหกรรมทางดานอาหารหลายอยาง เชน เติมลงในอาหารและน้ําอัดลม เพ่ือใหเกิดรสเปร้ียว ใน biochemistry, วัฏจักรของกรดซิตริกจะเกี่ยวของโดยตรงกับการเมทาบอลิซึมในส่ิงมีชีวิตแทบทุกชนิด นอกจากนี้กรดซิตริกยังถูกใชเปนสารกําจัดพวก agent ตาง ๆ ในสิ่งแวดลอม และสามารถเปน antioxidant ไดดวย สูตรเคมีของกรดซิตริกคือ C6H8O7 และมีโครงสรางดังท่ีแสดงในภาพที่ 4 ซ่ึงโครงสรางน้ีมีชื่อเรียกตาม IUPAC วา 2-Hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid ความเปนกรดของกรดซิตริกเนื่องมาจากหมู carboxy (COOH) ซ่ึงสูญเสียโปรตอนออกไปในสารละลาย ซ่ึงสงผลใหไดผลิตภัณฑเปน citrate ion ซ่ึง citrate จะเปนบัฟเฟอรท่ีดีในการควบคุม pH ของสารละลายกรด Citrate ion ซ่ึงมีสมบัติเปนเกลือประเภทหนึ่งเรียกวา citrates ซ่ึงซิเตรตสามารถจับกับไอออนของโลหะเกิดเปนสารประกอบโลหะไดจึงทําใหมีการนํา citrate มาใชเปนสารกันบูดในอาหาร และใชลดความกระดางของน้ําได (Wikipedia, the free encyclopedia, 2001)

9

เคร่ืองมือท่ีใชในการตรวจสอบความแข็งแรงของเสนใย ความสามารถในการยืดออกของวัสดุ และความหนาของวัสด ุจะสามารถตรวจสอบไดโดยใชเครื่องมือทดสอบคือ Instron CRE tensile tester ซ่ึงเปนเคร่ืองท่ีมีลักษณะดังภาพที่ 5

ภาพที่ 5 ภาพแสดงลักษณะของเครื่อง Instron CRE tensile tester ท่ีมา: North Carolina State University (1997)

เครื่อง Instron CRE tensile tester เปนเคร่ืองมือสําหรับทดสอบความสามารถในการทนตอแรงอัดและแรงดึงของวัสดุ

การวัดความสามารถในการยืดออกและความทนทานตอแรงดึงของเสนใยจะทําไดโดยเริ่มจากใสตัวอยางเขาไปในเครื่องแลวยึดตัวอยางใหแนนท้ังดานบนและดานลาง จากนั้นก็กําหนดขนาดแรงท่ีตองการใชในการดึงเขาท่ีหนาจอของเครื่อง และใสความยาวเดิมของวัสดุไวดวย เพ่ือใหเครื่องสามารถประมวลผลความแข็งแรงของวัสดุท่ีถูกนําไปทดสอบได เม่ือกดปุม start เครื่องจะเริ่มออกแรงยืดเสนใย ภายหลังจากเสร็จส้ินการทดสอบแลว เครื่องจะแสดงผลออกมาเปนกราฟระหวางความเคนและความเครียดของวัสดุ โดยใหความเคนอยูในแนวแกน y และความเครียดอยูในแนวแกน X ซ่ึงจะสามารถประมาณความแข็งแรงของวัสดุไดจากคา ยังมอดูลัส (Young’s Modulus) ซ่ึงหาไดจากความชันของกราฟดังกลาว

10

ในสวนการวัดความหนาของวัสดุจะทําไดโดยนําวัสดุวางลงไปที่แทนวางตัวอยาง จากนั้นกดปุม start เคร่ืองจะเริ่มออกแรงบีบอัดใหวัสดุมีขนาดสั้นท่ีสุด แลววัดความหนาของวัสดุขณะน้ันแลวไดออกมาเปนคาความหนาของวัสดุ (Force & torque testing solutions - worldwide,1977)

มาตรฐานที่ใชในการตรวจสอบความแข็งแรงของเสนใยภายหลังจากที่ผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก 1. มาตรฐานที่ใชในการเปรียบเทียบความแข็งแรงของเสนใย ASTM D 5035-03 (Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics [Strip Method]) โดยมาตรฐานนี้มีหลักการโดยสังเขป ดังนี้ 1. มาตรฐานนี้โดยมากแลวจะใชกับวัดมาตรฐานของวัสดุท่ีมีลักษณะเปนสายยาวคลายริบบ้ิน โดยจะวัดคาแรง ณ จุดแตกหักหรือจุดท่ีวัสดุสามารถทนตอแรงกระทําไดมากที่สุด และวัดความยาวที่มากที่สุดท่ีวัสดุสามารถยืดออกได โดยการทดสอบจะทําในสภาพที่เสนใยกําลังเปยก Note1 การทดสอบดวยวธิน้ีีจะถูกนํามาประยุกตใชกับ woven fabric, nonwoven fabrics, felted fabrics และ dipped fabric หรือ coated fabrics 2. การทดสอบดวยวิธีน้ีไมแนะนําใหใชกับ knitted fabrics หรือ textile fabric อ่ืน ๆ ท่ีมีความตึงสูง (มากกวา 11%) Note 1 ในการวัดคาแรง ณ จุดแตกหักและวัดความยาวที่มากที่สุดท่ีวัสดุสามารถยืดออกไดจะใชวิธีการวัดแบบ grab test แลวเอาผลจาก grab test มาวิเคราะห (grab test หมายถึงมาตรฐานการทดสอบ D 5034) Note 2 ในการวัดคาแรง ณ จุดแตกหักและวัดความยาวที่มากที่สุดท่ีวัสดุสามารถยืดออกไดของวัสดุท่ีมีลักษณะเปนเสนใย จะใชวิธีการทดสอบแบบ strip test (D 579 และ D 580) 3. มาตรฐานการทดสอบในสามารถใชไดท้ังในหนวย inch-pound และหนวย SI หนวย inch-pound เปนหนวยท่ีนิยมใชในสหรัฐอเมริกา สวนหนวย SI เปนหนวยมาตรฐานท่ีนิยมใชกันท่ัวโลก

2. มาตรฐานที่ใชในการเปรียบเทียบความหนาของเสนใย ASTM D1777-02 (Standard Test Method for Thickness of Textile Materials).

1. มาตรฐานนี้ครอบคลุมถึงการวัดความหนาของวัสดุ 2. มาตรฐานี้สามารถประยุกตใชไดกับเสนใย รวมทั้ง woven fabric, air bag fabrics,

blankets, napped fabrics, knitted fabrics, layered fabrics และ pile fabrics โดยเสนใยท่ีนํามาทดสอบอาจจําเปนตองไมผานการ treat, มีขนาดใหญ, ถูก coated ดวยสารอื่น, resin-treated หรือการ treat อ่ืน ๆ

11

3. หนวยท่ีใชในมาตรฐานนีจ้ะเปนหนวย SI สวนหนวย inch-pound อาจใชไดโดยการประมาณคา (ASTM International Standard Worldwide,2007) เคร่ืองมือท่ีใชสําหรับตรวจสอบประสิทธิภาพในการดูดซับไอออนทองแดง การตรวจวัดปริมาณไอออนของโลหะที่คงอยูในสารละลายสามารถทําไดโดยใชเคร่ือง ICP-AES spectrometer ซ่ึงมีหลักการทํางานดังนี้

Ocean Drilling Program Science Operator (2000) แสดงใหเห็นวา ICP เปนเครื่องมือวิเคราะหธาตุ โดยการใชพลาสมาเผาตัวอยางใหแตกตัวเปนอะตอมหรือไอออน ซ่ึงจะปลอยแสงสเปคตรัมท่ีมีความยาวคลื่นเฉพาะตัวออกมา แลววัดความเขมของแสงและคํานวณเปนความเขมขนของปริมาณธาตุในตัวอยาง ICP นิยมใชในการวิเคราะหธาตุในสิ่งแวดลอมและวิเคราะหสารพิษหรือธาตุอาหารในอุตสาหกรรมอาหารและการเกษตร

ภาพที่ 6 ภาพแสดงเครื่อง ICP-AES ท่ีมา: Ohio Northern University (2006)

Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer (ICP-AES หรือ ICP) ICP-AES มักจะเรียกเทคนิคกันอยางสั้นๆวา ICP โดยเทคนิคนี้เปน เทคนิคท่ีสามารถวิเคราะหธาตุไดหลายธาตุพรอมกัน (multi-element) โดยใชพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงถึง 10,000 องศาเซลเซียส เผาตัวอยาง ใหแตกตัวเปนอะตอมหรือไอออน ซ่ึงจะปลอยแสงสเปคตรัมท่ีมี ความยาวคลื่นเฉพาะตัวออกมา แลววัดความเขมของแสงและ คํานวณเปนความเขมขนของปริมาณธาตุในตัวอยาง เทคนิคนี้ สามารถวดัไดในระดับ ppb และสามารถวิเคราะหธาตุประเภทrefractory element ไดทุกตัว ICP มี 2 แบบคือ แบบ radial และ แบบ axial โดยแบบ radial จะมีแหลงกําเนิดพลาสมาอยูทางดานขางปลอยผานชองแคบ ท่ีอยูตรงกลางของพลาสมา สวนแบบ axial จะวาง

12

ชองนี้ในแนวนอน ซ่ึงจะทําใหเพ่ิม pathlength และลดสัญญาณรบกวนได ผลก็คือ จะได detection limit ต่ํากวาแบบ radial ถึง 5-10 เทา ปจจุบันมี ICP ชนิด simultaneous ทําใหสามารถวิเคราะหธาตุไดพรอมกันถึง 70 ธาตุ (ในทางทฤษฎี) ไดในตัวอยางเดียวกัน โดยใชเวลาเพียงไมถ ึง 1 นาที โดยไมต อ งกังวลเก่ียวกับคาความแมน ยํา หรือ detection limit ในขณะที่ ICP แบบ Sequential จะสามารถวิเคราะหตัวอยางได 5 ธาตุตอนาที หลักการของ ICP-AES ภาพที่ 7 แสดงแผนผังของ ICP-AES โดยในรูปไดแสดงถึงแหลงกําเนิดพลาสมาท่ีใชเพ่ือทําใหธาตุชนิดตางๆปลอยแสงสเปคตรัมออกมา ซ่ึงจะมีสเปคโตรมิเตอร ทําการแยกแสงเหลานี้ท่ีความยาวคลื่นเฉพาะของแตละธาตุเหลานั้น

ภาพที่ 7 ภาพแสดงแผนผังการทํางานของเคร่ือง ICP-AES ท่ีมา: Bradford T. and M. Nicole Cook (2003)

การเตรียมตวัอยาง

ICP-AES จะสามารถตรวจสอบไดเพียงตัวอยางที่เปนของเหลว เทาน้ัน ดังนั้น หากตัวอยางเปนของแข็งจําเปนจะตองนําไปละลายกอนจากนั้นเม่ือนําตัวอยางเขาสูการวิเคราะหโดยเครื่อง ICP ตัวอยางสารละลายจะถูกเปล่ียนสภาพเปนละอองของเหลว (aerosol) โดย nebuliser ซ่ึงละอองขนาดใหญจะถูกแยกออกจากละอองขนาดเล็กใน spray-chamber โดยที่ละอองขนาดเล็ก (ประมาณ 1-10ไมครอน) จะถูกเคล่ือนยายโดยกาซอารกอนและไหลเวียนเขาสูใจกลางของ ICP-AES (เปนอารกอนพลาสมา) สวนละอองขนาดใหญกวา 90% จะถูกปมออกไปเปนของเสีย

พลาสมา

การจะสรางใหเกิดการปลดปลอยพลังงานอะตอมออกมาจากธาตุแตละชนิดนั้น จําเปนตองใชอุณหภูมิท่ีสูงกวาอุณหภูมิของเปลวไฟโดยปกติท่ัวไป โดยอุณหภูมิท่ีเกิดการปลดปลอยอะตอมที่สูงท่ีสุดจะอยูในชวงประมาณ 7,000-10,000 เคลวิน โดยวิธีการที่จะทําใหสามารถกําเนิดอุณหภูมิไดสูงขนาดนี้ทําโดยการใหกําเนิดพลาสมาของกาซเฉื่อย ซ่ึงพลาสมาก็

13

คือกาซท่ีมีความเขมขนของอิเล็กตรอนอิสระและมีไอออนท่ีมีประจุมากและถือเปนตัวกลางที่มีประสิทธิภาพมากสําหรับการระเหยกลายเปนไอและการแตกตัวเปนอะตอมหรือไอออนของละอองของเหลว และเม่ือละอองของเหลวเขาไปสูพ้ืนท่ีรอนของพลาสมาพวกมันจะถูกปกคลุมดวยอนุภาคเกลือโดยกระบวนการ desolvation ซ่ึงอนุภาคเกลือเหลานี้จะถูกแยกออกเปนโมเลกุลเดี่ยวๆซึ่งจะเกิดภายหลังจากการแยกเปนอะตอมหรือไอออนแลว ธาตุสวนใหญจะถูก ไอออไนซไดอยางมีประสิทธิภาพ (กวา 90%) โดยแทบจะไมมีโมเลกุลท่ีอยูในสถานะพื้นปรากฏในพลาสมาเลย ภาพที่ 8 ภาพแสดงการกําเนิดพลาสมาใน ICP-AES ท่ีมา: Bradford T. and M. Nicole Cook (2003) ภาพที่ 9 ภาพแสดงการปลอยคลื่นสเปคตรัมออกมาจากอิเล็กตรอน ที่มา: Bradford T. and M. Nicole Cook (2003)

14

ในพลาสมา จะมีพลังงานที่ถูกถายเทเขาสูอะตอมและไอออนจํานวนมาก ซ่ึงเปนการชวยใหเกิดการกระตุนอิเล็กตรอนใหสามารถ เขาสูชวงระดับพลังงานสูงได และเม่ืออะตอมและไอออนท่ีถูกกระตุนเหลานี้กลับเขาสูสภาวะพ้ืน (ground state) หรือกลับเขาสูสภาวะพลังงานกระตุนระดับต่ํากวา พวกมันก็จะปลดปลอยรังสีคล่ืนแมเหล็กไฟฟาในชวงสเปคตรัมของรังสีเหนือมวงดังภาพที่ 9 ธาตุท่ีถูกกระตุนแตละชนิดจะปลอยสเปคตรัมท่ีมีความยาวคลื่นเฉพาะของแตละธาตุออกมา ความเขมของการแผรังสีจะเปนสัดสวนโดยตรงกับความเขมขนของธาตุ ทําใหสามารถวัดความเขมขนของธาตุน้ันได ปจจุบันมีธาตุมาตรฐานท่ีใชกับ ICP-AES ซ่ึงชวยใหสามารถวิเคราะหธาตุในปริมาณมากได และชวยใหการวิเคราะหมีความแมนยํามากขึ้น สเปคโตรมิเตอรและตัวตรวจวัด สเปคโตรมิเตอร เปนเครื่องมือท่ีมีองคประกอบหลายอยาง ดังภาพที่ 10 โดยจะประกอบไปดวยสวนกระจกหรือปริซึมและตัวตรวจวัด โดยกระจกหรือปริซึมจะใชเพื่อแยกสเปคตรัมในชวงความยาวคลื่นท่ีสนใจออกมา และเพราะทิศทางการแผรังสีของอะตอมน้ันจะเปนเสนท่ีแคบมาก จึงจําเปนตองมีตัวตรวจวัด (detector) ท่ีมีความละเอียดสูงเพ่ือใหสามารถตรวจวัดไดอยางแมนยํา นอกจากนี้ ยังตองทําการตรวจวัดหลายๆคลื่น เพ่ือใหสามารถวัดปริมาณธาตุทุกชนิดท่ีสนใจในเวลาเดียวกันได โดยตัวตรวจวัดท่ีนิยมใชในเคร่ือง ICP-AES ในปจจุบันคือตัวตรวจวัดชนิด CCD เพราะมีคุณสมบัติท่ีท่ีสามารถทําไดท้ัง 2 อยาง (ท้ังมีความละเอียดสูงและตรวจวัดไดพรอมกัน)

ภาพที่ 10 ภาพแสดงแผนผังภายในของสเปคโตรมิเตอรใน ICP-AES ท่ีมา: Bradford T. and M. Nicole Cook (2003)

15

การปลดปลอยสเปคตรมัการปลดปลอยสเปคตรมั

สามารถนํามาเขียนกราฟของความเขมของการแผรังสี (แกน y) กับ ความยาวคลื่น (แกน x)ไดดังภาพที่ 11 โดยจะสังเกตไดวา แมสัญญาณจากพลาสมาไอออนที่ถูกสรางขึ้นจะมีมากกวา แตก็ยังคงมีอะตอมอิสระปรากฏอยูบาง ซ่ึงท้ังคูจะถูกกระตุนและปลอยรังสีออกมา และเพราะวามีการเปล่ียนแปลงท่ีแตกตางกันมากมายเกิดข้ึนระหวางสภาวะกระตุนท้ังหลาย เชน โซเดียมมี สภาวะกระตุน 6 ข้ันซึ่งจะสามารถใหกําเนิดคลื่นสเปคตรัมไดถึง 15 ชวงคลื่น จึงทําใหยากใน การจะตรวจวัดสเปคตรัมท่ีถูกปลอยออกมาวาเปนของธาตุชนิดใดและสเปคตรัมท่ีถูกปลอยออกมานี้ ยังอาจมีความยาวคลื่นซอนทับกับสเปคตรัมท่ีปลอยจากมาจากธาตุอ่ืนได แตสําหรับในธรรมชาติแลว สเปคตรัมท่ีถูกปลอยออกมาของธาตุแตละชนิดจะมีลักษณะคอนขางคงท่ี ดังนั้นการซอนทับกันของสเปคตรัมท่ีความยาวคลื่นตางๆ จากธาตุท่ีแตกตางกันจึงส า ม า ร ถ ค า ด เ ด า ไ ด แ ล ะ ใ ช เ ก็ บ เ ป น ข อ มู ล ใ น ก า ร วิ เ ค ร า ะ ห ผ ล ไ ด

ภาพที่ 11 ภาพแสดงกราฟการวัดสเปคตรัมของตัวอยาง ที่มา: Bradford T. and M. Nicole Cook (2003) ก า ร เ ชื่ อ ม ต อ ICP กั บ MS ICP-MS นิยมใชในการวิเคราะหแบบหลายธาตุ (multi-element) โดยใชพลาสมาเผาตัวอยางใหแตกตัวเปนอะตอมหรือไอออนเชนเดียวกับ ICP แตแตกตางกันท่ีตัวตรวจวัดไมใชสเปคโตรมิเตอรจึงไมไดตรวจวัดดวยปริมาณแสงหรือสเปคตรัม แตจะตรวจวัดดวยปริมาณ

16

ไอออน โดยเม่ือเกิดไอออนของธาตุท่ีนํามาวิเคราะหแลวจะนํากลุมของไอออนเหลานั้นผานออกมาจากชองตรงกลางของพลาสมาแลวเขาไปยัง mass spectrometer จากนั้น จึงแยกไอออนออกเปนสวนๆโดยอาศัยความแตกตางของสัดสวน มวลตอประจุ ของไอออนแตละชนิด โดยใช quadrapole หรือ magnetic sector analyzer โดยไอออนที่เกิดข้ึนเหลานี้จะมีคา background ต่ํามาก จึงมี detection limit ท่ีดีมากกับทุกๆธาตุ ซ่ึงโดยปกติแลวจะสามารถวัดไดถึงระดับ ppt ภายใตการควบคุมสภาพแวดลอมท่ีดี

ขอดีและขอจํากัดของ ICP-AES

ขอดีของ ICP-AES

1. ตรวจวัดธาตุไดมากถึง 70 ชนิด (ตามทฤษฎี) ไดภายในการวิเคราะหเพียงครั้งเดียว 2. เครื่องมือทํางานไดอยางอัตโนมัติ ทําใหสามารถปรับปรุงความแมนยํา ความถูกตอง และทํางานไดมากในเวลาอันรวดเร็ว

3. ใหผลผลิตสูงและใชคาใชจายในการวิเคราะหท่ีคุมคากับผลท่ีไดรับ

4. สามารถสงขอมูลเขาสูระบบ LIMS ไดทันที โดยที่ไมตองกังวลถึงความผิดพลาดระหวางการใสขอมูลใหมดวยตัวเอง (manual)

5. ICP มีชวงการทํางานที่กวาง สําใหสามารถวิเคราะหธาตุไดหลายชนิด

ขอจํากัดของ ICP-AES

1. เครื่องมือมีความซับซอนทําใหตองการผูเช่ียวชาญในการควบคุมเครื่องมือ

2. ชวงความยาวคลื่นของสเปคตรัมแตละธาตุมีความใกลเคียงกันมากและมีความซับซอน จึงอาจเกิดสัญญาณรบกวนในการตรวจวัดได

3. เม่ือเปรียบเทียบกับเครื่อง AA แลวตัวอยางที่จะใชกับ ICP จะตองผานการยอยและทําใหเปนสารละลายกอนจึงจะนํามาวิเคราะหได

4. ตองควบคุมอุณหภูมิและความชื้นอยางเขมงวดเพ่ือใหการทํางานสามารถทําไดอยางไมผิดพลาด

17

เทคโนโลยีของ ICP ในปจจุบัน

iCAP ICP-MS

เทคโนโลยีน้ีเปนเทคโนโลยีของ Thermo Electron Coperation โดย iCAP ICP-MS เปนเครื่อง ICP ท่ีมีการข้ึนรูปโครงสรางหลักดวยอลูมิเนียมหลอและออกแบบตามหลักการ Ergonomic ทําใหเครื่อง ICP ซ่ึงแตเดิมจะมีลักษณะเปนกลองเหล่ียมกลายเปนเคร่ืองท่ีมีลักษณะโคงมน โดยมีบานประตูท่ีสามารถเปดออกไดกวางถึง 270 องศา และมีพ้ืนท่ีภายในคอนขางกวางจึงทําใหสามารถติดตั้งอุปกรณเสริมตางๆไดงายขึ้น และยังออกแบบใหเปนแบบ “plug and play” โดยมีคบพลาสมาเปนชนิดท่ีถอดออกเปนช้ินๆ ได ทําใหการเชื่อมตอระบบกาซ และการปรับแนวเสนตรงของระบบทางเดินแสงไดอยางอัตโนมัติ เพียงแคทําการใสคบดังกลาวนี้เขาไปในชองสําหรับบรรจุเทานั้น สวนอุปกรณท่ีชวยใหเกิดพลาสมาเปนแบบ Solid State, Free Running มีความถี่ท่ี 27.12 เมกะเฮิรต ซ่ึงจะสงผลใหมีระดับของการกระตุนท่ีสูงกวา มีการรบกวนที่นอยลง มีสภาพไวสูง และมี detection limit ท่ีดีกวา นอกจากนี้ ตัวตรวจวัด (Detector) ยังเปนแบบ CID (Charge Injection Device) ซ่ึงมีลักษณะเดนหลายอยาง เชนสามารถแสดงผลแบบไมมีการทําลาย (Non-destructive Readout) โดยจะปลอยสัญญาณความเขมของแสงที่สูงออกมาอยางรวดเร็วในขณะท่ีสัญญาณความเขมท่ีต่ํากวาจะถูกสะสมดวยระยะเวลาที่ยาวนานกวา จึงสามารถมั่นใจไดวาจะไดคาสัญญาณความเขมของแสงตอสัญญาณรบกวน (signal-to-noise) ท่ีเหมาะสมนอกจากนี้ ยังสามารถทําการประมวลผลโดยการเขาถึงแบบสุมอยางแทจริง (True Random Access Integration) ไดอีกดวย

ภาพที่ 12 ภาพแสดงเครื่อง ICP-MS ที่มา: เอกดนัย กอกิมพงษ (2005)

18

Adaptive Integration Technology (AIT) & Image Mapping Technology (I-MAPTM)

เทคโนโลยีท้ัง 2 ชนิดนี้เปนของ VARIAN, INC. โดยเปน เทคโนโลยีท่ีเกิดจากการออกแบบตัวตรวจวัดท่ีเปน CCD ทําใหการตรวจวัดสามารถทําไดอยางมีประสิทธิภาพมาก โดย AIT คือ เทคโนโลยีท่ีชวยใหสามารถทําการวัดตัวอยางไดพรอมกันเพ่ือใหไดผลการตรวจสอบที่สูงท่ีสุดและถูกตอง และสามารถทําซ้ําไดภายในระยะเวลาเพียง 10 วินาที โดย AIT จะใชเวลาในการเก็บและอานผลสั้นในตัวอยางที่มีความเขมขนสูง และใชเวลานานในการอานผลตัวอยางที่มีความเขมขนต่ํา ซ่ึงจะทําใหไดอัตราสัญญาณความเขมของแสงตอสัญญาณรบกวนต่ํา สวน I-MAPTM จะชวยใหความยาวคลื่นท่ีเกิดข้ึนท้ังหมดสามารถที่จะตรวจวัดไดในการอานเพียงครั้งเดียว โดยไมจําเปนตองทําการวิเคราะหหลายครั้ง ทําใหมีอัตราการสงถายตัวอยางสูงข้ึน นอกจากนี้ เทคโนโลยีของตัวตรวจวัดชนิดนี้ยังชวยควบคุมอุณหภูมิใหคงที่ทําใหสามารถทําการวิเคราะหไดอยางรวดเร็วอีกดวย

ภาพที่ 13 ภาพแสดงเครือ่ง ICP ที่ใชเทคโนโลยี AIT และ I-MAP ที่มา: เอกดนัย กอกิมพงษ (2005) Unique sheath gas เทคโนโลยีน้ีเปนของ HORIBAJOBIN YVON โดย unique sheath gas จะชวยใหการวิเคราะหตัวอยางทําไดอยางตอเน่ืองดวยการใชเกลือปริมาณสูงท่ีระดับถึง 30% โดยไมเกิดการอุดตันภายในหัวฉีด โดย sheath gas จะผลิตสภาวะพลาสมาโดยตรงในตัวอยาง ขณะที่จะสามารถปรับปรุง detection limit สําหรับธาตุจําพวกโลหะอัลคาไลนไดรวมกันกับหลอดฉีดขนาด 3 มิลลิเมตร sheath gas จะสามารถพาตัวอยางใหกาํเนิดเปนพลาสมาที่เปนสภาวะกระตุนไดมากกวา สวนการพากาซอารกอนจะทําโดย sheath gas pocket ตัวอยางจึงไมถูก

19

สัมผัสกับผนังของ nebuliser เลย ดังนั้นจึงลดการอุดตนัของ nebuliser ได

ภาพที่ 14 ภาพแสดงเครื่อง ICP ท่ีมีเทคโนโลยี Unique sheath gas ที่มา: เอกดนัย กอกิมพงษ (2005) การใชประโยชนของ ICP

การวิเคราะหดานสิง่แวดลอม

ICP มีประโยชนอยางมากในงานวิเคราะหทางดานสิ่งแวดลอม โดยมักจะใชจะใช ICP-MS หรือ LC-ICP-MS ในการวิเคราะห โดยเฉพาะในการจําแนกและวิเคราะหชนิดของธาตุตางๆในสิ่งแวดลอมธรรมชาติ ไมวาจะเปน ดิน นํ้า หิน แร หรือพืช แมวาตัวอยางเหลานี้จะมีองคประกอบของธาตุในปริมาณที่แตกตางกัน แตก็สามารถตรวจวิเคราะหดวย ICP ได เพราะ ICP มี detection limit ต่ําและมีความไวสงูสามารถตรวจสอบผลที่เกิดจากการรบกวนของอะตอมไดในระดับต่ําและสามารถระบุความเขมขนของธาตุไดในระดบัถึง ppb หรือ ppt นอกจากนี้ ICP ยังไมไดวิเคราะหไดเฉพาะธาตคุนละชนิดกันเทานั้น แตยังสามารถวิเคราะหธาตุชนิดเดียวกันท่ีมีไอโซโทปตางกันไดอีกดวย

การวิเคราะหอาหาร

เนื่องจาก ICP นิยมใชในการตรวจสอบสารอนินทรีย จึงสามารถนํามาใชในการหาสารพิษในตัวอยางอาหาร รวมทั้งสามารถนําไปตรวจสอบหาโลหะที่ปนเปอนอยูในอาหารไดดวยนอกจากนี้ ในอุตสาหกรรมอาหารและการเกษตร ยังสามารถใช ICP ในการตรวจสอบสารพิษ และสารอาหารที่จําเปนใน ดิน ปุยเนื้อเย่ือพืช และเนื้อเย่ือสัตวได และยังมีความแมนยําสูงในการตรวจหาปริมาณโซเดียม เหล็ก และแคลเซียมในอาหารอีกดวย

20

สรุป

ICP เปนเครื่องมือท่ีมีประโยชนมากในการวิเคราะหธาตุเพราะสามารถวิเคราะหธาตุไดเปนจํานวนมากไดในเวลาเดียวกันและยังสามารถวิเคราะหไอโซโทปแตละชนิดของธาตุชนิดเดียวกันไดดวย และดวยเทคโนโลยีในปจจุบัน ทําให ICP เปนเคร่ืองมือท่ีมีความไวมากขึ้น และแมนยําข้ึน ทําใหการใชงานเครื่องมีประสิทธิภาพของผลการวิเคราะหไดดีข้ึน นอกจากนี้ยังสามารถนํา ICP ไปเช่ือมตอกับอุปกรณอ่ืน เชน ICP-MS ทําใหขอบเขตการใชงานของเครื่องมีมากขึ้น ซ่ึงก็จะทําใหเครื่อง ICP สามารถนําไปใชประโยชนไดมากข้ึนตามไปดวย (เอกดนัย กอกิมพงษ, 2005)

เคร่ืองมือท่ีใชในการตรวจสอบลักษณะพื้นผิวของเสนใยภายหลังการผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก

กลองจุลทรรศนอิเล็คตรอน ชนิด SEM สามารถใชในการตรวจสอบพื้นผิวของวัสดุได โดยมีหลักการทํางานโดยสังเขป ดังนี ้

ภาพที่ 15 ภาพแสดง JEOL JSM 5800 Scanning Electron Microscope

ท่ีมา: State University of New York Collage (2007)

กลองจุลทรรศนอิเล็คตรอนชนิด SEM เปนเทคนิคการทําใหเกิดการขยายภาพโดยใชลําอิเล็คตรอน ภาพจากกลอง SEM จะเปนภาพ 3 มิติท่ีมีกําลังขยายสูงมาก แตจะเปนภาพขาว-ดํา โดยตัวอยางที่จะนํามาศึกษาจะตองแหง และผานการเตรียมมาอยางดี เพราะกลอง SEM จะใหแสงสวางโดยใชลําอิเล็คตรอน ดังนั้นตัวอยางที่นํามาศึกษาจึงตองสามารถนํากระแสไฟฟาได

21

โดยการฉาบตัวอยางดวยทอง โดยใชเครื่องท่ีเรียกวา sputter coater จากนั้นจึงนําตัวอยางไปวางไวใหตรงกับตําแหนงลํากลองบนแทนวางวัตถุ จากนั้นอากาศจะถูกดูดออกจากลํากลอง แลวแหลงกําเนิดอิเล็คตรอน (electron gun) ท่ีอยูทางดานบนจะปลอยลําอิเล็คตรอนที่มีพลังงานสูงออกมา โดยลําอิเล็คตรอนจะพุงลงมาผาน magnetic lenses แตละช้ัน ซ่ึงถูกออกแบบมาอยางดีใหสามารถโฟกัสไดตรงจุดท่ีวางตัวอยาง จากนั้น scanning coil จะเปนตัวเคล่ือนลําอิเล็คตรอนผานตัวอยางทีละแถว เม่ือลําอิเล็คตรอนผานแตละจุดบนตัวอยาง อิเล็คตรอนซ่ึงอยูบนผิวของตัวอยางจะหลุดออกมา เครื่อง detector จะตรวจจับอิเล็คตรอนไว แลวสงสัญญาณไปยังเคร่ืองขยายสัญญาณ แลวภาพก็จะถูกสรางขึ้นจากจํานวนอิเล็คตรอนท่ีตรวจนับไดดังภาพที่16 ภาพที่ 16 ภาพแสดงสวนประกอบและหลักการทํางานของ SEM ท่ีมา: Museum of Science, Boston, (1996) นอกจากนี้ ใน JEOL JSM 5800 Scanning Electron Microscope ยังมีการนําเทคนิค Energy Dispersive X-ray spectrometer หรือ EDS มาใชรวมดวย โดย X-ray spectrometer จะเปล่ียน X-ray photon ใหเปนคล่ืนไฟฟาท่ีมี amplitude และความยาวคลื่นจําเพาะ แลวเครือ่งจะตรวจวัด X-ray photon ท่ีเขาไปยังเคร่ือง แลวแสดงผลออกทางหนาจอเปนกราฟแสดงความถี่ของคล่ืน X-ray โดย peak ของคล่ืนท่ีสูงข้ึนมาจะมีความสัมพันธกับสเปกตรัมของธาตุท่ีเปนองคประกอบอยูภายในตัวอยางที่นํามาศึกษา ดังภาพที่ 14 และ 15

22

ภาพที่ 17 ภาพแสดงสวนประกอบและหลักการทํางานของ EDS ท่ีมา: McSwiggen & Associates (2005) ภาพที่ 18 ภาพแสดงตัวอยางกราฟที่ไดจากเครื่อง EDS ท่ีมา: McSwiggen & Associates (2005)

23

บทที่ 3 วิธีดําเนินการวิจยั

วัสดุ อุปกรณ และสารเคมี วัสดุ อุปกรณ 1. เสนใย flax ท่ีผานการแชนํ้าแลวนํามาปนยอยเปนเสนใย 2. เสนใย flax ซ่ึงไดจากการคาในแถบยุโรป 3. เสนใย cotton เก็บรวบรวมจากเครื่องกรอฝายชนิด vertex spinning 4. เสนใย cotton จากเศษ cotton ซ่ึงเหลือจากการใชแปรงทําความสะอาดเสนใย 5. Instron CRE tensile tester 6. Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer (ICP-AES) 7. JEOL JSM 5800 Scanning Electron Microscope 8. fiberglass screen pouches

9. เครื่องปนเหวี่ยง 10. จานเพาะเชื้อ (Petri dishes) 11. กระบอกตวง 12. บีกเกอร 13. แทงแกวคนสาร 14. ชอนตักสาร

สารเคมี 1. กรดซิตริก ความเขมขน 0.6 M 2. คอปเปอรคลอไรด ความเขมขน 20 mM 3. กรดอะซิติก ความเขมขน 0.02 M 4. สารละลายโซเดียมอะซิเตต ความเขมขน 0.03 M 5. Ultrex HNO3 เขมขน 4% 6. นํ้ากลั่นปราศจากไอออน

24

วิธีดําเนินการวิจัย ข้ันท่ี 1 กระบวนการผลิต nonwoven mats (Mat production) 1. นําเสนใยของ flax และ cotton มาผสมกัน จากนั้นนําไปปนรวมกัน ผลิตเปน nonwoven mats 4 ชนิดคือ 100% flax, 75/25 flax/cotton, 50/50 flax/cotton และ 100% cotton 2. พับ nonwoven mats ท่ีมีอัตราสวนผสม 75/25 flax/cotton ใหเปนหนา 1 ช้ัน และเจาะรู 1 รู (single punched mats) เพ่ือใหกรดซิตริกซึมเขาไปในเสนใยได 3. พับ nonwoven mats ท่ีมีอัตราสวนผสม 100% flax ใหเปนหนา 3 ช้ัน และเจาะรู 2 รู (double punched mats) เพื่อใหกรดซิตริกซึมเขาไปในเสนใยได 4. ตัด nonwoven mats ใหมีขนาด 10 cm X 10 cm ข้ันท่ี 2 กระบวนการนํา nonwoven mats มาปรับสภาพดวยกรดซิตริก (Citric acid treatment) 1. นํา nonwoven mats ขนาด 10 cm X 10 cm มาใสใน Petri dishes 2. เติมกรดซิตริกเขมขน 0.6 M ปริมาตร 7 ml ตอนํ้าหนัก nonwoven mats 1 กรัม ท้ิงไว 1 ช่ัวโมงหรือจนกวาสารละลายที่เติมลงไปเกือบจะหมดไปจาก Petri dishes 3. เติมน้ํากล่ันปราศจากไอออนปริมาตรเทากับกรดซิตริกท่ีใชในขอ 2 ลงใน nonwoven mats ท่ีนําไป treated ดวยน้ํา ท้ิงไวเชนเดียวกับขอ 2 4. นํา nonwoven mats ท้ังท่ีผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกและน้ําไปทําใหแหงท่ีอุณหภูมิ 60OC ตลอดทั้งคืน จากนั้นนํามาใหความรอนอีก 120OC เปนเวลา 1.5 ช่ัวโมง 5. นํา nonwoven mats ไปใสใน fiberglass screen pouches แลวเติมน้ํา 3 ลิตร จากน้ันนําไปปนเหวี่ยงเปนเวลา 1.5 ช่ัวโมง เพ่ือลางเอากรดซิตริกท่ีไมทําปฏิกิริยาออก 6. นําตัวอยางที่ผานการทําความสะอาดแลวไปทําใหแหงท่ีอุณหภูมิ 60OC ตลอดทั้งคืน ข้ันท่ี 3 การทดสอบความแข็งแรงและความหนาของเสนใย (Strength and thickness tests) นําการ nonwoven mats ท้ัง 3 ชนิดไดแก non-treated, water-treated และ citric acid-treated ไปทดสอบเพื่อวิเคราะหความแข็งแรงและความหนาของเสนใย โดยใชเครื่อง Instron CRE tensile tester โดยมีข้ันตอนดังนี้ 1. ตัด nonwoven mats ท้ัง 3 ชนิดใหมีขนาด 2.5 cm X 10 cm จากนั้นนําไปใสไวท่ีแทนยึดวัตถุของเคร่ือง หนีบใหแนน

2. ใชแรงในการดึงเสนใย 500 นิวตัน ความเร็วในการดึง 381 มิลลิเมตรตอนาที เสร็จแลวกดปุม start รอผลจากเครื่อง

25

3. นําคาแรง ณ จุดแตกหักของเสนใย และคาความยาวท่ีมากที่สุดท่ีเสนใยสามารถยืดออกไดมาเปรียบเทียบกับมาตรฐาน ASTM D 5035-03 (Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics [Strip Method]) 4. นําความหนาของเสนใยท่ีไดมาเปรียบเทียบกับมาตรฐาน ASTM D1777-02 (Standard Test Method for Thickness of Textile Materials)

ข้ันท่ี 4 การทดสอบความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงของเสนใย

(Copper ion adsorption) 1. นํา nonwoven mats ท้ังสามชนิดมาชนิดละ 0.25 กรัม ใสในบีกเกอร 2. เติมสารละลายคอปเปอรคลอไรดเขมขน 20 mM ปริมาตร 25 มิลลิลิตร ลงในบีก

เกอรในขอ 1 3. เติมสารละลายบัฟเฟอรท่ีมี pH เปน 4.8 ซ่ึงเตรียมจากกรดอะซิติกเขมขน 0.02 M

และสารละลายโซเดียมอะซิเตตเขมขน 0.03 M ลงในบีกเกอรในขอ 2 4. นําบีกเกอรจากขอ 3 ไปปนเหวี่ยงเปนเวลา 24 ช่ัวโมง ท่ีความเร็วรอบ 300 รอบตอ

นาที 5. กรองสารละลายจากขอ 4 ผานตัวกรองขนาด 0.45 ไมโครเมตร แลวทําใหเจือจางใน

Ultrex HNO3 เขมขน 4% 6. นําสารละลายที่ไดจากกระบวนการท้ังหมดไปตรวจวัดปริมาณไอออนทองแดงโดยใช

เครื่อง ICP-AES Spectrometer โดยใชความยาวคลื่น 324 นาโนเมตร ข้ันท่ี 5 การตรวจสอบลักษณะของเสนใยโดยใชเคร่ือง SEM (Scanning electron

microscopy) นํา untreated-mats และ citric acid-treated mats ขนาด 4 ตารางมิลลิเมตร ท่ีทําจาก flax 100% มาตรวจสอบลักษณะโครงสรางที่เปล่ียนแปลงไปภายหลังการผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก โดยใชเครื่อง JEOL JSM 5800 Scanning Electron Microscope

26

บทที่ 4 ผลการวิเคราะหและการแปลผล

1.คุณสมบัตขิอง nonwoven mat ท่ีทําจาก flax

ตารางที่ 1 ตารางแสดง Weight yield และความสามารถในการดดูซบัไอออนทองแดงของ treated และ non-treated nonwoven mats ท่ีทําจาก flax (ท่ีมา : Wayne E.M. และคณะ , 2007)

Mat type Treatment Weight yield (%) Copper ion absorption (mmol/g) Non-treated -* 0.10

Water 89.4±0.1 0.01 Single-

punched

Citric acid 121±3 1.31±0.14 Non-treated - 0.00

Water 90.5±0.1 0.00 Double-punched

Citric acid 111±0 1.39±0.10

หมายเหตุ * - หมายถึง ไมสามารถตรวจสอบได จากตารางจะเห็นไดวา non-treated และ water treated mats ไมวาจะทําใหเปน single-punched หรือ double-punched mats มีความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงไดต่ํามาก แตเม่ือนํา nonwoven mats ท้ังสองแบบไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกแลว ผลปรากฏวา สามารถดูดซับไอออนทองแดงไดสูงข้ึนมาก และยังมีเปอรเซ็นต weight yield หรือนํ้าหนักของ mats เพ่ิมข้ึนดวย แตอยางไรก็ตาม ไมวาจะทํา mat ออกมาในรูปแบบของ single-punched หรือ double-punched ความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงก็มิไดแตกตางกันมากนัก โดยจะเห็นวา double-punched mats สามารถดูดซับไอออนทองแดงไดสูงกวา single-punched mat เพียงเล็กนอยเทานั้น

และจากตารางยังเห็นไดวา nonwoven mats ท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกจะมีคาเพ่ิมข้ึนเกิน 100% ซ่ึงนั่นอธิบายวา นํ้าหนักท่ีเพ่ิมข้ึนมาจากการที่กรดซิตริกเขาไปในเสนใย โดยเกาะอยูกับสายเซลลูโลสภายในเสนใย นํ้าหนักของ mats จึงเพ่ิมข้ึน แตการท่ี weight yield ของ nonwoven mats ท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยน้ํามีคาลดลงนั้น เนื่องจากปริมาณของเสนใยบางสวนสูญเสียไประหวางที่มีการลางทําความสะอาดเสนใย และโมเลกุลของนํ้าก็ไมไดเขาไปเกาะอยูกับสายเซลลูโลสในเสนใยดวยเปอรเซ็นต weight yield จึงลดลงต่ํากวา 100%

27

2. คุณสมบัติของ nonwoven mat ท่ีทําจาก flax ผสม cotton

2.1 ผลการทดลองเสนใยชุดท่ี 1 : คุณสมบัติของ nonwoven mat ท่ีทําจาก flax ท่ีผานการแชนํ้าแลวนํามาปนยอยเปนเสนใย ผสมกับ cotton ท่ีไดจากเศษ cotton ซ่ึงเก็บรวบรวมจากเครื่องกรอฝายชนิด vertex spinning

ตารางที่ 2 ตารางแสดง Weight yield, ความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดง, ความแข็งแรงและความหนาของ non-treated และ treated flax,cotton and flax/cotton blends (ท่ีมา : Wayne E.M. และคณะ, 2007))

Mat type Treatment Weight yield

(%)

Copper ion absorption (mmol/g)

Strength at peak load (N)

Non-treated -* 0.10 36.9±2.2 Water 91 0.05 47.6±12.2 Flax 100%

Citric acid 119±3 1.06±0.18 15.8±3.7 Non-treated - 0.13 30.3±8.8

Water 91 0.15 32.8±4.4 Flax/cotton

75/25 Citric acid 111±1 1.16±0.06 16.1±1.9

Non-treated - 0.11 28.9±2.4 Water 91 0.16 30.5±7.3

Flax/cotton 50/50

Citric acid 110±1 0.83±0.15 16.3±1.6 Non-treated - 0.01 12.9±2.5

Water 95 0.04 12.3±5.6 Cotton 100% Citric acid 103±3 0.54±0.22 13.9±2.8

หมายเหตุ * - หมายถึง ไมสามารถตรวจสอบได จากตารางจะเห็นไดวา weight yield ของ nonwoven mats ซ่ึงถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยน้ําจะสูญเสียไปประมาณ 10% อันเนื่องมาจากการลางเสนใย แต weight yield ของ nonwoven mats ท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกจะมีคามากข้ึน โดยเฉพาะอยางย่ิง nonwoven mats ท่ีทําจาก flax 100% จะมี weight yield สูงท่ีสุด แต nonwoven mats ท่ีทําจาก cotton 100% จะมี weight yield ต่ําท่ีสุดในบรรดา nonwoven mats ท่ีถูกนําไปผานการปรรับสภาพดวยกรดซิตริก ซ่ึงแสดงใหเห็นวา กรดซิตริกสามารถเขาไปจับกับเซลลูโลสภายในเสนใย flax ไดดีกวาเสนใย cotton และจากตารางเชนเดียวกัน จะเห็นวา เสนใยท่ีดูดซับไอออนทองแดงไดดีคือเสนใยท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกเทานั้น ซ่ึง nonwoven mats ท่ีสามารถดูดซับไอออน

28

ทองแดงไดมากจะผลิตจากเสนใย flax 100% และ 75% แต nonwoven mats ท่ีผลิตจากเสนใย cotton 50% และ 100% จะดูดซับไอออนทองแดงไดนอยกวา nonwoven mats ท่ีมีสวนผสมของ flax สูง ๆ ซ่ึงการที่เสนใย cotton สามารถดูดซับไอออนทองแดงไดนอย เน่ืองจากเสนใย cotton จะมีชั้นคิวติเคิล (cuticle) ท่ีหนาเคลือบอยู จึงเปนตัวขัดขวางไมใหสารตาง ๆ สามารถผานเขาไปภายในเสนใยได ดังนั้นกรดซิตริกจึงเขาไปทําปฏิกิริยากับเซลลูโลสท่ีอยูภายในเสนใยไดนอย จากการที่เสนใย flax สามารถดูดซับไอออนทองแดงไดมากกวาเสนใย cotton เนื่องจากการในกระบวนการผลิตเสนใยเสนใย flax ท่ีมีการแชตน flax ในน้ํากอนท่ีจะนํามาปนเอาเสนใย ทําใหสิ่งมีชีวิตกลุมฟงไจ (fungi) จะเขาไปยอยสลายตน flax ทําใหช้ันคิวติเคิลท่ีเคลือบอยูดานนอกเสนใยถูกยอยสลายออกไป ดังนั้นเม่ือนํา nonwoven mats ท่ีผลิตจาก flax ไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกแลว กรดซิตริกจึงเขาทําปฏิกิริยากับเซลลูโลสที่อยูภายในเสนใยไดงาย ซ่ึงเสนใย cotton นอกจากในขั้นตอนการผลิตจะไมไดถูกนําไปแชนํ้าแลว ตัวเสนใยเองยังมีช้ันคิวติเคิลท่ีหนามาก ปจจัยนี้เองจึงมีอิทธิพลตอการเขาทําปฏิกิริยาของกรดซิตริก อยางไรก็ตาม nonwoven mats ท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกจะมีความแข็งแรงลดลง แตจะเห็นไดวา nonwoven mats ท่ีทําจาก cotton 100% เมื่อนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดแลวมิไดมีความแตกตางจากความแข็งแรงของ mats ท่ีทําจาก cotton ซ่ึงเปนแบบ non-treated และ water-treated เน่ืองจากกรดซิตริกสามารถเขาไปทําปฏิกิริยาภายในเสนใยไดนอยดังเชนท่ีไดกลาวไปแลวขางตน นอกจากนี้ยังเห็นไดวาใน mats ท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก ซ่ึงเปน mats ท่ีมีสวนผสมของ flax อยูในปริมาณมาก จะมีความแข็งแรงต่ํากวา mats ท่ีมีสวนผสมของ flax อยูนอย ซ่ึงเปนไปตามที่ไดอธิบายแลววา กรดซิตริกเขาไปภายในเสนใย flax ไดดี และการท่ี mats ซ่ึงถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกมีความแข็งแรงลดลง เน่ืองจากกรดซิตริกจะเขาไปเพิ่มประจุลบบนสายเซลลูโลส ประจุลบจึงเกิดการผลักกัน ทําใหความแข็งแรงของเสนใยลดลง

29

2.2 ผลการทดลองเสนใยชุดท่ี 2 : คุณสมบัติของ nonwoven mat ท่ีทําจาก flax ซ่ึงไดจากการคาในแถบยุโรป ผสมกับ cotton ท่ีไดจากเศษ cotton ซ่ึงเหลือจากการใชแปรง ทําความสะอาดเสนใย

ตารางที่ 3 ตารางแสดง Weight yield, ความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดง, ความแข็งแรงและความหนาของ non-treated และ treated flax, cotton and flax/cotton blends (ท่ีมา : Wayne E.M. และคณะ, 2007)

Mat type Treatment Weight yield

(%)

Copper ion absorption (mmol/g)

Strength at peak load (N)

Non-treated - 0.03 26.1±6.8 Water 94 - 52.4±12.2 Flax 100%

Citric acid 115±2 1.30±0.01 19.2±3.4 Non-treated - 0.03 22.2±2.4

Water 91 0.03 32.6±1.7 Flax/cotton

75/25 Citric acid 113±3 1.18±0.07 14.8±1.3

Non-treated - - 17.5±3.7 Water 91 - 32.1±1.0

Flax/cotton 50/50

Citric acid 109±5 0.68±0.17 13.7±2.1 Non-treated - 0.01 42.1±3.3

Water 94 0.04 40.9±5.6 Cotton 100% Citric acid 105±2 0.80±0.15 25.8±1.5

หมายเหตุ * - หมายถึง ไมสามารถตรวจสอบได จากตารางจะเห็นไดวาแนวโนมของผลการทดลองคอนขางใกลเคียงกับผลการทดลองของเสนใยชุดท่ี 1 น่ันคือ weight yield ของเสนใยท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยน้ําจะลดลงประมาณ 10% และเม่ือเปรียบเทียบความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงของ nonwoven mats ระหวางชุดการทดลองที่ 1 และ 2 จะพบวา mats ในชุดการทดลองที่ 2 จะมีความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงสูงกวา ดังกราฟที่ 1

30

แผนภูมิที่ 1 แผนภูมิแสดงการเปรียบเทียบความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงของ nonwoven mat ในการทดลองชุดท่ี 1 และชุดท่ี 2 2.3 ผลการศึกษาลักษณะของเสนใย flax ทั้งท่ีผานและไมผานการปรับสภาพดวย กรดซิตริกโดยใชกลอง SEM (Scanning Electron Microscope)

ภาพที่ 19 ภาพภายใตกลอง SEM ของ mats ท่ีทําจาก 100% flax (A) แสดงพื้นผิวของ untreated nonwoven mat (B) แสดงพื้นผิวของ citric acid-treated nonwoven mat ท่ีมา : Wayne E.M. และคณะ (2007)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

flax 100% flax:cotton

75%:25%

flax:cotton

50%:50%

cotton 100%

set 1

set 2

Copper ion absorption (mmol/g)

Mat type

31

จากภาพที่ 19 เปนผลการถายภาพเสนใย flax ท่ีอยูภายใน nonwoven mats จากภาพ (A) จะเห็นไดวา แกนภายในของเสนใย flax ไมไดถูกทําลายดวยกรดซิตริกเลย ฉะนั้นความแข็งแรงของเสนใยท่ีลดลงไปนั้นจึงไมสามารถตรวจสอบไดโดยการสังเกตจากลักษณะพื้นผิวภายนอกของเสนใย แตอาจอธิบายไดโดยใชหลักการผลักกันของประจุลบในเสนใย ตามที่ไดกลาวถึงไปแลวในตอนทายของผลการศึกษาคุณสมบัติของ nonwoven mat ท่ีทําจาก flax ผสม cotton ขอ 2.1 3. ราคาของผลิตภัณฑ ราคาของผลิตภัณฑจะข้ึนอยูกับปจจัย 3 ประการคือ 1. ความหนาของ nonwoven mats คือ ถา mats มีความหนามาก ก็จําเปนตองใชเสนใยในการผลิตมาก ตนทุนการผลิตก็จะสูงข้ึน 2. การข้ึนรูปใหเปน nonwoven mats ซ่ึงจําเปนตองใชอุปกรณ เชน เคร่ืองปนเสนใย เครื่องกรอเสนใย หรือแมแตแควศิวกรผูควบคุมการผลิต 3. การบวนการนํา mats ไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก ซ่ึงจําเปนตองใชสารเคมีหลายชนิดตามที่ไดกลาวถึงในระเบียบการวิจัยไปแลวนั้น ราคาตนทุนการผลิตจึงข้ึนกับราคาสารเคมีดวย

32

บทที่ 5 สรุปผลการทดลอง และขอเสนอแนะ

สรุปผลการทดลอง จากงานวิจัยชิ้นนี้ ซ่ึงศึกษาเกี่ยวกับผลของกรดซิตริกท่ีมีตอการดูดซับไอออนทองแดงของ nonwoven mats ท่ีทําจาก 100% flax, flax ผสม cotton, และ 100% cotton พบวา nonwoven mat ท่ีทําจาก 100% flax และท่ีทําจาก flax ผสม cotton ในอัตราสวน 75%/25% สามารถดูดซับไอออนทองแดงไดดีกวา nonwoven mats ท่ีทําจาก 100% cotton และที่ทําจาก flax ผสม cotton ในอัตราสวน 50%/50% นอกจากนี้ยังพบวา nonwoven mats ท่ีถูกนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริกจะมีความแข็งแรงลดลงแทบทุกชนิด ยกเวน nonwoven mats ซ่ึงทําจาก 100% cotton ซ่ึงการสูญเสียความแข็งแรงของเสนใยไมสามารถอธิบายไดโดยอางอิงถึงการเปล่ียนแปลงโครงสรางภายนอกและสวนประกอบของเสนใยได ฉะนั้น nonwoven mats ท่ีผลิตจากเสนใย flax ในปริมาณท่ีมาก แลวนําไปผานการปรับสภาพดวยกรดซิตริก nonwoven mats น้ันจะมีความสามารถในการดูดซับไอออนทองแดงไดดีท่ีสุด ซ่ึงสามารถนําไปผลิตเปนแผนกรอง divalent metal ion ไดโดยการผานสารละลายที่มี divalent metal ion เจือปนอยูเขาไปในคอลัมภได ขอเสนอแนะ 1. ใชเสนใยของพืชชนิดอ่ืนในการวิจัยเพ่ิมเติม เพ่ือศึกษาประสิทธิภาพในการดูดซับไอออนทองแดง อันเปนการเพิ่มมูลคาใหแกพืชเหลานี้ดวย เชน ใยสับปะรด (pineapple) ใยจากตนปอ (jute) เปนตน 2. ใชกรดโพลีคารบอกซิลิกชนิดอื่นท่ีมีหมูคารบอกซิลมากกวากรดซิตริก เพ่ือ treated เสนใยแทนกรดซิตริก ซ่ึงอาจทําให divalent metal ion สามารถเขาไปจับบริเวณหมูคารบอกซิลไดมากขึ้นและประสิทธิภาพในการดูดซับจึงอาจเพิ่มสูงข้ึนได 3. ควรมีการวิจัยตอวา แทจริงแลวการที่ความแข็งแรงของเสนใยลดลงนั้นเปนผลเนื่องมาจากประจุลบของกรดซิตริกท่ีอยูบนเสนใยจริงหรือไม โดยอาจศึกษาโดยใชวิธีอ่ืน เชน ศึกษาภาคตัดขวางของเสนใยภายใตกลอง SEM รวมดวย เพ่ือสังเกตวา ตรงแกนกลางของเสนใยถูกกรดซิตริกเขาไปทําปฏิกิริยาหรือไม

33

4. ควรมีการศึกษาถึงวิธีการนํา divalent metal ion ออกจากเสนใยดวย เพ่ือท่ีจะไดสามารถนําเสนใยกลับไปใชดูดซับไดอีกคร้ังหนึ่ง ซ่ึงจะทําใหเปนการลดตนทุนในการกําจัด divalent metal ion ออกจากน้ําเสีย 5. ควรมีการศึกษาความสามารถของ nonwoven mats ท่ีทําจาก flax ในการดูดซับไอออนของโลหะหนักชนิดอื่น ๆ เชน ปรอท แคดเมียม โครเมียม ตะกั่ว ฯลฯ เพื่อจะไดสามารถนําไปประยุกตใชในการกําจัดโลหะหนักในน้ําท้ิงจากโรงงานอุตสาหกรรมที่มีการเจือปนของโลหะหนักหลายชนิด

34