3

บทท 2

ทฤษฎ

2.1 เสนใยธรรมชาต [2, 7-10]

เสนใยธรรมชาตเปนวสดอนทรยทสาคญ พบไดงายทวไปตามธรรมชาต เสนใยธรรมชาตสามารถแบงไดเปน 3 กลม ตามแหลงกาเนดเสนใยแสดงดงรป 2.1 ซงจาแนกไดดงน 1. เสนใยทไดมาจากพช (Vegetable fiber) ซงรวมถงเสนใยฝาย เสนใยแฟลกซ เสนใยปาน ปอ และพชชนดอนๆ เชน สบปะรด ผกตบชวา ไผ และกลวย เปนตน เสนใยเหลานจะมองคประกอบสวนใหญเปนพวกเซลลโลส (Cellulose) 2. เสนใยทไดมาจากสตว (Animal fiber) เปนเสนใยทไดมาจากสตว เชน แพะ แกะ และไหม เปนตน ซงเสนใยเหลานจะมสวนประกอบของกรดอะมโนตางๆ ประกอบเปนโปรตน

3. เสนใยทไดมาจากแรธาต (Mineral fiber) ซงไมคอยจะนยมใชในงานสงทอปกตแตจะนยมใชกบงานดานทนไฟ และความรอน โดยเฉพาะอยางยงเสนใยหน (Asbestos)

รป 2.1 การจาแนกเสนใยตามแหลงกาเนด [10]

เสนใย

จากแร

ใย

จากพช

ลาตน (ไผ)

เมลด (ฝาย)

ใบ (สบปะรด)

ฯลฯ

จากสตว

ขนสตว

ไหม

ฯลฯ

4

2.1.1 องคประกอบทางเคมของเสนใยธรรมชาต [11]

องคประกอบทางเคมของเสนใยธรรมชาต มความหลากหลายขนกบชนดของเสนใย โดยเสนใยธรรมชาตประกอบดวยพอลเมอรหลก 4 ชนด คอ เซลลโลส (Cellulose) เฮม-เซลลโลส (Hemicellulose) เพกทน (Pectin) และลกนน (Lignin) ซงสมบตแตละองคประกอบจะสงผลตอสมบตของเสนใยดวย องคประกอบทางเคมของเสนใยธรรมชาตชนดตางๆ แสดงดงตาราง 2.1 ตาราง 2.1 องคประกอบทางเคม ปรมาณความชน และมมไมโครไฟบรลลา (Microfibrillar angle)

[1, 12]

Fiber Cellulose

(wt%)

Hemicell-

uloses

(wt%)

Lignin

(wt%)

Pectin

(wt%)

Moisture

content

(wt%)

Waxes

(wt%)

Microfibrillar

Angle (deg)

Bamboo

Flax

60.8

71

18.6-20.6

32.2

2.2

2.3

8-12

1.7

2-10

5-10

Hemp 70-74 17.9-22.4 3.7-5.7 0.9 6.2-12 0.8 2-6.2

Jute 61-71.5 13.6-20.4 12-13 0.2 12.5-

13.7 0.5 8

Kenaf 45-57 21.5 8-13 3-5

Ramie 68.6-76.2 13.1-16.7 0.6-0.7 1.9 7.5-17 0.3 7.5

Nettle 86 11-17

Sisal 66-78 10-14 10-14 10 10-22 2 10-22

Henequen 77.6 4-8 13.1

Banana 63-64 10 5 10-12

Abaca 56-63 12-13 1 5-10

Oil palm

EFB 65 19 42

Oil palm

mesocarp 60 11 46

Cotton 85-90 5.7 0-1 7.85-8.5 0.6 -

Coir 32-43 0.15-0.25 40-45 3-4 8 30-49

5

ในป ค.ศ.1838 Anselme [13,14] ศกษาวาผนงเซลลของพชสวนใหญประกอบดวย

เซลลโลส ซงเปนวสดเสรมแรงภายในผนงเซลล โดยเซลลโลสเปนพอลเมอรเชงเสน (Linear

polymer) สวนเฮมเซลลโลสประกอบดวยกลมของพอลแซกคาไรด (Polysaccharides) เมอกาจดลกนนออกไปองคประกอบทยงคงเหลออยกบเซลลโลส คอ เฮมเซลลโลส ซงสมบตทวไปของเฮ-

มเซลลโลส คอ มมวลโมเลกลตากว าเซลลโลส และเน องจากมนเปนพอลเมอรชอบนา (Hydrophilic polymer) ดงนนจงสงผลตอสมบตการสลายตวตามธรรมชาต การดดความชน และการสลายตวโดยความรอน องคประกอบทสาคญอกชนดหนงคอ ลกนน ทาหนาทเปนสารยดตดภายในผนงเซลล มความเสถยรทางความรอนสง แตมผลกระทบกบการยอยสลายโดยรงสอลตรา-ไวโอเลต (Ultraviolet) สวนองคประกอบสดทาย คอ เพกทน เปนเฮเทอโรพอลแซกคาไรด (Heteropolysaccharides) เปนเมทรกซภายในผนงเซลล

2.1.2 โครงสรางของเสนใยธรรมชาต เสนใยธรรมชาตจาพวกเสนใยพชเปนเสนใยเซลลโลส ประกอบดวย ไมโครไฟ-

บรล (Microfibrils) ซงเปนสวนทมการจดเรยงตวอยในสวนอสญฐานทเปนพวกลกนน (Lignin) และเฮมเซลลโลส (Hemicellulose) โดยไมโครไฟบรลจะเรยงตวตามความยาวของเสนใย มมทเกดขนระหวางการจดเรยงตวของ Fibril กบแนวแกนเสนใย เรยกวา Microfibrillar angle ซงลกษณะโครงสรางภายในเสนใยเซลลโลสแสดงดงรป 2.2 การเกดพนธะไฮโดรเจนและการพนกนภายในเสนใยทาใหเกดความแขงแรง (Strength) และความแขงตง (Stiffness) ของเสนใย

รป 2.2 โครงสรางภายในของเสนใยเซลลโลส ( = Microfibrillar angle) [9]

6

สมบตทางกายภาพของเสนใยธรรมชาตขนอยกบ โครงสรางทางเคม เชน

- ปรมาณของเซลลโลส (Cellulose) - Degree of polymerization

- การจดเรยงตวขององคประกอบทางเคม

- สมบตการเปนผลก

โดยสามารถทจะปรบปรงสมบตของเสนใยธรรมชาตไดมากมายขนกบชนดของพช แหลงทมา ความแตกตางของความยาว และขนาดของเสนใย

2.1.3 การดดแปรเสนใย (Fiber modification) [2]

จากสมบตการเขากนไดดกบนาของเสนใยธรรมชาตนเองททาใหเกดปญหาความไมเขากนระหวางเสนใยเซลลโลสกบเมทรกซ การยดเกาะระหวางผวของเสนใยเซลลโลสกบพอล-

เมอรเกดไดไมด การถายทอดความเคนและกระจายแรงกระทาทไดรบจากภายนอกระหวางเสนใยกบเมทรกซจงทาไดไมดดวย ซงจะสงผลกระทบโดยตรงตอสมบตเชงกลของวสดผสม การกาจดปญหาดงกลาวของเสนใยเซลลโลสสามารถทาไดโดยทาการดดแปรสมบตของเสนใย เพอเพมสมบตการตานทานการดดซบนาและเพมการยดเกาะระหวางผวของเสนใยกบพอลเมอร การดดแปรสมบตของเสนใยสามารถทาไดทงทางกายภาพ (Physical method) และทางเคม (Chemical

method) 1. การดดแปรสมบตทางกายภาพของเสนใย จะเปนการเปลยนเฉพาะโครงสราง

และสมบตทางพนผวของเสนใยเทานน ไมไดทาการเปลยนองคประกอบทางเคมของเสนใย เชน วธทางไฟฟา (Electrical discharge method และ Corona treatment)

2. การดดแปรสมบตทางเคมของเสนใย จะเปนการเปลยนองคประกอบทางเคมของเสนใย โดยนาสารเคมบางอยางมาทาปฏกรยากบหมไฮดรอกซล (-OH groups) ของเสนใยทาใหเกดการตอกงของหมฟงกชน หรอเกดการยดเกาะทผวนอก เชน การทาปฏกรยากบสารคควบ (Coupling agent treatments) การทาใหโคพอลเมอรดวยการตอกง (Graft copolymerization) และอะเซทเลชน (Acetylation)

ซงพอลเมอรแตละชนดกมความชอบทจะเขากนไดกบเสนใยเซลลโลสทผานการดดแปรแตกตางกน ทงนเนองจากพอลเมอรแตละชนดนนมโครงสรางทางเคมแตกตางกน ดงนนการเลอกวาจะใชการดดแปรเสนใยดวยวธใดกตองคานงถงเรองการเขากนไดกบตวเมทรกซทใชดวย

7

2.1.4 สมบตเชงกลของเสนใยธรรมชาต [1]

สมบตเชงกลของเสนใยธรรมชาตไมไดขนอยกบชนดของเสนใยธรรมชาตเทานน สมบตตางๆ ยงขนอยกบปรมาณของเซลลโลส และปจจยอนๆ เชน จานวนเซลล ขนาดของเซลล และขนาดของลเมน เสนใยทมการยดมากกวา 5% จะนมแตเหนยว ในขณะทเสนใยธรรมชาตทมการยดนอยกวา 5% จะเหนยวแตเปราะ สมบตเชงกลของเสนใยธรรมชาตแสดงในตาราง 2.2

ตาราง 2.2 แสดงคาลกษณะเฉพาะเกยวกบความหนาแนน เสนผานศนยกลาง และสมบตเชงกลของเสนใยจากธรรมชาตและเสนใยสงเคราะห [1, 12]

Fiber Density (g cm-3)

Diameter

(m) Tensile

Strength (MPa) Young’s

Modulus (GPa) Elongation

at Break (%)

Bamboo Flax

1.15 1.5

300-380 40-600

518 345-1500

2.0-4.5 27.6

2 2.7-3.2

Hemp 1.47 25-500 690 70 1.6 Jute 1.3-1.49 25-200 393-800 13-26.5 1.16-1.5 Kenaf 930 53 1.6 Ramie 1.55 - 400-938 61.4-128 1.2-3.8 Nettle 650 38 1.7 Sisal 1.45 50-200 468-700 9.4-22 3-7 Oil palm EFB

0.7-1.55 150-500 248 3.2 25

Oil palm mesocarp

80 0.5 17

Cotton 1.5-1.5 12-38 287-800 5.5-12.6 7-8 Coir 1.15-1.46 100-460 131-220 4-6 15-40 E-glass 2.55 17 3400 73 2.5 Kevlar 1.44 3000 60 2.5-3.7 Carbon 1.78 5-7 3400a-4800b 240b-425a 1.4-1.8

a Ultra high modulus carbon fibers b Ultra high tenacity carbon fibers

โดยทวไปเสนใยธรรมชาตเหมาะสาหรบนามาเสรมแรงพอลเมอร เนองจากความแขงแรง ความเหนยวและความหนาแนนตา ความหนาแนนของเสนใยธรรมชาตตากวาเสนใยแกวดงนนจงสามารถผลตวสดผสมทมนาหนกเบาได อยางไรกตามสมบตอนๆ ของเสนใยแกวกยงคงดกวาเสนใยธรรมชาต เชน ความตานทานแรงดง (Tensile strength) อตรารอยละของการยด (Percentage of elongation) และ มอดลสการยดหยน (Elastic modulus) อยางไรกตาม สามารถปรบปรงสมบตของเสนใยธรรมชาตเพอใหมสมบตทดขนได ความแตกตางของโครงสรางเสนใยทเกดจากกระบวนการผลตตางๆจะใหคามอดลสของยง (Young’s modulus) แตกตางกนออกไป ดงแสดงในตาราง 2.3

8

ตาราง 2.3 แสดงความสมพนธระหวางโครงสรางของเสนใย วธการผลต และมอดลส [13]

โครงสราง การผลต ผลผลต มอดลสของยง E

ไม

เสนใย

ไมโครไฟบรล

การตกผลก

การบดละเอยด

(Pulping)

การแยกสลายดวยนา ตามดวยการแยกสลายเชงกล

(Mechanical disintegration)

ยงไมมเทคโนโลย

10 GPa

40 GPa

70 GPa

250 GPa

2.1.5 เส

หญามถนกาอบอน และเขทางใต และต(Species) (D

สวนทพบในสารวจอยบาง วทยาศาสตรผานศนยกลาลาปลอง แตลแพรพนธดวเชงกลของไมแตกตางกนเแขงแรงมากสมประสทธวา ไผรวกอา

สนใยไผ [6]

ไมไผเปนพชเนดและการกขตรอน ยกเวตะวนออกเฉยDransfieid, 19

นประเทศไทยง เนองจากขนสาหรบงาน คอ Thyrsost

างประมาณ 9

ละปลอง ยาว

ยหนอ ซงแทมไผรวก พบพยงเลกนอยกกวาทอนกความยดหยนาย 2 ป ทใชเ

รป 2

ชใบเลยงเดยวกระจายพนธนทวปยโรป ยงใตของทวป980) ในขณะยมประมาณ 1

นอยในปาลกแนวจยนจะใชtachys slam

.5 cm. สง 5-

7-23 cm. ลกทงออกมาจากวา ความแขงย ทงไมไผในลาง และทอนเทานนททอนเสรมแผนพน

9

2.3 ลกษณะข

วทมอายยนยาอยางกวางขว(Liese, 1986

ปเอเชย คอ มทไมไผทวโล13 สกล 60 ชและขาดแคลเสนใยไผชนensis Gamb

10 m. ไมมหกษณะทางพฤกโคนตน จางแรงของไผรสภาวะสดแลอนกลางมควนปลายมคามนสาเรจรปเพอ

ของตนไผ ชน

าวหลายปอยวางเกอบทกส6) ไมไผมการการกระจายพลกมประมาณชนด ซงคาดวนผเชยวชาญในดไผรวก มาble ไผรวกจะนาม หนาใบกษศาสตร มกการศกษาสรวกทสภาวะละสภาวะแหวามแขงแรงากกวาทอนกอใชสาหรบส

นดไผรวก

ในวงศ Gra

สวนของโลก

รกระจายพนธพนธถง 45 สก 75 สกล 1,25

วายงมบางชนในการจาแนกาเปนกรณศกะเปนไผลาเลกมขนเลกๆ กากขนเองตามปสมบตบางประสดและสภาว

หงนนในสวนงมากกวาทอกลางและทอนสวนของโครง

amineae เชนทงในเขตห

ธมากทสดในกล (Genus) 7

50 ชนด (FA

นดทหลงเหลกชนดพนธ กษา ซงไผชนก ขนชดแนนาบหม กาบหนปาราบและบนะการทางกายวะแหง พบวนของทอนโคอนปลาย นอนโคน [15] แงสรางอาคาร

นเดยวกบหนาว เขตแถบรอน750 ชนด

AO, 1978)

อจากการ

นดนมชอนทบ เสนนอ สขาว นเขาสงๆ

ยภาพและา มความนมความ

อกจากคาละพบอกขนาดเบา

10

โดยการหาคาหนวยแรงดงประลยและมอดลสยดหยน มคา 1776 kg/cm2 และ 2.40 x 105

ตามลาดบ [16] สมบตเหลานเปนทนาสนใจอยางมากในเชงกายภาพ สามารถนาไปคนควาวจยและประยกตใชเพอประโยชนในดานตางๆ อกมาก

ประโยชนของไมไผ ไมไผ ซงเมอแบงออกเปนหมวดหม และแยกออกเปนประเภทๆ แลว สามารถใชไมไผมาทาเปนประโยชนไดดงน 1. ดานการอนรกษธรรมชาต เชน - ปองกนการพงทลายของดนตามรมฝง

- ชวยเปนแนวปองกนลมพาย

- ชะลอความเรวของกระแสนาปาเมอฤดนาหลากกนภาวะนาทวมฉบพลน

2. ประโยชนจากลกษณะทางฟสกส จากความแขงแรง ความเหนยว การยดหด ความโคงงอ และการสปรงตว ซงเปนคณลกษณะประจาตวของไมไผ เราสามารถนามนมาใชเปนวสดเสรมในงานคอนกรต และเปนสวนตางๆ ของการสรางทอยอาศยแบบประหยดไดเปนอยางดอกดวย

3. ประโยชนจากลกษณะทางเคมของไมไผ - เนอไผใชบดเปนเยอกระดาษ

- เนอไผบางชนดสามารถสกดทายารกษาโรคได - ใชในงานอตสาหกรรมนานาชนด

4. การใชไมไผในผลตภณฑหตถกรรม และอตสาหกรรม แบงออกได ดงน ผลตภณฑเครองจกสานจากเสนตอก ไดแก กระจาด กระบง ฯลฯ ผลตภณฑจากลาตน และกงของไมไผ ไดแก เกาอ โตะ ชนวางหนงสอ ทาดามไมกวาด ฯลฯ ผลตภณฑจากเนอไมไผ ไดแก ถาดใสขนม ทพพไม ตะเกยบ ไมเสยบอาหาร ฯลฯ ผลตภณฑทไดจากไผซกไดแก โครงโคมกระดาษ โครงพด โครงรม ลกระนาด คนธน ฯลฯ

5. ประโยชนทางดานการบรโภค เชน การนาหนอไมไผมาทาเปนอาหาร ไมวาจะเปนซบ แกง ตม หรอนามาดองจมนาพรก

การทาเสนใยไผจะทาจากสวนของลาตนของตนไผ ความยาวและความแขงแรงของเสนใยจะขนอยกบตนไผ และสมบตของเสนใยจะพจารณาจากความยาว ความแขงแรง ความทนทาน ความสามารถในการดดซม และความตานทานจากเชอรา เปนตน

11

2.2 ทอนาโนคารบอน (Carbon Nanotube : CNTs) [17]

ทอนาโนคารบอนเปนอกโครงสรางหนงของคารบอน ซ งเพ งคนพบในป ค .ศ .1991 กลาวคอ มลกษณะคลายกบ ฟลเลอรน (Fullerene) ตางกนทฟลเลอรนมโครงสรางเปนทรงกลม (Spherical shape) แต CNTs มโครงสรางเปนทรงกระบอก (Cylindrical shape) ชอของ CNTs

มาจากขนาดทอยในระดบนาโน (10-9m) หรอมความกวางประมาณ 1 ใน 10,000 ของความกวางของเสนผม 2.2.1 การคนพบ CNTs

การคนพบ CNTs เกดจากความบงเอญท Sumio Iijima นกวจยจากหองปฏบตการของบรษท NEC ในญปน ขณะกาลงสงเคราะหฟลเลอรนโดยวธการระเหยดวยการอารก (Arc-

evaporation) แลวพบวาทขวคาโทดเกดมวสดโครงสรางแบบแกรไฟตทเปนทงอนภาคขนาดนาโนและทอนาโน ซงเปนโครงสรางทไมเคยมผใดสงเกตเหนมากอน ตอมาทมงานของอจมาสามารถสงเคราะหวสดดงกลาวในปรมาณมาก โดยปรบสภาวะของวธการระเหยดวยการอารก ทอนาโนทเกดขนนมลกษณะเปนทอแกรไฟตทมเสนผานศนยกลาง 3-10 nm และมความยาวในชวง 1 m และเปนทอซอนกน 2-50 ชน เรยกวา Multi-Walled Carbon Nanotube (MWNT) ตอมามการสรางและทาใหบรสทธ แพรหลายไปตามหองปฏบตการตางๆ ทวโลก รวมถงการพฒนาเปนทอเดยวทเรยกวา Single-Walled Carbon Nanotube (SWNT) ในอกสองปตอมาทอขนาดนาโนของแกรไฟตนสามารถเปนไดทงแบบทอปลายเปดหรอปลายปด (Cap) ถาเปนแบบปลายปดจะครอบดวยครงทรงกลมของฟลเลอรน C- 60 ขนาดของทอสาหรบ SWNT มตงแต 0.7 ถง 2 nm สวน MWNT มขนาดระหวาง 10 ถง 300 nm โดยมชองวางระหวางชนของแตละทอมขนาดอยในระหวาง 0.34 ถง 0.36 nm สามารถทาใหยาวไดถง 20 cm และมรายงานวาสามารถทาใหยาวไดถง 100 m ลาสดสามารถทาทอคารบอนนาโนทวบ ขนาดเลกสดไดถง 3 Å

2.2.2 สมบตของ CNTs

เราทราบกนดวาเพชรมความแขงแกรงมาก ดวยโครงสรางโครงตาขายสามมตจากการเชอมตอระหวางพนธะของอะตอมคารบอนทมสตาแหนงอยางลงตว ขณะทโครงสรางของแกรไฟตนนคารบอนหนงอะตอมเชอมพนธะกบคารบอนอกสามอะตอมในระนาบเดยวกนและอกหนงพนธะทเหลอจะยดกบระนาบถดไป พนธะในระนาบเดยวกนของแกรไฟต (กราฟน) มความแขงแกรงมาก (มากกวาเพชร) แตพนธะระหวางระนาบไมแขงแรงมากนกและเลอนไหลได ดวยลกษณะโครงสราง CNTs ดงกลาวรวมถงพนธะระหวางอะตอมคารบอนทยาวเพยง 0.14 nm (สน

12

กวาเพชร) จงทาให CNTs แขงแรงกวาเพชร และแกรไฟต คาความยดหยน (Young’s modulus of

elasticity) ของ CNTs มคาสงถง 1 TPa หรอ 1000 GPa และ CNTs มพนทผวไดถง 1500 m2/g โดยมความหนาแนน 1.33 ถง 1.40 g/cm

3 ซงนอยมากเมอเทยบกบอลมเนยมทมความหนาแนนสงถง 2.7 g/cm

3 CNTs มความสามารถในการนาไฟฟาไดดกวาทองแดง มดหนงของ CNTs

สามารถนาไฟฟาไดถง 109 A/cm2 ขณะททองแดงไดสงสดเพยง 106 A/cm

2 สมบตเชงไฟฟาอกอยางหนงทนาสนใจของ CNTs คอ สามารถปลดปลอยอเลกตรอนจากปลายของ CNTs ในสภาวะสญญากาศได เม อวางอย ในสนามไฟฟาทใชคาศกยตากวา เชน จะกระตนฟอสเฟอร (Phosphors) ทวางไวหาง 1 mm ใชศกยไฟฟาเพยง 1-3 V ขณะทตองใชศกยไฟฟาสงถง 50-100 V สาหรบปลายทเปนขวโมลบดนม (Molybdenum)

CNTs มความสามารถนาความรอนไดดมากตามแนวยาวของทอ CNTs แตเปนฉนวนความรอนไดดมากเชนกนตามแนวขวางของทอ CNTs ยงทนตออณหภมไดถง 2800 °C ภายใตสญญากาศ และ 750 °C ในสภาวะปกต สมบตเหลานเปนทนาสนใจอยางมากในเชงกายภาพ นอกจากนยงมการคนพบสมบตอกหลายประการเพมขนเมอมการประยกตใชเพอประโยชนในดานตางๆ อกมาก

2.2.3 การสงเคราะหและการผลต เทคนคในการผลตคารบอนนาโนทวบทใชกนอยในปจจบนมดงน

1. เทคนคแรกเรมคอดสชารจแบบอารก (Arc discharge) ซงเปนการใชกระแสไฟตรงขนาด 100 A และศกยประมาณ 20 V โดยควบคมอณหภมท 2,000 ถง 3,000 °C ซงทาใหเกดไอพลาสมารอนระหวางขวคารบอน 2 ขว จะเกดการควบแนนทขวแคโทด (เปน Water-cooled

electrode) ไดผลตผลเปน MWNT ประมาณ 30 เปอรเซนตของนาหนก และมขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 2-20 nm ดวยความยาวนอยกวา 50 nm และถามการใชโลหะคะตะลสตรวมดวยจะไดเปน MWNTs

2. ใชแสงเลเซอร (Pulsed-laser vaporation) ไปทาใหเปาคารบอนผสมโลหะกลายเปนไอในเตาเผาทอณหภม 1,100 – 1,200 °C และใชกาซเฉอย เชน อารกอนหรอไนโตรเจนไปกวาดทอนาโนทไดออกจากเตาเผาไปหลอเยนทตวเกบกก (Collector) ทองแดงดานนอกเตาเผา เทคนคนใชโคบอลตและนกเกลเปนตวเรงปฏกรยาได SWNTs ทเปนระเบยบมากกวาวธแรกแตมขอเสยคอตนทนการผลตสงทงสองเทคนคขางตนมปญหาในเรองของการสงเคราะหใหไดปรมาณมาก และทาใหได CNTs ทมระเบยบยาก

13

3. การตกเคลอบดวยไอทางเคม (Chemical vapor deposition : CVD) เปนอก

ทางเลอกหนงทมตนทนตา โดยอาศยการกอรปของทอนาโนบนวสดรองรบ (Substrate) เมอทาปฏกรยาของแกสผสมพวกไฮโดรคารบอน (เชน Acetylene methane หรอ Ethylene) และไนโตรเจน ภายในหองปฏกรยาทอณหภม 600 - 800 °C สาหรบการผลต MWNT และ 900 - 1200 °C สาหรบการผลต SWNT ในบรรยากาศปกต การเรงปฏกรยาทาไดโดยใชวสดรองรบพวกโลหะหรอโลหะออกไซด หรอปอนแกสดงกลาวรวมกบโลหะคะตะลสตเขาไปในหอง ซงทาใหสามารถผลต CNTs ไดในปรมาณมาก และสามารถควบคมขนาดและความยาวของ CNTs ไดงายโดยควบคมอตราการไหลของแกสและระยะเวลาในการเกดปฏกรยา

2.2.4 การประยกตใช CNTs

CNTs สามารถชวยเสรมความแขงแกรง (Reinforce) ของวสดเดมใหมากยงขน นาหนกเบา และสามารถสรางไดหลายรปแบบไดแก ฟลมบาง ไฟเบอร โฟม สารเคลอบ และ ผง เปนตน ปจจบนมการผลตวสดผสมของ CNTs ไดปรมาณมาก เชน พลาสตกเสรม CNTs เพอนามาใชในรถยนต ใชเปนชนสวนอเลกทรอนกสหรอเครองใชไฟฟา ดวยสมบตททนตอสารเคม ทนตอการหลดลอก รวมถงปองกนไฟฟาสถตยไดมากขน นอกจากนยงนาไปใชประโยชนสาหรบการสรางจอภาพอยางแบน และเซลลเชอเพลง (Fuel cells) ซง CNTs จะไปแทนทคะตะ-ลสตเดม คอ แพลตตนม

เนองจาก CNTs มขนาดเลกมาก ดงนนการจะจดเรยงอนภาคของ CNTs ใหไดตามตองการนนเปนสงทยาก แตไดมรายงานออกมาวาสามารถใชลาแสงเลเซอรสองเสนทางานคลายตะเกยบคอ จะคบและเคลอนยายอนภาคของ CNTs ไดตามตองการ ซงเรยกเทคนคนวา “Optical

Trapping” จงคาดวานาจะสามารถนา CNTs มาใชในการสรางไมโครชพทมความไวสงและใชพลงงานตาไดในอนาคต ในทางการแพทยแนวคดสาคญทจะใชประโยชนจาก CNTs คอการททอนาโนนสามารถเขาถงโครงสรางในระดบเซลลได คอสามารถใชเปนโพรบ (Probe) ตรวจวด หรอใชเปนปเปตขนาดเลกมากสาหรบปลดปลอยสารหรอโมเลกล (Ultrasmall pipette) เขาสเซลลเปาหมายได อนหลงนคอศกยภาพของ CNTs ในการขนถายและปลดปลอยยาเขาสอวยวะเปาหมาย (Targeted drug delivery)

14

2.3 วสดผสม (Composites) [18-20]

วสดผสมเปนวสดทมวสด 2 ชนดขนไปเปนองคประกอบ วสดผสมสวนใหญประกอบดวยสารเตมทเหมาะสมหรอวสดเสรมแรงกบสารเชอมประสานพวกเรซนทเขากนได เมอผสมผสานกนแลวจะไดลกษณะทเปนสมบตทตองการ ตวแปรทจะทาใหวสดผสมมสมบตตางๆ กน มมากมายทงนรวมถงรปราง ปรมาตร และสวนประกอบของสารเตมหรอวสดเสรมแรงทฝงกระจายในเนอวสดผสม แบบอยางของวสดผสมมพวกดสเพอรชนฮารดเดนด (Dispersion hardened)

และไฟเบอรสเตรงเทนด (Fiber-strengthened) ในโลหะ เซรามก แกว คอนกรต และพลาสตก ตวอยางของวสดผสมพวกดสเพอรชนฮารดเดนด ไดแก การมอนภาคของวสดแขงฝงในเนอวสดออน เชน อนภาคของเหลกหรอโครเมยมฝงในทองแดง อนภาคของทอเรย (Thoria) ในนกเกล หรอวสดผสมของทองแดง-ซลมาไนต (Silimanite) ทใชในการหามลอเครองบน

ตวอยางของวสดผสมพวกไฟเบอรสเตรงเทนด ไดแก เสนใยแกว เสนใยทเสรมแรงในพลาสตก (FRP) โฟมพอลเอทลนในพวซทใชทาเบาะนง หรอโฟมพอลสไตรน (Polystyrene form)

ใชทาทนลอยนา เปนตน

วสดผสมสวนใหญจะเปนพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย ซงประกอบดวยสวนประกอบสองสวนหรอมากกวา คอ สวนทเปนเสนใย และสวนทเปนเมทรกซ (Matrix) โดยเสนใยอาจมความยาวตอเนองตลอดความยาวของเมทรกซ หรอกรณทเสนใยมความยาวไมตอเนอง เชน เสนใยขนาดสนกระจายไมเปนระเบยบอยในเมทรกซ หรออาจมสวนทสาม ทเรยกวาอนเตอรเฟส (Interphase) อยรอบๆ เสนใยทาหนาทเปนตวยดเกาะระหวางเสนใยและเมทรกซ

โดยทวไปเสนใยและเมทรกซจะมสมบตทางกายภาพ (Physical properties) และสมบตเชงกล (Mechanical properties) ตางกน เสนใยจะมความแขงแรงมากกวาเมทรกซ และสามารถรบแรงกระแทกจากภายนอกทกระทาตอวสดผสมไดชวยไมใหเกดการเสยสภาพหรอการผดรปภายใตแรงกระทานนๆ เมทรกซโดยทวไปจะเปนพอลเมอรหรอพลาสตก ทาหนาทใหเสนใยกระจายตวและยดเกาะ และชวยถายเทแรงกระทาจากภายนอกทกระทาตอวสดผสมมายงเสนใย ตลอดจนชวยกาหนดรปรางของวสดผสม

ความแขงแรงของวสดผสมจะถกกาหนดโดยสมบตเสนใย สดสวนโดยปรมาตรของเสนใยในเมทรกซ ความแขงแรงและการกระจายตว ความแขงแรงของพนธะระหวางเสนใยและ

เมทรกซ ซงจะตองแขงแรงเพยงพอทจะปองกนไมใหแรงกระทาจากภายนอกสามารถแยกเสนใยและเมทรกซออกจากกน

15

2.4 องคประกอบของวสดผสม [18-20]

2.4.1 เมทรกซ (Matrix) ในวสดผสม เมทรกซทใชอาจจะเปนพวกเทอรมอพลาสตก (Thermoplastic) หรอ

เทอรมอเซต (Thermoset) โดยทเมทรกซมหนาทดงตอไปน

1. ใหเสนใยหรออนภาคกระจายตวและยดเกาะตามทศทางทตองการ

2. ปองกนไมใหเสนใยหรออนภาคเกดความเสยหายอนเนองมาจากสงแวดลอม

3. ถายเทแรงกระทาจากภายนอกไปสเสนใยหรออนภาค

4. ชวยกาหนดรปรางของวสดผสม

5. ตองเชอมดวยตวเสรมแรงได พอลเมอรเมทรกซทใชโดยทวไปแบงเปน 2 ประเภท ไดแก

1. เทอรมอเซตพอลเมอร (Thermoset)

พอลเมอรกลมนจะหลอมตวในเฉพาะครงแรกทไดรบความรอน และเกดการเชอมโยง (Cross linking) ระหวางสายโซโมเลกลดวยความรอนหรอตวเชอมขวาง (Cross linking

agent) ทาใหมเครอขายเปนแบบรางแห (Network) โครงสรางของพอลเมอรจะคงตวไมสามารถเปลยนแปลงไดอกเมอไดรบความรอน ตวอยางของเทอรมอเซตพอลเมอร ไดแก อพอกซเรซน (Epoxy resin) พอลเอสเตอร (Polyester) ฟนอล-ฟอรมลดไฮด (Phenol-formaldehyde) เปนตน

2. เทอรมอพลาสตก (Thermoplastic)

สามารถหลอมตวเมอใหความรอน แลวแขงตวเมอทาใหเยนตวลง การหลอมตวดวยความรอนสามารถทาไดหลายครง เนองจากไมมการเชอมโยงกนระหวางสายโซโมเลกล และไมเกดการเปลยนแปลงสมบตทางเคม และสมบตทางกายภาพอกดวย ตวอยางของเทอรมอพลาสตกพอล-

เมอร ไดแก พอลเอทลน (Polyethylene) พอลพรอพลน (Polypropylene) ไนลอน (Nylon) พอ-

ลสไตรน (Polystylene) เปนตน

อพอกซเรซน (Epoxy resins) [3] อพอกซเรซน หรออพอกซเปนเมทรกซ ทมสมบตทางกายภาพทกวาง มความแขงแรง

เขากนไดดกบเสนใยทกชนดและสามารถผานกระบวนการไดสะดวก ทาใหอพอกซเปนสารทไดรบการเลอกใชมากทสด สวนใหญแลวอพอกซจะใชในงานโครงสรางตางๆ ทงนโครงสรางทางเคมของเรซนของสารทาใหสก (During agents) ชนดของสารดดแปรโครงสราง (Modifying

reactants) ทมใหเลอกมากมาย และสภาวะการกอโครงสรางตาขาย (Curing conditions) จะเปนตวกาหนดสมบตความเหนยวทน ความทนทานตอสารเคมและตวทาละลาย สมบตทางกลตงแตทม

16

ความยดหยนสงจนถงมความแขงแรงสง (High strength) และมความแขง (Hardness) สมบตตานทานการคบ (Creep) และความลา (Fatique) นอกจากนอพอกซยงเดนในดานการยดเกาะ (Adhesion) เสนใยไดดเยยม ความทนทานความรอนและสมบตทางไฟฟาทด ปฏกรยากอโครงสรางตาขายไมกอใหเกดสารขางเคยง และมการหดตวตาหลงปฏกรยากอโครงสรางตาขาย ขอเสยของอพอกซทสาคญ คอ การดดความชน และความเปราะ

ตาราง 2.4 แสดงสมบตของอพอกซ [3]

สมบต

อณหภมการออนตว (Heat-deflection temperature) ท 1.82 MPa, °C

ความคงทนความรอนสงสดเมอใหความรอนอยางตอเนอง °C

สมประสทธการขยายตว cm/cm/°C x 10-5

ความแขงแรงดง (Tensile strength) MPa

เปอรเซนตการยด (% elongation)

ความทนแรงโคงงอ (Flexural strength) MPa

ความทนแรงอด (Compressive strength) MPa

ความทนแรงกระแทก (Notched Izod impact strength) J/m

ความแขง (Hardness) Rockwell M 90

ความถวงจาเพาะ

140

120

2.5

52

5

124

70

11

M105

1.0

2.4.2 ตวเสรมแรง (Reinforcement)

ตวเสรมแรง ไดแก พวกทเปนอนภาคหรอเสนใย สวนใหญนยมใชเปนตวเสรมแรง ซงเสนใยทนยมใชโดยทวไป คอเสนใยแกว (Glass fiber) เสนใยคารบอน (Carbon fiber) และเสนใยอะรามด (Aramid fiber)

หนาทของตวเสรมแรง ดงตอไปน 1. เพมความแขงแรงใหกบวสดผสม

2. สามารถรบแรงกระทาจากภายนอก โดยแรงกระทานนจะถกถายทอดไปตามเสนใยหรออนภาค

โดยทลกษณะของเสนใยทเปนตวเสรมแรงทด จะตองมลกษณะดงน 1. เสนผานศนยกลางมขนาดเลก

2. อตราสวนความยาวตอขนาดเสนผานศนยกลางมคาสง

17

3. มความโคงงอและความยดหยนสง

4. มคามอดลสของยงและคาความแขงแรงสง

2.4.3 สารเตมและสารปรบแตง (Filler and Additives)

สารเตมและสารปรบแตง นามาใชทงเทอรมอพลาสตกและเทอรมอเซตเพอเปลยนลกษณะการทางานของระบบเรซน กระบวนการหรอตวแปรทเกยวของกบราคาของสารเตมอาจเปนเรซนทมราคาโดยมวลตา ซงไมมผลตอการนาไปประยกตใชเลย สารเตมอนๆ ซงจะมผลตอการทาสารประกอบ และ/หรอชนงานสาเรจรป เชน แคลเซยมคารบอเนตชวยปรบปรงความเงางามของผวพอลไวนลคลอไรดชนดแขง และแทลคม (Talc) ชวยปรบปรงอณหภมเบยงเบนทางความรอน (Heat deflection temperature) ของพอลพรอพลน โดยสารเตมทงสองมการใชทวไปเนองจากมราคาตา และใชไดในปรมาณสง การเตมอะลมเนยมไทรไฮเดรตจะชวยทาใหเกดเปลวไฟชาลง (Flame retardant) นอกจากนยงมสารปรบแตงทชวยยบยงการเสยคณภาพจากแสงอลตราไวโอเลต สารปรบแตงทนาไฟฟาได (Conductive additives) ใชในพลาสตกชนดเสรมแรงเพอปองกนการสอดแทรกจากความถของคลนแมเหลกไฟฟาและวทย สวนสารใหส (Colorants) ชวยทาใหเกดส การเตมเมตลลคสเตยเรท (Metallic stearates) ในสารประกอบอดแบบเพอใหชนงานสาเรจรปหลดออกจากพนผวแมแบบไดงาย และสารปรบแตงประเภทเทอรมอพลาสตกทใชในสตรผสมเทอรมอ-

เซตเพอควบคมการหดตวทเกดขนในระหวางการบมตว ซงมผลดทาใหแบบทไดใกลเคยงกบขอกาหนดทตองการ พนผวจงเรยบจดอยในสนคาสาเรจรปประเภทเกรดเอ

2.5 แรงยดเหนยวระหวางเมทรกซกบเสนใย (Fiber-matrix interface) [20]

สมบตเชงกลของวสดผสมทมเสนใยเปนตวเสรมแรงไมไดขนกบความแขงแรงของเสนใยและเมทรกซเทานน แตยงขนอยกบลกษณะของผวสมผสระหวางเสนใยและเมทรกซซงพบวาผวสมผสระหวางเสนใย และ เมทรกซเปนสวนสาคญทาใหวสดผสมมสมบตเชงกลใกลเคยงกบทฤษฎ ในทางปฏบตระหวางเสนใยกบเมทรกซจะตองมแรงยดเหนยวทดเพอใชในการถายเทแรงกระทาจากเมทรกซสเสนใย ซงแรงยดเหนยวนนจะขนอยกบชนดและธรรมชาตของพนธะทเกดขน อาจมความแตกตางกนขนอยกบชนดของเมทรกซและเสนใยทใชในแตละระบบ

แรงยดเหนยวระหวางเสนใยกบเมทรกซแบงออกเปน 5 ประเภท คอ

1. การดดซบและการชบ (Adsorption and Wetting)

เมอผวสมผสของวตถ 2 ชนดเคลอนทเขามาใกลกนอยางพอเพยง แรงกระทาทางกายภาพทดทสดคอการชบพนผวของของแขงโดยของเหลว เพราะเนองจากพนผวสมผสของวตถทงสองจะ

18

มความขรขระในระดบขนาดเลก ทาใหการสมผสกนนนไมแนบสนทกน โดยจะยงมชองวางอย ดงรป 2.4 ซงเปนจดออนหายไปสงผลใหมการยดตดทดขน สาหรบการยดตดกนของพนผวเสนใยกบพอลเมอรเมทรกซนน เมทรกซทหลอมเหลวจะเขาไปแทนทในสวนบรเวณทขรขระขนาดเลกของผวเสนใย จดออนของรอยตอทจะเกดขนคอฟองอากาศภายใน (Void)

รป 2.4 แสดงการดดซบและการชบ [21]

2. การแพร (Diffusion)

การแพรกระจายของโมเลกลพอลเมอรชนดหนงไปยงโมเลกลของพอลเมอรอกชนดหนงสามารถทาใหเกดพนธะระหวางพนผวของพอลเมอรทงสองชนด การแพรกระจายโมเลกลของ

พอลเมอรเขาหากนนนจะทาใหสายโซโมเลกลเกยวพนกนเปนรางแห ดงรป 2.5 ความแขงแรงของพนธะจะขนกบจานวนสายโซโมเลกลทแพรเขาไป และพนกนยงเหยง ถามมากกจะมความแขงแรงของการยดตดกนมาก การแพรกระจายสามารถทาใหเกดขนได โดยใชพวกสารละลายหรอตวกลางพลาสตก (Plasticizing agents) ทมองคประกอบททาใหสายโซโมเลกลเคลอนทไดสะดวก สาหรบเสนใยเสรมแรงอาจมการเคลอบผวดวยพอลเมอรกอนทจะนาไปผสมกบเมทรกซ

รป 2.5 การแพรกระจาย และการเกยวพนกนของสายโซโมเลกลพอลเมอร [20]

3. การดงดดทางไฟฟาสถต (Electrostatic attraction)

เมอพนผวของวสดสองชนดทมประจไฟฟาตางขวกนมาสมผสกนจะเกดแรงดงดดทางไฟฟาสถตทาใหเกดการยดตดระหวางผวสมผส ดงรป 2.6 ความแขงแรงของการยดตดจะขนอยกบความหนาแนนของประจไฟฟา

19

รป 2.6 แรงดงดดทางไฟฟาสถตทผวสมผส [20]

4. การเกดพนธะทางเคม (Chemical bonding)

การเกดพนธะทางเคมเกดจากหมเคมของเมทรกซเกดพนธะกบหมเคมของผวเสนใย ความแขงแรงของพนธะขนอยกบจานวน และชนดของพนธะ สาหรบพนผวทเกดความเสยหายจะทาใหพนธะทางเคมขาดกนได ในสวนของเสนใยเสรมแรงจะมการใชตวประสานคควบเพอใหเกดพนธะทางเคมระหวางผวเสนใยกบเมทรกซ แสดงดงรป 2.7

รป 2.7 พนธะทางเคมระหวางผวสมผส 2 ชนด [20]

5. การยดตดทางกล (Mechanical adhesion)

การยดตดทางกลเปนการยดตดทเกดจากการยดเหนยวทางกลระหวางผวเสนใยทขรขระ และเมทรกซ โดยเมทรกซจะเขาไปแทรกในสวนทขรขระ และเปนมมทไมสามารถหลดออกมาได (Re-entrantangle) ของผวเสนใย ดงรป 2.8 ซงถามสวนนมาก ความแขงแรงของการยดตดกมากดวย นอกจากนผวทขรขระของเสนใยยงเปนการเพมพนผวสมผสอกดวย

รป 2.8 การยดตดทางกล [20]

20

2.6 การเสรมแรง (Reinforcement) การเรยงตวของเสนใยในเมทรกซ ในวสดผสมทเสรมแรงดวยเสนใย เสนใยอาจจะมการเรยงตวเปน 3 แบบ ดงรป 2.9 คอ

1. เรยงตวแบบตอเนองในทศทางเดยวกนตลอดความยาวของเมทรกซ (Unidir-ectional-

continuous fibers)

2. เรยงตวเปนระเบยบแบบไมตอเนอง (Aligned discontinuous fibers)

3. เรยงตวไมเปนระเบยบแบบไมตอเนอง (Randomly oriented discontinuous fibers)

รป 2.9 แสดงการเรยงของเสนใยพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย [12, 14, 21]

2.7 กลไกของการเสรมแรงดวยเสนใย [20]

2.7.1 เสนใยเ รยงตวแบบตอเน องในทศทางเดยวกนตลอดความยาวของเมทรกซ (Unidirectional continuous fiber) วสดผสมชนดนจะมเสนใยยาวเรยงตวในทศทางเดยวกนอยางตอเนองตลอดความยาวของเมทรกซ โดยทศทางทเสนใยเรยงตวจะเปนทศทางเดยวกบทศทางของแรงกระทาจากภายนอก ถาสมมตวาเสนใยทกเสนเหมอนกนและพนธะทเกดขนระหวางเสนใยของเมทรกซสมบรณ ความเครยด (Strain, ) ในวสดผสมจะเทากบความเครยดของเสนใยและเมทรกซ แรงกระทาตอวสดผสม (Wc) จะถกแบงไปยงเสนใย (Wf) และเมทรกซ (Wm) ดงรป 2.10

21

Volume of fiber Volume of composite

Vf =

Volume of matrix Volume of composite

Vm =

รป 2.10 แรงกระทาตอวสดผสมกรณเสนใยเรยงตวแบบตอเนองตลอดความยาวของเมทรกซ [21]

ดงนน Wc = Wf + Wm (2.1)

เนองจาก W = A (2.2)

เมอ = ความเคน (Stress)

A = พนทหนาตด (Cross-sectional area)

ดงนน cAc = fAf + mAm (2.3)

เมอ c , f , m เปนคาความเคนของวสดผสม เสนใยและเมทรกซ ตามลาดบ

Ac , Af , Am เปนพนทหนาตดของวสดผสมเสนใยและเมทรกซ ตามลาดบ

จดรปสมการ 2.3 ใหม จะได

AA c

mm

c

ff

c

(2.4)

นาสดสวนโดยปรมาตรของเมทรกซ (V) มาใช เชน กรณของเสนใย (ความยาวของเสนใยเทากบความยาวของวสดผสม)

สดสวนโดยปรมาตรของเสนใย AA

c

f (2.5)

สดสวนโดยปรมาตรของเมทรกซ AA

c

m (2.6)

แทนสมการ 2.5 และ 2.6 ลงในสมการ 2.4 จะได c = fAf + mAm (2.7)

และ Vf + Vm = 1 (2.8)

ดงนน c = fAf + m(1-Vf) (2.9)

เ มอวสดผสม เสนใย และเมทรกซ มสมบตของความยดหยน คาความเคน จะมความสมพนธกบ คามอดลสของยง (Young’s modulus, E) ดงน

Fc

F Ff

Fc

22

c = Ecc , f = Eff , m = Emm (2.10)

เนองจากคาความเครยดของวสดผสม (c) , เสนใย (f) และเมทรกซ (m) เทากน

c = f = m (2.11)

ดงนน Ec = EfVf + Em (1-Vf) (2.12)

เมอ Ec, Ef และ Em คอ คามอดลสของยงของวสดผสม, เสนใยและเมทรกซ ตามลาดบ

จากสมการ 2.7 c = fAf + mAm เมอสดสวนโดบปรมาตรของเสนใย (Vf) สงเกนกวาคาสดสวนโดยปรมาตรตาสด (Vmin) วสดผสมจะเกดการเสยสภาพเมอเสนใยเสยสภาพ ดงนน c

TS = fTSVf + ’

mV (2.13)

เมอ cTS = คาความทนแรงดงของวสด

fTS = คาความทนแรงดงของเสนใย

’ m = คาความเคนแรงดงทเกดจากเมทรกซ ณ ความเครยดททาใหวสดผสมเสยสภาพ

เมอสดสวนโดยปรมาตรของเสนใย (Vf) มคาตากวาสดสวนโดยปรมาตรทตาทสด (Vmin) วสดผสมจะเสยสภาพเมอคาความเคนของเมทรกซมคาเทากบ คาความทนแรงดงของเมทรกซ ดงนน c

TS = mTSVm (2.14)

2.7.2 เสนใยเรยงตวแบบไมตอเนอง (Discontinuous fiber) วสดผสมทนาไปใชในงานวศวกรรม โดยสวนใหญมการจดเรยงของเสนใยแบบไม

ตอเนอง โดยเสนใยทใชจะเปนเสนใยสน ถงแมวาความแขงแรงจะนอยกวาวสดผสมทมการจดเรยงตวของเสนใยแบบตอเนอง เมอพจารณาทสดสวน โดยปรมาตรของเสนใยทเทากน ขอดของเสนใยสน คอ สะดวกในการเตรยมวสด เชน เทคนคการฉดขนรป

การจดเรยงตวของเสนใยสนม 2 ลกษณะ คอ

1. เรยงตวขนานกนอยางเปนระเบยบ

2. เรยงตวแบบไมเปนระเบยบ

2.8 ตวประสานคควบ [18, 22, 23]

ตวประสานคควบจะชวยเพมแรงยดเหนยวระหวางเสนใย และเมทรกซ ทงทางกายภาพและทางเคม อกทงยงชวยปองกนผวของเสนใยจากความชน และปองกนความเสยหายทเกดจากกระบวนการผสม และการผลตวสดผสม โดยทวไปแลวการใชตวประสานคควบจะอยในขนตอนการปรบปรงผวเสนใยในกระบวนการผลตเสนใย และในสวนมากจะใชสารประกอบของไซเลน

และไททาเนควบเปนตวป

2.9 สมบตเช ความแขเปลยนแปลงชนด และสามหรอการอด (มกส พอลเมอการทดสอบ Testing and

Standard;

สามารถเปนแ

2.9.1 คว ควถายทอดตลอการเกดแรงตความเครยด (เขยนเปนกรา

ต เปนตวประประสานแสดง

ชงกล (Mecha

งแรงของวสดงรปราง หรอมารถทดสอบ(Tension or C

อร และวสดผ เชน มาตรฐาd Materials JIS) หรอมแนวทางในก

วามตานทานวามตานทานแอดแนวของชตานนเกดขน(Strain) ขนภาฟแสดงพฤต

ะสานคควบ ซงดงรป 2.11

รป 2.11 ก

anical prope

ดขนอยกบควอการแตกหก บไดโดยการทCompression

ผสมชนดตาง านสมาคมอเStandard A

มาตรฐานอน ารทดสอบได

แรงดง (Tens

แรงดงสามารชนตวอยาง ทนทวบรเวณขภายในวสด โดกรรมเชงกลข

23

ซงกลไกการป

กลไกของตวป

erties) [18, 2

วามสามารถข สมบตของวทาการทดลองn test) การทด ๆ จะตองทาเมรกนสาหรบ

ASTM) มาต ๆ ทยอมรบกด

sile strength

รถอธบายไดวศทางการเคลของชนตวอยดยความสมพของวสดไดเร

ประสานของเ

ประสานคคว

23-25]

ของวสดทจะรสดนนจะเปน การทดสอบดสอบตวอยางเปนรปทรง แบการทดสอบตรฐานอตสาหกนทวโลก ซง

h) [18, 23-29

วา ขณะทดงวลอนทภายในาง จะสงผลในธของความรยกวา กราฟค

เสนใยกบเมท

บ [22]

รงดวยแรงกรนลกษณะเฉพทสาคญ คอ กงของวสดไมวและขนาดตามบวสด (Amer

หกรรมญปน งมาตรฐานเห

9]

วสดดวยแรงภนแกนตามแนใหเกดความเมเคน และควาความเคน – คว

ทรกซทมตวป

ระทาโดยปราพาะตวของวการทดสอบโวาจะเปน โลมมาตรฐานกอrican Soci

(Japanese I

หลานเปนตวบ

ภายนอก แรงกนวแรงจะมกาเคน (Stress)

ามเครยดสามวามเครยด ดง

ประสานค

ศจากการสดแตละดยการดงหะ เซรา-อนทจะทาety for

Industrial

บงช และ

กระทาจะรตานกน

และารถนามางรป 2.12

กรแรง และควความเครยดอเรยกชอวา กฎ

โดดลสของควาคาความเคน กราฟความเคเสนกราฟ

ควกระทา คานจตอนว (in/in

อตราสวนระ

รป

ราฟความเคนามเครยดภายอยางเปนสดสฎของฮค (Ho

ดย แทนคาามยดหยน หร และ แทนคคน – ความเค

วามเครยดเปจะเกดขนพรอn) บางครงหวางสวนตา

ป 2.12 กราฟ

น – ความเครยยในขอบเขตสวน หลกการooke’s law) ซ

คงทของควารอ มอดลสขอคาความเครยครยด ดงนนม

นผลทเกดจาอมกบคาความงอาจใชหนวางของความยา

24

ความเคน – ค

ยดของวสดจะตของความยดรนคนพบโดยซงแสดงในรป

=

มเปนสดสวนองยง (Modul

ยด สมการนเปมอดลสของค

ากการเปลยนมเคน มหนวยวยเปนเปอรเซาว (L) ตอ ค

oL

L

ความเครยดขอ

ะแสดงความสดหยน การเพย โรเบรต ฮค ปแบบของสม

น (Constant o

lus of elastic

ปนสมการขอความยดหยน

นแปลงของอะยเปนมลลเมตซนตกได กาความยาวเดม

L

องวสด [29]

สมพนธแบบพมขนของห (Robert Ho

มการทางคณต

of proportion

city or Youn

องแนวเสนทเจงเทากบคว

ะตอมทเคลอตรตอมลลเมตรคานวณคาค (Lo) ดงสมกา

เชงเสนระหวนวยแรงจะท

ooke) โดยใชตศาสตร คอ

(2.1

nality) ซงเรยng’s modulus

เหยยดตรงเรามชน (Slope

อนทไปขณะถตร (mm/mm)

ความเครยดหาร

(2.1

วางหนวยทาใหเพมชสปรง จง

15)

ยกวา มอ-

s) แทนมตนของe) ของ

ถกแรงมา) หรอนวหาไดจาก

16)

25

ความเคนสามารถคานวณไดจากแรงภายนอก (F) ทมากระทาตอพนทหนาตดของวสด (A)

และเกดการตอตานขน โดยมหนวยการวดเปนแรงตอพนท เชน ปอนดตอตารางนว (psi) นวตนตอตารางเมตร (N/m2) หรอ ปาสคาล (Pa) โดยแสดงดงสมการ

A

F (2.17)

แรงภายนอกทมากระทาตอวสด และสงผลใหเกดความเคนนนมดงน 1. ความเคนแรงดง (Tensile stress)

2. ความเคนแรงอด (Compressive stress)

3. ความเคนแรงเฉอน (Shear stress)

4. ความเคนแรงดดโคง (Bending or Flexural stress)

ความเคนแรงดง (Tensile stress) คอ คาความเคนทเกดจากการดงโดยแรงภายนอกมากระทาตงฉากกบพนทหนาตด ซงเปนหนวยแรงตอพนท

ความเคนแรงอด (Compressive stress) คอ คาความเคนทเกดขนจากแรงดดหรอกด ซงพยายามใหวสดอดแนนตดกนหรอ ทาใหอะตอมของวสดอดแนน การทดสอบแบบนวสดจะเกดแรงตานจากแรงอดเพอใหเกดการคนตวของวสดในการรกษาสภาพของตวเองใหสมดล

ความเคนแรงเฉอน (Shear stress) คอ คาความเคนทเกดจากการทดสอบการดงหรอการอดเพอใหวสดเลอนผานกน ซงพนทจะขนานกบทศทางของแรงภายนอกทกระทา ความเคนแรงดดโคง (Bending or Flexural stress) คอ คาความเคนทไดจากการทดสอบกดชนตวอยางใหเกดการงอตวโดยใชหวกด ซงกดลงตงฉากกบชนตวอยางทอยในลกษณะแนวนอน โดยมตวรองรบเปนตวกาหนดชวงหาง

เปอรเซนตการยดตว (%Elongation) คอ การยดออกของชนงานทแสดงเปนคาเปอรเซนตของความยาวเรมตน ซงเปอรเซนตการยดตวนเปนการเพมขนของความยาวของชนงานทถกดง ถาเปนเปอรเซนตการยดตวทจดขาด (%Elongation at break) จะเปนการคดเปอรเซนตการยดขณะทชนงานขาดหรอแตกออก

เปอรเซนตความยด (% Elongation) = )(oL

L x 100 (2.18)

พนของวสด ถาวเสนกราฟนอ ซงกนดงรป 2.1

2.5

ตาราง 2.5 ล

สมบตของ

Soft, wSoft, tHard, bHard, s

Hard, t

ป

ใหแรงขนานกบการจดเรย

นทภายใตกรวสดใดมพนทอยจงเปนวสดงพลาสตกแต13 ซงลกษณ

รป 2.13 กรา

ลกษณะของกร

งพลาสตก

weak tough brittle strong tough

ปจจยทมผลกร1. การเต

การจนกบทศทางกยงตวของโมเล

าฟระหวางควทใตเสนกราทเปราะ

ตละประเภทกณะเสนโคงทป

าฟความเคน –

ราฟความเคน

ล

Modulus

Low Low High High High

ระทบตอคาคตรยมชนทดสจดเรยงโครงสารจดเรยงตวลกล กระบวน

26

วามเคน-ความฟมากจงเปน

กมลกษณะกรปรากฏ ทาให

– ความเครยด

น-ความเครยด

กษณะของกร

Yield str

LowLowNoneHighHigh

ความทนแรงดสอบและขนาดสรางโมเลกล ของโมเลกลอนการเตรยมช

มเครยดเปนสนวสดทมความ

ราฟระหวางคสามารถจาแน

ดของวสดพอล

ดทเกยวของก

ราฟระหวางค

ress Ulstr

e

LYieMo

HH

ดง การยดตว ดชนทดสอบมผลกระทบมอาจใหผลการนทดสอบกม

สงบงชถงความเหนยวมาก

ความเคนกบคนกสมบตของ

ลเมอร 4 ประ

บสมบตของพ

ความเคน-ควาltimate rength Low ld stress oderate High High

และมอดลสข

มากตอคาควารทดสอบทไดผลกระทบสา

มเหนยว (To

สวนวสดทม

ความเครยดทงพลาสตกได

ะเภท [29]

พอลเมอร [30

ามเครยด Elongatio

breakModera

HighLow

ModeraHigh

ของยง

ามตานทานแรดสงกวาใหแราคญ

ughness) มพนทใต

ทแตกตางดดงตาราง

0]

on at k ate

h

ate h

รงดง การรงตงฉาก

อยางไรกตาความเครยดเพ

อณหภมเปลยเพมขน

2.9.2 การแตกหกสความสมพนธประเมณคาคเทากบพนทใซงคามอดลสของวสดทตพลงงานตอหแสดงใหเหน

รป 2.14

2. อตรา ถาอต

มการยดยาวพมขน การยด

3. อณห สมบ

ยนเลกนอย เม

ความตานทา ทฟเนสส (To

สามารถวดสธกบความแขความเหนยวจาใตเสนโคงควสของความเหองใชในการหนวยปรมาตนถงความแตก

4 กราฟ Mod

าของความเครตราความเครยวออกจะแปรดตวจะลดลงภม (Temper

บตความทนแมออณหภมเพ

านแรงกระแทoughness) คสมบตดวยกางแรงและควาากมอดลสขอวามเคน ( ) –หนยว (Modul

รทาใหวสดเรของวสดทสกตางระหวางว

dulus of Tou

27

รยด (Rate of

ยดเพมขนจะใรผกผนกบสด

rature) แรงดงของพพมขน ความท

ทก (Impact s

อ ความสามารทดสอบแรามสามารถในองความเหนย– ความเครยดlus of tough

กดการแตกหสงกวาในการวสดเหนยวแล

ughness ของว

f straining) ใหคาความทดสวนของอ

พลาสตกบางทนแรงดงและ

strength) [25

ารถของวสดทงกระแทก (Iนการยดตวขอว (Modulus

ด () ทไดจากhness) น จะแหกเสยหาย วรทาใหวสดเกละวสดเปราะ

วสดเหนยว (a

นแรงดงและตราความเค

อยางจะเปละมอดลสจะล

5]

ทจะดดซบพลImpact te

องวสด เนองจof Toughne

กการทดสอบแสดงถงพลงวสดทมความกดการแตกหก

a) และวสดเป

มอดลสของยรยด นนคอเ

ลยนอยางรวดลง ขณะทก

ลงงานไวไดโest) ซงความจากโดยทวไปess) ซงกาหนแรงดง (Tens

งานตอหนวยมเหนยวสงกกเสยหาย จาก

ปราะ (b) [24,

ยงเพมขน เมออตรา

ดเรวเมอการยดยาว

ดยไมเกดมเหนยวมปเรามกจะนดใหมคาsile test)

ยปรมาตรกวาจะใชกรป 2.14

26]

เชงกลฟาดกรชนทดสอบ สมการ 2.19

เมอ B =

h =

เครอ

ซอด (Izod ty

การพลงงานทตอปอนดตอตาร

สมบตความระทบตอพนท(Eab) สามาร

ความกวางขอความหนาขอ

องทดสอบคว1. แบบตมน

ype) หรอ แบ2. แบบนาหทดสอบโดยองใชในการทรางนวของรอ

รป 2.15

มทนแรงกระทหนาตดตามถทราบคาพล

องชนทดสอบองชนทดสอบ

วามตานทานแนาหนกเหวยงบบชารป (Cha

นกตกกระแทใชตมนาหนทาใหชนทดสอยบาก

5 การทดสอบ

28

แทกสนใจในมแนวเดยวกบลงงานของกา

ImE =

บ

(หากมรอยบ

แรงกระแทกขกระแทก (Pe

arpy type) แสทก (Drop we

กเหวยงกระสอบทรอยบาก

บแรงกระแทก

นเชงพลงงานบแนวแรง ซงารทนการกร

hB

Eab

บาก หกสวนค

ของวสดทใชndulum imp

สดงดงรป 2.1

eight impact)แทกทงแบบกเกดการแตก

กแบบ Charp

นทถกดดกลนจากคาพลงงาะแทกของชน

ความลกรอยบ

act) ซงอาจใช15

บอชอดและแกหก คานวณอ

py และ Izod

นไวจากการไานทถกดดกลนทดสอบ (E

(2.1

บากออก)

ชการทดสอบ

บบชารป จะออกมาเปนห

[31]

ไดรบแรงลนไวโดยEIm) ไดดง

19)

บแบบอ-

ะแสดงถงนวย ฟต-

29

2.9.3 ความตานทานแรงอด (Compressive strength) [32-33]

การทดสอบแรงอดเปนการทดสอบทมลกษณะการใสแรงกระทาในแบบตรงขามกบการทดสอบแรงดง คอการทดสอบแรงดงเปนการทดสอบในลกษณะการดงยดชนทดสอบ สวนการทดสอบแรงอดเปนการทดสอบในลกษณะการกดอดชนทดสอบ โดยการพจารณาเลอกการทดสอบแรงอดแทนกระบวนการทดสอบอนจะขนอยกบประเภทของการนาไปใชงานของวสด

แรงเคนอดเกดจากแรงอดทใหกบชนทดสอบ ซงทาใหชนทดสอบเกดการหดตวหรออดตวภายใตแรงอดนน ชนทดสอบทใชในการทดสอบแรงอดนตองมลกษณะสนและมเสนผานศนยกลางมากกวาความยาว เนองจากการทดสอบแรงอดกบชนทดสอบทมขนาดยาวจะเกดการโคงงอดานขาง ซงมรปแบบการเกดทไมแนนอนจากการเสยรปแบบยดหยน ดงรปท 2.16 ดงนนโดยปกตชนทดสอบทใชในการทดสอบแรงอดมกเตรยมเปนทรงกระบอก อยางไรกตามบางวสดเชน อฐ ซงเตรยมเปนทรงกระบอกไดยาก กรณเชนนจะเตรยมชนทดสอบในรปทรงทสะดวกทสด

การทดสอบแรงอดมประโยชนในการวดคามอดลสอลาสตก คาความเคนจดคราก ความตานทานแรงอดสงสด และการเปลยนแปลงรปรางภายหลงจดคราก วธทดสอบแรงอดนจะมการกาหนดในมาตรฐาน ASTM D695

รป 2.16 การเสยรปแบบโคงงอออกดานขางของวสดภายใตแรงอด [32]

มาตรฐานกาหนดใหชนงานทดสอบถกอดดวยอตราเรว 1.3 mm/min จนกวาจะแตกหก กอนการทดสอบ ชนงานทดสอบจะตองมขนาดตามทระบในมาตรฐาน และไมมขอบกพรองบนผวทมองเหน ในการทดสอบแรงอด พบวาการไดศนยของชนงานทดสอบมความสาคญอยางมากตอการกระจายของแรงอยางสมาเสมอซงจะสงผลตอความสมาเสมอของผลการทดสอบ

30

2.10 การหาคาความหนาแนนดวยเครองชงไฟฟา (Density Determination with Electrical

Balance) [26]

ความหนาแนน (Density) ความถวงจาเพาะ (Specific gravity) จดเปนสมบตทางกายภาพอยางหนงของวสดทสามารถใชแปลงจากคามวลไปสปรมาตร หรอจากปรมาตรไปสมวลไดประโยชนทสาคญทางดานวสดคอ การอาศยคาความหนาแนนเปนตวชวดถงประสทธภาพในการอดแนนตวของวสดในระหวางขนตอนการขนรป ซงสตรทใชในการคานวณนนยงสามารถนาไปสการหาคาความพรนของวสดไดอกดวย

การหาคาความหนาแนนและความถวงจาเพาะของชนงานนนอาศยหลกการเดยวกนแตใชวธการคานวณทแตกตางกน เนองจากการหาคาความถวงจาเพาะนนเปนการนาคาความหนาแนนของวสดไปเทยบกบคาความหนาแนนของนา และเนองจากคาความหนาแนนของนา ณ อณหภมตางๆ มคาใกลเคยงกน คอ ประมาณ 1 g/cm3 จงทาใหคาความถวงจาเพาะและความหนาแนนของวสดมคาใกลเคยงกน ดงนนในทนจงอาจกลาวเฉพาะคาใดคาหนงเทานน

การหาคาความหนาแนนและความถวงจาเพาะ อาศยหลกการของอารคมดสทกลาวไววา “เมอจมของแขงลงในของเหลวจะมแรงพยงเกดขนบนของแขงนน โดยแรงพยงทเกดขนจะมคาเทากบนาหนกของของเหลวทถกแทนทดวยปรมาตรของของแขง” วธการจงทาไดโดยหาคามวลของวตถในอากาศและขณะทจมอยในนา

fl .WW

W =

fla

a

(2.20)

เมอ คอ คาความหนาแนนของชนงาน (g/cm3) fl คอ คาความหนาแนนของของเหลว (g/cm3) aW คอ นาหนกแหงของชนงาน (g) flW คอ นาหนกของชนงานในของเหลว (g)

2.11 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning electron microscope; SEM)

[18, 23, 26]

กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดเปนการประยกตนาเอาอเลกตรอนทมชวงคลนสนกวาคลนแสงมาใชแทนคลนแสง และใชเลนสสนามแมเหลกไฟฟามาแทนเลนสกระจก และมตวตรวจวดทจะมาจบสญญาณอเลกตรอนทเกดจากการทลาอเลกตรอนไปกระทบผวตวอยาง จากนนกจะมอปกรณในการแปลงสญญาณทไดใหเปนสญญาณภาพปรากฏบนจอรบภาพตอไป ผลทไดคอ ภาพของวตถหรอตวอยางทกาลงขยายมากกวา 3,000 เทา ถงระดบมากกวา 100,000 เทาซงมากกวา

กลองจลทรรรายละเอยดขแบบใชแสงส ในกลอเลกตรอนทตรวจวดอเลก

2.11.1

ทสาคญดงตอ

การสองกราด

รศนแบบธรรของภาพซงขสองสวางธรรองจลทรรศนทตยภม (Seco

กตรอนกระเจ

1 สวนประกอ ในกลองจล

อไปน 1. แหลงก2. อเลกโท

ดของลาอเลก3. ปมสญญ4. ชองใส5. ตวตรว6. อปกรณ

รป 2.17 ส

รมดาทมกาลขนกบลกษณะมดามกาลงแนอเลกตรอนondary elect

จงกลบ (Back

อบของกลองจลทรรศนอเลก

กาเนดอเลกตรทรแมกเนตกตรอน

ญากาศ และรตวอยาง (Spe

จวดสญญาณณสรางภาพ (I

สวนประกอบข

31

ลงขยายไดเตะตวอยางไดตยกขณะใชดวแบบสงกราดtron) มาจบส

kscatter electr

จลทรรศนอเลกตรอนแบบส

รอน (Electron

เลนส (Electr

ระบบควบคมecimen cham

อเลกตรอน (Imaging devi

ของกลองจลท

มทไมเกน 3ตงแต 3 ถง 1วตถเลกสดเพด สญญาณภสญญาณอเลกron)

ลกตรอนแบบสองกราด ดง

n source)

romagnetic l

ความดน ( Cmber)

Electron sign

ices)

ทรรศนอเลกต

,000 เทา แล100 nm ในขยง 0.2 m เทาพทไดเกดจกตรอนทตยภ

บสองกราด

รป 2.17 ประ

lens) หรอ ขด

ontrol pressu

nal detector)

ตรอนสองกร

ละยงสามารถณะทกลองจทานน

จากการใชตวภมทเกดขน ห

ะกอบดวยสว

ดลวดทาหนา

ure system)

)

าด [34]

ถแจกแจงลทรรศน

วตรวจวดหรอใชตว

วนหลก ๆ

ทควบคม

32

2.11.2 การเตรยมชนตวอยางสาหรบทดสอบ

ในการวเคราะห และศกษาการใชกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดเพอใหไดภาพทดนน นอกจากจะขนกบประสทธภาพ หรอความสามารถของเครองแลว ยงขนกบชนดของตวอยาง และเทคนคการเตรยมตวอยางทเหมาะสมอกดวย ประเภทของตวอยางจะเปนวสด หรอผงวสดทเปนของแขงความดนไอตามากกวา 1 หรอเทากบ 10-3 ทอร ขนาดของตวอยางถกจากดโดยขนาดของชองใสตวอยาง และแทนวางตวอยางของเครอง

กรณตวอยางเปนชนงาน กอนนาเขาศกษาในเครองตองทาการตดชนงานเขากบกานวางตวอยาง ซงสวนใหญทาดวยโลหะจาพวกเหลก อลมเนยม ทองเหลอง ทองแดง มลกษณะเปนรปทรงกลมมกานทมขนาดเสนผานศนยกลางและความสงพอเหมาะใสไดพอดกบชองวางในฐานวางตวอยาง และใชสารยดตดตวอยางเขากบกานวางตวอยางซงสวนใหญใชวสดจาพวกเทปกาวสองหนา เทปกาวคารบอน หรอนายาทาเลบ กรณทตวอยางไมนาไฟฟาตองนาตวอยางนนไปผานขนตอนการฉาบผวดวยโลหะกอนนาไปศกษา กรณตวอยางเปนผง มกใชสารยดตดตวอยางจาพวกทเปนเทปกาวสองหนา หรอเทปกาวคารบอนตดดานบนของกานวางตวอยาง และ โรงผงตวอยางใหกระจายลงบนดานหนาของกานวางตวอยางทมเทปกาวอย จากนนใชลกยางเปาลม และปดฝนเศษของผงตวอยางทไมยดตดบนกานวางตวอยางออก จากนนจงนาเขาเครอง หรอทาการฉาบผวดวยโลหะกรณตวอยางไมนาไฟฟา

การเคลอบฉาบผวตวอยางนยมใชสารตวนาไฟฟาจาพวกโลหะหนกทมโมเลกลขนาดเลก เชน คารบอน ทอง และ โลหะผสมทอง-พลลาเดยม เปนตน โดยมจดประสงคเพอเพมสมบตในการนาไฟฟาใหกบตวอยาง ทงนมหลกการเบองตนของการฉาบผวตองกระทาภายใตภาวะสญญากาศ และใหกระแสไฟฟาทเหมาะสมเพอใหโลหะหนกเปลยนสภาพจากแทงโลหะมาเปนโมเลกล และตกลงบนผวตวอยางในอตราสวนเดยวกน ทาใหโลหะฉาบผวตวอยางไดเปนเนอเดยวกน