บทที่ 2 หลักการและทฤษฎีที่เกี่ยวของ

2.1 เซอรโคเนีย [5-11]

หมายถึง ออกไซดของเซอรโคเนียม มีสูตรเคมี คือ ZrO2 มีโครงสรางผลึกหลายรูปแบบขึ้นอยูกับอุณหภูมิ มีอุณหภูมิหลอมเหลวที่ประมาณ 2730 oC มีการนํามาใชอยางกวางขวางทั้งในงานวิจัยและอุตสาหกรรม เชน ใสในน้ําเคลือบเพื่อใหเคลือบมีสีทึบ ใชเปนผงขัด และใชเปนวัสดุทนไฟ สําหรับใชงานที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและทนตอการกัดกรอนไดดี

เซอรโคเนียที่ เกิดตามธรรมชาติโดยทั่ วไปจะพบอยู ในรูปของแรแบดดี เลไอต (baddeleyite) หรือเซอรคอน (ZrSiO4) การที่จะไดเซอรโคเนียบริสุทธิ์นั้นจะตองทําการแยกส่ิงเจือปนที่ไมตองการออก โดยผานกรรมวิธีการผลิตที่ซับซอนและทันสมัย เซอรโคเนียที่บริสุทธิ์จะมีโครงสรางผลึกโมโนคลินิก (monoclinic phase) ที่อุณหภูมิหองและจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสรางผลึกเปนเตตระโกนอล (tetragonal phase) และคิวบิก (cubic phase) เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซ่ึงผลของการเปลี่ยนแปลงโครงสรางนี้จะทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรสูงถึง 3-5 เปอรเซ็นต การเปลี่ยนแปลงดังกลาวทําใหเราไมสามารถใชประโยชนจากเซอรโคเนียบริสุทธิ์ได แตผลการเปลี่ยนแปลงปริมาตรดังกลาวนี้ก็เปนจุดเดนพิเศษของเซอรโคเนียที่สามารถนํามาใชประโยชนไดโดยการเติมสารบางตัวที่เรียกวาสารสรางความเสถียร (stabilizing) เมื่อเติมสารดังกลาวแลว เซอรโคเนียจะนํามาใชงานที่อุณหภูมิหองไดและยังเกิดสมบัติพิเศษที่สําคัญประการหนึ่ง คือ มีความเหนียวเพิ่มขึ้น

2.1.1 รูปแบบเสถียรของเซอรโคเนีย เนื่องจากเซอรโคเนียไมสามารถนํามาใชงานไดตามลําพังที่อุณหภูมิหอง จึงจําเปนที่

จะตองเติมสารสรางความเสถียรบางตัวเขาไป โดยทั่วไปไดแก แมกนีเซียมออกไซด (MgO) อิตเทรียมออกไซด (Y2O3) แคลเซียมออกไซด (CaO) โดยที่สารดังกลาวนี้จะทําใหเซอรโคเนียสามารถใชงานไดดีที่อุณหภูมิหองโดยจะไปทําใหโครงสรางเซอรโคเนียเสถียรในรูปแบบเตตระโกนอล ดังรูป 2.1 หรือคิวบิก การเติมสารเสถียรที่ตางชนิดและปริมาณที่แตกตางกันจะทําใหไดโครงสรางจุลภาคที่แตกตางกัน ซ่ึงสามารถแบงลักษณะตามความแตกตางของโครงสรางจุลภาค ไดเปน 3 ลักษณะ คือ

4

1. Partially stabilized zirconia

2. Partially stabilized zirconia in a non zirconia matrix

3. Tetragonal zirconia polycrytals

ซ่ึงจากลักษณะของโครงสรางจุลภาคที่ตางกันจึงทําใหเกิดชื่อเรียกและสัญลักษณของเซอรโคเนียแตกตางกันออกไป เชน TZP Tetragonal zirconia polycystal

PSZ Parially stabilized zirconia

FSZ Fully stabilized zirconia

TTC Transformation toughened ceramics

ZTA Zirconia toughened alumina

TTZ Transformation toughened zirconia

2.1.2 อิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนีย (Yttria-stabilized zirconia)

อิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนีย คือ สารประกอบที่มีการเติมสารสรางความเสถียร อิตเทรียมออกไซดลงไปในโลหะเซอรโคเนียบริสุทธิ์ และสามารถสังเคราะหไดจากกระบวนการทางเคมี ที่อุณหภูมิต่ํากวา 1300 ○C เชน ไฮโดรเทอรมอล (hydrothermal) โซลเจล (sol gel) และตกตะกอนรวม (precipitation) หากพิจารณาจากวัฏภาคดังรูป 2.2 ในระบบ ZrO2-Y2O3 บริเวณ 0-5 % mole ของ Y2O3 จะพบวาที่ชวงอุณหภูมิ 1300-1650 ○C เซอรโคเนียจะอยูในวัฏภาคเตตระโกนอลเกือบ 100 เปอรเซ็นต หากทําใหเซอรโคเนียที่อยูในสภาพดังกลาวเย็นตัวมาที่อุณหภูมิหอง จะพบวาอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียจะมีโครงสรางผลึกแบบเตตระโกนอล จึงมีช่ือเรียกวาเตตระโกนอลเซอรโคเนียพอลิคริสตัล (Tetragonal Zirconia Polycrystals, TZP) [7]

วัสดุ TZP จะประกอบดวยอิตเทรียมออกไซดประมาณ 2-3 เปอรเซ็นตโมล ซ่ึงปริมาณของการเติมอิตเทรียมออกไซดนี้จะมีความสัมพันธกับขนาดของเกรน ดังรูป 2.3 โดยทั่วไปในกระบวนการผลิตสําหรับงานดานทันตกรรม จะมีชวงอุณหภูมิของการเผาผนึก (sintering) ที่อุณหภูมิ 1350-1550 ○C และพบวาลักษณะของเกรนจะมีขนาดของเสนผาศูนยกลางเล็กมาก ประมาณ 0.2-0.5 µm ดังนั้นจึงมีสมบัติทางกลที่โดดเดน คือ มีความเหนียวและแข็งแรงสูงมาก และสามารถเขากันไดดีทางชีวภาพ (biocompatibility) จึงสามารถนํามาซอมแซมความผิดปกติของฟนและทดแทนฟนแทที่สูญเสียไปได เปรียบเทียบไดจากตารางการจําแนกสมบัติของวัสดุ เซรามิกชนิดตางๆ ที่นิยมนํามาใชในดานวัสดุชีวภาพ ตามมาตรฐาน ISO 13356 ดังตารางที่ 1

5

รูป 2.1 โครงสรางผลึกของอิตเทรียสเตบไิลซเซอรโคเนีย [6] ตารางที่ 2.1 เปรียบเทียบการจําแนกสมบัติของวัสดุเซรามิกชนิดตางๆ ที่นิยมนํามาใชงานในดานวัสดุชีวภาพ ตามมาตรฐาน ISO 13356 [8]

Property Units Alumina Mg-PSZ TZP

Chemical composition 99.99% Al2O3 + MgO

ZrO2 +8÷10 mol%

MgO

ZrO2 +3 mol%Y2O3

Density gcm-3 ≥3.97 5.74-6 >6

Porosity % <0.1 - <0.1

Bending strength MPa >500 450-700 900-1200

Compression strength MPa 4100 2000 2000

Young modulus GPa 380 200 210

Fracture toughness KIC Mpam-1 4 7-15 7-10

Thermal expansion coeff. K-1 8×10-6 7-10×10-6 11×10-6 Thermal conductivity WmK-1 30 2 2 Hardness HV 0.1 2200 1200 1200

6

รูป 2.2 แสดงแผนภูมวิัฏภาคของ Y2O3 ใน ZrO2 [6]

รูป 2.3 ความสัมพันธของปริมาณการเติมอิตเทรียมออกไซดกับขนาดของเกรน และลักษณะของ

เกรนที่พบเมื่อทําการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1350-1550 ○C [8, 9]

7

2.2 สารเติมแตงและสมบัติท่ัวไป [7, 12, 13, 14] 2.2.1 สารชวยกระจายตัว (dispersant) สารชวยกระจายตัว มีบทบาทตอกระบวนการเตรียมสารแขวนลอยหรือสลิปมาก ซ่ึงจะชวยทําใหอนุภาคที่เกาะตัวกันเปนกลุมกอนเกิดการกระจายตัว โดยมีการดูดซับไวบนพื้นผิวของอนุภาค ทําใหเกิดประจุไฟฟา สงผลใหเกิดแรงผลักระหวางอนุภาคทําใหอนุภาคเกิดการกระจายตัวอยูในสารแขวนลอย ซึ่งใชหลักการที่วาเมื่อเกิดประจุไฟฟาเหมือนกันจะเกิดแรงผลักกัน และการเกิดประจุบนพื้นผิวอนุภาคยังสามารถควบคุมไดจากการเติมสารที่เปนกรดและเบส เพื่อชวยปรับความเปนกรด-เบส ของสารแขวนลอยหรือการเติมสารพอลิอิเล็กโทรไลท (polyelectrolyte) โดยทั่วไปสารชวยกระจายตัวประเภทพอลิอิเล็กโทรไลทมีอยูหลายชนิดดวยกัน ดังแสดงในตารางที่ 2.2 สวนมากจะสามารถละลายไดดีกับน้ํา และทําใหเกิดแรงผลักระหวางอนุภาคจากประจุไฟฟาสถิตบนพื้นผิวของอนุภาคดวย ตารางที่ 2.2 พอลิอิเล็กโทรไลทที่นิยมใชเปนสารชวยกระจายตัว [12]

Inorganic Organic

Sodium carbonate

Sodium silicate

Sodium borate

Tetrasodium pyrophosphate

Sodium polyacrylate

Ammonium polyacrylate

Sodium citrate

Sodium succinate

Sodium tartrate

Sodium polysulfonate

Ammonium citrate

2.2.2 ตัวประสาน (binder) ตัวประสานเปนวัสดุประเภทพอลิเมอรที่ไดจากการทําปฏิกิริยาทางเคมีอยูในรูปสารอินทรียที่เปนผลพลอยไดจากการผลิตปโตรเลียม ซ่ึงเปนที่นิยมนํามาใชกับอุตสาหกรรมประเภทตางๆ โดยอุตสาหกรรมการผลิตผลิตภัณฑเซรามิกก็เปนอุตสาหกรรมหนึ่งที่เปนที่นิยมใชตัวประสานมาชวยในการขึ้นรูปชิ้นงานเซรามิก เพื่อเพิ่มสมบัติความแข็งแรงของชิ้นงานกอนเผาทําใหช้ินงานมีความคงรูปไดจนกวาจะผานกระบวนการเผาผนึก ในการขึ้นรูปชิ้นงานโดยวิธีการอัดขึ้นรูปแบบแหงนั้น ช้ินงานที่ไดตองผานขั้นตอนหลายขั้นตอนดวยกัน คือ การนําชิ้นงานออกจากแมพิมพ การอบแหง และการวัดขนาด การตกแตงสวนเกินของชิ้นงานตลอดจนการเคลื่อนยาย

8

ช้ินงานนําไปทดสอบเพื่อหาสมบัติตางๆ หากชิ้นงานไมมีความแข็งแรงเพียงพอก็จะทําใหเกิดการแตกหักและเสียหายไดงาย และมีผลกระทบที่สําคัญตอสมบัติและโครงสรางจุลภาคของชิ้นงานภายหลังการเผาผนึกได ดวยเหตุนี้จําเปนจะตองมีการเติมตัวประสานลงในระบบ เพื่อชวยลดการเกิดความเคนตกคางภายในชิ้นงาน เพราะอนุภาคมีการดูดซับตัวประสานที่บริเวณพื้นผิวของอนภุาคและระหวางอนุภาค ชวยใหช้ินงานกอนเผาผนึกมีความแข็งแรงสูง โดยทั่วไปตัวประสานที่ใชเปนสารเติมแตงในกระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานเซรามิกจะมีสมบัติความแตกตางกันทางดานน้ําหนักโมเลกุล (molecular weight) เนื่องจากในการเตรียมสารแขวนลอยน้ําหนักโมเลกุลของตัวประสานจะมีผลทางดานความหนืดของสารแขวนลอย จะใหคาความหนืดเพิ่มขึ้นเมื่อมวลโมเลกุลเพิ่มขึ้นโดยจะไปเพิ่มปริมาตรของอนุภาค (dynamic

volume) ทําใหคาศักยไฟฟาซีตา (zeta potential) ลดลง เนื่องจากลักษณะการเปลี่ยนแปลงประจุสองชั้น (electrical double layer) เกิดการดูดซับตัวประสานบนพื้นผิวอนุภาค และคาอิเล็กโทร โฟริซีส (electrophoresis) ลดลงเมื่อตัวประสานมีน้ําหนักโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น[12] จึงทําใหการเลือกใชตัวประสานตองพิจาณาจากสมบัติของสารเปนหลัก เพื่อใหเหมาะสมกับกระบวนการขึ้นรูปช้ินงานเซรามิก สมบัติทั่วไปที่นํามาพิจารณาการเลือกใชชนิดของตัวประสาน ดังตอไปนี้ คือ [13]

1. สามารถกําจัดออกไดงายภายหลังกระบวนการเผา 2. ยึดเกาะกับอนุภาคผงไดดี 3. สามารถละลายเขากันไดดีกับสารเติมแตงอื่นๆ 4. ราคาไมแพง

สมบัติที่กลาวมาขางตนจะมีความสอดคลองกันในการพิจารณาเลือกใชตัวประสาน คือ เลือกตัวประสานที่มีการยึดเกาะกับอนุภาคไดดี ทําใหช้ินงานกอนเผามีความหนาแนนและแข็งแรงสูง และสามารถใชตัวประสานในปริมาณที่นอยได ซ่ึงจะทําใหสามารถขจัดออกไปไดงายระหวางการเผาผนึกและชวยประหยดัคาใชจายทางดานพลังงานได และสามารถลดเวลาในขั้นตอนเผาสวนความสามารถในการละลายขึ้นอยูกับชนิดของตัวทําละลาย สวนใหญสารยึดเกาะจะละลายกับตัวทําละลายที่เปนน้ํา ซ่ึงนิยมใชเปนตัวกลางในการเตรียมสารแขวนลอยหรือสลิป สวนสมบัติที่สําคัญอีกอยางหนึ่งที่นํามาใชในการพิจารณาสําหรับกระบวนการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแบบแหง คือ อุณหภูมิที่มีสถานะคลายแกว (glass transition temperature, Tg)

9

ของตัวประสาน เนื่องจากการผลิตอยูในสถานะอุณหภูมิหอง มีอุณหภูมิประมาณ 30 ๐C จึงตองการตัวประสานที่มีคา Tg ใกลเคียงกับที่อุณหภูมิหอง ดวยเหตุที่วาชวงการเกิดสถานะคลายแกว (glass

transition) ของตัวประสาน จะมีการจัดเรียงตัวใหมของโครงสรางผลึกในปริมาณที่มากขึ้น มีผลตอคา tensile strength ทําใหตัวประสานในชวงนี้มีความแข็งแรงสูง[14] และเมื่อเติมปริมาณตัวประสานเพิ่มขึ้นในระบบการเตรียมสารแขวนลอย และผานกระบวนการพนแหงไดเม็ดผงสําหรับการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแบบแหง จะทําใหไดช้ินงานกอนการเผาผนึกที่มีความแข็งแรงสูงตามไปดวย ตัวประสานที่นิยมนํามาใชในการเตรียมเม็ดผงดวยกระบวนการพนแหง สําหรับกระบวนการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแบบแหง แสดงดังตารางที่ 2.3

ตารางที่ 2.3 แสดงสมบัติของดานความหนืดของตัวประสานแตละชนิดที่นิยมใชสําหรับการเตรียมสารแขวนลอย [15]

Viscosity Grade Binder

Very Low Low Medium High Very

High Gum Arabic *

Lignosulfonates * Lignin Liquor *

Molasses * Dextrins *--------*

Poly(Vinylpyrrolidone) *----------* Poly(Vinyl Alcohol) *-------------------* Polyetylene Oxide *-----------------*

Starch *----------------------* Acrylics *-------------------*

Polyethylenimine PEI *------------------------* Methylcellulose *------------------------------*

Sodium Carboxymethylcellulose

*---------------------*

Hydroxypropylmethylcellulose *------------------------------* Hydroxyethylcellulose *-----------------------------------------*

Polyacrylamide *-----------------*

10

2.3 คอลลอยด [16, 17, 18, 20] คอลลอยด (colloid) เปนสารผสมที่เกิดจากการรวมตัวกันทางกายภาพของสารตั้งแต 2

ชนิดขึ้นไป มีลักษณะมัวหรือขุน ไมตกตะกอน ขนาดของอนุภาคมีเสนผาศูนยกลางประมาณ 10-7 ถึง 10-4 เซนติเมตร สามารถลอดผานกระดาษกรองได แตไมสามารถลอดผานกระดาษเซลโลเฟนได เมื่อผานลําแสงเล็กๆ เขาไปในคอลลอยดจะเกิดการกระเจิงของแสง ทําใหมองเห็นลําแสงไดอยางชัดเจน เรียกวาปรากฏการณทินดอลล (Tyndall effect) ซ่ึงคนพบโดยนักวิทยาศาสตรชาวไอรแลนด ช่ือ จอนห ทินดอลล เมื่อป พ.ศ. 2412

2.3.1 ความเสถียรของเซรามิกคอลลอยด ระบบคอลลอยด (colloidal system) หมายถึงระบบที่มีอนุภาคขนาดเล็กของวัสดุ

ชนิดหนึ่ง เรียกวา disperse หรือ discontinuous phase กระจายและแขวนลอยอยางเสถียรในตัวกลาง เรียกวา dispersion

รูป 2.4 กลไกความเสถียรของเซรามิกคอลลอยด [19]

ความเสถียร (stability) ของอนุภาคเซรามิก คือ ความสามารถที่อนุภาคจะอยูไดในน้ําโดยไมเสียสภาพเปนเวลานานพอเมื่อมีการรบกวนทางฟสิกสหรือเคมี ความเสถียรของอนุภาคมีความสําคัญในกระบวนการผลิตและในการประยุกตใชเซรามิกคอลลอยด ซ่ึงแตละระบบจะตองมีความเสถียรแตกตางกันไป ในการพิจารณาความเสถียรของระบบคอลลอยด จําเปนที่จะตองคํานึงถึงลักษณะทางกายภาพ ของอนุภาคเซรามิก เชน ความเปนผลึก ซ่ึงจะมีผลตอแรงกระทําระหวางอนุภาคและตอการทําแหง แตโดยพื้นฐานที่สําคัญที่สุด ความเสถียรจะขึ้นกับลักษณะที่ผิวของอนุภาค ซ่ึงยอมขึ้นอยูกับวิธีการเตรียมเซรามิกนั้น โดยทั่วไปหมูฟงกช่ันที่ปรากฏบนผิวของอนุภาคมาจากตัวริเร่ิมปฏิกิริยาที่ใชสารลดแรงตึงผิวที่ดูดซับ หรือเกิดกราฟท (graft) ที่ผิวของหมูฟงกช่ันจากสารโซพอลิเมอร นอกจากนี้ความเสถียรยังขึ้นอยูกับขนาดอนุภาคของเซรามิก ความ

11

เขมขนหรือปริมาณสวนที่เปนของแข็ง และสวนประกอบที่ใช เมื่อพิจารณาอนุภาคที่เปนทรงกลม สามารถแบงโครงสรางที่ผิวออกเปน 3 ประเภท คือ

1. อนุภาคที่มีผิวเรียบและมีประจุ (smooth charged surface) เชน อนุภาคที่มีสารลดแรงตึงผิวประเภทที่มีประจุลบอยูที่ผิว

2. อนุภาคที่มีผิวคลายเสนขนและไมมีประจุ (hairy uncharged surface) เชน อนุภาคที่มีสารลดแรงตึงผิวประเภทที่ไมมีประจุหรือมีสายโซพอลิเมอรอยูที่ผิว

3. อนุภาคที่มีผิวคลายเสนขนและมีประจุ (hairy charged surface) เชน กรณีที่มีพอลิอิเล็กโทรไลต (polyelectrolyte) บนผิวอนุภาค

2.3.1.1 ประเภทความเสถียรของอนุภาค ความเสถียรของอนุภาคเซรามิก สามารถแบงไดเปน 2 ประเภทใหญๆ ไดแก ความ

เสถียรแบบอิเล็กโทรสตาติก (electrostatic stabilization) และความเสถียรแบบสเตอริก (steric stabilization) 1. ความเสถียรแบบอิเล็กโทรสตาติก (electrostatic stabilization)

ความเสถียรประเภทนี้เกิดเมื่อมีประจุที่ผิวอนุภาคในน้ํา เนื่องจากการแตกตัวเปนไอออน (ionization) การดูดซับไอออน (ion adsorption) หรือละลายของไอออน (ion

dissolution) เมื่อทําการไตเตรทแบบ potentionmetric หรือ conductimetric จะไดคาความหนาแนนของประจุที่ผิวอนุภาค (surface charge density; σ๐ )

σ๐ = Nsev (2.1)

เมื่อ Ns : จํานวนประจุตอ 1 หนายพืน้ที่ v : วาเลนซี (valency) e : Fundamental charge ของอิเล็กตรอน นอกจาก σ๐ แลวยังสามารถบอกประจุที่ผิวไดในเทอมของศักยที่ ผิว (surface

potential; Ψ๐) ประจุที่ผิวอนุภาคจะมีผลตอการกระจายตัวของไอออนบริเวณที่อนุภาคเชื่อมติดกับตัวกลางดวย โดยไอออนที่อยูที่ผิวอนุภาคจะดึงดูดกับไอออนที่มีประจุตรงกันขามกับประจุที่ผิว ที่เรียกวาเคาเตอรไอออน (counter-ion) และผลักไอออนที่มีประจุเหมือนกับประจุที่อยูบนผิว

12

เรียกวาโคไอออน (co-ion) การกระจายของไอออนที่อยูใกลผิวของอนุภาคจึงมีลักษณะที่เรียกวา อิเล็กทริกคอลดับเบิลเลเยอร (electrical double layer) กลาวคือ แบงไดเปน 2 ช้ัน ดังรูป 2.5

รูป 2.5 โครงสรางอิเล็กทริกคอลดับเบิลเลเยอร [22]

ช้ันที่ 1 Stern layer หรือช้ันใน (inner layer) ประกอบดวยไอออนที่ผิวอนุภาคและเคาเตอรไอออน (counter-ion) รวมทั้งไอออนอื่นๆ ที่อยูหางจากผิวอนุภาคประมาณเทากับรัศมีของไอออนที่มีน้ําลอมรอบ (hydrated radius; δ) ซ่ึงมีระยะหางประมาณ 0.5 nm จากผิวอนุภาค ช้ันที่ 2 Gouy layer หรือช้ันนอก (outer layer) หรือดิฟฟววเลเยอร (diffuse

layer) ประกอบดวยไอออนชนิดที่มีประจุตรงกันขามกับไอออนที่ Stern plane กระจายอยูในตัวกลางที่มีขั้วตามสมการ Poisson-Boltzmann ซ่ึงระยะความกวางของชั้นนี้ขึ้นอยูกับความเขมขนของอิเล็กโทรไลตในน้ํา

13

อิเล็กทริกคอลดับเบิลเลเยอรมีความสําคัญ เนื่องจากแรงกระทําระหวางอนุภาคที่มีประจุจะเปนไปไดเมื่อมีการซอนทับของดิฟฟววเลเยอร ดังนั้น คาของศักยที่ดิฟฟววเลเยอรจะเปนคาที่ควบคุมความเสถียรของคอลลอยดในหลายระบบ เชน เมื่อทําใหอนุภาคของแข็งที่อยูในน้ําเคลื่อนที่ในสนามไฟฟา ดังรูป 2.6 เมื่อประจุที่อนุภาคและไอออนที่อยูใน Stern layer จะเคลื่อนไปดวย โดยมีจลนศาสตรเหมือนกัน การเคลื่อนที่ดังกลาวทําใหเกิดระนาบของการแยกเรียกวา shear plane ความแตกตางระหวางศักยของสารละลายและศักยของ shear plane เรียกวา electrokinetic potential หรือ zeta potential (ζ) ซ่ึงเปนคาที่สามารถวัดไดและจะใชแทนคา Stern potential (Ψδ, Ψd หรือ Ψs) ที่ไมสามารถวัดไดโดยตรงจากการทดลอง

รูป 2.6 ศักยของอนุภาคที่มโีครงสรางแบบอิเล็กทริกคอลดับเบิลเลเยอร [23]

14

2.3.1.2 ศักยไฟฟาซีตา (Zeta potential; ζ) [21, 22, 24] ศักยไฟฟาซีตา คือ ศักยไฟฟาในอิเล็กทริคคอลดับเบิลเลเยอรที่ระนาบเฉือน

ปรากฏการณจลนศาสตรไฟฟาที่ใชในการศึกษาระบบของสารแขวนลอยดมากที่สุด คือ อิเล็กโตรโฟริซิส (electrophoresis) ซ่ึงอิเล็กโตรโฟริซิสเกิดจากการปอนศักยไฟฟาใหกับอนุภาคที่แขวนลอยอยูในน้ํา ในกรณีของอนุภาคที่กระจายตัวอยูในน้ําโดยมีประจุที่ผิวเปนลบ เมื่อปอนศักยไฟฟาเขาไปจะทําใหประจุในอิเล็กทริคคอลดับเบิลเลเยอรเคลื่อนที่เขาหาขั้วเเคโทดที่มีประจุเปนบวก สวนเคาเตอรไอออนจะเคลื่อนที่สูขั้วเเอโนดที่เปนประจุลบ การวัดจลนศาสตรไฟฟาจะวัด ณ ตําแหนงระหวางพื้นที่ผิวของอนุภาค และอิเล็กทริคคอลดับเบิลเลเยอรช้ันนอก ซ่ึงเรียกวาระนาบเฉือน ดังนั้นศักยไฟฟาซีตาของอนุภาค คือ ศักยไฟฟาที่ระนาบเฉือนนั้นเอง การหาคาศักยไฟฟาซีตา วัดจากความเร็วของอนุภาค (v) ในสนามไฟฟา (E) จะแสดงในสมการของ Smoluchowski ซ่ึงจะแสดงความสัมพันธระหวางความเร็วของอนุภาคและสนามไฟฟา ดังแสดงในสมการที่ 2.2

v = r

l

E οε ε ζη

(2.2)

และการเคลื่อนที่ของอิเล็กโตรโฟริติก µe ดังแสดงในสมการที่ 2.3

µe = r

l

οε ε ζη

(2.3)

เมื่อ εr คือ คาคงที่ของไฟฟาในสารตัวกลาง (dielectric constant of the medium) ε○ คือ คาคงที่ของไฟฟาของชองวาง (dielectric constant of the free space)

ζ คือ คาศักยไฟฟาซีตา (zeta potential)

ηι คือ คาความหนืดของของเหลว (liquid viscosity)

15

นอกจากนี้ยังมสีมการของ Henry ที่ใชหาคาศักยไฟฟาซีตาดวยการวดัจากความเร็วของอนุภาคใน สนามไฟฟา ดงัแสดงในสมการที่ 2.4

UE =τηγ

= (2.4)

เมื่อ f (ka) คือ Henry function

คาศักยไฟฟาซีตาที่วัดไดของอนุภาคจะบอกถึงความเสถียรหรือความไมเสถียรของอนุภาคเมื่อกระจายตัวในน้ํา ถาคาศักยไฟฟาซีตามีคาเปนบวกหรือลบ แสดงวาอนุภาคเกิดการกระจายตัวไดดี แตคาศักยไฟฟาซีตามีคาเปนศูนย แสดงวาอนุภาคที่กระจายตัวในน้ํามีความไมเสถียร เกิดการรวมกันของอนุภาค ซ่ึงจะตรงกับจุดที่มีประจุเปนศูนย (point of zero charge; pzc) หรือจุดไอโซอิเล็กทริค (isoelectric point; i.e.p) นอกจากนี้คาศักยไฟฟาซีตายังสามารถบอกใหทราบถึงชนิดของประจุที่ผิวของอนุภาคได เชนในกรณีของอนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียที่กระจายตัวในน้ํา ที่มีคาพีเอชมากกวา 6 อนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียจะมีประจุเปนลบ สวนคาพีเอชที่นอยกวา 6 อนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียมีประจุเปนบวก การหาจุดไอโซอิเล็กทริคจะหาไดจากเครื่องวัดศักยไฟฟาซีตาโดยทําการพลอตกราฟระหวางพีเอชกับคาศักยไฟฟาซีตา ถากราฟตัดตรงกับจุดที่มีคาศักยไฟฟาเปนศูนยแสดงวาจุดนั้นเปนจุดไอโซอิเล็กทริค ดังรูป 2.7

รูป 2.7 การหาจุดไอโซอิเล็กทริคของอนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนีย (Y-TZP) ในสภาวะทีแ่ตกตางกัน[25]

16

2. ความเสถียรแบบสเตอริก (steric stabilization) ความเสถียรแบบสเตอริกเกิดขึ้นในกรณีที่มีสารลดแรงตึงผิวชนิดไมมีประจุหรือสายโซพอลิเมอรอยูบนผิวของอนุภาคอยางมีนัยสําคัญและเกาะกันอยางเพียงพอที่จะทําใหมีการผลักกันแบบสเตอริก (steric repulsion) ระหวางอนุภาค เปนผลใหระบบมีความเสถียร ซ่ึงกลไกของความเสถียรภาพแบบสเตอริก อธิบายไดดวย 2 กลไก คือ 1. ทฤษฎีออสโมติก (Osmotic throry) ถาชั้นนอกของ 2 อนุภาค สามารถสอดประสาน (Interpenetrate) กันไดเมื่ออนุภาคเขาใกลกัน ความเขมขนของพอลิเมอรที่มีน้ําแทรกอยูซ่ึงอยูในบริเวณที่มีการสอดประสานหรือซอนทับกันนั้นจะเพิ่มขึ้น แรงดันออสโมติกของน้ําในบริเวณนี้จึงตางจากในตัวกลาง น้ําจากบริเวณอื่นจึงแพรเขามาในบริเวณนี้เพื่อทําใหแรงดัน ออสโมติกเทากนั 2. ทฤษฎีเอนโทรปกหรืออิลาสติก (Entropic or elastic theory) กรณีนี้ขั้นนอกสุดของอนุภาคไมสามารถเกิดการสอดประสานไดเมื่อเขาใกลกัน แตจะเกิดการบีบอัดของสายโซ พอลิเมอรบริเวณผิวระหวาง 2 อนุภาค ที่เขามาใกลกัน ทําใหลดองศาความเปนอิสระ (degree of

liberty) และลดจํานวนคอนฟอรเมชั่น (conformation) ของสายโซพอลิเมอร ซ่ึงเปนการลดเอนโทรปของระบบ ดังนั้น ระบบจึงปรับตัวใหมีจํานวนองศาความเปนอิสระมากขึ้นเพื่อเพิ่มเอนโทรปทําใหระบบมีความเสถียรทางเทอรโมไดนามิกส โดยอนุภาคจะผลักออกจากกันแบบอิลาสติก (elastic effect)

2.3.2 การเกิดประจุของอนภุาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนีย โดยทั่วไปอนุภาคของโลหะออกไซดสวนใหญ เมื่อทําใหเกิดการกระจายตัวในน้ํา

จะเกิด การไฮโดรไลซกลายเปนสารประกอบในรูปของโลหะไฮดรอกไซด (MOH) เมื่อทําการปรับสภาวะของสารแขวนลอยใหเปนกรดหรือเบส การแตกตัวเกิดเปนไฮโดรเจนไอออน (H+)

ในสภาวะกรด และไฮดรอกไซดไอออน (OH-) ในสภาวะเบส จะทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงของประจุ ที่ผิวอนุภาค ดังสมการตอไปนี้ 2( ) ( ) ( ) 2

H OH

surface surface surfaceMOH MOH MO H O+ −

+ −← → + (2.5)

จากสมการที่ 2.5 จะพบวาเมื่อโลหะไฮดรอกไชดที่กระจายตัวในสภาวะกรด ไฮโดรเจนไอออนจะดูดซับบนผิวอนุภาค ทําใหเกิดการเปลี่ยนประจุของอนุภาคเปนประจุบวก และที่สภาวะเปนเบส ประจุที่ผิวอนุภาคจะเกิดเปนประจุลบ เนื่องจากการสูญเสียไฮโดรเจนอะตอมของ

17

โมเลกุลโลหะ ไฮดรอกไซด โดยไฮดรอกไซดไอออนที่เกิดจากการแตกตัวของสารละลายเบส ดังนั้นการกระจายตัวของอนุภาคจะเกิดจากแรงผลักระหวางอนุภาค ซ่ึงการผลักกันระหวางอนุภาคจะขึ้นอยู กับแรงทางประจุไฟฟา และอาจเกิดการรวมกันของอนุภาคดวยแรงแวนเดอรวาลว เมื่ออนุภาคเขาใกลกันมากๆ การผลักและการรวมกันระหวางอนุภาคจะบงบอกถึงความเสถียร ความไมเสถียรและสมบัติการไหลของสารแขวนลอย ซ่ึงสมบัติความเสถียร ความไมเสถียร และสมบัติการไหลของสารแขวนลอยจะขึ้นอยูกับอิเล็กทริคคอลดับเบิลเลเยอร

2.3.3 การกระจายตัวของอนภุาค อนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียที่กระจายตัวอยูในสารแขวนลอย สามารถเกิดการกระจายตัวของอนุภาคแบบอิเล็กโทรสตาติก (electrostatic) และแบบสเตอริก (steric) ซ่ึงการกระจายตัวของอนุภาค สามารถจําแนกไดหลายวิธี เชน

• การปรับคาพีเอชของสารแขวนลอย เปนผลจากการปรับสภาพของประจุที่ผิวอนุภาคใหมีความแรงของประจุเพิ่มขึน้จนมีคาเปนบวกหรือลบ ทําใหอนุภาคเกิดการผลักกันดวยความแรงของประจุที่เหมือนกัน เชน กรณีของอนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียกระจายตัวในสภาวะกรด ไฮโดรเจนไอออนจะดูดซับบนผิวอนุภาค ทําใหเกิดการเปลี่ยนประจุของอนุภาคเปนประจุบวก ทําใหที่ผิวอนุภาคมีความแรงของประจุบวกเพิ่มมากขึ้น จึงเกิดการแรงผลักทําใหอนุภาคกระจายตัวดีขึ้น

• การเติมสารชวยกระจายตัว สารชวยกระจายตัว มีบทบาทตอกระบวนการเตรียมสารแขวนลอยมาก ซ่ึงจะชวยทํา

ใหอนุภาคที่เกาะตัวกันเปนกลุมกอนเกิดการกระจายตัว โดยมีการดูดซับไวบนพื้นผิวของอนุภาค ทําใหเกิดประจุไฟฟา สงผลใหเกิดแรงผลักระหวางอนุภาคทําใหอนุภาคเกิดการกระจายตัวอยูในสารแขวนลอย ซ่ึงใชหลักการที่วาเมื่อเกิดประจุไฟฟาเหมือนกันจะเกิดแรงผลักกัน

• การเติมสารพอลิเมอรโมเลกุลต่ํา การเติมสารพอลิเมอรโมเลกุลต่ํา จะทํางานโดยการใชสายโซพอลิเมอรเกาะอยูบน

ผิวของอนุภาคที่มีประจุซ่ึงจะสงผลตอการกระจายของเคาเตอรไอออน(counter-ion) กลาวคือ จะทําให เคาเตอรไอออนอยูหางออกไปจาก Stern plane มากขึ้น จึงทําใหขอบเขตของดิฟฟววเลเยอร (diffuse layer) อยูไกลจากผิวของอนุภาคเพิ่มขึ้น จึงทําใหการผลักกันระหวางอนุภาคเพิ่มขึ้น

18

ในการทําใหอนุภาคมีความเสถียรและกระจายตัวดีแบบสเตอริกนั้น สายโซของโมเลกุลพอลิเมอรที่ปกคลุมและเกาะบนผิวอนุภาค จะทําใหโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวที่มีอยูเดิมหลุดออก (desorption) หรือเคลื่อนยายไปในแนวดานขาง (lateral migration) โดยที่ช้ันของสารที่ทําใหเกิดการเสถียรตองมีความหนามากพอที่จะทําใหผลของแรงดูดประเภทแรงแวลเดอรวาวลล (van der Waals) มีคาต่ําสุด ซ่ึงขนาดอนุภาคจะมีผลตอความเสถียรดวย โดยแรงดึงดูดจะมีคามากเมื่ออนุภาคมีขนาดใหญขึ้น

Electrolyte behavior Dispersant effect

รูป 2.8 การกระจายตวัของอนุภาคอิตเทรยีสเตบิไลซเซอรโคเนียแบบ Electrolyte behavior

และ Dispersant effect

Low molecular polymeric effect

รูป 2.9 การกระจายตวัของอนุภาคอิตเทรยีสเตบิไลซเซอรโคเนีย แบบ Low molecular polymeric effect

19

2.3.4 การรวมตัวของอนุภาค อนุภาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียที่กระจายตัวอยูในสารแขวนลอย สามารถเกิด

การรวมตัวกันของอนุภาคแบบอิเล็กโทรสตาติกและแบบสเตอริกซึ่งการรวมตัวกันของอนุภาค สามารถจําแนกไดหลายวิธี ไดแก

• การปรับคาพีเอชของสารแขวนลอย การรวมตัวของอนุภาคดวยผลของการเกิดประจุไฟฟาเทากับศูนย ซ่ึงเปนผลจากการ

ปรับสภาพของประจุที่ผิวอนุภาคใหมีความแรงของประจุลดลงจนมีคาเทากับศูนย เปนผลใหอนุภาคสามารถเคลื่อนที่เขามาใกลกัน จนสามารถดึงดูดกันไดดวยแรงแวนเดอรวาลว

• การเติมสารละลายอิเล็กโตรไลต ซ่ึงเปนผลจากการกดอัดชั้นอิเล็กทริคคอลดับเบิลเลเยอรของไอออนของสารละลาย

อิเล็กโตรไลต โดยความสามารถในการกดอัดจะขึ้นอยูกับเวเลนซีของไอออนและความเขมขนของของไอออนของสารละลายอิเล็กโตรไลตที่เติมลงไป ทําใหความหนาของชั้นอิเล็กทริคคอลดับเบิล เลเยอรลดลงอนุภาคจึงสามารถเคลื่อนที่เขาหากันไดมากขึ้น จนสามารถดึงดูดกันไดดวยแรงแวนเดอรวาลว

• การใชปริมาณของแข็งท่ีสูง การรวมตัวของอนุภาคดวยผลของการซอนทับของชั้นอิเล็กทริคคอลดับเบิลเลเยอร

(double layer overlap) การรวมตัวในลักษณะดังกลาวจะเกิดขึ้นในกรณีที่มีการใชปริมาณของแข็ง (solids content) ที่สูง

• การเติมสารพอลิเมอรโมเลกุลสูง เปนการยึดเกาะกันของอนุภาคโดยการเติมพอลิเมอรลงไปในสารแขวนลอย โดย

พอลิเมอรที่เติมลงไปนั้นจะเกิดการดูดซับไวบนผิวอนุภาค และสวนปลายของสายพอลิเมอรจะเกิดการเกี่ยวพันกันระหวางอนุภาค ทําใหอนุภาคเกิดการรวมตัวกัน โดยการรวมตัวในลักษณะนี้จะขึ้นอยูกับมวลโมเลกุลของพอลิเมอรที่เติมลงไป ถาพอลิเมอรที่ใชมีมวลโมเลกุลสูง การรวมตัวของอนุภาคก็สามารถขึ้นไดดี

20

รูป 2.10 การรวมตัวของอนภุาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียแบบ Point of Zero Charge และ Ionic Strength

รูป 2.11 การรวมตัวของอนภุาคอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียแบบ Double Layer Overlap และ Polymer Bridge

2.4 พฤติกรรมทางวิทยากระแสของสารแขวนลอย [18, 21, 26]

2.4.1 ทฤษฏีทางวิทยากระแสของของไหล วิทยากระแสหรือการไหลเปนพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงรูปรางของของไหล

เนื่องมาจากมีแรงมากระทํา เมื่อมีแรงมากระทํากับของไหล ของไหลดานลางจะมีแรงตานจากพื้นไมใหของไหลเกิดการเคลื่อนที่โดยแรงตานที่เกิดขึ้นจะลดลงเรื่อยๆ เมื่อช้ันของเหลวอยูสูงหางจากพื้น ดังนั้นความเร็วในแตละชั้นจะไมเทากัน ซึ่งชั้นบนสุดจะมีความเร็วสูงสุด และเคลื่อนที่ไดมากกวาชั้นที่ต่ําลงมา ดังรูป 2.12

21

สําหรับการกวนสารแขวนลอยจะแสดงพฤติกรรมทางวิทยากระแสเหมือนกับการไหลของของไหล คือ ความเร็วของสารแขวนลอยดานบนจะมีความเร็วมากกวาดานลาง โดยการวดัการไหลของของไหลมักจะแสดงออกเปนคาความหนืด คือ ผลที่ไดจากการวัดแรงเสียดทานภายในของของไหล โดยแรงเสียดทานจะเกิดขึ้นก็ตอเมื่อช้ันของของไหลมีการเคลื่อนที่สัมพันธกัน แรงเสียดทานยิ่งมีคามากเทาใดก็ยิ่งตองใชแรงในการเคลื่อนที่มากเทานั้น แรงที่กลาวถึงนี้เรียกวา ความเคนเฉือน (shear stress) โดยปกติแลวการเฉือน (shearing) จะเกิดขึ้นเสมอเมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่ ดังนั้นของไหลที่มีความหนืดสูงจึงตองการแรงมากกวาของไหลที่มีความหนืดต่ํา

รูป 2.12 ลักษณะการไหลของของไหลเมื่อมีแรงมากระทํา

Newton ไดกลาววา เมื่อระนาบของของไหลสองชั้นที่ขนานกันและมีพื้นที่เทากันคือ A ถูกแยกออกจากกันเปนระยะทาง dx เคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกันดวยความเร็วที่ตางกัน คือ

V1 และ V2 นิวตันไดสมมติวาแรง (F) ที่ตองการใชในการรักษาความแตกตางของความเร็ว (dv) จะเปนสัดสวนโดยตรงกับความแตกตางของความเร็วตลอดของไหลหรือเกรเดียนต ความเร็ว ดังแสดงในสมการที่ 2.6

F dvA dx

η= (2.6)

โดย η คือ คาความหนืด คาเกรเดียนตความเร็ว dv

dx เรียกอีกอยางหนึ่งวาอัตราเฉือน (Shear rate) เขียนแทนดวย γ มี

หนวยเปนวินาที-1 และเทอม FA

คือ แรงตอหนวยพื้นที่ ที่ตองการในการทําใหเกิดการเฉือน

22

เรียกวาความเคนเฉือน เขียนแทนดวย τ มีหนวยเปน ไดนตอตารางเซนติเมตร หรือ นิวตันตอตารางเมตรในระบบ SI ดังแสดงในสมการที่ 2.7

τηγ

= (2.7)

ปกติหนวยความความหนืด คือ พอยส หรือเซนติพอยส แตบางครั้งอาจพบในรูป

ของหนวยพาสคัล-นาที หรือ มิลลิพาสคัล-วินาที ซ่ึงเปนหนวยในระบบ SI

1 mPa·S = 1 cP

Newton ไดตั้งสมมติฐานไววาวัสดุทุกชนิด ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ จะมีคาความหนืดที่ไมขึ้นกับอัตราเฉือน หรืออีกนัยหนึ่งคือถาเพิ่มแรงขึ้นเปนสองเทาก็จะทําใหของไหลไหลเร็วขึ้นเปนสองเทาดวย แตความเปนจริงแลววัสดุที่มีลักษณะดังกลาวมีอยูเพียงบางชนิดเทานั้น

2.4.2 พฤติกรรมทางวิทยากระแสของของไหล สามารถแบงออกเปน 2 ประเภทคือ 1. ของไหลแบบนิวโทเนียน (Newtonian fluids) ของเหลวที่มีพฤติกรรมการไหล

เปนไปตามกฎของ Newton ซ่ึงจากรูป 2.13 จะเห็นวาความสัมพันธระหวางอัตราเฉือนและความเคนเฉือนเปนไปในลักษณะเสนตรง แสดงใหเห็นวาความหนืดของของไหลนั้นคงที่ตลอด แมวาความเคนเฉือนจะเปลี่ยนไปก็ตาม ซ่ึงหมายความวาถาวัดความหนืดของสารนี้ ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ คาความหนืดจะคงที่เสมอ

รูป 2.13 พฤติกรรมการไหลของของไหลแบบนิวโทเนยีนและแบบนอนนิวโทเนียน

23

2. ของไหลแบบนอนนิวโทเนียน (Non-Newtonian fluids) ความสัมพันธระหวางอัตราเฉือนและความเคนเฉือนสําหรับของไหลประเภทนี้จะไมเปนคาคงที่ คือ ถาความเคนเฉือนเปลี่ยน คาอัตราเฉือนจะไมเปลี่ยนในลักษณะที่เปนสัดสวนเดียวกัน ดังนั้น คาความหนืดจึงเปลี่ยนเมื่อความเฉือนเปลี่ยนไป โดยคาที่วัดไดนี้จะเรียกวาคาความหนืดปรากฏ (Apparent

viscosity) ของไหลแบบนอนนิวโทเนียนสามารถแบงออกเปน 2 ประเภท คือ ประเภทที่หนึ่งไดแก การไหลของของเหลวที่เปนอิสระกับเวลา (flow of time-independent fluids) และประเภทที่สองไดแกการไหลของของเหลวที่ขึ้นกับเวลา (flow of time-dependent fluids)

2.4.3 การไหลของของเหลวที่เปนอิสระกับเวลา

1. พฤติกรรมพลาสติกบิงเฮม (Bingham plastic behavior) เปนของไหลที่ตองการแรงเริ่มตนคาหนึ่งเพื่อทําใหของเหลวนั้นไหลได และเมื่อใหแรงกระทําเพิ่มขึ้นลักษณะการไหลจะเปนแบบนิวโทเนียนพฤติกรรมการไหลแบบพลาสติกที่บิงเฮมไดกลาวไวจะเปนพฤติกรรมการไหลในอุดมคติ ดังแสดง ในสมการที่ 2.8 และดังแสดงในรูปที่ 2.13

B lρτ τ η γ= + (2.8) เมื่อ lρη คือ คาความหนดืพลาสติก ซ่ึงหาไดจากความชนัของกราฟ

Bτ คือ ความเคนเฉือนของบิงเฮม ซ่ึงหาไดจากจุดตดัแกน Y (shear stress) ของกราฟ

นอกจากนี้พฤติกรรมการไหลแบบพลาสติกของบิงเฮมในสารแขวนลอยในตามธรรมชาติจะไมเหมือนพฤติกรรมการไหลแบบพลาสติกของบิงเฮมในอุดมคติ เชน ในสารแขวนลอยของเซรามิกที่มีปริมาณอนุภาคสูง พฤติกรรมการไหลแบงออกเปนสองชวง คือ ชวงที่หนึ่งเปนพฤติกรรมการไหลแบบนอนนิวโทเนียน ซ่ึงจะมีลักษณะคลายกับพฤติกรรมการไหลแบบเสมือนพลาสติก สวนในชวงที่สองเปนพฤติกรรมการไหลแบบนิวโทเนียน ดังแสดงในรูปที่ 2.13

และบอยครั้งที่พบวาลักษณะการไหลตัวจะเปนแบบเสมือนพลาสติกหรือเชียรทินนิง

24

2. พฤติกรรมเสมือนพลาสติก (Pseudoplastic behavior) สารแขวนลอยของดินที่เจือจางจะมีพฤติกรรมการไหลแบบเสมือนพลาสติก บางครั้งเรียกพฤติกรรมการไหลแบบนี้วา เชียรทินนิง (shear thinning) ซ่ึงหมายถึงพฤติกรรมการไหลที่มีคาความหนืดลดลงเมื่ออัตราเฉือนเพิ่มขึ้น หรือคาความหนืดจะลดลงเมื่อความเคนเฉือนเพิ่มขึ้นดังแสดงในรูปที่ 2.13

3. พฤติกรรมไดลาแทนต (Dilatant behavior) เปนพฤติกรรมการไหลตัวของของไหลที่มีคาความหนืดเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มอัตราเฉือน พฤติกรรมไดลาแทนตอาจ เรียกวา เชียร ทิกเคนนิง (shear thickening) ดังรูป 2.13 ซ่ึงมักจะปรากฏในของเหลวที่มีสวนผสมของอนุภาคของแข็งอยูในปริมาณสูงๆ เชน น้ําดินขน ของผสมระหวางทรายกับน้ํา ทั้งนี้เนื่องจากในสภาพดังกลาวอนุภาคจะมีการจัดเรียงตัวแบบชิดกันมากที่สุด การทําใหเกิดความเคนเฉือนในแนวระดับนั้นเทากัน เปนการทําใหอนุภาคแถวบนเคลื่อนตัวไปอยูเหนืออนุภาคที่เรียงอยูแถวลาง ดังรูป 2.14

ซ่ึงการเคลื่อนที่เชนนี้จะทําใหวัสดุมีความหนืดสูงมาก เนื่องจากขณะที่อนุภาคเคลื่อนตัวนั้นจะเกิดการชนกันกับอนุภาคอื่น และเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางทั้งแนวตั้งฉากและแนวระดับ

รูป 2.14 พฤติกรรมไดลาแทนต 2.5 เทคนิคพนแหง [26-31] เทคนิคการพนแหง (spray drying technique) เปนวิธีการที่นิยมใชสําหรับการทําแหงสารละลายอินทรีย สารประเภท อิมัลช่ันและของเหลวชนิดตางๆ โดยผลิตภัณฑที่ไดจะอยูในรูปของผงแหง มักใชวิธีนี้ในอุตสาหกรรมทางเคมีและอาหาร การทําแหงดวยวิธีนี้นอกจากจะใชสําหรับทําแหงอยางรวดเร็วแลว ยังเปนวิธีการที่มีประโยชนมากในการลดขนาดและปริมาตรของของเหลวอีกดวย และจากการวิจัยและพัฒนาที่ตอเนื่องกันมา ทําใหเทคนิคพนแหงกลายเปนวิธีการทําแหงที่มีประสิทธิภาพและนิยมนํามาใชทําแหงใหกับผลิตภัณฑหลายชนิดในปจจุบัน

25

2.5.1 หลักการ การพนแหงเปนเทคนิคที่ใชเพื่อระเหยน้ําออกจากของเหลวอยางรวดเร็วโดยอากาศรอน กระบวนการนี้ประกอบไปดวยการพนของเหลว (feed) ออกมาจนเปนละอองขนาดเล็ก เขาผสมกับอากาศรอนที่ไหลผานอยางรวดเร็ว ทําใหน้ําที่อยูในละอองของเหลวระเหยไปทั้งหมด และไดผลิตภัณฑที่อยูในรูปของผงแหง การทํางานของเครื่องพนแหงเริ่มจาก อากาศจะถูกดูดผานตัวกรองและผานตัวใหความรอน จากนั้นจึงเขาสูหองอบแหง (drying chamber) สวนตัวอยางของเหลวที่นํามาฉีด ควรมีลักษณะเหลว และไมขนมาก จากนั้นของเหลวจะถูกดูดโดยปมผานอุปกรณที่ทําใหเกิดละอองฝอย คือ อะตอมไมเซอร (atomizer) ภายในหองอบ เมื่อละอองสัมผัสกับอากาศรอนจะทําใหเกิดการระเหยของน้ําอยางรวดเร็ว และจะไดผงของผลิตภัณฑตกลงสูดานลางของหองอบแหง ผงบางสวนที่หลุดออกมากับอากาศจะถูกแยกโดยใชไซโคลน (cyclone) ซ่ึงจะรวมเขาเปนผลิตภัณฑรวมในที่สุดดังรูป 2.15

รูป 2.15 การทํางานของเครื่องพนแหง [32]

26

2.5.2 ระบบของเครื่องพนแหงแบงเปน 2 ระบบ คือ 1. ระบบเปด (open cycle system) ระบบนี้อากาศที่ใชในกระบวนการทําแหงแบบพนฝอยเปนอากาศจากบรรยากาศซึ่งจะถูกนําเขามาในระบบโดยผานตัวกรอง จากนั้นหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการโดยที่ในอากาศไมมีผลิตภัณฑหลงเหลืออยูแลวจึงถูกปลอยกลับออกสูบรรยากาศตามเดิม 2. ระบบปด (closed cycle system) ระบบนี้จะใชกาซ เชน ไนโตรเจนในการหมุนเวียนอากาศภายในระบบ โดยที่ไมมีการปลอยออกสูส่ิงแวดลอมหรือเปนระบบปด ระบบนี้มักใชกับการทําแหงสารละลายที่ติดไฟได สารมีพิษและสารที่มีความไวตอออกซิเจน

2.5.3 ขั้นตอนของเทคนิคพนแหง ประกอบดวย 4 ขั้นตอนหลัก คือ ขั้นตอนที่ 1 การทําใหของเหลวกระจายตัวเปนละออง (atomization of feed) กระบวนนี้เปนการทําใหการพนของเหลวกระจายตัวกลายเปนละอองโดยใชอะตอมไมเซอร ซ่ึงถือวาเปนสวนประกอบที่สําคัญที่สุดของเครื่องพนแหง ซ่ึงมี 3 ชนิด คือ 1. โรตารี่อะตอมไมเซอร (rotary atomizer) ดังรูป 2.16 อะตอมไมเซอรชนิดนี้ของเหลวที่ปอนเขาเครื่องจะไหลลงบนจานหมุนใกลกับจุดศูนยกลาง โดยจานหมุนจะมีความ เร็วรอบประมาณ 5000-10000 รอบตอนาที ของเหลวที่ตกลงบนจานหมุนจะถูกเหวี่ยงออกดานขางกระจายเปนละอองขนาดอนุภาคเฉลี่ยประมาณ 30-120 ไมครอน ซ่ึงขนาดเฉลี่ยนี้จะแปรผันตรงกับอัตราการไหลของของเหลวที่ปอนเขาเครื่องและความหนืด แตจะแปรผกผันกับอัตราการหมุนและเสนผานศูนยกลางของจานหมุน

รูป 2.16 โรตารี่อะตอมไมเซอร (rotary atomizer) [31]

2. อะตอมไมเซอรแบบหัวฉีดภายใตความดันสูง (pressure nozzles atomizer) ดังรูป 2.17 อะตอมไมเซอรชนิดนี้ของเหลวที่ปอนเขาเครื่องจะไหลผานชองของหัวฉีดภายใตความดนัสูง ทําใหของเหลวที่ออกมาจากหัวฉีดกระจายเปนละอองฝอยไดโดยที่ไมตองใชอากาศ อนุภาคที่

27

ไดจะมีขนาดเฉลี่ยประมาณ 120-150 ไมครอน โดยขนาดอนุภาคจะแปรผันตรงกับอัตราการไหลของของเหลวที่ปอนเขาเครื่องและความหนืด แตจะแปรผกผันกับความดัน

รูป 2.17 อะตอมไมเซอรแบบหัวฉีดภายใตความดันสูง (pressure nozzles atomizer) [31]

3. อะตอมไมเซอรแบบหัวฉีดสวนทิศทาง (two-fluid nozzle atomizer) อะตอมไมเซอรชนิดนี้ของเหลวที่ปอนเขาเครื่องและอากาศจะไหลผานหัวของหัวฉีด ซ่ึงจะทําใหของเหลวแตกเปนละอองฝอย เนื่องจากการไหลผานของอากาศดวยความเร็วสูงภายในหัวฉีด การปรับอัตราการไหลของอากาศจะชวยในการกระจายเปนละอองของของเหลว วิธีนี้นิยมใชกับของเหลว ที่มีความหนืดสูง แตอยางไรก็ตามวิธีนี้มีคาดําเนินการที่สูงแตใหผลผลิตคอนขางต่ํา

ขั้นตอนที่ 2 การสัมผัสของละอองฝอยกับอากาศ ขั้นตอนนี้ละอองของของเหลวที่ถูกฉีดออกมาจะสัมผัสหรือเขาผสมกับอากาศรอนและเมื่อพิจารณาจากตําแหนงของอะตอมไมเซอรกับอากาศแหงขาเขาจะสามารถแบงรูปแบบของการสัมผัสกับอากาศรอนได ดังนี้ 1. การไหลผานทางเดียวกัน (co-current flow) ทิศทางการฉีดของเหลวเปนทิศทางเดียวกับการไหลของอากาศรอน ละอองของเหลวจะสัมผัสและผสมเขากับกับอากาศรอน ขณะที่ยังมีความชื้นสูงหรือมีน้ําภายในอนุภาคมาก จากนั้นผลิตภัณฑจะถูกทําใหระเหยทันที จนกลายเปนเม็ดผง วิธีนี้เปนวิธีการทําแหงของเครื่องพนแหงโดยทั่วไป 2. การไหลผานสวนทางกัน (counter-current flow) ทิศทางการฉีดของเหลวเปนทิศทางตรงกันขามกับการไหลของอากาศรอน โดยของเหลวจะถูกฉีดลงมาจากดานบนในขณะที่อากาศรอนจะไหลขึ้นจากดานลาง ผลิตภัณฑที่ไดจะมีความรอนสูงมาก วิธีนี้จึงเหมาะเฉพาะผลิตภัณฑที่เสถียรตอความรอนสูงเทานั้น

28

3.การไหลผานแบบผสม (mixed flow) การไหลของของเหลวจะเคลื่อนที่ผานทั้งหองการไหลผานทางเดียวกัน (co-current) และการไหลผานสวนทางกัน (counter-current) วิธีนี้เหมาะสําหรับทําแหงผลิตภัณฑที่เปนผงหยาบและทนความรอนไดสูงมาก

รูป 2.18 การไหลของอากาศภายในเครื่องพนแหง [31]

ขั้นตอนที่ 3 การระเหยของละอองฝอย (droplet) เมื่อละอองฝอยสัมผัสกับอากาศรอนจะเกิดการระเหยบริเวณผิวของละอองอยางรวดเร็ว โดยจะมีอุณหภูมิที่ผิวของละอองจะแพรเขาสูช้ันผิวดานในซึ่งอยูในสภาวะอิ่มตัว ชวงนี้จึงเปนชวงที่อัตราระเหยคงที่ จนกระทั่งความชื้นอยูในระดับต่ําและไมมีการแพรเขาสูผิวดานในแลว ซ่ึงจะทําใหเกิดเปนชั้นแหงหนาขึ้นตามเวลา และมีอัตราการระเหยลดลง

ขั้นตอนที่ 4 การแยกผลิตภัณฑแหงจากอากาศ โดยทั่วไปนิยมใชไซโคลนเปนตัวเก็บผลิตภัณฑที่ตกลงสูดานลาง สวนอากาศที่ออกจากดานบนของไซโคลนจะผานไปยังตัวเก็บขั้นสุดทายซึ่งอาจเปน wet scrubber, bag filter หรือ electrostatic precipitator ขึ้นอยูกับปริมาณผงที่มีและประสิทธิภาพการนํากลับมา

2.5.4 ตัวแปรกําหนดประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ คากําหนดประสิทธิภาพของผลิตภัณฑใหไดตามตองการ ไดแก 1. ความหนืด ถาของเหลวที่มีความหนืดสูงจะทําใหไดละอองที่มีขนาดใหญขึ้นที่สภาวะของ อะตอมไมเซอรเดียวกันและหากมีความหนืดสูงมากจะทําใหของเหลวที่ฉีดออกมามีลักษณะคลายเสนดายได ดังนั้นจึงไมควรใสของเหลวที่มีความหนืดสูงเกินไป 2. อัตราการไหลของของเหลวที่ปอนเขาเครื่อง ถากําหนดอัตราการไหลของ

29

ของเหลวสูงขึ้นจะทําใหไดละอองที่หยาบขึ้น เพราะใชเวลาที่สัมผัสกับอากาศนอยเกินไป จึงควรควบคุมอัตราการไหลของของเหลว ใหเหมาะสม 3. อัตราไหลของอากาศ หากอัตราการไหลลดลงจะทําใหเวลาที่ละอองอยูในหองอบแหง (drying chamber) นานขึ้น ซ่ึงจะทําใหสัมผัสกับอากาศรอนนานขึ้น และเปนผลใหลดความชื้นไดดีขึ้น แตหากอัตราการไหลของ feed สูง และอัตราการไหลของอากาศต่ําเกินไป และมีอุณหภูมิไมสูงเพียงพอก็อาจทําใหผลิตภัณฑที่ไดมีความชื้นสูง และเกาะติดอยูกับผนังของหองอบแหงได 4. อุณหภูมิอากาศขาเขา การเพิ่มอุณหภูมิอากาศขาเขาจะชวยเพิ่มประสิทธิภาพในการระเหยไดแตทั้งนี้ก็ขึ้นกับการไหลของอากาศดวยดังที่ไดกลาวไปในหัวขอดานบน

2.6 หลักพื้นฐานของการทําใหเปนเม็ดผง [28, 35, 36] การทําใหเปนเม็ดผงจัดอยูในกลุมของหนวยปฏิบัติการแปรรูปทางกล (mechanical

process) จะเปนการเพิ่มขนาดอนุภาคดวยวิธีการรวมกลุม (agglomeration) โดยมีขั้นตอนดังนี้ คือ นําเอาวัตถุดิบสถานะของแข็ง (solid phase) แตละชนิดที่ผานการลดขนาด (size reduction) ใหมีอนุภาคละเอียดระดับเดียวกัน พรอมกับเติมตัวประสานมาผสมคลุกเคลาเขาดวยกัน ทําใหเกิดการรวมกลุมและเพิ่มขนาดของอนุภาคใหเปนเม็ดโตขึ้น (large particle) เพื่อประโยชนในขึ้นรูปช้ินงานและการจัดเก็บ

ในการเพิ่มขนาดของเม็ดมีรูปแบบพื้นฐานของการรวมกลุมอยู 3 ประเภท ตามการเปลี่ยนแปลงของขนาดอนุภาค ดังรูป 2.19 คือ

1. Nucleation คือ การรวมตัวของอนุภาคเกิดเปนนิวเคลียส และสรางผลึกโตขึ้นจนกลายเปนเม็ด

2. Coalescence คือ การตอเชื่อมของอนุภาคเขาดวยกัน จนเกิดเปนเม็ดขนาดโตขึ้น 3. Layering คือ การเคลือบผิวอนุภาคเปนชั้นๆ จนเกิดเปนเม็ดขนาดโตขึ้น

30

รูป 2.19 กลไกการเกดิเม็ดผงแบบตางๆ [28] สําหรับกลไกการเกิดเม็ดผงจากกระบวนการพนแหงสามารถแบงออกไดเปน 2 ขั้นตอน ดังตอไปนี้ คือ

1. การเกิดนิวคลีเอชั่น (nucleation) เปนการเปลี่ยนแปลงขั้นแรกโดยเกิดจากการรวมตัวกันของอนุภาคผงที่ช้ันนิวคลีไอ (nuclei) หอหุมอยูแบบไมแนนอน (random)

2. เกิดการรวมตัวกันของอนุภาคผงเปนกลุมกอนที่โตขึ้น (growth of granule in

spray granulation) ที่มีช้ันนิวคลีไอหอหุมอยูที่มีลักษณะรูปรางคอนขางกลมและหนาแนนขึ้นเนื่องจากถูกกระทําที่แรงดันเทากัน โดยมีสารเติมแตงที่เปนตัวประสานทําหนาที่เคลือบผิวและดูดซับ (adsorption) อนุภาคผงเขาไวดวยกัน นอกจากนี้ยังสามารดูดซับความรอนไดดวย ซ่ึงในสวนนี้เปนจุดที่ทําใหสามารถควบคุมความชื้นของเม็ดผงที่หลงเหลืออยูหลังการพนแหงใหมีความชื้นในปริมาณที่ต่ําได ดังรูป 2.20

31

รูป 2.20 กลไกการเกดิเม็ดผง (granulation) ในกระบวนการพนแหง (a) เกิดนิวคลีไอ (b) เกิดการรวมตัวกันของอนุภาคผงเปนกลุมกอนที่โตขึ้น [26]

เม็ดผงที่เตรียมไดจากกระบวนการพนแหงโดยทั่วไปจะมีรูปรางภายนอกเปนทรงกลม แตรูปรางภายในที่ไดจะแตกตางกัน ในที่นี้สามารถแบงแยกไดเปน 2 แบบ คือ แบบกลวง (hollow) และแบบตัน (solid) แตสวนมากจะมีลักษณะรูปรางทรงกลมและมีรูกลวงตรงกลาง (hollow

granule) William J. และคณะ [33] ไดกลาวถึงกลไกที่มีผลตอลักษณะของเม็ดผงที่มีรูปรางทรงกลมมีรูกลวงตรงกลางจากกระบวนการพนแหง ดังนี้

• เกิดจากแรงดันภายในกระทําที่ศูนยกลางของเม็ดผง ทําใหการขยายตัวขึ้นเกิดเปนรูกลวงตรงกลาง

• เกิดจากของเหลวหรือความชื้นไปสัมผัสกับอากาศที่รอนภายในหองอบแหงแลวเกิดการแพรจากภายนอกเขาสูดานในไปรวมกันที่ศูนยกลางของเม็ดผง แลวเกิดการระเหยออกไปจากระบบเกิดเปนชองวางขึ้นตรงกลาง (void)

• เกิดจากสารแขวนลอยที่เปนของแข็งตกคางที่ผิวหนาของ droplet เมื่อสัมผัสกับอากาศที่รอนภายในหองอบเกิดการเปลี่ยนสถานะเปนของเหลวแลวระเหยออกจากระบบ

• เกิดจากอากาศที่ใชปอนสารแขวนลอยพนเขาไปในหองอบแหงเรื่อยๆ ทําใหอากาศบางสวนไปจับที่ droplet เปนผลใหเม็ดผงเกิดชองวางขึ้น

32

รูป 2.21 การเกิดรูกลวงตรงกลางของเม็ดผง ในกระบวนการพนแหง (hollow granule) [33]

2.6.1 ปจจัยท่ีมีผลตอขนาดการกระจายตัวและลักษณะของเม็ดผง

• ปริมาณของแข็ง (solid loading) ถาสารแขวนลอยที่มีปริมาณของแข็งนอยก็จะพนไดงายไดลักษณะเม็ดผงขนาดเล็ก

• ความหนืด (viscosity) ของผลคลายปริมาณของแข็ง โดยมีผลมาจากปริมาณของแข็งและปริมาณของตัวประสาน ซ่ึงถามีปริมาณนอยจะมีคาความหนืดต่ํา ไดลักษณะเม็ดผงที่มีขนาดเล็ก

• ความดันที่ใช (pressure) ความดันจะสงผลตอมุมการพน ทําใหเกิด droplet ขนาดเล็กจะไดเม็ดผงที่มีขนาดเล็กและการกระจายตัวตัวของขนาดอนุภาคแคบ

• หัวเกลียว (spiral): เปนอุปกรณของเครื่องพนแหง เมื่อทําการพน Spiral จะหมุนทําใหสารแขวนลอยเกิด droplet ขึ้นซึ่งจะมีผลตอการไหลของสารแขวนลอย ทําใหขนาดของเม็ดผงและความสูงของกลุมละอองฝอยที่พนออกมา หากเปนเครื่องที่มีขนาดหัวพนเทากันแตมีตัวหมุนที่มากกวา จะใหการพนสูงขึ้นทําใหไดละอองและเม็ดผงขนาดใหญขึ้น

• ขนาดของหัวพน: หัวพนที่มีขนาดใหญเมื่อทําการพนสารแขวนลอยจะได droplet ที่มีขนาดใหญเปนผลใหไดเม็ดผงที่มีขนาดใหญตามไปดวย

• ขนาดของหองอบแหง เครื่องพนแหงที่มีขนาดของหองอบแหงใหญกวาจะไดเม็ดผงที่มีขนาดใหญกวา เนื่องจากปริมาณสารแขวนลอยที่ถูกฉีดพนอยูในหองอบแหงมีปริมาณ

33

มากกวาจึงจับตัวเปนหยดน้ําขนาดใหญภายในละอองฝอยของสารแขวนลอยและในที่สุดก็กลายเปนเม็ดผงที่มีขนาดใหญ

• ชนิดของเครื่องพนแหง เมื่อเปรียบเทียบระหวางสารแขวนลอยชนิดเดียวกันและสภาวะในการทดลองเหมือนกันทุกประการ แตเครื่องพนแหงตางชนิดกัน พบวาเครื่องพนแหงที่มีขนาดใหญและสูงกวาจะไดเม็ดผงขนาดใหญกวา อาจเนื่องมาจากปริมาณของสารแขวนลอยที่พนออกไปมีปริมาณมากกวาเครื่องที่มีขนาดเล็ก ทําให droplet ของสารแขวนลอยมีขนาดใหญขึ้นตามไปดวย

2.6.2 ลักษณะของเม็ดผงท่ีด ี

จุดประสงคหลักของกระบวนการเตรียมเม็ดผง คือ จะใชเปนวัตถุดิบปอนเขาสูกระบวนการอัดแหง (compaction process) เม็ดผงที่ดีจะสามารถลดปญหาการเกิดการเกาะตัวเปนกลุมกอน (agglomerate) เนื่องจากการเกาะตัวเปนกลุมกอนที่มีขนาดใหญ จะทําใหเกิดรูพรุนขนาดใหญ ซ่ึงจะมีผลมาจากกระบวนการเผา ทําใหเกิดปญหาตาง ๆ ตามมาอีกมากมาย นอกจากนี้เม็ดผงที่ดีจะสามารถลดแรงเสียดทานทั้งระหวางอนุภาคดวยกันเองและระหวางอนุภาคกบัผนงัแบบ สามารถลดปญหาการเกิดแรงสปริงกลับ (spring back) ทําใหช้ินงานแตกราวเสียหายตอนถอดแรงอัด (unload) นอยลง

ลักษณะของเม็ดผงที่ดี คือ

• มีการความสามารถในการไหลตัวที่ดี (good flowability) ทําใหงายและสะดวกตอการขึ้นรูปโดยวิธีการอัดแบบแหง

• มีรูปรางลักษณะคอนขางกลม • เมื่อนําไปขึ้นรูปชิ้นงานทําใหเกิดการจัดเรียงตัวของเม็ดอยางสม่ําเสมอ สงผล

ใหช้ินงานกอนเผามีความหนาแนนและแข็งแรงสูงขึ้น • ทําใหไดเม็ดที่มีความชื้นต่ํา จึงสะดวกและงายตอการเก็บรักษา

34

2.4.3 ขอดีและขอเสียในกระบวนการเตรียมวัตถุดิบโดยเทคนิคพนแหง ขอด ี1. เนื่องจากตองผานการบดใหเปนสารแขวนลอยหรือนําสลิปมากอนทําใหวตัถุดิบ

ที่นํามาผสมกันสามารถเขากันไดอยางด ีทําใหเนื้อผลิตภัณฑมีความสม่ําเสมอขึ้น ซ่ึงการบดจะชวยทําใหเราเลือกใชวัตถุดิบที่มรีาคาถูกไดโดยท่ีการบดจะชวยทําใหคณุสมบัติของวัตถุดิบดีขึ้นโดยเฉพาะพวกตัวชวยหลอม (flux) ตางๆ

2. การบดจะชวยทําใหวัตถุดิบที่นํามาผสมเปนสารแขวนลอยละเอียดขึ้น ซ่ึงจะชวยทําใหสามารถลดอุณหภูมิในการเผาผลิตภัณฑลงได จึงประหยดัพลังงานในขั้นตอนการเผาลงได

3. เม็ดผงที่ไดจากการสเปรยจะมีความชื้นต่ํา ดังนั้นเมื่อนํามาขึ้นรูปเปนผลิตภัณฑจึงไมจําเปนตองใชพลังงานในการอบแหงมากนัก เวลาในการอบแหงสั้นลง รวมทั้งเวลาในการเผาก็จะสั้นลงดวย

4. เม็ดผงที่ไดจากการสเปรยจะมีรูปทรงคอนขางกลมและมีการกระจายตัวของเม็ดผงที่ดีทําใหการเคลื่อนตัวขณะลําเลียงไปตามสายพานและการ feed เขาสู cavity mould มีประสิทธิภาพดีกวาผงที่เปนผงละเอียด และการ pack ตัวของเม็ดผงทีม่ีขนาดแตกตางกันก็ทําใหมีการ pack ตัวดีขึ้นซึ่งสงผลใหความหนาแนนของชิ้นงานสูงขึ้นทําใหความแข็งแรงของผลิตภัณฑดิบดีขึ้น

ขอเสีย 1. กระบวนการพนแหงจะทําใหเกิดฝุนขึ้นอยางมากทําใหมีปญหาดานสภาพ

แวดลอมทั้งสภาพแวดลอมในการทํางานและสภาพแวดลอมรอบๆ โรงงาน 2. ตองใชพลังงานความรอนอยางมากในการระเหยน้ําที่อยูในน้ําสลิปหรือสาร

แขวนลอยเพื่อทําใหกลายเปนเม็ดผงซึ่งจะทําใหมีคาใชจายในการผลิตสูง 3. เม็ดผงที่ไดมีขอจํากัดในการขึ้นรูปโดยจะตองใชเครื่องจักรที่มีแรงดันสูง ซ่ึง

จําเปนที่จะตองลงทุนสูงและมีความซับซอนมากจึงตองการผู เชี่ยวชาญในการผลิตและการบํารุงรักษาเปนพิเศษ

4. การเตรียมเม็ดผงโดยใชเครื่องพนแหงตองมีการควบคุมความชื้นและขนาดของเม็ดผงใหไดตามมาตรฐานที่กําหนดไว จึงจําเปนตองมีการควบคุมกระบวนการผลิตเปนอยางดี

35

2.4.4 การจัดเรียงตัวของอนภุาค (Powder packing) [26] ในระหวางกระบวนการขึ้นรูป อนุภาคตางๆ จะถูกทําใหเรียงชิดติดกันมากขึ้น เพื่อใหเกิดผลที่ดีหลังการเผาผนึก ซ่ึงชิ้นงานกอนเผา (green body) ที่ดี ตองมีความหนาแนนสูง (High density) และความเปนเนื้อเดียวกัน (homogeneous) ของชิ้นงานดวยนอกจากนั้นยังตองเหลือชองวางใหนอยที่สุดหรือลดขนาดลงหลังจากเผาเชนกัน เมื่ออนุภาคทรงกลมถูกนํามาจัดเรียงตัวกันนั้น การจัดเรียงตัวที่ดีที่สุด เชน การจัดเรียงตัวแบบเตตระฮีดอลและปรามิด (tetrahedral and

pyramidal close packing) ของอนุภาคที่มีขนาดเทากัน จะเหลือชองวางเพียง 26 เปอรเซ็นต สวนการจัดเรียงตัวแบบสุม จะเหลือชองวาง 38 เปอรเซ็นต และการจัดเรียงตัวแบบลูกบาศก (simple cubic) นั้นจะทําใหเกิดชองวางมากที่สุด คือ 48 เปอรเซ็นต การอัดแบบแหงเปนการขึ้นรูปผลิตภัณฑเซรามิกที่เปนงานแบบประยุกต เชน ดานอิเล็กทรอนิกส ดานการแพทย เปนวิธีการอัดผงหรือเม็ดผง ภายในแบบโลหะดวยแรงอัดที่สูง ความชื้นไมเกิน 4 เปอรเซ็นต และมักมีการเติมตัวยึดประสาน (binder) และสารตัวเติม (additive) เพื่อใหอนุภาคเกาะกันไดดีและเมื่อถูกแรงอัดจะทําใหช้ินงานมีความหนาแนนมากขึ้น

ในกระบวนการขึ้นรูปโดยวิธีการอัดจะทําใหเม็ดผงมีการเปลี่ยนแปลง สามารถแบงไดเปน 3 ขั้นตอน ดังนี้คือ ขั้นที่ 1 เมื่อเติมเม็ดผงลงในแบบพิมพอนุภาคจะจัดเรียงตัวกันแตจะมีชองวางขนาดใหญไมสม่ําเสมอ เมื่อใหแรงอัดเขาไปอนุภาคจะเคลื่อนที่แลวเกิดการจัดเรียงตัวใหม ดังรูป 2.22

Packed Spherical Granules

รูป 2.22 อนุภาคเคลื่อนที่แลวเกดิการจดัเรยีงตัวใหม

Intragranular Pores

Intergranular Pores

36

ขั้นที่ 2 เมื่อเพิ่มแรงอัดใหเม็ดผงอีก จะทําใหเม็ดผงแตกออกเปนชิ้นเล็กๆ ดังรูป 2.23 ขั้นตอนนี้จะเปนการลดขนาดของชองวางทําใหช้ินงานมีความหนาแนนเพิ่มขึ้นอยางรวดเร็ว

รูป 2.23 เม็ดผงแตกออกเปนชิ้นเล็กๆ ติดรูพรุน

ขั้นที่ 3 เม็ดผงเกิดการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกทําใหสามารถปด Intergranular

pore จนหมดหรือเหลือนอยมาก ดังรูป 2.24

Pressed Piece

รูป 2.24 Intergranular pore ถูกปด

Pressure

Deformed, Packed Granules

Persistent Intergranular Pore

Persistent Interface

37

2.7 สมบัติของเม็ดผง [14]

2.7.1 รูปรางของเม็ดผง (granule shape) เม็ดผงที่มีรูปรางทรงกลม จะมีการจัดเรียงตัวดีมีความหนาแนนกอนการเผาผนึกสูง จึงทําใหช้ินงานหลังการเผาผนึกมีความหนาแนนเพิ่มมากขึ้น โดยทั่วไปแลวเม็ดผงที่ไดจากกระบวนการพนแหงจะมีลักษณะรูปรางทรงกลมมีรูกลวงตรงกลางและมีรูปรางสม่ําเสมอ (regular) พื้นผิวของเม็ดผงจะมีลักษณะเรียบสม่ําเสมอ เนื่องจากอนุภาคผงเกิดการจัดเรียงตัวกันอยางหนาแนนและมีตัวประสานหอหุมโดยรอบของเม็ดผงทําใหเกิดการเสียดสีนอย เพราะมีรูปรางทรงกลมและมีสมบัติพิเศษทางดานการไหลตัวที่ดีเมื่อทําการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแบบแหง สงผลใหมีความหนาแนนในการจัดเรียงตัวของอนุภาคเพิ่มขึ้น

2.7.2 ขนาดแลการกระจายตัวของเม็ดผง (granule size and size distribution)

ขนาดของเม็ดผงที่ไดจากระบวนการพนแหง โดยทั่วไปจะมีการกระจายของเม็ดอยูในชวงกวาง ซ่ึงมีความสําคัญตอการควบคุมการเผาผนึกและความหนาแนนที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากเม็ดผงมีขนาดและการกระจายตัวที่เหมาะสม เมื่อทําการอัดขึ้นรูปจะทําใหเม็ดผงมีการจัดเรียงตัวอยางเปนระเบียบ มีความสม่ําเสมอทําใหมีความหนาแนนกอนการเผาผนึกสูง เนื่องจากเม็ดผงที่มีขนาดเล็กจะไปแทรกตัวอยูภายในชองวางของเม็ดผงที่มีขนาดใหญ เมื่อนําไปเผาผนึกทําใหช้ินงานมีการจัดเรียงตัวกันอยางสม่ําเสมอ ประกอบดวยรูพรุนขนาดเล็กจํานวนมากมายและการกระจายขนาดรูพรุนสม่ําเสมอ เพราะมีระยะทางการแพรของอะตอมทําใหแพรไดเร็วมีอัตราการแพรสูง สามารถลดอุณหภูมิและเวลาการเผาผนึกใหต่ําลงไดและหลีกเลี่ยงการเกิดการโตของเกรน ทําใหสามารถกําจัดรูพรุนออกไดงายที่อุณหภูมิต่ํา สงผลใหช้ินงานมีการหดตัวอยางสม่ําเสมอและสงผลใหหลังการเผาผนึกมีความหนาแนนและความแข็งแรงสูง สําหรับเม็ดผงที่มีขนาดและการกระจายตัวแคบ จะทําใหมีการจัดเรียงตัวไมเปนระเบียบสม่ําเสมอ ทําใหมีความหนาแนนกอนการเผาผนึกต่ํา และมีอัตราการหดตัวที่แตกตางกนั ทาํใหเกิดรูพรุนขนาดใหญ ตามทฤษฎีแลวถาเกรนหรือรูพรุนที่มีขนาดเล็กจะมีขอบเกรนนอยกวา 6ดาน (พิจารณาจากศูนยกลางออกมา) พบวาขอบเกรนจะเวา (concave) ทําใหเกรนเกิดการหดตัว สวนเกรนขนาดใหญหรือรูพรุนมีขอบเกรนมากกวา 6 ดาน ขอบเกรนจะนูน (convex) ทําใหเกรนหรือรูพรุนเกิดการโต ดังรูป 2.25 สงผลใหช้ินงานมีความหนาแนนหลังการเผาผนึกต่ํา

38

รูป 2.25 การโตของรูพรุนและเกรน [37] 2.8 สมบัติทางกายภาพและทางกลของชิน้งาน สมบัติทางกายภาพและทางกลที่ดีของชิ้นงานนั้นจะมีผลมาจากโครงสรางจุลภาค ซ่ึงการทําโครงสรางทางจุลภาคใหดีตองมีพื้นฐานมาจากกระบวนการผลิตที่ดีดวย ดังนั้นการผลิตชิ้นงานใหมีสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ดีตองคํานึงถึงสมบัติของเม็ดผง เชน เม็ดผงตองมีขนาดอนุภาคและการกระจายตัวของอนุภาคมี่เหมาะสม อนุภาคผงมีการจัดรียงตัวกันอยางหนาแนนและมีลักษณะรูปรางทรงกลมมีการไหลตัวที่ดีและการใสสารเติมแตงเพิ่มเติมในระบบ เมื่อทําการขึ้นรูปชิ้นงานกอนการเผาผนึกจะใหความหนาแนนของชิ้นงานสม่ําเสมอและมีความแข็งแรงกอนเผาสูง และเมื่อนําไปเผาผนึกสงผลใหลักษณะโครงสรางจุลภาคประกอบดวยเกรนที่มีขนาดเล็ก ไดสมบัติของช้ินงานภายหลังการเผาที่มีความหนาแนนและแข็งแรงสูง

2.8.1 ความหนาแนนกอนการเผาผนึก (green density) ความหนาแนนกอนการเผาผนึกมีอิทธิพลสําคัญตอขั้นตอนการเผา ช้ินงานควรมี

ความหนาแนนกอนการเผาสูง ซ่ึงจะเกิดจากการเรียงตัวอยางสม่ําเสมอของอนุภาคและมีพื้นที่สัมผัสกันของอนุภาคมากขึ้น จึงสามารถทําการเผาผนึกไดที่อุณหภูมิต่ําลงและสามรถควบคุมโครงสรางทางจุลภาคไดตามตองการ สงผลใหมีสมบัติทางกายภาพที่ดี ดังนั้นปจจัยที่มีผลตอความหนาแนนกอนการเผาผนึกขึ้นอยูกับคุณลักษณะของเม็ดผงและปริมาณของตัวประสานที่ผสมเขาไปในระบบ

2.8.2 ความแข็งแรงกอนการเผาผนึก (green strength) ความแข็งแรงกอนการเผาผนึกในกระบวนการผลิตผลิตภัณฑเซรามิก ถือวามีสําคัญ

ประการหนึ่ง เนื่องจากเซรามิกเปนวัสดุที่มีความแข็งแตเปาะ เมื่อนําผงเซรามิกทําการอัดขึ้นรูปช้ินงานแบบแหงจะมีความแข็งแรงกอนการเผาผนึกต่ํา ดวยเหตุนี้จึงทําใหกระบวนการขึ้นรูปไดมีการปรับปรุงระบบการผลิต โดยการเติมตัวประสานลงไปในระบบเพื่อทําหนาที่ยึดเกาะอนุภาคทําใหช้ินงานกอนการเผาผนึกมีความแข็งแรงสูงขึ้น สามารถเคลื่อนยายและนําไปปรับแตงขนาดและ

39

พื้นผิวของชิ้นงานได โดยช้ินงานไมเกิดการชํารุดเสียหาย หรือเสียรูปทรงภายหลังการขึ้นรูป นอกจากนี้สมบัติบางประการของตัวประสานและปริมาณของตัวประสานยังมีผลตอความแข็งแรงกานอการเผาผนึกดวย เชน สมบัติอุณหภูมิที่มีสถานะคลายแกว ปริมาณของตัวประสาน เปนตน

2.8.3 ความหนาแนนหลังการเผาผนึก (sintered density) ผลิตภัณฑของเซรามิกสวนมากจะผานกระบวนการเผาผนึก กอนนําไปประยุกตใช

งาน เพื่อใหไดช้ินงานที่มีความหนาแนนเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากกระบวนการเผาผนึกชิ้นงานจะเกิดกลไกการเคลื่อนที่ของอะตอมจากบริเวณขอบเกรนแพรเขาสูรูพรุนเปนผลใหสามารถกําจัดรูพรุนออกไปไดงาย โดยการแพรหรือการกระโดดเขาไปในชองวาง (vacancy) บริเวณตามขอบเกรน เนื่องจากบริเวณขอบเกรนมีโครงสรางแบบเปดทําใหสามารถแพร ณ บริเวณเกรนไดงายและรวดเร็ว ช้ินงานจึงมีการหดตัวและการสูญเสียน้ําหนัก สงผลใหมีความหนาแนนสูงขึ้น ซ่ึงความหนาแนนหลังการเผาผนึกจะมีความสัมพันธกับความหนาแนนกอนการเผา แตจะแปรผันกับปริมาณตัวประสานที่ใสเขาไปในระบบ นอกจากนี้อุณหภูมิในการเผาผนึกก็เปนอีกหนึ่งปจจัยที่มีผลตอความแข็งแรงหลังการเผาผนึกอีกดวย

2.8.4 ความแข็งแรงหลังการเผาผนึก (sintered strength) ความแข็งแรง คือ ความทนทานตอการผิดรูปของวัสดุ วัสดุเซรามิกเปนวัสดุที่มี

ความแข็งแตเปาะสามารถทดแรงกดและแรงดันไดดี แตทนตอแรงดึงไดต่ํามากเพาะบริเวณที่มีตําหนิ (flaw) จะเกิดการขยายตัวอยางรวดเร็วทําใหเกิดการแตกหักไดงาย โดยทั่วไปชิ้นงานที่มีโครงสรางทางจุลภาคที่ประกอบดวยเกรนขนาดเล็กจะมีคาความแข็งแรงสูง ณ อุณหภูมิหอง ดังสมการที่ 2.9 ซ่ึงวัสดุหลายผลึก (polycrystalline) ประกอบดวยเกรนซึ่งมีรอยตอระหวางเกรน เรียกวาขอบเกรน (grain boundary) เปนการจัดเรียงตัวของอะตอมไมเปนระเบียบจะทําหนาที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของแนวบกพรอง (dislocation) ทําใหช้ินงานมีความแข็งแรง โดยเฉพาะช้ินงานที่ประกอบดวยเกรนที่มีขนาดเล็กจะมีพื้นที่ของขอบเกรนมาก สามารถขัดขวางการเคลื่อนที่ของแนวบกพรองไดมาก สงผลใหมีความแข็งแรงสูงขึ้น

ICYK

dσ = (2.9)

เมื่อ σ คือ คาความแข็งแรง (strength) Y คือ คาคงที่ยังโมดูลัส (Young’s Modulus) ICK คือ คาความเหนียว (toughness) d คือ ขนาดของเกรน (grain size)

40

จากสมการ 2.9 ขางตนแสดงใหเห็นวาชิ้นงานจะมีคาความแข็งแรงสูงก็ตอเมื่อช้ินงานหลัง

การเผาผนึกมีเกรนขนาดเล็กและมีความเหนียวสูง 2.9 สรุปสาระสําคัญของงานวิจัยท่ีเก่ียวของ Mahdijoub และคณะ [3] ไดศึกษาองคประกอบของสารแขวนลอยที่สงผลตอโครงสรางจุลภาคของเม็ดอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียที่เตรียมโดยเทคนิคพนแหง การทดลองใชผง อิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนียขนาดอนุภาค 0.6 µm พื้นที่ผิวเทากับ 6.7 m2g-1 โดยเตรียมเปนสารแขวนลอยทําการปรับคาพีเอชดวยกรดไฮโดรคลอริกและโซเดียมไฮดรอกไซด ใชพอลิอะคริลิก แอซิด (PAA) เปนสารชวยกระจายตัวและพอลิไวนิลแอลกอฮอล (PVA) เปนตัวประสาน จากนั้นนําไปเตรียมเม็ดโดยเทคนิคพนแหง จากการทดลองพบวาคาพีเอช ปริมาณของสารที่ชวยกระจายตัว และชนิดของตัวประสานมีผลตอสมบัติทางวิทยากระแสของแขวนลอยเซอรโคเนียซ่ึงจะสงผลตอโครงสรางจุลภาคของเม็ดอิตเทรียสเตบิไลซเซอรโคเนีย คือ สารชวยกระจายตัวจะมีประสิทธิภาพดีที่สุดในสภาวะของสารแขวนลอยที่เปนเบส ปริมาณของตัวประสานมากเม็ดจะมีขนาดโต และลักษณะของเม็ดที่เตรียมจากสารแขวนลอยที่กระจายตัวดี (pH 9) จะมีลักษณะกลวง (hollow

granule) สําหรับเม็ดที่เตรียมจากสารแขวนลอยเซอรโคเนียที่มีรวมตัวกัน (pH 4) เม็ดที่ไดจะมีลักษณะที่เต็มเม็ด (full granule) หรือลักษณะเม็ดตัน Dae-Joon และคณะ [1] ศึกษาสมบัติของเม็ดที่เตรียมไดจากผงผสมระหวางอลูมินากับเซอรโคเนียโดยเทคนิคพนแหง โดยนําผงผสมระหวางเซอรโคเนียกับอลูมินาปริมาณ 30-35

%vol ใชแอมโมเนียมพอลิอะคริเลต (PAA-NH4) ปริมาณ 0.175–0.4 wt.% เปนสารชวยกระจายตัวไตรเอทิลีนไกคอลปริมาณ 0.25–0.75 wt.% เปนสารเพิ่มความเหนียว (plasticizer) จากนั้นจะแบงสารแขวนลอยออกเปน 3 สวน เพื่อเติมตัวประสานที่ตางชนิดกัน คือ เติมพอลิไวนิลไพโรลิโดน (PVP) พีอีจี-ไฮดรอกซีอีทิลเซลลูโลส (PEG–HEC) และพอลิไวนิลแอลกอฮอล (PVA) ในปริมาณของการเติมอยูในชวง 0.5-1.5 wt.% หลังจากนั้นนําสารแขวนลอยปอนเขาเครื่องพนแหงกําหนดอุณหภูมิที่ 200 และ150 oC ไดเม็ดออกมานําไปขึ้นรูปโดยวิธีการอัดดวยแรงอัด เทากับ 175 MPa แลวนําไปเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1550 oC เปนเวลา 5 ช่ัวโมง นําไปวิเคราะหคาความแข็งแรงจากการเลือกใชชนิดของตัวประสานที่แตกตางกัน คือ PVP, PEG-HEC,

PVA พบวามีคาความแข็งแรง เทากับ 634, 578, และ 468 MPa ตามลําดับ

41

Rohm และ Haas [37] ไดทําการศึกษาปริมาณของตัวประสานที่มีผลตอความแข็งแรงของชิ้นงานกอนการเผาผนึก จากการทดลองใชผงอลูมินาชนิด Alcoa A-16 SG สารชวยกระจายตัวชนิด D-3005 ที่ปริมาณ 0.3 wt.% และตัวประสาน Duramax B-1022 ทําการกําหนดที่ปริมาณ 1, 2, 3 และ 5 %wt แลวทําการเตรียมใหอยูในรูปของสารแขวนลอยและนําไปผานกระบวนการพนแหงจะไดเม็ดอลูมินาออกมา หลังจากนั้นนําไปขึ้นรูปชิ้นงานดวยวิธีการอัดแหง แรงที่ใชในการอัด 5000 พบวาชิ้นงานที่มีปริมาณตัวประสาน 5 wt. % มีความแข็งแรงกอนการเผาผนึกสูงสุด เทากับ 1.15 MPa สวนชิ้นงานที่มีการเติมตัวประสาน 3, 2 และ 1 wt.% จะมีความแข็งแรงกอนการเผาผนึกต่ําลงมาตามลําดับ จึงสามารถกลาวไดวาเม็ดที่มีสวนผสมของตัวประสานในปริมารสูงจะเกิดการดูดซับบนพื้นผิวของอนุภาคและมีการยึดเกาะกันระหวางอนุภาคผงมากกวาเม็ดผงที่มีสวนผสมของตัวประสานในปริมาณที่ต่ํา เมื่อทําการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแลวจะทําใหช้ินงานมีความแข็งแรงกอนการเผาผนึกสูง Garcia และคณะ [39] กลาววาการใชผงอลูมินาที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ย 0.2 µm ทําการอัดขึ้นรูปดวยวิธีการอัดทิศทางเดียวแบบแหง โดยใชแรงอัด 50 MPa แลวนําชิ้นงานที่ไดไปผานวิธีการอัดโดยใชแรงอัดเทากันทุกทิศทางที่ความดัน 800 MPa ช้ินงานมีความหนาแนนกอนการเผาผนึก 57 % ของความหนาแนนทางทฤษฎี เผาผนึกอยางรวดเร็วที่อุณหภูมิ 1350 oC เปนเวลา 20 นาที การเผาผนึกชิ้นงานอยางรวดเร็ว ทําใหเกิดความเคนที่ไมเทากันภายในชิ้นงาน ซ่ึงกลไกหนึ่งที่ชวยใหเกิดการแพรของอะตอมอยางรวดเร็ว ชวยใหช้ินงานมีความหนาแนนหลังหารเผาผนึกสูงถึง 99 % ของความหนาแนนทางทฤษฎี โครงสรางทางจุลภาคที่ไดประกอบดวยเกรนขนาดเล็ก 1.2 µm สงผลใหช้ินงานมีความแข็งแรงสูงถึง 520 MPa จะเห็นไดวาคุณสมบัติของผง กระบวนการผลิต โครงสรางทางจุลภาคและสมบัติของชิ้นงานจะมีความสัมพันธกันมาก กลาวคือ ผงที่มีสมบัติการไหลตัวที่ดีเมื่อผานกระบวนการอัดขึ้นรูปชิ้นงานจะมีความหนาแนนสูง สม่ําเสมอ โดยสามารถเผาผนึกไดอยางรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ํา ทําใหไดโครงสรางจุลภาคประกอบดวยเกรนที่มีขนาดเล็ก สงผลใหช้ินงานมีความแข็งแรงสูง

Baklouti และคณะ [40] ศึกษาการกระจายตัวของตัวประสานในกระบวนการพนแหงที่มีผลตอการรวมตัวกันของอนุภาคเล็กๆ ของผงอลูมินา ที่มีพื้นที่ผิวจําเพาะ 3 m2/g และมีขนาดอนุภาคโดยเฉลี่ยประมาณ 1-3 µm ในการทดลองทําการเตรียมสารแขวนลอยที่มีปริมาณของผงของแข็ง 60 wt.% โดยมีปริมาณตัวประสานผสมอยู 5 wt. % (PVA น้ําหนักโมเลกุล 31000

g/mol) และมีสารชวยกระจายตัว wt.% หลังจากผานกระบวนการพนแหงจะไดเม็ดผงที่มีขนาดอนุภาคโดยเฉลี่ยประมาณ 200 µm จากนั้นนําเม็ดที่ไดไปอัดขึ้นรูปชิ้นงานที่มีเสนผานศูนยกลาง 30 mm และมีความหนา 5 mm ผลการทดลองสรุปไดวาการที่ตัวประสานซึมผานเขาไปในอนุภาค

42

เกิดความเปนเนื้อเดียวกันกระจายตัวอยูที่เม็ดผงหลังผานกระบวนการพนแหงแลว ซ่ึงทําใหช้ินงานหลังจากผานการอัดขึ้นรูปจะมีสมบัติทางกลที่ดีขึ้น เชน ความหนาแนนกอนการเผาผนึก (green

density) และความแข็งแรงกอนการเผาผนึก (green strength) สูง Dimilia และ Reed [41] ไดศึกษาเกี่ยวกับความชื้นของเม็ดอลูมินาจากกระบวนการพนแหงที่มีผลตอการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแบบแหง จากการทดลองไดทําการแคลไซดอลูมินา A-16 และ A-17 และเติมตัวประสานชนิดพอลิไวนิลแอลกอฮอล (PVA) ที่ปริมาณของการเติม 1-2.7 wt.% ของผงอลูมินา ทําการเตรียมสารแขวนลอยและนําไปผานกระบวนการพนแหงจะไดเม็ดอลูมินาที่มีลักษณะกลม จากนั้นนําเม็ดที่ไดไปควบคุมความชื้นที่อุณหภูมิ 23 oC หลังจากนั้นนําเม็ดไปอัดขึ้นรูปชิ้นงานและนําไปเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1550 oC โดยใชอัตราการเพิ่มขึ้นของความรอนเทากับ 5 oC/นาที จากผลการทดลองดังกลาวสรุปไดวาความชื้นของเม็ดที่ไดจากกระบวนการพนแหงจะมีผลตอกระบวนการอัดขึ้นรูปชิ้นงานแบบแหง โดยขึ้นอยูกับคา Tg ของตัวประสานและมีอิทธิพลตอสมบัติทางกลของเม็ดดวย โดยคา Tg ของตัวประสานมีคาต่ําจะมีคาความชื้นสูง เมือนําชิ้นงานไปเผาผนึกจะมีโครงสรางทางจุลภาคที่ประกอบดวยรุพรุนขนาดใหญ เนื่องจากเกิดการตกคางของตัวประสานและความชื้นในระหวางการเผาผนึก ทําใหช้ินงานมีสมบัติทางกายภาพลดลง Baklouti และคณะ [42] ศึกษาเม็ดอลูมินาที่ผานกระบวนการพนแหงสําหรับอัดขึ้นรูปช้ินงานแบบแหงแบบทิศทางเดียว โดยใชตัวประสาน 3 wt.% (ในการทดลองใชตัวประสาน 2 ชนิด คือ PVA มีน้ําหนักโมเลกุล เทากับ 10000 g/mol และ PEG มีน้ําหนักโมเลกุล 20000

g/mol) นําไปเตรียมสารแขวนลอยและนําไปเตรียมเม็ดโดยกระบวนการพนแหง ไดเม็ดที่มีขนาด 200 µm จากนั้นนําเม็ดที่ไดไปไลความชื้นที่อุณหภูมิ 200 oC เปนเวลา 2 ช่ัวโมง แลวทําการอัดขึ้นรูปชิ้นงานที่แรงดัน 3, 10, 20, 60 140 และ 400 MPa ตามลําดับ จากนั้นนําไปเผาผนึกซึ่งตัวประสานทั้ง 2 ชนิดจะสงผลใหเกิดรูพรุนหลังจากทําการเผาผนึก ผลการทดลองสรุปไดวาตัวแปรที่ทําใหโครงสรางภายในของเม็ดที่เตรียมเกิดรูพรุนขนาดเล็ก เนื่องจากตัวประสานทําใหเม็ด ผงเกิดการเสียรูปในระหวางกระบวนการอัดขึ้นรูปชิ้นงานไดงาย ตอมามีการปรับปรุงในสวนของการรวมตัวของอนุภาคเล็กๆ ซ่ึงทําใหช้ินงานมีความยืดหยุนได เนื่องจากการผสมตัวประสานที่มีคา Tg ต่ํากวาอุณหภูมิหอง สวนประสานที่มีคา Tg สูงกวาอุณหภูมิที่ใชในการทําการอัดขึ้นรูปชิ้นงานจะมีความยืดหยุนนอยสงผลใหช้ินงานที่ไดมีคายังโมดูลัสต่ํา