พลาสติก
สาร
เส้น
ใย
| เส้น |
ธรรม
ใย
ใย
ใย
สัตว์ เช่น ขน
ใย
ใย
ใย
แอ
ยาง
การวัลคาไนเซ
แหล่งอ้างอิง: เอกสารประกอบคำบรรยาย วิชาเคมี ของโครง
“พอลิเมอร์” วัสดุตกไม่แตก
ในชีวิตประจำวันของเรา “พอลิเมอร์” (Polymer) ได้เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งในการดำรงชีวิต ไม่ว่าจะมองไปทางไหนเราก็จะพบผลิตภัณฑ์ที่ทำมาจากพอลิเมอร์ แต่คนส่วนใหญ่จะคุ้นเคยกับ “พลาสติก” มากกว่า ทั้งที่พลาสติกก็คือพอลิเมอร์ชนิดหนึ่งนั่นเอง การนำพอลิเมอร์มาใช้มีมานานแล้วและยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้เหมาะกับการใช้งาน
ในทางวิชาการความหมายของพอลิเมอร์คือสารที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงโดยมีโครงสร้างทางเคมีที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยซ้ำ ๆ ของโมเลกุลที่เรียกว่า “เมอร์” (mer) และหากเป็นโมเลกุลที่มี “เมอร์” เพียง 1 หน่วยก็จะเรียกว่า “มอนอเมอร์” (Monomer) ซึ่งสารตั้งต้นของพอลิเมอร์อีกที ทั้งนี้เราพบสารที่เป็นพอลิเมอร์ได้ในธรรมชาติและจากการสังเคราะห์ขึ้นเอง
สำหรับพลาสติกที่เราคุ้นเคยกันก็มีหลายชนิด ซึ่งที่พอจะคุ้นเคยกันและได้ยินติดหูกันก็มีอาทิ “ขวดเพท” ที่ทำมาจากพลาสติกประเภท “เพท” (PET) ซึ่งมีลักษณะใส เหนียว ไม่เปรอะแตกง่ายจึงนิยมนำมาทำเป็นขวดบรรจุน้ำอัดลม น้ำดื่ม น้ำอัดลมหรือน้ำมันพืช และ “พีวีซี” (PVC) ก็เป็นพลาสติกอีกชนิดที่นิยมใช้กันมากเนื่องจากสามารถผลิตให้มีคุณสมบัติตามต้องการได้หลากหลาย เราอาจจะคุ้นเคยกับพีวีซีที่เป็นท่อน้ำหรือท่อหุ้มสายไฟ เนื่องจากมีความแข็งและเหนียว แต่ก็สามารถนำผลิตเป็นขวดสระผมหรือแม้แต่ฟิล์มห่ออาหารได้ด้วยการเติมสารเคมีให้นิ่มลงยังมีพลาสติกอีกชนิดซึ่งมีคุณสมบัติที่จะนำไปผลิตเป็นขวดยาสระผมได้ เช่น “พีอี” (PE) ที่มีลักษณะนิ่ม เหนียว ไม่แตก ทนสารเคมีและราคาถูก และยังนำพีอีไปผลิตเป็นถุงพลาสติกได้อีกด้วย ส่วนโต๊ะ เก้าอี้หรือตะกร้าพลาสติกก็ผลิตมาจากพลาสติก “พีพี” (PP) ที่มีลักษณะแข็ง ขุ่นและทนแรงกระแทกได้ดีอย่างไรก็ดีแม้ว่าพลาสติกจะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติหลากหลาย แต่ความสวยงามเมื่อเทียบกับภาชนะและบรรจุภัณฑ์ต่างๆ ที่ผลิตจากแก้วก็ด้อยกว่ามาก จึงได้มีการพัฒนาพลาสติกชนิด “พีซี” (PC) ที่เหนียว ทนความร้อนและรอยขีดข่วนและ “พีเอ็มเอ็มเอ” (PMMA) ที่ใส เหนียว แต่ไม่ทนร้อนและรอยขีดข่วน พลาสติก 2 ชนิดนี้นำไปใช้เป็นขวดเครื่องสำอางหรือผลิตภัณฑ์ในครัว เช่น แก้วน้ำ เหยือก เป็นต้น แม้ความงามจะยังไม่เทียบเท่าแต่มีรวมคุณสมบัติ “ตกไม่แตก” ก็น่าจะเป็นอีกทางเลือกที่น่าสน
พอลิเมอร์อีกประเภทที่คุ้นเคยกันดีก็คือ “โฟม” ที่เราใช้ในการบรรจุอาหารหรือใช้เป็นวัสดุกันกระแทก ทั้งนี้โฟมก็คือพลาสติกที่มีโพรงอากาศอัดแน่นนั่นเองซึ่งพลาสติกทุกชนิดสามารถนำมาผลิตเป็นโฟมได้ โดยโฟมที่เราเห็นว่าเบานั้นผลิตมาจากเม็ดโฟมที่มีสาร “เพนเทน” (penthane) เมื่อเจอความร้อนสารดังกล่าวจะดันให้เม็ดโฟมขยายได้ถึง 50 เท่า ในการขึ้นรูปโฟมก็มีหลักการง่ายๆ โดยการให้ความร้อนกับเม็ดโฟมทั้งโดยไอน้ำหรือต้มในน้ำเดือด เมื่อเม็ดโฟมขยายจนได้ขนาดที่ต้องการก็นำเม็ดโฟมนั้นไปใส่ในแม่แบบแล้วให้ความร้อนอีกที เม็ดโฟมก็จะขยายจะอัดแน่นในแม่แบบ
ยังมีพอลิเมอร์อีกชนิดที่เราคุ้นเคยในด้านความงามนั่นคือ “ซิลิโคน” ซึ่งเราๆ อาจจะรู้จักในฐานะวัสดุเสริมขนาดหน้าอกหรือเสริมจมูกในการศัลยกรรมความงาม แต่ซิลิโคนยังใช้ในการผลิตเป็นจุกนมสำหรับเด็ก แผ่นเจลรักษาแผลเป็นที่ปูดนูน กาวซิลิโคน ฉนวนหุ้มสายไฟและสายยางได้ สำหรับผู้คิดค้นซิลิโคนคือ ดร.ยูจีน จอร์จ โรเชาว์(Dr.Eugene George Rochow) ซึ่งผลิตซิลิโคนขึ้นครั้งแรกใน ค.ศ.1943
เส้นใยที่จะเป็นเส้นใยทางสิ่งทอควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้
1. ควรมีความยาวมากกว่าความกว้างหลายร้อยเท่าตัว
2. สามารถบิดตัวรวมกันเป็นเส้นด้ายได้
3. เส้นใยจะต้องมีความแข็งแรง และมีความยืดหยุ่นตัว
4. มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะทนต่อกระบวนการปั่นด้าย และทอผ้า และเมื่อผลิตเป็นผืนผ้าได้ แล้วจะทำให้ผ้านั้นมีความแข็งแรงเพียงพอในการใช้งานได้
5. หากเส้นใยมีความยืดหยุ่นตัวดี จะทำให้เกิดลักษณะการพริ้วตัวของผ้า
6. ความยาวของเส้นใยโดยปกติแล้วเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด ความยาวเส้นใยจะต้องมีค่าไม่น้อยกว่า 1/4 ถึง 1/2 นิ้ว จนถึงความยาวไม่จำกัด เพื่อทำให้เกิดแรงยึดตัวกันอย่างเหมาะสม ภายหลังกระบวนการปั่นด้าย
7. ความละเอียดของเส้นใย ยิ่งเส้นใยละเอียดเท่าใด ผ้าจะมีความนุ่มนวล เช่น เส้นใยไหม แต่ถ้าเส้นใยที่ใช้เป็นป่านปอ ควรจะต้องผลิตเป็นกระสอบมากกว่าเสื้อผ้า
เนื่องจากเส้นใยเหล่านั้นหยาบมาก
8. ความยืดหยุ่นตัวทำให้เสื้อผ้า คงรูปร่าง เมื่อมีแรงดึงยืด
9. รอยหยิกงอ เป็นสมบัติเฉพาะตัวของเส้นใยธรรมชาติ จำพวกเส้นใยขนสัตว์
10. การดูดความชื้นของเส้นใย ทำให้สบายตัวเมื่อสวมใส่ และลดไฟฟ้าสถิตย์บนเส้นใย เช่น เส้นใยสังเคราะห์ ในฤดูหนาวได้ดี
11. น้ำหนักของเส้นใยทำให้การทิ้งตัวของผืนผ้าดีขึ้น ถ้าเส้นใยหนักเกินไป จะทำให้สวมใส่ไม่สบายตัว เนื่องจากน้ำหนักของผ้าถ่ายมาที่ตัวผู้สวมใส่
12. จะต้องหาง่าย และราคาถูก
13. จะต้องย้อมสี พิมพ์ และตกแต่งได้ง่าย ไม่ทำให้เกิดการติดสีที่ไม่สม่ำเสมอ
14. ควรมีส่วนที่ไม่เป็นระเบียบอยู่ในโครงสร้างบ้าง เพื่อทำให้สีสามารถแทรกซึมเข้าไปในเส้นใยได้ ในกรณีที่ย้อมสีเส้นใยนั้นๆ
การจำแนกเส้นใยชนิดต่างๆ
ภาพที่ 1 การจำแนกเส้นใยตามแหล่งกำเนิด
|
การจำแนกเส้นใยชนิดต่างๆ
เส้นใยสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ
1. เส้นใยที่มาจากธรรมชาติ (Natural Fibres)
2. เส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้น (Man-made Fibres)
เส้นใยธรรมชาติสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทใหญ่ๆ ตามแหล่งกำเนิดเส้นใยคือ
1. เส้นใยที่ได้มาจากพืช (Vegetable Fibres) ซึ่งรวมถึงเส้นใยฝ้าย (Cotton) รวมถึงเส้นใย แฟลกซ์ (Flax), เส้นใยป่าน, ปอ และพืชชนิดอื่นๆ เช่น สับปะรด ผักตบชวา กล้วย เป็นต้น เส้นใยเหล่านี้ส่วนใหญ่จะมีส่วนประกอบของเซลลูโลส (Cellulose)
2. เส้นใยที่ได้มาจากสัตว์ (Animal Fibres) เป็นเส้นใยที่ได้มาจากสัตว์ เช่น แพะ แกะ หรือ ไหม เป็นต้น ซึ่งเส้นใยเหล่านี้จะมีส่วนประกอบของกรดอะมิโนต่างๆ ประกอบเป็นโปรตีน (Protein)
3. เส้นใยที่ได้มาจากแร่ธาตุ (Mineral Fibres) ซึ่งไม่ค่อยจะนิยมใช้ในงานสิ่งทอปกติ แต่จะนิยม ใช้กับงานด้านความคงทนต่อเปลวไฟ และความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเส้นใยหิน (Asbestos)
เส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้นสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทคือ
1. เส้นใยที่ดัดแปลงมาจากพอลิเมอร์ธรรมชาติ (Natural Polymer Fibres) เนื่องจากเซลลูโลส มีอยู่จำนวนมากไม่ว่าจะเป็นฝ้าย หรือลำต้นของต้นไม้ก็ตาม ฉะนั้นมนุษย์สามารถนำมาดัดแปลงทำเป็น เส้นใยที่ต้องการ เช่น เรยอน วิสโคส หรือ อะซิเตด เป็นต้น
พอลิเมอร์ธรรมชาติอีกแหล่งที่มีมากเช่นกัน คือ พวกโปรตีนจากพืช เช่น ถั่วเหลือง นมสด ข้าวโพด
2. เส้นใยอนินทรีย์ (Inorganic Fibres) เป็นเส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้น เช่น ใยแก้ว เซรามิก หรือโลหะ เป็นต้น
3. เส้นใยสังเคราะห์ (Synthetic Fibres) เป็นเส้นใยที่ส่วนมากจะได้มาจากอุตสาหกรรมปิโตร-เลียม เช่น พอลิเอสเตอร์ พอลิเอไมด์ พอลิอะไครโลไนไทล์ พอลิไวนิลแอลกอฮอล์ เป็นต้น
กระบวนการผลิตเส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้น
เส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้นมีจำหน่ายในท้องตลาดทั่วไป แต่ปกติจะมีอยู่เพียงไม่กี่เส้นใยที่นิยมใช้กันมาก เช่น เส้นใยวิสโคส เรยอน เส้นใยอะซิเตด เส้นใยพอลิเอสเตอร์ เส้นใยไนล่อน และเส้นใยอะไครลิค เป็นต้น ที่นิยมใช้ สำหรับงานเครื่องนุ่มห่มสำเร็จรูป การผลิตเส้นใยนี้จะทำโดยการนำเอา "มอโนเมอร์" มารวมตัว กันทำให้เกิดโมเลกุลใหญ่ๆ ซึ่งเราเรียกว่า "พอลิเมอร์" แล้วนำเอาพอลิเมอร์ที่ได้มาทำการปั่นผ่านแว่นกดเส้นใย
การปั่นเส้นด้ายสังเคราะห์มีสามวิธีใหญ่ๆ คือ
1. การปั่นแบบแห้ง (Dry Spinning) โดยการนำเอาตัวทำละลายที่เหมาะสมกับชนิดของเส้นใย มาทำละลาย และจะต้องเป็นสารที่ระเหยได้ง่าย เมื่อฉีดเส้นใยออกมาผ่านลมร้อนจะทำให้ เส้นใยแข็งตัว ตัวทำละลายสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ เหมาะกับการผลิตเส้นใยอะซิเตด ไตรอะซิเตด อะไครลิค ยางยืด เป็นต้น
2. การปั่นแบบเปียก (Wet Spinning) เป็นวิธีการเก่าแก่ที่สุด เมื่อฉีดเส้นใยออกจากแว่นกดเส้นใย และทำให้เย็นโดยการผ่านลงในน้ำ หรือสารละลายที่เหมาะสม ก่อนนำไปใช้งานจะต้องล้างสารเคมีที่มีอยู่ออกก่อน ใช้กับการผลิตเส้นใยเรยอน อะไครลิค และยางยืด
3. การปั่นแบบหลอมละลาย (Melt Spinning) โดยการนำเอาผลิตภัณฑ์มาหลอมเหลวแล้วจึง ฉีดเส้นใยผ่านแว่นกดเส้นใย ทั้งนี้อาจผ่านลมธรรมดา หรือลมร้อน เพื่อทำให้เส้นใยแข็งตัว ไม่จำเป็นต้องล้างทำให้ประหยัดต้นทุนการผลิตมากขึ้น เส้นใยที่ใช้วิธีนี้ เช่น เส้นใยไนล่อน พอลิเอสเตอร์ พอลิโอลิฟิน เป็นต้น
เส้นใยที่นิยมใช้ในประเทศไทย คือ เส้นใยฝ้าย 100% และเส้นใยผสมระหว่างพอลิเอสเตอร์กับฝ้ายในอัตราส่วนต่างๆ ส่วนเส้นใยไนล่อนจะนิยมใช้กับพวกผ้าลูกไม้สำหรับชุดชั้นใน สตรี และถุงเท้า เส้นใย อะไครลิคใช้ทำพรม เส้นด้ายทำงานประดิษฐ์ หรือผ้าห่มนอนไหมพรม สาเหตุที่ไม่นิยมใช้ผ้าใยสังเคราะห์เนื่องจากว่า ประเทศไทยเป็นประเทศที่อยู่ในเขตร้อนชื้น เมื่อผู้สวมใส่มีเหงื่อการดูดซึมความชื้นของใยสังเคราะห์ ไม่ดีพอทำให้สวมใส่แล้วไม่สบายตัว อีกทั้งปัญหาเรื่องไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดขึ้นโดยเฉพาะหน้าหนาว อีกทั้งมีคนบางคนที่เกิดอาการแพ้ใยสังเคราะห์ ทำให้ผิวหนังระคายเคืองได้
สำหรับเส้นใยสังเคราะห์จะมีลักษณะที่เรียกว่า พอลิเมอร์ (Polymer) ซึ่งพอลิเมอร์เกิดได้สองรูปแบบ (จำแนกตามกลไกการเกิดปฏิกิริยา) คือ 1. ปฏิกิริยาควบแน่น (Condensation Reaction) ปกติเมื่อเกิดปฏิกิริยานี้จะทำให้เกิดโมเลกุลของน้ำขึ้น 2. ปฏิกิริยารวมตัว (Addition Reaction) จะไม่มีการสูญเสียโมเลกุลเล็กๆ ไป
ในการพิจารณาหน่วยซ้ำๆ ของพอลิเมอร์จะประกอบด้วย (จำแนกตามชนิดของมอโนเมอร์)
1. พอลิเมอร์ที่มีหน่วยซ้ำๆ กันเพียงชนิดเดียว (Homopolymer) 2. พอลิเมอร์ที่มีหน่วยซ้ำๆ กัน สองชนิดหรือมากกว่า (Copolymer) 2.1 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบสุ่ม (Random Copolymer) ตัวอย่าง เช่น ABBBAAAABBABBABAABABBBA 2.2 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบสลับกัน (Alternating Copolymer) ตัวอย่าง เช่น ABABABABABABABABABABABA 2.3 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบบล็อก (Block Copolymer) ตัวอย่าง เช่น AAAAAAABBBBBBBAAAAAAABBBBBBB 2.4 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบโซ่ (Graft Copolymer) ตัวอย่าง เช่น AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
หากจำแนกตามการเปลี่ยนแปลงของพอลิเมอร์ เมื่อได้รับความร้อนสามารถจำแนกได้ดังนี้ 1. เทอร์โมพลาสติก พอลิเมอร์ (Thermoplastic Polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถหลอมตัวได้ด้วยความร้อนแล้วแข็งตัว เมื่อทำให้เย็นตัวลง การหลอมและการเย็นตัวทำได้หลายๆ ครั้ง โดยไม่มีผลเสียกับสมบัติทางกายภาพและทางเคมี เช่น พอลิสไตรีน พอลิไวนิลคลอไรด์ (ที่ไม่ใช่โครงสร้างแบบร่างแห (Network)) และใยสังเคราะห์สิ่งทอ (เช่น พอลิเอสเตอร์ พอลิเอไมด์ พอลิอะไครโลไนไทล์ เป็นต้น) 2. เทอร์โมเซตติ้ง พอลิเมอร์ (Thermosetting Polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถหลอมตัวได้เฉพาะครั้งแรกเท่านั้นตามด้วยการเชื่อมต่อกัน ดังนั้นพอลิเมอร์จะมีความแข็งแรงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อโดนความร้อน แต่ถึงจุดๆ หนึ่งจะสลายตัวเนื่องจากความร้อนจะทำลายพันธะยึดเหนี่ยวของตัวเชื่อมต่อ ตัวอย่าง เช่น เมลามีนฟอร์มัลดีไฮด์ (Melamine formaldehyde resin) และ เบกาไลท์ (Bekelite) เป็นต้น ลักษณะการจัดเรียงตัวภายในเส้นใย 1. บริเวณที่เป็นส่วนที่ไม่เป็นระเบียบ (Amorphous Regions) เป็นบริเวณที่สามารถรับน้ำ และความชื้น ดังนั้นจะเป็นบริเวณที่ยอมให้สีย้อมเข้าไปได้ แต่จะเป็นส่วนที่ไม่แข็งแรง 2. บริเวณที่เป็นส่วนที่เป็นระเบียบ (Crystalline Regions) เป็นบริเวณที่ไม่สามารถรับน้ำ และความชื้น เป็นส่วนที่แข็งแรงของเส้นใยเนื่องจากโซ่โมเลกุลเรียงตัวเป็นระเบียบ 3. การจัดเรียงตัวของส่วนที่เป็นระเบียบตามแนวแกนเส้นใย (Orientation) เป็นบริเวณที่มีส่วนที่เป็นระเบียบเรียงตัวตามแนวแกนของเส้นใย ทำให้เพิ่มความแข็งแรงในด้านการทนแรง ดึงตามแนวแกนเส้นใยได้
ภาพที่ 4 แสดงลักษณะส่วนที่เป็นระเบียบ (ที่จัดเรียงตัวตามแนวแกนของเส้นใย) ส่วนที่ไม่เป็นระเบียบ และส่วนที่เป็นช่องว่าง | |||||||
 |
วัสดุศาสตร์ และ เทคโนโลยี
ผลกระทบต่อคุณภาพชีวิตมนุษย์ในศตวรรษที่ 21
ในโลกยุคปัจจุบันซึ่งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเจริญรุดหน้าไปอย่างรวดเร็ว และ พรั่งพร้อมไปด้วยข่าวสารข้อมูลต่าง ๆ มากมายนั้น คุณผู้อ่านคงจะเคยเห็นโฆษณาผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ที่น่าสนใจออกมาเป็นระยะ เช่น เปิดทีวีมาสักพักก็จะเห็นโฆษณาผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งที่มี สารไคโตซาน ซึ่งสามารถดักจับกรดไขมันในอาหาร พอเปลี่ยนไปดูอีกช่องก็อาจ จะพบโฆษณาล้อ “คุณหยุ่น” เกี่ยวกับแบตเตอรีรุ่นใหม่ล่าสุดสำหรับโทรศัพท์มือถือที่ใช้ ลิเทียมพอลิเมอร์
ถ้าสังเกตเครื่องใช้ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์ ก็จะเห็นว่า ตัวเครื่องมีขนาดเล็กลงไปเรื่อย ๆ แต่สมรรถนะการใช้งานกลับดีขึ้นอย่างน่าทึ่ง ถ้าใครมือซนหน่อยและลองแกะไส้ในดูก็จะพบอุปกรณ์ขนาดเล็กหลายชิ้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้แทบทั้งหมดผลิตมาจาก สารกึ่งตัวนำ และ แอดวานซ์เซรามิกส์
ความก้าวหน้าต่าง ๆ ที่ยกตัวอย่างมานี้ต่างก็เป็นผลมาจากการวิจัยและพัฒนา วัสดุรุดหน้า (advanced materials) หรือ วัสดุใหม่ (new materials) เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของมนุษย์และสังคมในระยะเวลาที่ผ่านมานั่นเอง
วัสดุ : ดัชนีวัดพัฒนาการของอารยธรรมมนุษย์
อารยธรรมของมนุษย์ในระยะเริ่มแรกนั้น สามารถแบ่งออกเป็นยุคหลัก ๆ ได้ตาม “วัสดุยอดนิยม” ในช่วงยุคนั้น ๆ ได้แก่ ยุคหิน (Stone Age) ยุคสัมฤทธิ์ (Bronze Age) และ ยุคเหล็ก (Iron Age)
ในเวลาต่อมา แม้ว่านักโบราณคดีจะไม่ได้เรียกยุคต่างๆ ตามชื่อของวัสดุอีกแล้วก็ตาม แต่ก็มีหลักฐานมากมายที่แสดงให้เห็นว่า อารยธรรมที่ยิ่งใหญ่ต่างก็ให้ความสำคัญกับวัสดุที่มีประโยชน์ใช้สอยหรือวัสดุที่ถือกันว่ามีคุณค่าสูงอยู่เสมอ ซึ่งวัสดุนั้นนอกจากจะมีคุณค่าในแง่ประโยชน์ใช้สอยโดยตรงแล้ว ยังแฝงคุณค่าในเชิงสังคมและวัฒนธรรมซ่อนอยู่ด้วย เช่น เพชรนิลจินดาที่ใช้ทำเครื่องประดับ และ สีสันและลวดลายของเสื้อผ้าอาภรณ์นั้นสามารถบ่งบอกสถานภาพทางเศรษฐกิจและสังคมของผู้สวมใส่ได้
ในช่วงเวลาไม่ถึง 100 ปีกว่ามานี้เอง มนุษย์ได้ทดลองสังเคราะห์วัสดุใหม่ ๆ ขึ้นมาใช้งานนับแสนชนิด ในปัจจุบัน ก็กล่าวได้ว่า เราก็มีวัสดุสังเคราะห์ใหม่ ๆ เพิ่มขึ้นแทบทุกวัน พัฒนาการทางด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีที่สำคัญมีดังนี้ทศวรรษที่ 1960 เป็นช่วงเวลาที่โลหะวิทยาพัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด มีการพัฒนาโลหะผสมชนิดใหม่ ๆ เพิ่มขึ้นมากมาย และ นักโลหะวิทยาได้เริ่มเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงกลไกและปัจจัยสำคัญที่กำหนดสมบัติและพฤติกรรมต่าง ๆ ของโลหะ
สำหรับเซรามิกส์นั้นน่าจะเป็นวัสดุชนิดแรก ๆ ที่มนุษย์ในยุคดึกดำบรรพ์นำมาใช้งาน (เช่น ดินใช้ปั้นหม้อ และ หินใช้ทำเครื่องมือและอาวุธ) แต่ในปัจจุบัน เซรามิกส์กลับมาอีกครั้งในรูปแบบของ เซรามิกส์รุดหน้า หรือ แอดวานซ์เซรามิกส์ (advanced ceramics) เมื่อประมาณ 50 ปีที่ผ่านมานี้เอง
สำหรับสารกึ่งตัวนำ หรือ เซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) นั้น มีจุดเริ่มต้นที่สำคัญ 2 เรื่อง ได้แก่ การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ (bipolar transistor) ในปี ค.ศ. 1947 และ การประดิษฐ์วงจรรวมครั้งแรกในปี ค.ศ. 1958 กำเนิดของ ยุคซิลิคอน (Silicon Age) และ อารยธรรมซิลิคอน (Silicon Civilization) ทั้งนี้เนื่องจากสารกึ่งตัวนำได้เข้ามามีอิทธิพลอย่างกว้างขวางและลึกซึ้งต่อวิถีการดำเนินชีวิตของมนุษย์ในแทบทุกด้านส่วนความพยายามในการสังเคราะห์วัสดุที่เป็นสารอินทรีย์เพื่อทดแทนวัสดุธรรมชาติ (เช่น เขาสัตว์) ที่น่าบันทึกไวได้แก่ กำเนิดของเซลลูลอยด์ (celluloid) ในทศวรรษที่ 1860 เซลลูลอยด์เป็นพอลิเมอร์ที่ใช้วัตถุดิบคือ เซลลูโลสไนเตรต (cellulose nitrate) ซึ่งได้จากการนำเซลลูโลสจากฝ้ายมาผ่านกระบวนการทางเคมีโดยรวมกับกรด กำเนิดของเบเคอไลต์ (bakelite) ในปี ค.ศ. 1907 เบเคอไลต์เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์โดยฝีมือของมนุษย์ล้วน ๆ จากฟีนอล (phenol) และ ฟอร์มอลดีไฮด์ (formaldehyde) และ กำเนิดของพอลิเอธิลีน (polyethylene) ในปี ค.ศ. 1942 ซึ่งพอลิเอธิลีนนี้นับเป็นพอลิเมอร์ชนิดแรก ๆ ที่มีใช้กันอย่างแพร่หลายจนถึงปัจจุบันจะเห็นได้ว่า วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี (Materials Science and Technology) มีความสัมพันธ์อย่างแนบแน่นกับพัฒนาการของอารยธรรมของมนุษย์มาอย่างต่อเนื่อง นับตั้งแต่โบราณจวบจนปัจจุบัน และจะยังคงมีบทบาทอย่างสูงในการกำหนดคุณภาพของชีวิตมนุษย์ในอนาคต
วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี : ยุทธศาสตร์เพื่อการพัฒนาประเทศ
เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปในปัจจุบันว่า เทคโนโลยีสารสนเทศ (Information Technology, IT-ไอที) และ เทคโนโลยีชีวภาพ (ฺBiotechnology) มีความโดดเด่นเป็นอย่างยิ่งในปัจจุบัน ตัวอย่างสาธิตมีมากมาย เช่น ความแพร่หลายของอินเทอร์เน็ต หรือ แม้แต่ “วัฒนธรรมสติ๊กเกอร์” ซึ่งกำลังระบาดอย่างหนักในช่วงที่ผ่านมา และ ข่าวเกี่ยวกับการโคลนนิ่ง หรือ การตรวจ DNA เพื่อพิสูจน์คดีต่าง ๆ เรื่องเหล่านี้คงจะได้ยินได้ฟังกันบ่อยจนคุ้นเคยกันดีพอสมควรแล้ว อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีวัสดุ (Materials Technology) จัดเป็นหนึ่งในเทคโนโลยียุทธศาสตร์ที่ประเทศพัฒนาแล้วให้ความสำคัญในอันดับต้น เนื่องจากเทคโนโลยีวัสดุเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่กำหนดขีดความสามารถในการแข่งขันทางเศรษฐกิจและคุณภาพชีวิตของคนในสังคม
ประเทศมหาอำนาจทางเศรษฐกิจและเทคโนโลยีจะให้ความสำคัญกับวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีเป็นอย่างสูง ดังจะเห็นตัวอย่างได้จาก โปรแกรมทางด้านวัสดุและกรรมวิธีการผลิตแบบรุดหน้า (The Advanced Materials and Processing Program, AMPP) ของสหรัฐอเมริกา กลุ่มโปรแกรมจิเซได (Jisedai Program Group) ในกระทรวงอุตสาหกรรมและการค้าระหว่างประเทศ (Misnistry of International Trade and Industry, MITI-มิติ) ของญี่ปุ่น (คำว่า จิเซได เป็นภาษาญี่ปุ่นแปลว่า รุ่นอนาคต) และ โปรแกรมฟอร์ไซต์ (The Foresight Programme) ของสหราชอาณาจักร เป็นต้น
โปรแกรมเหล่านี้มุ่งเน้นส่งเสริมการวิจัยทางวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีระดับประเทศ โดยมีจุดประสงค์คล้ายคลึงกัน นั่นคือ เพื่อเพิ่มความได้เปรียบในการแข่งขันทางเศรษฐกิจและอำนาจต่อรองทางการเมืองของประเทศมหาอำนาจเหล่านี้ประเทศในกลุ่ม “สี่เสือแห่งเอเชีย” ก็ให้ความสำคัญกับวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีอย่างมากเช่นกัน เช่น สถาบันวิจัยเทคโนโลยีเชิงอุตสาหกรรม (Industrial Technology Research Institute, ITRI-อิตทรี้) ของไต้หวันก็ได้ระบุวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีเป็นเรื่องสำคัญในระดับเดียวกับเรื่องอื่น ๆ (เช่น อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ เครื่องจักรกล และ อุปกรณ์ทางการแพทย์) ส่วนสถาบันเครื่องจักรกลและวัสดุแห่งเกาหลี (Korea Institute of Machinery and Materials, KIMM-คิมม์) ก็มุ่งเน้นการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุรุดหน้าหลายสาขา เช่น วัสดุสำหรับอากาศยาน และ วัสดุโครงสร้าง เป็นต้น
สำหรับไทยเรานั้นก็ไม่ได้น้อยหน้าใคร เรามีองค์กรทางด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีโดยตรง ทั้งองค์กรในระดับประเทศ เช่น ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC-เอ็มเทค) ซึ่งอยู่ภายใต้สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) รวมทั้งองค์กรและส่วนงานต่าง ๆ อีกหลายแห่ง
วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี : ผลกระทบต่อชีวิตและสังคม
ในบทความช่วงนี้ อยากจะให้คุณผู้อ่านได้เห็นผลกระทบของวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีในด้านต่าง ๆ ของชีวิตและสังคม โดยจะเลือกตัวอย่างที่สำคัญบางด้าน ได้แก่ กีฬา สุขภาพ สิ่งแวดล้อม พลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ และ ยานยนต์
º กีฬา : สู่สุดยอดของการแข่งขัน
กีฬาระดับ “มืออาชีพ” นั้นตัดสินกันที่เสี้ยวของวินาที หรือ แค่ปลายจมูก โดยอาจมีเดิมพันเป็นชื่อเสียง หรือเงินรางวัลสมนาคุณล่อใจเป็นเรือนแสนเรือนล้านเลยทีเดียว
วัสดุไฮเทคสำหรับอุปกรณ์กีฬาได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อช่วยเสริมสมรรถนะและลดโอกาสการบาดเจ็บของนักกีฬา วัสดุใหม่นี้จึงต้องมีสมบัติเด่นหลายด้าน เช่น แข็งแรงพอ น้ำหนักเบา ไม่แตกหักง่าย และราคาต้องไม่สูงมากจนเกินไป ทั้งนี้ในการออกแบบจะต้องคำนึงถึงศาสตร์ต่าง ๆ ร่วมกับวัสดุศาสตร์ เช่น สรีระวิทยา และ ชีวกลศาสตร์ เป็นต้น
วัสดุไฮเทคมีผลกระทบต่อกีฬาหลายประเภท เช่น ในการวิ่งแข่ง รองเท้ากีฬาซึ่งนอกจากจะใส่สบายแล้ว ยังมีส่วนทำให้สถิติการวิ่งมาราธอนดีขึ้น ในกีฬาค้ำถ่อ แชมป์โอลิมปิกที่ใช้ไม้ไผ่ในปี ค.ศ. 1896 ได้ทำสถิติไว้ที่ 10 ฟุต 10 นิ้ว ส่วนแชมป์ที่ใช้วัสดุเชิงประกอบ หรือ คอมพอสิท (composite) ในปี ค.ศ. 1990 ได้ลบสถิติที่ผ่านมาได้อย่างถล่มทลาย คือ ทำได้สูงถึง 19 ฟุต 3/8 นิ้ว นั่นคือดีขึ้นเกือบ 2 เท่า
การใช้วัสดุใหม่ที่ทำให้สมรรถนะในการเล่นสูงขึ้นนั้นก็มี “ด้านมืด” เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ในกีฬาเบสบอล มีการห้ามการใช้ไม้ตีที่ทำจากอะลูมิเนียม เนื่องจากไม้ตีอะลูมิเนียมทำให้ตีโฮมรันได้มากกว่าปกติ อีกทั้งลูกที่พุ่งเร็วและแรงขึ้น ย่อมทำให้ผู้เล่นมีโอกาสได้รับบาดเจ็บมากขึ้น เช่นกัน " สุขภาพ : มายืดอายุ ... ด้วยวัสดุและอุปกรณ์ทางการแพทย์วัสดุและอุปกรณ์ที่ใช้งานในทางการแพทย์และทางทันตกรรม (ในที่นี้จะรวมเรียกว่า วัสดุทางการแพทย์) เป็นวัสดุที่เกี่ยวข้องกับชีวิตและสุขภาพโดยตรง จึงทำให้มีข้อกำหนดที่รัดกุมมากมายหลายประการ เช่น ถ้าวัสดุนั้นต้องฝังตัวอยู่ในร่างกายอย่างถาวร ก็จะต้องทนต่อสภาวะแวดล้อมภายในร่างกายได้โดยที่ร่างกายไม่ต่อต้าน หรือ ถ้าวัสดุที่ใช้สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ สารที่เกิดขึ้นจะต้องไม่ทำอันตรายต่อร่างกายและการสลายต้องเป็นไปในอัตราที่เหมาะสม เป็นต้น ในทางปฏิบัติ วัสดุทางการแพทย์จำเป็นต้องได้รับการทดสอบหลายอย่างตามลักษณะการใช้งานก่อนที่จะใช้งานได้จริง เช่น การทดสอบด้วยเทคนิคการปลูกเลี้ยงเซลล์และเนื้อเยื่อบนวัสดุนั้น ๆ (cell and tissue culture technique) เป็นต้น
ในปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาวัสดุและอุปกรณ์ทางการแพทย์ขึ้นมาใช้มากมายหลายชนิด เช่น กาวติดแผล วัสดุเคลือบหลุมร่องฟัน ข้อเข่าเทียม ข้อสะโพกเทียม และ อุปกรณ์ยึดตรึงกระดูก เป็นต้น ในที่นี้จะกล่าวถึง ข้อสะโพกเทียม (artificial hip joint) เป็นกรณีศึกษา เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ที่น่าสนใจทั้งในแง่การออกแบบทางวิศวกรรมและการเลือกใช้วัสดุ
ข้อสะโพกเทียมอาจใช้ไทเทเนียมผสมชนิด Ti-6Al-4V เป็นส่วนก้านและหัว และใช้โพลีเอทิลีนชนิดน้ำหนักโมเลกุลสูง (Ultra High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE) เป็นส่วนเบ้า โดยทำการเคลือบบางส่วนของก้านด้วยเซรามิกส์ชีวภาพ เช่น ไฮดรอกซีอะปาไทต์ (hydroxyapatite) ซึ่งจะช่วยให้การยึดเกาะดีขึ้น สำหรับงานวิจัยในปัจจุบัน ได้มีการทดสอบการใช้วัสดุเชิงประกอบเพื่อทำตัวก้าน และพบว่ามีสมบัติทางกลเป็นที่น่าพอใจ แต่ยังคงต้องแก้ปัญหาเรื่องราคาและความสม่ำเสมอของสมรรถนะก่อนจะนำมาใช้งานได้อย่างแพร่หลายต่อไป
J สิ่งแวดล้อม : แนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในศตวรรษหน้า
ประเด็นด้านสิ่งแวดล้อมได้ทวีความสำคัญขึ้นอย่างสูงในระยะที่ผ่านมา ความตื่นตัว (หรือว่า ตื่นกลัว?) ที่เกิดขึ้นน่าจะมาจากสาเหตุหลายประการ ที่สำคัญได้แก่ สภาวะแวดล้อมเลวร้ายในเมืองใหญ่ และ เขตอุตสาหกรรมที่ขาดการจัดการอย่างถูกต้อง แถมด้วยผลกระทบด้านลบที่เกิดขึ้นกับระบบนิเวศของโลก เช่น ปรากฏการณ์เรือนกระจก เป็นต้น นอกจากนี้ ความตื่นตัวด้านสิ่งแวดล้อมในภาคอุตสาหกรรมยังเป็นผลมาจากการบังคับใช้ระบบคุณภาพ ISO 14000 ซึ่งโดยเนื้อแท้แล้วเป็นการกีดกันทางการค้าที่ไม่ใช่ภาษี (non-tariff barrier) รูปแบบหนึ่งนั่นเองวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีมีความเกี่ยวข้องกับเรื่องสิ่งแวดล้อม 3 ทิศทางหลัก ๆ ได้แก่ ทิศทางแรก ได้มีความพยายามในการเลือกใช้สารชนิดใหม่เพื่อใช้แทนสารเดิมที่อันตราย เช่น การพัฒนาแบตเตอรีพอลิเมอร์ที่ไม่มีโลหะหนัก และ การพัฒนาเพียโซอิเล็กทริกเซรามิกส์ชนิดไร้สารตะกั่ว ทิศทางที่สอง ได้มีการพัฒนาอุปกรณ์ที่ช่วยตรวจจับสารพิษ เช่น เซนเซอร์สำหรับตรวจจับแก๊สชนิดต่าง ๆ และ อุปกรณ์ที่ช่วยลดความเป็นพิษของสาร เช่น คะตะไลติกคอนเวอร์เตอร์ (catalytic converter) ซึ่งสามารถเปลี่ยนแก๊สพิษในไอเสีย(เช่น NOx) ให้เป็นแก๊สที่อันตรายน้อยลง (เช่น CO2 และ ไอน้ำ) เป็นต้นทิศทางที่สาม ได้แก่ ความพยายามในการจัดการด้านสิ่งแวดล้อมในภาคอุตสาหกรรมด้วยวิธีการต่าง ๆ เช่น การใช้ เทคโนโลยีสะอาด (Clean Technology, CT) ซึ่งเป็นเรื่องที่กำลัง “ฮ็อต” อย่างยิ่งในวงการอุตสาหกรรมทั่วโลกขณะนี้ เทคโนโลยีสะอาดหมายถึงการใช้วัตถุดิบและพลังงานในการผลิตอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เพื่อลดปริมาณของเสีย แถมยังได้สินค้ามีราคาถูกลงไปด้วยพร้อม ๆ กัน (ตัวอย่างเช่น จะออกแบบอย่างไรให้ผลิตภัณฑ์ทนทาน และ สามารถนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่ได้มากที่สุด?) ส่วนแนวคิดที่น่าสนใจอีกเรื่องหนึ่ง ได้แก่ นิเวศอุตสาหกรรม (Industrial Ecology) ซึ่งเป็นการมองกลุ่มโรงงานอุตสาหกรรมแบบเชื่อมโยงกันคล้าย ๆ ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ ในระบบนิเวศในทางชีววิทยา ในระบบนิเวศน์อุตสาหกรรม ของเสียหรือผลผลิตจากโรงงานหนึ่งสามารถใช้เป็นวัตถุดิบให้กับอีกโรงงานหนึ่ง ซึ่งในภาพรวมจะช่วยลดปริมาณของเสีย และทำให้มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
พลังงาน : ปัจจัยขับเคลื่อนชีวิต เศรษฐกิจ และสังคม
แนวโน้มทางด้านพลังงานที่สำคัญประการหนึ่ง ได้แก่ การใช้ พลังงานหมุนเวียน (renewable energy) (เช่น น้ำ ลม แสงอาทิตย์ และ ชีวมวล) เพิ่มขึ้น คำว่า พลังงานหมุนเวียน นี้บ่งเป็นนัยว่าเป็นพลังงานสะอาดด้วย วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีมีความสำคัญต่อเรื่องพลังงานดังตัวอย่างต่อไปนี้
เซลล์แสงอาทิตย์ วัสดุที่นิยมใช้ทำเซลล์แสงอาทิตย์ ได้แก่ ซิลิคอน ซึ่งมีได้หลายรูปแบบ เช่น ผลึกเดี่ยว (single-crystal Si) พหุผลึก (polycrystal Si) ฟิล์มอสัณฐาน (amorphous Si film) สามประเภทนี้เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีใช้กันมากที่สุด แต่มีประสิทธิภาพไม่สูงมากนัก ส่วนวัสดุที่ให้ประสิทธิภาพสูง เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์(GaAs) และ อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) นั้นยังมีราคาแพงอยู่มาก จึงมีใช้ในงานเฉพาะทาง เช่น เซลล์แสงอาทิตย์บนดาวเทียม เป็นต้นทิศทางที่เป็นความหวังในการพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แนวหนึ่ง ได้แก่ การออกแบบเซลล์ในลักษณะใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บพาหะประจุ เช่น ได้มีการแสดงให้เห็นว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบชนิดคลับแซนด์วิช (club sandwich design) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ถึง 2 เท่า (จาก 10% เป็น 20%) เมื่อใช้ซิลิคอนแบบพหุผลึก
เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) เป็นอุปกรณ์ที่สามารถแปลงพลังงานในเชื้อเพลิงไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรงโดยกลไกปฏิกิริยาทางไฟฟ้า-เคมี (electrochemistry) ตัวอย่างของวัสดุที่ใช้ทำเซลล์เชื้อเพลิง เช่น เซอร์โคเนียที่เพิ่มเสถียรภาพด้วยอิตเทรียม (yttria-stabilized zirconia) เป็นอิเล็กโทรไลต์ โดยมีวัสดุเซอร์เม็ตNi/Y2O2-ZrO2 เป็นแอโนด และ วัสดุ LaMnO3 โด๊ปด้วยสตรอนเชียมเป็นแคโทด เป็นต้น ในปัจจุบัน ได้มีการกล่าวถึงความเป็นไปได้ในการใช้เซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กในอุปกรณ์และเครื่องใช้ต่าง ๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์แบบโน้ตบุ๊ค และ กล้อมแคมคอร์ดเดอร์ เป็นต้นเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิงเป็นเครื่องยนต์สะอาด เนื่องจากไม่มีการจุดระเบิดและไม่มีการเผาไหม้ นอกจากนี้ยังไม่มีชิ้นส่วนอุปกรณ์ใด ๆ เคลื่อนไหว และ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ซึ่งใช้เซลล์เชื้อเพลิงอาจจะสูงกว่าเครื่องยนต์เผาไหม้ประมาณ 1-3 เท่า คาดกันว่าอาจมีการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์ในอนาคต (อ่านเพิ่มในเรื่องยานยนต์)
แบตเตอรีพลาสติก แบตเตอรีที่นิยมใช้กันอยู่ในปัจจุบันมักจะมีโลหะหนักที่เป็นอันตราย (เช่น ตะกั่ว แคดเมียม และ ดีบุก) เป็นองค์ประกอบ และมีน้ำหนักค่อนข้างมาก นักวัสดุศาสตร์จึงได้พัฒนาแบตเตอรีพลาสติกซึ่งใช้พอลิเมอร์นำไฟฟ้า (conducting polymer) เป็นอิเล็กโทรด หรือ แทนที่ส่วนประกอบที่เป็นโลหะภายในเซลล์แบตเตอรี ตัวอย่างเช่น แบตเตอรีพอลิเมอร์ชนิดลิเทียมไอออน (Li-ion polymer battery) ซึ่งใช้พอลิเมอร์นำไฟฟ้าเป็นขั้วไฟฟ้าบวกและใช้ลิเทียมเป็นขั้วไฟฟ้าลบ นอกจากนี้ยังได้มีการพัฒนาแบตเตอรีที่ใช้พลาสติกเป็นส่วนประกอบทั้งหมด (all-plastic battery) จะใช้ฟลูออโรฟินิลไทโอฟีน (fluorophenylthiophenes) เป็นอิเล็กโทรด และ ใช้พอลิเมอร์เจลเป็นอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรีชนิดนี้ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 3 โวลท์ และ สามารถประจุไฟใหม่ได้นับร้อยครั้ง แถมยังจุพลังงานได้หนาแน่นกว่าแบตเตอรีแบบกรดตะกั่ว (lead acid battery) และ แบบนิกเกิล-แคดเมียม (NiCd battery) อีกด้วย
: อิเล็กทรอนิกส์ : เล็กลงและสมรรถนะสูงขึ้น
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ได้ถูกย่อขนาดให้เล็กลงไปเรื่อย ๆ ทำให้เครื่องใช้และอุปกรณ์ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ มีขนาดเล็กลง ทำงานได้รวดเร็วขึ้น มีประสิทธิภาพสูงขึ้น (แถมยังมีราคาถูกลงในบางกรณี) แนวโน้มนี้สังเกตเห็นได้ชัดเจนจากขนาดและสมรรถนะของคอมพิวเตอร์ในระยะหลายปีที่ผ่านมา ปัจจุบัน มีการพูดถึงการย่อลงไปจนถึงระดับ นาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronics) กันแล้ว (ประเทศใกล้ๆ บ้านเรา เช่น ไต้หวันได้จัดตั้ง National Nano Device Laboratories แล้ว)สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากอิเล็กโทรเซรามิกส์ก็มีแนวโน้มที่จะย่อขนาดลงไปเช่นเดียวกัน เช่น ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการขึ้นรูปอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบหลายชั้น(Multilayer Technology) ซึ่งสามารถใช้ขึ้นรูปอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ตัวเก็บประจุเซรามิกส์แบบหลายชั้นซึ่งทำจากสารไดอิเล็กทริกเซรามิกส์ และ แอคชูเอเตอร์ซึ่งทำจากสารเพียโซอิเล็กทริกเซรามิกส์ เป็นต้น (อ่านเพิ่มเติมในเรื่องแอดวานซ์เซรามิกส์)
ทิศทางหนึ่งที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง คือ การจับคู่กันระหว่าง “สมองและเส้นประสาท” หรือ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (microelectronics) และ “แขนขา” หรือ อุปกรณ์ไมโครแมคแคนิคัล (micromechanical devices) กลายเป็น ระบบไมโครอิเล็กโทรแมคแคนิคัล (microelectromechanical system, MEMS) นั่นคือ MEMS สามารถ “คิด” และ “ลงมือทำ” ได้นั่นเอง
_ ยานยนต์ : กินน้ำมันน้อยลง และ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
แนวโน้มของการพัฒนารถยนต์ ได้แก่ การลดน้ำหนักของรถลงเพื่อให้ประหยัดน้ำมัน การเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของเครื่องยนต์ การเลือกใช้วัสดุและระบบที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น และ ที่สำคัญอย่างยิ่งคือ ความปลอดภัยของผู้โดยสาร
การลดน้ำหนักรถยนต์
วัสดุต่างๆ ที่ได้รับการเลือกใช้แทนเหล็กกล้าเพื่อลดน้ำหนักของรถยนต์ ได้แก่ อะลูมิเนียมผสม แมกนีเซียมผสม พอลิเมอร์ วัสดุเชิงประกอบ และ “โฟมโลหะ” เป็นต้น รถยนต์อะลูมิเนียม (เช่น Audi A8) มีจุดเด่นคือ น้ำหนักเบา ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี เกาะถนนได้ดีกว่า และควบคุมได้ง่ายกว่า (แต่มีคนเคยสะกิดเอาไว้ว่า รถยนต์ไฮเทคแบบนี้ถ้าถูกชน อู่รถที่สามารถซ่อมได้น่าจะมีไม่กี่แห่ง)อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าเหล็กกล้าคงจะยังดื้ออยู่ต่อได้อีกสักพักใหญ่ ดังจะเห็นตัวอย่างได้จาก โครงการ ULSAB (Ultralight Steel Autobody) ซึ่งเป็นการรวมกลุ่มของผู้ผลิตเหล็กกล้าหลักถึง 35 บริษัท จาก 18 ประเทศ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อแสดงความสามารถของเหล็กกล้าผสมต่ำความแข็งแรงสูง (high strength low alloy steel) ในการลดน้ำหนักของตัวถังรถ แต่ยังคงความปลอดภัย ความสะดวกสบายและสมรรถนะโดยรวม
รถยนต์ “สีเขียว” ประเด็นเรื่องสิ่งแวดล้อมจะแทรกซึมเข้าไปแทบทุกแห่ง รถยนต์ก็ไม่มีข้อยกเว้น (ฝรั่งเรียกว่า eco-friendly vehicle หรือ environmentally vehicle) ในที่นี้จะยกตัวอย่าง 2 เรื่อง ได้แก่ รถพลังไฟฟ้า และ รถพลังเซลล์เชื้อเพลิง รถยนต์ที่ใช้ไฟฟ้าล้วน ๆ ยังมีข้อจำกัดบางประการ เช่น วิ่งได้ไม่ไกลก็ต้องอัดไฟใหม่ เร่งได้ไม่สะใจ ฯลฯ บริษัทรถยนต์ยักษ์ใหญ่ เช่น โตโยต้า จึงได้มีการพัฒนารถยนต์ลูกผสม (hybrid vehicle) ซึ่งสามารถใช้ได้ทั้งไฟฟ้า (เมื่อวิ่งด้วยความเร็วต่ำ) และน้ำมัน (เมื่อต้องการเร่งหรือวิ่งด้วยความเร็วสูง) เช่น โตโยต้ารุ่น Prius ที่มีขายในญี่ปุ่นและอเมริกา เป็นต้นสหรัฐอเมริกามีนโยบายส่งเสริมการพัฒนายานพาหนะยุคใหม่ซึ่งเรียกสั้น ๆ ว่า รถยนต์สะอาด (Clean Car) โดยเป็นโครงการร่วมระหว่างภาครัฐและผู้ผลิตรถยนต์ยักษ์ใหญ่ของสหรัฐฯ 3 บริษัท หรือ Big Three (ได้แก่ GM, Ford และ Chrysler) คาดว่ารถยนต์สะอาดที่ว่านี้จะใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิง
ประเด็นสำคัญโดยสรุป
นอกเหนือไปจาก การเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตและการเพิ่มสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ ซึ่งเป็นแนวปฏิบัติที่มีมานานอย่างต่อเนื่องแล้ว แนวโน้มสำคัญทางด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีที่ผู้เขียนลองประมวลดูมี 3 ประการ ได้แก่
- อนุรักษ์สิ่งแวดล้อม : การดำเนินกิจกรรมต่าง ๆ จะต้องคำนึงถึงสิ่งแวดล้อมมากยิ่งขึ้น ไม่ว่าจะเป็นการ
ออกแบบ การเลือกใช้วัสดุ กระบวนการผลิต และ การนำวัสดุกลับมาหมุนเวียนใช้ใหม่ เป็นต้น
- มุ่งสู่สหสาขาวิชา : วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีได้เชื่อมโยงกับวิทยาการในสาขาอื่นมากขึ้นเรื่อย ๆ จนมี
ลักษณะเป็นสหสาขาวิชา (multidisciplinary) ที่หลากหลายและซับซ้อนขึ้น
- เลียนแบบธรรมชาติ : “ระบบไร้ชีวิต” มีแนวโน้มเลียนแบบสมบัติและพฤติกรรมของ “ระบบที่มีชีวิต” มากขึ้น
เช่น วัสดุฉลาดได้รับการออกแบบให้ใช้งานในระบบที่คล้ายสิ่งมีชีวิต และ ระบบนิเวศอุตสาหกรรมเลียนแบบ
กลไกของระบบนิเวศวิทยาในทางชีววิทยา
วัสดุฉลาด (Smart Materials)ลองจินตนาการถึงกรอบแว่นตาที่สามารถจำรูปร่างตัวเองก่อนการบิดงอได้ สะพานที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้เมื่อเกิดรอยร้าวขึ้นภายใน หรือ ปีกของเครื่องบินที่สามารถปรับพื้นผิวได้ตามการบินในสภาวะต่าง ๆ โครงสร้างหรือระบบเหล่านี้เรียกว่า โครงสร้างฉลาด (smart structure) หรือ ระบบฉลาด (smart system) ซึ่งมักจะมี “หัวใจ” อยู่ที่การออกแบบทางวิศวกรรมและการเลือกใช้วัสดุฉลาด (smart materialsวัสดุฉลาดคืออะไร? วัสดุฉลาดเป็นวัสดุที่สามารถปรับตัวและตอบสนองต่อสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนไป จะเคยเห็นแว่นตากันแดดที่สามารถปรับเปลี่ยนความเข้มของเลนส์ตามความเข้มของแสงแดด ถ้าแดดจ้า-สีเลนส์จะเข้มขึ้น ถ้าแดดจาง-สีเลนส์จะอ่อนลง แก้วที่ใช้ทำเลนส์แบบนี้เป็นแก้วเปลี่ยนสีตามแสง (photochromic glass) ซึ่งนับว่าเป็นวัสดุฉลาดที่ในทางการค้าชนิดแรก ๆ ของโลก
ในทางวิศวกรรม วัสดุฉลาดอาจแบ่งตามการใช้งานได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ เซนเซอร์ (sensor) และ แอคชูเอเตอร์ (actuator) ระหว่าง 2 คำนี้ คิดว่า เซนเซอร์ (หรือตัวรับรู้) น่าจะคุ้นหูคนทั่วไปมากกว่า เซนเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่สามารถตรวจจับสสาร พลังงาน หรือสัญญาน รูปแบบต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน แสง หรือ แก๊ส เป็นต้น ส่วน แอคชูเอเตอร์ เป็นอุปกรณ์ที่สามารถตอบสนองต่อสิ่งเร้า ซึ่งการตอบสนองนี้มักจะเป็นการเคลื่อนไหวทางกล (ลองเทียบคำว่า actuator กับ action = การกระทำ)วัสดุที่ใช้เป็นเซนเซอร์ได้ เช่น ใยแก้วนำแสง (optical fiber) โลหะจำรูป (shape memory alloy) และ วัสดุเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric material) วัสดุเพียโซอิเล็กทริกส่วนใหญ่เป็นเซรามิกส์ เช่น แบเรียมไททาเนต (barium titanate) และ เลดเซอร์โคเนตไททาเนต (lead zirconate titanate, PZT) แต่ก็มีบางชนิดที่เป็นพอลิเมอร์ เช่น โพลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (polyvinylidene fluoride, PVDF)วัสดุที่ใช้เป็นแอคชูเอเตอร์ได้ เช่น โลหะจำรูป ซึ่งสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป วัสดุเพียโซอิเล็กทริกซึ่งสามารถเปลี่ยนรูปพลังงานระหว่างพลังงานไฟฟ้า-พลังงานกล วัสดุแมกนีโตสตริกทีฟ (magnetostrictive materials) ซึ่งสามารถเปลี่ยนพลังงานกล-พลังงานแม่เหล็ก เป็นต้น วัสดุฉลาดมีพฤติกรรมที่น่าทึ่งบางประการ เช่น เราสามารถ “เพิ่มไอคิว” ให้กับโลหะจำรูปโดยการฝึกสอน คล้าย ๆ กับการฝึกสอนสัตว์เลี้ยงที่ฉลาด เช่น สุนัข เป็นต้น
วัสดุนาโน (Nanophase Materials)
โลหะที่เป็นฉนวนไฟฟ้า หรือ เซรามิกส์ที่ตกไม่แตก แนวทางหนึ่งที่เป็นไปได้ คือ การใช้นาโนเทคโนโลยี นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสิ่งของเล็ก ๆ ที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านส่วนของเมตร) ซึ่งเป็นระดับขนาดอะตอม ทุกวันนี้ เราอาจจะได้ยินคำต่าง ๆ ที่มีคำว่า “นาโน” ร่วมอยู่ด้วยหลายคำ เช่น วัสดุขนาดนาโน (nano-sized materials) ผลึกขนาดนาโน (nanocrystal) วัสดุเชิงประกอบขนาดนาโน (nanocomposite) และ นาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronics) เป็นต้น ในทางวัสดุศาสตร์ พฤติกรรมของ “วัสดุนาโน” หรือ “วัสดุจิ๋ว” นี้มีความแปลกชวนฉงนอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น ได้มีการใช้คอมพิวเตอร์จำลองเหตุการณ์เพื่อศึกษา สภาพของส่วนปลายของโพรบ (probe) ของกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนนิงทันเนลลิง (scanning tunnelling microscope, STM) ซึ่งทำจากนิกเกิล เมื่อส่วนปลายนี้ถูกดึงห่างออกจากผิวของทอง จะเห็นว่า อะตอมของทองในบริเวณผิวถูก “ดูด” ติดขึ้นมา เกิดเป็น “เส้นลวดจิ๋ว (nanowire)” ผลจากการคำนวณ โดยเทคนิคพลศาสตร์เชิงโมเลกุล (molecular dynamics) พบว่าในขณะที่ “เส้นลวดทอง” ถูกดึงให้ยาวขึ้น ๆ โดยที่หน้าตัดมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ นั้น พฤติกรรมทางไฟฟ้าของลวดดังกล่าวสามารถเปลี่ยนจาก ตัวนำไฟฟ้า ไปเป็น สารกึ่งตัวนำ หรือแม้แต่กระทั่งเป็น ฉนวนไฟฟ้า ก็ยังได้! ผลจากการคำนวณนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้วเช่นกัน
ตัวอย่างนี้เป็นอุธาหรณ์ที่ดีว่า โลหะ (ซึ่งเรามักจะทึกทักว่านำไฟฟ้าได้ดีนั้น) จะแสดงสมบัติที่เราคุ้นเคยกันใน “ระดับตาเห็น” ว่าเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ก็ต่อเมื่ออะตอมของโลหะนั้นมาจับตัวเป็นกลุ่มก้อนที่มีขนาดใหญ่พอและอยู่ในสภาวะที่เหมาะด้วย วัสดุนาโนนี้มักจะมีสมบัติหรือพฤติกรรมหลายอย่างที่แตกต่างไปอย่างมากจากวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่กว่า เช่น โลหะทองแดงก้อนจิ๋วขนาด 6 นาโนเมตรจะแข็งแรงกว่าทองแดงก้อนขนาด 50 ไมครอน ถึง 5 เท่า ชิ้นเซรามิกส์ เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) จะแตกหักได้ยากขึ้น ถ้าหากเม็ดเกรน (grain) ที่ประกอบขึ้นวัสดุนี้มีขนาดเล็กกว่า 30 ไมครอน (เกรน คือ ผลึกเดี่ยวขนาดเล็ก ๆ) และ ผงอนุภาคแคดเมียมซีเลไนด์(cadmium selenide) อาจมีสีสันแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค (และ ความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ส่อง) เป็นต้น
พลาสติกวิศวกรรม (Engineering Plastics)
พลาสติกวิศวกรรมต่างกับพลาสติกทั่วไปอย่างไร? พลาสติกวิศวกรรมมีบทบาทความสำคัญต่ออุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ เครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์สำนักงาน เนื่องจากมีสมบัติพิเศษเมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกทั่วไป (เช่น โพลีเอทิลีน (PE) โพลีโพรพิลีน (PP) และ โพลีสไตริน (PS)) ได้แก่ ความแข็งแรง ความทนทานต่อความร้อน สารเคมี หรือแรงกระแทก ได้เป็นอย่างดีตามนิยามในสารานุกรมด้านพอลิเมอร์ (Encyclopedia of Polymer Science and Engineering) พลาสติกวิศวกรรมเป็นพลาสติกที่สามารถคงรูปและรักษาสมบัติเอาไว้ได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส และ ต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียสพลาสติกวิศวกรรมที่นิยมใช้และสามารถผลิตได้ในประเทศในรูปเม็ดพลาสติกหรือผลิตภัณฑ์ ได้แก่ โพลีเอมีด (polyamid) (ที่รูจักกันดีในชื่อ ไนลอน (nylon)) โพลีอะซิทัล (polyacetals, POM) โพลีคาร์บอเนต (polycarbonate, PC (พีซี)) โพลีเอทิลีนชนิดน้ำหนักโมเลกุลสูง (ultra high molecular weight PE, UHMWPE) และ เทฟลอน (teflon)
ประเทศไทยเป็นฐานการผลิตพลาสติกวิศวกรรมที่สำคัญ ได้แก่ เม็ดโพลีคาร์บอเนตและโพลีอะซิทัล โดยมีโรงงานผลิตที่จังหวัดระยอง ซึ่งเป็นการร่วมทุนระหว่างไทยและญี่ปุ่น นับเป็นโรงงานแห่งแรกในแถบเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ จะเห็นได้ชัดว่า พลาสติกวิศวกรรมจะเติบโตและมีความสำคัญเพิ่มขึ้นต่ออุตสาหกรรมทั้งภายในประเทศและต่างประเทศเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตัวอย่างพลาสติกวิศวกรรมในชีวิตประจำวันมีอะไรบ้าง? ไม่ว่าจะเป็นวันทำงานหรือวันหยุดที่รอคอย รุ่งอรุณมักเริ่มขึ้นด้วยการล้างหน้า สีฟัน พลาสติกวิศวกรรมชนิดแรกที่จะกล่าวถึงคือ ไนลอน (nylon) เส้นใยไนลอนใช้ผลิต “ขนแปรงสีฟัน” ซึ่งปัจจุบันมากกว่า 50% ของแปรงสีฟันล้วนใช้เส้นใยไนล่อนประเภท 6, 12 เพราะมีความยึดหยุ่นและคืนรูปได้ดี ดูดซึมน้ำพอเหมาะ และถ้าหากออกแบบให้เหมาะสม เช่น เส้นใยมีปลายโค้งมน ก็จะช่วยไม่ให้เคลือบฟันสึกกร่อน ไนลอนยังมีประโยชน์อีกมาก เช่น เส้นใยไนลอนสำหรับเสื้อผ้าและพรม หรือ ไนลอนชนิดที่ทนทานต่อการขัดสีได้ดี ซึ่งใช้ผลิตเฟืองหรือชิ้นส่วนในเครื่องจักรกล เป็นต้นหากกล่าวถึงรถยนต์ ชิ้นส่วนยานยนต์หลายประเภทสามารถทำจากพลาสติกวิศวกรรมได้ เช่น โพลีคาร์บอเนต (พีซี) สำหรับไฟหน้ารถยนต์ มือจับประตูด้านนอกและใน รวมถึงหน้าปัดและไฟท้าย พีซียังเป็นวัตถุดิบหลักสำหรับผลิตสิ่งของต่าง ๆ มากมาย เช่น อุปกรณ์สำนักงาน อุปกรณ์ทางการแพทย์ เครื่องเสียง แผ่นซีดีรอม (CD-ROM)เลนส์กล้องถ่ายรูป และสัญญาณไฟจราจร นอกจากนี้ พีซียังใช้ผลิตภาชนะในครัวเรือน ขวดนม กล่องใส่อาหาร พีซีมีสมบัติเด่น ๆ ได่แก่ ใส แข็งแรง ทนต่อความร้อน อีกทั้งยังสามารถใช้ผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการความเที่ยงตรงสูง (เช่น ชิ้นส่วนอุปกรณ์กล้องถ่ายรูป) ในอีก 3 ปีข้างหน้า คาดว่าอาจมี “รถพลาสติก” มาวิ่งบนถนนของเมืองไทย ซึ่งขณะนี้กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบประสิทธิภาพของรถทั้งในห้องปฏิบัติการและทดลองวิ่งบนสภาพถนนต่าง ๆ รถพลาสติกนี้จะผลิตโดยบริษัท Chrysler โดยมีโครวสร้างตัวถังและชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ผลิตจากพลาสติกวิศวกรรมหลาย ๆ ประเภท เป็นที่น่าสนใจว่าเกือบ 100% ของชิ้นส่วนในรถพลาสติกนี้สามารถรีไซเคิลได้ยังมีพลาสติกวิศวกรรมอีกหลายชนิดที่ไม่สามารถครอบคลุมถึงในบทความนี้ แต่มีประโยชน์นานัปการและเกี่ยวข้องกับชีวิตทุกวันของเรา
ไคติน/ไคโตซาน (Chitin/Chitosan)
ไคติน/ไคโตซานเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพซึ่งผลิตจากสิ่งเหลือจากอุตสาหกรรมสัตว์น้ำแช่แข็ง (เช่น เปลือกกุ้งและเปลือกปู) และเป็นพอลิเมอร์ที่มีความสำคัญต่อเศรษฐกิจโลกมากขึ้นเรื่อย ๆ ไคติน/ไคโตซานมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatible) และ สามารถสลายตัวได้ทางชีวภาพ (biodegradable) จึงถือได้ว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ทั้งไคติน (chitin) และไคโตซาน (chitosan) มีโครงสร้างทางเคมีคล้ายเซลลูโลส ต่างกันตรงที่ไคตินจะมีหมู่อะเซตาไมด์และอะเซตามิโด แต่ไคโตซานจะมีหมู่เอมีน (amine group) แทนที่จะเป็นหมู่ไฮดรอกซิลที่ C-2 ของวงแหวนน้ำตาล (sugar ring) ตามปกติจะพบทั้งวงแหวนน้ำตาลของไคตินและไคโตซานในสายโซ่เดียวกัน จึงมักจะรวมเรียกสารเคมีพวก
ไคติน/ไคโตซาน การแบ่งแยกไคตินกับไคโตซานจะอาศัยจำนวนหมู่เอมีน ถ้ามีหมู่เอมีนมากกว่า 70% จะเรียกว่าไคโตซานในแง่ของวัสดุแล้วไคติน/ไคโตซานถือว่ามีสมบัติโดดเด่น ทั้งนี้เนื่องจากเปลือกกุ้งและเปลือกปูซึ่งเป็นแหล่ง
ไคติน/ไคโตซานนั้นเป็นวัสดุเชิงประกอบที่นอกจากจะเหนียวฉีกขาดยาก ยังสามารถรับแรงได้สูง และไม่เปลี่ยนรูปร่างได้ง่าย ๆ ถ้าหากพิจารณาในเชิงโครงสร้าง ไคตินจะจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างผลึกเหลวแบบคลอเลสเทอริก
(cholesteric liquid crystal structure) โดยมีโปรตีนและปูนขาวแทรก ทำให้วัสดุนี้ทนแรงได้ทุกทิศทางไคติน/ไคโตซานมีความเป็นวัสดุพิเศษ คือ ตัววัสดุสามารถทำหน้าที่ทางเคมีหรือทางชีวภาพบางอย่างได้ด้วยตัวเอง (ภาษาอังกฤษเรียกว่าเป็น functional materials) ตัวอย่างเช่น เป็นแผ่นโพลาร์เมมเบรน (polar membrane) ซึ่งสามารถใช้ในการแยกแอลกอฮอล์ (เจือจาง) โดยกระบวนการเพอร์วาพอเรชัน (pervaporation) เป็นต้น
ในทางการแพทย์และเภสัชกรรม ได้มีการศึกษาแล้วว่าเมื่อรับประทานเข้าไปแล้วนั้นนอกจากที่จะไม่ดูดซึมเข้าไปในร่างกายและช่วยในการเคลื่อนตัวของอาหารในลำไส้ดังเช่นอาหารจำพวกไฟเบอร์โดยทั่วไปแล้ว ยังจะมีความสามารถใน
การจับคลอเลสเตอรอลและไขมันในอาหารที่รับประทานเข้าไปก่อนที่จะเกิดการดูดซึมสารเหล่านั้น ในปัจจุบันได้มีการนำไคโตซานบริสุทธิ์มาเป็นอาหารเพื่อสุขภาพในการประกอบการลดความอ้วน นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ทำผิวหนังเทียมรักษาแผลไฟไหม้ น้ำร้อนลวก ใช้ปลดปล่อยยา รักษาเหงือกและฟัน
นอกจากนี้ สารไคติน/ไคโตซานยังสามารถประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์และอุตสาหกรรมต่าง ๆ อย่างหลากหลาย เช่น ใช้หุ้มเมล็ดพันธ์พืชเพื่อยืดอายุการเก็บและป้องกันราและจุลินทรีย์ในอุตสาหกรรมการเกษตร ใช้เป็นสารต่อต้านราและ
จุลินทรีย์ ใช้เป็นสารกันบูด เคลือบอาหาร ผัก และผลไม้ ในอุตสาหกรรมอาหาร ใช้เติมแต่งและเป็นสารพื้นฐานของแป้งทาหน้า แชมพู ครีม และสบู่ โลชันเคลือบป้องกันผิวและผม เนื่องจากไคติน/ไคโตซานสามารถอุ้มน้ำและเป็นตาข่ายคลุมผิวหนัง ใช้ผสมเส้นใย เช่น สิ่งทอและกระดาษ เพื่อป้องกันและต้านทานเชื้อโรค และยังทำให้เยื่อเหนียวและแข็งแรงเพิ่มขึ้น เป็นต้น
แอดวานซ์เซรามิกส์ (Advanced Ceramics)
เมื่อพูดถึงเซรามิกส์ คนส่วนใหญ่มักจะคิดถึงของใช้และผลิตภัณฑ์ประเภทต่าง ๆ ในบ้าน เช่น ถ้วย จานชาม เครื่องสุขภัณฑ์ รวมทั้ง กระเบื้องปูผนังและปูพื้น เป็นต้น และ อาจจะนึกเลยต่อไปอีกว่า เซรามิกส์นั้นเปราะ แตกง่าย
แถมยังเป็นฉนวนไฟฟ้าและฉนวนความร้อนอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ในระยะหลายสิบปีที่ผ่านมา นักเซรามิกส์ได้พัฒนาเซรามิกส์ยุคใหม่ที่แทบจะเรียกได้ว่า ปฏิวัติความเชื่อดังกล่าวอย่างสิ้นเชิง!
แอดวานซ์เซรามิกส์ (หรือที่บางท่านเรียกอย่างเก๋ไก๋ว่า เซรามิกส์รุดหน้า หรือ เซรามิกส์ยุคใหม่) เป็นเซรามิกส์ที่ต้องได้รับการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาคอย่างแม่นยำ ซึ่งถ้าหากองค์ประกอบทางเคมีหนึ่ง ๆ เป็น ตัวโด๊ป (dopant) ก็อาจจะต้องควบคุมปริมาณในระดับ 1 ในพันส่วน (โดยน้ำหนัก) หรือ ต่ำกว่า เลยทีเดียว
แอดวานซ์เซรามิกส์อาจแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ ได้แก่ แอดวานซ์เซรามิกส์สำหรับงานโครงสร้าง (advanced structural ceramics) ซึ่งเป็นกลุ่มที่ใช้ในงานที่ต้องการสมบัติทางกลที่ดีที่อุณหภูมิสูง (โดยอาจมีสมบัติที่ดีอื่น ๆ แถมมาด้วย เช่น ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนได้ดี และ/หรือ ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี) และ อิเล็กโทรเซรามิกส์ (electroceramics) ซึ่งเป็นกลุ่มที่ใช้สมบัติทางไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์-แม่เหล็ก-แสง เป็นหลัก โดยเมื่อศึกษาในแนวลึกในทางทฤษฎีแล้วสมบัติเหล่านี้เป็นผลจากอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนกับสิ่งเร้าภายนอก (ที่มาของชื่อ electroceramics)
ตัวอย่างแอดวานซ์เซรามิกส์สำหรับงานโครงสร้าง เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide, SiC) สำหรับใช้ทำวัสดุสำหรับตัดแต่ง และ ชิ้นส่วนเครื่องยนต์กลไก เช่น ปลอกนำวาล์ว (valve guide) และ ซีล (seal) ซิลิคอนไนไตรด์ (silicon nitride, Si3N4) สำหรับใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องยนต์กลไก เช่น วาล์ว (valve) สลักลูกสูบ (piston pin) และ ใบพัดของ
เทอร์โบชาร์จเจอร์ (turbocharger rotor blade) และ อะลูมินัมไนไตรด์ (aluminum nitride, AlN) สำหรับใช้ทำแผ่นรองวงจรสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้นสำหรับแอดวานซ์เซรามิกส์สำหรับงานโครงสร้างที่อาจจะคุ้นตาคุณผู้อ่านที่สนใจเรื่องราวทางวิทยาศาสตร์สักหน่อย น่าจะเป็นผิวของยานกระสวยอวกาศ (space shtuttle) ในตอนที่ยานเข้ามาจากอวกาศเข้าสู่บรรยากาศของโลกนั้น
คงจะสังเกตเห็นบริเวณผิวของยาน โดยเฉพาะบริเวณปลาย “จมูก” ซึ่งลุกเป็นไฟแดง โครงสร้างลำตัวของยานภายในนั้นจริง ๆ แล้วทำจากอะลูมิเนียมผสมซึ่งทนความร้อนได้ประมาณแค่ 400 องศาเซลเซียส แต่ผิวของยานนั้นปูด้วยแผ่นกระเบื้อง
เซรามิกส์เล็ก ๆ ซึ่งทนความร้อนสูงจำนวนมาก ตัวอย่างวัสดุที่ใช้ทำแผ่นเซรามิกส์ดังกล่าว เช่น เส้นใยซิลิกาอะมอร์ฟัสความบริสุทธิ์สูงมาก (very-high-purity amorphous silica fibers) เป็นต้น
ส่วนอิเล็กโทรเซรามิกส์นั้นเป็นกลุ่มเซรามิกส์ที่มีมากมายหลายชนิด และ ครอบคลุมสมบัติด้านต่าง ๆ หลายอย่างได้แก่ ไฟฟ้า แม่เหล็ก แสง และ ความร้อน เป็นต้น ตัวอย่างเช่นไดอิเล็กทริกเซรามิกส์ (dielectric ceramicss) เช่น แบเรียมไททาเนต (barium titanate, BaTiO3) สำหรับใช้ทำตัวเก็บประจุไฟฟ้า เพียโซอิเล็กทริกเซรามิกส์ (piezoelectric ceramics) ซึ่งเป็นเซรามิกส์ที่สามารถเปลี่ยนรูปพลังงานกล-พลังงานไฟฟ้ากลับไปมาได้ (“piezo” มาจากภาษากรีก แปลว่า กด (press)) ตัวอย่างเช่น เลดเซอร์โคเนตไททาเนต (lead zirconate titanate, Pb(Zr,Ti)O3) สำหรับใช้ทำทรานดิวเซอร์ (transducer) ตัวจุดเตาแก๊ส (gas ignitor) และ อัลตร้าโซนิกมอเตอร์ (ultrasonic motor) และ เซรามิกส์แม่เหล็ก (magnetic ceramics) เช่น เฟอร์ไรต์ (ferrite, Fe3O4) ซึ่งใช้เป็นวัสดุบันทึกข้อมูล เป็นต้น
แอดวานซ์เซรามิกส์อาจมีรูปร่างได้หลายแบบขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน เช่น ใช้ในลักษณะเป็นชิ้นส่วนตัน (bulk) เคลือบบนผิววัสดุชนิดอื่น (coating) ฟิลม์หนา (thick film) และ ฟิล์มบาง (thin film) เป็นต้น
รถยนต์กับพลาสติก
"ลังน้ำอัดลม"
เอทิลีนไวนิลอะซีเตดโคโพลิเมอร์
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | ||||||||
เส้นใยที่จะเป็นเส้นใยทางสิ่งทอควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้
1. ควรมีความยาวมากกว่าความกว้างหลายร้อยเท่าตัว 2. สามารถบิดตัวรวมกันเป็นเส้นด้ายได้ 3. เส้นใยจะต้องมีความแข็งแรง และมีความยืดหยุ่นตัว 4. มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะทนต่อกระบวนการปั่นด้าย และทอผ้า และเมื่อผลิตเป็นผืนผ้าได้ แล้วจะทำให้ผ้านั้นมีความแข็งแรงเพียงพอในการใช้งานได้ 5. หากเส้นใยมีความยืดหยุ่นตัวดี จะทำให้เกิดลักษณะการพริ้วตัวของผ้า 6. ความยาวของเส้นใยโดยปกติแล้วเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด ความยาวเส้นใยจะต้องมีค่าไม่น้อยกว่า 1/4 ถึง1/2 นิ้ว จนถึงความยาวไม่จำกัด เพื่อทำให้เกิดแรงยึดตัวกันอย่างเหมาะสม ภายหลังกระบวนการปั่นด้าย 7. ความละเอียดของเส้นใย ยิ่งเส้นใยละเอียดเท่าใด ผ้าจะมีความนุ่มนวล เช่น เส้นใยไหม แต่ถ้าเส้นใยที่ใช้เป็นป่านปอ ควรจะต้องผลิตเป็นกระสอบมากกว่าเสื้อผ้า เนื่องจากเส้นใยเหล่านั้นหยาบมาก 8. ความยืดหยุ่นตัวทำให้เสื้อผ้า คงรูปร่าง เมื่อมีแรงดึงยืด 9. รอยหยิกงอ เป็นสมบัติเฉพาะตัวของเส้นใยธรรมชาติ จำพวกเส้นใยขนสัตว์ 10. การดูดความชื้นของเส้นใย ทำให้สบายตัวเมื่อสวมใส่ และลดไฟฟ้าสถิตย์บนเส้นใย เช่น เส้นใยสังเคราะห์ ในฤดูหนาวได้ดี 11. น้ำหนักของเส้นใยทำให้การทิ้งตัวของผืนผ้าดีขึ้น ถ้าเส้นใยหนักเกินไป จะทำให้สวมใส่ไม่สบายตัว เนื่องจากน้ำหนักของผ้าถ่ายมาที่ตัวผู้สวมใส่ 12. จะต้องหาง่าย และราคาถูก 13. จะต้องย้อมสี พิมพ์ และตกแต่งได้ง่าย ไม่ทำให้เกิดการติดสีที่ไม่สม่ำเสมอ 14. ควรมีส่วนที่ไม่เป็นระเบียบอยู่ในโครงสร้างบ้าง เพื่อทำให้สีสามารถแทรกซึมเข้าไปในเส้นใยได้ ในกรณีที่ย้อมสีเส้นใยนั้นๆ การจำแนกเส้นใยชนิดต่างๆ
การจำแนกเส้นใยชนิดต่างๆ
เส้นใยสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ 1. เส้นใยที่มาจากธรรมชาติ (Natural Fibres) 2. เส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้น (Man-made Fibres) เส้นใยธรรมชาติสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทใหญ่ๆ ตามแหล่งกำเนิดเส้นใยคือ 1. เส้นใยที่ได้มาจากพืช (Vegetable Fibres) ซึ่งรวมถึงเส้นใยฝ้าย (Cotton) รวมถึงเส้นใย แฟลกซ์ (Flax), เส้นใยป่าน, ปอ และพืชชนิดอื่นๆ เช่น สับปะรด ผักตบชวา กล้วย เป็นต้น เส้นใยเหล่านี้ส่วนใหญ่จะมีส่วนประกอบของเซลลูโลส (Cellulose) 2. เส้นใยที่ได้มาจากสัตว์ (Animal Fibres) เป็นเส้นใยที่ได้มาจากสัตว์ เช่น แพะ แกะ หรือ ไหม เป็นต้น ซึ่งเส้นใยเหล่านี้จะมีส่วนประกอบของกรดอะมิโนต่างๆ ประกอบเป็นโปรตีน (Protein) 3. เส้นใยที่ได้มาจากแร่ธาตุ (Mineral Fibres) ซึ่งไม่ค่อยจะนิยมใช้ในงานสิ่งทอปกติ แต่จะนิยม ใช้กับงานด้านความคงทนต่อเปลวไฟ และความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเส้นใยหิน (Asbestos) เส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้นสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทคือ 1. เส้นใยที่ดัดแปลงมาจากพอลิเมอร์ธรรมชาติ (Natural Polymer Fibres) เนื่องจากเซลลูโลส มีอยู่จำนวนมากไม่ว่าจะเป็นฝ้าย หรือลำต้นของต้นไม้ก็ตาม ฉะนั้นมนุษย์สามารถนำมาดัดแปลงทำเป็น เส้นใยที่ต้องการ เช่น เรยอน วิสโคส หรือ อะซิเตด เป็นต้น พอลิเมอร์ธรรมชาติอีกแหล่งที่มีมากเช่นกัน คือ พวกโปรตีนจากพืช เช่น ถั่วเหลือง นมสด ข้าวโพด 2. เส้นใยอนินทรีย์ (Inorganic Fibres) เป็นเส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้น เช่น ใยแก้ว เซรามิก หรือโลหะ เป็นต้น 3. เส้นใยสังเคราะห์ (Synthetic Fibres) เป็นเส้นใยที่ส่วนมากจะได้มาจากอุตสาหกรรมปิโตร-เลียม เช่น พอลิเอสเตอร์ พอลิเอไมด์ พอลิอะไครโลไนไทล์ พอลิไวนิลแอลกอฮอล์ เป็นต้น กระบวนการผลิตเส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้น เส้นใยที่มนุษย์ผลิตขึ้นมีจำหน่ายในท้องตลาดทั่วไป แต่ปกติจะมีอยู่เพียงไม่กี่เส้นใยที่นิยมใช้กันมาก เช่น เส้นใยวิสโคส เรยอน เส้นใยอะซิเตด เส้นใยพอลิเอสเตอร์ เส้นใยไนล่อน และเส้นใยอะไครลิค เป็นต้น ที่นิยมใช้ สำหรับงานเครื่องนุ่มห่มสำเร็จรูป การผลิตเส้นใยนี้จะทำโดยการนำเอา "มอโนเมอร์" มารวมตัว กันทำให้เกิดโมเลกุลใหญ่ๆ ซึ่งเราเรียกว่า "พอลิเมอร์" แล้วนำเอาพอลิเมอร์ที่ได้มาทำการปั่นผ่านแว่นกดเส้นใย การปั่นเส้นด้ายสังเคราะห์มีสามวิธีใหญ่ๆ คือ 1. การปั่นแบบแห้ง (Dry Spinning) โดยการนำเอาตัวทำละลายที่เหมาะสมกับชนิดของเส้นใย มาทำละลาย และจะต้องเป็นสารที่ระเหยได้ง่าย เมื่อฉีดเส้นใยออกมาผ่านลมร้อนจะทำให้ เส้นใยแข็งตัว ตัวทำละลายสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ เหมาะกับการผลิตเส้นใยอะซิเตด ไตรอะซิเตด อะไครลิค ยางยืด เป็นต้น
2. การปั่นแบบเปียก (Wet Spinning) เป็นวิธีการเก่าแก่ที่สุด เมื่อฉีดเส้นใยออกจากแว่นกดเส้นใย และทำให้เย็นโดยการผ่านลงในน้ำ หรือสารละลายที่เหมาะสม ก่อนนำไปใช้งานจะต้องล้างสารเคมีที่มีอยู่ออกก่อน ใช้กับการผลิตเส้นใยเรยอน อะไครลิค และยางยืด
3. การปั่นแบบหลอมละลาย (Melt Spinning) โดยการนำเอาผลิตภัณฑ์มาหลอมเหลวแล้วจึง ฉีดเส้นใยผ่านแว่นกดเส้นใย ทั้งนี้อาจผ่านลมธรรมดา หรือลมร้อน เพื่อทำให้เส้นใยแข็งตัว ไม่จำเป็นต้องล้างทำให้ประหยัดต้นทุนการผลิตมากขึ้น เส้นใยที่ใช้วิธีนี้ เช่น เส้นใยไนล่อน พอลิเอสเตอร์ พอลิโอลิฟิน เป็นต้น
เส้นใยที่นิยมใช้ในประเทศไทย คือ เส้นใยฝ้าย 100% และเส้นใยผสมระหว่างพอลิเอสเตอร์กับฝ้ายในอัตราส่วนต่างๆ ส่วนเส้นใยไนล่อนจะนิยมใช้กับพวกผ้าลูกไม้สำหรับชุดชั้นใน สตรี และถุงเท้า เส้นใย อะไครลิคใช้ทำพรม เส้นด้ายทำงานประดิษฐ์ หรือผ้าห่มนอนไหมพรม สาเหตุที่ไม่นิยมใช้ผ้าใยสังเคราะห์เนื่องจากว่า ประเทศไทยเป็นประเทศที่อยู่ในเขตร้อนชื้น เมื่อผู้สวมใส่มีเหงื่อการดูดซึมความชื้นของใยสังเคราะห์ ไม่ดีพอทำให้สวมใส่แล้วไม่สบายตัว อีกทั้งปัญหาเรื่องไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดขึ้นโดยเฉพาะหน้าหนาว อีกทั้งมีคนบางคนที่เกิดอาการแพ้ใยสังเคราะห์ ทำให้ผิวหนังระคายเคืองได้
สำหรับเส้นใยสังเคราะห์จะมีลักษณะที่เรียกว่า พอลิเมอร์ (Polymer) ซึ่งพอลิเมอร์เกิดได้สองรูปแบบ (จำแนกตามกลไกการเกิดปฏิกิริยา) คือ 1. ปฏิกิริยาควบแน่น (Condensation Reaction) ปกติเมื่อเกิดปฏิกิริยานี้จะทำให้เกิดโมเลกุลของน้ำขึ้น 2. ปฏิกิริยารวมตัว (Addition Reaction) จะไม่มีการสูญเสียโมเลกุลเล็กๆ ไป
ในการพิจารณาหน่วยซ้ำๆ ของพอลิเมอร์จะประกอบด้วย (จำแนกตามชนิดของมอโนเมอร์)
1. พอลิเมอร์ที่มีหน่วยซ้ำๆ กันเพียงชนิดเดียว (Homopolymer) 2. พอลิเมอร์ที่มีหน่วยซ้ำๆ กัน สองชนิดหรือมากกว่า (Copolymer) 2.1 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบสุ่ม (Random Copolymer) ตัวอย่าง เช่น ABBBAAAABBABBABAABABBBA 2.2 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบสลับกัน (Alternating Copolymer) ตัวอย่าง เช่น ABABABABABABABABABABABA 2.3 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบบล็อก (Block Copolymer) ตัวอย่าง เช่น AAAAAAABBBBBBBAAAAAAABBBBBBB 2.4 โคพอลิเมอร์ที่จัดแบบโซ่ (Graft Copolymer) ตัวอย่าง เช่น AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
หากจำแนกตามการเปลี่ยนแปลงของพอลิเมอร์ เมื่อได้รับความร้อนสามารถจำแนกได้ดังนี้ 1. เทอร์โมพลาสติก พอลิเมอร์ (Thermoplastic Polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถหลอมตัวได้ด้วยความร้อนแล้วแข็งตัว เมื่อทำให้เย็นตัวลง การหลอมและการเย็นตัวทำได้หลายๆ ครั้ง โดยไม่มีผลเสียกับสมบัติทางกายภาพและทางเคมี เช่น พอลิสไตรีน พอลิไวนิลคลอไรด์ (ที่ไม่ใช่โครงสร้างแบบร่างแห (Network)) และใยสังเคราะห์สิ่งทอ (เช่น พอลิเอสเตอร์ พอลิเอไมด์ พอลิอะไครโลไนไทล์ เป็นต้น) 2. เทอร์โมเซตติ้ง พอลิเมอร์ (Thermosetting Polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถหลอมตัวได้เฉพาะครั้งแรกเท่านั้นตามด้วยการเชื่อมต่อกัน ดังนั้นพอลิเมอร์จะมีความแข็งแรงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อโดนความร้อน แต่ถึงจุดๆ หนึ่งจะสลายตัวเนื่องจากความร้อนจะทำลายพันธะยึดเหนี่ยวของตัวเชื่อมต่อ ตัวอย่าง เช่น เมลามีนฟอร์มัลดีไฮด์ (Melamine formaldehyde resin) และ เบกาไลท์ (Bekelite) เป็นต้น ลักษณะการจัดเรียงตัวภายในเส้นใย 1. บริเวณที่เป็นส่วนที่ไม่เป็นระเบียบ (Amorphous Regions) เป็นบริเวณที่สามารถรับน้ำ และความชื้น ดังนั้นจะเป็นบริเวณที่ยอมให้สีย้อมเข้าไปได้ แต่จะเป็นส่วนที่ไม่แข็งแรง 2. บริเวณที่เป็นส่วนที่เป็นระเบียบ (Crystalline Regions) เป็นบริเวณที่ไม่สามารถรับน้ำ และความชื้น เป็นส่วนที่แข็งแรงของเส้นใยเนื่องจากโซ่โมเลกุลเรียงตัวเป็นระเบียบ 3. การจัดเรียงตัวของส่วนที่เป็นระเบียบตามแนวแกนเส้นใย (Orientation) เป็นบริเวณที่มีส่วนที่เป็นระเบียบเรียงตัวตามแนวแกนของเส้นใย ทำให้เพิ่มความแข็งแรงในด้านการทนแรง ดึงตามแนวแกนเส้นใยได้
ภาพที่ 4 แสดงลักษณะส่วนที่เป็นระเบียบ (ที่จัดเรียงตัวตามแนวแกนของเส้นใย) ส่วนที่ไม่เป็นระเบียบ และส่วนที่เป็นช่องว่าง     |
เพิ่มความคิดเห็น