เนื้อหาวิชา : 2 : Engineering polymers
- ข้อใดไม่ใช่วัสดุพอลิเมอร์
1 : ยาง (Rubber)
2 : พลาสติก (Plastic)
3 : ไม้ (Wood)
4 : แก้ว (Glass)
เฉลย: 4
อธิบาย: แก้วเป็นวัสดุเซรามิก/อนินทรีย์ ไม่ใช่พอลิเมอร์ ส่วนยาง พลาสติก และไม้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างโมเลกุลพอลิเมอร์
Note: ไม่ใช่พอลิเมอร์ = Glass
พอลิเมอร์ (Polymer) คือสารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่มาก ซึ่งเกิดจากโมเลกุลขนาดเล็กๆ ที่เรียกว่า “มอนอเมอร์” (Monomer) จำนวนมากมายหลายพันหลายหมื่นโมเลกุลมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี
โครงสร้างของพอลิเมอร์
================
พอลิเมอร์สามารถมีรูปร่างและโครงสร้างที่หลากหลาย ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงตัวของมอนอเมอร์:
● โครงสร้างแบบเส้น (Linear): มอนอเมอร์ต่อกันเป็นสายยาว เหมือนเส้นด้าย โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง ขุ่นเหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ ตัวอย่าง PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน
●โครงสร้างแบบกิ่ง (Branched): มอนอเมอร์ยึดกันแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่สั้นและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลัก ทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่าง พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ
● โครงสร้างแบบร่างแห (Network/Crosslinked): สายโซ่พอลิเมอร์เชื่อมต่อกันเป็นตาข่าย ทำให้มีความแข็งแรงและทนความร้อนสูง (เช่น เทอร์โมเซตติ้ง) พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่างเบกาไลต์ เมลามีนใช้ทำถ้วยชาม
การจำแนกประเภทตามการใช้งาน
======================
โดยทั่วไปในทางวิศวกรรมวัสดุ เราจะแบ่งพอลิเมอร์ตามสมบัติทางความร้อนได้เป็น 2 ประเภทหลัก
● เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic):
สมบัติ: อ่อนตัวเมื่อได้รับความร้อน และแข็งตัวเมื่อเย็นลง สามารถนำกลับมาหลอมขึ้นรูปใหม่ได้
ตัวอย่าง: ขวดน้ำ (PET), ถุงพลาสติก (PE), ท่อน้ำ (PVC), กล่องอาหาร (PP)
● เทอร์โมเซตติ้ง (Thermosetting):
สมบัติ: เมื่อได้รับความร้อนจะแข็งตัวถาวร ไม่สามารถหลอมละลายเพื่อขึ้นรูปใหม่ได้ เพราะมีโครงสร้าง แบบร่างแหที่แข็งแรงมาก
ตัวอย่าง: กาวอีพ็อกซี่ (Epoxy), เมลามีน, ยางรถยนต์ที่ผ่านการวัลคาไนซ์ (Vulcanization) ส่วนใหญ่จะใช้ผลิตเครื่องครัว ชิ้นส่วนปลั๊กไฟ ชิ้นส่วนรถยนต์ และชิ้นส่วนในเครื่องบิน เป็นต้น
ทำไมพอลิเมอร์ถึงสำคัญ?
===============
เพราะพอลิเมอร์มีข้อดีที่วัสดุอื่นสู้ได้ยากในบางด้าน เช่น:
● น้ำหนักเบา: เมื่อเทียบกับโลหะหรือเซรามิก
● ความยืดหยุ่นสูง (Elongation): ยืดตัวได้ดี ไม่เปราะแตกง่าย
● ทนต่อสารเคมี: ไม่เกิดสนิมเหมือนโลหะ
● ผลิตง่าย: สามารถหล่อหรือฉีดขึ้นรูปเป็นรูปร่างที่ซับซ้อนได้ง่ายด้วยต้นทุนต่ำ
ที่มา → https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7095-2017-06-04-02-45-14
- ยางที่ผ่านกระบวนการ Vulcanization แล้ว จัดเป็นพอลิเมอร์ประเภทใด
1 : พอลิเมอร์แบบสายโซ่ตรง (Linear polymer)
2 : พอลิเมอร์แบบครอสลิงค์ (Crosslinked polymer)
3 : พอลิเมอร์แบบสายเดี่ยว (Single chain polymer)
4 : พอลิเมอร์แบบกิ่ง (Branched polymer)
เฉลย: 2
อธิบาย: Vulcanization ทำให้สายโซ่ยางเชื่อมโยงกันด้วยพันธะข้ามสายโซ่ จึงเป็น Crosslinked polymer
Note: Vulcanization = Crosslink
- ข้อใดเป็นพอลิเมอร์แบบโครงข่าย (network)
1 : พอลิสไตรีน (Polystyrene)
2 : ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์ (Phenol-formaldehyde)
3 : พอลิเอทธิลีน (Polyethylene)
4 : พอลิพรอพิลีน (Polypropylene)
เฉลย: 2
อธิบาย: Phenol-formaldehyde เป็นเทอร์โมเซตที่มีโครงสร้างแบบร่างแหหรือ network
Note: Phenol-formaldehyde = Network polymer / Thermoset
- ข้อใดเป็นลักษณะของเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic)
1 : แข็งตัวเมื่อถูกความร้อน และอ่อนตัวเมื่อลดอุณหภูมิ
2 : อ่อนตัวเมื่อถูกความร้อน แต่กลับมาแข็งตัวเมื่อลดอุณหภูมิ
3 : แข็งตัวเมื่อถูกความร้อน และไม่สามารถทำให้อ่อนตัวได้อีก
4 : แข็งตัวเมื่อถูกความร้อน แต่สามารถทำให้อ่อนตัวได้เมื่อลดอุณหภูมิ
เฉลย: 2
อธิบาย: เทอร์โมพลาสติกจะอ่อนตัวเมื่อร้อน และแข็งตัวเมื่อเย็น สามารถหลอมขึ้นรูปซ้ำได้
Note: Thermoplastic = ร้อนอ่อน เย็นแข็ง
- ข้อใดต่อไปนี้กล่าวไม่ถูกต้อง
1 : โคพอลิเมอร์ (Copolymer) ประกอบด้วย มอนอเมอร์มากกว่าหนึ่งชนิดเรียงต่อกัน
2 : อัลเทอร์เนตโคพอลิเมอร์ (Alternate copolymer) ประกอบด้วย มอนอเมอร์มากกว่าหนึ่งชนิดเรียงต่อแบบสลับกัน
3 : แรนดอมโคพอลิเมอร์ (Random copolymer) ประกอบด้วย มอนอเมอร์มากกว่าหนึ่งชนิดเรียงต่อแบบสุ่ม
4 : กราฟท์โคพอลิเมอร์ (Graft copolymer) ประกอบด้วย มอนอเมอร์มากกว่าหนึ่งชนิดเรียงต่ออยู่ในสายโซ่ที่เป็นเส้นตรง
เฉลย: 4
อธิบาย: Graft copolymer คือโคพอลิเมอร์ที่มีสายกิ่งยื่นออกจากสายหลัก ไม่ใช่เรียงอยู่ในสายโซ่ตรงทั้งหมด
Note: Graft = มีกิ่ง, Linear = เส้นตรง
- ปัจจัยใดมีผลต่อสมบัติเชิงกลของพอลิเมอร์แบบกึ่งผลึก (Semicrystalline polymers)
1 : น้ำหนักโมเลกุล (Molecular weight)
2 : ระดับของสภาพเป็นผลึก (Degree of crystallinity)
3 : การอบอ่อน (Annealing)
4 : ข้อ 1 2 และ 3 ถูก
เฉลย: 4
อธิบาย: สมบัติเชิงกลของพอลิเมอร์กึ่งผลึกขึ้นกับน้ำ หนักโมเลกุล ความเป็นผลึก และ ประวัติการให้ความร้อน เช่น annealing
Note: Semicrystalline properties = MW (Molecular weight) + crystallinity + annealing
หากต้องการปรับปรุงสมบัติของชิ้นงานที่เป็นพอลิเมอร์กึ่งผลึก วิศวกรต้องพิจารณาเลือกน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสม ควบคุมระดับความเป็นผลึกในระหว่างการขึ้นรูป และใช้กระบวนการอบอ่อน (Annealing) เพื่อปรับแต่งสมบัติสุดท้ายให้ได้ตามความต้องการ
- จากกราฟความเค้น-ความเครียด (Stress-strain plot) กราฟเส้นใดแสดงสมบัติของวัสดุยืดหยุ่น (Elastomeric polymer)
1 : I
2 : II
3 : III
4 : IV
เฉลย: 4
อธิบาย:
Elastomer จะเป็นเส้นที่ แสดงค่าความเครียด (Strain) ได้สูงมาก เมื่อเทียบกับพอลิเมอร์ประเภทอื่น ซึ่งเป็นการยืนยันว่าวัสดุนั้นมีการยืดตัวได้ดีเยี่ยม
Note: Elastomer = ยืดได้มาก, มองหาเส้นที่ elongation (ยืดตัว) สูง
- พอลิเมอร์ใดต่อไปนี้เป็นเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics)
1 : PVC
2 : Epoxy resins
3 : Polyester
4 : Melamine
เฉลย: 1
อธิบาย: PVC เป็นเทอร์โมพลาสติก ส่วน Epoxy และ Melamine มักจัดเป็นเทอร์โมเซต
Note: PVC = Thermoplastic
เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) คือ พอลิเมอร์ประเภทหนึ่งที่มีสมบัติเด่นคือ “อ่อนตัวเมื่อได้รับความร้อน และแข็งตัวเมื่อลดอุณหภูมิ”
ตัวอย่างของเทอร์โมพลาสติกที่พบบ่อยได้แก่:
– PS (Polystyrene): โฟม หรือชิ้นส่วนพลาสติกแข็ง
– PVC (Polyvinyl chloride): ใช้ทำท่อน้ำ สายไฟ
– PE (Polyethylene): เช่น พอลิเอทิลีนที่ใช้ทำถุงพลาสติก หรือขวดพลาสติก
– PP (Polypropylene): ภาชนะบรรจุอาหาร
- ข้อใดต่อไปนี้ไม่ใช่พอลิเมอร์
1 : พอลิเอทิลีน (Polyethylene)
2 : พอลิคาร์โบเนต (Polycarbonate)
3 : ซิลิคอนคาร์ไบด์ (Silicon carbide)
4 : ซิลิโคน (Silicone)
เฉลย: 3
อธิบาย: Silicon carbide เป็นวัสดุเซรามิก ไม่ใช่พอลิเมอร์ ขณะที่ Polyethylene, Polycarbonate และ Silicone เป็นพอลิเมอร์
Note: Silicon carbide = Ceramic, ไม่ใช่ Polymer
- เพราะเหตุใดยางรถยนต์จึงมีสีดำ
1 : เนื่องจากต้องสัมผัสถนนซึ่งมีความสกปรก จึงผสมสีดำลงไป
2 : เนื่องจากต้องการให้มีความแข็งแรงขึ้น จึงใส่สารเสริมแรงชนิดหนึ่งซึ่งมีสีดำลงไป
3 : เพื่อให้ง่ายต่อการดูแลรักษา
4 : ข้อ 1 2 และ 3 ถูก
เฉลย: 2
อธิบาย: ยางรถยนต์มีสีดำเพราะเติมสารเสริมแรง เช่น carbon black เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความทนทานของยาง
Note: ยางรถยนต์สีดำ = Carbon black เสริมแรง
51. โดยทั่วไปพอลิเมอร์มีสมบัติเชิงกลในข้อใดต่อไปนี้มากกว่าวัสดุวิศวกรรมชนิดอื่นๆ
1 : Tensile Strength
2 : Modulus of Elasticity
3 : Yield Strength
4 : Elongation
เฉลย: 4
อธิบาย: พอลิเมอร์มักมีความสามารถในการยืดตัวสูงกว่าวัสดุวิศวกรรมหลายชนิด แต่ strength และ modulus (ความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูป) มักต่ำกว่าโลหะหรือเซรามิก
Note: Polymer (พอลิเมอร์) เด่นที่ Elongation (การยืดตัว)
52. วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตพอลิเมอร์มาจากแหล่งใด
1 : แก๊สธรรมชาติ
2 : น้ำมันปิโตรเลียม
3 : ผลิตผลทางการเกษตร
4 : ข้อ 1 2 และ 3 ถูก
เฉลย: 4
อธิบาย: พอลิเมอร์ผลิตได้จากปิโตรเคมี เช่น น้ำมันและแก๊สธรรมชาติ รวมถึงแหล่งชีวภาพจากผลิตผลทางการเกษตร
53. ข้อใดต่อไปนี้ไม่ใช่ลักษณะหรือสมบัติของเทอร์โมเซตติ้ง (Thermosetting)
1 : มีโครงสร้างตาข่าย
2 : นำมาขึ้นรูปใหม่ไม่ได้
3 : ทนแรงกระแทกได้ดี
4 : ทนความร้อนได้ดี
เฉลย: 3
อธิบาย: เทอร์โมเซต มีโครงสร้างร่างแห แข็ง ทนความร้อน และขึ้นรูปใหม่ไม่ได้ แต่มักเปราะ จึงไม่เด่นด้านทนแรงกระแทก
Note: Thermoset (เทอร์โมเซต) = ไม่เด่นด้านทนแรงกระแทก
54. ข้อใดต่อไปนี้ไม่ใช่โครงสร้างของโคพอลิเมอร์ (Copolymer)
1 : โครงสร้างแบบบล็อก (Block)
2 : โครงสร้างแบบสลับ (Alternating)
3 : โครงสร้างแบบเชิงเส้น (Linear)
4 : โครงสร้างแบบสุ่ม (Random)
เฉลย: 3
อธิบาย: โคพอลิเมอร์แบ่งตามการจัดเรียง มอนอเมอร์ เช่น
● block
● alternating
● random
● graft
ส่วน linear เป็นการบอกลักษณะ “รูปทรง” ของสายโซ่พอลิเมอร์ (ว่าเป็นเส้นตรง ไม่มีกิ่งก้าน) ไม่ใช่การบอกถึง โครงสร้างของโคพอลิเมอร์
55. ขวดพลาสติกใสที่ใช้บรรจุน้ำอัดลมในท้องตลาดมักทำด้วยพอลิเมอร์ชนิดใด
1 : พอลิโพรพิลีน (Polypropylene)
2 : พอลิสไตรีน (Polystyrene)
3 : พอลิเอทิลีน เทอร์ฟาทาเลต (Polyethylene terephthalate)
4 : พอลิเมทิล เมทาครีเลต (Polymethyl methacrylate)
เฉลย: 3
อธิบาย: ขวดน้ำอัดลมใสมักทำจาก PET เพราะใส แข็งแรง น้ำหนักเบา และกั้นแก๊สได้ดีกว่า PE
Note: PET (Polyethylene terephthalate) = ขวดน้ำอัดลมใส
56. เราสามารถเพิ่มสมบัติในการรับแรงกระแทกให้กับพลาสติกที่เปราะได้โดยการผสมสิ่งใดต่อไปนี้ลงไปในพลาสติก
1 : ยาง (Rubber)
2 : สารเสริมแรง (Reinforcing filler)
3 : สารป้องกันการแตกหักของสายโซ่โมเลกุล (Stabilizer)
4 : สารเพิ่มเนื้อ (Extender)
เฉลย: 1
อธิบาย: การเติมยางช่วยเพิ่มความเหนียวและความสามารถในการดูดซับพลังงานกระแทกให้พลาสติกที่เปราะ
57. ถ้านำขวดพลาสติกที่ทำจากพอลิเอทิลีนไปบรรจุน้ำอัดลมและปิดฝาให้แน่น จะเกิดสิ่งใดขึ้น
1 : ไม่มีสิ่งใดเปลี่ยนแปลง
2 : น้ำอัดลมจะมีสีที่จางลง
3 : แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะระเหยออกไป
4 : ปริมาณของน้ำอัดลมจะลดลง
เฉลย: 3
อธิบาย: Polyethylene ยอมให้แก๊สซึมผ่านได้มากกว่า PET จึงไม่เหมาะกับน้ำอัดลม เพราะ CO₂ สามารถแพร่ออกได้
58. ข้อใดต่อไปนี้ไม่เป็นความจริง
1 : โดยทั่วไป พอลิเมอร์มีค่าการนำความร้อนที่ต่ำกว่าโลหะมาก
2 : โดยทั่วไป อากาศมีค่าการนำความร้อนที่ต่ำกว่าพอลิเมอร์มาก
3 : โดยทั่วไป พอลิเมอร์มีค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนมากกว่าโลหะ
4 : โดยทั่วไป เซรามิกมีค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนมากกว่าพอลิเมอร์
เฉลย: 4
อธิบาย: โดยทั่วไปพอลิเมอร์มีการขยายตัวเมื่อร้อนมากกว่าโลหะและเซรามิก ส่วนเซรามิกมักมี thermal expansion ต่ำกว่า
Note: Polymer (พอลิเมอร์) thermal expansion สูง (ขยายตัวเมื่อร้อนมาก), Ceramic (เซรามิก) ต่ำกว่า
59. กระบวนการในข้อใดต่อไปนี้เป็นกระบวนการสร้างพอลิเมอร์จากมอนอเมอร์
1 : Monomerization
2 : Polymerization
3 : Hydration
4 : Annealing
เฉลย: 2
อธิบาย: Polymerization คือกระบวนการนำ มอนอเมอร์ มาต่อกันเป็นสายโซ่ พอลิเมอร์
60. เทฟลอน (Teflon) คือชื่อทางการค้าของพอลิเมอร์ในข้อใด
1 : Polystyrene
2 : Polyurethane
3 : Polytetrafluoroethylene
4 : Polyvinyl chloride
เฉลย: 3
อธิบาย: Teflon เป็นชื่อทางการค้าของ PTFE ซึ่งมีสมบัติลื่น ไม่ติดผิว และทนสารเคมีดี
Note: Teflon (เทฟลอน) = PTFE (พอลิเตตระฟลูออโรเอทิลีน)