431101 Engineering Materials Part: Polymeric Materials ผศ. ดร. วิมลลักษณ์ สุตะพันธ์ ผศ. ดร. กษมา จารุกาจร Trimester 1/2552
Download ReportTranscript 431101 Engineering Materials Part: Polymeric Materials ผศ. ดร. วิมลลักษณ์ สุตะพันธ์ ผศ. ดร. กษมา จารุกาจร Trimester 1/2552
431101 Engineering Materials Part: Polymeric Materials ผศ. ดร. วิมลลักษณ์ สุตะพันธ์ ผศ. ดร. กษมา จารุกาจร Trimester 1/2552 คะแนน คะแนนสอบแบ่ งเป็ น 2 ส่ วน โดย สอบปลายภาค 80 % สอบย่ อย 20 % อาจสอบย่ อยทุกครั้งของการเรียน OUTLINE 1. POLYMERIC MATERIALS 2. POLYMER SYNTHESIS 3. PHYSICAL PROPERTIES OF POLYMERS 4. POLYMER PROCESSING 5. POLYMER BLENDS 6. COMPOSITE MATERIALS 1st Part: Polymeric Materials Polymer Synthesis Physical Properties of Polymers ผศ.ดร. วิมลลักษณ์ สุตะพันธ์ OUTLINE Polymeric materials 1. Introduction to polymers 2. Molecular weight of polymers 3. Polymer Classifications Polymer synthesis 1. Step polymerization 2. Chain polymerization Polymeric Materials Plastic Elastomer (Rubber) Foam Paint Composition Adhesive Composition Textile Others Introduction Plastic Applications Foam Applications Introduction Paint Applications Adhesive Applications Introduction Rubber Applications Textile Applications Introduction Others Applications Polymers Polymer = Poly + mer Polymerization Mer Unit = Monomer Polymer Polymer คือ สารโมเลกุลใหญ่ ทป ี่ ระกอบด้ วยหน่ วยซ้า จานวนมากโดยทีห่ น่ วยซ้าเชื่อมโยงกันด้ วยพันธะเคมี Polymers Polymer คือ สารโมเลกุลใหญ่ (macromolecules) ที่ประกอบด้ วยหน่ วยซ้าจานวนมากโดยทีห่ น่ วยซ้าเชื่ อมโยงกันด้ วย พันธะโควาเลนซ์ Polymer ที่ประกอบด้ วยหน่ วยซ้าเพียงหนึ่งชนิด เรียกว่ า homopolymer เช่ น พอลิเอทิลน ี (polyethylene) Polymer ที่ประกอบด้ วยหน่ วยซ้ามากกว่ าหนึ่งชนิด เรียกว่ า copolymer เช่ น styrene-butadiene copolymer หรือ poly (styrene-co-butadiene) Polymers Ex. Polyethylene (PE) Ex. Polypropylene (PP) n propylene polypropylene Ex.Polybutadiene Ex. Polyisoprene Ex. Polyamide H2O, by product Ex. Polyester H2O, by product A listing of Mer Structures of Vinyl Polymers Polyethylene (PE) Poly (vinyl chloride) (PVC) Polytetrafluoroethylene (PTFE) References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. A listing of Mer Structures of Vinyl Polymers Polypropylene (PP) Polystyrene (PS) Poly (methyl methacrylate) (PMMA) References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. A listing of Mer Structures of Other Polymers PhenolFormaldehyde (Bakelite) Poly (hexamethylene adipamide) (Nylon 6,6) References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. A listing of Mer Structures of Other Polymers Poly (ethylene Terephthalate) (PET, a polyester) Polycarbonate (PC) References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. Molecular Structure of Homopolymer AAAAAAAAAAAAA Linear Chains Branched Chains Network or Crosslinked Chains Copolymer A polymer derived from more than one species of monomer Ex. styrene-butadiene copolymer [Poly (styrene-co-butadiene)] + styrene butadiene styrene-butadiene copolymer Ex. acrylonitrile-vinyl chloride copolymer Molecular Structure of Copolymer แบ่ งได้ เป็ น 4 ประเภท 1. Random Copolymer 2. Alternative Copolymer 3. Block Copolymer 4. Graft Copolymer Molecular Structure of Copolymer 1. Random Copolymer 2. Alternative Copolymer ~ABAABABBABAAB~ ~ABABABABABAB~ Molecular Structure of Copolymer 3. Block Copolymer 4. Graft Copolymer BBBBB ~AAAABBBBAAAA~ ~AAAAAAAAAAAAA~ BBBB สิ่ งทีค่ วรรู้ • ชนิดของวัสดุพอลิเมอร์ ทพี่ บในชีวิตประจาวัน • คาจากัดความของ “พอลิเมอร์ ” • ความแตกต่ างของ “โฮโมพอลิเมอร์ ” กับ “โคพอลิเมอร์ ” นาหนักโมเลกุล (Molecular Weight: MW) References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. นาหนักโมเลกุล (Molecular Weight: MW) พอลิเอทิลนี (Polyethylene), PE [ CH2-CH2 ] n n = 1000 MW = 28000 n = 1500 MW = 42000 n = 2500 MW = 70000 นาหนักโมเลกุล VS สถานะของสาร นาหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ MW ของพอลิเมอร์มก ี ารกระจายไม่ได้มีเพียงค่าเดียวเดีย ่ วๆ ดังนันจึงใช้คา่ เฉลีย ่ ของ MW เช่น Mและ Mw n นำ้ หนักโมเลกุล นำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ โดยจำนวน vs นำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ โดยนำ้ หนัก ในสนำมมีช้ำงนำ้ หนัก 10,000.00 kg/ตัว อยู่ 5 ตัวจะหำนำ้ หนัก โมเลกุลเฉลีย่ ของช้ ำงได้ อย่ ำงไรบ้ ำง MW = Mn = 10,000 นำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ โดยจำนวน vs นำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ โดยนำ้ หนัก ยุง 4 ตัวเกำะอยู่บนหลังช้ ำงจะหำนำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ ของสั ตว์ ท้งั สองชนิดได้ อย่ ำงไรบ้ ำง *ยุงมีนำ้ หนัก 1 kg/ตัว ช้ ำงมีนำ้ หนัก10,000.00 kg/ตัว นาหนักโมเลกุล : นาหนักโมเลกุลเฉลีย ่ โดยจานวน นาหนักโมเลกุล : นาหนักโมเลกุลเฉลีย ่ โดยนาหนัก Ethylene CH 2 CH 2 แทนด้ วย Polyethylene (CH 2 CH 2 ) x แทนด้ วย X = 10; X = 20; นำ้ หนักโมเลกุลของสำยโซ่ พอลิเมอร์ = นำ้ หนักโมเลกุลของหน่ วยซ้ำ x จำนวนหน่ วยซ้ำ (CH 2 CH 2 ) x หน่ วยซ้ำเหมือนเดิม X เปลีย่ นไป MW ของสำยโซ่ กจ็ ะไม่ เท่ ำกัน ในพอลิเอทิรีน 50 โมเลกุล อำจจะประกอบไปด้ วย (CH 2 CH 2 )1000 = 20 โมเลกุล (CH 2 CH 2 )500 = 10 โมเลกุล (CH 2 CH 2 )800 = 10 โมเลกุล (CH 2 CH 2 )1200 = 10 โมเลกุล นำ้ หนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ จึงจำเป็ นต้ องแสดงเป็ นค่ ำเฉลีย่ นำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ โดยจำนวน (โมเลกุลรวมทั้งหมด); M n นำ้ หนักโมเลกุลเฉลีย่ โดยนำ้ หนัก (โมเลกุลรวมทั้งหมด); M w (CH 2 CH 2 ) x นาหนักโมเลกุลของหน่วยซา = 2C + 4H = 28 g/mol X 1000 500 800 1200 (Mx) (Wx) จานวนโมเลกุลที่มีขนาด X น.น.โมเลกุลของโมเลกุล ที่มีขนาด X น.น.โมเลกุลรวมของ โมเลกุลแต่ ละขนาด 20 10 10 10 1000 28,000 x 28 500 14,000 x 28 800 22,400 x 28 1200 33,600 x 28 20 x560,000 1000 x 28 10 x140,000 500 x 28 10 x224,000 800 x 28 10 x336,000 1200 x 28 (Nx) ∑ Nx = 50 ∑ Wx = 1,260,000 NxMx Nx (2028,000) (1014,000) (1022,400) (1033,600) 20 10 10 10 Wx M x Mw Wx (560,000 28,000) (140,000 14,000) (224,000 22,400) (336,000 33,600) 560,000 140,000 224,000 336,000 Mn M n n xMx N n x x number Nx n1000 20 0.4 50 n500 10 0.2 50 n800 10 0.2 50 n1200 10 0.2 50 fraction M w w xMx Wx wx weight fraction Wx w1000 560,000 0.44 1,260,000 w 500 140,000 0.11 1,260,000 w800 224,000 0.18 1,260,000 w1200 336,000 0.27 1,260,000 นาหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ ตัวอย่างการคานวณนาหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ ตัวอย่ างการคานวณ MW Chain structure of polymer จำนวนโมเลกุล MW (g/mol) 8 12 10 20,000 80,000 100,000 ตัวอย่างการคานวณนาหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ เฉลยการหา M n จาก 8 20,000 12 80,000 10 100,000 Mn (8 12 10) 2,120,000 30 70,667 g/mol ตัวอย่างการคานวณนาหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ เฉลยการหา จาก เมือ่ จำนวนโมเลกุล MW (g/mol) 8 12 10 20,000 80,000 100,000 ตัวอย่างการคานวณนาหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ เฉลยการหา M w จำนวน โมเลกุล MW (g/mol) Wx 8 12 10 20,000 80,000 100,000 160,000 960,000 1,000,000 160,000 20,000 960,000 80,000 1,000,000 100,000 160,000 960,000 1,000,000 84,906 g/mol Moleucular Weight Distribution • MW > Mn • การกระจายนา้ หนักโมเลกุล, MWD = (MW / Mn) • MWD = Molecular Weight Distribution • MWD ≥ 1 • MWD = 1, MW = Mn References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. ประวัตก ิ ารผลิตพอลิเมอร์ทม ี่ ีความสาคัญทางการค้า Date Polymer 1930 Styrene-butadiene rubber 1936 Poly(vinyl chloride) 1936 Polychloroprene(neoprene) 1936 Poly(methyl methacrylate) 1936 Poly(vinyl acetate) 1937 Polystyrene 1939 Nylon-6 6 1941 Polytetrafluoroethylene 1942 Unsaturated polyester 1943 Polyethylene, branched 1943 Buthyl rubber 1943 6-Nylon Date 1943 1944 1947 1948 1955 1956 1957 1957 1964 1965 1970 1970 Polymer Silicones Poly(ethylene terephthalate) Epoxies ABS resins Polyethylene, linear Polyoxymethylene Polypropylene Polycarbonate Ionomer resins Polyimides Thermoplastic elastomers Aromatic polyamides การจาแนกประเภท (Classification) Polymer Classification Original Occurring Thermal Behavior Tacticity Crystallinity Natural-/BioPolymer Thermoplas tics Isotactic Crystalline Polymers Synthetic Polymers Thermosets Syndiotactic Semicrystalline Polymers Atactic Amorphous Polymers Application Commodity Polymers Engineering Polymers การจาแนกประเภท (Classification) พอลิเมอร์ ชีวภาพ (Naturalและพอลิเมอร์ สังเคราะห์ (Synthetic Original Occurring: /Bio- polymer) Polymers) เทอร์ โมพลาสติก และเทอร์ โมเซต (Thermosets) Thermal Behavior: (Thermoplastics) Tacticity: Isotactic, Syndiotactic and Atactic การจาแนกประเภท (Classification) Crystallinity : พอลิเมอร์ ผลึก (Crystalline Polymers), พอลิเมอร์ กงึ่ ผลึก (Semicrystalline Polymers), และ พอลิเมอร์ อสั ณฐาน (Amorphous Polymers) Application : Commodity Polymers ( PE, PP, PVC etc.) และ Engineering Polymers ( PET, PC, Nylons, Epoxy etc.) การจาแนกประเภท (Classification) พอลิเมอร์ ชีวภาพ (Natural-/Bio-polymer) o Natural-rubber (Polyisoprene) o Cellulose (polysaccharide) • พอลิเมอร์ สังเคราะห์ (Synthetic Polymers) o PE, PP, PS, PVC, PMMA, PET, Nylon o Epoxy, Melamine, Phenolic Epoxy, Melamine, Phenolic References: William D. Callister, Jr, Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, 2001. แบ่ งตามพฤติกรรมทางความร้ อน (Thermal behavior) แบ่ งได้ เป็ น 2 ประเภท 1. เทอร์ โมพลาสติก (Thermoplastics) Solid Polymer Δ (Heating) Liquid Polymer Cooling Solid Polymer Ex. Thermoplastics Polyethylene Polystyrene Poly(vinyl chloride) Polypropylene Polycarbonate etc. แบ่ งตามพฤติกรรมทางความร้ อน (Thermal behavior) 2. เทอร์ โมเซต (Thermosets): พอลิเมอร์ ทผี่ ่ านกระบวนการเคียวริ งค์ และได้ โครงสร้ างโมเลกุลทีเ่ ป็ นร่ างแห (crosslinked structure) ซึ่งไม่ หลอมละลาย (infusible) เมือ ่ ได้ รับความร้ อน และ ไม่ ละลาย (insoluble) ในตัวทาละลายใด ๆ (curing) Ex. Thermosets Phenolic resin Malamine resin Epoxy resin Unsaturated Polyester resin Rubber etc. Crosslinked structure Δ (Heating) Infusible Tacticity Name Arrangement Tacticity of Polypropylene Tacticity of polystyrene แบ่ งตามความเป็ นผลึก (Crystallinity) แบ่งออกเป็น 3 ประเภท 1.พอลิเมอร์ ผลึก (Crystalline Polymers) 2.พอลิเมอร์ กงึ่ ผลึก (Semicrystalline Polymers) 3.พอลิเมอร์ อสั ณฐาน (Amorphous Polymers): PS 1. พอลิเมอร์ ผลึก (Crystalline Polymers) Crystalline Polymers 2. พอลิเมอร์ กงึ่ ผลึก (Semicrystalline Polymers) Semicrystalline Polymers 3. พอลิเมอร์ อสั ณฐาน (Amorphous Polymers) Polystyrene แบ่ งตามการใช้ งาน (Application) แบ่ งได้ เป็ น 2 ประเภท 1. Commodity Application: PE, PP, PS, แบ่ งตามการใช้ งาน (Application) 2. Engineering Application: PC, POM