431101 Engineering Materials Part: Polymeric Materials ผศ. ดร. วิมลลักษณ์ สุตะพันธ์ ผศ. ดร. กษมา จารุกาจร Trimester 1/2552

Download Report

Transcript 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
 (2028,000)  (1014,000)  (1022,400)  (1033,600)
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