พอลิเมอร์เบลนด์และคอมโพสิต

การผสมพอลิเมอร์หรือการเสริมแรงด้วยเส้นใยและสารเติมเต็มเป็นการรวมจุดแข็งของวัสดุที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดระบบหลายเฟสซึ่งส่วนต่อประสานและสัณฐานวิทยาจะเป็นตัวกำหนดความสมดุลสุดท้ายของความแข็งตึง ความเหนียว และคุณสมบัติอื่นๆ

Definition

พอลิเมอร์เบลนด์คือส่วนผสมทางกายภาพของพอลิเมอร์สองชนิดขึ้นไป และพอลิเมอร์คอมโพสิตคือวัสดุที่เมทริกซ์พอลิเมอร์ได้รับการเสริมแรงด้วยเส้นใยหรืออนุภาค ทั้งสองเป็นระบบหลายเฟสซึ่งคุณสมบัติขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ สัณฐานวิทยาของเฟส และการยึดเกาะระหว่างพื้นผิว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการรวมกันทางกายภาพของพอลิเมอร์และสารเสริมแรง: สารผสมที่เข้ากันได้กับสารผสมที่เข้ากันไม่ได้และความหายากของการเข้ากันได้ สัณฐานวิทยาของเฟสและการทำให้เข้ากันได้ การเพิ่มความเหนียวของพอลิเมอร์ที่เปราะด้วยยางที่กระจายตัว และคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยและอนุภาค รวมถึงบทบาทของส่วนต่อประสานและการประมาณค่าความแข็งตึงตามกฎการผสม (rule-of-mixtures)

Core questions

• เหตุใดพอลิเมอร์ส่วนใหญ่จึงไม่เข้ากัน และสัณฐานวิทยาที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร?
• การทำให้เข้ากันได้ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของสารผสมได้อย่างไร?
• ยางที่กระจายตัวเพิ่มความเหนียวให้กับพลาสติกที่เปราะได้อย่างไร?
• รูปทรงเรขาคณิตของสารเสริมแรงและส่วนต่อประสานควบคุมความแข็งตึงและความแข็งแรงของคอมโพสิตได้อย่างไร?

Key theories

พฤติกรรมของเฟสและการทำให้เข้ากันได้ของสารผสม

เนื่องจากการผสมสายโซ่ยาวได้รับเอนโทรปีเพียงเล็กน้อย สารผสมส่วนใหญ่จึงแยกเฟสออกจากกัน ขนาดและการยึดเกาะของเฟสที่กระจายตัวจะควบคุมคุณสมบัติ และสารทำให้เข้ากันได้แบบบล็อกหรือแบบกราฟต์จะช่วยลดแรงตึงผิวระหว่างพื้นผิวและทำให้เกิดสัณฐานวิทยาที่ละเอียดและยึดเกาะได้ดี

การเสริมแรงและการถ่ายเทโหลดในคอมโพสิต

เส้นใยหรืออนุภาคที่แข็งตึงจะรับโหลดที่ถ่ายเทผ่านส่วนต่อประสานระหว่างเมทริกซ์กับสารเสริมแรง ดังนั้นความแข็งตึงของคอมโพสิตจึงเพิ่มขึ้นตามปริมาณและการวางแนวของสารเสริมแรง ในขณะที่ความเหนียวและความแข็งแรงขึ้นอยู่กับการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวและความยาวของเส้นใยเป็นสำคัญ

Mechanisms

เมื่อพอลิเมอร์สองชนิดถูกผสมหลอมเหลว เอนโทรปีของการผสมที่น้อยมักจะทำให้พวกมันไม่เข้ากัน ดังนั้นชนิดหนึ่งจึงกระจายตัวเป็นโดเมนในอีกชนิดหนึ่ง ขนาดของโดเมนและการยึดเกาะระหว่างพื้นผิว ซึ่งสามารถปรับได้ด้วยสารทำให้เข้ากันได้ จะเป็นตัวกำหนดว่าสารผสมนั้นเปราะหรือเหนียว อนุภาคยางที่กระจายตัวจะเพิ่มความเหนียวให้กับเมทริกซ์ที่เป็นแก้วโดยการเริ่มต้นและควบคุมรอยแตกเล็กๆ จำนวนมาก (crazes) หรือแถบเฉือน (shear bands) ที่ดูดซับพลังงาน ในคอมโพสิต โหลดที่ใช้จะถูกถ่ายโอนจากเมทริกซ์ที่อ่อนนุ่มไปยังเส้นใยหรืออนุภาคที่แข็งตึงผ่านส่วนต่อประสานของพวกมัน ดังนั้นโมดูลัส ปริมาตรเศษส่วน อัตราส่วนภาพ และการวางแนวของสารเสริมแรง พร้อมกับการยึดเกาะระหว่างพื้นผิว จะเป็นตัวกำหนดความแข็งตึงและความแข็งแรงโดยรวม

Clinical relevance

สารผสมและคอมโพสิตเป็นที่นิยมในการใช้งานทางวิศวกรรมเนื่องจากสามารถรวมคุณสมบัติที่พอลิเมอร์ชนิดเดียวไม่สามารถให้ได้: พลาสติกเสริมความเหนียวด้วยยาง เช่น โพลีสไตรีนทนแรงกระแทกสูง (high-impact polystyrene) และ ABS ให้ความทนทานต่อแรงกระแทก โลหะผสมพอลิเมอร์ (polymer alloys) สามารถปรับแต่งต้นทุนและประสิทธิภาพได้ และคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยให้วัสดุที่มีน้ำหนักเบา แข็งตึง และแข็งแรงสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ สินค้ากีฬา และการก่อสร้าง

History

พลาสติกเสริมความเหนียวด้วยยางเกิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ด้วยโพลีสไตรีนทนแรงกระแทกและ ABS พอลิเมอร์เบลนด์และเครือข่ายที่แทรกซึมกัน (interpenetrating networks) ได้รับการจัดระบบตั้งแต่ทศวรรษ 1970 และคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยประสิทธิภาพสูงที่ใช้เส้นใยแก้ว คาร์บอน และอะรามิดเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาเดียวกันเพื่อตอบสนองความต้องการวัสดุโครงสร้างน้ำหนักเบา

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

เหตุใดพอลิเมอร์เบลนด์ส่วนใหญ่จึงไม่เข้ากัน?

การผสมสายโซ่ยาวได้รับเอนโทรปีเพียงเล็กน้อย ดังนั้นแม้แต่ปฏิสัมพันธ์ที่ไม่พึงประสงค์เล็กน้อยก็ทำให้เกิดการแยกเฟสได้ สารผสมส่วนใหญ่จึงประกอบด้วยพอลิเมอร์หนึ่งชนิดที่กระจายตัวเป็นโดเมนภายในอีกชนิดหนึ่ง แทนที่จะก่อตัวเป็นสารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกัน

การเติมยางทำให้พลาสติกเหนียวขึ้นได้อย่างไร?

อนุภาคยางที่กระจายตัวทำหน้าที่เป็นจุดรวมความเค้นที่กระตุ้นให้เกิดรอยแตกเล็กๆ จำนวนมากที่ดูดซับพลังงาน (crazes) หรือแถบเฉือน (shear bands) แทนที่จะเป็นรอยแตกขนาดใหญ่เพียงรอยเดียว สิ่งนี้ช่วยกระจายการเสียรูปและเพิ่มความทนทานต่อแรงกระแทกได้อย่างมาก