การพัฒนาและคุณสมบัติของพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษ

I. คำจำกัดความของพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษ

พลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษเป็นสาขาสำคัญของอุตสาหกรรมพลาสติก โดยเป็นพลาสติกวิศวกรรมประเภทหนึ่งที่มีประสิทธิภาพโดยรวมสูงและมีอุณหภูมิการใช้งานระยะยาว 150°C หรือสูงกว่า ตัวอย่าง ได้แก่ โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS), โพลีอิไมด์ (PI), โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK), โพลีเมอร์ผลึกเหลว (LCP) และโพลีซัลโฟน (PSU) พลาสติกเหล่านี้มีแกนหลักที่แข็งแกร่ง มีจุดหลอมเหลวสูง และการจัดเรียงสายโซ่โมเลกุลที่เป็นระเบียบ ซึ่งแสดงความเสถียรที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง พลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษสามารถตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพเฉพาะ เช่น ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และความต้านทานการสึกหรอ และยังใช้ในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุฉนวน อุปกรณ์แปรรูปทางเคมี และชิ้นส่วนเครื่องยนต์ของยานยนต์ เนื่องจากมีการค้นพบการใช้งานขั้นปลายใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง พลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษจึงกลายเป็นจุดสนใจในอุตสาหกรรมต่างๆ

II. การจำแนกประเภทของพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษ

เกณฑ์การจำแนกประเภทหลักสำหรับอุตสาหกรรมพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษ ได้แก่ ประเภทวัสดุ คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ และพื้นที่การใช้งาน:

1. โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS): มีคุณสมบัติทนความร้อน ทนต่อสารเคมี และความเป็นฉนวนไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์แปรรูปทางเคมี

2. โพลีอิไมด์ (PI): ด้วยความเสถียรที่อุณหภูมิสูง ทนต่อสารเคมี และความแข็งแรงทางกลที่โดดเด่น จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูงสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์ และยานยนต์

3. โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK): มีเสถียรภาพในอุณหภูมิสูง ทนทานต่อสารเคมี และคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุปกรณ์การแพทย์ และปิโตรเคมี

4. โพลีเมอร์ผลึกเหลว (LCP): ด้วยความคงตัวของขนาดที่ดีเยี่ยม แรงเสียดทานต่ำ และลักษณะความถี่สูง จึงมักใช้ในการผลิตวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบขนาดเล็ก

5. โพลีซัลโฟน (PSU): มีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิ ทนต่อการกัดกร่อน และความเป็นฉนวนไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เคมี ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

III.ความเป็นมาของการวิจัยและพัฒนาพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษ

การพัฒนาพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษได้รับแรงผลักดันจากความต้องการวัสดุประสิทธิภาพสูง ซึ่งได้รับแรงกระตุ้นจากการแข่งขันทางอาวุธระหว่างประเทศในขณะนั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้องการการใช้งานในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูง ในเวลานั้น บริษัทใหญ่ ๆ ในยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้ลงทุนทางการเงินและทรัพยากรมนุษย์จำนวนมากเพื่อแข่งขันเพื่อพัฒนาวัสดุเหล่านี้ ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1960 ถึง 1980 วัสดุเหล่านี้ได้รับมาตรฐานส่วนใหญ่ ต่อไปนี้เป็นพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษหลายประเภท:

01

โพลีอิไมด์ (PI)

Polyimide (PI) ได้รับการพัฒนาและจำหน่ายครั้งแรกโดย DuPont ในสหรัฐอเมริกาภายใต้ชื่อแบรนด์ Kapton เป็นโพลีเมอร์อสัณฐานที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) สูงกว่า 400°C PI เป็นพอลิเมอร์เฮเทอโรไซคลิกอะโรมาติกที่มีวงแหวนอิไมด์ (-CO-NH-CO-) อยู่ในสายโซ่หลัก มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น ฉนวนไฟฟ้า ความแข็งแรงทางกล ความเสถียรทางเคมี ความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพ ความต้านทานต่อรังสี และการสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ นอกจากนี้ คุณสมบัติเหล่านี้ส่วนใหญ่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงอุณหภูมิ -269 ถึง 400°C ปัจจุบันเป็นวัสดุโพลีเมอร์ทนความร้อนมากที่สุดในการผลิตภาคอุตสาหกรรม ดังนั้นจึงได้รับการจัดอันดับให้เป็น “หนึ่งในพลาสติกวิศวกรรมที่มีแนวโน้มมากที่สุดแห่งศตวรรษที่ 21” สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำ PI คือ:

02

โพลีอะไมด์อิไมด์ (PAI)

Polyamideimide (PAI) ซึ่งพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย Toray Industries, Inc. ของญี่ปุ่นภายใต้ชื่อแบรนด์ Torlon เป็นโพลีเมอร์ที่ไม่มีรูปร่างและไม่ใช่เทอร์โมพลาสติก โดยมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) อยู่ที่ 285°C PAI คือคลาสของโพลีเมอร์ซึ่งมีวงแหวนอิไมด์และพันธะเอไมด์จัดเรียงอยู่ในรูปแบบสลับกันปกติ ความแข็งแกร่งของมันไม่มีใครเทียบได้กับพลาสติกอุตสาหกรรมที่ไม่มีการเสริมแรงใดๆ ในโลกปัจจุบัน โดยแสดงคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าที่อุณหภูมิ 250°C โดยมีอุณหภูมิการโก่งตัวของความร้อนที่ 269°C ความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานต่อสารเคมี และความต้านทานต่อการแผ่รังสีพลังงานสูงของ PAI ทำให้ประสิทธิภาพโดดเด่นยิ่งขึ้น ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำ PAI คือ:

03

โพลีเอเทอร์อิไมด์ (PEI)

Polyetherimide (PEI) ได้รับการวิจัยและพัฒนาโดย GE ในสหรัฐอเมริกาครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1970 หลังจากการผลิตและการทดสอบนำร่องเป็นเวลา 10 ปี ก็ได้มีการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในช่วงทศวรรษปี 1980 ภายใต้ชื่อแบรนด์ ULTEM เป็นโพลีเมอร์อสัณฐานที่มี Tg 217°C ต่างจากวัสดุสองชนิดแรกตรงที่เป็นเทอร์โมพลาสติกโพลีอิไมด์ที่สามารถแปรรูปได้โดยใช้เทคนิคเทอร์โมพลาสติก เช่น การอัดขึ้นรูปและการฉีดขึ้นรูป โดยทั่วไป PEI จะโปร่งใสโดยมีสีเหลืองอำพัน มีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง คุณสมบัติทางกล ความเสถียรทางเคมี และคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ลักษณะสำคัญ ได้แก่ อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง การรักษาความแข็งแรงได้ถึง 200°C (390°F) ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันจากความร้อนในระยะยาว คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี และความต้านทานต่อสารเคมีโดยธรรมชาติและสารหน่วงไฟ PEI ยังคงคุณสมบัติไว้แม้จะสัมผัสกับไอน้ำและน้ำร้อนเป็นเวลานาน ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์แปรรูปอาหารและการใช้งานทางการแพทย์ที่ต้องการการทำความสะอาดหรือการฆ่าเชื้ออย่างหนัก สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำใน PEI คือ:

04

โพลีซัลโฟน (ม.อ.)

โพลีซัลโฟน (PSU) ได้รับการพัฒนาและจำหน่ายโดย United Carbides Corporation (UCC) ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ภายใต้ชื่อแบรนด์ UDEL เป็นโพลีเมอร์อสัณฐานที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) อยู่ที่ 192°C ในปี พ.ศ. 2529 UCC ได้โอนสิทธิ์การผลิตและจำหน่ายโพลีซัลโฟนให้กับ Amoco สายโซ่หลักของมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ประกอบด้วยวงแหวนเบนซีน และอะตอมของกำมะถันในกลุ่ม -SO₂- มีสถานะออกซิเดชันสูงสุด ดังนั้นจึงแสดงความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน คุณสมบัติทางกล และความเสถียรทางความร้อนได้ดี ในขณะที่การมีพันธะอีเทอร์ทำให้มีความเหนียวในระดับหนึ่ง มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์มีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมไฟฟ้า ในด้านการแพทย์ โดยทั่วไปมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์มักใช้ในการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องฟอกไต เนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีและทนทานต่อการฆ่าเชื้อ ในภาคการแปรรูปอาหาร ม.อ. สามารถใช้ในการผลิตอุปกรณ์ทนอุณหภูมิสูงบางชนิดได้ นอกจากนี้ ม.อ. ยังมีการใช้งานบางอย่างในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและอิเล็กทรอนิกส์ ปัจจุบันมีโพลีซัลโฟนเรซินที่มีจำหน่ายในท้องตลาดและค่อนข้างโตเต็มที่สามประเภท ได้แก่ โพลีซัลโฟนชนิด Bisphenol A (PSU), โพลีฟีนิลซัลโฟน (PPSU) และโพลีเอเทอร์ซัลโฟน (PES) สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำของ PSU คือ:

05

โพลีเอเทอร์ซัลโฟน (PES)

Polyethersulfone (PES) ประสบความสำเร็จในการพัฒนาและจำหน่ายโดยบริษัท ICI ของอังกฤษในปี 1970 ขายภายใต้ชื่อทางการค้า PES เป็นโพลีเมอร์อสัณฐานที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) อยู่ที่ 225°C โครงสร้างโมเลกุลของ PES ไม่มีหน่วยอะลิฟาติกไฮโดรคาร์บอนซึ่งมีความเสถียรทางความร้อนต่ำ และไม่มีหน่วยไบฟีนิลแบบแข็ง ประกอบด้วยหมู่ซัลโฟน หมู่อีเทอร์ และหมู่ฟีนิลเป็นหลัก หมู่ซัลโฟนให้ความต้านทานความร้อน ในขณะที่หมู่อีเทอร์ทำให้โซ่โพลีเมอร์มีความลื่นไหลได้ดีในสถานะหลอมเหลว ช่วยให้การขึ้นรูปและการแปรรูปสะดวกยิ่งขึ้น PES มีคุณสมบัติทนความร้อนดีเยี่ยม คุณสมบัติทางกายภาพและทางกล และคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า สามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงและรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงในสภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ทนต่อการกัดกร่อนด้วยสารเคมีส่วนใหญ่ โพลีเอเทอร์ซัลโฟนไม่ได้รับการไฮโดรไลซิสในน้ำ แต่การดูดซับความชื้นเล็กน้อยอาจทำให้เกิดการแข็งตัวของพลาสติกเล็กน้อย ส่งผลให้คุณสมบัติทางกลเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย นอกจากนี้ โพลีเอเทอร์ซัลโฟนยังดับไฟได้เองและมีความต้านทานเปลวไฟได้ดีเยี่ยมโดยไม่ต้องเติมสารหน่วงการติดไฟใดๆ PES ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ไฟฟ้า เครื่องกล ยานยนต์ อุปกรณ์การแพทย์ และน้ำร้อน ได้รับการยอมรับว่าเป็นพลาสติกวิศวกรรมที่ผสมผสานอุณหภูมิการโก่งตัวของความร้อนสูง แรงกระแทกสูง และความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีเยี่ยม สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำของ PES คือ:

06

โพลีอะไรเลท (PAR)

Polyarylate (PAR) เป็นคำทั่วไปสำหรับกลุ่มผลิตภัณฑ์โพลีเอสเตอร์อะโรมาติก ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวชิ้นแรกที่ได้รับการพัฒนาและจำหน่ายอย่างประสบความสำเร็จนั้นถูกสร้างขึ้นโดยบริษัทญี่ปุ่น UNITIKA ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ภายใต้ชื่อทางการค้า U-polymer มันเป็นพอลิเมอร์อสัณฐาน โดยเฉพาะ U-100 มี Tg อยู่ที่ 193°C PAR เป็นพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษที่มีวงแหวนเบนซีนและกลุ่มเอสเทอร์อยู่บนสายโซ่หลัก วงแหวนอะโรมาติกที่มีความหนาแน่นสูงในโซ่หลักช่วยเพิ่มความต้านทานความร้อน โดยมีอุณหภูมิการเบี่ยงเบนความร้อนที่ 175°C การมีอยู่ของยูนิตวงแหวนพาราและเมตาเบนซีนในสายโซ่หลักจะยับยั้งการตกผลึกของโพลีเมอร์ ส่งผลให้โพลีเมอร์โปร่งใสไม่มีรูปร่าง ความโปร่งใสเทียบเท่ากับ PC และ PMMA โดยมีการส่งผ่านแสงเกือบ 90% มันแสดงความยืดหยุ่นในการดัดงอที่ดีและต้านทานการคืบคลานที่ดีเยี่ยมในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง มีความทนทานต่อสภาพอากาศดีเยี่ยม ปิดกั้นรังสียูวีที่ต่ำกว่า 350 นาโนเมตร และรักษาคุณสมบัติทางกลไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาพกลางแจ้งในระยะยาว ดับไฟได้เอง ทำให้เกิดควันน้อยที่สุดเมื่อเผาไหม้ และไม่เป็นพิษ PAR เป็นวัสดุโพลีเมอร์ที่ทนความร้อนได้ดีเยี่ยม สูตรโครงสร้างและวิธีการสังเคราะห์จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการใช้งาน สามารถใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง รวมถึงส่วนประกอบและชิ้นส่วนสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและยานยนต์ และยังมักใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์อีกด้วย การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมต่างๆ แสดงให้เห็นถึงคุณค่าที่สำคัญในฐานะพลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษ สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำของ PAR คือ:

07

โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS)

โพลีเฟนิลีนซัลไฟด์ (PPS) ได้รับการพัฒนาและจำหน่ายครั้งแรกในปี 1970 โดย Philips ในสหรัฐอเมริกาภายใต้ชื่อแบรนด์ Ryton เป็นโพลีเมอร์ผลึกที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) 88°C และจุดหลอมเหลว (Tm) 277°C PPS ประกอบด้วยการจัดเรียงสลับกันของวงแหวนเบนซีนและอะตอมของกำมะถัน ทำให้มีโครงสร้างสม่ำเสมอและมีความเป็นผลึกสูง สูงถึง 75% โดยมีจุดหลอมเหลวสูงถึง 285°C วงแหวนเบนซีนช่วยให้ PPS มีความแข็งแกร่งและทนความร้อนได้ดี ในขณะที่พันธะซัลไฟด์ให้ความยืดหยุ่นในระดับหนึ่ง PPS มีความต้านทานความร้อน การหน่วงไฟ ความเป็นฉนวนไฟฟ้า และความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม คุณสมบัติที่ครอบคลุม รวมถึงความเสถียรทางความร้อน ความแข็งแรงทางกล และสมรรถนะทางไฟฟ้า ช่วยให้ทนต่ออุณหภูมิที่สูงถึง 220°C ในระยะยาว เป็นผลให้ PPS ได้รับการยกย่องว่าเป็น "พลาสติกวิศวกรรมที่ใหญ่เป็นอันดับหกของโลก" ตามหลังโพลีคาร์บอเนต (PC) โพลีเอสเตอร์ (PET) โพลีออกซีเมทิลีน (POM) ไนลอน (PA) และโพลีฟีนิลีนออกไซด์ (PPO) สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำใน PPS คือ:

08

โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK)

Polyetheretherketone (PEEK) ได้รับการพัฒนาและจำหน่ายอย่างประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกในปี 1970 โดยบริษัท ICI ของอังกฤษ ICI ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ PEEK และเริ่มทำการตลาดในปี 1978 และจำหน่ายภายใต้แบรนด์ Victrex นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ชื่อทางการค้าคือ PEEK เป็นโพลีเมอร์ผลึกที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) 143°C และ Tm = 334°C PEEK เป็นเทอร์โมพลาสติกโพลีเมอร์อุณหภูมิสูงพิเศษแบบผลึกที่ประกอบด้วยหน่วยทำซ้ำที่มีพันธะคีโตนหนึ่งพันธะและพันธะอีเทอร์สองพันธะในโครงสร้างสายโซ่หลัก โครงสร้างโมเลกุลของโพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตนประกอบด้วยวงแหวนเบนซีนที่แข็ง ทำให้มีสมรรถนะที่อุณหภูมิสูง คุณสมบัติทางกล ความเป็นฉนวนไฟฟ้า การหน่วงไฟ ความต้านทานรังสี และความทนทานต่อสารเคมีได้ดีเยี่ยม PEEK มีจุดหลอมเหลว (Tm) สูงถึง 340°C; จุดหลอมเหลวที่สูงนี้ทำให้ PEEK ทนต่ออุณหภูมิสูงได้โดดเด่น อุณหภูมิการโก่งตัวของความร้อนของ PEEK ที่เสริมด้วยเส้นใยสามารถสูงถึง 315°C ในขณะที่อุณหภูมิการบริการต่อเนื่องระยะยาว (UL946B) สูงถึง 260°C และความต้านทานความร้อนในระยะสั้นขยายได้ถึง 300°C แม้หลังจากใช้งานที่อุณหภูมิ 260°C ไปแล้ว 5,000 ชั่วโมง ความแข็งแรงยังคงไม่เปลี่ยนแปลงจากสถานะเริ่มแรก และยังมีความเสถียรทางความร้อนที่ดีเยี่ยม ด้วยเหตุนี้ PEEK จึงมีอายุการใช้งานยาวนานในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย สูตรโครงสร้างของหน่วยการทำซ้ำใน PEEK คือ: