วัลคาไนเซชัน
 |
วัลคาไนเซชัน หรือ การวัลคาไนซ์ (อังกฤษ: vulcanization/vulcanisation) คือกระบวนการต่าง ๆ ที่ใช้สำหรับทำให้ยางแข็งตัว[1] ในระยะแรกเริ่ม คำนี้หมายถึงการปรับปรุงคุณภาพยางธรรมชาติด้วยกำมะถันและความร้อน ซึ่งยังคงเป็นวิธีที่แพร่หลายที่สุด นอกจากนี้ ความหมายของคำดังกล่าวยังขยายครอบคลุมถึงการทำให้ยางสังเคราะห์ชนิดอื่นแข็งตัวด้วยวิธีการต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น การผลิตยางซิลิโคนผ่านวัลคาไนเซชันที่อุณหภูมิห้องและการผลิตยางคลอโรพรีน (นีโอพรีน) โดยใช้โลหะออกไซด์
วัลคาไนเซชันอาจนิยามได้ว่าเป็นการคงรูปของอีลาสโตเมอร์ ซึ่งบางครั้งใช้คำว่า "วัลคาไนเซชัน" และ "การคงรูป" แทนกันได้ กระบวนการนี้ทำงานโดยการสร้างพันธะเชื่อมข้ามระหว่างส่วนต่าง ๆ ของโซ่พอลิเมอร์ ส่งผลให้วัสดุมีความแข็งเกร็งและความทนทานเพิ่มขึ้น รวมถึงเกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้าอื่น ๆ[2] เช่นเดียวกับการคงรูปของพอลิเมอร์ประเภทเทอร์มอเซตชนิดอื่น โดยทั่วไปวัลคาไนเซชันไม่สามารถผันกลับได้
วิลเลียม บร็อกเคดอน (William Brockedon) เพื่อนของทอมัส แฮนค็อก (Thomas Hancock) ผู้ได้รับสิทธิบัตรของกระบวนการนี้ในสหราชอาณาจักร เป็นผู้เสนอศัพท์นี้ โดยมีที่มาจากเทพวัลแคนผู้เกี่ยวข้องกับความร้อนและกำมะถันในภูเขาไฟ[3]
ประวัติศาสตร์
[แก้]-Ball.jpg)
ในวัฒนธรรมมีโซอเมริกาโบราณ ชาวบ้านใช้ยางทำลูกบอล พื้นรองเท้าแตะ แถบยางยืด และภาชนะกันน้ำ[4] ยางดังกล่าวคงรูปด้วยน้ำยางจากพืชที่อุดมไปด้วยกำมะถัน ซึ่งถือเป็นรูปแบบแรกเริ่มของวัลคาไนเซชัน[5]
ในทศวรรษ 1830 ชาลส์ กู๊ดเยียร์ (Charles Goodyear) พยายามคิดค้นกระบวนการเพิ่มความแข็งแรงให้ยางรถยนต์ ยางรถยนต์ในยุคนั้นจะอ่อนตัวและเหนียวเหนอะหนะเมื่อถูกความร้อน ส่งผลให้สิ่งสกปรกบนท้องถนนสะสมอยู่บนผิวยาง กู๊ดเยียร์ทดลองให้ความร้อนแก่ยางเพื่อผสมสารเคมีอื่น ๆ เข้าไปด้วย ซึ่งวิธีนี้ดูเหมือนจะทำให้ยางแข็งตัวและมีคุณภาพดีขึ้น ทั้งที่ความจริงแล้วเกิดจากการได้รับความร้อนโดยตรง ไม่ใช่เพราะสารเคมีที่นำมาใช้ กู๊ดเยียร์ไม่ทันตระหนักถึงข้อนี้ จึงประสบปัญหาซ้ำแล้วซ้ำเล่าเนื่องจากสูตรการทำให้ยางแข็งตัวที่เขาประกาศไว้นั้นทำงานได้ไม่สม่ำเสมอ จนกระทั่งวันหนึ่งใน ค.ศ. 1839 ระหว่างที่พยายามผสมยางเข้ากับกำมะถัน กู๊ดเยียร์ทำส่วนผสมดังกล่าวหล่นใส่กระทะที่ร้อนจัดโดยอุบัติเหตุ เขาต้องประหลาดใจอย่างมากที่ยางนั้นยังคงรูปอยู่ได้แทนที่จะละลายเหลวหรือระเหยไป และเมื่อเขาเพิ่มความร้อน ยางก็ยิ่งแข็งตัวมากขึ้น กู๊ดเยียร์จึงพัฒนาวิธีกระบวนการทำให้ยางแข็งตัวนี้จนได้ระบบที่เสถียร และจดสิทธิบัตรกระบวนการดังกล่าวใน ค.ศ. 1844 พร้อมทั้งผลิตยางในระดับสาหกรรม[6]
วันที่ 21 พฤศจิกายน ค.ศ. 1843 ทอมัส แฮนค็อก นักประดิษฐ์ชาวบริติช ได้จดสิทธิบัตรการวัลคาไนซ์ยางโดยกำมะถัน ซึ่งเกิดขึ้นก่อนที่กู๊ดเยียร์ จะจดสิทธิบัตรแบบเดียวกันในสหรัฐเป็นเวลาแปดสัปดาห์ (30 มกราคม ค.ศ. 1844) ทั้งนี้ ข้อเท็จจริงยังคงเป็นที่ถกเถียงว่าสิทธิบัตรของแฮนค็อกได้รับข้อมูลมาจากการตรวจสอบตัวอย่างยางอเมริกันของกู๊ดเยียร์หรือไม่ และการตรวจสอบตัวอย่างดังกล่าวจะให้ข้อมูลที่เพียงพอต่อการลอกเลียนกระบวนการของกู๊ดเยียร์ได้จริงหรือไม่[7]
การใช้งาน
[แก้]วัสดุที่ผ่านการวัลคาไนซ์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตัวอย่างเช่น สายยาง พื้นรองเท้า ของเล่น ยางลบ ลูกฮอกกี้ ตัวหน่วงการสั่นสะเทือน สายพานลำเลียง[8] ฐานรอง/ตัวลดแรงสั่นสะเทือน ฉนวน ยางรถยนต์ และลูกโบว์ลิง[9] ผลิตภัณฑ์ยางส่วนใหญ่ต้องผ่านการวัลคาไนซ์เนื่องจากช่วยยืดอายุการใช้งาน เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน และเสริมความแข็งแรงได้อย่างมาก
ภาพรวม
[แก้]กระบวนการวัลคาไนเซชันไม่สามารถผันกลับได้เช่นเดียวกับการคงรูปของพอลิเมอร์ประเภทเทอร์มอเซตชนิดอื่น ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการของเทอร์มอพลาสติก (กระบวนการหลอมเหลวและเยือกแข็งอันเป็นลักษณะพฤติกรรมของพอลิเมอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่) ระบบการคงรูปที่นิยมใช้กันทั่วไปมี 5 ประเภท ดังนี้:
- ระบบกำมะถัน
- เพอร์ออกไซด์
- โลหะออกไซด์
- อะซีทอกซีไซเลน
- สารเชื่อมข้ามยูรีเทน
การวัลคาไนซ์ด้วยกำมะถัน
[แก้]
วิธีวัลคาไนซ์ที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดอาศัยกำมะถันเป็นหลัก ลำพังเพียงกำมะถันอย่างเดียวจัดเป็นสารวัลคาไนซ์ที่ทำงานช้า และไม่ทำให้พอลิโอเลฟินสังเคราะห์เกิดการวัลคาไนซ์ การวัลคาไนซ์แบบเร่งปฏิกิริยาจึงต้องทำโดยใช้สารประกอบต่าง ๆ เข้ามาช่วยปรับเปลี่ยนจลนศาสตร์ของการสร้างพันธะเชื่อมข้าม[10] ซึ่งสารผสมนี้มักเรียกว่าสารคงรูปยาง (cure package) พอลิเมอร์หลัก ๆ ที่ต้องผ่านการวัลคาไนซ์ด้วยกำมะถันคือพอลิไอโซพรีน (ยางธรรมชาติ) และยางสไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR) ซึ่งใช้ผลิตยางรถยนต์บนท้องถนนเป็นส่วนใหญ่ สารคงรูปยางจะได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมกับสารตั้งต้นและลักษณะการใช้งานโดยเฉพาะ บริเวณที่เกิดปฏิกิริยาหรือตำแหน่งคงรูปยางคืออะตอมของไฮโดรเจนที่อยู่ในตำแหน่งแอลลิล (allylic hydrogen atoms) ซึ่งพันธะคาร์บอนกับไฮโดรเจนเหล่านี้อยู่ติดกับพันธะคู่ระหว่างคาร์บอนกับคาร์บอน (>C=C<) ระหว่างการวัลคาไนซ์ พันธะคาร์บอนกับไฮโดรเจนบางส่วนจะถูกแทนที่ด้วยโซ่อะตอมกำมะถันที่เชื่อมต่อกับตำแหน่งคงรูปยางของโซ่พอลิเมอร์อีกเส้นหนึ่ง สะพานเชื่อมเหล่านี้ประกอบด้วยอะตอมกำมะถันตั้งแต่หนึ่งอะตอมไปจนถึงหลายอะตอม จำนวนของอะตอมกำมะถันในพันธะเชื่อมข้ามส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อคุณสมบัติทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ยางขั้นสุดท้าย พันธะเชื่อมข้ามที่สั้นจะช่วยให้ยางทนทานต่อความร้อนได้ดีกว่า ส่วนพันธะเชื่อมข้ามที่มีจำนวนอะตอมกำมะถันมากกว่าจะช่วยให้ยางมีคุณสมบัติทางพลศาสตร์ที่ดี แต่ความทนทานต่อความร้อนจะลดลง คุณสมบัติทางพลศาสตร์มีความสำคัญต่อการเคลื่อนไหวหรือการบิดงอของผลิตภัณฑ์ยาง เช่น การเคลื่อนไหวของแก้มยางรถยนต์ขณะแล่น หากปราศจากคุณสมบัติการบิดงอที่ดี การเคลื่อนไหวเหล่านี้จะทำให้เกิดรอยแตกได้อย่างรวดเร็ว และส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ยางชำรุดเสียหายในที่สุด
วัลคาไนเซชันของพอลิคลอโรพรีน
[แก้]วัลคาไนเซชันของนีโอพรีนหรือยางพอลิคลอโรพรีน (ยางซีอาร์) ทำโดยใช้โลหะออกไซด์ (โดยเฉพาะ MgO และ ZnO บางครั้งใช้ Pb3O4) แทนการใช้สารประกอบกำมะถันที่นิยมใช้กับยางธรรมชาติและยางสังเคราะห์หลายชนิดในปัจจุบัน นอกจากนี้ ปัจจัยด้านกระบวนการผลิตต่าง ๆ (โดยเฉพาะอาการยางสุกก่อนกำหนดหรือสกอร์ช ซึ่งเกิดจากการสร้างพันธะเชื่อมข้ามก่อนเวลาอันควรของยางเนื่องจากผลของความร้อน) ส่งผลให้การเลือกสารเร่งปฏิกิริยาต้องใช้หลักเกณฑ์ที่แตกต่างจากยางไดอีนชนิดอื่น สารเร่งปฏิกิริยาทั่วไปที่ใช้กันส่วนใหญ่มักก่อให้เกิดปัญหาเมื่อนำมาใช้คงรูปยางซีอาร์และพบว่าสารเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดคือเอทิลีนทิโอยูเรีย (อีทียู) ซึ่งแม้จะเป็นสารเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงและผ่านการพิสูจน์แล้วสำหรับพอลิคลอโรพรีน แต่สารดังกล่าวจัดอยู่ในกลุ่มสารที่มีพิษต่อระบบสืบพันธุ์ ช่วงระหว่าง ค.ศ. 2010 ถึง 2013 อุตสาหกรรมยางในยุโรปจึงจัดทำโครงการวิจัยชื่อเซฟรับเบอร์ (SafeRubber) เพื่อพัฒนาสารทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าทดแทนการใช้สารอีทียู[11]
วัลคาไนเซชันของซิลิโคน
[แก้]
ซิลิโคนวัลคาไนเซชันที่อุณหภูมิห้อง (อาร์ทีวี) ผลิตขึ้นจากพอลิเมอร์พื้นฐานที่เป็นน้ำมันซึ่งมีหมู่ฟังก์ชันไวต่อปฏิกิริยา ผสมร่วมกับสารเติมแต่งประเภทแร่ธาตุเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ซิลิโคนวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิห้องแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้:
- RTV-1 (ระบบส่วนประกอบเดี่ยว) แข็งตัวด้วยการทำงานของความชื้นในบรรยากาศ สารเร่งปฏิกิริยา และอะซีทอกซีไซเลน โดยอะซีทอกซีไซเลนจะแปรสภาพเป็นกรดน้ำส้มเมื่อสัมผัสกับสภาวะที่มีความชื้น[12] กระบวนการคงรูปจะเริ่มต้นจากพื้นผิวภายนอกแล้วค่อย ๆ ลามเข้าไปจนถึงแกนกลาง ผลิตภัณฑ์นี้บรรจุในหลอดอัดสุญญากาศ มีทั้งรูปแบบที่เป็นของเหลวและแบบเนื้อครีมข้น ซิลิโคน RTV-1 มีลักษณะเด่นด้านการยึดเกาะ ความยืดหยุ่น และความทนทานที่ดี ความแข็งชอร์ (Shore hardness) สามารถปรับเปลี่ยนได้ระหว่าง 18 ถึง 60 และมีระยะยืดเมื่อขาดอยู่ระหว่าง 150% ถึง 700% นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติต้านทานการเสื่อมสภาพอย่างดีเยี่ยม เนื่องจากสามารถทนทานต่อรังสีอัลตราไวโอเลตและสภาพอากาศได้อย่างเหนือชั้น
- RTV-2 (ระบบสองส่วนประกอบ) เป็นผลิตภัณฑ์ประเภทสองส่วนประกอบ ซึ่งเมื่อนำมาผสมกันจะคงรูปที่อุณหภูมิห้องจนกลายเป็นอีลาสโตเมอร์ที่มีสถานะเป็นของแข็ง เจล หรือโฟมยืดหยุ่น ซิลิโคน RTV-2 ยังคงความยืดหยุ่นได้ในอุณหภูมิตั้งแต่ −80 ถึง 250 °C (−112 ถึง 482 °F). และจะเกิดการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 350 °C (662 °F) โดยจะเหลือเพียงคราบซิลิกาเฉื่อยที่ไม่ติดไฟและไม่เกิดการลุกไหม้ ผลิตภัณฑ์นี้สามารถนำไปใช้เป็นฉนวนไฟฟ้าได้เนื่องจากมีคุณสมบัติไดอิเล็กทริก ส่วนคุณสมบัติทางกลอยู่ในระดับที่น่าพอใจ ซิลิโคน RTV-2 นิยมนำไปใช้ผลิตแม่พิมพ์ที่มีความยืดหยุ่น ตลอดจนชิ้นส่วนทางเทคนิคต่าง ๆ สำหรับภาคอุตสาหกรรมและพาราเมดิคัล
อ้างอิง
[แก้]- ↑ Akiba, M (1997). "Vulcanisation and crosslinking in elastomers". Progress in Polymer Science. 22 (3): 475–521. doi:10.1016/S0079-6700(96)00015-9.
- ↑ James E. Mark; Burak Erman; F. R. Eirich, บ.ก. (2005). Science and Technology of Rubber. น. 768. ISBN 0-12-464786-3.
- ↑ Hancock, Thomas (1857). Personal Narrative of the Origin and Progress of the Caoutchouc Or India-Rubber Manufacture in England. London: Longman, Brown, Green, Longmans, & Roberts. น. 107.
- ↑ Tarkanian, M., & Hosler, D. (2011). America’s First Polymer Scientists: Rubber Processing, Use and Transport in Mesoamerica. Latin American Antiquity, 22(4), 469-486. doi:10.7183/1045-6635.22.4.469
- ↑ "Rubber processed in ancient Mesoamerica, MIT researchers find". News.mit.edu. 14 กรกฎาคม 1999. สืบค้นเมื่อ 25 ตุลาคม 2021.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Somma, Ann Marie (2012). "Charles Goodyear and the Vulcanization of Rubber". Connecticut History.org. สืบค้นเมื่อ กุมภาพันธ์ 26, 2026.
According to biographers, while working at the Eagle India Rubber Company, Goodyear accidentally combined rubber and sulfur upon a hot stove. Much to Goodyear's surprise, the rubber didn't melt. And, when he raised the heat, it actually hardened.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Slack, Charles (13 สิงหาคม 2003). Noble Obsession: Charles Goodyear, Thomas Hancock, and the Race to Unlock the Greatest Industrial Secret of the Nineteenth Century. Hyperion. น. 237. ISBN 978-0-7868-8856-6.
{{cite book}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ "A Guide to the Uses and Benefits of Vulcanised Rubber". Martins Rubber (ภาษาอังกฤษแบบบริติช). 2020-01-27. สืบค้นเมื่อ 2021-06-16.
- ↑ "Vulcanized Rubber" (ภาษาอังกฤษแบบอเมริกัน). เมษายน 6, 2019. สืบค้นเมื่อ 2021-06-16.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Hans-Wilhelm Engels, Herrmann-Josef Weidenhaupt, Manfred Pieroth, Werner Hofmann, Karl-Hans Menting, Thomas Mergenhagen, Ralf Schmoll, Stefan Uhrlandt “Rubber, 4. Chemicals and Additives” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2004, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a23_365.pub2
- ↑ "A Safer Alternative Replacement for Thiourea Based Accelerators in the Production Process of Chloroprene Rubber". cordis.europa.eu. สืบค้นเมื่อ 2024-04-25.
- ↑ "MSDS for red RTV-Silicone" (PDF). ข้อมูลเก่า (PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 2022-10-09. สืบค้นเมื่อ 24 มิถุนายน 2011.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์)