วัสดุอุปกรณ์ต่างๆ ในชีวิตประจำวันของมนุษย์ยุคปัจจุบันล้วนเกี่ยวข้องกับ พอลิเมอร์ และมันได้แทรกเข้าไปอยู่ในทุกกิจกรรมของมนุษย์ตั้งแต่ถุงพลาสติก ไปจนถึงลิ้นหัวใจเทียมที่ช่วยให้ผู้ป่วยยังมีชีวิตต่อไปได้
พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบโมเลกุลใหญ่ที่ประกอบขึ้นจาก “มอนอเมอร์” (Monomer) หรือหน่วยเล็ก ๆ ของสารจำนวนหลายพันหลายหมื่นหน่วยที่มีลักษณะซ้ำ ๆ กันเชื่อมต่ออยู่ภายในโมเลกุลด้วยพันธะโคเวเลนต์ (Covalent Bond) โดยมอนอเมอร์แต่ละชนิดจะเชื่อมต่อกันเป็นสารขนาดใหญ่ได้ ต้องผ่านกระบวนการสร้างสารหรือปฏิกิริยาที่เรียกว่า Polymerization ภายใต้สภาวะแวดล้อมและปัจจัยต่าง ๆ เช่น ตัวเร่งการเกิดปฏิกิริยา อุณหภูมิ และความดัน เป็นต้น
แหล่งกำเนิดพอลิเมอร์
1. พอลิเมอร์จากธรรมชาติ (Natural Polymer) คือ สารประกอบที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ทั้งสารอินทรีย์ อย่างแป้ง ไกลโคเจน เซลลูโลส หรือสารอนินทรีย์ อย่างแร่ซิลิเกต หรือทรายซิลิกา
2. พอลิเมอร์จากกระบวนการสังเคราะห์ (Synthetic Polymer) คือ สารประกอบที่เกิดขึ้นจากการสังเคราะห์ของมนุษย์ผ่านปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ เช่น พลาสติก ยางสังเคราะห์ และเส้นใยสังเคราะห์ เป็นต้น
พอลิเมอร์สามารถจำแนกออกเป็น 2 ประเภท ตามชนิดของมอนอเมอร์ในโมเลกุล ดังนี้
1. โฮโมพอลิเมอร์ (Homopolymer) คือ พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ชนิดเดียวกันทั้งหมด เช่น แป้ง และเซลลูโลส ซึ่งเกิดจากมอนอเมอร์กลูโคสที่เชื่อมต่อกันเป็นสารโมเลกุลใหญ่ หรือพอลิเอทิลีน (Polyethylene) ที่เกิดจากเอทิลีนทั้งหมด
2. โคพอลิเมอร์ (Co-Polymer) คือ พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์มากกว่า 1 ชนิด เช่น โปรตีน ซึ่งเกิดจากกรดอะมิโนหลายชนิดเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน ทำให้โปรตีนแต่ละชนิดมีองค์ประกอบ โครงสร้างรูปร่าง และความยาวของสายพอลิเมอร์ที่แตกต่างกันไปตามคุณสมบัติของกรดอะมิโนหรือมอนอเมอร์ภายในโมเลกุล
โครงสร้างหลักของพอลิเมอร์
1. โครงสร้างแบบสายยาวหรือโซ่ตรง (Linear Polymer) คือ โครงสร้างของสารประกอบที่เกิดจากการสร้างพันธะเรียงต่อกันเป็นเส้นตรงของมอนอเมอร์ ซึ่งทำให้โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างอื่น ๆ สารประกอบจึงมีจุดหลอมเหลวสูง มีคุณสมบัติแข็งแรง ทนทาน แต่มีความยืดหยุ่นสูง อีกทั้ง เมื่อได้รับความร้อน สารโครงสร้างนี้สามารถอ่อนตัวลง ก่อนกลับมาแข็งตัวขึ้นอีกครั้งหลังอุณหภูมิลดลง โดยไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ต่อสมบัติของพอลิเมอร์ เช่น พีวีซี (PVC) พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน เป็นต้น
2. โครงสร้างแบบสาขาหรือแขนง (Branch Polymer) คือ โครงสร้างของสารประกอบที่เกิดจากการยึดกันและแตกกิ่งก้านสาขาของมอนอเมอร์ออกจากโซ่พอลิเมอร์สายหลัก ซึ่งทำให้โซ่พอลิเมอร์ไม่สามารถเรียงชิดติดกันได้หนาแน่นเมื่อโครงสร้างแรก สารประกอบจึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำ อีกทั้ง โครงสร้างของสารยังสามารถเปลี่ยนรูปได้ง่าย เมื่อได้รับความร้อน เช่น พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ
3. โครงสร้างแบบตาข่ายหรือร่างแห (Network Polymer/Crosslinked Polymer) คือ โครงสร้างของสารประกอบที่เกิดจากการเชื่อมต่อกันเป็นร่างแหของมอนอเมอร์ มีกิ่งก้านสาขามาก ซึ่งทำให้สารมีความแข็งแรงทนทาน แต่เปราะหักง่าย ไม่ยืดหยุ่น เช่น เมลามีนที่นำใช้ทำถ้วยชาม
ตัวอย่างของพอลิเมอร์ในชีวิตประจำวัน
1. พลาสติก (Plastics) ที่ถูกนำมาใช้อย่างหลากหลาย จากการมีคุณสมบัติที่ทั้งแข็งแรงทนทาน แต่ยืดหยุ่นได้ดีและยังมีน้ำหนักเบา อีกทั้ง ยังไม่ทำปฏิกิริยากับอากาศ กรด-เบส และสารเคมีต่าง ๆ สามารถเป็นทั้งฉนวนความร้อนและฉนวนไฟฟ้าที่ดี แล้วในกระบวนการผลิตยังขึ้นรูปทรงต่าง ๆ ได้ง่ายอีกด้วย
2. ยางธรรมชาติ (Natural Rubber) เกิดจากมอนอเมอร์ที่เรียกว่า “ไอโซพรีน” (Isoprene) มีความทนทานและมีความยืดหยุ่น ไม่ละลายน้ำ แต่ยางธรรมชาติมีข้อด้อยจากความแข็งแรงที่เปราะบาง แตกหักได้ง่าย ซึ่งไม่ทนต่อตัวทำละลายอินทรีย์และน้ำมันเบนซิน ดังนั้น ยางธรรมชาติจึงต้องผ่านกระบวนการปรับปรุงคุณภาพยาง (Vulcanization Process) ก่อนนำไปใช้ประโยชน์
3. เส้นใยสังเคราะห์ (Synthetic Fiber) คือ เส้นใยที่ผ่านการปรับปรุงจากเส้นใยเซลลูโลสในธรรมชาติ ในขณะที่ ความเหนียวแน่นและความแข็งแรงจะลดลงเมื่อสัมผัสกับน้ำและแสงแดด
4. ซิลิโคน (Silicone) มีหลายชนิดตามมอนอเมอร์ตั้งต้น จึงมีสมบัติที่เหมาะแก่การนำไปใช้ประโยชน์มากกว่ายาง เช่น สลายตัวได้ยาก ไม่ไวต่อปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ อีกทั้ง ยังทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีและไม่มีปฏิกิริยา ซึ่งเป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ ในทางการแพทย์จึงนำมาใช้ทำอวัยวะเทียม
พอลิไวนิลคลอไรด์และพอลิสไตรีนซึ่งมีคลอรีนและเบนซีนอยู่นอกโซ่ จึงผลักให้โซ่หลักอยู่ห่างกัน ทำให้มีความใสกว่าพอลิเอทิลีน
พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต มีอะโรมาติกเป็นองค์ประกอบอยู่ในสายโซ่ด้วย จึงเกิดผลึกได้ยาก ทำให้มีความใสกว่าพอลิเมอร์แบบเส้นชนิดอื่น
2. โครงสร้างแบบกิ่ง (Branched polymer)
ในโครงสร้างของพอลิเมอร์มีโซ่กิ่ง ซึ่งอาจเป็นโซ่สั้นหรือโซ่ยาวแตกออกไปจากโซ่หลัก ทำให้โซ่พอลิเมอร์ไม่สามารถจัดเรียงตัวชิดกันได้ พอลิเมอร์ชนิดนี้จึงมีความยืดหยุ่น มีความหนาแน่นต่ำ จุดหลอมเหลวต่ำกว่าพอลิเมอร์แบบเส้น เช่น พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ (LDPE : Low Density Polyethylene)
3. โครงสร้างแบบร่างแห (Network polymer)
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการเชื่อมโยงระหว่างโซ่พอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างแบบเส้นหรือแบบกิ่งต่อเนื่องกันเป็นร่างแห ถ้าพันธะที่เชื่อมโยงระหว่างโซ่หลักมีจำนวนน้อย พอลิเมอร์จะมีสมบัติยืดหยุ่นและอ่อนตัว แต่ถ้ามีจำนวนพันธะมากพอลิเมอร์จะแข็งไม่ยืดหยุ่น พอลิเมอร์แบบร่างแหมีจุดหลอมเหลวสูง เมื่อขึ้นรูปแล้วไม่สามารถหลอมหรือเปลี่ยนรูปร่างได้ เช่น พอลิฟีนอลฟอร์มาลดีไฮด์ (เบกาไลต์) พอลิเมลามีนฟอร์มาลดีไฮด์ หรือเมลามีน