Research

บันทึกหน้าสำคัญสำหรับโลกวัสดุ : วัสดุนาโนคอมโพสิต


ดร.วิวัฒน์ เกยูรวงศ์​  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
12 กุมภาพันธ์ 2558  

       ณ ปัจจุบันคำว่า นาโน หรือเทคโนโลยีนาโน เป็นที่สนใจอย่างมากและได้ถูกพูดถึงอย่างกว้างข้างในสื่อต่างๆทั้งทางโทรทัศน์ วิทยุ หรือแม้แต่หนังสือพิมพ์ รวมกระทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมหลายแขนง วันนี้อยากแนะนำหนึ่งในเทคโนโลยีนาโนที่น่าสนใจคือ วัสดุนาโนคอมโพสิต (nanocomposites)
       วัสดุนาโนคอมโพสิต คือ วัสดุเชิงประกอบที่เกิดจากการผสมกันของวัสดุมากกว่าหนึ่งชนิดขึ้นไป โดยหนึ่งในสารตัวเติม (filler) นั้นมีหนึ่ง สองหรือทั้งสามมิติ ขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร [1] ซึ่งวัสดุนาโนคอมโพสิตมีคุณสมบัติเชิงวิศวกรรมที่พัฒนาดีขึ้นมากอย่างไม่น่าเชื่อเมื่อเทียบกับวัสดุคอมโพสิตโดยทั่วไป ทั้งทางด้านคุณสมบัติเชิงกล คุณสมบัติทางเคมี รวมกระทั้งคุณสมบัติทางไฟฟ้า โดยเติมสารตัวเติมนาโนเพียง 1-10% ของน้ำหนักวัสดุโดยรวม [2-3]

ภาพที่ 1 แสดงโครงสร้างระหว่างวัสดุคอมโพสิตทั่วไปหรือ conventional composite (ซ้าย) และวัสดุนาโนคอมโพสิตหรือ nanocomposite (ขวา) [2]

       จุดเริ่มต้นของวัสดุนาโนคอมโพสิต ต้องย้อนกลับไปในปี 1993 [3] ทีมวิจัยของบริษัทโตโยต้าต้องการพัฒนาวัสดุเชิงวิศวกรรมชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลและคุณสมบัติทางเคมีดีขึ้นเพื่อรองรับความต้องการของลูกค้า ณ ขณะนั้น  ทีมวิจัยของบริษัทโตโยต้าเลือกใช้พลาสติกเอไมด์เป็นโพลิเมอร์หลักของวัสดุ และเลือกแร่มอนต์มอริลโลไนต์ (montmorillonite) เป็นสารตัวเติมขนาดนาโนเพื่อเพิ่มคุณสมบัติต่างๆของวัสดุ ผลของการวิจัยในครั้งนั้นประสบความสำเร็จอย่างมาก โดยเติมแร่มอนต์มอริลโลไนต์เพียง 4.7% ของน้ำหนักวัสดุทั้งหมด (ซึ่งถือว่าเป็นปริมาณที่น้อยมากเมื่อเทียบกับวัสดุคอมโพสิตโดยทั่วไปที่ต้องใช้มากถึง 30-40% ของน้ำหนักวัสดุสุทธิ) แต่ค่ามอดูลัสความยืดหยุ่น(tensile modulus) เพิ่มขึ้นประมาณ 40%  และค่าแรงต้านทานการดึง (tensile strength) เพิ่มขึ้นมากถึงประมาณ 50% เมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกเอไมด์แบบทั่วไปที่ไม่ได้เติมสารตัวเต็มนาโน [4-6]

ภาพที่ 2 แสดงการกระจายตัวของสารตัวเติมแบบธรรมดา(ซ้าย)และแบบแตกกระเจิง(exfoliation) (ขวา)  [2]

       การประยุกต์ใช้งานของวัสดุนาโนคอมโพสิตมีความหลายหลายในหลายอุตสาหกรรม ทั้งอุตสาหกรรมรถยนต์ อาหารและอื่นๆ บริษัทโตโยต้า มอร์เตอร์ จำกัด นำวัสดุนาโนคอมโพสิตไปใช้สำหรับครอบสายพานรถยนต์ (timing belt cover) ที่ต้องการความต้านทานแรงกระแทก (Impact resistance) สูงเป็นพิเศษ รวมถึงบริษัท ไบเออร์ เอจี จำกัด ได้นำวัสดุนาโนคอมโพสิตไปใช้ในการผลิตบรรจุภัณฑ์ประเภทฟิล์ม (film packaging) โดยมีอัตราการซึมผ่านออกซิเจน (oxygen transmission rate) ดีขึ้นถึง 50% เมื่อเทียบกับพลาสติกเอไมด์ทั่วๆไป [7]
       ต่อจากนี้ไป เราคงได้ใช้วัสดุนาโนคอมโพสิตกันในชีวิตประจำวันมากขึ้นๆ จากคุณสมบัติที่ดีมากกว่าวัสดุแบบเดิมๆ พร้อมกันนั้นเทคโนโลยีในการผลิตก็ถูกพัฒนาขึ้นตลอดเวลา ทำให้วัสดุนาโนคอมโพสิตเป็นที่ต้องการมากขึ้นในตลาด ณ ปัจจุบัน และหนึ่งในวัสดุนาโนคอมโพสิตที่ท่านใช้กันในอนาคตอันใกล้ อาจมาจากการวิจัยของผมก็เป็นไปได้

เอกสารอ้างอิง
[1] P.M. Ajayan, L.S. Schadler, P.V. Braun,Wiley Nanocomposite science and technology", Wiley VCH, 2003
[2] Wiwat Keyoonwong, Yi Guo, Masatoshi Kubouchi, Saiko Aoki, and Tetsuya Sakai, “Corrosion Behavior of Three Nanoclay Dispersion Methods of Epoxy/Organoclay Nanocomposite”, International Journal of Corrosion, Vol. 2012, 2012.
[3] Wiwat Keyoonwong, M. Kubouchi, T. Sakai, and S. Aoki, “Preparation of exfoliated epoxy/clay nanocomposite and its thermal & mechanical properties,” in Proceedings of the International Symposium on Engineering, Energy and Environment (ISEEE09 '09), pp. 158–163, Rayong, Thailand, 2009.
[4] A. Usuki, M. Kawasumi, Y. Kojima, A. Okada, T. Kurauchi, and O. Kamigaito, “Swelling behavior of montmorillonite cation exchanged for ω-amino acids by ε-caprolactam,” Journal of Materials Research, vol. 8, no. 5, pp. 1174–1178, 1993.
[5] A. Okada and A. Usuki, “The chemistry of polymer-clay hybrids,” Materials Science and Engineering C, vol. 3, no. 2, pp. 109–115, 1995.
[6] K. Yano, A. Usuki, and A. Okada, “Synthesis and properties of polyimide-clay hybrid films,” Journal of Polymer Science A, vol. 35, no. 11, pp. 2289–2294, 1997.
[7] Amirhossein Esfandiari, Hossein Nazokdast, Abo-Saeed Rashidi and Mohamad-Esmaeel Yazdanshenas, “Review of Polymer-Organoclay Nanocomposites”, Journal of Applied Sciences, vol. 8, pp. 545-561, 2008.

<< ย้อนกลับ