พอลิเมอร์

แผนผังจำลองโมเลกุลของพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (อังกฤษ: polymer) ความหมายของพอลิเมอร์นั้นก็มาจากรากศัพท์กรีกสำคัญ 2 คำ คือ Poly (จำนวนมาก) และ Meros (ส่วน หรือ หน่วย) พอลิเมอร์เป็นสารโมเลกุลขนาดใหญ่ (Macromolecule) พอลิเมอร์จะประกอบไปด้วยหน่วยซ้ำกัน (repeating unit) ของมอนอเมอร์ (Monomer) หลาย ๆ หน่วยมาทำปฏิกิริยากัน มอนอเมอร์นี้จัดเป็นสารไมโครโมเลกุล (Micromolecule) ชนิดหนึ่ง พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์ชนิดเดียวกันทั้งหมด จัดเป็นโฮโมพอลิเมอร์ (Homopolymer) แต่ถ้ามีมอนอเมอร์ต่างกันตั้งแต่ 1 ชนิดขึ้นไป จัดเป็นโคพอลิเมอร์ (Copolymer) สารบางอย่างที่มีสมบัติอย่างพอลิเมอร์ เช่น สารพวกไขมันที่มีแต่ละหน่วยที่ไม่ซ้ำกันนั้นจะเป็นเพียงแค่สารแมคโครโมเลกุลเท่านั้น ไม่จัดเป็นพอลิเมอร์

พอลิเมอร์มีทั้งที่เกิดเองในธรรมชาติ (Natural polymer) และพอลิเมอร์สังเคราะห์ (Synthetic polymer) ตัวอย่างของ โพลิเมอร์ธรรมชาติ ได้แก่ แป้ง เซลลูโลส โปรตีน กรดนิวคลีอิก และยางธรรมชาติ ส่วนพอลิเมอร์สังเคราะห์ เช่น พลาสติก เส้นใย โฟม และกาว พอลิเมอร์ทั้งสองชนิดนี้เข้ามามีบทบาทมากในชีวิตประจำวัน เราต้องใช้ประโยชน์จากพอลิเมอร์ และพอลิเมอร์แต่ละชนิดมีสมบัติต่างกัน จึงนำหน้าที่หรือนำไปใช้งานที่ต่างกันได้

พอลิเมอร์ที่เป็นที่นิยมใช้มากที่สุดคือพลาสติก ซึ่งเป็นคำที่ใช้อ้างถึงกลุ่มของวัสดุธรรมชาติและสังเคราะห์กลุ่มใหญ่ที่มีคุณสมบัติและการใช้งานต่างกัน พอลิเมอร์ธรรมชาติเช่นชแล็กและอำพันที่ใช้มาเป็นเวลากว่าศตวรรษ พอลิเมอร์ชีวภาพ เช่น โปรตีนและกรดนิวคลีอิกที่มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพ พอลิเมอร์ธรรมชาติอื่น ๆ เช่นเซลลูโลสที่เป็นองค์ประกอบหลักของกระดาษและไม้ พอลิเมอร์สังเคราะห์ที่เป็นที่รู้จักกันดี ได้แก่ บาเกไลต์, นีโอพรีน, ไนลอน, พีวีซี, พอลิสไตรีน, พอลิอคริโลไนไตรล์ และพีวีบี การศึกษาเกี่ยวกับพอลิเมอร์ได้แก่ เคมีพอลิเมอร์, ฟิสิกส์พอลิเมอร์และวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์

พอลิเมอร์สังเคราะห์ในปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเกือบทุกชนิด พอลิเมอร์มีการใช้ในการยึดเกาะและการหล่อลื่นอย่างกว้างขวาง เช่นเดียวกับการใช้เป็นโครงสร้างตั้งแต่ของเด็กเล่นจนถึงยานอวกาศ มีการใช้เป็นยาทางชีวภาพในฐานะเป็นตัวขนส่งยาในสิ่งมีชีวิต พอลิเมอร์เช่น พอลิ เมทิล เมทาคริเลต ที่ใช้ในกระบวนการโฟโตเรซิสในอุตสาหกรรมกึ่งตัวนำ และสารไดอิเล็กทริกโปแทสเซียมต่ำสำหรับใช้ในคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง ปัจจุบันยังมีการพัฒนาพอลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นได้สำหรับอิเล็กทรอนิกส์

การเรียกชื่อพอลิเมอร์แบบมาตรฐาน

มีการเรียกชื่อพอลิเมอร์หลายวิธี พอลิเมอร์ที่ใช้ทั่วไปส่วนใหญ่ใช้ชื่อสามัญที่เคยใช้ในอดีตมากกว่าชื่อที่ตั้งตามแบบมาตรฐาน ทั้งสมาคมเคมีอเมริกันและไอยูแพกได้กำหนดการตั้งชื่อแบบมาตรฐานซึ่งมีความคล้ายคลึงกันแต่ไม่เหมือนกันทั้งหมด ชื่อที่เป็นมาตรฐานทั้งสองระบบเป็นชื่อที่แสดงถึงชนิดของหน่วยย่อยที่ประกอบเป็นพอลิเมอร์มากกว่าจะบอกถึงธรรมชาติของหน่วยที่ซ้ำๆกันในสาย ตัวอย่างเช่น พอลิเมอร์ที่สังเคราะห์จากเอทิลีนเรียกว่าพอลิเอทิลีน ยังคงลงท้ายด้วย –อีน แม้ว่าพันธะคู่จะหายไประหว่างกระบวนการเกิดพอลิเมอร์

การจัดเรียงของมอนอเมอร์ในพอลิเมอร์

โคพอลิเมอร์ประเภทต่าง ๆ

พอลิเมอร์ที่พบไม่ว่าจากในธรรมชาติ และที่สังเคราะห์ขึ้น มีโครงสร้างได้หลายรูปแบบ ทั้งนี้ขึ้นกับการเข้าเกาะของมอนอเมอร์ (ดูเทียบกับรูปด้านขวามือ)

• พอลิเมอร์สายตรง (Linear polymer) พอลิเมอร์ชนิดนี้จะเป็นโซ่ตรงยาว
• Alternating copolymer (2)
• Statistical copolymer หรือ random copolymer (3)
• Block copolymer (4)
• Graft หรือ grafted copolymer (5)

พอลิเมอร์สังเคราะห์

การสังเคราะห์พอลิเมอร์เป็นกระบวนการของการรวมโมเลกุลขนาดเล็ก ๆ ที่เป็นหน่วยย่อยเข้าด้วยกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ในระหว่างกระบวนการเกิดพอลิเมอร์ หมู่ทางเคมีบางตัวจะหลุดออกจากหน่วยย่อย หน่วยย่อยในพอลิเมอร์จะเป็นหน่วยซ้ำ ๆ กัน

• การสังเคราะห์ในห้องแลบ วิธีการในห้องแลบแบ่งได้เป็นสองกลุ่มคือการสังเคราะห์แบบควบแน่นและการสังเคราะห์แบบเติม อย่างไรก็ตาม วิธีการทีใหม่กว่าเช่นการสังเคราะห์แบบของเหลว ไม่สามารถจัดเข้าในกลุ่มใดได้ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์พอลิเมอร์อาจเกิดขึ้นโดยมีหรือไม่มีตัวเร่งก็ได้ ในปัจจุบันมีการศึกษาทางด้านการสังเคราะห์พอลิเมอร์ธรรมชาติ เช่นโปรตีนในห้องแลบ
• การสังเคราะห์ทางชีวภาพ พอลิเมอร์ธรรมชาติมีสามกลุ่มคือ พอลิแซคคาไรด์ พอลิเพปไทด์ และพอลินิวคลีโอไทด์ ในเซลล์ พอลิเมอร์เหล่านี้ถูกสังเคราะห์ด้วยเอนไซม์ เช่นการสร้างดีเอ็นเอด้วย เอนไซม์ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรส การสังเคราะห์โปรตีนเกี่ยวข้องกับการใช้เอนไซม์ที่ซับซ้อนและเกี่ยวข้องกับการถอดรหัสทางพันธุกรรมในดีเอ็นเอ แล้วจึงถ่ายทอดรหัสจากดีเอ็นเอเป็นข้อมูลของลำดับกรดอะมิโน โปรตีนอาจถูกดัดแปลงหลังจากการแปลรหัสเพื่อให้มีโครงสร้างเหมาะสมกับการทำงาน
• การดัดแปลงพอลิเมอร์ธรรมชาติ พอลิเมอร์ที่มีความสำคัญในทางการค้าหลายชนิดสังเคราะห์จากการดัดแปลงพอลิเมอร์ธรรมชาติทางเคมี ตัวอย่างเช่นปฏิกิริยาระหว่างกรดไนตริกกับเซลลูโลส เกิดเป็นไนโตรเซลลูโลส และการทำให้ยางธรรมชาติแข็งตัวโดยการเติมกำมะถัน

รูปแบบการใช้งานของพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ที่เรามีการใช้งานในชีวิตประจำวันนั้น สามารถแบ่งออกตามลักษณะทางกายภาพได้ออกมากว้าง ๆ ได้ 4 แบบ ก็คือ

1. เส้นใย เป็นพอลิเมอร์กลุ่มที่แข็งแรงที่สุด เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของเส้นใยนั้นมีขนาดที่เล็กมาก ตัวพอลิเมอร์เองจึงจำเป็นต้องรับแรงในแนวแกนเส้นใยให้ได้สูงสุด เส้นใยจึงมีลักษณะทางกายภาพที่ดูเบาบาง แต่มีความแข็งแรงสูง
2. พลาสติก มีความแข็งแรงรองจากเส้นใย แม้ว่าการใช้งานพลาสติกนั้น จะมีมิติความกว้าง ยาว สูง มากกว่าเส้นใยหลายเท่า ทำให้ดูเหมือนว่าแข็งแรงกว่าเส้นใย แต่ถ้าลองนำพลาสติกไปฉีดให้มีความบางเท่าเส้นใย จะพบว่ามันแข็งแรงน้อยกว่ามาก
3. ยาง มีจุดเด่นคือความยืดหยุ่นสูง เราจึงไม่เปรียบเทียบเรื่องความแข็งแรง แต่มักจะคำนึงถึงค่าเปอร์เซ็นต์การยืดตัวก่อนขาด (elongation at break) และแรงดึงที่จุดขาด (load at break) แทน นอกจากนี้พอลิเมอร์ในกลุ่มนี้จำเป็นต้องมีการคืนตัวกลับได้ดีด้วย (recovery property) จึงต้องมีการเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโซ่โมเลกุลด้วยการเชื่อมขวาง (crosslink) ซึ่งจุดที่เชื่อมขวางนี้ควรจะอยู่ห่างกันในระยะที่เหมาะสม เนื่องจากหากถี่เกินไป ยางที่ได้จะมีลักษณะแข็งไม่ยืดหยุ่น ในขณะที่ถ้าห่างเกินไป ก็จะได้ยางที่มีลักษณะนิ่มเกินไป
4. สารละลายและลาเทกซ์ ใช้งานในรูปของพอลิเมอร์ที่กระจายตัวในของเหลวอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็นตัวทำละลายของพอลิเมอร์เอง หรือกระจายตัวเป็นอิมัลชันในน้ำ ลักษณะการใช้งานคือเป็น กาว สีทาบ้าน เชลแล็ค หรือ สารเคลือบผิวอื่น ๆ พอลิเมอร์ในกลุ่มนี้ควรจะกระจายตัวได้ดี และมีความสามารถในการเชื่อมขวางได้ในสภาวะที่มีแสง หรือแก๊สออกซิเจนได้ หรือไม่ก็สามารถที่จะนำตัวเองไปเกี่ยวพัน (entanglement) กับวัสดุอื่น ๆ ได้

ชนิดของพอลิเมอร์ (แบ่งตามโครงสร้างโมเลกุล)

เมื่อพิจารณาการเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่โมเลกุล (crosslinking) เราสามารถแบ่งชนิดของพอลิเมอร์ได้เป็น 3 ชนิด ดังนี้

1. Thermoplastic polymers เป็นพอลิเมอร์สายตรงหรือกิ่ง ไม่มีการเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่โมเลกุล ส่งผลให้สายโซ่โมเลกุลขยับตัวง่ายเมื่อได้รับแรงหรือความร้อน สามารถหลอมและไหลได้เมื่อได้รับความร้อน เป็นส่วนประกอบหลักในพลาสติกอ่อน เช่น Polyethylene ในถุงพลาสติก
2. Elastomers เป็นพอลิเมอร์ที่มีการเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่โมเลกุลเล็กน้อย ซึ่งทำหน้าที่ดึงสายโซ่โมเลกุลกลับมาให้อยู่ในสภาพเดิม เมื่อปล่อยแรงกระทำ
3. Thermosetting polymers เป็นพอลิเมอร์ที่มีการเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่โมเลกุลอย่างหนาแน่น ส่งผลให้สายโซ่โมเลกุลขยับตัวยากเมื่อได้รับแรงหรือความร้อน วัสดุที่มีพอลิเมอร์ชนิดนี้เป็นองค์ประกอบหลัก จึงรับแรงได้ดี และไม่หลอมเหลวเมื่อได้รับความร้อน อย่างไรก็ตาม เมื่อความร้อนสูงถึงอุณหภูมิสลายตัว (Degradation temperature) วัสดุจะสลายตัวไปเนื่องจากพันธะเคมีแตกหัก พอลิเมอร์ชนิดนี้ เป็นส่วนประกอบหลักในพลาสติกแข็ง เช่น ถ้วยชามเมลามีน หลังคาไฟเบอร์ (Thermosets เสริมใยแก้ว)

โครงสร้างของพอลิเมอร์

คุณสมบัติทางโครงสร้างของพอลิเมอร์เกี่ยวข้องกับการจัดตัวทางกายภาพของลำดับโมโนเมอร์ตลอดแกนหลักของสาย โครงสร้างมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติอื่น ๆ ของพอลิเมอร์ ตัวอย่างเช่น พอลิเมอร์สายตรงอาจจะละลายหรือไม่ละลายในน้ำขึ้นกับว่าหน่วยย่อยนั้นมีขั้วหรือไม่ แต่ในกรณีของยางธรรมชาติ ยางธรรมชาติสองชนิดอาจจะแสดงความทนทานต่างกันแม้จะมีหน่วยย่อยเหมือนกัน นักวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์พยายามพัฒนาวิธีการเพื่ออธิบายทั้งธรรมชาติของหน่วยย่อยและการจัดเรียงตัว

การจำแนกหน่วยย่อย

การจำแนกหน่วยย่อยที่ประกอบเป็นพอลิเมอร์เป็นลักษณะแรกและสำคัญที่สุดของพอลิเมอร์ หน่วยที่ซ้ำกันจะพบซ้ำ ๆ ตลอดสายและใช้ในการจำแนกพอลิเมอร์ พอลิเมอร์ที่มีหน่วยย่อยเหมือนกันหมดเรียกว่าโฮโมพอลิเมอร์ ส่วนพอลิเมอร์ที่มีหน่วยย่อยหลายชนิดผสมกันเรียกโคพอลิเมอร์ พอลิสไตรีนเป็นตัวอย่างของโฮโมพอลิเมอร์ เอทิลีน-ไวนิลอะซีเตตเป็นตัวอย่างของโคพอลิเมอร์ พอลิเมอร์ทางชีวภาพบางชนิดประกอบด้วยหน่วยย่อยต่างกันแต่มีโครงสร้างใกล้เคียงกันเช่นพอลินิวคลีโอไทด์ที่มีหน่วยย่อยเป็นนิวคลีโอไทด์ พอลิเมอร์ที่มีหน่วยย่อยที่มีประจุจะเรียกว่าพอลิอิเล็กโทรไลต์ หน่วยย่อยของพอลิเมอร์ชนิดนี้เรียก ไอโอโนเมอร์

คุณสมบัติของพอลิเมอร์

ชนิดของคุณสมบัติของพอลิเมอร์แบ่งอย่างกว้างๆได้เป็นหลายหมวดขึ้นกับความละเอียด ในระดับนาโนหรือไมโครเป็นคุณสมบัติที่อธิบายลักษณะของสายโดยตรงโดยเฉพาะโครงสร้างของพอลิเมอร์ ในระดับกลาง เป็นคุณสมบัติที่อธิบายสัณฐานของพอลิเมอร์เมื่ออยู่ในที่ว่าง ในระดับกว้างเป็นการอธิบายพฤติกรรมโดยรวมของพอลิเมอร์ ซึ่งเป็นคุณสมบัติในระดับการใช้งาน

• คุณสมบัติในการขนส่ง เป็นคุณสมบัติของอัตราการแพร่หรือโมเลกุลเคลื่อนไปได้เร็วเท่าใดในสารละลายของพอลิเมอร์ มีความสำคัญมากในการนำพอลิเมอร์ไปใช้เป็นเยื่อหุ้ม
• จุดหลอมเหลว คำว่าจุดหลอมเหลวที่ใช้กับพอลิเมอร์ไม่ใช่การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวแต่เป็นการเปลี่ยนจากรูปผลึกหรือกึ่งผลึกมาเป็นรูปของแข็ง บางครั้งเรียกว่าจุดหลอมเหลวผลึก ในกลุ่มของพอลิเมอร์สังเคราะห์ จุดหลอมเหลวผลึกยังเป็นที่ถกเถียงในกรณีของเทอร์โมพลาสติกเช่นเทอร์โมเซตพอลิเมอร์ที่สลายตัวในอุณหภูมิสูงมากกว่าจะหลอมเหลว
• พฤติกรรมการผสม โดยทั่วไปส่วนผสมของพอลิเมอร์มีการผสมกันได้น้อยกว่าการผสมของโมเลกุลเล็ก ๆ ผลกระทบนี้เป็นผลจากข้อเท็จจริงที่ว่าแรงขับเคลื่อนสำหรับการผสมมักเป็นแบบระบบปิด ไม่ใช่แบบใช้พลังงาน หรืออีกอย่างหนึ่ง วัสดุที่ผสมกันได้ที่เกิดเป็นสารละลายไม่ใช่เพราะปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่ชอบทำปฏิกิริยากันแต่เป็นเพราะการเพิ่มค่าเอนโทรปีและพลังงานอิสระที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มปริมาตรที่ใช้งานได้ของแต่ละส่วนประกอบ การเพิ่มขึ้นในระดับเอนโทรปีขึ้นกับจำนวนของอนุภาคที่นำมาผสมกัน เพราะโมเลกุลของพอลิเมอร์มีขนาดใหญ่กว่าและมีความจำเพาะกับปริมาตรเฉพาะมากกว่าโมเลกุลขนาดเล็ก จำนวนของโมเลกุลที่เกี่ยวข้องในส่วนผสมของพอลิเมอร์มีค่าน้อยกว่าจำนวนในส่วนผสมของโมเลกุลขนาดเล็กที่มีปริมาตรเท่ากัน ค่าพลังงานในการผสมเปรียบเทียบได้ต่อหน่วยปริมาตรสำหรับส่วนผสมของพอลิเมอร์และโมเลกุลขนาดเล็ก มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นของพลังงานอิสระในการผสมสารละลายพอลิเมอร์และทำให้การละลายของพอลิเมอร์เกิดได้น้อย สารละลายพอลิเมอร์ที่เข้มข้นพบน้อยกว่าที่พบในสารละลายของโมเลกุลขนาดเล็ก ในสารละลายที่เจือจาง คุณสมบัติของพอลิเมอร์จำแนกโดยปฏิกิริยาระหว่างตัวทำละลายและพอลิเมอร์ ในตัวทำละลายที่ดี พอลิเมอร์จะพองและมีปริมาตรมากขึ้น แรงระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลายกับหน่วยย่อยจะสูงกว่าแรงภายในโมเลกุล ในตัวทำละลายที่ไม่ดี แรงภายในโมเลกุลสูงกว่าและสายจะหดตัว ในตัวทำละลายแบบธีตา หรือสถานะที่สารละลายพอลิเมอร์ซึ่งมีค่าของสัมประสิทธิ์วิเรียลที่สองเป็นศูนย์ แรงผลักระหว่างโมเลกุลของพอลิเมอร์กับตัวทำละลายเท่ากับแรงภายในโมเลกุลระหว่างหน่วยย่อย ในสภาวะนี้ พอลิเมอร์อยู่ในรูปเกลียวอุดมคติ
• การแตกกิ่ง การแตกกิ่งของสายพอลิเมอร์มีผลกระทบต่อคุณสมบัติทั้งหมดของพอลิเมอร์ สายยาวที่แตกกิ่งจะเพิ่มความเหนียว เนื่องจากการเพิ่มจำนวนของความซับซ้อนต่อสาย ความยาวอย่างสุ่มและสายสั้นจะลดแรงภายในพอลิเมอร์เพราะการรบกวนการจัดตัว โซ่ข้างสั้น ๆ ลดความเป็นผลึกเพราะรบกวนโครงสร้างผลึก การลดความเป็นผลึกเกี่ยวข้องกับการเพิ่มลักษณะโปร่งใสแบบกระจกเพราะแสงผ่านบริเวณที่เป็นผลึกขนาดเล็ก ตัวอย่างที่ดีของผลกระทบนี้เกี่ยวข้องกับขอบเขตของลักษณะทางกายภาพของพอลิเอทิลีน พอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูงมีระดับการแตกกิ่งต่ำ มีความแข็งและใช้เป็นเหยือกนม พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ มีการแตกกิ่งขนาดสั้น ๆจำนวนมาก มีความยืดหยุ่นกว่าและใช้ในการทำฟิล์มพลาสติก ดัชนีการแตกกิ่งของพอลิเมอร์เป็นคุณสมบัติที่ใช้จำแนกผลกระทบของการแตกกิ่งสายยาวต่อขนาดของโมเลกุลที่แตกกิ่งในสารละลาย เดนไดรเมอร์เป็นกรณีพิเศษของพอลิเมอร์ที่หน่วยย่อยทุกตัวแตกกิ่ง ซึ่งมีแนวโน้มลดแรงระหว่างโมเลกุลและการเกิดผลึก พอลิเมอร์แบบเดนดริติกไม่ได้แตกกิ่งอย่างสมบูรณ์แต่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเดนไดรเมอร์เพราะมีการแตกกิ่งมากเหมือนกัน
• การเติมพลาติไซเซอร์ การเติมพลาสติซิเซอร์มีแนวโน้มเพิ่มความยืดหยุ่นของพอลิเมอร์ พลาสติซิเซอร์โดยทั่วไปเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่มีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายกับพอลิเมอร์และเข้าเติมในช่องว่างของพอลิเมอร์ที่เคลื่อนไหวได้ดีและลดปฏิกิริยาระหว่างสาย ตัวอย่างที่ดีของพลาสติซิเซอร์เกี่ยวข้องกับพอลิไวนิลคลอไรด์หรือพีวีซี พีวีซีที่ไม่ได้เติมพลาสติซิเซอร์ใช้ทำท่อ ส่วนพีวีซีที่เติมพลาสติซิเซอร์ใช้ทำผ้าเพราะมีความยืดหยุ่นมากกว่า