พอลิเมอไรเซชัน

พอลิเมอไรเซชัน (Polymerization) คือ ปฏิกิริยาการเตรียมพอลิเมอร์จากมอนอเมอร์

ปฏิกิริยาหลัก

มี 2 ประเภทดังนี้

1. พอลิเมอไรเซชันแบบลูกโซ่หรือแบบรวมตัว (chain or addition polymerization) กลไกหลักของการเกิดปฏิกิริยานี้ อาจเป็นแบบฟรีแรดิกัล (free radical) หรือ แบบอิออนิก (ionic) ก็ได้ แต่ที่ใช้กันมากคือแบบฟรีแรดิกัล แต่ปฏิกิริยาทั้งสองแบบต่างเป็นปฏิกิริยาแบบลูกโซ่ สารริเริ่ม (initiator) ที่นิยมใช้เป็นสารพวก เปอร์ออกไซด์อินทรี (organic peroxide) และ เปอร์ออกไซด์อนินทรีย์ (inorganic peroxide) พอลิเมอร์ที่สำคัญทางการค้า เช่น พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) เป็นพลาสติก ใช้ทำกระเบื้องยางและท่อ, พอลิอะคริโลไนไตรล์เป็นเส้นใย ใช้ทำผ้า และพอลิเมทิลเมทาคริเลตเป็นพลาสติกใส ใช้ทำวัสดุใสแทนกระจก
2. พอลิเมอไรเซชันแบบขั้นหรือแบบควบแน่น (step or condensation polymerization) โดยทั่วไปใช้มอนอเมอร์ 2 ชนิด ที่มีหมู่แสดงสมบัติเฉพาะตัวสองหมู่ในโมเลกุล กลไกการเกิดปฏิกิริยาไม่แตกต่างกับการเกิดปฏิกิริยาการควบแน่นของโมเลกุลเล็ก ๆ เช่น ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชัน (esterification) มอนอเมอร์กลุ่มสำคัญที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา เช่น กลุ่มกรดคาร์บอกซิลิก, กลุ่มอะมีน และกลุ่มอะซิดแอนไฮไดรด์ เป็นต้น พอลิเมอร์ที่สำคัญทางการค้า เช่น พอลิเอสเทอร์จากเอทิลีนไกลคอล และไดเมทิลทาเรฟทาเลต และเส้นใยไนลอน ซึ่งเป็นพอลิเอไมด์ เป็นต้น แต่ถ้าเป็นมอนอเมอร์ที่แสดงสมบัติเฉพาะตัวมากกว่า 2 หมู่ โครงสร้างของพอลิเมอร์ที่ได้จะเกิดเป็นกิ่งก้านสาขา และกิ่งก้านสาขานั้นอาจเกิดการเชื่อมโยงภายในโมเลกุลหรือกับโมเลกุลอื่น เกิดเป็นพอลิเมอร์เชื่อมโยง (crosslinked polymer) หรือ พอลิเมอร์แบบร่างแห (network polymer)

เทคนิคการพอลิเมอไรเซชัน

ในการเตรียมปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันนั้นสามารถเตรียมได้โดยเทคนิค ดังนี้ เช่น

พอลิเมอไรเซชันแบบบัลค์ (Bulk polymerization)

เป็นเทคนิคที่ง่ายที่สุดทั้งหลักการและเครื่องมือ แต่การควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยาค่อนข้างทำได้ยาก เนื่องจากระหว่างการเกิดปฏิกิริยามีการคายความร้อนมาก ช่วงที่มอนอเมอร์ทำปฏิกิริยาได้พอลิเมอร์ที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ น้ำหนักโมเลกุลสูง ความหนืดของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้อาจเกิดปัญหาเรื่องการถ่ายเทความร้อนขึ้นได้ สารตั้งต้นในระบบนี้มีแค่มอนอเมอร์ และตัวริเริ่ม (initiator) ไม่มีการใช้ตัวทำละลาย ข้อดีของเทคนิคนี้ก็คือ ค่าใช้จ่ายสำหรับวัตถุดิบในการผลิตค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับเทคนิคอื่น และไม่ต้องมีการกำจัดตัวทำละลายออกจากพอลิเมอร์ภายหลังจากพอลิเมอไรเซชันเสร็จแล้ว

พอลิเมอไรเซชันแบบแขวนลอย (Suspension polymerization)

เทคนิคพอลิเมอไรเซชันนี้จะมีหยดเล็ก ๆ ของมอนอเมอร์กระจายอยู่ เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.01-0.05 ซม. อยู่ในน้ำ การจะทำให้มอนอเมอร์กระจายเป็นหยดเล็ก ๆ จะต้องกวนหรือปั่นอย่างรวดเร็วพร้อมกับการเติมดิสเพอร์สแซนต์ (dispersant) เช่น พอลิไวนิลแอลกอฮอล์ เมธิลเซลลูโลส ซึ่งต้องเป็นสารที่ละลายน้ำ โดยสารตัวนี้จะป้องกันไม่ให้มอนอเมอร์รวมตัวเป็นหยดใหญ่ ส่วนตัวริเริ่มเป็นสารที่ละลายได้ในมอนอเมอร์ เช่น เบนโซอิลเพอร์ออกไซด์ พอลิเมอไรเซชันแบบแขวนลอยนี้จะคล้ายกับพอลิเมอไรเซชันแบบบัลค์ (bulk polymerization) เพราะต่างก็มีตัวริเริ่ม ต่างกันตรงที่มอนอเมอร์จะแยกจากกันเป็นหยดเล็กแขวนลอยอยู่ในตัวกลางเท่านั้น

ข้อดีของพอลิเมอไรเซชันแบบแขวนลอย

1. ลดปัญหาของการควบคุมอุณหภูมิและความหนืด เพราะมีตัวกลางที่ทำหน้าที่รับและกระจายความร้อนของปฏิกิริยา
2. พอลิเมอร์ที่ออกมาจะเป็นเม็ดเท่าขนาดของหยดมอนอเมอร์ จึงแยกออกได้ง่ายโดยวิธีกรองธรรมดา

พอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชัน (Emulsion polymerization)

เทคนิคพอลิเมอไรเซชันนี้จะใช้สบู่ซึ่งใช้เป็นตัวอิมัลซิไฟเออร์ (emulsifier) เพื่อลดความตึงผิวของตัวกลางที่เป็นน้ำ และตัวริเริ่มที่ใช้ เช่น โพแทสเซียมเพอร์ซัลเฟต (K2S2O8) จะละลายอยู่ในน้ำไม่ใช่ละลายอยู่ในมอนอเมอร์ และขนาดของหยดมอนอเมอร์จะมีขนาดที่เล็กมาก ประมาณ 0.01- 0.04 ซม. ทำให้พอลิเมอร์ที่ได้มีขนาดเล็กมาก

พอลิเมอไรเซชันแบบสารละลาย (Solution polymerization)

เป็นเทคนิคที่มีการใช้ตัวทำละลายเพื่อช่วยในการถ่ายเทความร้อน ข้อเสียของเทคนิคนี้ก็คืออุณหภูมิของปฏิกิริยาต้องถูกจำกัดให้ต่ำกว่าจุดเดือดของตัวทำละลาย ซึ่งการจำกัดอุณหภูมิอาจส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ นอกจากนี้การกำจัดตัวทำละลายให้หมดจากพอลิเมอร์ที่เตรียมได้นั้นก็เป็นเรื่องที่ยุ่งยาก ทำให้ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการผลิตเพิ่มขึ้น และสุดท้ายการเลือกตัวทำละลายให้ไม่มีผลต่อกลไกการเกิดปฏิกิริยาเลยนั้นทำได้ยาก ส่วนใหญ่พบว่าในระหว่างพอลิเมอรไรเซชันมักเกิดการย้ายแรดิคัล จากสายโซ่ที่กำลังเจริญเติบโตไปที่โมเลกุลตัวทำละลาย (chain transfer to solvent) ซึ่งส่งผลต่อความยาวของสายโซ่และทำให้น้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ลดลง

อ้างอิง

1. ชัยวัฒน์ เจนวาณิชย์, เคมีโพลิเมอร์พื้นฐาน, ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์, 2527