ในภาษาไทยมีการใช้คำว่า พอลิเมอร์ และ โพลิเมอร์ โดยปัจจุบันราชบัณฑิตยสถานกำหนดว่าให้ใช้คำว่า "พอลิเมอร์" การเรียกชื่อพอลิเมอร์แบบมาตรฐาน มีการเรียกชื่อพอลิเมอร์หลายวิธี พอลิเมอร์ที่ใช้ทั่วไปส่วนใหญ่ใช้ชื่อสามัญที่เคยใช้ในอดีตมากกว่าชื่อที่ ตั้งตามแบบมาตรฐาน ทั้งสมาคมเคมีอเมริกันและไอยูแพกได้กำหนดการตั้งชื่อแบบมาตรฐานซึ่งมีความ คล้ายคลึงกันแต่ไม่เหมือนกันทั้งหมด ชื่อที่เป็นมาตรฐานทั้งสองระบบเป็นชื่อที่แสดงถึงชนิดของหน่วยย่อยที่ประกอบ เป็นพอลิเมอร์มากกว่าจะบอกถึงธรรมชาติของหน่วยที่ซ้ำๆกันในสาย ตัวอย่างเช่น พอลิเมอร์ที่สังเคราะห์จากเอทิลีนเรียกว่าพอลิเอทิลีน ยังคงลงท้ายด้วย –อีน แม้ว่าพันธะคู่จะหายไประหว่างกระบวนการเกิดพอลิเมอร์ เรียกโดยเติม “Poly” นำหน้าชื่อของโมโนเมอร์ที่ใช้เตรียม Monomer Polymer ethylene CH2=CH2 Polyethylene propylene CH2=CH(CH3) Polypropylene vinyl chloride CH2=CHCl Polyvinyl chloride styrene CH2=CH(C6H5) Polystyrene tetrafluoroethylene CF2=CF2 Polytetrafluoroethylene methyl methacrylate CH2=C(CH3)(COOCH3) PMMA caprolactam NH2(CH2)5COOH Polycaprolactam ประวัติพอลิเมอร์
ความหมายของพอลีเมอร์ พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วยหน่วยเล็ก ๆ ของสารที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วย มอนอเมอร์ (Monomer) คือ หน่วยเล็ก ๆ ของสารในพอลิเมอร์ ดังภาพ  ประเภทของพอลิเมอร์ แบ่งตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้ 1. แบ่งตามการเกิดเป็นเกณฑ์ เป็น 2 ชนิด คือ ก . พอลิเมอร์ธรรมชาติ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ไกโคเจน กรดนิวคลีอิก และยางธรรมชาติ (พอลีไอโซปรีน) 2. แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ เป็น 2 ชนิด คือ ก . โฮมอลิเมอร์ (Homopolymer) เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง(ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นกลูโคสทั้งหมด) พอลิเอทิลีน PVC (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นเอทิลีนทั้งหมด) ข . เฮเทอโรพอลิเมอร์ (Heteropolymer) เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน เช่น โปรตีน (ประกอบด้วยมอนอเมอร์ที่เป็นกรดอะมิโนต่างชนิดกัน) พอลิเอสเทอร์ พอลิเอไมด์ เป็นต้น 3. แบ่งตามโครงสร้างของพอลิเมอร์ แบ่งออกเป็น 3 แบบ คือ ก. พอลิเมอร์แบบเส้น (Chain length polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง ขุ่นเหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ ตัวอย่าง PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน ดังภาพ ข. พอลิเมอร์แบบกิ่ง (Branched polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ยึดกันแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่สั้นและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลัก ทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่าง พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ ดังภาพ ค. พอลิเมอร์แบบร่างแห (Croos -linking polymer) เป็น พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่อเชื่อมกันเป็นร่างแห พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่างเบกาไลต์ เมลามีนใช้ทำถ้วยชาม ดังภาพ หมายเหตุ พอลิเมอร์บางชนิดเป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากสารอนินทรีย์ เช่น ฟอสฟาซีน ซิลิโคน พลาสติก พลาสติก (Plastic) คือ สารที่สามารถทำให้เป็นรูปต่าง ๆ ได้ด้วยความร้อน พลาสติกเป็นพอลิเมอร์ ขนาดใหญ่ มวลโมเลกุลมาก สมบัติทั่วไปของพลาสติก
ประเภทของพลาสติก 1. เทอร์มอพลาสติก เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัว และเมื่อเย็นลงจะแข็งตัว สามารถเปลี่ยนรูปได้ พลาสติกประเภทนี้โครงสร้างโมเลกุลเป็นโซ่ตรงยาว มีการเชื่อมต่อระหว่างโซ่พอลิเมอร์น้อยมาก จึงสามารถหลอมเหลว หรือเมื่อผ่านการอัดแรงมากจะไม่ทำลายโครงสร้างเดิม ตัวอย่าง พอลิเอทิลีน พอลิโพรพิลีนพอลิสไตรีน 2. พลาสติกเทอร์มอเซต จะคงรูปหลังการผ่านความร้อนหรือแรงดันเพียงครั้งเดียว เมื่อเย็นลงจะแข็งมาก ทนความร้อนและความดัน ไม่อ่อนตัวและเปลี่ยนรูปร่างไม่ได้ แต่ถ้าอุณหภูมิสูงก็จะแตกและไหม้เป็นขี้เถ้าสีดำ พลาสติกประเภทนี้โมเลกุลจะเชื่อมโยงกันเป็นร่างแหจับกันแน่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลแข็งแรงมาก จึงไม่สามารถนำมาหลอมเหลวได้ ตัวอย่าง เมลามีน พอลิยูรีเทน ตารางแสดงสมบัติบางประการของพลาสติกบาง ชนิดของพลาสติก ประเภทของพลาสติก สมบัติบางประการ ตัวอย่างการนำไปใช้ประโยชน์ สภาพการไหม้ไฟ ข้อสังเกตอื่น พอลิเอทิลีน เทอร์มอพลาสติก เปลวไฟสีน้ำเงินขอบเหลือง กลิ่นเหมือนพาราฟิน เปลวไฟไม่ดับเอง เล็บขีดเป็นรอย ไม่ละลายในสารละลายทั่วไป ลอยน้ำ ถุง ภาชนะ ฟิล์มถ่ายภาพ ของเล่นเด็ก ดอกไม้พลาสติก พอลิโพรพิลีน เทอร์มอพลาสติก เปลวไฟสีน้ำเงินขอบเหลือง ควันขาว กลิ่นเหมือนพาราฟิน ขีดด้วยเล็บไม่เป็นรอย ไม่แตก โต๊ะ เก้าอี้ เชือก พรม บรรจุภัณฑ์อาหาร ชิ้นส่วนรถยนต์ พอลิสไตรีน เทอร์มอพลาสติก เปลวไฟสีเหลือง เขม่ามาก กลิ่นเหมือนก๊าซจุดตะเกียง เปาะ ละลายได้ในคาร์บอนเตตระคลอไรด์ และโทลูอีน ลอยน้ำ โฟม อุปกรณ์ไฟฟ้า เลนส์ ของเล่นเด็ก อุปกรณ์กีฬา เครื่องมือสื่อสาร พอลิวินิลคลอไรด์ เทอร์มอพลาสติก ติดไฟยาก เปลวสีเหลืองขอบเขียว ควันขาว กลิ่นกรดเกลือ อ่อนตัวได้คล้ายยาง ลอยน้ำ กระดาษติดผนัง ภาชนะบรรจุสารเคมี รองเท้า กระเบื้องปูพื้น ฉนวนหุ้มสายไฟ ท่อพีวีซี ไนลอน เทอร์มอพลาสติก เปลวไฟสีน้ำเงินขอบเหลือง กลิ่นคล้ายเขาสัตว์ติดไฟ เหนียว ยืดหยุ่น ไม่แตก จมน้ำ เครื่องนุ่งห่ม ถุงน่องสตรี พรม อวน แห พอลิยูเรียฟอร์มาลดีไฮด์ พลาสติกเทอร์มอเซต ติดไฟยาก เปลวสีเหลืองอ่อน ขอบฟ้าแกมเขียว กลิ่นแอมโมเนีย แตกร้าว จมน้ำ เต้าเสียบไฟฟ้า วัสดุเชิงวิศวกรรม อีพอกซี พลาสติกเทอร์มอเซต ติดไฟง่าย เปลวสีเหลือง ควันดำ กล่นคล้ายข้าวคั่ว ไม่ละลายในสารไฮโดรคาร์บอนและน้ำ กาว สี สารเคลือบผิวหน้าวัตถุ พอลิเอสเทอร์ เทอร์มอพลาสติก ติดไฟยาก เปลวสีเหลือง ควันกลิ่นฉุน อ่อนตัว ยืดหยุ่น เส้นใยผ้า พลาสติกเทอร์มอเซต ติดไฟยาก เปลวสีเหลือง ควันดำ กลิ่นฉุน เปราะ หรือแข็งเหนียว ตัวถังรถยนต์ ตัวถังเรือ ใช้บุภายในเครื่องบิน พลาสติกรีไซเคิล (Plastic recycle) ปัจจุบันเราใช้พลาสติกฟุ่มเฟือยมาก แต่ละปีประเทศไทยมีขยะพลาสติกจำนวนมาก ซึ่งเป็นปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมของโลก จึงมีความพยายามคิดค้นทำพลาสติกที่ย่อยสลายทางชีวภาพ (Biodedradable) มาใช้แทน แต่พลาสติกบางชนิดก้ยังไม่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ ในทางปฏิบัติยังคงกำจัดขยะพลาสติกด้วยวิธีฝังกลบใต้ดิน และเผา ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมตามมา วิธีที่ดีที่สุดในการดูแลสิ่งแวดล้อมเกี่ยวกับขยะพลาสติก คือ ลดปริมาณการใช้ให้เหลือเท่าที่จำเป็น และมีการนำพลาสติกบางชนิดกลับไปผ่านบางขั้นตอนในการผลิต แล้วนำกลับมาใช้งานใหม่ได้ตามเดิม สมาคมอุตสาหกรรมพลาสติก ประเทศสหรัฐอเมริกา (The Society of Plastics Industry ; SPI) ได้กำหนดสัญลักษณ์เพื่อบ่งชี่ประเภทของพลาสติกรีไซเคิล ซึ่งจะกำกับไว้ในผลิตภัณฑ์สินค้าที่ทำด้วยพลาสติก ดังภาพในตาราง ตาราง แสดงสัญลักษณ์เพื่อบ่งชี่ประเภทของพลาสติกรีไซเคิล ประเภทของพลาสติก ชื่อย่อ สัญลักษณ์ มอนอเมอร์ การนำไปใช้งาน Polyethylene Terephthalate PETE High Density Polyethylene HDPE Polyvinyl Chloride (PVC) V Low Lensity Polyethylene LDPE Polypropylene PP Polystyrene PS Polycarbonate PC Polymethyl-Methacrylate PMMA Nylon-66 N-66 เส้นใย เส้นใย (Fibers) คือ พอลิเมอร์ชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างของโมเลกุลสามารถนำมาเป็นเส้นด้าย หรือเส้นใย จำแนกตามลักษณะการเกิดได้ดังนี้ ประเภทของเส้นใย
ยาง ยาง (Rubber) คือ สารที่มีสมบัติยืดหยุ่นได้ ทำให้เป็นรูปร่างต่างๆ ได้ เป็นสารประกอบพอลิเมอร์ ประโยชน์ใช้ทำยางลบ รองเท้า ยางรถ ตุ๊กตายาง ประเภทของยาง 1. ยางธรรมชาติ ได้จากต้นยางพารา น้ำยางที่ได้เป็นของเหลวสีขาว ชื่อ พอลิไอโซปริน สมบัติ มีความยืดหยุ่น เพราะโครงสร้างโมเลกุลของยางมีลักษณะม้วนงอขดไปมาปิดเป็นเกลียว ได้ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ สมบัติเปลี่ยนง่ายคือเมื่อร้อนจะอ่อนตัวเหนียว แต่เย็นจะแข็งและเปราะ 2. ยางสังเคราะห์ เป็นพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ขึ้นจากสารผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม เช่น กระบวนการวัลคาไนเซชัน (Vulcanization process) คือ กระบวนการที่ใช้ในการเพิ่มคุณภาพของยางธรรมชาติ ( ยางดิบ) ให้มีความยืดหยุ่นได้ดีขึ้น มีความคงตัวสูง ไม่สึกกร่อนง่าย และไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ สมบัติเหล่านี้จะยังคงอยู่ ถึงแม้ว่าอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงก็ตาม พอลิเมอร์สังเคราะห์ การสังเคราะห์พอลิเมอร์เป็นกระบวนการของการรวมโมเลกุลขนาดเล็กๆ ที่เป็นหน่วยย่อยเข้าด้วยกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ในระหว่างกระบวนการเกิดพอลิเมอร์ หมู่ทางเคมีบางตัวจะหลุดออกจากหน่วยย่อย หน่วยย่อยในพอลิเมอร์จะเป็นหน่วยซ้ำๆกัน
คุณสมบัติของพอลิเมอร์ ชนิดของคุณสมบัติของพอลิเมอร์แบ่งอย่างกว้างๆได้เป็นหลายหมวดขึ้น
รูปแบบการใช้งานของพอลิเมอร์ พอลิเมอร์ที่เรามีการใช้งานในชีวิตประจำวันนั้น สามารถแบ่งออกตามลักษณะทางกายภาพได้ออกมากว้าง ๆ ได้ 4 แบบ ก็คือ
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์สังเคราะห์ เทคโนโลยีของการผลิตพอลิเมอร์มีความก้าวหน้าและพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว นับตั้งแต่การเตรียมมอนอเมอร์การเตรียมพอลิเมอร์การศึกษาสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพอลิเมอร์ การปรับปรุงสมบัติของพอลิเมอร์รวมทั้งการแปรรูปพอลิเมอร์เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่มีรูปร่างแพร่หลาย สามารถแปรรูปให้เป็นชิ้นงานได้หลายรูปแบบการขึ้นรูปชิ้นงานจะใช้วิธีใดขึ้นอยู่กับประเภทของพลาสติกว่าเป็นเทอร์มอพลาสติกหรือพลาสติกเทอร์มอเซต นอกจากนี้ยังมีการเติมสารบางชนิดลงไปเพื่อให้พลาสติกมีสมบัติดีขึ้น เช่น เติมสีให้มีความสวยงาม เติมใยแก้วเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและทนต่อแรงกระแทกซึ่งมีชื่อเรียกกันทั่วไปว่า ไฟเบอร์กลาส นอกจากนี้ยังมีการเติมผงแกรไฟต์เพิ่มให้มีสมบัตินำไฟฟ้าได้ในปัจจุบันใช้พอลิเมอร์หลายชนิดทำสารเคลือบผิวของวัสดุต่าง ๆ การใช้ประโยชน์จากพลาสติกในปัจจุบันเป็นไปอย่างกว้างขวาง เช่น ทางการแพทย์ใช้พอลิไวนิลคลอไรด์ผลิตถุงใส่เลือด เส้นเลือดเทียม พอลิสไตรีนใช้ทำหลอดฉีดยา พอลิโพรลีนใช้ทำกระดูกเทียม เอ็นเย็บแผล พอลิเอทิลีนใช้ทำอวัยวะเทียม เช่น ฟันปลอม ลิ้นหัวใจ กระเพาะปัสสาวะและท่อน้ำดี พอลิเมทิลเมทาคริเลตใช้ทำเลนส์สัมผัสทั้งชนิดแข็งและชนิดอ่อน ซิลิโคนจัดเป็นพอลิเมอร์อนินทรีย์ที่ใช้ทำแม่พิมพ์และใช้ในด้านศัลยกรรมตกแต่ง พอลิเมอร์สังเคราะห์หลายประเภทนำมาใช้เป็นสารช่วยยึดติดโดยใช้ทั้งในสภาพของแข็งและของเหลว เช่น กาวพอลิไวนิลแอซีเตต หรือที่รู้จักกันดีในชื่อกาวลาเท็กซ์ กาวอะคริลิก กาวไซยาโนอะคริเลต ที่รู้จักกันในชื่อของกาวอิพอกซี โดยทั่วไปพอลิเมอร์มีสมบัติเป็นฉนวนกันไฟฟ้า แต่มีพอลิเมอร์บางประเภทแสดงสมบัติเป็นสารกึ่งนำหรือนำไฟฟ้าได้ โครงสร้างทางเคมีที่สำคัญของพอลิเมอร์กลุ่มนี้ได้แก่ อะตอมของคาร์บอนต่อกันอยู่ด้วยพันธะเดี่ยวสลับกับพันธะคู่ หรือมีวงแหวนอะโรมาติก หรือมีอะตอมของกำมะถันและไนโตรเจนอยู่ในวงแหวน จึงทำให้มีการกระจายของอิเล็กตรอนได้เช่นเดียวกับโลหะ ตัวอย่างโครงสร้างของพอลิเมอร์นำไฟฟ้า ได้แก่ ซิส–พอลิอะเซทิลีน ทรานส์–พอลิอะเซทิลีน พอลิไพรอท พอลิไทโอฟีน พอลิพาราฟินิลีน นอกจากนี้ยังมีการนำพอลิเมอร์มาใช้ในงานก่อสร้างต่าง ๆ เช่น ใช้พอลิสไตรีน–บิวทาไดอีน–สไตรีน (Styrene–Butadiene–Styrene = SBS) ผสมกับยางมะตอยเป็นวัสดุเชื่อมรอยต่อของคอนกรีต เพื่อทำหน้าที่รองรับการขยายตัวของคอนกรีตเมื่อได้รับความร้อน ช่วยให้ยางมะตอยไม่เหลวมากในฤดูร้อนและไม่แห้งแตกจนหลุดออกจากรอยต่อในฤดูหนาว ด้านการเกษตร ใช้พลาสติกพีวีซีคลุมดินเพื่อช่วยรักษาความชุ่มชื้น และป้องกันการถูกทำลายของผิวดินใช้ทำตาข่ายกันแมลงในการปลูกผักปลอดสารพิษ ใช้พอลิเอทิลีนปูพื้นดินที่เป็นดินร่วนหรือดินปนทรายเพื่อช่วยให้สามารถกักเก็บน้ำไว้ได้ และยังใช้เม็ดพลาสติกผสมในดินเหนียวเพื่อช่วยให้ดินร่วนขึ้นด้วย โฟม (Foam) เป็นพลาสติกที่ผ่านกระบวนการเติมแก๊สเพื่อทำให้เกิดฟองอากาศจำนวนมากแทรกอยู่ระหว่างเนื้อพลาสติก โฟมชนิดแรกคือฟองน้ำยางซึ่งมีใช้มานานกว่า 60 ปีแล้ว ทำได้โดยผสมโซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนตกับน้ำยางและให้ความร้อนจะได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์แทรกอยู่ในเนื้อยาง จึงทำให้เนื้อยางฟูและเป็นรูพรุน โฟมทุกชนิดจะต้องมีสารที่ทำให้เกิดโฟม เช่น อากาศหรือสารเคมีที่สลายให้แก๊สเมื่อได้รับความร้อน เพื่อช่วยให้มีแก๊สแทรกอยู่ในเนื้อโฟม และทำให้โฟมมีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่น กันหรือเก็บความร้อนได้ดี โฟมบางชนิดที่มีสาร CFC แทรกอยู่เป็นฉนวนกันความร้อนและฉนวนไฟฟ้าที่ดีมาก จึงนิยมใช้ทำเป็นกล่องสำหรับบรรจุอาหารต่างๆ เช่น กล่องใส่ไอศกรีม กล่องใส่อาหารร้อน นอกจากนี้ยังใช้บุฝาผนังห้องเย็นอีกด้วย ในปัจจุบันที่ทราบแล้วว่าสาร CFC ก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก และทลายแก๊สโอโซนในบรรยากาศ จึงมีการศึกษาวิจัยเพื่อใช้สารอื่นทดแทน ซึ่งพบว่าแก๊สเพนเทนและบิวเทนสามารถนำมาใช้ผลิตโฟมแทน CFC ได้ในปัจจุบันสามารถผลิตโฟมได้จากพอลิเมอร์หลายชนิด เช่น พีวีซี พอลิเอทิลีน และพอลิสไตรีน ชนิดของพอลิเมอร์ เมื่อพิจารณาการเชื่อมโยงระหว่างสายโซ่โมเลกุล (crosslinking) เราสามารถแบ่งชนิดของพอลิเมอร์ได้เป็น 3 ชนิด ดังนี้
ประเภทของพอลิเมอร์ พอลิเมอร์เป็นสารที่มีอยู่มากมายหลายชนิด ซึ่งในแต่ละชนิดก็จะมีสมบัติและการกำเนิดที่แตกต่างกัน ดังนั้นการจัดจำแนกประเภทพอลิเมอร์จึงสามารถทำได้หลายวิธีขึ้นอยู่กับว่าใช้ ลักษณะใดเป็นเกณฑ์ในการพิจารณา เราสามารถจำแนกประพอลิเมอร์ได้ โดยอาศัยลักษณะต่าง ๆ ดังต่อไปนี้ 1. พิจารณาตามแหล่งกำเนิด เป็นวิธีการพิจารณาโดยดูจากวิธีการกำเนิดของพอลิเมอร์ชนิดนั้น ซึ่งจะสามารถจำแนกพอลิเมอร์ได้เป็น 2 ประเภท คือ พอลิเมอร์ธรรมชาติ และพอลิเมอร์สังเคราะห์ 2. พิจารณาตามมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ เป็นวิธีการพิจารณาโดยดูจากลักษณะมอนอเมอร์ที่เข้ามาสร้างพันธะร่วมกัน โดยจะสามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภท คือ การนำไฟฟ้าของโพลีเมอร์ (Conducting Polymer) หรือ Conductive Plastics พลาสติกนำไฟฟ้าถูกค้นพบเมื่อปี พ.ศ. 2519 โดย ศาสตราจารย์ อลัน เจ ฮีเกอร์ (Alan J. Heeger) ศาสตราจารย์ อลัน จี แมคไดอาร์มิด (Alan G. MacDiarmid) และ ศาสตราจารย์ ฮิเดกิ ชิรากาวา (Hideki Shirakawa) โดยท่านทั้งสามได้รับ รางวัลโนเบลสาขาเคมี เมื่อ ค.ศ. 2000 ซึ่งเหมือนกับจะเป็นการบอกว่า ในศตวรรษใหม่ โลกจะเคลื่อนย้าย จากศาสตร์แบบแข็งๆ ไปสู่ศาสตร์แบบอ่อนๆ จากศตวรรษของฟิสิกส์ ไปสู่ศตวรรษของโมเลกุล และชีววิทยา การค้นพบของท่านทั้งสาม กำลังนำมาสู่อุตสาหกรรมเกิดใหม่ และเศรษฐกิจใหม่ที่เรียกว่า Organic Economy การทำงานของพลาสติกนำไฟฟ้านั้นสามารถอธิบายได้ดัง นี้ พลาสติกนำไฟฟ้าประกอบด้วยสายโซ่ของโมเลกุลเส้นยาวๆ ลองนึกภาพของ ก๋วยเตี๋ยวเส้นใหญ่ที่มีเส้นแบนบางและยาวมากๆ หากเราขึงเส้นก๋วยเตี๋ยวเส้นใหญ่นี้ให้ตึง และรีดจากหัวไปท้ายของเส้น เราก็จะได้เส้นก๋วยเตี๋ยวที่ไม่บิดเบี้ยวเลย กล่าวคือทั้งเส้นนั้นมีระนาบเดียวกันหมด หากสิ่งนี้เกิดขึ้นกับโมเลกุลของพอลิเมอร์ หรือพลาสติกนำไฟฟ้า ผลก็คืออิเล็กตรอน หรือประจุบวกจะสามารถวิ่งไป-กลับบนสายโซ่โมเลกุล ได้ตลอดทั้งเส้น เราเรียกโครงสร้างแบบนี้ว่าเป็นโครงสร้างแบบผลึก (Crystalline Structure) ซึ่งมักจะไม่เกิดขึ้นในธรรมชาติ เพราะธรรมชาติชอบความยุ่งเหยิงมากกว่า ดังนั้นสายโซ่โมเลกุลจึงมักจะบิดเป็นเกลียวบ้าง เหมือนเส้นริบบิ้นห่อของขวัญ ที่มักจะบิดโค้งงอ ทำให้อิเล็กตรอนเดินทางไป-มาได้เฉพาะส่วนที่ตรง เป็นระนาบเดียวกันเท่านั้น เราเรียกระยะทาง ที่สายโซ่โมเลกุลอยู่ในระนาบเดียวกัน และไม่บิดโค้งเป็นเกลียวนี้ว่า “ระยะคอนจูเกต” (Conjugation Length) สายโซ่โมเลกุลของพลาสติกนำไฟฟ้าเส้นหนึ่งๆ ในธรรมชาตินั้นจะไม่อยู่ในสภาพขึงตรง แต่จะบิดเป็นเกลียวบ้าง ทำให้ความสามารถในการนำไฟฟ้า ของพลาสติกนำไฟฟ้านั้นลดลง สมบัติเชิงแสงก็จะเปลี่ยนไปด้วย เราจึงต้องนำศาสตร์ของ “วิศวกรรมโมเลกุล” (Molecular Engineering) เข้ามาช่วยปรับ “ระยะคอนจูเกต” ของโมเลกุลให้ยาวขึ้น หรือสั้นลงตามต้องการ ซึ่งก็จะทำให้สมบัติทางไฟฟ้า และทางแสงของพลาสติกนำไฟฟ้าชนิดนั้นๆ ปรับเปลี่ยนไปได้ ในการใช้งานพลาสติกนำไฟฟ้านั้น ก็มักจะนำมาขึ้นรูปให้อยู่ในสภาพของฟิล์ม ซึ่งประกอบจากสายโซ่ของโมเลกุลพอลิเมอร์ พันซ้อนกันไปมานับไม่ถ้วน การเดินทางของอิเล็กตรอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งจะซับซ้อนมาก โดยอิเล็กตรอนจะวิ่งบนสายโซ่ของโมเลกุล ตามระยะคอนจูเกต จากนั้นหากไปต่อบนโมเลกุลเดียวกันไม่ได้ ก็จะกระโดดข้ามไปยังสายโซ่โมเลกุลที่อยู่ข้างเคียง ดังนั้น การทับซ้อนกันไปมาของสายโซ่โมเลกุล ก็จะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่กระโดดไปมาระหว่างสายโซ่ จนไปถึงจุดหมายปลายทางได้ ลองจินตนาการถึงสปาเก็ตตี้ขี้เมา ที่พร้อมเสิร์ฟสักหนึ่งจาน หากเราวางส้อมไว้ที่ขอบจานด้านหนึ่ง แล้ววางช้อนไว้ขอบจานฝั่งตรงข้าม สมมติให้เส้นสปาเก็ตตี้เป็นสายโซ่โมเลกุลของพลาสติกนำไฟฟ้า หากเราผ่านกระแสไฟไปบนส้อม ประจุไฟฟ้าจะพยายามวิ่งไปฝั่งตรงข้าม โดยเคลื่อนไปบนสายโซ่โมเลกุล (เส้นสปาเก็ตตี้) หากมันไปต่อไม่ได้มันก็จะกระโดดไปยังเส้นอื่นๆที่อยู่ติดกัน จนในที่สุดกระแสไฟฟ้าจะเดินทางมาถึงฝั่งตรงกันข้ามได้ นี่คือข้อได้เปรียบของพลาสติกนำไฟฟ้าที่มีเหนือสารกึ่งตัวนำประเภทซิลิกอน เนื่องจากพลาสติกนำไฟฟ้า สามารถนำประจุได้ทั้งๆที่ตัววัสดุอยู่ในสภาพไร้ระเบียบ ในขณะที่ซิลิกอนจะสูญเสียสภาพการนำไฟฟ้าหากอยู่ในสภาพไร้ระเบียบ ดังนั้นการเตรียมสารกึ่งตัวนำประเภทซิลิกอนนั้น จะต้องกระทำภายใต้ความแม่นยำสูงเท่านั้น นั่นคือซิลิกอนเวเฟอร์ จะต้องมีความบริสุทธิ์ถึง 99.9999999 เปอร์เซ็นต์ นั่นคือในหนึ่งพันล้านอะตอมนั้น จะมีอะตอมของธาตุอื่นปลอมปนมาได้ไม่เกินหนึ่งอะตอมเท่านั้น พลาสติกนำไฟฟ้า เป็นวัสดุประเภทสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) กล่าวคือเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ไม่ดีนัก เนื่องจากมันเป็นโมเลกุล ระดับพลังงานจึงไม่เป็นแถบติดกัน แต่จะแยกออกจากกัน (รูปบน: ขั้นพลังงาน ทางด้านขวามือ) โดยระดับพลังงานบนสุดที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอย (Highest Occupied Molecular Orbital หรือ HOMO) และระดับพลังงานล่างสุดที่ไม่มีอิเล็กตรอนบรรจุ (Loweest Unoccupied Molecular Orbital หรือ LUMO) จะเกี่ยวข้องกับสมบัติเชิงแสง และเชิงไฟฟ้าของโมเลกุล โดย HOMO-LUMO energy gap จะเป็นค่าที่สามารถ นำไปใช้บ่งบอกสมบัติดังกล่าว เช่น PPV มี energy gap ประมาณ 2.5 eV จะเปล่งแสงสีเหลือง ในขณะที่ PFO ซึ่งมี energy gap ประมาณ 3.7 eV จะเปล่งแสงสีฟ้า ดังนั้นวิศวกรรมโมเลกุล ส่วนใหญ่ก็จะเล่นอยู่กับ การปรับเปลี่ยน energy gap โดยการปรับเปลี่ยนหมู่แทนที่ (side chain) ที่เกาะอยู่กับสายโซ่หลัก ซึ่งจะมีผลทำให้สายโซ่โมเลกุล มีการหมุนง่ายลง หรือ ยากขึ้น เป็นผลให้สมบัติการนำไฟฟ้าเปลี่ยนไป นอกจากนั้น การปรับหมู่แทนที่ยังไปมีผลทำให้ สมบัติการละลายเปลี่ยนไปด้วย เช่น สายโซ่ของหมู่ไฮโดรคาร์บอน ที่เป็นหมู่แทนที่ จะช่วยทำให้การละลายในพวก common solvents เป็นไปได้ง่ายขึ้น ซึ่งจะช่วยให้นำไปทำฟิล์มอุปกรณ์โดยวิธีเคลือบปั่น (spin coat) ทำได้ง่ายขึ้น รูปบน เป็นการอธิบายแนวคิดเรื่อง conjugation length โดยอิเล็กตรอนจะวิ่งไปบนสายโซ่ ที่ออร์บิทัลไพ (pi orbitals) ต่อเนื่องกัน นั่นคือ สายโซ่อยู่ในระนาบเดียวกัน หากสายโซ่มีการบิดออกจากระนาบ จะทำให้ conjugation length ขาดออกจากกัน เกิดเป็น เกาะของการนำไฟฟ้า (island) เป็นหย่อมๆ ถึงแม้พอลิเมอร์นำไฟฟ้า จะมีสายโซ่ที่ยาวมากๆ เช่น อาจมีหน่วยย่อย (monomers) นับพัน หรือ หมื่นหน่วยย่อย แต่ปรกติแล้ว conjugation length กลับสั้นมากๆ เช่น อาจยาวเพียง 7-15 หน่วยย่อยเท่านั้น conjugation length จะเป็นตัวกำหนดสมบัติเชิงแสง และ เชิงไฟฟ้า ของพลาสติกนำไฟฟ้า พลาสติกนำไฟฟ้า 2 ชนิด ถึงจะมีสายโซ่หลัก (main chain หรือ backbone) ที่เหมือนกัน แต่หากมีหมู่แทนที่ (side chain) ที่มาต่อด้านข้างแตกต่างกัน ก็อาจทำให้มีสมบัติทางแสง และไฟฟ้าที่ต่างกันได้ เช่น โมเลกุล PPV ที่ไม่มีหมู่แทนที่จะมีสีเหลือง แต่โมเลกุล MEH-PPV ซึ่งมีหมู่แทนที่เป็นพวก alkoxy จะมีสีแดง จากการใช้การคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัมบนคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะสร้างแบบจำลองโครงสร้างเชิงอิเล็กตรอน ของโมเลกุลพอลิเมอร์ ทำให้ทราบว่าพลังงานที่ใช้สำหรับการหมุนสายโซ่ ออกจากระนาบ ของ PPV จะมีค่าสูงกว่า MEH-PPV ทั้งนี้เพราะหมู่แทนที่ alkoxy ใน MEH-PPV มีอันตรกริยาอ่อนๆ กับสายโซ่หลัก ทำให้การหมุนทำได้ยากกว่า แล้วการหมุนของสายโซ่ออกจากระนาบ มาเกี่ยวอะไรกับสีของมันล่ะ ??? จากรูปบน PPV เปลี่ยนสีจากสีเหลืองไปสู่สีแดง หรือเกิด red shift หากสังเกตสายโซ่หลักของ PPV จะพบว่าไม่มีหมู่แทนที่ด้านข้าง แต่เมื่อนำหมู่แทนที่ด้านข้างมาใส่เข้าไป จนเป็น MEH-PPV สีก็จะเปลี่ยนไปเป็นสีแดง การที่ HOMO-LUMO gapของพอลิเมอร์มีพลังงานต่ำลง อาจอธิบายได้ว่า หมู่แทนที่ด้านข้างที่เข้ามานั้น มาช่วยเพิ่มอิเล็กตรอนให้แก่สายโซ่หลัก นอกจากนั้น จากการพิจารณาเกี่ยวกับการหมุนของสายโซ่หลัก จะพบว่า MEH-PPV หมุนรอบสายโซ่ได้ยากกว่า PPV เนื่องจากอะตอม oxygen ในหมู่แทนที่ด้านข้าง เกิดอันตกริยาอย่างอ่อนๆ กับ hydrogen ที่อยู่บนสายโซ่หลัก ณ ตำแหน่งของ vinyl group (พันธะคู่ที่เชื่อมหมู่ benzene ในสายโซ่หลัก เข้าด้วยกัน) การหมุนรอบสายโซ่หลักที่ยากขึ้นของ MEH-PPV นี้จะช่วยให้พอลิเมอร์อยู่ในระนาบได้มากขึ้น ทำให้มี conjugation length ที่ยาวขึ้น เป็นการลดพลังงานของ HOMO-LUMO gap ทำให้เกิด red shift นั่นเอง ภาพสารละลาย Polyfluorene ที่สังเคราะห์ได้เมื่อต้องแสง UV การสังเคราะห์พลาสติกนำไฟฟ้า ถือว่าเป็นขั้นตอนที่สำคัญ หากประเทศไทยคิดจะก้าวไปเป็น ผู้นำทางด้าน พลาสติกอิเล็กทรอนิกส์ อันที่จริง ประเทศไทยมีกลุ่มวิจัยทางด้านเคมีสังเคราะห์ที่มีความสามารถสูง อยู่หลายๆ กลุ่ม ในมหาวิทยาลัยต่างๆ แต่กลุ่มวิจัยเหล่านั้นมีประเพณีดั้งเดิม ในการสังเคราะห์สารที่เรียกว่า Natural Products คือ หาสารออกฤทธิ์ที่มีในต้นไม้ ใบหญ้า ต่างๆ แล้วพยายามสังเคราะห์ให้ได้มากๆ ซึ่ง งานประเภทนั้นจะว่าไปแล้ว ยากกว่า การสังเคราะห์พลาสติกนำไฟฟ้าเสียอีก เท่าที่ผ่านมา วิทยาการทางด้านนั้นก็ไม่ได้ช่วยทำให้ ประเทศไทยมีความก้าวหน้า ทางด้านการผลิตยาขึ้นมาเท่าใดนัก หากกลุ่มวิจัยดังกล่าว ยอมหันมาทำงานด้านสังเคราะห์สารอินทรีย์ ที่มีสมบัติทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ และโฟตอนิกส์ ก็จะเกิดคุณูปการต่อพัฒนาการทางด้าน อินทรีย์อิเล็กทรอนิกส์ ในบ้านเราอย่างมาก โดยตลอด 2-3 ปีมานี้ ทางคณะทำงานได้พยายามเชิญชวน ให้ท่านเหล่านั้น สนใจงานทางด้านนี้ ซึ่งก็ได้รับการตอบรับเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะคนรุ่นใหม่ๆ |
พอลิเมอร์อนินทรีย์ ตัวอย่าง
กระทู้ที่เกี่ยวข้อง
ลิขสิทธิ์ © 2024 ihoctot Inc.
