เรียบเรียงโดย บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ขนาด และการกระจายตัวของอนุภาคในเนื้อวัสดุเป็นเรื่องสำคัญ เนื่องจากมีผลต่อสมบัติทางกายภาพและเคมีของสสารเอง ตัวอย่างเช่น กรณีหากเป็นดินและหิน ขนาดและการกระจายอนุภาค (ดินและหิน) มีผลต่อความแข็งแรงและการรับน้ำหนัก (load) สำหรับสารเคมี ขนาดและการกระจายตัวมีผลต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยเมื่อเปรียบเทียบสารชนิดเดียวกัน มวลหรือน้ำหนักเท่ากัน และมีการกระจายตัวสม่ำเสมอใกล้เคียงกัน สารที่มีขนาดเล็กจะมีจำนวนอนุภาคมากกว่า เป็นผลให้พื้นที่ผิวโดยรวมของสารมากกว่า จึงมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสูงกว่า
กรณีสารชนิดเดียวกัน มีมวลหรือน้ำหนักเท่ากัน และมีขนาดอนุภาคใกล้เคียงกัน แต่กระจายตัวแตกต่างกัน สารที่กระจายตัวสม่ำเสมอกว่าจะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสูงกว่า และสม่ำเสมอกว่า ในสินค้าบางชนิด เช่น หมึกพิมพ์ (toner) เครื่องสำอางค์ (cosmetic) เป็นต้น ขนาดและการกระจายตัวของอนุภาคมีผลโดยตรงต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์มาก ดังนั้นจึงเป็นสิ่งหนึ่งที่บริษัทผู้ผลิตสินค้าต้องให้ความสนใจ และดูแลอย่างเข้มงวด

วิธีวัด วิเคราะห์ทดสอบอนุภาคที่นิยมใช้มี 4 วิธี ได้แก่

1.การใช้ตะแกรง (Analytical Sieving Method) เป็นวิธีประมาณขนาด และการกระจายตัวของอนุภาคอย่างง่าย วิธีนี้เหมาะสำหรับวิเคราะห์อนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า 75 ไมครอน โดยวัดขนาดตัวอย่างใน 2 มิติ (กว้างและยาว) ตะแกรงที่ใช้วัดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มิลลิเมตร ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม การวัดจะใช้ปริมาณตัวอย่างระหว่าง 25-100 กรัม ตามแต่ความหนาแน่นของสารตัวอย่าง
นอกจากนี้ในกระบวนการวิเคราะห์ต้องควบคุมอุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ และเลือกขนาดของตะแกรงให้ครอบคลุมช่วงของขนาดตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์

2.การใช้กล้องจุลทรรศน์แสง (Optical Microscopy) เป็นวิธีดูลักษณะและรูปร่างของอนุภาค โดยใช้สายตาวัดขนาดของอนุภาคโดยตรง เทคนิคนี้สามารถวัดขนาดอนุภาคตั้งแต่ช่วง 0.5-100 ไมครอน และสามารถนำข้อมูลไปวิเคราะห์ต่อด้วยเทคนิคการวิเคราะห์ภาพ (image analysis) เพื่อช่วยวิเคราะห์หาขนาด และการกระจายตัวของอนุภาค

3.การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (Scanning Electron Microscopy, SEM) เป็นการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนดูลักษณะโครงสร้าง และองค์ประกอบของอนุภาคเหมือนกล้องจุลทรรศน์แบบแสง แต่มีความซับซ้อนกว่า

4.การเลี้ยวเบนของแสง (Laser Diffraction) เป็นการวัดวิเคราะห์โดยใช้เครื่องวัดขนาดอนุภาค (particle size analyzer) เครื่องจะวัดขนาดอนุภาคโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของแสง สามารถหาได้ทั้งขนาดและการกระจายตัวของอนุภาค

จุดเด่น
1.ทำง่าย
2.มีความถูกต้องและแม่นยำ

จุดด้อย
1.ไม่มีข้อมูลสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการวัด

การหาสภาวะที่เหมาะสม
ด้วยตระหนักถึงความสำคัญในเรื่องขนาดและการกระจายตัวของอนุภาคที่มีต่ออุตสาหกรรม ดร.ธรรมรัตน์ ปัญญธรรมภรณ์ นักวิจัยของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ จึงทำวิจัยร่วมกับคุณนรินทร์ ศิรินันทวิทยา และคุณสามารถ นุชสาย เจ้าหน้าที่ประจำห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของผง ดำเนินการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์หาขนาด และการกระจายตัวของอนุภาคเถ้าแกลบด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของแสงแบบเปียก ซึ่งมีข้อดีเหนือกว่าการวิเคราะห์วิธีอื่น
คณะวิจัยดำเนินการศึกษาทั้งการใช้วิธีคัดและไม่คัดขนาดของเถ้าแกลบ รวมทั้งใช้สารเติมแต่งสำหรับช่วยกระจายตัว* ชนิดต่างๆ เพื่อหาความแม่นยำในการเตรียมตัวอย่าง ตลอดจนวิธีการวัดอนุภาคอย่างเหมาะสม
ด้วยเหตุที่การหาขนาดอนุภาคด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของแสง เกี่ยวข้องกับการกระจายตัวของอนุภาคในของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่ใช้น้ำ โดยทั่วไปการเติมสารลักษณะผงลงในน้ำมักจับตัวเป็นก้อน หรือเกาะกันทำให้มีขนาดใหญ่ขึ้น และเกิดการตกตะกอนได้ ดังนั้นจึงต้องเติมสารช่วยกระจายตัวลงในน้ำ เพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคสารตัวอย่างรวมตัวหรือเกาะกัน)

ผลการศึกษา
ทีมวิจัยพบว่า เมื่อนำอนุภาคเถ้าแกลบไปคัดขนาดด้วยตะแกรงก่อนวิเคราะห์หาขนาดด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของแสง ช่วยให้ผลการวัดขนาดอนุภาคมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น สามารถลดเวลาของการใช้ระบบอัลตราโซนิกให้น้อยลงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้อนุภาคเถ้าแกลบที่ไม่ผ่านการคัดขนาด นอกจากนี้ยังพบว่า สารช่วยกระจายตัวไม่มีผลต่อการกระจายตัวของอนุภาคเถ้าแกลบ

ความรู้ประกอบ

เถ้าแกลบ
ผลิตผลที่หลงเหลือจากนำแกลบมาเผาเป็นเชื้อเพลิง วัสดุชนิดนี้มีส่วนประกอบหลักเป็นสารซิลิกอนออกไซด์ (SiO2) ซึ่งในทางวิศวกรรม เถ้าแกลบจัดเป็นวัสดุพอซโซลาน (pozzolan) มีสมบัติทางกายภาพ และเคมีใกล้เคียงกับปูนซีเมนต์ จึงสามารถนำมาใช้ทดแทนปูนซีเมนต์ในงานคอนกรีตได้

การทำงานของเครื่องวัดขนาดอนุภาค
เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ผ่านลำแสงเลเซอร์จากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ จะเกิดการเลี้ยวเบนของแสงขึ้นในมุมต่างๆ ตามลักษณะขนาดของอนุภาคที่แสงเลเซอร์ตกกระทบ โดยมุมของการเลี้ยวเบนของแสงจะแปรผกผันกับขนาดของอนุภาค ถ้าอนุภาคมีขนาดใหญ่ มุมของการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์จะแคบ แต่ถ้าอนุภาคมีขนาดเล็ก มุมของการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์จะกว้าง ซึ่งความเข้มแสงที่เกิดจากการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ที่มุมต่างๆ จะถูกตรวจวัดด้วยหัวตรวจวัดของเครื่องวัดขนาดอนุภาค และถูกคำนวณเป็นเปอร์เซ็นต์และค่าของขนาดอนุภาคนั้นๆ รวมทั้งสามารถคำนวณเป็นค่าเฉลี่ยของขนาดอนุภาคได้

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
ธรรมรัตน์ ปัญญธรรมาภรณ์ และคณะ (2552) รายงานการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์ การหาสภาวะในการวิเคราะห์ทดสอบหาขนาดและการกระจายตัวของอนุภาคเถ้าแกลบโดยเทคนิคการเลี้ยวเบนของแสง Laser Diffraction แบบเปียก ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
Particle size distribution [On-line]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_size_distribution

สนใจรายละเอียดเพิ่มเติมติดต่อ คุณขจรศักดิ์ สงวนสัตย์ เบอร์โทรศัพท์ (02) 564 – 6500 ต่อ 4667, 4673

Scroll Up