แปลและเรียบเรียง โดย มาริสา คุณธนวงศ์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
เทคนิคใหม่ทำให้พลาสติกพอลิเอทิลีนมีความแข็งแรงเทียบเท่าอลูมิเนียม มีประโยชน์ต่อหลากหลายอุตสาหกรรม

ศาสตราจารย์ Ton Peijis จาก มหาวิทยาลัยวอร์ริก (Warwick University) และ ศาสตราจารย์ Cees Bastiaansen จากควีนแมรี่ มหาวิทยาลัยลอนดอน (Queen Mary University of London) ได้คิดค้นฟิล์มพอลิเอทิลีนแบบโปร่งใสที่มีความต้านทานแรงดึง (Tensile strength) สูงกว่าอลูมิเนียม

ในอนาคต นักวิจัยคาดว่าฟิล์มดังกล่าวสามารถนำไปใช้เคลือบชิ้นส่วนต่างๆในอุตสาหกรรมยานยนต์ การบินและอวกาศ หรือหน้าจอแสดงผลที่มีความแข็งแรงสูง รวมถึงนำไปประยุกต์ใช้ในงานด้านอื่นที่ต้องการกระจกที่โปร่งใสและทนต่อแรงกระแทกได้ด้วย
อุปสรรคจากการใช้กระจกแก้วในอุตสาหกรรมนั้น นอกจากความเปราะแตกง่ายแล้ว ยังมีน้ำหนักมาก ส่งผลให้ยานพาหนะใช้พลังงานเกินความจำเป็น ดังนั้น พลาสติกใสที่มีน้ำหนักเบากว่าและมีความเหนียวกว่าจึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจ
อย่างไรก็ตาม พลาสติกใสที่นิยมใช้กันในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็น พอลิคาร์บอเนต หรือ พอลิเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) ล้วนมีสมบัติทางกลที่ด้อยกว่า ทั้งยังเกิดรอยขูดขีดและฝ้ามัวได้ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับกระจกแก้ว
ในงานวิจัยนี้ ทีมเลือกใช้พอลิเมอร์ชนิดพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) และนำมาพัฒนาด้วยเทคนิคใหม่ที่ปรับเรียงสายโมเลกุลภายในแผ่นฟิล์ม HDPE เพื่อเพิ่มสมบัติทางกลของมันให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งไม่เพียงแต่จะพัฒนาให้วัสดุมีสมบัติที่ดีแข่งกับกระจกแก้วได้เท่านั้น แต่ต้องการให้มีสมบัติที่เทียบเท่ากับโลหะได้ด้วย
ทีมใช้เทคนิคปรับอุณหภูมิในกระบวนการดึงขึ้นรูป (drawing) ที่เป็นวิธีการขึ้นรูปวัสดุภายใต้แรงดึง (tension) ซึ่งโดยปกติเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลจะมีการเรียงตัวใหม่ โครงสร้างจุลภาคของพอลิเมอร์ก่อนดึงจะคล้ายกับเส้นสปาเกตตี้ที่ปรุงสุกแล้วในชาม แต่ภายหลังที่ดึงยืดแล้ว โมเลกุลจะเรียงเป็นแนวเหมือนกับเส้นสปาเกตตี้ที่ยังไม่สุก ลักษณะเช่นนี้ทำให้มันสามารถรับภาระได้มากขึ้นด้วย
โดยทั่วไปเทคนิคดังกล่าวไม่ได้เกิดอย่างสมบูรณ์ เพราะการดึงขึ้นรูปพอลิเอทิลีนจะพบจุดบกพร่อง (defect) และช่องว่างในโครงสร้าง สิ่งเหล่านี้ทำให้ความโปร่งใสและความแข็งแรงของวัสดุลดลง
ดังนั้น ทีมวิจัยจึงพัฒนาเทคนิคที่ทำให้วัสดุยังคงโปร่งใสอยู่ และเพิ่มความแข็งแรงแก่วัสดุได้ด้วยการปรับอุณหภูมิที่ใช้ในการดึงขึ้นรูปให้เกือบถึงจุดหลอมเหลวของพอลิเมอร์ และทีมวิจัยพบว่า อุณหภูมิระหว่าง 90 ถึง 110 องศาเซลเซียสนั้น เป็นอุณหภูมิที่ใช้ดึงขึ้นรูปที่ทำให้สมบัติด้านความแข็งแรงและความโปร่งใสของวัสดุมีความสมดุลที่สุด
พวกเราคาดว่า “การใช้อุณหภูมิการดึงขึ้นรูปที่สูงเช่นนี้ ส่งผลให้การเคลื่อนตัวของสายโซ่พอลิเมอร์เคลื่อนมากขึ้น ทำให้จุดบกพร่องต่างๆที่เกิดขึ้นในฟิล์มมีปริมาณลดลง การกระเจิงของแสงน้อยลง ฟิล์มจึงดูโปร่งใสมากขึ้นนั่นเอง” ศาสตราจารย์ Peijs กล่าว
ผลที่ได้จากงานวิจัย พบว่าฟิล์ม HDPE โปร่งใสสูงที่ทีมผลิตขึ้นมานี้มีค่ามอดุลัสของยังที่ 27 จิกะปาสกาล (วัดว่ายืดได้เท่าไหร่ภายใต้แรงดึง) และ ความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ 800 เมกะปาสกาล ตามทิศทางการดึงขึ้นรูป ซึ่งสูงกว่าพลาสติกพอลิคาร์บอเนต และ พอลิเมทิลเมทาคริเลต ถึง 10 เท่า ในขณะที่อลูมิเนียมมีค่ามอดุลัสของยังอยู่ที่ 69 จิกะปาสกาล และอลูมิเนียมที่ใช้ในการบินและอวกาศมีความต้านทานแรงดึงสูง 500 เมกะปาสกาล นอกจากนี้ ฟิล์ม HDPE ยังได้เปรียบเรื่องน้ำหนักที่เบากว่าตัวเลือกทั้งหมดอีกด้วย
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
https://warwick.ac.uk/newsandevents/pressreleases/new_technique_to/
www.theengineer.co.uk/warwick-researchers-polythene-transparent-aluminium/
https://phys.org/news/2019-04-technique-transparent-polythene-strong-aluminium.html
งานวิจัยฉบับเต็ม
Yunyin Lin et al. Glass-like transparent high strength polyethylene films by tuning drawing temperature, Polymer (2019). DOI: 10.1016/j.polymer.2019.03.036