เทคนิคทำแผ่นฟิล์มพอลิเอทิลีนให้มีความแข็งแรงเท่าอลูมิเนียม

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