การยึดเกาะของไนลอน: มุมสัมผัสและสมบัติพื้นผิว

การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ มุมสัมผัส และสมบัติพื้นผิวของไนลอน (พอลิเอไมด์)

พอลิเอไมด์ หรือที่รู้จักกันในชื่อไนลอน เป็นพลาสติกสมรรถนะสูงที่มีความทนทานต่อสารเคมีดีเยี่ยม ไนลอนดูดความชื้นได้ง่ายและดูดซับความชื้นจากอากาศ ความชื้นเพียงอย่างเดียวก็ทำให้เกิดปัญหาการยึดเกาะแล้ว ไนลอนไม่ชอบน้ำและมีความสามารถในการเปียกผิวต่ำ คำถามคือ ไนลอนไม่ชอบน้ำ ชอบน้ำ หรืออาจเป็นทั้งสองอย่าง

พอลิเอไมด์คือพอลิเมอร์ที่มีพันธะเอไมด์ (–CO-NH–) เรียงต่อกันซ้ำ ๆ การผลิตพอลิเอไมด์แต่ละชนิดแตกต่างกันไปตามหน่วยมอนอเมอร์ โดยอาจเป็นแบบอะลิฟาติก กึ่งอะโรมาติก หรืออะโรมาติก (อะรามิด) และเมื่อพิจารณาตามความเป็นผลึกอาจเป็นแบบอสัณฐาน กึ่งผลึก หรือผลึก พอลิเมอร์ไนลอนยึดติดได้ยากโดยธรรมชาติ เนื่องจากไม่ชอบน้ำ เฉื่อยต่อปฏิกิริยาเคมี และมีความสามารถในการเปียกผิวต่ำ (กล่าวคือมีพลังงานพื้นผิวต่ำ) นอกจากนี้ ไนลอนยังดูดความชื้นได้ง่ายและสามารถดูดซับน้ำจากบรรยากาศได้เกิน 3% ของมวลตัวเอง ความชื้นเพียงอย่างเดียวก็ทำให้เกิดปัญหาการยึดเกาะแล้ว

ข้อความข้างต้นดูเหมือนจะขัดแย้งกันโดยตรง ไนลอนไม่ชอบน้ำหรือชอบน้ำกันแน่ ความขัดแย้งที่ปรากฏนี้คลี่คลายได้เมื่อเข้าใจว่าพฤติกรรมไม่ชอบน้ำของไนลอนเป็นสมบัติของพื้นผิว ส่วนพฤติกรรมชอบน้ำเป็นสมบัติของเนื้อวัสดุ พอลิอิไมด์ก็แสดงพฤติกรรมเช่นเดียวกันนี้

การพิจารณาโครงสร้างทางเคมีของหน่วยซ้ำในพอลิเมอร์ เช่น หมู่เมทิล (CH3) ในพอลิโอเลฟินที่ไม่ชอบน้ำ หรือหมู่เอไมด์ในไนลอนที่ชอบน้ำ เป็นวิธีง่าย ๆ ในการระบุว่าพอลิเมอร์นั้นชอบน้ำหรือไม่ชอบน้ำ ส่วนวิธีที่ง่ายที่สุดในการหาสมบัติพื้นผิวของพอลิเมอร์คือการวัดมุมสัมผัสของน้ำ ทั้งมุมสัมผัสแบบสถิตและมุมสัมผัสแบบพลวัต

ประเด็นสำคัญ

• ไนลอนไม่ชอบน้ำที่พื้นผิวแต่ชอบน้ำในเนื้อวัสดุ ความขัดแย้งที่ปรากฏนี้คือกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจ
• ไนลอนดูดซับน้ำจากบรรยากาศได้เกิน 3% ของมวลตัวเอง และความชื้นเพียงอย่างเดียวก็ทำให้เกิดปัญหาการยึดเกาะ
• พันธะเอไมด์ดึงดูดน้ำ ซึ่งเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของเนื้อวัสดุ ขณะที่พื้นผิวยังคงมีพลังงานต่ำและไม่เปียกน้ำ
• พอลิอิไมด์มีพฤติกรรมแบบเดียวกัน หลักการนี้จึงใช้ได้กว้างกว่าเฉพาะพอลิเอไมด์

ไนลอนมีพลังงานพื้นผิวต่ำเช่นเดียวกับพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นผลจากเคมีพื้นผิวและฟิสิกส์ของพื้นผิวพอลิเมอร์ โดยทั่วไปถือว่ามุมสัมผัสได้รับผลกระทบทั้งจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของพื้นผิวและการเปลี่ยนแปลงลักษณะภูมิประเทศของพื้นผิว เมื่อหยดของเหลวเกาะอยู่บนพื้นผิวของแข็งและพื้นผิวนั้นถูกเอียง หยดจะพุ่งไปข้างหน้าและไหลลงด้านล่าง มุมที่เกิดขึ้นเรียกว่ามุมรุกคืบ (Advancing Angle) และมุมถอยร่น (Receding Angle) ตามลำดับ มาตรฐาน ASTM D724 อธิบายวิธีการวัดมุมสัมผัสแบบพลวัต (DCA) ด้วยอุปกรณ์ขั้นสูง (ออปติคอลเทนซิโอมิเตอร์และโกนิโอมิเตอร์) เพื่อวิเคราะห์มุมสัมผัสแบบรุกคืบและแบบถอยร่นจากการวิเคราะห์รูปทรงของหยดและมวล

มุมสัมผัสแบบรุกคืบไวต่อองค์ประกอบพลังงานต่ำ (ที่ยังไม่ผ่านการปรับสภาพ) ของพื้นผิววัสดุรองรับมากที่สุด ขณะที่มุมถอยร่นไวต่อหมู่ที่ถูกออกซิไดซ์ซึ่งมีพลังงานสูงและเกิดขึ้นจากการปรับสภาพพื้นผิวมากกว่า ดังนั้นมุมถอยร่นจึงเป็นค่าที่บ่งบอกลักษณะขององค์ประกอบที่ถูกปรับสภาพบนพื้นผิวได้ดีที่สุดภายหลังการปรับสภาพ ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องวัดทั้งมุมสัมผัสแบบรุกคืบและแบบถอยร่นบนวัสดุทุกชนิดที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิว

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. ซึ่งเป็นบริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านการแปรรูปพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว การมาร์กด้วยเลเซอร์ และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ เขาพัฒนาเทคโนโลยีใหม่และแก้ปัญหาด้านการผลิตมากว่า 30 ปี ติดต่อ Sabreen ได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.adhesionbonding.com

คำถามที่พบบ่อย

ไนลอนไม่ชอบน้ำหรือชอบน้ำ?

เป็นทั้งสองอย่าง และนี่ไม่ใช่ความขัดแย้ง พฤติกรรมไม่ชอบน้ำของไนลอนเป็นสมบัติของพื้นผิว ส่วนพฤติกรรมชอบน้ำเป็นสมบัติของเนื้อวัสดุ พื้นผิวต้านการเปียกและมีพลังงานพื้นผิวต่ำ ขณะที่หมู่เอไมด์ภายในสายโซ่ดึงดูดน้ำ เนื้อวัสดุจึงดูดซับความชื้นได้ง่าย

ไนลอนดูดซับความชื้นมากเพียงใด?

เกิน 3% ของมวลตัวเองจากบรรยากาศ ความชื้นเพียงอย่างเดียวก็ทำให้เกิดปัญหาการยึดเกาะ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องอบแห้งอย่างถูกต้องก่อนการขึ้นรูป ทั้งเพื่อกระบวนการผลิตและเพื่อสมรรถนะของขั้นตอนการยึดติดที่ตามมา

จะทราบได้อย่างไรว่าพอลิเมอร์ชอบน้ำหรือไม่ชอบน้ำ?

ให้พิจารณาหน่วยซ้ำในโครงสร้างทางเคมี หมู่เมทิลอย่างที่พบในพอลิโอเลฟินบ่งชี้พฤติกรรมไม่ชอบน้ำ ส่วนหมู่เอไมด์อย่างที่พบในไนลอนบ่งชี้พฤติกรรมชอบน้ำ ถือเป็นการตรวจสอบเบื้องต้นอย่างรวดเร็วก่อนการทดสอบพื้นผิวใด ๆ

เหตุใดไนลอนจึงยึดติดได้ยาก?

เพราะไนลอนไม่ชอบน้ำ เฉื่อยต่อปฏิกิริยาเคมี และมีความสามารถในการเปียกผิวต่ำอันเนื่องมาจากพลังงานพื้นผิวต่ำ กาวจึงไม่สามารถแผ่เปียกพื้นผิวได้อย่างเพียงพอ โดยปกติจึงต้องมีการปรับสภาพพื้นผิวเพื่อเพิ่มพลังงานพื้นผิวและเติมหมู่ฟังก์ชันทางเคมีที่มีขั้ว

พอลิอิไมด์มีพฤติกรรมเหมือนไนลอนหรือไม่?

ใช่ พอลิอิไมด์แสดงการแยกระหว่างพฤติกรรมไม่ชอบน้ำที่พื้นผิวกับพฤติกรรมชอบน้ำในเนื้อวัสดุเช่นเดียวกัน หลักปฏิบัติในการอบแห้งและตรรกะของการปรับสภาพพื้นผิวแบบเดียวกันจึงนำมาใช้ได้

---