ปิโตรเลียมเเละโพลิเมอร์

เนื้อเรื่อง

กำเนิดปิโตรเลียม

เมื่อหลายล้านปี ทะเลเต็มไปด้วยสัตว์ และพืชเล็ก ๆ

จำพวกจุลินทรีย์ เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงจำนวนมหาศาล ก็จะตกลงสู่ก้นทะเล และถูกทับถมด้วยโคลน และทราย

 

แม่น้ำจะพัดพากรวดทราย และโคลนสู่ทะเล ปีละหลายแสนตัน ซึ่งกรวด ทราย และโคลน จะทับถมสัตว์ และพืชสลับทับซ้อนกัน เป็นชั้น ๆ อยู่ตลอดเวลา นับเป็นล้านปี

การทับถมของชั้นตะกอนต่าง ๆ มากขึ้น จะหนานับร้อยฟุต ทำให้เพิ่มน้ำหนักความกดและบีบอัด จนทำให้ทราย และชั้นโคลน กลายเป็นหินทราย และหินดินดาน ตลอดจนเกิดกลั่นสลายตัว ของสัตว์ และพืชทะเล เป็นน้ำมันดิบ และก๊าซธรรมชาติ

น้ำมันดิบ และก๊าซธรรมชาติ มีความเบา จะเคลื่อนย้าย ไปกักเก็บอยู่ในชั้นหินเนื้อพรุน เฉพาะบริเวณที่สูงของโครงสร้างแต่ละแห่ง และจะถูกกักไว้ด้วยชั้นหินเนื้อแน่น ที่ปิดทับอยู่

ผลิตภัณฑ์จากการกลั่นปิโตรเลียม

น้ำมันดิบหรือปิโตรเลียม มีส่วนประกอบเป็นธาตุคาร์บอน และไฮโดรเจน และอาจมีธาตุอื่นๆปะปนอยู่ด้วย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งน้ำมันดิบแต่ละที่จะมีองค์ประกอบ แตกต่างกัน การนำน้ำมันดิบมาใช้ประโยชน์ ต้องผ่านกระบวนการกลั่นแยก ซึ่งเรียกว่า การกลั่นลำดับส่วน เพื่อแยกน้ำมันดิบออกเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆจำนวนมาก ทั้งนี้ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นลำดับส่วนน้ำมันดิบ จะมีองค์ประกอบชนิดใดมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับแหล่งน้ำมันดิบ เช่น บางแหล่งกลั่นได้น้ำมันดีเซลมาก หรือบางแห่งอาจจะได้น้ำมันเบนซินมาก เป็นต้น

ผลิตภัณฑ์จากการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียม เรียกว่า สารประกอบไฮโดรคาร์บอน ซึ่งประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน และคาร์บอน จำนวนแตกต่างกัน มีตั้งแต่โมเลกุลที่มีคาร์บอน 1 อะตอม ขึ้นไปจนถึงกว่า 50 อะตอม ถ้าโมเลกุลที่มีจำนวน 1 - 4 อะตอม จะมีสถานะเป็นแก๊ส เมื่อจำนวนคาร์บอนเพิ่มขึ้น สถานะจะเป็นของเหลว และมีความข้นเหนียวมากขึ้นตามจำนวนคาร์บอน ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้ นำไปใช้ประโยชน์ในลักษณะแตกต่างกันดังข้อมูลในตารางนี้

จำนวนคาร์บอนอะตอม

สถานะ

จุดเดือด (เซลเซียส)

ประโยชน์ของผลิตภัณฑ์

1 - 4

แก๊ส

น้อยกว่า 30

แก๊สหุงต้ม

5 - 7

ของเหลว

30 - 110

ตัวทำละลายในอุตสาหกรรม

6 - 12

ของเหลว

65 - 170

น้ำมันเบนซิน

10 - 14

ของเหลว

170 - 250

น้ำมันก๊าด เครื่องบินไอพ่น

14 - 19

ของเหลว

250 - 340

น้ำมันดีเซล

19 - 35

ของเหลวข้น

มากกว่า 350

น้ำมันหล่อลื่น

35 - 40

เหลวหนืด

มากกว่า 400

น้ำมันเตา

40 - 50

กึ่งเหลวกึ่งแข็ง

มากกว่า 400

เทียนไข จารบี แว็กซ์

มากกว่า 50

กึ่งแข็งจนถึงแข็ง

พอลิเมอร์ (Polymer)

พอลิเมอร์   คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วย หน่วยเล็ก ๆ ของสารที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี เรียกว่าพันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond) หน่วยเล็กๆของพอลิเมอร์คือโมเลกุลเล็กๆ เรียกว่า มอนอเมอร์ (Monomer)
มอนอเมอร์ (Monomer) คือ หน่วยเล็ก ๆ ของสารในพอลิเมอร์
ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ เรียกว่า พอลิเมอไรเซชั่น (Polymerization) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของมอนอเมอร์แต่ละชนิด ภายใต้สภาวะต่างๆ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิ ความดัน เป็นต้น ทำให้เกิดพอลิเมอร์ชนิดต่างๆขึ้นมากมาย ทั้งที่เป็นพอลิเมอร์ในธรรมชาติ หรือพอลิเมอร์สังเคราะห์

พอลิเมอร์ แบ่งตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้
  แบ่งตามการเกิด
ก. พอลิเมอร์ธรรมชาติ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ยางธรรมชาติ
ข. พอลิเมอร์สังเคราะห์ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์โดยปฏิกิริยาเคมี โดยใช้สารเริ่มต้นหรือมอนอเมอร์ ส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลของไฮโดรคาร์ไม่อิ่มตัว ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว คือสารประกอบที่มีพันธะคู่ระหว่างคาร์บอนอะตอมในโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอน เช่น เอทิลีน โพรพิลีน เป็นต้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชั่น จะได้พอลิเมอร์ ที่มีมวลโมเลกุลมาก และมีโครงสร้างแข็งแรง เช่น พอลีเอทิลีน พอลีโพรพิลีน เป็นต้น ซึ่งพอลิเมอร์เหล่านี้เรียกว่า เม็ดพลาสติก ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่อเนื่อง เรียกว่า ปิโตรเคมี เพื่อใช้ประโยชน์ในการผลิตวัสดุต่าง ๆ เช่น พลาสติก ไนลอน ดาครอนและลูไซต์  วัสดุต่างๆที่เป็นพลาสติก ในปัจจุบันจึงได้จากกระบวนการพอลิเมอไรเซชั่นเป็นจำนวนมาก เช่น พลาสติกต่างๆ ภาชนะใส่อาหาร ท่อสายยาง ฟิล์มถ่ายรูป ของเล่นเด็ก และอีกมากมาย

แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ

ก.       โฮมอลิเมอร์ เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง พอลิเอทิลีน PVC

ข.       โคพอลิเมอร์ เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ต่างชนิดกัน เช่น โปรตีน พอลิเอสเทอร์

โครงสร้างของพอลิเมอร์

ก. พอลิเมอร์แบบเส้น
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่น ๆ จึงมีความหนาแน่น และจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง ขุ่นเหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ ตัวอย่าง PVC พอลิสไตรีน พอลิเอทิลีน

ข. พอลิเมอร์แบบกิ่ง
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ยึดกันแตกกิ่งก้านสาขา มีทั้งโซ่สั้นและโซ่ยาว กิ่งที่แตกจาก พอลิเมอร์ของโซ่หลัก ทำให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวต่ำยืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ำ โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่าง พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ

ค. พอลิเมอร์แบบร่างแห
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่อเชื่อมกันเป็นร่างแห พอลิเมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่างเบกาไลต์ เมลามีนใช้ทำถ้วยชาม

ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชัน

พอลิเมอร์ไรเซชัน (Polymerization) คือกระบวนการเกิดสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ (พอลิเมอร์) จากสารที่มีโมเลกุลเล็ก (มอนอเมอร์)

ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชัน

ก. ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันแบบเติม

ข. ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชันแบบควบแน่น

หมายเหตุ พอลิเมอร์บางชนิดเป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากสารอนินทรีย์ เช่น ฟอสฟาซีน ซิลิโคน

ส่วนกลางแบ่งพอลิเมอร์ในทางกายภาพนั้น

                โพลีเมอร์ที่เรามีการใช้งานในชีวิตประจำวันนั้น สามารถแบ่งออกตามลักษณะทางกายภาพได้ออกมากว้าง ๆ ได้ 4 แบบ ก็คือ

1.เส้นใย เป็นโพลีเมอร์กลุ่มที่แข็งแรงที่สุด เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของเส้นใยนั้นมีขนาดที่เล็กมาก ตัวโพลีเมอร์เองจึงจำเป็นต้องรับแรงในแนวแกนเส้นใยให้ได้สูงสุด เส้นใยจึงมีลักษณะทางกายภาพที่ดูเบาบาง แต่มีความแข็งแรงสูง

2.พลาสติก มีความแข็งแรงรองจากเส้นใย แม้ว่าการใช้งานพลาสติกนั้น จะมีมิติความกว้าง ยาว สูง มากกว่าเส้นใยหลายเท่า ทำให้ดูเหมือนว่าแข็งแรงกว่าเส้นใย แต่ถ้าลองนำพลาสติกไปฉีดให้มีความบางเท่าเส้นใย จะพบว่ามันแข็งแรงน้อยกว่ามาก

3.ยาง มีจุดเด่นคือความยืดหยุ่นสูง เราจึงไม่เปรียบเทียบเรื่องความแข็งแรง แต่มักจะคำนึงถึงค่าเปอร์เซ็นต์การยืดตัวก่อนขาด (elongation at break) และแรงดึงที่จุดขาด (load at break) แทน นอกจากนี้โพลีเมอร์ในกลุ่มนี้จำเป็นต้องมีการคืนตัวกลับได้ดีด้วย (recovery property) จึงต้องมีการเพิ่งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโซ่โมเลกุลด้วยการเชื่อมขวาง (crosslink) ซึ่งจุดที่เชื่อมขวางนี้ควรจะอยู่ห่างกันในระยะที่เหมาะสม เนื่องจากหากถี่เกินไป ยางที่ได้จะมีลักษณะแข็งไม่ยืดหยุ่น ในขณะที่ถ้าห่างเกินไป ก็จะได้ยางที่มีลักษณะนิ่มเกินไป

4.สารละลายและลาเทกซ์ ใช้งานในรูปของโพลิเมอร์ที่กระจายตัวในของเหลวอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็นตัวทำละลายของโพลีเมอร์เอง หรือกระจายตัวเป็นอิมัลชันในน้ำ ลักษณะการใช้งานคือเป็น กาว สีทาบ้าน เชลแล็ค หรือ สารเคลือบผิวอื่น ๆ โพลีเมอร์ในกลุ่มนี้ควรจะกระจายตัวได้ดี และมีความสามารถในการเชื่อมขวางได้ในสภาวะที่มีแสง หรือแก๊ซออกซิเจนได้ หรือไม่ก็สามารถที่จะนำตัวเองไปเกี่ยวพัน (entanglement) กับวัสดุอื่น ๆ ได้

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากพอลิเมอร์ 

            พลาสติก  (Plastic)  คือ สารที่สามารถทำให้เป็นรูปต่าง ๆ  ได้ด้วยความร้อน  พลาสติกเป็นพอลิเมอร์  ขนาดใหญ่ มวลโมเลกุลมาก

        สมบัติ   เสถียร สลายตัวยาก มีมวลน้อย เบา  เป็นฉนวนความร้อนและไฟฟ้าที่ดี  ส่วนมากอ่อนตัวและหลอมเหลวเมื่อได้รับความร้อน จึง

เปลี่ยนเป็นรูปต่าง ๆ ได้ตามประสงค์

    ประเภทพลาสติก

             ก. เทอร์มอพลาสติก   เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัว และเมื่ออุณหภูมิลดลงจะแข็งตัว  ถ้าให้ความร้อนอีกก็จะอ่อนตัว สามารถทำให้

กลับเป็นรูปเดิมหรือเปลี่ยนเป็นรูปอื่นได้  โดยสมบัติของพลาสติกเหมือนเดิม  พลาสติกประเภทนี้โครงสร้างโมเลกุล เป็นโซ่ตรงยาว  มีการเชื่อมต่อ

ระหว่างโซ่พอลิเมอร์น้อยมาก   จึงสามารถหลอมเหลว หรือเมื่อผ่านการอัดแรงมากๆ  โดยจะไม่ทำลายโครงสร้างเดิม  

   ตัวอย่าง

        พอลิเอทิลีน  พอลิโพรพิลีน  พอลิสไตรีน

             ข. พลาสติกเทอร์มอเซต  คงรูปภายหลังจากการผ่านความร้อนหรือแรงดันเพียงครั้งเดียว  เมื่อเย็นลงจะแข็งตัวมีความแข็งแรงมาก

  ทนความร้อนและความดัน ไม่อ่อนตัวและเปลี่ยนรูปร่างไม่ได้  แต่ถ้าอุณหภูมิสูงพอก็จะแตกและไหม้เป็นขี้เถ้าสีดำ  พลาสติกประเภทนี้โมเลกุลจะ

เชื่อมโยงกันเป็นร่างแหจับกันแน่น  แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลแข็งแรงมาก  จึงไม่สามารถนำมาหลอมเหลวได้

    ตัวอย่าง

        เมลามีน  พอลิยูรีเทน

เส้นใย (Fibers) คือ  พอลิเมอร์ชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างของโมเลกุลสามารถนำมาเป็นเส้นด้าย   เส้นใยจำแนกตามลักษณะการเกิดได้ดังนี้

เส้นใยธรรมชาติ	เส้นใยเซลลูโลส	ลินิน  ปอ  เส้นใยสับปะรด  นุ่น   ใยมะพร้าว  ขนแกะ   ขนแพะ
	เส้นใยโปรตีน	ขนสัตว์ เช่น ขนแกะ ขนแพะ
	เส้นใยไหม	เส้นใยจากรังไหม
เส้นใยสังเคราะห์	เซลลูโลสแอซีเตด   ไนลอน   ดาครอน   Orlon

ยาง (Rubber) คือ  สารที่มีสมบัติยืดหยุ่นได้  ทำให้เป็นรูปร่างต่าง ๆ ได้  เป็นสารประกอบพอลิเมอร์

ประเภทยาง

     ก. ยางธรรมชาติ ได้จากต้นยางพารา น้ำยางที่ได้เป็นของเหลวสีขาว ชื่อพอลิไอโซปริน สมบัติ มีความ

ยืดหยุ่น  เพราะโครงสร้างโมเลกุลของยางมีลักษณะม้วนงอขดไปมาปิดเป็นเกลียว ได้ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล

เป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ สมบัติเปลี่ยนง่ายคือเมื่อร้อนจะอ่อนตัวเหนียว      แต่เย็นจะแข็งและเปราะ      

             ข. ยางสังเคราะห์  เป็นพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ขึ้นจากสารผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม เช่น

             กระบวนการวัลคาไนเซชัน (Vulcanization process)  คือ  กระบวนการที่ใช้ในการเพิ่มคุณภาพของยางธรรมชาติ

 (ยางดิบ)  ให้มีความยืดหยุ่นได้ดีขึ้น  มีความคงตัวสูง  ไม่สึกกร่อนง่าย  และไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์  สมบัติ

เหล่านี้จะยังคงอยู่  ถึงแม้ว่าอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงก็ตาม

มากกว่า 400

400

ยางมะตอย