เหตุใดพลาสติกบางชนิดจึงใช้งานได้นาน ในขณะที่บางชนิดกลับเสื่อมสภาพและแตกง่าย ทั้งๆ ที่ล้วนเป็นวัสดุพลาสติกเหมือนกัน?(1)
ทำไมพลาสติกบางชนิดจึงใช้งานได้นาน ในขณะที่บางชนิดกลับเสื่อมสภาพและแตกหักง่าย ทั้งๆ ที่ล้วนเป็นวัสดุพลาสติกเหมือนกัน?
พลาสติกเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่เราสัมผัสอยู่ทุกวัน ไม่ว่าจะเป็นขวดน้ำแร่ ภาชนะบรรจุอาหารแบบซื้อกลับบ้าน เคสโทรศัพท์มือถือ ปลั๊กไฟ ปลอกสายไฟ ภายในรถยนต์ ตัวเครื่องเครื่องใช้ไฟฟ้า ซีล ท่อ และฟิล์มบรรจุภัณฑ์ พลาสติกพบได้แทบทุกที่ แต่หลายคนกลับไม่ได้มีทัศนคติที่ดีต่อพลาสติกนัก
เมื่อพูดถึงพลาสติก ความคิดเห็นทั่วไปมักจะเป็นแบบนี้: ราคาถูก บอบบาง แตกหักง่ายเมื่อเวลาผ่านไป และเสื่อมสภาพได้ง่ายเมื่อโดนแสงแดด บางชนิดยังเปลี่ยนเป็นสีเหลือง เหนียว และมีกลิ่นแปลกๆ อีกด้วย
ปรากฏการณ์เหล่านี้มีอยู่จริง อย่างไรก็ตาม การสรุปว่า “พลาสติกทุกชนิดขาดความทนทาน” นั้นเป็นการสรุปที่ง่ายเกินไป พลาสติกไม่ใช่เพียงวัสดุชนิดเดียว แต่เป็นกลุ่มวัสดุที่กว้างขวาง ความแตกต่างระหว่างพลาสติกชนิดต่างๆ นั้นมีมากกว่าที่หลายคนคิด แม้ว่าทั้งหมดจะถูกเรียกว่าพลาสติก แต่บางชนิดผลิตขึ้นเพื่อบรรจุภัณฑ์แบบใช้ครั้งเดียว บางชนิดสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ บางชนิดสำหรับเฟืองและตลับลูกปืน บางชนิดสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ และบางชนิดสามารถใช้งานได้ในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง การกัดกร่อนรุนแรง และต้องการฉนวนไฟฟ้า
ดังนั้น คำถามที่แท้จริงจึงไม่ใช่ว่าพลาสติกมีความทนทานหรือไม่ แต่เป็น:
ใช้พลาสติกประเภทใด?
มีการดัดแปลงโดยเติมสารปรุงแต่งหรือไม่?
กระบวนการผลิตเหมาะสมหรือไม่?
สภาพแวดล้อมในการใช้งานเกินขีดจำกัดประสิทธิภาพของวัสดุหรือไม่
ในบทความนี้ เราจะเริ่มต้นด้วยคำถามนี้: เหตุใดพลาสติกบางชนิดจึงมีความทนทานสูง ในขณะที่บางชนิดกลับเสื่อมสภาพและแตกหักได้ง่าย?
I. พลาสติกไม่ใช่เพียงวัสดุชนิดเดียว แต่เป็นกลุ่มวัสดุทั้งหมด
ในชีวิตประจำวัน เรามักเรียกสิ่งของหลายอย่างว่า พลาสติก แต่ในวิทยาศาสตร์วัสดุ พลาสติกนั้นครอบคลุมประเภทที่แตกต่างกันมากมาย
โพลีเอทิลีน (พีอี): นิยมใช้ในการผลิตฟิล์ม ฝาขวด ท่อ และวัสดุบรรจุภัณฑ์
พีพี (โพลีโพรพีลีน): นำไปใช้อย่างแพร่หลายในภาชนะบรรจุอาหาร ชิ้นส่วนเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน ชิ้นส่วนยานยนต์ และของใช้ในชีวิตประจำวัน
พีวีซี (โพลีไวนิลคลอไรด์): โดยทั่วไปใช้สำหรับท่อ ปลอกสายเคเบิล พื้น และโปรไฟล์ต่างๆ
แอ็บเอส: ใช้สำหรับทำตัวเรือนเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน ของเล่น และชิ้นส่วนภายในรถยนต์
โพลีคาร์บอเนต (พีซี): มีความโปร่งใสดีเยี่ยมและทนทานต่อแรงกระแทกสูง เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโปร่งใสและชิ้นส่วนป้องกัน
พีเอ (โพลีอะไมด์ หรือที่รู้จักกันในชื่อไนลอน): มีความแข็งแรงและทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม นิยมใช้ในการผลิตเฟือง ตลับลูกปืน และชิ้นส่วนทางกลต่างๆ
พีโอเอ็ม (โพลีออกซีเมทิลีน): มีความแข็งแกร่งและทนทานต่อการสึกหรอสูง เหมาะสำหรับชิ้นส่วนระบบส่งกำลังที่มีความแม่นยำสูง
ทีพียู (เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์): มีความยืดหยุ่นและทนต่อการเสียดสี นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในเคสโทรศัพท์มือถือ วัสดุสำหรับรองเท้า สายเคเบิล และท่ออ่อน
โดยทั่วไปแล้วคนทั่วไปมักเรียกวัสดุเหล่านี้ว่า "พลาสติก" แต่คุณสมบัติของมันแตกต่างกันอย่างมาก บางชนิดอ่อนนุ่ม ในขณะที่บางชนิดแข็ง บางชนิดทนต่ออุณหภูมิต่ำ ในขณะที่บางชนิดทนต่ออุณหภูมิสูง บางชนิดโปร่งใส ในขณะที่บางชนิดทึบแสง บางชนิดทนต่อน้ำมัน ในขณะที่บางชนิดไวต่อตัวทำละลาย บางชนิดเหมาะสำหรับใช้ภายในอาคาร ในขณะที่บางชนิดสามารถใช้ภายนอกอาคารได้เป็นเวลานาน
ดังนั้น เมื่อพิจารณาว่าชิ้นส่วนพลาสติกมีความน่าเชื่อถือหรือไม่ ขั้นตอนแรกไม่ใช่การตรวจสอบว่ามันทำจากพลาสติกหรือไม่ แต่เป็นการระบุให้แน่ชัดว่ามันเป็นพลาสติกประเภทใดและจะนำไปใช้ในสถานการณ์ใด
2.. ทำไมพลาสติกจึงเสื่อมสภาพตามกาลเวลา?
การเสื่อมสภาพของพลาสติกโดยพื้นฐานแล้วหมายถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในโครงสร้างของวัสดุระหว่างการใช้งาน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจเกิดจากแสง ความร้อน ออกซิเจน ความชื้น สารเคมี ความเครียดทางกล และอาจเกิดจากสภาวะการผลิตและการออกแบบสูตรการผลิตด้วย หลังจากเสื่อมสภาพแล้ว พลาสติกอาจแสดงปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้: เปราะและแตกร้าว เปลี่ยนเป็นสีเหลือง เป็นผง เหนียว แข็งตัว อ่อนตัว สูญเสียความแข็งแรง ผิวหมอง และเสียรูปทรง สาเหตุหลักของอาการเหล่านี้ไม่เหมือนกัน
1. แสงแดดและรังสียูวีทำให้พลาสติกเปราะแตกง่าย
ชิ้นส่วนพลาสติกกลางแจ้งหลายชนิดมีความเปราะบางต่อการสัมผัสแสงแดดเป็นเวลานาน รังสีอัลตราไวโอเลตในแสงแดดจะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันด้วยแสงในวัสดุพอลิเมอร์บางชนิด ทำให้เกิดการแตกตัวของโซ่โมเลกุลและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง อาการที่เห็นได้ชัด ได้แก่ สีซีดจาง เหลืองขึ้น ผิวเป็นฝุ่นผง และความแข็งแรงลดลง ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การเปราะและแตกร้าว
นี่คือเหตุผลว่าทำไมถังพลาสติก เก้าอี้พลาสติก และปลอกหุ้มสายเคเบิลภายนอกอาคาร จึงสามารถใช้งานได้ดีในที่ร่มเป็นเวลาหลายปี แต่กลับเปราะแตกง่ายอย่างเห็นได้ชัดหลังจากนำไปวางไว้กลางแจ้งเป็นระยะเวลาหนึ่ง
สำหรับการใช้งานกลางแจ้ง ปัจจัยต่างๆ เช่น ระดับความทนทานต่อสภาพอากาศ ระบบป้องกันรังสียูวี คาร์บอนแบล็ก สารคงตัวต่อแสง สารต้านอนุมูลอิสระ หรือสารเคลือบผิว มักต้องนำมาพิจารณาด้วย พลาสติกทุกชนิดไม่ได้เหมาะสมสำหรับการใช้งานกลางแจ้งในระยะยาวเสมอไป
2. อุณหภูมิสูงเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันและทำให้ประสิทธิภาพลดลง
พลาสติกมีความไวต่ออุณหภูมิ พลาสติกบางชนิดมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมที่อุณหภูมิห้อง แต่จะเกิดการเสื่อมสภาพจากความร้อนและออกซิเดชันหากอยู่ในสภาวะอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน ตัวอย่างเช่น บริเวณใกล้เครื่องยนต์ ช่องระบายความร้อน ชิ้นส่วนที่สร้างความร้อนของเครื่องใช้ไฟฟ้า และภายในรถยนต์ที่สัมผัสกับแสงแดดโดยตรง อาจมีอุณหภูมิสูงกว่าสภาพแวดล้อมภายในอาคารทั่วไปมาก
เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเสื่อมสภาพของวัสดุจะเร่งตัวขึ้น และความคงตัวของขนาด ความแข็งแรง และความเหนียวอาจเสื่อมลง ดังนั้น ความสามารถในการใช้งานของชิ้นส่วนพลาสติกจึงขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่ว่ามันสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงเช่นนั้นได้ในระยะสั้นหรือไม่ แต่ยังขึ้นอยู่กับว่ามันสามารถรักษาคุณสมบัติไว้ได้ภายใต้อุณหภูมิเหล่านั้นในระยะยาวหรือไม่ รายละเอียดนี้มักถูกมองข้ามโดยผู้เริ่มต้นใช้งานหลายคน
3. การกระจุกตัวของความเค้นเป็นสาเหตุให้เกิดการแตกร้าว ก่อนกำหนด
การแตกร้าวในชิ้นส่วนพลาสติกบางชิ้นไม่ได้เกิดจากวัสดุพื้นฐานที่ด้อยคุณภาพเพียงอย่างเดียว แต่ยังมีปัจจัยเสี่ยงแฝงที่เกิดจากการออกแบบโครงสร้างและกระบวนการผลิต ตัวอย่างเช่น:
มุมแหลมมากเกินไป
การเปลี่ยนแปลงความหนาของผนังอย่างฉับพลัน
หัวสกรูที่ออกแบบไม่เหมาะสม
กลไกการล็อกภายใต้แรงกดต่อเนื่อง
ความเค้นภายในจากการฉีดขึ้นรูปที่เหลืออยู่สูง
การบีบอัดโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างการประกอบ
การงอหรือการสั่นสะเทือนเป็นเวลานาน
ความเค้นจะกระจุกตัวอยู่ที่บริเวณเหล่านี้ อาจไม่เห็นข้อบกพร่องใดๆ ทันทีหลังการผลิต แต่รอยแตกจะเริ่มปรากฏและขยายตัวจากบริเวณที่อ่อนแอเหล่านี้หลังจากใช้งานไปได้ระยะหนึ่ง
ดังนั้น การแตกร้าวของชิ้นส่วนพลาสติกจึงไม่สามารถเกิดจากคุณภาพวัสดุที่ต่ำเพียงอย่างเดียวได้เสมอไป อาจเป็นผลรวมของปัจจัยต่างๆ เช่น การเลือกใช้วัสดุ โครงสร้าง การออกแบบแม่พิมพ์ การฉีดขึ้นรูป และกระบวนการประกอบ
4. การสัมผัสกับสารเคมีก็อาจทำให้เกิดรอยแตกได้เช่นกัน
หลายคนเข้าใจผิดว่าพลาสติกทนต่อน้ำและการกัดกร่อน แต่ความจริงแล้วเป็นเช่นนั้นเพียงบางส่วนเท่านั้น พลาสติกแต่ละชนิดมีความทนทานต่อสารเคมีแตกต่างกันอย่างมาก บางชนิดไวต่อแอลกอฮอล์ บางชนิดไวต่อน้ำมัน บางชนิดไวต่อสารทำความสะอาด บางชนิดไวต่อตัวทำละลาย และบางชนิดไวต่อกรดและด่าง พลาสติกบางชนิดอาจเสียหายได้เมื่อสัมผัสกับแรงกดดันและสารเคมีพร้อมกัน
ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนพลาสติกใสอาจดูแข็งแรงภายใต้สภาวะปกติ อย่างไรก็ตาม การสัมผัสกับแอลกอฮอล์ น้ำยาทำความสะอาด จาระบี หรือตัวทำละลายบางชนิดเป็นเวลานาน ร่วมกับความเครียดภายใน สามารถกระตุ้นให้เกิดรอยแตกเล็กๆ ได้ ปรากฏการณ์นี้โดยทั่วไปเรียกว่า การแตกร้าวจากความเครียดทางสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือ รอยแตกจะค่อยๆ พัฒนาขึ้นภายใต้สภาวะการใช้งานโดยไม่มีแรงกระแทกภายนอกที่สำคัญ
ดังนั้น เมื่อประเมินความทนทานของพลาสติก เราจึงไม่สามารถพิจารณาเพียงแค่ความแข็งแรงเชิงกลเท่านั้น แต่ยังต้องคำนึงถึงสารที่สัมผัสด้วย
5. น้ำและความร้อนชื้นอาจส่งผลกระทบต่อพลาสติกบางชนิดได้เช่นกัน
พลาสติกบางชนิดไวต่อความชื้นและความร้อนสูง ตัวอย่างเช่น ไนลอนดูดซับความชื้นได้ง่าย ซึ่งอาจทำให้ขนาด ความแข็งแรง ความแข็งแง และคุณสมบัติทางไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป วัสดุเช่นโพลีเอสเตอร์และโพลีคาร์บอเนตก็มีความเสี่ยงต่อการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและความชื้นสูง หรือสภาวะการแปรรูปที่ไม่เหมาะสม
นี่ไม่ได้หมายความว่าวัสดุเหล่านี้มีคุณภาพต่ำ แต่หมายความว่าวัสดุเหล่านั้นมีข้อจำกัดในการใช้งาน ในการเลือกวัสดุ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องชี้แจงว่าชิ้นส่วนนั้นจะสัมผัสกับน้ำหรือไม่ จะถูกใช้งานในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงหรือไม่ ต้องการความคงตัวของขนาดหรือไม่ และต้องการประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนไฟฟ้าหรือไม่ สำหรับวัสดุประเภทเดียวกัน ผลลัพธ์อาจแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงเมื่อใช้ในสภาพแวดล้อมภายในอาคารที่แห้งเมื่อเทียบกับสภาพอากาศภายนอกที่ร้อนและชื้น
