พลาสติกเกือบทุกชนิดจะหลอมเหลวเมื่อถูกความร้อน และจะแข็งตัวเมื่อถูกทำให้เย็นลง หรือปล่อยให้คายความร้อนออกไป ทั้งนี้คุณสมบัติทางเคมีจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเปลี่ยนรูปร่าง โดยคุณสมบัติโดยทั่วไปของพลาสติกคือ มีความเหนียว น้ำหนักเบา และจุดหลอมเหลวไม่สูงมาก แต่มีความแข็งแรงน้อย ดังนั้นการเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกด้วยวิธีการ Heat Annealing เป็นกระบวนหนึ่งที่นิยมใช้กับวัสดุพลาสติก เพราะทำง่าย จะทำให้พลาสติกมีคุณภาพ และความแข็งแรงพอที่จะใช้งานด้านวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้มากขึ้น ส่วนการตกแต่งชิ้นงานให้สวย สามารถอ่านได้ที่ แต่งผิวอย่างไรให้ใสเหมือนกระจก (Post Processing)
1. โครงสร้างทางเคมี และสมบัติของพลาสติก
1. เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics) เมื่อได้รับความร้อนหรืออุณหภูมิสูงจะอ่อนตัวและสามารถขึ้นรูปได้ และเมื่ออุณหภูมิลดลงหรือเย็นตัวลงจะแข็งตัว โดยเทอร์โมพลาสติกเกิดจากกระบวนการ Polymerization มีโครงสร้างที่แบ่งออกได้ 3 ประเภทหลักๆ คือ
1. พลาสติกมีผลึก (crystalline) จะประกอบด้วยโมเลกุลที่จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ นั่นคือส่วนที่เป็นผลึก ซึ่งพลาสติกที่เรารู้จักกันมักจะหาโครงสร้างผลึก 100% ได้ยากมาก ดังนั้นพลาสติกมีผลึกโดยทั่วไปจะแข็งแรงและทนความร้อนได้มากกว่าพลาสติกไม่มีผลึก แต่มักจะขุ่น
2. พลาสติกไม่มีผลึก (Amophous Plastics) โครงสร้างโดยรวมเป็นการรวมกันของโมเลกุลสายยาวที่เรียงตัวแบบไม่มีระเบียบ ไม่มีสมมาตร เป็นการจัดเรียงตัวที่ไม่แน่นอน ฉะนั้นพลาสติกพวกนี้จะแข็งแรงน้อย ทนความร้อนได้ต่ำ และเปลี่ยนแปลงขนาดได้น้อย แต่มีลักษณะเด่นคือใส
3. พลาสติกกึ่งผลึก (Semi-crystalline Plastics) โครงสร้างพลาสติกส่วนมากในปัจจุบันจะเป็นแบบผสม (Semi-crystalline) โดยจะมีส่วนผสมระหว่างโครงสร้างที่ป็นระเบียบ (crystalline) และโครงสร้างแบบไม่เป็นระเบียบ (non-crystalline หรือ amorphous) ปะปนกันอยู่กับส่วนที่ไม่เป็นระเบียบ ซึ่งโครงสร้าง crystalline จะมีความแข็งแรงมากกว่าโครงสร้าง non-crystalline
ดังนั้น การจัดกลุ่มโครงสร้างของพลาสติกชนิดต่างๆ จึงสามารถแบ่งพลาสติกออกเป็นกลุ่มตามลักษณะโครงสร้างและคุณสมบัติที่สามารถใช้งานได้จริง และมีอยู่โดยทั่วไปได้ 2 ประเภท คือ พลาสติกไม่มีผลึก และพลาสติกกึ่งผลึก ทั้งนี้โครงสร้างออกมาจะเป็นรูปแบบใด และมีสัดส่วนของผลึกมากน้อยแค่ไหน จะขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่พลาสติกหรือพอลิเมอร์ก่อตัวว่ายาวนานมากพอเพื่อให้มอนอเมอร์จับตัวกันอย่างเป็นระเบียบหรือไม่
2. Heat Annealing กับพลาสติกอะไรได้บ้าง
การอบพลาสติก หรือ Heat Annealing Plastic เป็นกระบวนการปรับปรุงคุณสมบัติของพลาสติกที่ผ่านกระบวนการผลิตต่างๆ มา จะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ทั้งการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกล ทางความร้อน และทางสัณฐานวิทยา (Morphology) เพื่อให้โครงสร้างของพลาสติกดีขึ้นจากอุณหภูมิและเวลาที่ได้รับอย่างเหมาะสม ส่งผลให้ชิ้นงานพลาสติกสามารถเพิ่มความแข็งแรงขึ้นได้
วิธี Heat Annealing นิยมใช้กับพลาสติกจำพวกเทอร์โมเซต เนื่องจากการให้ความร้อนกับโครงสร้างอสัณฐานที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิหลอมเหลวเพียงเล็กน้อย จะสามารถกระตุ้นให้โมเลกุลจัดเรียงตัวขึ้นมาใหม่อย่างเป็นระเบียบและเกิดเป็นผลึกได้ง่ายขึ้น
3. การ Heat Annealing ชิ้นงานที่ขึ้นจาก 3D Printer
3D Printer
Annealing process plastics
พลาสติกวิศวกรรมและเกรดอุตสาหกรรมอาจทำ Heat Annealing ได้ยากในบางครั้ง เนื่องจากความเค้นที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อวัสดุถูกผลิตหรือพัฒนาในระหว่างกระบวนการตัด หรือเฉือนส่วนประกอบที่ใช้เวลามาก อาจแตกหักหรือบิดงอได้ง่ายหากความเค้นภายในเกินความแข็งแรงของวัสดุ ซึ่งเป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าความร้อน จะส่งผลกระทบต่อการจัดเรียงตัวของสายโซ่และปริมาณผลึก (Crystallinity) ของพลาสติกและนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ซึ่งส่งผลต่อความแข็งแรง ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานของชิ้นส่วนอย่างมาก ดังนั้นการอบพลาสติกจึงมีหลักการไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ดังแสดงในตารางนี้
(ที่มา; https://www.boedeker.com)
4. ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นจาก Annealing Plastics
ความแข็งแกร่งต่อการกระแทก เพื่อดูความสามารถของวัสดุ ว่าเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้แรงกระทำที่รุนแรง หรือการกระแทก วัสดุจะทนทานได้มากน้อยเพียงใด ซึ่งจากกราฟจะเห็นความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นได้อย่างชัดเจน หลังจากผ่านการทำ Heat Annealing
ความแข็งแรงแรงดึง ซึ่งเป็นระยะที่วัสดุยืดตัวออกจากระยะเดิม แรงดึงกับระยะการเปลี่ยนรูป (deformation) หรือการยืดตัวของชิ้นทดสอบที่จุดขาดเมื่อเปรียบเทียบกับความยาวเริ่มต้น โดยการอบที่อุณหภูมิต่างๆ และปล่อยให้เย็นตัวอย่างช้าๆ ทำให้พลาสติกมีความเหนียวเพิ่มขึ้นจากเดิม
ค่าอุณหภูมิการดัดงอเนื่องจากความร้อน (Heat Deflections Temperature, HDT) การทดสอบประเภทนี้มีความสำคัญมากขึ้นเมื่อพลาสติกถูกนำมาใช้ทดแทนวัสดุประเภทอื่นในการใช้งานประเภทต่างๆ อย่างต่อเนื่อง การทดสอบนี้ทำโดยการเพิ่มอุณหภูมิของชิ้นงานทดสอบอย่างช้าๆ ในขณะที่ให้แรงกดแบบจุด จนเมื่อแรงที่ให้แบบจุดนั้นทะลุผ่านชิ้นงานทดสอบที่ระยะ 1 มิลลิเมตร จะถือว่าสิ้นสุดการทดสอบและทำการบันทึกค่าอุณหภูมิที่จุดดังกล่าวไว้ การทดสอบที่มีประโยชน์มากสำหรับการควบคุมคุณภาพและการพัฒนาพลาสติก เนื่องจากผลการทดสอบที่ได้เป็นการวัดค่าอุณหภูมิที่เทอร์โมพลาสติกเริ่มที่จะเกิดการอ่อนตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งผลที่ได้อาจไม่ได้เห็นความแตกต่างชัดเจนมากนักในพลาสติกบางชนิด
5. ประโยชน์ของการทำ Annealing Plastics
ประโยชน์ของการอบพลาสติจะขึ้นกระบวนการและขั้นตอนที่ถูกต้องอย่างเหมาะสมทั้งอุณหภูมิและเวลา ซึ่งมีข้อดีหลายประการทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ได้แก่
- ขนาดของชิ้นงานมีความเสถียร และสามารถนำไปตัดแต่งเพิ่มเติมได้
- ชิ้นงานมีความแข็งและความสมบูรณ์ เหมาะสมใช้เป็นชิ้นส่วนประกอบต่างๆ
- ลดการหดตัวและการขยายตัว
- ความทนทานต่อสารเคมีได้ดีขึ้น
- ความต้านทานการสึกหรอดีจากเดิม
- มีประสิทธิภาพที่จะใช้งานอยู่ในการยอมรับได้มากขึ้น
ข้อควรระวัง
Heat Annealing เกี่ยวข้องกับความร้อนเป็นหลักสำคัญ ดังนั้นหากได้รับอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมกับชนิดของพลาสติก รวมถึงระยะเวลาในการอบพลาสติกด้วย จะทำให้ชิ้นงานเสียรูปทรง เปราะ หรือแตกง่ายกว่าเดิม
6. เครื่องสำหรับ Heat Annealing of Plastics
ตู้อบชิ้นงานพลาสติก เพื่อทำ Heat Annealing มีหลากหลายรุ่น และอุณหภูมิให้เลือกมากมาย ส่วนราคาขึ้นอยู่โครงสร้างเครื่อง ขนาด และอุปกรณ์เสริมต่างๆ หากใช้อบพลาสติกทั่วไปๆ เลือกซื้อที่ให้อุณหภูมิได้สูงสุด 200 องศาเซลเซียส ก็เพียงพอแล้ว แนะนำว่าควรเลือกซื้อที่สามารถควบคุมอัตราการเพิ่ม และลดลงของอุณหภูมิได้แน่นอน โดยอ้างอิงและพิจารณาการทำงานของเครื่องร่วมกับตารางในหัวข้อที่ 3
VDO แนะนำจากทาง Prusa (update 17 ธันวาคม 2562)
