พลาสติกเกือบทุกชนิดจะหลอมเหลวเมื่อถูกความร้อน และจะแข็งตัวเมื่อถูกทำให้เย็นลง หรือปล่อยให้คายความร้อนออกไป ทั้งนี้คุณสมบัติทางเคมีจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเปลี่ยนรูปร่าง โดยคุณสมบัติโดยทั่วไปของพลาสติกคือ มีความเหนียว น้ำหนักเบา และจุดหลอมเหลวไม่สูงมาก แต่มีความแข็งแรงน้อย ดังนั้นการเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกด้วยวิธีการ Heat Annealing เป็นกระบวนหนึ่งที่นิยมใช้กับวัสดุพลาสติก เพราะทำง่าย จะทำให้พลาสติกมีคุณภาพ และความแข็งแรงพอที่จะใช้งานด้านวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้มากขึ้น
1. โครงสร้างทางเคมี และสมบัติของพลาสติก
พลาสติกส่วนใหญ่ถูกผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีบทบาทในชีวิตประจำวัน เนื่องจากความสะดวกในการใช้งาน หาซื้อง่าย และมีแนวโน้มความต้องการเพิ่มขึ้น รวมไปถึงการใช้งานด้านวิศวกรรม ซึ่งในสายวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์จะเรียกพลาสติกเหล่านี้ว่า พอลิเมอร์ (Polymer) โดยเป็นชื่อที่รู้จักกันในทางเคมีทางวิศวกรรมพลาสติก (Plastic) คือ สารไม่มีสีที่สามารถขึ้นรูปต่างๆ ได้ด้วยความร้อนและกระบวนการต่างๆ มีองค์ประกอบทางเคมีเป็นพอลิเมอร์ขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมาก โดยแบ่งประเภทของพลาสติกได้ ดังนี้
1. เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics) เมื่อได้รับความร้อนหรืออุณหภูมิสูงจะอ่อนตัวและสามารถขึ้นรูปได้ และเมื่ออุณหภูมิลดลงหรือเย็นตัวลงจะแข็งตัว โดยเทอร์โมพลาสติกเกิดจากกระบวนการ Polymerization มีโครงสร้างที่แบ่งออกได้ 3 ประเภทหลักๆ คือ
1.1 พลาสติกมีผลึก (crystalline) จะประกอบด้วยโมเลกุลที่จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ นั่นคือส่วนที่เป็นผลึก ซึ่งพลาสติกที่เรารู้จักกันมักจะหาโครงสร้างผลึก 100% ได้ยากมาก ดังนั้นพลาสติกมีผลึกโดยทั่วไปจะแข็งแรงและทนความร้อนได้มากกว่าพลาสติกไม่มีผลึก แต่มักจะขุ่น
1.2 พลาสติกไม่มีผลึก (Amophous Plastics) โครงสร้างโดยรวมเป็นการรวมกันของโมเลกุลสายยาวที่เรียงตัวแบบไม่มีระเบียบ ไม่มีสมมาตร เป็นการจัดเรียงตัวที่ไม่แน่นอน ฉะนั้นพลาสติกพวกนี้จะแข็งแรงน้อย ทนความร้อนได้ต่ำ และเปลี่ยนแปลงขนาดได้น้อย แต่มีลักษณะเด่นคือใส
1.3 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. เทอร์โมเซตติงพลาสติก (Thermosetting plastic) หรือมักเรียกกันว่า Thermoset จะคงรูปหลังได้รับหรือผ่านความร้อน หรือแรงดันเพียงครั้งเดียว เมื่อเย็นลงจะมีสมบัติตามที่กำหนดไว้ ทนความร้อน ความดัน ไม่อ่อนตัว เปลี่ยนรูปร่างไม่ได้ และไม่สามารถนำกลับมาหลอมเหลวและขึ้นรูปใหม่ได้อีก เช่น เมลามีน โพลียูรีเทน เรซิน เป็นต้น
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
การขึ้นรูปชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer จะต้องใช้อุณหภูมิความร้อนที่จุดหลอมเหลว (Melting Temperature หรือ Tm) ของพลาสติกชนิดนั้นๆ จึงจะสามารถไหลผ่านหัวฉีดได้ แต่การเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกจะใช้แค่อุณหภูมิที่ทำให้วัสดุอ่อนตัว (Glass Transition Temperature หรือ Tg) เท่านั้น เนื่องจากที่อุณหภูมิกลาสทรานซิชันนี้พลาสติกที่มีการจัดเรียงสายโซ่โมเลกุลแบบไม่เป็นระเบียบ รวมถึงลักษณะกึ่งผลึก (Semicrystalline) มีทั้งส่วนที่ เป็นผลึกและส่วนอสัณฐานปนกันอยู่ จะเป็นการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างใหม่ และสายโซ่โมเลกุลจะจัดเรียงตัวได้ดีกว่าแบบเดิม ด้วยอัตราการเย็นตัว (Cooling Rate) อย่างช้าๆ ทำให้โมเลกุลของพลาสติกมีเวลาจัดเรียงตัวมากขึ้น ทำให้ความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นนั่นเอง
4. ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นจาก Annealing Plastics
ความแข็งแกร่งต่อการกระแทก เพื่อดูความสามารถของวัสดุ ว่าเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้แรงกระทำที่รุนแรง หรือการกระแทก วัสดุจะทนทานได้มากน้อยเพียงใด ซึ่งจากกราฟจะเห็นความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นได้อย่างชัดเจน หลังจากผ่านการทำ Heat Annealing (ข้อมูลในกราฟนำมาจาก Prusa)
ความแข็งแรงแรงดึง ซึ่งเป็นระยะที่วัสดุยืดตัวออกจากระยะเดิม แรงดึงกับระยะการเปลี่ยนรูป (deformation) หรือการยืดตัวของชิ้นทดสอบที่จุดขาดเมื่อเปรียบเทียบกับความยาวเริ่มต้น โดยการอบที่อุณหภูมิต่างๆ และปล่อยให้เย็นตัวอย่างช้าๆ ทำให้พลาสติกมีความเหนียวเพิ่มขึ้นจากเดิม
ประโยชน์ของการอบพลาสติจะขึ้นกระบวนการและขั้นตอนที่ถูกต้องอย่างเหมาะสมทั้งอุณหภูมิและเวลา ซึ่งมีข้อดีหลายประการทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ได้แก่
- ขนาดของชิ้นงานมีความเสถียร และสามารถนำไปตัดแต่งเพิ่มเติมได้
- ชิ้นงานมีความแข็งและความสมบูรณ์ เหมาะสมใช้เป็นชิ้นส่วนประกอบต่างๆ
- ลดการหดตัวและการขยายตัว
- ความทนทานต่อสารเคมีได้ดีขึ้น
- ความต้านทานการสึกหรอดีจากเดิม
- มีประสิทธิภาพที่จะใช้งานอยู่ในการยอมรับได้มากขึ้น
ข้อควรระวัง
Heat Annealing เกี่ยวข้องกับความร้อนเป็นหลักสำคัญ ดังนั้นหากได้รับอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมกับชนิดของพลาสติก รวมถึงระยะเวลาในการอบพลาสติกด้วย จะทำให้ชิ้นงานเสียรูปทรง เปราะ หรือแตกง่ายกว่าเดิม
