พลาสติกเกือบทุกชนิดจะหลอมเหลวเมื่อได้รับความร้อน และจะแข็งตัวเมื่อถูกทำให้เย็นลง หรือปล่อยให้คลายความร้อนออกไป โดยที่คุณสมบัติทางเคมีจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อมีการเปลี่ยนรูปร่าง คุณสมบัติโดยทั่วไปของพลาสติกคือมีความเหนียว น้ำหนักเบา และมีจุดหลอมเหลวไม่สูงมาก แต่มีความแข็งแรงน้อย ดังนั้น การเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกด้วยวิธีการอบชุบด้วยความร้อน (Heat Annealing) จึงเป็นกระบวนการหนึ่งที่นิยมใช้กับวัสดุพลาสติก เพราะทำได้ง่าย ซึ่งจะช่วยให้พลาสติกมีคุณภาพและความแข็งแรงเพียงพอที่จะนำไปใช้งานด้านวิศวกรรมและอุตสาหกรรมได้มากขึ้น
1. โครงสร้างทางเคมี และสมบัติของพลาสติก
พลาสติกส่วนใหญ่ถูกผลิตขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีบทบาทในชีวิตประจำวัน เนื่องจากความสะดวกในการใช้งาน หาซื้อได้ง่าย และมีแนวโน้มความต้องการเพิ่มขึ้น รวมไปถึงการใช้งานด้านวิศวกรรม ซึ่งในสายวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์จะเรียกพลาสติกเหล่านี้ว่า พอลิเมอร์ (Polymer) โดยเป็นชื่อที่รู้จักกันในทางเคมี สำหรับในทางวิศวกรรมพลาสติก (Plastic) คือ สารไม่มีสีที่สามารถขึ้นรูปต่าง ๆ ได้ด้วยความร้อนและกระบวนการผลิตรูปแบบต่าง ๆ มีองค์ประกอบทางเคมีเป็นพอลิเมอร์ขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมาก โดยแบ่งประเภทของพลาสติกได้ดังนี้
1. เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics) เมื่อได้รับความร้อนหรืออุณหภูมิสูงจะอ่อนตัวและสามารถขึ้นรูปได้ และเมื่ออุณหภูมิลดลงหรือเย็นตัวลงจะแข็งตัว โดยเทอร์โมพลาสติกเกิดจากกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน (Polymerization) มีโครงสร้างที่แบ่งออกได้ 3 ประเภทหลัก ๆ คือ
1.1 พลาสติกมีผลึก (Crystalline Plastics) จะประกอบด้วยโมเลกุลที่จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ หรือส่วนที่เป็นผลึก ซึ่งพลาสติกที่เราคุ้นเคยกันมักจะหาโครงสร้างที่เป็นผลึก 100% ได้ยากมาก ดังนั้นพลาสติกมีผลึกโดยทั่วไปจึงมีความแข็งแรงและทนความร้อนได้มากกว่าพลาสติกไม่มีผลึก แต่มักจะมีลักษณะขุ่น
1.2 พลาสติกไม่มีผลึก (Amorphous Plastics) โครงสร้างโดยรวมเป็นการรวมตัวกันของโมเลกุลสายยาวที่เรียงตัวแบบไม่มีระเบียบ ไม่มีสมมาตร เป็นการจัดเรียงตัวที่ไม่แน่นอน ฉะนั้นพลาสติกเหล่านี้จึงมีความแข็งแรงน้อย ทนความร้อนได้ต่ำ และเปลี่ยนแปลงขนาดได้น้อย แต่มีลักษณะเด่นคือมีความใส
1.3 พลาสติกกึ่งผลึก (Semi-crystalline Plastics) โครงสร้างพลาสติกส่วนใหญ่ในปัจจุบันจะเป็นแบบผสม (Semi-crystalline) โดยจะมีส่วนผสมระหว่างโครงสร้างที่เป็นระเบียบ (Crystalline) และโครงสร้างแบบไม่เป็นระเบียบ (Non-crystalline หรือ Amorphous) ปะปนกันอยู่ ซึ่งโครงสร้างแบบ Crystalline จะมีความแข็งแรงมากกว่าโครงสร้างแบบ Non-crystalline
ดังนั้น การจัดกลุ่มโครงสร้างของพลาสติกชนิดต่าง ๆ จึงสามารถแบ่งพลาสติกออกเป็นกลุ่มตามลักษณะโครงสร้างและคุณสมบัติที่ใช้งานได้จริง ซึ่งมีอยู่โดยทั่วไป 2 ประเภท คือ พลาสติกไม่มีผลึก และพลาสติกกึ่งผลึก ทั้งนี้โครงสร้างจะเป็นรูปแบบใดและมีสัดส่วนของผลึกมากน้อยเพียงใดนั้น จะขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่พลาสติกหรือพอลิเมอร์ใช้ในการก่อตัวว่ายาวนานเพียงพอที่จะให้มอนอเมอร์จับตัวกันอย่างเป็นระเบียบหรือไม่
2. เทอร์โมเซตติงพลาสติก (Thermosetting plastic) หรือมักเรียกกันว่า เทอร์โมเซต (Thermoset) จะคงรูปหลังจากได้รับความร้อน หรือแรงดันเพียงครั้งเดียว เมื่อเย็นตัวลงจะมีสมบัติตามที่กำหนดไว้ ทนความร้อน ทนแรงดัน ไม่สามารถอ่อนตัวหรือเปลี่ยนรูปร่างได้ และไม่สามารถนำกลับมาหลอมเหลวเพื่อขึ้นรูปใหม่ได้อีก เช่น เมลามีน โพลียูรีเทน และเรซิน เป็นต้น
2. Heat Annealing กับพลาสติกชนิดใดได้บ้าง
การอบพลาสติก หรือ Heat Annealing Plastic เป็นกระบวนการปรับปรุงคุณสมบัติของพลาสติกที่ผ่านกระบวนการผลิตต่าง ๆ มา โดยจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ทั้งทางกล ทางความร้อน และทางสัณฐานวิทยา (Morphology) เพื่อให้โครงสร้างของพลาสติกดีขึ้นจากอุณหภูมิและระยะเวลาที่ได้รับอย่างเหมาะสม ส่งผลให้ชิ้นงานพลาสติกมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น
วิธี Heat Annealing นิยมใช้กับพลาสติกจำพวกเทอร์โมเซต เนื่องจากการให้ความร้อนกับโครงสร้างอสัณฐานที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวเพียงเล็กน้อย จะสามารถกระตุ้นให้โมเลกุลจัดเรียงตัวใหม่ได้อย่างเป็นระเบียบและเกิดเป็นผลึกได้ง่ายขึ้น
3. การ Heat Annealing ชิ้นงานที่ขึ้นรูปจากเครื่อง 3D Printer
การขึ้นรูปชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer จะต้องใช้อุณหภูมิที่จุดหลอมเหลว (Melting Temperature หรือ Tm) ของพลาสติกชนิดนั้น ๆ เพื่อให้สามารถไหลผ่านหัวฉีดได้ แต่การเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกจะใช้อุณหภูมิที่ทำให้วัสดุอ่อนตัว (Glass Transition Temperature หรือ Tg) เท่านั้น เนื่องจากที่อุณหภูมิ Glass Transition นี้ พลาสติกที่มีการจัดเรียงสายโซ่โมเลกุลแบบไม่เป็นระเบียบ รวมถึงลักษณะกึ่งผลึก (Semicrystalline) ที่มีทั้งส่วนที่เป็นผลึกและส่วนอสัณฐานปนกันอยู่ จะมีการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างใหม่ และสายโซ่โมเลกุลจะจัดเรียงตัวได้ดีกว่าเดิม ด้วยอัตราการเย็นตัว (Cooling Rate) อย่างช้า ๆ ทำให้โมเลกุลของพลาสติกมีเวลาจัดเรียงตัวมากขึ้น ส่งผลให้ความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นนั่นเอง
4. ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นจาก Annealing Plastics
ความแข็งแรงต่อการกระแทก (Impact Strength) เพื่อประเมินความสามารถของวัสดุเมื่อต้องรับแรงกระทำที่รุนแรงหรือการกระแทก ว่าวัสดุจะมีความทนทานมากน้อยเพียงใด ซึ่งจากกราฟจะเห็นได้ว่าความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนหลังจากผ่านการทำ Heat Annealing (ข้อมูลในกราฟนำมาจาก Prusa)
ความแข็งแรงแรงดึง (Tensile Strength) ซึ่งหมายถึงระยะที่วัสดุยืดตัวออกจากระยะเดิม แรงดึงเทียบกับระยะการเปลี่ยนรูป (Deformation) หรือการยืดตัวของชิ้นทดสอบ ณ จุดขาดเมื่อเปรียบเทียบกับความยาวเริ่มต้น โดยการอบที่อุณหภูมิต่าง ๆ และปล่อยให้เย็นตัวลงอย่างช้า ๆ จะทำให้พลาสติกมีความเหนียวเพิ่มขึ้นจากเดิม
ประโยชน์ของการอบพลาสติกจะขึ้นอยู่กับกระบวนการและขั้นตอนที่ถูกต้องเหมาะสม ทั้งในส่วนของอุณหภูมิและระยะเวลา ซึ่งมีข้อดีหลายประการทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ได้แก่
- ขนาดของชิ้นงานมีความเสถียร และสามารถนำไปตัดแต่งเพิ่มเติมได้
- ชิ้นงานมีความแข็งและความสมบูรณ์ เหมาะสำหรับใช้เป็นชิ้นส่วนประกอบต่าง ๆ
- ลดปัญหาการหดตัวและการขยายตัว
- ความทนทานต่อสารเคมีดีขึ้น
- ความต้านทานการสึกหรอดีกว่าเดิม
- มีประสิทธิภาพในการใช้งานที่ยอมรับได้มากขึ้น
ข้อควรระวัง
Heat Annealing เกี่ยวข้องกับความร้อนเป็นหลัก ดังนั้นหากได้รับอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมกับชนิดของพลาสติก รวมถึงระยะเวลาในการอบที่ผิดพลาด จะทำให้ชิ้นงานเสียรูปทรง มีความเปราะ หรือแตกหักง่ายกว่าเดิม
){kind=link}