เรียบเรียงโดย งานพัฒนาคุณภาพการเผยแพร่เทคโนโลยีวัสดุ
ฝ่ายเผยแพร่เทคโนโลยี
เราสามารถเลือกสารประกอบโพลิเมอร์มาผสมรวมกันในสัดส่วนที่เหมาะสม เพื่อใช้งานเกี่ยวกับผิวของวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นการเคลือบผิว การเขียนหรือพิมพ์ลงบนผิว การสร้างผิวฟิล์มหรือวัสดุที่มีลักษณะเป็นแผ่นบางโปร่งใสหรือโปร่งแสง ซิลิโคนโพลิเมอร์จัดเป็นหนึ่งในกลุ่มสารประกอบโพลิเมอร์ที่ได้รับความนิยมกว้างขวาง ไม่ว่าจะใช้เคลือบผิวในรูปของสี (paints) ผสมเป็นหมึก (inks) ทำเป็นสารชุบแข็ง (hardeners) ขึ้นรูปเป็นเนื้อฟิล์ม (films) หรือแผ่นโพลิเมอร์ (sheets)
สารประกอบกลุ่มซิลิโคนโพลิเมอร์เกิดจากพันธะระหว่างอะตอมของซิลิคอนและอะตอมธาตุอื่น Si-O-Si แบบครอสลิงค์ (cross-link) โดยมี Si เป็นแกนกลาง ส่วนแขนที่เหลือในโครงสร้างจับกับอะตอมของธาตุอื่น หรือกลุ่มสารประกอบคาร์บอน (R, R’) ไม่ว่าจะเป็น H, CH3, CH, CH=CH2 หมู่อัลคิล (alkyl) หรือเอริล (aril) เป็นต้น
สมบัติเด่นที่ทำให้กลุ่มซิลิโคนโพลิเมอร์ถูกนำมาใช้เป็นส่วนผสมในการใช้งานเกี่ยวกับผิววัสดุ ได้แก่
สามารถผสมให้อยู่ในรูปแบบการใช้งานต่างๆ เพื่อใช้ในงานด้านผิววัสดุ เช่น สี หมึก ฟิล์ม และสารชุบแข็ง
มีความเป็นพิษต่ำ และมีสารประกอบไอระเหยอินทรีย์ (Volatile Organic Compounds, VOCs) น้อย และอยู่ในระดับที่เป็นไปตามการกำหนดในมาตรฐานความปลอดภัย
มีความทนทานต่อแสงยูวี (UV resistance) และทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
กันน้ำ/สะท้อนน้ำเนื่องจากสมบัติไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) มีมุมสัมผัส (contact angle) มากกว่า 90 องศา จึงทำให้หยดน้ำกลิ้งตัวไปไม่เกาะพื้นผิว และยังทำให้สามารถกันการซึมผ่านของน้ำระหว่างบริเวณผิววัสดุฐาน และผิวเคลือบได้เป็นอย่างดี
เสริมความความแข็งแรงทนทานการขูดขีด เสียดสีและการกัดกร่อนจากสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง (harsh environment) ได้หลายสภาวะ เช่น ในทะเล กลางแจ้งแดดจัด บริเวณอากาศหนาวจัดเลยจุดเยือกแข็ง เป็นต้น
ให้ผิวเคลือบที่มีความเงางาม โปร่งใส ผิวเรียบลื่น ทำความสะอาดง่าย หยดน้ำหรือของเหลวไม่เกาะติด กลิ้งตัวไหลออกไปเหมือนหยดน้ำบนใบบัว จึงทำให้ผิวมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
โครงสร้างเคมีพื้นฐานของสารประกอบซิลิโคนโพลิเมอร์ [-Si-O- หรือ (-Si-NH-)n หรือ Si-CHn-) ที่จับกับอะตอมของธาตุอื่นและนิยมใช้ในงานเกี่ยวกับพื้นผิววัสดุ ได้แก่ โพลีไดเมธิลไซล็อกเซน (polydimethylsiloxane หรือ PDMS) โพลีออกาโนไซลอกเซน หรือโพลีไซลอกเซน (polyorganosiloxane/polysiloxane) โพลีไซลาเซน (polysilazanes) โพลีคาร์โบไซลาเซน (polycarbossilazanes) และโพลีไซลิลคาร์โบดีไมด์ (polycarbodiimides)
ตัวอย่างของสารประกอบซิลิโคนโพลิเมอร์ชนิดต่างๆ ที่นิยมใช้ในงานทั่วไปเกี่ยวกับพื้นผิวดังนี้
ไซเลน (Silanes) เป็นสารเพิ่มการยึดเกาะผิวของสีและกาว โดยมีสมบัติไฮโดรโฟบิกที่ดี ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การกัดกร่อนของสารเคมีและการขูดขีดของพื้นผิว นิยมใช้เป็นตัวรองพื้น (primer) สีรถยนต์และอาคารบ้านเรือน และมีหน้าที่เป็นตัวประสานเนื้อสีเคลือบผิว
โพลีไดเมธิลไซลอกเซน (Polydimethyl siloxane, PDMS) มีอีลาสโตเมอร์เป็นองค์ประกอบพื้นฐาน (elastomer-based) ในวัสดุกลุ่มนี้ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ มีสมบัติความเป็นไฮโดรโฟบิกเช่นเดียวกัน มีความสามารถในการลดแรงตึงผิว (wetting agents) ทนทานการขูดขีด อีกทั้งยังไม่ทำให้เกิดการลื่นไถล ตัวที่มีมวลโมเลกุลสูงสามารถใช้เป็นตัวผนึก (sealants) และกันน้ำสำหรับเคลือบบนเส้นใยผ้า หรือทำเป็นชั้นฟิล์มปกป้องผิวสีรถยนต์และสีกันเพรียงในเรือเดินสมุทร
โพลีออร์การโนไซล็อกเซน (Polysiloxane) มีสมบัติใกล้เคียงกับกลุ่ม PDMS แต่มีดีกรีความเป็นโพลิเมอร์อินทรีย์มากกว่า สารประกอบกลุ่มนี้สามารถเพิ่มปริมาณสัดส่วนที่เป็นของแข็ง (solid content) ได้มากขึ้น ทำให้ลดสัดส่วนของปริมาณสารไอระเหยอินทรีย์ (VOC) ได้ นอกจากนี้ยังมีสมบัติเป็นตัวลดฟอง (anti-foaming) และทนการกัดกร่อนจากสารละลายได้ดี นิยมนำมาผสมเพื่อฉีดขึ้นรูปเป็นแผ่นพลาสติก ตัวอย่างวัสดุที่มีสารประกอบกลุ่มนี้เป็นส่วนผสมและรู้จักกันดีก็คือแผ่นพลาสติกใสโพลีคาร์บอเนต นอกจากนี้ยังนำมาทำเป็นเลนส์และบานหน้าต่างได้ด้วย
ซิลิโคนโพลีอีเธอร์ (Silicone polyethers) เป็นสารประกอบกลุ่มลดแรงตึงผิว (surfactants) ประสิทธิภาพดี มีความเป็นพิษต่ำ เมื่อควบคุมสัดส่วนการผสมขององค์ประกอบและความหนืด (viscosity) ให้พอเหมาะ จะช่วยรักษาความตึงผิวของเหลวได้สม่ำเสมอ ให้พื้นผิวมีความเรียบ (levelling) และยังปกปิดร่องรอยตำหนิต่างๆ ได้ จึงนิยมใช้ในงานอุตสาหกรรมด้านตกแต่ง เครื่องสำอาง การเคลือบผิวเส้นใยผ้าและกระดาษให้เรียบเนียนสัมผัสนุ่มสบายมือ และยังใช้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของยาปราบศัตรูพืช
ซิลิโคนเรซิน (Silicone resins) จัดเป็นสารประกอบโพลิเมอร์กลุ่มที่มีมวลโมเลกุลต่ำ จึงสามารถนำมาทำได้ทั้งวัสดุเทอร์โมพลาสติกแบบนุ่ม ยืดหยุ่น หรือ ฟิล์มพลาสติกเทอร์โมเซ็ตแบบแข็ง นิยมใช้งานด้านวัสดุที่มีสมบัติน้ำไม่เกาะผิว ทนความร้อนและสารเคมี มีความเป็นฉนวน อาทิเช่น เครื่องใช้ในครัวเรือน และอุปกรณ์ทำอาหาร นอกจากนี้ยังใช้เคลือบกันความชื้นและเป็นฉนวนอาคารและวัสดุก่อสร้าง
ซิลิโคนอิลาสโตเมอร์ (Silicone elastomers) หรือรู้จักในชื่อเรียกว่า “ยางซิลิโคน” (silicone rubbers) สารประกอบกลุ่มนี้ให้สมบัติความทนทานต่ออุณหภูมิและแสงยูวีสูง กันความชื้นได้ดี เหมาะกับการใช้งานเคลือบผิวนอกอาคาร เช่นวัสดุมุงหลังคาและผนัง นอกจากนี้ยังมีความเป็นฉนวนสูง ทนทานการกัดกร่อน มีความเฉื่อยต่อการเปลี่ยนแปลงสภาวะแวดล้อม สามารถเตรียมให้อยู่ในลักษณะหลายรูปแบบ จึงนิยมนำไปใช้งานในวงกว้าง ไม่ว่าจะเป็น อุตสาหกรรมการผลิต การก่อสร้าง พลังงาน สุขภาพ การขนส่ง เครื่องอุปโภคบริโภค การเกษตรและสิ่งทอ งานสายส่งไฟฟ้า (powerline insulator)
ซิลิโคนโพลีไซลาเซน (Silicone polysilazanes มีโครงสร้างหลักเป็น Si-N และ Si-O แขนที่เหลือสามารถต่อกับหมู่ฟังก์ชัน R1 R2 และอื่นๆ ตามที่เกริ่นไว้ข้างต้น คุณสมบัติของซิลิโคนโพลิเมอร์กลุ่มนี้ ในด้านความทนทาน ไม่ว่าจะเป็นความต้านทานต่อการขูดขีด (scratch resistance) อุณหภูมิ รังสียูวีหรือแม้แต่การกัดกร่อนจากสภาวะแวดล้อมถือว่าดีมาก จึงนิยมใช้ผสมทำสารเคลือบผิวกลุ่มสีเคลือบเพื่อใช้ในงานที่ต้องการความทนทานสูง เช่น สีทาพื้นผิวตามภายนอกอาคารบ้านเรือน รางรถไฟ ระบบท่อ เป็นต้น เพราะนอกจากจะทนทานต่อสภาวะแวดล้อมแล้ว ยังสามารถทำความสะอาดผิวได้ง่าย ทำให้มีอายุการใช้งานยาวนาน
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
ขอขอบคุณข้อมูลจาก
- Zielecka, M., & Bujnowska, E. (2006). Silicone-containing polymer matrices as protective coatings: Properties and applications. Progress in Organic Coatings, 55(2), 160-167. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2005.09.012
- https://www.shinetsusilicone-global.com/products/usage/coating/index.shtml
- Sanders Jr, A. J. (1981). S. Patent No. 4,247,330. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
- US Patent no. 4,247,330 PROTECTIVE COATINGS https://patentimages.storage.googleapis.com/3e/d9/85/d0226529116a20/US4247330.pdf
- Barroso, G., Li, Q., Bordia, R. K., & Motz, G. (2019). Polymeric and ceramic silicon-based coatings–a review. Journal of Materials Chemistry A, 7(5), 1936-1963. https://doi.org/https://doi.org/10.1039/C8TA09054H
- Cavallin, C.L., “Heat resistant coating compositions, coated articles, and methods,” United States Patent No. 8247067B2 (2004).
- https://www.topwinsilicone.com/news/silicone-polyether-surfactant-overviews-application.html#:~:text=Agriculture%3A%20They%20are%20used%20as,pesticides%20on%20the%20targeted%20areas.
- Narisawa, M.. (2010). Silicone Resin Applications for Ceramic Precursors and Composites. Materials, 3(6), 3518–3536. https://doi.org/10.3390/ma3063518
- Mazurek, P., Vudayagiri, S., & Skov, A. L.. (2019). How to tailor flexible silicone elastomers with mechanical integrity: a tutorial review. Chemical Society Reviews, 48(6), 1448–1464. https://doi.org/10.1039/c8cs00963e
- Shayed, M., Hund, R., & Cherif, C.. (2015). Effect of thermal-resistant polymeric coatings on thermomechanical and topographical properties of glass fiber. Journal of Industrial Textiles, 44(5), 682–698. https://doi.org/10.1177/1528083713510012
- https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/polysilazanes-binders-that-make-a-difference-to-surfaces/
- Sun, Y., Xiong, W., Cheng, W., Wang, H., & Mao, T.. (2022). Bioinspired Bola Polysiloxane for Wettability, Breathability, and Softness in Fabrics. Industrial & Engineering Chemistry Research, 61(21), 7205–7215. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c00021
