5. โครงการวิจัย “ฟิสิกส์นวัตกรรมของเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้นเพื่อการวัลคาไนซ์ยางธรรมชาติ”

 



รูปที่ 5.1 น้ำยางสดที่จุดรับซื้อ (ที่มา http://tantai24.blogspot.com/2015/03/1.html)

 

        ยางพาราเป็นพืชที่มีความสำคัญทางเศรษฐกิจของประเทศไทยอีกชนิดหนึ่ง พื้นที่เพาะปลูกยางพาราทั่วประเทศมีอยู่ประมาณ 22 ล้านไร่ [1] มีเกษตรกรตลอดจนผู้ที่ทำธุรกิจเกี่ยวข้องกับยางพาราประมาณ 1 ล้านครอบครัว หรือคิดเป็นจำนวนไม่น้อยกว่า 6 ล้านคน และประเทศไทยก็เป็นประเทศที่ส่งออกยางพาราและผลิตภัณฑ์ยางพาราเป็นอันดับต้นๆของโลก ในปี พ.ศ. 2552 ประเทศไทยมีการผลิตยางพาราจำนวน 3.16 ล้านตัน มีการส่งออก จำนวน 2.73 ล้านตัน (ร้อยละ 86 ของผลผลิตทั้งหมด) ซึ่งสามารถทำรายได้เข้าประเทศได้กว่า 400,000 ล้านบาท
        ส่วนประกอบของน้ำยางพารามีน้ำเป็นส่วนใหญ่ (รูปที่ 5.1) โดยส่วนของเนื้อยางมีอยู่ประมาณ 30 – 40 % ซึ่งทำให้แยกออกจากกันได้โดยการเติมกรดฟอร์มิคเจือจาง ตัวเนื้อยางหรือยางดิบนั้นมีสมบัติเชิงกลต่ำและไม่เสถียร เมื่อได้รับความร้อนจะเหนียวและอ่อนตัว แต่เมื่ออุณหภูมิต่ำลงจะแข็งและเปราะ ยางดิบจึงมีสมบัติไม่เหมาะสมที่จะนำไปผลิตเป็นผลิตภัณฑ์โดยตรง ต้องนำไปผ่านกระบวนการการคงรูปหรือการวัลคาไนซ์ (vulcanization) เสียก่อน ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้สายโซ่โมเลกุลของยางซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อกันของมอนอเมอร์ชื่อ isoprene (C5H8) มีการเชื่อมโยงกันเป็นร่างแห 3 มิติ ส่งผลให้สายโซ่โมเลกุลขยับตัวยากเมื่อได้รับแรงหรือความร้อน ซึ่งจะทำให้ยางมีความยืดหยุ่นและมีสภาพคงตัวในอุณหภูมิต่างๆเพิ่มขึ้นจากเดิม วิธีการทำวัลคาไนซ์ที่นิยมมากที่สุดในอุตสาหกรรมยางในปัจจุบันเพราะมีต้นทุนต่ำ ก็คือการให้ความร้อนกับยางที่ผสมด้วยกำมะถัน (sulfur) เพื่อช่วยทำให้เกิดการเชื่อมขวาง (cross-link) ระหว่างสายโซ่ polyisoprene (พอลิเมอร์ของ isoprene) ทั้งหลายในยาง ดังแสดงใน รูปที่ 5.2

 


รูปที่ 5.2 (ก) โครงสร้างโมเลกุลของยางดิบ (unvulcanized rubber) (ข) โครงสร้างโมเลกุลของยางสุก (vulcanized rubber)
ที่ถูกวัลคาไนซ์ด้วยกำมะถัน และ (ค) สมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันระหว่างยางดิบกับยางสุก [2,3]

 

        การวัลคาไนซ์ด้วยกํามะถันมีข้อจํากัดที่ใช้วัลคาไนซ์ได้เฉพาะยางที่มีพันธะคู่อยู่ภายในโมเลกุลเท่านั้น เพราะพันธะคู่เป็นตําแหน่งที่กํามะถันจะเข้าไปทําปฏิกิริยา นอกจากนั้นจำเป็นต้องเติมสารเคมีชนิดอื่นๆอีกเพื่อเร่งอัตราการเกิดกระบวนการวัลคาไนซ์ เช่นสารตัวเร่งปฏิกิริยา (accelerator) และสารกระตุ้นปฏิกิริยา (activator) ซึ่งสารตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดก็เป็นแหล่งที่มาของไนโตรซามีน (nitrosamine) ซึ่งเป็นสารก่อมะเร็ง นอกจากนี้ปัญหาที่เกิดจากการใช้สารเคมีในการวัลคาไนซ์ยางได้แก่ เกิดกำมะถันอิสระ (free sulfur) ซึ่งเป็นผลทำให้ผลิตภัณฑ์ไม่ใส และเกิดปรากฏการณ์ที่กำมะถันซึมออกมาที่ผิวของผลิตภัณฑ์ (sulfur bloom) การกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอของสารเคมีที่ละลายไม่ดีอาจทำให้น้ำยางเกิดการจับตัวกันเป็นก้อนขึ้น ความใสของยางสุกที่ผ่านการวัลคาไนซ์มีความสำคัญในการประยุกต์ยางไปใช้เป็นผลิตภัณฑ์ เช่นจุกนมยางสำหรับทารก ถุงยางอนามัย และสายสวนปัสสาวะเป็นต้น โดยมีหลายประเทศเช่นสหรัฐอเมริกา เยอรมนี ออสเตรเลียและรวมถึงประเทศไทยได้กําหนดเกณฑ์ความปลอดภัยของจุกนมยางสําหรับทารกไว้ว่าต้องมีไนโตรซามีนที่ตกค้างไม่เกิน 10 ส่วนในพันล้านส่วน (parts per billion หรือ ppb)
        การทำให้เกิดการเชื่อมขวางที่ไม่ต้องใช้กำมะถันและสารเคมีที่เกี่ยวข้องมากที่น่าสนใจ คือการใช้รังสีแกมมาหรือรังสีเบต้า [4,5] แต่รังสีแกมมานั้นมีแหล่งกำเนิดเป็นสารกัมมันตรังสีความเข้มสูงเช่นโคบอลต์-60 ซึ่งมีอันตราย ต้องมีที่เก็บรักษาที่มิดชิดปลอดภัย มีราคาแพงและต้องซื้อจากต่างประเทศเท่านั้น ส่วนรังสีเบต้านั้นก็คือลำอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์นั่นเอง ซึ่งสามารถผลิตได้จากเครื่องเร่งอนุภาค แทนการใช้สารกัมมันตรังสี ข้อดีของการใช้เทคนิคการเหนี่ยวนำให้เกิดการเชื่อมขวางโดยการฉายรังสีเบต้าคือเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องซึ่งช่วยให้ผลิตภัณฑ์ยางเสื่อมสภาพได้ยากกว่าการทำวัลคาไนซ์โดยการเติมกำมะถันที่อุณหภูมิสูง มีพันธะการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลที่แข็งแรง ไม่ทำให้เกิดการเสื่อมเนื่องจากการเกิดออกซิเดชัน ไม่มีกลิ่นฉุนของกำมะถันในระหว่างกระบวนการการทำวัลคาไนซ์ และไม่เกิดปรากฏการณ์ที่กำมะถันซึมออกมาที่ผิวของผลิตภัณฑ์
        เพื่อเป็นการยกระดับอุตสาหกรรมยางของชาติ โครงการวิจัยนี้มีเป้าหมายที่จะพัฒนา กระบวนการวัลคาไนซ์ยางธรรมชาติโดยใช้ลำอนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูง และเพื่อให้เป็นการพัฒนาเทคโนโลยีของชาติแบบพึ่งพาตนเองอย่างยั่งยืน โครงการวิจัยนี้ไม่แต่เพียงจะวิจัยและพัฒนากระบวนการก่อเกิดการเชื่อมขวางที่กระตุ้นด้วยลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการประกอบสร้างเครื่องกำเนิดลำอนุภาคอิเล็กตรอนแบบอาร์เอฟ (RF Linac) ขึ้นเอง ณ ศูนย์วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาและลำอนุภาค ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ (รูปที่ 5.3) เมื่อสำเร็จจะเป็นเครื่องกำเนิดลำอนุภาคอิเล็กตรอนเพื่อประยุกต์ในการกระตุ้นการเกิดการเชื่อมขวางเครื่องแรกที่ประกอบสร้างเองในประเทศ โดยสามารถต่อยอดไปใช้กระตุ้นการเกิดการเชื่อมขวางในพอลิเมอร์ต่างๆอีกหลายชนิด ซึ่งจะนำไปสู่การใช้ประโยชน์เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีอีกด้วย

 

 

รูปที่ 5.3 แผนภาพของระบบเครื่องกำเนิดลำอนุภาคอิเล็กตรอนแบบอาร์เอฟที่จะใช้ในการกระตุ้นการเชื่อมขวางในยาง
และภาพถ่ายเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนที่ประกอบสร้างเองไปได้แล้วประมาณ 70% [6]

 

 

เอกสารอ้างอิง

[1] ศูนย์สารสนเทศการเกษตร สำนักงานเศรษฐกิจการเกษตร กระทรวงเกษตรและสหกรณ์, 23 มิถุนายน พ.ศ. 2557.
[2] ที่มา http://www.slideshare.net/cikgushaifulkisas/chapter-12-rubbers
[3] ที่มา http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3312/3391650/blb1202.html
[4] “Radiation Crosslinking by BGS”, ที่มา http://en.bgs.eu/wp-content/uploads/2015/05/BGS_radiation_crosslinking_en.pdf
[5] H. Chirinos and A. Lugao, “Radiation Vulcanization of Natural Rubber Latex Sensitized with Commercial Gases”, ที่มา https://www.ipen.br/biblioteca/2002/inac/08856.PDF
[6] Tywais, “Magnetron Linac 100 Hz 1 MW”, YouTube, 12 July 2016, ที่มา https://www.youtube.com/watch?v=GYEY7qL2ZfA

 

หัวหน้าโครงการ : ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.จิตรลดา ทองใบ1)

 

นักวิจัยสมทบ : ผศ. ดร.สาคร ริมแจ่ม1), ดร.จตุพร สายสุด1), ผศ. ดร.ปิยรัตน์ นิมมานพิภักดิ์2), ดร.ภาสรี เล้ากิจเจริญ3), Mr.Michael Rhodes4)

 

หน่วยงานต้นสังกัด : 1) ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2) ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 3) ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สวทช., 4) ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์

 

Back