การศึกษาและพัฒนาวัสดุผสมโพลีเอทีลีนชนิดน้ำหนักโมเลกุลสูง(UHMWPE) สำหรับงานวิศวกรรม

บทคัดย่อ

แผนงานวิจัยนี้เป็นการศึกษาและพัฒนาวัสดุผสมพอลิเอทิลีนชนิดน้ำหนักโมเลกุลสูง (UHMWPE) สำหรับงานวิศวกรรม ซึ่งประกอบไปด้วย 4 โครงการย่อย ซึ่งมีวัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาพัฒนา โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางกล พฤติกรรมการสีกหรอ (ความต้านทานการสีกหรอ) ของวัสดุผสมพอลิเอทิลีนชนิดน้ำหนักโมเลกุลสูง(UHMWPE) สำหรับการประยุกต์ใช้ในงานวิศวกรรม ซึ่งมีผลการศึกษาวิจัยดังต่อไปนี้โครงการย่อยที่ 1 เป็นการศึกษาวิเคราะห์อิทธิพลของปัจจัยการอัดขึ้นรูป ที่มีผลต่อสมบัติทางกล โครงสร้างจุลภาค และพฤติกรรมการสึกหรอของ UHMWPE ภายใต้การลื่นไถลแบบแห้งที่ทำการทดสอบด้วยวิธีการ Block-on-ing ตามมาตรฐาน ASTM G7 จากการขึ้นรูปด้วยกรรมวิธี hot compression process ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อหาสภาวะของการอัดขึ้นรูปที่เหมาะสมที่สุด ปัจจัยหลักของการอัดขึ้นรูปประกอบด้วยช่วงของอุณหภูมิ 170, 190, 210*C ช่วงของความตันกดอัด 5, 12.5, 20 MPa และช่วงระยะเวลาของการคงอุณหภูมิและความตันกตอัด 30, 60, 90 นาที โครงการย่อยที่ 1 เป็นการศึกษวิเคราะห์อิทธิพลของปัจจัยการอัดขึ้นรูปที่มีผลต่อสมบัติทางกลโครงสร้างจุลภาค และพฤติกรรมการสีกหรอของ UHMWPE ภายใต้การลื่นไถลแบบแห้งที่ทำการทดสอบด้วยวิธีการ Block-on-ring ตามมาตรฐาน ASTM G77 จากการขึ้นรูปด้วยกรรมวิธี hot compression process ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อหาสภาวะของการอัดขึ้นรูปที่เหมาะสมที่สุด ปัจจัยหลักของการอัดขึ้นรูป ประกอบด้วยช่วงของอุณหภูมิ 170, 190, 210*C ช่วงของความตันกดอัด 5, 12.5, 20 MPa และช่วงระยะเวลาของการคงอุณหภูมิและความตันกตอัต 30, 60, 90 นาที ผลจากการศึกษาวิจัย พบว่า ทั้ง 3 ปัจจัยหลักของการทดลองอัดขึ้นรูปไม่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงลักษณะโครงสร้างจุลภาค ค่า Yield strength, Ultimate tensile strength, Breaking Strength, Elongation at Break และค่า Hardness ของชิ้นทดสอบมากนัก ยกเว้นปัจจัยความตันกดอัดที่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงค่า Modulus of Elasticity มากที่สุด สำหรับพฤติกรรมการสีกหรอพบว่า การสีกหรอของชิ้นทดสอบเกิดจากกลไกการถ่ายโอนชั้นฟิล์มพอลิเมอร์ โดยปัจจัยอุณหภูมิและ ระยะเวลาของการคงอุณหภูมิและความตันกตอัดมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงค่าอัตราการสึกหรอของชิ้นทดสอบมากที่สุด และจากการวิเคราะห์ข้อมูลผลการทดสอบต่างๆ พบว่า สภาวะของการอัดขึ้นรูปที่ อุณหภูมิ 2021 1C ความดันกตอัด 9.73 MP2 และระยะเวลาของการคงอุณหภูมิและความดันกตอัด 76.97 นาที เป็นสภาวะที่เหมาะสมที่สุด โครงการย่อยที่ 2 เป็นการศึกษาอิทธิพลของแรงกระทำที่กดลงบนชิ้นทดสอบ ความเร็วรอบและความหยาบผิวคู่สัมผัสที่มีผลต่อพฤติกรรมการสีกหรอ โดยทำกรทดสอบการสีกหรอภายใต้สภาวะ ของแรงกระทำที่กดลงบนชิ้นทดสอบ 50, 100, 150 I ความเร็วรอบสัมผัส 0.1, 0.2, 0.3 m/s และความหยาบผิวคู่สัมผัสที่ 0.12, 0.19, 0.27 ผลจ ากการศึกษาวิจัย พบว่า แรงกระทำที่กดลงบนชิ้นทตสอบ และความเร็วของการเสียดสี ไม่มีอิทธิพลต่อค่าอัตราการสีกหรอของขึ้นทตสอบ ยกเว้นค่าความหยาบผิววงแหวนคู่สัมผัสที่มีอิทธิพลต่อ ค่าอัตราการสีกหรอของชิ้นทดสอบ ซึ่งหมายความว่า ความหยาบผิววงแหวนคู่สัมผัสที่แตกต่างกันมีอิทธิพลต่อค่าอัตราการสีกหรอที่ระดับความเชื่อมั่นที่ 95% และนอกจากนี้จากการวิเคราะห์การจับคู่ปัจจัยการทดสอบ พบว่า คู่ปัจจัยระหว่างค่ความหยาบผิววงแหวนคู่สัมผัสกับความเร็วของการเสียดสี คู่ปัจจัยระหว่างค่ความหยาบผิววงแหวนคู่สัมผัสกับแรงกระทำที่กดลงบนชิ้นทดสอบ และคู่สามปัจจัยระหว่างค่ความหยาบผิววงแหวนคู่สัมผัสกับความเร็วของการเสียดสีและแรงกระทำที่กดลงบนชิ้นทดสอบมีอิทธิพลต่อค่าอัตราการสีกหรอของขึ้นทดสอบ ยกเว้นเว้นคู่ปัจจัยระหว่างความเร็วของการเสียดสีกับแรงกระทำที่กตลงบนชิ้นทดสอบ ที่ไม่มีอิทธิพลต่อค่าอัตราการสีกหรอของชิ้นทดสอบ โครงการย่อยที่ 3 เป็นการศึกษาวิเคราะห์อิทธิพลอลูมิเนียมออกไซต์ (AL.O) ขนาดอนุภาค 5 ไมครอน ที่มีต่อสมบัติทางกล โครงสร้างจุลภาคและความต้านทานการศึกหรอของวัสดุผสม UHMWPE-composite โดยชิ้นทดสอบวัสดุก้อน UHMWPE-composite เสริมแรงด้วยอนุภาค AL.O, ด้วยปริมาณการผสม 0.1, 02, 0.3, 0.4, 0.5, 1, 2, 3, 4 และ 5 wt.%6 ผ่านอัดขึ้นรูปตัวยวิธี hot compression process ภายใต้สภาวะของการอัดขึ้นรูปที่อุณหภูมิ 202.11*C ความตันกดอัด 9.73 MPa ระยะเวลาของการคงอุณหภูมิและความตันกดอัต 76.97 นาที ผลจากการศึกษาวิจัย พบว่า AL.O: มีผลทำให้การเกิด Cross-Iink ภายในสายโชโมเลกุลของพอลิเมอร์ปริมาณการผสม A:0, ในช่วง 0.1-0. 5wt.9 ชิ้นทดสอบมีค่าความเป็นผลึกต่ำกว่าชิ้นทดสอบ UHMWPE บริสุทธิ์ แต่เมื่อปริมาณการผสม AL:O, เพิ่มสูงขึ้นมากกว่า 0.5 wt.% ค่าความเป็นผลึกมีแนวโน้มมีค่าเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องและสูงกว่าชิ้นทดสอบชิ้นทดสอบ UHMMPE บริสุทธิ์ และส่งผลให้มีคำความหนาแน่นเปลี่ยนแปลง สำหรับในส่วนของโครงสร้งจุลภาค พบว่า ปริมาณการผสม A.0, ในช่วง ไม่เกิน 0.5 w.% โครงสร้างจุลภาคของชิ้นทดสอบไม่มีความแตกต่างจากชิ้นทดสอบ UHMWPE บริสุทธิ์จากการที่อนุภาค A1:0, กระจายตัวได้ดีและสม่ำเสมอในโครงสร้างพื้น UHMWPE โดยมีลักษณะเป็นโครงสร้างแบบแผ่นหรือเกล็ด แต่อย่างไรก็ตาม ปริมาณการผสม AL.O, ที่มากกว่า 0.5 wt.% มีผลทำให้โครงสร้างจุลภาคของชิ้นทดสอบเกิดการเปลี่ยนแปลงจากการที่อนุภาค AL:O, ส่วนที่เพิ่มขึ้นเกิดการ แยกตัวออกจากโครงสร้างพื้นและรวมตัวสะสมกันเป็นกลุ่มอยู่บริเวณขอบเกรนของอนุภาคผง UHMWPE สำหรับในส่วนของสมบัติทางกล พบว่า ปริมาณการผสม AL.O, ที่ 0.5 wt.% ชิ้นทดสอบมีสมบัติทางกลสูงสุด (yield strength, ultimate tensile strength) โดยมีคำสูงกว่าชิ้นทดสอบ UHMWPE บริสุทธิ์และในส่วนสุดท้าย สมบัติความต้านทานการสึกหรอ พบว่า ปริมาณการผสมอนุภาค AL.O, ที่ 1wt.% อัตราการสีกหรอมีค่าลดลงจนต่ำสุดมีค่าเท่ากับ 5.90x10 : 1.28x10" mm/Nm โครงการย่อยที่ 4 เป็นการศึกษาวิเคราะห์อิทธิพลซิสิกอนไตออกไซต์ (SIO.) ขนาดอนุภาค 5 ไมครอน ที่มีต่อสมบัติทางกล โดรงสร้างจุลภาคและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุผสม UHMWPEcomposite โดยชิ้นทตสอบวัสดุก้อน UHMWPE composite เสริมแรงด้วยอนุภาค SIO2 ด้วยปริมาณ การผสม 0.1, 0.2, 0.3, 0.9, 0.5, 1, 2 3, 4 และ 5 wt.9 ผ่านอัดขึ้นรูปตัวยวิธี hot compression process ภายใต้สภาวะของการอัดขึ้นรูปที่อุณหภูมิ 202.11*C ความตันกดอัต 9.73 MPa ระยะเวลา ของการคงอุณหภูมิและความตันกดอัต 76.97 นาที ผลจากการศึกษาวิจัย พบว่า Sเ02 มีผลทำให้การเกิด Cross-link ภายในสายโชโมเลกุลของพอลิ เมอร์และส่งผลทำให้ปริมาณความเป็นผลึกและความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงเพิ่มขึ้น สำหรับในส่วนของโครงสร้งจุลภาค พบว่า ปริมาณการผสมอนุภาค รIO, ในช่วงไม่เกิน 05 wt.9 โครงสร้างจุลภาคของชิ้น ทตสอบไม่มีความแตกต่างจากชิ้นทตสอบ UHMWPE บริสุทธิ์ จากการที่อนุภาค Si02 กระจายตัวไต้ดีและสม่ำเสมอในโครงสร้างพื้น UHMWPE โดยลักษณะเป็นโครงสร้างแบบแผ่นหรือเกล็ด แต่อย่างไรก็ตามปริมาณการผสม SIO2 ที่มากกว่า 0.5 พ.9 มีผลทำให้โครงสร้างจุลภาคของชิ้นทตสอบเกิดการเปลี่ยนแปลงจากการที่อนุภาค รI0, ส่วนที่เพิ่มขึ้นเกิดการแยกตัวออกจากโครงสร้างพื้นและรวมตัวสะสมกันเป็นกลุ่มอยู่บริเวณขอบเกรนของอนุภาคผง UHMWPE สำหรับในส่วนของสมบัติทางกลและความต้านทานการสีกหรอ พบว่า ที่ปริมาณการผสมอนุภาค SiO2 ที่ 1 wt.9 สมบัติทางกลต่างๆ มีค่าเพิ่มขึ้นสูงสุดและอัตราการสีกหรอลดลงต่ำสุดจนมีคำเท่ากับ 5.10 x 10 + 1.26x10 mm/Nm หลังจากนั้น ปริมาณการผสม 5O, ที่เทิ่มขึ้นมีผลทำให้สมบัติทางกลและความต้านทานการสีกหรอลดต่ำลง ยกเว้นค่าความแข็งที่มีคำเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามปริมาณการผสม 5O, ที่เพิ่มขึ้น

คำสำคัญ