สาขาอุตสาหกรรม

หมวดหมู่

อุตสาหกรรมเส้นใยกัญชง (ภาพรวม)
อุตสาหกรรมเส้นใยเฮ็มพ์หรือเส้นใยกัญชง (Cannabis sativa) เป็นอุตสาหกรรมที่มีการศึกษาและการผลิตอย่างกว้างขวาง ซึ่งเป็นเส้นใยจากลำต้น (bast fibers) ที่มีเซลลูโลสในปริมาณสูง โดยสามารถต้านทานสภาวะต่าง ๆ ได้ดี มีสมบัติพื้นฐาน ดังเช่น low density, high specific strength, stiffness และการที่มีการวิจัยและพัฒนาทำให้สามารถเพิ่มลักษณะทางกลที่สูงขึ้นโดยการ treat ผิว เพื่อการใช้งานในลักษณะต่าง ๆ หนึ่งในการใช้งานคือการนำมาผลิตเป็นวัสดุคอมโพสิต เสริมแรงพอลิเมอร์ อย่างไรก็ตามยังต้องการการวิจัยและการปรับปรุงสมบัติ การนำไปใช้ในวงกว้างมากขึ้น ในประเด็นด้านสิ่งแวดล้อมความสามารถในการเสื่อมสลายทางชีวภาพก็เป็นหนึ่งในปัญหาที่ต้องได้รับการพิจารณา การใช้งานที่มีอายุที่ยาวนาน การผลิตได้ซ้ำ ๆ ได้สมบัติของผลิตภัณฑ์ที่คงที่ การสืบค้นนี้เป็นการศึกษาเส้นใยกัญชง ทั้งสมบัติทางเคมี ทางกล การปรับปรุงผิว คอมโพสิตแบบผสม (hybrid composite) พร้อมด้วยการใช้งานในปัจจุบันและในอนาคต

สมบัติทางเคมีและสมบัติทางกลของเส้นใยธรรมชาติที่นิยมนำมาใช้ในการผลิตเป็นวัสดุคอมโพสิต โดยที่เส้นใยกัญชงเป็นเส้นใยที่มีปริมาณเซลลูโลสที่สูง ซึ่งทำให้สมบัติทางกลของเส้นใยก็สูงทั้งความแข็งแรงตามยาวที่มีมากถึง 550-1110 MPa

งานวิจัยนี้เป็นการประเมินข้อดีของการปรับผิวเส้นใยกัญชงด้วยสารละลายอัลคาไลน์ และนำไปใช้เสริมแรงพอลิเอทิลีนคอมพอสิทที่ขึ้นรูปด้วยวิธีหมุนเหวี่ยงแม่แบบ  โดยคาดหวังว่า วิธีการปรับผิวที่เลือกใช้นี้จะช่วยกำจัดองค์ประกอบที่ไม่ใช่เซลลูโลสออก และทำให้ได้เส้นใยที่มีขนาดเล็กลง และสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้เป็นระยะเวลาที่นานขึ้น ซึ่งเป็นธรรมชาติของกระบวนการขึ้นรูปแบบนี้
 
การปรับผิวเส้นใยและลักษณะที่เปลี่ยนไป
 
 
รูปที่ 9  ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแสดงพื้นผิวและขนาดของเส้นใยกัญชงเริ่มต้น (a)
และเส้นใยที่ผ่านการปรับผิวด้วยสารละลายอัลคาไลน์ (b)
 
รูปที่ 9  แสดงพื้นผิวของเส้นใยกัญชงตั้งต้น และเส้นใยที่ผ่านการปรับผิว  จะเห็นได้ชัดเจนว่า เส้นใยเริ่มต้นมีขนาดใหญ่ และพื้นผิวมีลักษณะของสารบางชนิดเคลือบอยู่  ภายหลังจากการปรับผิวด้วยสารละลาย      อัลคาไลน์ สารที่หุ้มอยู่จะถูกขจัดออกไป และทำให้เส้นใยขนาดเล็กที่เป็นองค์ประกอบแยกออกจากกัน ผิวของเส้นใยสะอาดขึ้นกว่าเดิม  สารที่ถูกชะล้างออกไปนี้น่าจะเป็นเฮมิเซลลูโลส ซึ่งผู้วิจัยได้ใช้สเปกตรัมอินฟราเรดในการยืนยัน โดยพิจารณาจากสัญญาณอินฟราเรดในรูปที่ 10 จะเห็นว่าสัญญาณที่เลขคลื่น 1740 cm-1 หายไปภายหลังจากการล้างด้วยสารละลายอัลคาไลน์ สัญญาณนี้เป็นสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการยืดของพันธะ C=O ที่อยู่ในหมู่ acetyl หรือ carboxylic acid ของเฮมิเซลลูโลส 

วัตถุประสงค์หลักของงานวิจัยชิ้นนี้ คือ การผลิตแผ่นเส้นใยกัญชงที่เส้นใยมีการเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกันด้วยเครื่อง dynamic sheet forming (DSF)  โดยเส้นใยกัญชงจะถูกปรับผิวด้วยสาร  อัลคาไลน์ที่อุณหภูมิห้อง และอุณหภูมิสูงเพื่อแยกเส้นใยให้เป็นเส้นใยเดี่ยวขนาดเล็ก  และได้ศึกษาผลการปรับสภาวะผิวการต่อสมบัติเชิงกลของเส้นใยกัญชง แผ่นเส้นใยที่ได้มีการนำไปใช้เสริมแรงวัสดุคอมพอสิตที่มีพอลิพรอพิลีนเป็นแมทริกซ์
 
การปรับผิวเส้นใย และผลต่อสมบัติของเส้นใย
 
ในการปรับผิวเส้นใยใช้สารละลาย NaOH เข้มข้นร้อยละ 5 โดยน้ำหนัก (5 wt%) และ Na2SO3 เข้มข้นร้อยละ 2 โดยน้ำหนัก (2 wt%) ใช้อัตราส่วนเส้นใยต่อสารละลายเท่ากับ 1:8 ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิห้อง (AT) และอุณหภูมิ 120C (HT) ตามโปรแกรมที่แสดงในรูปที่ 1  โดยเส้นใย และสารละลายทั้งหมดจะถูกบรรจุในกระบอกสแตนเลสที่สามารถรองรับแรงดันได้  ใช้เวลาในการทำปฏิกิริยาเท่ากับ 1 และ 2 ชั่วโมง  นอกจากนี้แล้ว ยังมีการบดเส้นใยทั้งแบบก่อนทำปฏิกิริยา และหลังทำปฏิกิริยา  ภายหลังทำปฏิกิริยา ทำการล้างเส้นใยด้วยน้ำสะอาดอย่างน้อย 6 รอบ และอบให้แห้งที่อุณหภูมิ 80C เป็นเวลา 48 ชั่วโมง
นำเส้นใยไปทดสอบความแข็งแรง โดยการเตรียมตัวอย่างตามที่แสดงในรูปที่ 1 ใช้อัตราการดึง 0.5 mm/min  คำนวณค่าต่างๆ ตามมาตรฐาน ASTM D 3379-75  ได้ผลดังแสดงในตารางที่ 1  ซึ่งจะเห็นว่าเส้นใยมีขนาดเฉลี่ยเล็กลงเล็กน้อย มีมอดูลัส และความแข็งแรงเฉลี่ยสูงขึ้น  สำหรับการศึกษาความแข็งแรงเชิงสถิติด้วย Weibull modulus ก็พบว่าโดยเฉลี่ยแล้ว การปรับผิวจะทำให้เส้นใยมีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้น ทั้งในรูป characteristic strength และความทนต่อแรงดึงเฉลี่ย (average tensitle strength)

Murugu Nachippan et. al., (2021) ได้ทำการศึกษาทดลองผลของการผสม (Hybridization) ของใยแก้ว (Glass fiber) ด้วยเส้นใยกัญชง (Hemp fiber) ที่ไม่ผ่านการบำบัดและเส้นใยกัญชงที่ผ่านการบำบัดต่อสมบัติเชิงกลของวัสดุ โดยเส้นใยกัญชงถูกบำบัดด้วยด่างโดยใช้สารละลาย NaOH และศึกษาสมบัติเชิงกลด้วย การเสริมแรงของเส้นใยกัญชงและใยแก้วด้วยอีพ็อกซี่เป็นวัสดุแมทริกซ์ และสร้างตัวอย่างทดสอบขึ้นด้วยวิธีการเลย์อัพด้วยมือ (Hand layup technique) ตัวอย่างชิ้นงานทดสอบเตรียมด้วยลำดับการเรียงซ้อนของใยแก้ว/อีพอกซีคอมโพสิต (C-1), ใยแก้ว / เส้นใยกัญชงที่ไม่ผ่านการบำบัด / อีพ็อกซี่คอมโพสิต (C-2) และ ใยแก้ว / เส้นใยกัญชงที่ผ่านการบำบัด / อีพ็อกซี่คอมโพสิต (C-3) ตามมาตรฐาน ASTM จากนั้นนำตัวอย่างชิ้นงานไปทดสอบแรงดึง ทดสอบแรงกระแทก และทดสอบความแข็งเพื่อให้ได้ผลการทดลองด้านสมบัติเชิงกลของวัสดุ นอกจากนี้ยังได้ดำเนินการวิเคราะห์รอยต่อประสาน (Interfacial analysis) ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดเพื่อประเมินช่องว่าง การแตกหัก และการดึงของเส้นใย โดยผลการทดลองชี้ให้เห็นว่าคอมโพสิตอีพอกซีใยแก้ว มีความต้านทานแรงดึงที่ดี แต่มีการต้านทานแรงกระแทกและค่าความแข็งแรงต่ำ ในขณะที่คอมโพสิตไฮบริด ที่เป็นเส้นใยธรรมชาติมีค่าการต้านทานแรงดึงที่ต่ำกว่ามาก แต่มีการต้านทานแรงกระแทกและมีค่าความแข็งดีมาก ดังนั้นวัสดุผสมเส้นใยธรรมชาติสามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านยานยนต์ที่ต้องการแรงกระแทกและความแข็งสูง

ปัจจัยสำคัญของวัสดุคอมโพสิตที่อุตสาหกรรมยานยนต์พิจารณาคือ น้ำหนัก การลดการใช้เชื้อเพลิงและการประหยัดพลังงาน โดยปัจจัยทั้งสามต้องสัมพันธ์กัน หากหนึ่งในปัจจัยนั้นได้รับการดูแล ปัจจัยส่วนอื่นๆ ก็สามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดาย เมื่อวัสดุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปรวมกันวัสดุนั้นทั้งหมดจะถูกเรียกว่าเป็นวัสดุคอมโพสิต โดยวัสดุทั้งสองที่รวมกันจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เมื่อรวมวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตชิ้นเดียว ซึ่งวัสดุคอมโพสิตที่ได้จะมีคุณสมบัติเฉพาะตัว การศึกษาด้านวัสดุสำหรับชิ้นส่วนต่างๆ สำหรับรถยนต์มีแนวโน้มการเปลี่ยนและการทดแทนวัสดุเกิดขึ้นในอุตสาหกรรมยานยนต์มาเป็นเวลานานแล้ว ดังนั้นจึงมีงานวิจัยเพื่อค้นคว้าและพัฒนาวัสดุที่มีประสิทธิภาพดีกว่าและมีปริมาณวัตถุดิบที่มาก เพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพการลดน้ำหนัก การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไอซี และในกรณีของรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดพลังงานจะถูกอนุรักษ์ไว้ 

เส้นใยธรรมชาติเป็นเส้นใยที่ได้จากพืชและสัตว์ แม้ว่าจะมีเส้นใยธรรมชาติมากมายหลายชนิดมีเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถนำมาใช้กับยานยนต์ได้ การเก็บเกี่ยวเส้นใยธรรมชาติจะทำได้ตลอดทั้งปี กรณีของปอแก้ว (Kenaf) ปอกระเจา (Jute) และกัญชง (Hemp) สามารถเก็บเกี่ยวได้ประมาณ 3-4 ครั้งต่อปี และปริมาณผลผลิตของเส้นใยของพืชทั้ง 3 ชนิดนี้มีมากกว่าเส้นใยธรรมชาติอื่นๆ อีกทั้งสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศและต้องการปริมาณน้ำที่น้อยในการเจริญเติบโต ผู้ผลิตยานยนต์ชั้นนำส่วนใหญ่ได้รวมวัสดุคอมโพสิต

ในปี ค.ศ. 1941 นาย Henry Ford  ได้นำเสนอรถยนต์ Ford รุ่น Model T Ford ต่อสาธารณชน ผลิตจากคอมโพสิตเส้นใยกัญชง ที่มีความเบา หยาบ และมีราคาถูก Ford ได้ทดลองใช้ขวานจามโครงรถยนต์ดังกล่าว แต่ก็ไม่เกิดความเสียหายใดๆ เนื่องจากคาดว่าคอมโพสิตดังกล่าวมีคุณสมบัติแข็งแรงที่สามารถปกป้องชีวิตมนุษย์ได้ ดังนั้น ในเวลาต่อมาจึงนำไปประยุกต์ใช้เทคโนโลยีดังกล่าวกับเสื้อกันกระสุนด้วย

Kevlar หรือ poly (p-phenylene terephtalamide) เป็น เส้นใยโพลิอาไมด์ประเภท ‘para-aramid’ สังเคราะห์ ที่พัฒนาและจดสิทธิบัตรโดยบริษัท DuPont ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1965 ซึ่งในขณะนั้นนับว่าเป็นเรื่องที่ใหม่มากในโลกของการวิจัยโพลิเมอร์ ทั้งนี้ aramids เป็นประเภทของโพลิเมอร์สังเคราะห์ที่มีความแข็งแรงและต้านทานความร้อนที่สูง โดย para-aramids มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีที่สุด 

Kevlar ประกอบด้วยเส้นใยสังเคราะห์ขนาดเล็กที่ทอเข้าด้วยกันเป็นสิ่งทอ และสามารถใช้ผลิตเสื้อที่มีน้ำหนักเบาและป้องกันอันตราย เช่น จากลูกกระสุน หรือวัตถุมีคม อีกทั้งคุณสมบัติที่เป็นสังเคราะห์ จึงป้องกันไฟได้โดยธรรมชาติและยังป้องกันสารเคมีได้อีกด้วย จึงใช้เป็นเสื้อที่ปกป้องหรือใช้ในอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่พัฒนาและใช้สำหรับการทหารและอากาศยาน นอกจากนี้ ในปัจจุบัน มีการวิจัยต่อยอดการนำ Kevlar ไปใช้ เช่น นักวิจัยที่มหาวิทยาลัย Georgia Institute of Technology ได้มีการทดสอบศักยภาพในการผลิตเสื้อที่ทำให้เกิดไฟฟ้าได้ (เพื่อกระตุ้นการทำงานของอุปกรณ์ติดตัวขนาดเล็กของทหาร) โดยการสานเส้นลวดนาโนของสังกะสีออกไซด์ระหว่างเส้นใย Kevlar แต่การผลิต Kevlar มีอันตราย เพราะผลพลอยได้ของมัน คือ กรดกำมะถัน (กรดซัลฟิวริค) ที่ทำลายสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ยังมีต้นทุนการผลิตที่สูง และการผลิตที่ใช้เวลานาน ทั้งยังไม่สามารถป้องกันรังสียูวี และยังกัดกร่อนเมื่อถูกแสงอาทิตย์ ทำให้ประสิทธิภาพลดลง

 

Hýsek et. al., (2016) ได้ทําการศึกษากระบวนการแปรรูป สําหรับแผ่นเส้นใยแบบไม่ถักทอหรือ   นอนวูฟเวน (Nonwovens fibre-mat) จากเส้นใยกัญชงหรือเฮมพ์และแฟลกซ์ (Flax) โดยใช้เทคโนโลยี SPIKE® Air-laying technology (Formfiber Denmark ApS Company ประเทศเดนมาร์ก) มีการประเมินกระบวนการขึ้นรูปแผ่นเส้นใย (Web-formation) ซึ่งเป็นขั้นตอนการกระจายและโรยเส้นใยลงบนวัสดุรองรับเพื่อทําให้เป็นแผ่น (Web) โดยกระบวนการนี้เส้นใยที่ใช้อาจอยู่ในรูปเส้นใยโดยตรง เรียกว่า เทคนิคดราย-เลด (Dry-laid) และเว็ตเลด (Wet-laid) หรือบางกระบวนการอาจทําการขึ้นรูปเส้นใยจากเม็ดพลาสติกแล้วจึงโรยขึ้นรูปเป็นแผ่น เรียกว่า เทคนิคการปั่นหลอม (Melt spinning) เส้นใยที่ใช้สําหรับเทคนิคดราย-เลด และเว็ต-เลด ส่วนใหญ่จะเป็นเส้นใยสั้นโดยใช้ลมและน้ำเป็นตัวกลางในการกระจายเส้นใย ลงบนวัสดุเพื่อขึ้นรูปเป็นแผ่น และศึกษาคุณสมบัติของใยไฟเบอร์ก่อนการเชื่อมยึดด้วยกระบวนการทางกล (Mechanical bonding) โดยการปักด้วย  เข็มปัก (Needle-punching) และการเสริมแรง (Reinforced) แผ่นเส้นใย พบว่าการตั้งค่าสภาวะการทํางานของเครื่อง Air-laying machine มีผลต่อกระบวนการขึ้นรูปเส้นใยและสมบัติของแผ่นนอนวูฟเวน ในการตรวจสอบกระบวนการขึ้นรูปเส้นใยและประเมินคุณภาพของเส้นใย หรือแผ่นเส้นใยมีการกําหนดการตั้งค่าเครื่องจักร  หลายอย่าง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตของเครื่องจักรและการพัฒนาผลิตภัณฑ์แผ่นเส้นใยแบบไม่ถักทอ ที่มีความหนาแน่นสูงหรือมีสมบัติการรับแรงดึงสูง

การยึดเส้นใยในแผ่น (Bonding process) เป็นขั้นตอนการยึดตรึงเส้นใยในแผ่นไว้ด้วยกันเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของแผ่น สามารถทําได้โดยวิธีต่าง ๆ ซึ่งจะมีผลต่อลักษณะและความแข็งแรงของแผ่นนอนวูฟเวนที่ได้ โดย Hýsek et. al., (2016) ได้เลือกวิธีการเชื่อมยึดด้วยกระบวนการทางกล โดยการปักด้วยเข็มปักหรือ Needle-punching ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้เทคนิคดราย-เลด มีลมเป็นตัวกลาง อีกวิธีการหนึ่งเป็นวิธีการสําหรับการปักด้วยเข็มน้ำ (Hydroentanglement) นอนวูฟเวนที่ใช้เทคนิคปักด้วยเข็มปักส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นแผ่นหนาและแข็ง ให้สมบัติด้านความแข็งแรงสูง ในขณะที่นอนวูฟเวนที่ใช้เข็มน้ำในการยึดเส้นใยจะมีความนิ่มคล้ายผ้า นอกจากนั้นยังมีวิธีการยึดเส้นใยเป็นแผ่นอีก 2 วิธี คือ วิธีการเชื่อมยึดด้วยเคมี (Chemical bonding) เช่น ใช้กาวทั้งในรูปของสารละลายกาว  โฟมกาว หรือสเปรย์กาว ในการเชื่อมยึดเส้นใยนอนวูฟเวนที่ทําการยึดด้วยสารละลายกาวจะมีลักษณะเป็นแผ่นเรียบแบนและแข็ง ในขณะที่นอนวูฟเวนที่ใช้โฟมกาวหรือสเปรย์กาวจะมีความหนาฟู มีความนุ่ม และคืนตัวได้ดี ส่วนอีกวิธีการหนึ่ง คือ การเชื่อมยึดด้วยความร้อน (Thermal bonding) เช่น ใช้ลูกกลิ้งร้อน (Hot calenders) และลมร้อน (Hot air) เพื่อให้บางส่วนของเส้นใย (หรือเม็ดกาวพลาสติก) มีการหลอมและยึดติดกันภายหลังทําให้เย็นตัวลง การใช้ลูกกลิ้งร้อนจะทําให้แผ่นนอนวูฟเวนที่ได้ มีลักษณะเป็นแผ่นแบนที่มีความแข็งแตกต่างกัน ซึ่งจะมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่สัมผัสของลูกกลิ้งร้อนบนแผ่นนอนวูฟเวน