Composite material คืออะไร พร้อมทั้งยกตัวอย่างมา 3 ชนิด

เมื่อเอ่ยถึงเส้นใยส่วนใหญ่คงนึกถึงการนำไปปั่นทอถัก ผลิตเป็นผืนผ้า เพื่อสวมใส่หรือใช้ในงานหัตถกรรม โดยเฉพาะเส้นใยจากธรรมชาติที่มีคุณลักษณะสมบัติเฉพาะด้าน เส้นใยถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ปัจจุบันหน่วยงานองค์กรต่างๆ ให้ความสนใจและใส่ใจสิ่งแวดล้อมกันมากขึ้น ผลจากมลภาวะของโลกที่เปลี่ยนแปลงไป ในหลายประเทศและประเทศไทยได้มีการสนับสนุนส่งเสริมมาตรการ การกำหนดข้อกฎหมายเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ผลิตภัณฑ์มีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ผลิตภัณฑ์ที่ได้รับรองฉลากสีเขียว การนำวัสดุจากธรรมชาติมาใช้จึงมีบทบาทเพิ่มมากขึ้นวัสดุจากเส้นใยธรรมชาติ เป็นแนวทางที่สำคัญถูกนำมาใช้เป็นวัสดุพอลิเมอร์คอมโพสิต (Polymer Composite) แบ่งชนิดของวัสดุพอลิเมอร์คอมโพลิตที่ใช้งานอุตสาหกรรมได้ 2 ประเภท วัสดุจากเส้นใยธรรมชาติ เป็นแนวทางที่สำคัญถูกนำมาใช้เป็นวัสดุพอลิเมอร์คอมโพสิต (Polymer Composite) แบ่งชนิดของวัสดุพอลิเมอร์คอมโพลิตที่ใช้งานอุตสาหกรรมได้ 2 ประเภท 1. คอมโพสิตจากวัสดุสังเคราะห์ ได้แก่ เส้นใยจำพวกพอลิพรอพิลีน พอลิเอทิลีน (HDPE) 2. คอมโพสิตจากวัสดุธรรมชาติ เช่น เส้นใยยูคาลิปตัส ใยกัญชง หญ้าแฝก ใยไผ่ เส้นใยจากไม้ยางพารา ใยปอ ป่านศรนาราย์ เส้นใยผักตบชวา ใยสับปะรด ใยกล้วย เป็นต้น

ในส่วนของวัสดุที่มาจากธรรมชาติ สามารถแบ่งตามลักษณะการใช้งานดังนี้

เส้นใยถูกนำมาใช้งานโดยตรง ได้แก่ ใยกัญชง ใยปอ ใยสับปะรด ใยกล้วย ใยไผ่ ป่านศรนารายณ์ ผักตบชวา ฯลฯ

เศษของวัสดุเหลือใช้ทางธรรมชาติ ได้แก่ ชานอ้อย ฟางช้าว ซางข้าวโพด ขุยมะพร้าว หญ้าแฝก ฯลฯ

การนำวัสดุเส้นใยจากธรรมชาติหรือวัสดุเหลือใช้จากธรรมชาติ มาใช้ขึ้นรูปเป็นวัสดุใช้งานในอุตสาหกรรม อาทิ อุตสาหกรรมรถยนต์ ชิ้นส่วนของเครื่องบิน หรืออุปกรณ์ อะไหล่ ผลิตภัณฑ์คอมโพสิต

ภาพที่ 1 แสดงคอมโพสิตใช้ในการผลิตชิ้นส่วนของเครื่องบินโบอิ้ง 787
(ส่วนที่ใช้คอมโพสิตเป็นองค์ประกอบประมาณ 50%)

ภาพที่ 2 แสดงคอมโพสิตใช้ในการผลิตชิ้นส่วน

วิธีการ/ขั้นตอนการทำคอมโพสิต คือการนำเอาโครงสร้างทางเคมีหรือโครงสร้างเส้นใยสองชนิดหรือมากกว่าสองชนิดที่แตกต่างกันมาผสมกันในเมทริกซ์ (matrix) วัสดุที่ทำหน้าที่เป็นแกนหลัก และวัสดุอีกชนิดที่ทําหน้าที่เป็นเฟสที่กระจายตัวอยู่ (dispersed phase) ในเมทริกซ์นั้น หรืออาจเรียกว่าเป็นเฟสเสริมแรง ซึ่งมีผลต่อสมบัติคอมโพสิต เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของคอมโพสิต เช่น เส้นใยชนิดหนึ่งมีข้อดี จะไปใช้ทดแทน ข้อด้อยของเส้นใยอีกชนิดหนึ่งได้ ความยาวของเส้นใยที่แตกต่างกัน ปริมาณเส้นใย การจัดเรียงตัวของเส้นใย การยืดติดกันระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์ ผลจากงานวิจัยอัตราส่วนระหว่างเส้นใยป่านศรนารายณ์และเส้นใยปาล์ม สมบัติการทนทานต่อแรงดึงของคอมโพสิต และการคงรูป การนำเส้นใยทั้งสองชนิดมีผลให้ค่าความแข็งของคอมโพสิตสูงขึ้น จากการเพิ่มปริมาณของเส้นใยในยางธรรมชาติมีผลให้การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของยางธรรมชาติลดลง และค่าผลความทนทานต่อแรงดึงสูงของปริมาณเส้นใยป่านศรนารายณ์มากกว่าเส้นใยปาล์ม จากผลค่าความทนทานของเส้นใยป่านศรนารายณ์มีค่าความทนทานต่อแรงดึงสูงกว่าปาล์ม

การทำให้ยึดเกาะติดกันระหว่างเส้นใยธรรมชาติหรือในการก่อรูปเป็นวัสดุผลิตภัณฑ์สามารถทำได้หลายวิธีการ ดังนี้ 1) การดัดแปรพื้นผิวของเส้นใย 2) การดัดแปรเมทริกซ์ 3) การใส่สารช่วยให้เข้ากัน
วิธีการดัดแปรพื้นผิวของเส้นใยสามารถดัดแปรทางเคมีและทางกายภาค มีผลทำให้สามารถปรับปรุงการยึดติดระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์ได้ เนื่องจากการเพิ่มความขรุขระของพื้นผิวของเส้นใยและการเพิ่มแรงตึงผิวของเส้นใยได้

ภาพที่ 3 แสดงกระบวนการยึดเกาะติดกันระหว่างเส้นใยธรรมชาติเพื่อผลิตเป็นวัสดุผลิตภัณฑ์

การดัดแปรเมทริกซ์ เป็นการนำวัสดุจากธรรมชาติที่มีสมบัติทางด้านความยาวเป็นตัวหลักมาผสมเพื่อให้คอมโพสิตมีความแข็งแรง หรือยืดหยุ่นตัวดีขึ้น

การเติมสารเสริมแรง เพื่อเพิ่มสมบัติของผลิตภัณฑ์ให้เหมาะสมกับการใช้งาน สารเติมแต่งให้ขึ้นรูปได้ง่าย เช่น การเพิ่มความหล่อลื่น เพิ่มความเสถียร สารเพิ่มความแข็งแรง การเกิดค่ามอดุลัส การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น การนำวัสดุเส้นใยธรรมชาติที่เหมาะสมมาใช้ขึ้นรูปเป็นวัสดุคอมโพสิต ปัจจัยที่ต้องคำนึงถึง เช่น ต้นทุนของการผลิตผลิตภัณฑ์ แหล่งผลิตของวัสดุ อาทิเช่น ใยกัญชงมีแหล่งผลิตปลูกมากในบริเวณภาคเหนือของประเทศ ผักตบชวาพบมากในบริเวณหนองบึง แม่น้ำลำคลอง เส้นใยหลายชนิดพบได้โดยทั่วไปในประเทศไทย วัสดุแต่ละชนิดมีสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น ใยมะพร้าว มีสมบัติความยืดหยุ่น ความเหนียวแข็งแรง มีความทนทาน อายุการใช้งานที่นาน การขึ้นรูปของผลิตภัณฑ์ในเส้นใยธรรมชาติบางชนิดมีการขึ้นรูปได้ไม่ดีเมื่อมีการเพิ่มปริมาณของเส้นใยคอมโพสิตมากเกินไป การใส่เส้นใยให้มีการกระจายตัวให้อยู่ในเฟสของยางธรรมชาติทำการกระจายตัวพลังงานลดลง เพราะเส้นใยจะเข้าไปลดความสามารถในการเคลื่อนที่อย่างอิสระของโมเลกุลยางธรรมชาติ

ภาพที่ 4 แสดงการเพิ่มสมบัติของผลิตภัณฑ์โดยการเพิ่มเส้นใย

เส้นใยธรรมชาติมีบทบาทสำคัญในการนำมาใช้ในการผลิตวัสดุพอลิเมอร์คอมโพสิตเป็นสารเสริมแรงแทนเส้นใยสังเคราะห์ซึ่งเป็นอันตรายกับมนุษย์ วัสดุเหล่านี้มีอยู่โดยทั่วไปในประเทศไทย บางชนิดก็เป็นวัสดุเหลือใช้จากงานด้านการเกษตร การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมกับการขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์จึงเป็นส่วนสำคัญ ทั้งยังเป็นการลดต้นทุนการผลิตด้วยวัสดุหาได้ง่าย ราคาถูก เป็นการเพิ่มปริมาณการผลิต เพิ่มความแข็งแรงทนทานให้กับผลิตภัณฑ์ วัสดุคอมโพสิตที่ได้จะมีน้ำหนักเบา ไม่เป็นอันตรายต่อผู้ใช้และผู้ผลิต สามารถเป็นฉนวนกันความร้อน ย่อยสลายง่าย ส่วนข้อด้อยของวัสดุเส้นใยธรรมชาติคือมีความไม่คงที่ ไม่ทนความร้อน ความแข็งแรงไม่สูงมาก การดูดซึมความชื้น จึงต้องมีการปรับปรุงผิวของวัสดุคอมโพสิต ให้เหมาะสมกับการใช้งาน