การศึกษาเปรียบเทียบความเร็วในการผิดรูปต่ําและสูงตอการออนตัวของความเคนและ พลังงานสูญหายของยางธรรมชาติวัลคาไนซผสมสารตัวเติม
สุพัตรา ตูดํา ฟาตีฮะห แดวอสนุง และ วัชรินทร สายน้ําใส
*สาขาวิชาเทคโนโลยียางและพอลิเมอร คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏสงขลา
*
ผูรับผิดชอบบทความ E-mail: watcharin.sa@skru.ac.thบทคัดยอ
งานวิจัยนี้ไดศึกษาเปรียบเทียบความเร็วในการผิดรูปเทากับ 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที ตอสมบัติดานการออน ตัวของความเคนและพลังงานสูญหายของยางธรรมชาติวัลคาไนซที่ผสมเขมาดําเกรด N550 และซิลิกาในปริมาณ 40 phr ดวย เครื่อง universal testing machine ผลการวิจัยพบวายางธรรมชาติวัลคาไนซผสมสารตัวเติม เมื่อไดรับแรงกระทําแบบพลวัต ดวยความเร็วในการผิดรูปต่ํามีการออนตัวของความเคน และพลังงานสูญหายสูงกวาการกระทําดวยความเร็วในการผิดรูปสูง เมื่อจํานวนรอบของการถูกกระทําอยางตอเนื่องเพิ่มขึ้น การออนตัวของความเคน และพลังงานสูญหายรวมมีคาสูงขึ้นตามไป ดวย ยางธรรมชาติผสมเขมาดํามีคาความเคนสูงสุด และพลังงานสูญหายสูงกวายางธรรมชาติผสมซิลิกา ผลการวิจัยที่ได
สามารถนําไปประยุกตใชในการออกแบบผลิตภัณฑยางทางวิศวกรรมตางๆ โดยเฉพาะผลิตภัณฑยางที่ไดรับแรงแบบพลวัต คําสําคัญ: ความเร็วในการผิดรูป การออนตัวของความเคน พลังงานสูญหาย ยางธรรมชาติ สารตัวเติม
Comparative Study of Low and High Deformation Speed on Stress Softening and Loss Energy of Filled Natural Rubber Vulcanizates
Supattra Tudam, Fatihah Daeworsanung, and Watcharin Sainumsai
*Program in Rubber and Polymer Technology, Faculty of Science and Technology, SKRU
*
Corresponding Author; E-mail: watcharin.sa@skru.ac.thAbstract
This work comparative studies the effect of deformation speed (10 and 500 mm/min) on stress softening and loss energy of carbon black (N550 grade) and silica-filled natural rubber (NR) vulcanizates by using universal testing machine. The carbon black and silica contents were 40 phr (parts (by weight) per hundred parts of rubber). It was found that filled-NR vulcanizates applied with lower deformation speed dynamic force, higher the stress softening and loss energy. Stress softening and total loss energy increased with increasing cycle numbers. Carbon black N550-filled NR exhibited higher maximum stress and loss energy than silica-filled one. The result of this research can be applied to the rubber engineering design, especially for the rubber products which applied dynamic force rubbers.
Keywords: deformation speed, stress softening, loss energy, natural rubber, filler
1. บทนํา
ยางธรรมชาติเปนสารพอลิเมอร ที่มีน้ําหนักโมเลกุลสูงมาก การจัดเรียงตัวของโครงสรางทางเคมีเปนแบบ cis-1,4- polyisoprene กอนการใชงานจึงจําเปนตองบดใหนิ่ม (masticate) เพื่อใหการบดผสมยางและสารเคมีทําไดงายขึ้น (พรพรรณ, 2540) ยางธรรมชาติที่ยังไมผานกระบวนการวัลคาไนซ (vulcanization) จัดเปนวัสดุประเภทหยุนหนืด (viscoelastic material) มีสมบัติเปนทั้งพลาสติกและอิลาสติก (Ngai, et al., 2014; Ward & Hadley, 1993; Boonstra, 1982) นั่นคือ ยางสามารถยืดและไหลไดเมื่อไดรับแรงกด ซึ่งเปนสมบัติของพลาสติก เมื่อเอาแรงออกยางสามารถกลับคืนสูรูปเดิมได ซึ่งเปน สมบัติของอิลาสติก ดังนั้น เมื่อยางมีสมบัติทั้งพลาสติกและอิลาสติก ทําใหยางยุบตัวหรือยืดเมื่อไดรับแรงกดหรือแรงดึง แตเมื่อ คลายแรงกระทําออก ยางจะคืนรูปกลับแตไมเทาเดิม สวนยางธรรมชาติที่ผานการวัลคาไนซแลวสามารถยืดไดถึงประมาณ 1000% หรือมากกวานั้น (Gent, 1992; Gent & Mars, 2014; Roberts, 1988) สมบัติในการยืดไดสูงนี้ ทําใหยางธรรมชาตินี้
สามารถทําผลิตภัณฑที่ตองการยืดไดสูง เนื่องจากยางธรรมชาติมีโครงสรางโมเลกุลที่สม่ําเสมอ ทําใหสามารถตกผลึกไดเมื่อดึง (Tosaka, et al., 2004; Toki, et al., 2005; Sainumsai, et al., 2017) ทําใหยางธรรมชาติมีความตานทานตอแรงดึงและ ความตานทานตอการฉีกขาดสูง
การนํายางธรรมชาติมาผลิตเปนผลิตภัณฑตาง ๆ จะมีการเติมสารตัวเติมชนิดเสริมแรงบางชนิด เชน เขมาดํา (carbon black) หรือ ซิลิกา (silica) (Donnet & Custodero 2014; Laube, et al., 2001; Waddell & Evans, 2001) เพื่อ เพิ่มความแข็งแรง และความทนทานใหกับยางธรรมชาติ โดยสารตัวเติมเหลานี้จะยึดติดกับโมเลกุลยางดวยอันตรกิริยาทาง กายภาพและทางเคมี สารตัวเติมอื่น ๆ นอกเหนือจากเขมาดํา และ ซิลิกา ไดแก ดินขาวหรือเคลย (clay) แคลเซียมคารบอเนต (calcium carbonate) ทัลคัม (talc) ซึ่งสารเหลานี้ไมเสริมแรงจนถึงเสริมแรงไดปานกลางขึ้นกับขนาดของอนุภาค (Brydson, 1988) แตจะชวยลดตนทุนในการผลิต และชวยใหกระบวนการผลิตเปนไปไดโดยงาย
ยางธรรมชาติผสมสารตัวเติมที่วัลคาไนซแลวเมื่อถูกกระทําอยางตอเนื่องจะมีการออนตัวของความเคน (stress softening) หรือเกิดการแตกหักเสียหายได (Boonstra, 1982; Donnet & Custodero, 2014) ปรากฏการณการออนตัวของ ความเคนนี้รูจักกันทั่วไปในชื่อผลของมูลลินส (Mullins effect) นอกจากนี้ยางซึ่งเปนวัสดุประเภทหยุนหนืดจะเกิดการสูญหาย พลังงานจากแรงกระทําอยางตอเนื่อง กลาวคือแรงที่ใชในการผิดรูปจะมากกวาแรงที่ใชในการคืนตัวกลับ โดยพลังงานที่สูญ หายไปนี้จะอยูในรูปของพลังงานความรอนสะสม (heat build-up) โดยที่สมบัติทางดานการเปลี่ยนแปลงรูปรางดังกลาวนี้
ขึ้นอยูกับเวลา อุณหภูมิ ความเคน (stress) และอัตราความเครียด (strain rate) (Brown, 2006)
2. วัตถุประสงคการวิจัย
เพื่อศึกษาเปรียบเทียบผลของความเร็วในการผิดรูปต่ําเทากับ 10 มิลลิเมตรตอนาที และอัตราในการผิดรูปสูงเทากับ 500 มิลลิเมตรตอนาทีตอการออนตัวความเคน และพลังงานสูญหายของยางธรรมชาติผสมเขมาดําเกรด N550 และซิลิกาเปน สารตัวเติมในปริมาณ 40 phr (parts (by weight) per hundred parts of rubber) โดยใชทดสอบดวยเครื่อง universal testing machine
3. วิธีดําเนินการวิจัย
ยางธรรมชาติที่ใชในงานวิจัยนี้เปนยางแทงมาตรฐานเกรด 5 แอล (STR 5L) ผลิตโดยบริษัทหวาไถรับเบอร จํากัด จังหวัดสงขลา กรดสเตียริค ซิงคออกไซด กํามะถัน สารตัวเรง และน้ํามันอะโรมาติก เปนเกรดที่ใชในอุตสาหกรรมยาง โดยสาร ตัวเรงที่ใชคือ ซีบีเอส (N-cyclohexyl-2-benzothiazole sulphenamide, CBS) สารตัวเติมในงานวิจัยนี้คือ เขมาดําเกรด N550 และซิลิกา เปนเกรดทั่วไปที่ใชในอุตสาหกรรมยาง
ผสมยางคอมพาวดตามสูตรการทดลองในตารางที่ 1 โดยนํายางแทงมาตรฐานเกรด 5 แอล มาบดผสมยางกับ สารเคมีตามวิธีมาตรฐาน ASTM D 3182-94 ดวยเครื่องบดผสมยางแบบสองลูกกลิ้งขนาด 10x20 นิ้ว ซึ่งมี friction ratio เทากับ 1:1.2 ผลิตโดยบริษัทชัยเจริญเอ็นจิเนียริ่ง หลังจากนั้นนํายางคอมพาวดมาทดสอบหาเวลาอัดเบาดวยเครื่อง moving die rheometer (MDR) ตามวิธีมาตรฐาน ASTM D 2084-95 ที่อุณหภูมิ 150 องศาเซลเซียส ทดสอบ 5 ชิ้นทดสอบ รายงาน ผลดวยคาเฉลี่ย แลวนํายางคอมพาวดมาอัดเบาเปนแผนทดสอบตามวิธีมาตรฐาน ASTM D 3182-94
ตารางที่ 1 ปริมาณยางและสารเคมีที่ใชของยางคอมพาวด
สวนประกอบ ปริมาณ (phr)
ยางธรรมชาติ 100 100
กรดสเตียริค 1.5 1.5
ซิงคออกไซด 5 5
ซีบีเอส 1.5 1.5
เขมาดําเกรด N550 40 -
ซิลิกา - 40
น้ํามันอะโรมาติก 2 2
กํามะถัน 2 2
นําแผนทดสอบมาตัดเปนชิ้นทดสอบรูปดัมบเบล (dumb-bell) แลวนําไปทดสอบดวยเครื่อง universal testing machine ดวยความเร็วในการดึง 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที โดยดึงยางใหยืดออก 300 เปอรเซ็นตแลวใหหดตัวกลับ ใน โหมด cycle จํานวน 7 รอบ บันทึกคาความเคนสูงสุด (maximum stress) ของแตละรอบ จากนั้นคํานวณการออนตัวของ ความเคน (stress softening) ดังสมการที่ (1) ทดสอบ 5 ชิ้นทดสอบ รายงานผลดวยคาเฉลี่ย
Stress softening (%) =
T
1T
ix 100 (1)
โดยที่ T1 หมายถึง คาความเคนสูงสุดของการดึงยางใหยืดออก-หดตัวกลับ ในรอบแรก Ti หมายถึง คาความเคนสูงสุดของการดึงยางใหยืดออก-หดตัวกลับ ในรอบที่ 1-7
รูปที่ 1 คาความเคนสูงสุดและพลังงานสูญหายจากการการยืด-หดยางในแตละรอบ
จากความสัมพันธระหวางความเคนกับระยะยืด ดังแสดงในรูปที่ 1 คํานวณพลังงานสูญหายไปในเนื้อยาง (hysteresis loss energy) ดังสมการที่ (2) ทดสอบ 5 ชิ้นทดสอบ รายงานผลดวยคาเฉลี่ย
Hysteresis loss energy (kJ/m2) = AE – AR (2) โดยที่ AE หมายถึง พื้นที่ใตกราฟระหวางความเคน (N/mm2) กับระยะยืด (มิลลิเมตร) ขณะยืดออก (extension)
AR หมายถึง พื้นที่ใตกราฟระหวางความเคน (N/mm2) กับระยะยืด (มิลลิเมตร) ขณะหดกลับ (retraction)
4. ผลการวิจัยและการอภิปรายผล
การดึงยางใหยืดออก 300 เปอรเซ็นตแลวปลอยใหยางหดตัวกลับ ดวยความเร็วในการผิดรูปเปน 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที โดยดึงใหยางตัวอยางยืด-หดจํานวน 7 รอบ ของยางธรรมชาติที่ผสมเขมาดําเกรด N550 และซิลิกาเปนสาร ตัวเติม ไดความสัมพันธระหวางความเคนกับระยะยืด แสดงดังรูปที่ 2(ก) - 2(ง) พบวายางธรรมชาติผสมสารตัวเติมทั้ง 2 ชนิด ที่ความเร็วในการผิดรูปเปน 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาทีมีพฤติกรรมที่เหมือนกัน ซึ่งคาความเคนของการดึงใหยางยืดออก ในรอบแรกมีคาสูงกวาความเคนของการหดกลับของยาง โดยในการหดตัวกลับของยางนั้น ยางจะไมกลับสูตําแหนงไดอยาง สมบูรณ กลาวคือคาความเคนจะเปนศูนยที่ความเครียดคาหนึ่ง ซึ่งถือเปนการคงรูปอยางถาวร นอกจากนี้คาความเคนในการ ยืดยางดังกลาวยังมีคาสูงกวาความเคนในการยืดยางรอบตอ ๆ มา ซึ่งจะไดพิจารณาการออนตัวความเคนตามสมการที่ (1) ตอไป สวนความแตกตางระหวางความเคนของการดึงใหยางยืดออกกับความเคนของการหดกลับของยางในแตละรอบของการ ผิดรูป สามารถคํานวณหาพลังงานสูญหายหรือพลังงานที่สะสมในเนื้อยางตามสมการที่ (2) ดังกลาวแลวขางตน
0 50 100 150 200
0 1 2 3 4 5 6
Stress (N/mm2 )
Stroke (mm)
# 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 Cycle no.
0 50 100 150 200
0 1 2 3 4 5 6
Stress (N/mm2 )
Stroke (mm)
# 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 Cycle no.
(ก) เขมาดํา / 10 มิลลิเมตรตอนาที (ข) ซิลิกา / 10 มิลลิเมตรตอนาที
0 50 100 150 200
0 1 2 3 4 5 6
Stress (N/mm2 )
Stroke (mm)
# 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 Cycle no.
0 50 100 150 200
0 1 2 3 4 5 6
Stress (N/mm2 )
Stroke (mm)
# 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 Cycle no.
(ค) เขมาดํา / 500 มิลลิเมตรตอนาที (ง) ซิลิกา / 500 มิลลิเมตรตอนาที
รูปที่ 2 ความเคนกับระยะยืดจากการยืด-หดอยางตอเนื่องจํานวน 7 รอบของยางธรรมชาติผสมเขมาดําเกรด N550 และซิลิกา ดวยความเร็วในการผิดรูปเปน 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที
ยางธรรมชาติผสมเขมาดําเกรด N550 เมื่อถูกดึงใหยืดออกและปลอยใหหดตัวกลับดวยความเร็วในการผิดรูป 10 มิลลิเมตรตอนาที ซึ่งเปนความเร็วในการผิดรูปต่ําที่ใชในงานวิจัยนี้ มีคาความเคนในการดึงรอบแรกสูงที่สุด ดังแสดงในรูปที่ 3 ทั้งนี้อาจเปนเพราะเขมาดําซึ่งเปนสารตัวเติมชนิดเสริมแรง (Boonstra, 1982; Donnet & Custodero, 2014) เมื่อผสมเขา ไปในยางธรรมชาติสามารถเกิดอันตรกิริยาระหวางโมเลกุลยางกับเขมาดําทั้งทางกายภาพและทางเคมี ทําใหสามารถสงผาน แรงกระทําจากภายนอกไปสะสมในอนุภาคของเขมาดําได สงผลใหตองใชแรงดึงมากขึ้นเพื่อใหยางผิดรูปหรือยืดออกในระยะ ยืดที่เทากัน สวนยางธรรมชาติผสมซิลิกาที่ความเร็วในการผิดรูปเดียวกันจะมีคาต่ํา ซึ่งซิลิกาจัดเปนสารตัวเติมชนิดเสริมแรง เชนกัน แตเนื่องจากบนพื้นผิวของซิลิกามีหมูไฮดรอกซิล หรือหมูไซลานอลอยูในปริมาณมาก (Donnet & Custodero, 2014;
Waddell & Evans, 2001) ทําใหมีความเปนขั้วสูง ซิลิกาจึงแตกตัวและผสมเขากับยางธรรมชาติซึ่งไมมีขั้วไดยาก ยาง ธรรมชาติผสมซิลิกาจึงมีคาความเคนในการดึงรอบแรกต่ํากวายางธรรมชาติที่ผสมเขมาดําเกรด N550
0 50 100 150 200 250
0 1 2 3 4 5 6
Silica-high Silica-low N550-high N550-low
Stress (N/mm2 )
Stroke (mm)
รูปที่ 3 ความเคนกับระยะยืดจากการยืด-หด รอบแรกของยางธรรมชาติผสมเขมาดําเกรด N550 และซิลิกา ดวยความเร็วใน การผิดรูปเปน 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที
เมื่อเปรียบเทียบยางธรรมชาติผสมสารตัวเติมชนิดเดียวกันที่ความเร็วในการผิดรูปต่ําและสูง คือ 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที ตามลําดับ พบวายางธรรมชาติผสมสารตัวเติมทั้ง 2 ชนิดที่ความเร็วในการผิดรูปต่ํามีคาความเคนในการดึง รอบแรกสูงกวา ทั้งนี้อาจเปนเพราะการผิดรูปของยางดวยความเร็วในการผิดรูปที่ต่ํามากนั้น ปลายโมเลกุลยางอิสระ (free chain end) (Treloar, 2005) หรือสวนของโมเลกุลยางระหวางจุดเชื่อมโยงที่เกี่ยวพันกัน (entanglement) (Gent & Mars, 2014) สามารถคลายตัว หรือการเลื่อนไถล (molecules slipping) ของโมเลกุลยาง (Hanson, et al., 2005; Houwink, 1956) หรือเคลื่อนไหวอยางอิสระได ทําใหตองใชแรงกระทําสูงในการดึงใหยางยืดออก สวนแรงกระทําในขณะหดตัวกลับมีคา ต่ํากวาแรงที่ใชในการยืดออกอยางมาก เนื่องจากการคลายตัว หรือการเลื่อนไถลของโมเลกุลดังกลาวจะไมคืนกลับสภาพเดิม จะเห็นไดอยางชัดเจนวามีพื้นที่ระหวางการยืดออกและการหดกลับสูงมาก ดังแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งจะไดพิจารณาปริมาณ พลังงานสูญหายนี้ในภายหลังตอไป เมื่อความเร็วในการผิดรูปสูง (500 มิลลิเมตรตอนาที) อาจจะเร็วเกินไปที่โมเลกุลยางจะ เกิดการคลายตัว หรือการเลื่อนไถลของโมเลกุลยาง ทําใหความเคนต่ํากวาที่ความเร็วในการผิดรูป 10 มิลลิเมตรตอนาที แต
ยังคงปรากฏพื้นที่ระหวางการยืดออกและการหดกลับ ทั้งนี้อาจเปนผลมาจากการแตกหักของโครงสรางสารตัวเติม หรือการ แตกหักของพันธะระหวางโมเลกุลยางกับอนุภาคสารตัวเติม (Kraus, et al., 1966; Mullins, 1950)
รูปที่ 4 (ก) แสดงความเคนสูงสุดของยางธรรมชาติผสมเขมาดําและซิลิกาที่ถูกดึงใหยางยืดออก 300 เปอรเซ็นตใน แตละรอบอยางตอเนื่องจํานวน 7 รอบ ดวยความเร็วในการผิดรูป 10 และ 500 มิลลิเมตรตอนาที พบวาเมื่อจํานวนรอบที่ดึง
ใหยางยืด-หดเพิ่มขึ้น ความเคนของยางธรรมชาติผสมสารตัวเติมทั้ง 2 ชนิดที่ทุกความเร็วในการผิดรูปมีคาลดลงตามจํานวน รอบที่เพิ่มขึ้น โดยในรอบที่สองคาความเคนจะลดลงหลังจากการดึงใหยางยืดออก 300 เปอรเซ็นตในรอบแรกคอนขางมาก หลังจากนั้นในรอบตอ ๆ มา คาความเคนลดลงอีกเล็กนอย โดยยางธรรมชาติผสมเขมาดําที่ดึงใหยางยืด-หดดวยความเร็วใน การผิดรูป 10 มิลลิเมตรตอนาที มีคาความเคนสูงสุด การออนตัวหรือลดลงของความเคนนี้ อาจเปนผลมาจากการดึงยางใหยืด ออกในรอบแรก ทําใหเกิดการแตกหักของโซโมเลกุลยาง (bond rupture) หรือพันธะระหวางโมเลกุลที่ออนแอ (Blanchard
& Parkinson, 1952; Bueche, 1960; Diani, et al., 2006) การคลายการเกี่ยวพัน (disentanglement) ของโซโมเลกุล (Hanson, et al., 2005) หรือการจัดเรียงตัว (orientation) ของโซโมเลกุลยาว (Qi & Boyce, 2005) การดึงใหยางยืดออกใน รอบตอ ๆ มา จึงใชแรงดึงนอยลงหรือมีคาความเคนลดลง อยางไรก็ตามยางธรรมชาติผสมเขมาดําและซิลิกามีการลดลงของ ความเคนที่แตกตางกัน อาจเปนผลเนื่องมาจากการดึงใหยางตัวอยางยืดออก ทําใหสารตัวเติมแตละชนิดที่เติมลงไปมีการ แตกหักของโครงสรางสารตัวเติม หรือการแตกหักของพันธะระหวางโมเลกุลยางกับอนุภาคสารตัวเติม (Kraus, et al., 1966;
Mullins, 1950) หรือการเลื่อนไถล (molecules slipping) ของโมเลกุลยางกับอนุภาคของสารตัวเติม (Hanson, et al., 2005; Houwink, 1956) ที่แตกตางกัน สงผลใหคาความเคนลดต่ําลงตางกัน ดังนั้นการดึงใหยางยืดออกในรอบตอ ๆ มา จึงใช
แรงดึงนอยลงหรือมีคาความเคนลดลงนั่นเอง
1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 3 4 5 6
N550-low speed Silica-low speed N550-high speed Silica-high speed
Maximum stress (N/mm2 )
Cycle no.
1 2 3 4 5 6 7
0 20 40 60 80 100
N550-low speed Silica-low speed N550-high speed Silica-high speed
Stress softening (%)
Cycle no.
รูปที่ 4 (ก) ความเคนสูงสุด และ (ข) การออนตัวของความเคนจากการยืด-หดอยางตอเนื่องจํานวน 7 รอบของยางธรรมชาติที่
ผสมสารตัวเติมในปริมาณ 40 phr
เมื่อคํานวณการออนตัวของความเคนตามสมการที่ (1) แสดงดังรูปที่ 4(ข) พบวายางธรรมชาติผสมสารตัวเติมทั้ง 2 ชนิดที่ยืด-หด ดวยความเร็วในการผิดรูปต่ํา (10 มิลลิเมตรตอนาที) มีการออนตัวของความเคนมากกวายางที่ยืด-หด ดวย ความเร็วในการผิดรูปสูง ยางธรรมชาติผสมเขมาดํามีการออนตัวหรือการลดลงของคาความเคนมากกวายางธรรมชาติที่ผสม ซิลิกา นั้นแสดงวาการดึงใหยางยืดออก 300 เปอรเซ็นตอาจทําใหเกิดการแตกหักของโครงสรางเขมาดําหรือการแตกหักของ พันธะระหวางโมเลกุลยางกับอนุภาคเขมาดําหรือการเลื่อนไถลของโมเลกุลยางกับอนุภาคของเขมาดําดังกลาวแลวขางตน ซึ่ง โดยทั่วไปโครงสรางเขมาดําจะอยูในลักษณะของแอกโกลเมอเรต (agglomerate) ซึ่งประกอบดวยแอกกรีเกต (aggregate) ของเขมาดําที่ยึดกันอยูอยางหลวม ๆ สามารถแตกและถูกทําลายไดงายจากการยืดออกของยาง (Leblanc, 2002; Chandra et al., 2017) ในทํานองเดียวกัน ซิลิกาซึ่งปกติจะมีโครงสรางเปนกลุมกอน (clusters) ที่ยึดติดกันอยูดวยพันธะไฮโดรเจน ก็
สามารถแตกและถูกทําลายไดเชนกัน แตเกิดขึ้นไดยากกวาการแตกแอกโกลเมอเรตของเขมาดํา นอกจากนี้อนุภาคซิลิกาไมมี
อันตรกิริยากับโมเลกุลยางที่จะทําใหเกิดการแตกหักของพันธะระหวางโมเลกุลยางกับอนุภาคของซิลิกาหรือการเลื่อนไถลของ โมเลกุลยางกับอนุภาคของซิลิกา จึงทําใหการลดลงของความเคนที่นอยกวายางที่ผสมเขมาดํา
คํานวณพื้นที่ใตกราฟความสัมพันธระหวางความเคนกับระยะยืดของการดึงใหยางยืดออก (ขาขึ้น) และพื้นที่ใตกราฟ ของการหดตัวกลับ (ขาลง) แลวนํามาคํานวณพลังงานสูญหายตามสมการที่ (2) ไดผลแสดงดังรูปที่ 5(ก) ซึ่งจะเห็นไดอยาง ชัดเจนวาการยืด-หดยางธรรมชาติผสมเขมาดําดวยความเร็วในการผิดรูป 10 มิลลิเมตรตอนาทีมีพลังงานสูญหายสูงมาก ดัง
(ก) (ข)
อธิบายแลวขางตน นั่นคือที่ความเร็วในการผิดรูปนี้อาจทําใหโมเลกุลยางเกิดการคลายการเกี่ยวพัน หรือการเลื่อนไถลของ โมเลกุลยางมากกวาความเร็วในการผิดรูปสูง 500 มิลลิเมตรตอนาที การคลายการเกี่ยวพัน หรือการเลื่อนไถลของโมเลกุลยาง เปนพฤติกรรมที่ไมสามารถยอนกลับได (Treloar, 2005; Hofmann, 1989) สงผลใหมีพลังงานสูญหายสูงที่สุด ซึ่งพลังงาน เหลานี้ถูกใชไปในการแตกหักของโครงสรางสารตัวเติมหรือการแตกหักของพันธะระหวางโมเลกุลยางกับอนุภาคสารตัวเติม หรือการเลื่อนไถลของโมเลกุลยางกับอนุภาคของสารตัวเติมดังกลาวแลวขางตน ดังจะเห็นไดอยางชัดเจนจากพลังงานสูญหาย รวมในการยืด-หดจํานวน 7 รอบ ดังแสดงในรูปที่ 5(ข) การยืด-หดยางดวยความเร็วในการผิดรูป 10 มิลลิเมตรตอนาทีมี
พลังงานสูญหายสูงที่สุด
1 2 3 4 5 6 7
0 50 100 150 200 250 300
N550-low speed Silica-low speed N550-high speed Silica-high speed
Hysteresis loss energy (kJ/m2 )
Cycle no.
N550 Silica
0 200 400 600
Total loss energy (kJ/m2 )
Filler type
Low speed High speed
(ก) พลังงานสูญหายจากการยืด-หด แตละรอบ (ข) พลังงานสูญหายรวมจากการยืด-หด 7 รอบ รูปที่ 5 (ก) พลังงานสูญหายจากการยืด-หด แตละรอบ และ (ข) พลังงานสูญหายรวมจากการยืด-หด 7 รอบของยางธรรมชาติ
ที่ผสมสารตัวเติมในปริมาณ 40 phr
ในงานวิจัยนี้เปนการศึกษาเบื้องตนเกี่ยวกับผลของความเร็วในการผิดรูปตอการออนตัวความเคน และพลังงานสูญ หาย โดยทดสอบการออนตัวความเคน และพลังงานสูญหายดวยเครื่อง universal testing machine ซึ่งสามารถปรับ ความเร็วในการผิดรูปในโหมด cycle ไดสูงสุดเพียง 500 มิลลิเมตรตอนาที ซึ่งการใชงานของผลิตภัณฑยางบางชนิดมีความเร็ว ในการผิดรูปที่สูงกกวานี้ งานวิจัยที่จะศึกษาตอไป ผูวิจัยจะไดศึกษาความเร็วในการผิดรูปที่สูงขึ้นดวยเครื่องทดสอบอื่น ๆ เชน เครื่อง dynamic mechanical analyzer (DMA) เปนตน รวมทั้งศึกษาในยางธรรมชาติที่ผสมเขมาดําเกรดอื่น ๆ และสารตัว เติมชนิดอื่นๆ และปริมาณของสารตัวเติมดวย ซึ่งจะทําใหไดองคความรูที่นําไปประยุกตใชในการพัฒนา และปรับปรุงสูตรยาง ใหเหมาะสมกับการใชงานยางธรรมชาติทางวิศวกรรมที่รับแรงกระทําแบบพลวัตไดดียิ่งขึ้น ซึ่งจะเปนประโยชนในการ ประยุกตใชในอุตสาหกรรมยางตอไป
5. สรุปผลการวิจัย
ยางธรรมชาติผสมสารตัวเติมเมื่อไดรับแรงกระทําแบบพลวัตดวยความเร็วในการผิดรูปต่ํา มีการออนตัวของความ เคน และพลังงานสูญหายสูงกวาการกระทําดวยความเร็วในการผิดรูปสูง โดยเมื่อจํานวนรอบของการถูกกระทําอยางตอเนื่อง เพิ่มขึ้น การออนตัวของความเคน และพลังงานสูญหายรวมมีคาสูงขึ้นตามไปดวย ยางธรรมชาติผสมเขมาดํามีคาความเคน สูงสุด และพลังงานสูญหายสูงกวายางธรรมชาติผสมซิลิกา ผลการวิจัยที่ไดเกี่ยวกับสมบัติดานการออนตัวของความเคน และ พลังงานสูญหายของยางธรรมชาติผสมสารตัวเติมนี้ สามารถนําไปประยุกตใชในการออกแบบผลิตภัณฑยางทางวิศวกรรม โดยเฉพาะผลิตภัณฑยางที่ไดรับแรงกระทําอยางตอเนื่อง หรือผลิตภัณฑที่ตองรับแรงกระทําซ้ํา ๆ ในขณะใชงาน เชน ยางลอ รถ ยางรองคอสะพาน ยางรองแทนเครื่อง และยางรองอาคาร ซึ่งอาจตองทําการวิจัยตอไปในกรณีของยางธรรมชาติผสม เขมาดําเกรดตาง ๆ สารตัวเติมชนิดอื่น และผลของปริมาณสารตัวเติม
6. กิตติกรรมประกาศ
ผูวิจัยขอขอบคุณหลักสูตรเทคโนโลยียางและพอลิเมอร คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏ สงขลาที่อนุเคราะหวัสดุและสารเคมี รวมทั้งเครื่องมือ เครื่องจักร เครื่องทดสอบ และขอบคุณคณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี
มหาวิทยาลัยราชภัฏสงขลาที่สนับสนุนงบประมาณในการนําเสนอผลงานวิจัย
7. เอกสารอางอิง
พรพรรณ นิธิอุทัย. (2540). ยาง: เทคนิคการออกสูตร. ปตตานี: ภาควิชาเทคโนโลยียางและพอลิเมอร คณะวิทยาศาสตรและ เทคโนโลยี มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร.
Blanchard, A. F., & Parkinson, D. (1952). Breakage of carbon-rubber networks by applied stress. Industrial
& engineering chemistry, 44(4), 799-812.
Boonstra, B. B. (1982). Reinforcement by fillers. In Blow, C. M., & Hepburn, C. (eds.), Rubber technology and manufacture. (269-308) 2nd ed. Norwich, Norfolk, UK: Butterworth Scientific.
Brown, R. (2006). Physical testing of rubber. 4th ed. Boston: Springer.
Brydson, J. A. (1988). Rubbery materials and their compounds. Essex: Elsevier Science Publishers Ltd.
Bueche, F. (1960). Molecular basis for the Mullins effect. Journal of applied polymer science, 4(10), 107- 114.
Chandra, C. S. J., Bipinbal, P. K., & Sunil, K. N. (2017). Viscoelastic behaviour of silica filled natural rubber composites-Correlation of shear with elongational testing. Polymer testing, 60, 187-197.
Diani, J., Brieu, M., & Vacherand, J. M. (2006). A damage directional constitutive model for Mullins effect with permanent set and induced anisotropy. European journal of mechanics, 25(3), 483-496.
Donnet, J. B., & Custodero, E. (2014). Reinforcement of elastomers by particulate fillers. In Mark, J. E., Erman, B., & Roland, C. M. (eds.), The science and technology of rubber. (383-416) 4th ed. MA, USA: Elsevier Inc.
Gent, A., N. (1992). Engineering with rubber. Oxford: Oxford University Press.
Gent, A. N., & Mars, W. V. (2014). Strength of elastomers. In Mark, J. E., Erman, B., & Roland, C. M. (eds.), The science and technology of rubber (473-516). 4th ed. MA: Elsevier Inc.
Hanson, D. E., Hawley, M., Houlton, R., Chitanvis, K., Rae. P., & Orler, E. B. (2005). Stress softening experiments in silica-filled polydimethylsiloxane provide Insight into a mechanism for the Mullins effect. Polymer, 46(24), 10989-10995.
Hofmann, W. (1994). Rubber technology handbook. Ohio: Hanser Publishers.
Houwink, R. (1956). Slipping of molecules during the deformation of reinforced rubber. Rubber chemistry and technology, 29(3), 888-893.
Kraus, G., Childers, C. W. & Rollmann, K. W. (1966). Stress softening in carbon black reinforced vulcanizates.
strain rate and temperature effects. Journal of applied polymer science, 10(2), 229-244.
Laube, S., Monthey, S., & Wang, M. J. (2001). Compounding with carbon black and oil. In Dick, J. S. (ed.), Rubber technology: Compounding and testing for performance. (295-324). Cincinnati, Ohio, USA: Hanser Gardner Publications, Inc.
Leblanc, J. L. (2002). Rubber-filler interactions and rheological properties in filled compounds. Progress in polymer science, 27, 627-687.
Mullins, L. (1950). The thixotropic behavior of carbon black in rubber. The journal of physical chemistry A, 54(2), 239-251.
Ngai, K. L., Capaccioli, S., & Plazek, D. J. (2014). The viscoelastic behavior of rubber and dynamics of blends. In Mark, J. E., Erman, B., & Roland, C. M. (eds.), The science and technology of rubber (193-284). 4th ed. MA: Elsevier Inc.
Qi, H. J., & Boyce, M. C. (2005). Stress-strain behavior of thermoplastic polyurethane. Mechanics of materials, 37(8), 817-839.
Roberts, A. D. (1988). Natural rubber science and technology. Oxford: Oxford University Press.
Sainumsai, W., Toki, S., Amnuaypornsri, S., Nimpaiboon, A., Sakdapapanich, J., Rong, L., Hsiao, B. S., &
Suchiva., K. (2017). Dependence on the onset of strain-induced crystallization of natural rubber and its synthetic analogue on crosslink and entanglement by using synchrotron X-ray. Rubber chemistry and technology, 90(4), 728-742.
Toki, S., Sics, I., Hsiao, B. S., Murakami, S., Tosaka, M., Poompradub, S., Kohjiya S., & Ikeda, Y. (2005).
Probing the nature of strain-Induced crystallization in polyisoprene rubber by combined thermomechanical and In situ X-ray diffraction techniques. Macromolecules, 38(16), 7064-7073.
Tosaka, M., Murakami, S., Poompradub, S., Kohjiya, S., Ikeda, S., Toki, Y., Sics, I., & Hsiao, B. S. (2004).
Orientation and crystallization of natural rubber network as revealed by WAXD using synchrotron radiation. Macromolecules, 37(9), 3299-3309.
Treloar, L. R. G. (2005). The physics of rubber elasticity. 3rd ed. Oxford: Oxford University Press.
Waddell, W. H., & Evans, L. R. (2001). Precipitated silica and non-black fillers. In Dick, J. S. (ed.), Rubber technology: Compounding and testing for performance. (325-343). Cincinnati, Ohio, USA:
Hanser Gardner Publications, Inc.
Ward, I. M., & Hadley, D. W. (1993). An introduction to the mechanical properties of solid polymers.
West Essex: John Wiley & Sons Ltd.
