�� 2 4 h 1nestc.sci.ubu.ac.th/2015/upload/poster/n2015167.pdf · 2015. 2. 17. · title:...
TRANSCRIPT
การเปรียบเทียบสมบัติเชิงกลของยางธรรมชาติทีเ่ติมผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิสกับเขม่าด าทางการค้าComparison in mechanical properties of natural rubber filled with pyrolyzed carbon black and commercial carbon black
กนกวรรณ พละศักดิ์ สิทธิชัย จันทาสูงเนิน สราวุธ ประเสริฐศรี*ห้องปฏิบัติการวัสดุพอลิเมอร์และยางขั้นสูง ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี อ าเภอวารินช าราบ จังหวัดอุบลราชธานี 34190
*Corresponding author. E-mail address: [email protected], [email protected]
งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้ผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิส (Pyrolyzed carbon black, PCB) เป็นสารตัวเติมในยางธรรมชาติเปรียบเทียบกับเขม่าด าทางการค้าเกรด N774 (Commercial carbon black, CCB) ปริมาณสารตัวเติมที่ใช้ตั้งแต่ 0, 10, 20, 30, 40 และ 50 phr ท าการผสมยางและสารเคมีด้วยเครื่องผสมแบบปิดและเครื่องผสมแบบสองลูกกลิ้ง ผลการวิจัยพบว่า ค่าความหนืดมูนนี่ ความแข็ง ความทนต่อแรงดึง และความทนต่อการฉีกขาดของยางวัลคาไนซ์มีแนวโน้มสูงขึ้นเมื่อปริมาณ PCB และ CCB เพิ่มขึ้น ในขณะที่ระยะเวลาการคงรูป การยืดออก ณ จุดขาด และการกระเด้งตัวมีแนวโน้มลดลง เมื่อเปรียบเทียบที่ปริมาณสารตัวเติมเท่ากัน พบว่า ยางธรรมชาติที่เติม CCB จะให้ความหนืดมูนนี่ ความแข็ง ความทนต่อแรงดึงและความทนการฉีกขาดสูงกว่า PCB ดังนั้น PCB สามารถท าหน้าที่เป็นสารตัวเติมลดต้นทุนและให้ประสิทธิภาพกึ่งเสริมแรงในยางธรรมชาติได้
บทคัดย่อ 1
บทน า 2
ในปัจจุบันประเทศไทยเป็นฐานการผลิตรถยนต์ รวมถึงยางรถยนต์ให้กับบริษัทชั้นน าของโลก ส่งผลท าให้ภายในประเทศไทยมียางรถยนต์เก่าหรือยางรถยนต์ที่ใช้แล้วมากถึง 1.7 ล้านตันต่อปี ซึ่งยางเหล่านี้ผ่านกระบวนการการวัลคาไนซ์เพื่อให้ยางมีสมบัติเชิงกลและความยืดหยุ่นสูงขึ้น แต่ยางวัลคาไนซจ์ะมีสมบัติเป็นเทอรโ์มเซตท่ีไม่สามารถน ากลับมาหลอมเพื่อขึ้นรูปใหม่ได้ ท าให้การรีไซเคิลหรือการน าผลิตภัณฑ์ยางกลับมาใช้ใหม่ท าได้ยาก ดังนั้นขยะที่เกิดจากผลิตภัณฑ์ยางเก่าจึงสามารถก่อให้เกิดปัญหาต่อสิ่งแวดล้อมได้หากไม่ได้รับการแก้ไขอย่ างถูกวิธี ด้วยเหตุนี้การพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ ที่สามารถน าขยะยางกลับมาใช้ใหม่จึงเป็นเรื่องที่มีความส าคัญเป็นอย่างมาก
ซึ่งหนึ่งในวิธีที่ก าลังได้รับความสนใจ คือ การน าขยะจากยางล้อเก่าไปผ่านกระบวนการเผาไหม้ภายใต้สภาวะที่ไร้ออกซิเจน เรียก ว่า “ไพโรไลซิส” (Pyrolysis) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการนี้ประกอบไปด้วยก๊าซเชื้อเพลิงซึ่งเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ าหนักโมเลกุลต่ าที่ระเหยได้ น้ ามัน และยังมีส่วนของแข็งที่เหลือจากกระบวนการนี้ ได้แก่ ผงเถ้าเขม่าด า (pyrolyzed carbon black, PCB) ซึ่งมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบประมาณ 80% จากปริมาณคาร์บอนดังกล่าวมีความเป็นไปได้ที่เขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิสจะสามารถน ามาเป็นสารตัวเติมทดแทนในการใช้เขม่าด าที่ได้จากน้ ามันปิโตรเลียมที่มีราคาเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการท าไพโรไลซิสจึงส่งผลท าให้ได้ ผลิตภัณฑ์ที่สามารถน าไปใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อทดแทนน้ ามันหรือก๊าซธรรมชาติได้ ด้วยเหตุนี้การท าไพโรไลซิสจึงนับเป็นวิธีการรีไซเคิลที่ส าคัญเพรา ะนอกจากจะช่วยลดขยะที่เกิดจากยางล้อแล้ว ยังอาจช่วยลดการใช้ทรัพยากรน้ ามันหรือก๊าซธรรมชาติได้อีกด้วย
เศษยาง/ยางผง ก๊าซ + ของเหลว + ของแข็ง ความร้อน(เขม่าด า, สารอินทรีย์)
รูปที่ 1 การรีไซเคิลยางด้วยกระบวนการไพโรไลซิส
วัตถุประสงค์ของการวิจัย 3
1. เพื่อศึกษาสมบัติการวัลคาไนซ์, สมบัติทางกายภาพ, สมบัติทางเคมี และสมบัติเชิงกลของยางธรรมชาติที่เติมผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนไพโรไลซิส (PCB) เป็นสารตัวเติม
2. เพื่อเปรียบเทียบสมบัติและต้นทุนการผลิตของยางธรรมชาติที่เติมผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิส (PCB) และเขม่าด าทางการค้า (CCB)
วิธีการทดลอง 4
ตารางท่ี 1 สูตรยางคอมพาวด์ของยางธรรมชาติที่เติม PCB หรือ CCB ในปริมาณต่างๆ องค์ประกอบ ปริมาณ (phr*)
ยางธรรมชาติ (STR20) 100
สารตัวเติม (PCB หรือ CCB เกรด N774) 0, 10, 20, 30, 40, 50
ซิงค์ออกไซด์ 5
กรดสเตียริก 2
ไข (wax) 1
ไดเมทีลบิวทีลฟีนีลไดเอมีน (6-PPD) 1
เบนโซไทอะซีลไดซัลไฟด์ (MBTS) 1.6
ก ามะถัน 1.4
ขั้นตอนการเตรียมยางคอมพาวด์และยางคงรูปยางและสารเคมี
(ยกเว้นสารช่วยในการคงรูป)
Internal mixer
Mixing conditions- Fill factor 0.75- Mixing time 8 min.
Two -roll mill
สารช่วยในการคงรปู
Mixing time 5 min.
Compression molding
Cure time at 160°C
ตารางที่ 2 มาตรฐานและเทคนิคที่ใช้ทดสอบสมบัติของยางการทดสอบ มาตรฐานที่ใช้ในการทดสอบ
สมบัติการไหล - ความหนืดมูนนี่ (Mooney viscosity)สมบัตกิารวัลคาไนซข์องยาง - เวลาในการวัลคาไนซข์องยาง (Cure time)สมบัติทางกายภาพ - ความถ่วงจ าเพาะ (Specific gravity)สมบัติเชิงกล - ความแข็ง (Hardness) - ความทนต่อแรงดึง (Tensile strength) - ความทนต่อการฉีกขาด (Tear strength) - การกระเด้งกระดอน (Rebound resilience)สมบัติเชิงพลวัต - ความร้อนสะสม (Heat build-up)
ASTM D 1646
ASTM D 1646
ASTM D 792
ASTM D 2240ASTM D 412ASTM D 624ASTM D 2632
ASTM D 623
ผลการวิจัย 5
10121416182022242628
0 10 20 30 40 50
Cure
tim
e (m
in)
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
เวลาในการวัลคาไนซ์ (Cure time)
25
30
35
40
45
50
55
0 10 20 30 40 50
Hard
ness
(Sho
re A
)
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
ความแข็ง (Hardness)
50
55
60
65
70
75
80
0 10 20 30 40 50
Rebo
und
resil
ienc
e (%
)
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
ความกระเด้งตัวของยาง (Rebound resilience)
ความร้อนสะสม (Heat build-up)
วิจารณ์ผลการวิจัย 7
เมื่อเปรียบเทียบผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิส (PCB) กับเขม่าด าทางการค้าเกรด N774 (CCB) เมื่อเติมเป็นสารตัวเติมในยางธรรมชาติ พบว่า การเติมผงเถ้าเขม่าด าให้ค่าความหนืดมูนนี่ ความถ่วงจ าเพาะ ความกระเด้งตัวของยาง ความทนต่อแรงดึง และความทนต่อการฉีกขาดมีค่าต่ ากว่าเขม่าด า N774 ในปริมาณที่เท่ากันผงเถ้าเขม่าด าให้เวลาการวัลคาไนซ์ และค่าความร้อนสะสมสูงกว่าเขม่าด า N774 และพบว่าการเติมผงเถ้าเขม่าด าที่ 40 phr ในยางทั้งบ่มเร่งและไม่บ่มเร่งให้ค่าความทนต่อแรงดึงสูงกว่ายางบ่มเร่งที่เติมเขม่าด า N774 ท าให้เห็นว่ายางที่เติมผงเถ้าเขม่าด าในปริมาณที่มากขึ้นมีความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพมากขึ้น เมื่อเปรียบเทียบต้นทุนการผลิต พบว่า ผงเถ้าเขม่าด ามีต้นทุนการผลิตต่อ 1 กิโลกรัม ต่ ากว่าเขม่าด าทางการค้า 26.65 บาท
สรุปผลการวิจัย 8
จากการศึกษาการใช้ผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิส (PCB) เป็นสารตัวเติมในยางธรรมชาติ โดยศึกษาปัจจัยปริมาณผงเถ้าเขม่าด า 0-50 phr แล้วท าการทดสอบพบว่าการใช้ผงเถ้าเขม่าด าเป็นสารตัวเติมที่ปริมาณเพิ่มมากขึ้นให้ค่าค่าความหนืดมูนนี่ ความถ่วงจ าเพาะ ความกระเด้งตัวของยาง ความทนต่อแรงดึงและความทนต่อการฉีกขาดมีค่าต่ ากว่าการใช้เขม่าด าทางการค้า (CCB) เกรด N774 เป็นสารตัวเติม จึงกล่าวได้ว่าได้ว่าผงเถ้าเขม่าด าจากกระบวนการไพโรไลซิสสามารถใช้เป็นสารตัวเติมเพื่อลดต้นทุนการผลิตประเภทกึ่งเสริมแรง
กิตติกรรมประกาศ 9
งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดยทุนสนับสนุนการวิจัยระดับปริญญาตรี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี และขอขอบคุณแผนกวชิาเทคโนโลยยีางและพอลเิมอร ์วิทยาลัยเทคนิคศรสีะเกษที่ให้การสนับสนุนการใช้เครื่องมือในการผสมและทดสอบสมบัติของยาง
เอกสารอ้างอิง 10
[1] Ke Huang, Qing-hua Gao, Li-hua Tang, Zi-bin Zhu and Cheng-fang Zhang, A comparison of surface morphology and chemistry of pyrolytic carbon blacks with commercial carbon blacks. 2005. Powder Technology, 160: p. 190-193[2] Aihua Du, Mingsheng Wu and Changyan Su, The Characterization of pyrolytic carbon Black prepared from used tires and its application in styrene-butadiene rubber. 2008. Macromolecular Science, Part B: Physics, 47: p. 268–275.
สารเคมีราคา
(บาท/กก.)
สูตรยางที่ใช้เขม่าด า (CCB) 50 phr สูตรยางที่ใช้ผงเถ้าเขม่าด า (PCB) 50 phr
น้ าหนัก (กก.) ราคา (บาท) น้ าหนัก (กก.) ราคา (บาท)
ยางธรรมชาติ (STR20) 64 0.5480 35.07 0.5480 35.07
เขม่าด าทางการค้า (CCB เกรด N774) 98 0.2740 26.85 - -
ผงเถ้าเขม่าด า (PCB) 15 - - 0.2740 3.21
ซิงค์ออกไซด์ 125 0.0274 3.38 0.0274 3.38
กรดสเตียริก 65 0.0109 0.71 0.0109 0.71
ไข 115 0.0055 0.63 0.0055 0.63
6-PPD 270 0.0055 1.48 0.0055 1.48
MBTS 168 0.0084 1.41 0.0084 1.41
ก ามะถัน 38 0.0073 0.28 0.0073 0.28
รวม 0.8870 69.81 0.8870 46.17
ต้นทุนต่อน้ าหนัก (บาท/กก.) 78.70 52.05
ตารางที่ 3 การคิดต้นทุนการผลิตที่ใช้เขม่าด าทางการค้า (CCB) และผงเถ้าเขม่าด า (PCB) เป็นสารตัวเติมในยางธรรมชาติที่ปริมาณ 50 phr
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50
Heat
bui
ld-u
p (ºC
)
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
* phr (Parts per hundred parts of rubber) คือ ส่วนในเนื้อยาง 100 ส่วน
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50
ML1
+4 a
t 100
ºC
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
ความหนืดมูนนี่ (Mooney viscosity)
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
0 10 20 30 40 50Sp
ecifi
c gr
avity
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
ความถ่วงจ าเพาะ (Specific gravity)
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50
Tens
ile st
reng
th (M
Pa)
Filler content (phr)
CB (N774)PCB
ความทนต่อแรงดึง (Tensile strength)
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50
Tear
stre
ngth
(KN/
m)
Filler content (phr)
CB (N774) PCB
ความทนต่อการฉีกขาด (Tear strength)