อีพ็อกซี่เรซิ่น (Epoxy resin) คืออะไร? ทำไมใครๆ ก็ใช้กัน?

อีพ็อกซี่เรซิ่น คืออะไร??

อีพ็อกซี่เรซิ่นเป็น พอลิเมอร์เทอร์โมเซตติงชนิดหนึ่ง ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายอุตสหกรรม เนื่องจากมีคุณสมบัติเด่น ในการยึดเกาะที่ดีเยี่ยม มีความต้านทานแรงดึงและแรงอัดสูง รวมถึงทนทานต่อสารเคมีและความร้อน อีพ็อกซีเรซิ่น มีหลากหลายประเภท ซึ่งแต่ละประเภทได้รับการปรับแต่งสูตรการผลิตมาเพื่อตอบโจทย์การใช้งานเฉพาะด้าน ทำให้เป็นที่ต้องการในอุตสหกรรมต่าง ๆ ตั้งแต่ศิลปะและงานฝีมือไปจนถึงการก่อสร้างและวิศวกรรม   

อีพ็อกซี่เรซิ่น มาจากไหน??

อีพ็อกซี่เรซิ่นถูกค้นพบครั้งแรกโดย ปิแอร์ คาสทัน นักเคมีชาวสวิสเซอร์แลนด์ หลังจากที่เขาได้ทำการทดลองปฏิกิริยาระหว่างสารเคมีต่างๆ หลายชนิดในช่วงทศวรรษ 1930 และได้รับการจดสิทธิบัตรในปี 1940 ในช่วงเวลาเดียวกันนั้น พอล ชแล็ค นักเคมีชาวเยอรมัน ก็ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์อีพ็อกซีเช่นกัน อีพ็อกซี่เรซิ่น ถูกพัฒนาให้สามารถนำมาใช้เชิงพาณิชย์ครั้งแรกในปีช่วงทศวรรษ 1940-1950 โดยถูกใช้ในอุตสาหกรรมทันตกรรม และ เริ่มต่อยอดไปยังอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อากาศยาน การเดินเรือ และยานยนต์ จนปัจจุบันมีการใช้งานอย่างแพร่หลายอย่างที่เป็นในทุกวันนี้

อีพ็อกซี่เรซิ่น สังเคราะห์มาได้อย่างไร??

อีพ็อกซี่เรซิ่น เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ปิโตรเลียม โดยส่วนประกอบหลักของอีพ็อกซีเรซิ่นคือ โมโนเมอร์อีพอกไซด์ ซึ่งจะเกิดกระบวนการพอลิเมอไรเซชั่น (Polymerization) เมื่อรวมกับตัวเร่งแข็ง (curing agent หรือ hardener) ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นนี้จะสร้างพันธะที่แข็งแรงและทนทาน 

โครงสร้างหลักของอีพ็อกซี่เรซินคือสายโซ่อะตอมออกซิเจนที่มีอะตอมคาร์บอนสองอะตอมอยู่ด้านข้างแต่ละด้าน สายโซ่นี้เรียกว่าหมู่ "อีพอกไซด์" (epoxide) หรือ "ออกซิเรน" (oxirane)

อีพ็อกซี่เรซิ่น หากจะแบ่งประเภทตาม โครงสร้างทางเคมี จะสามารถแบ่งได้มากมายหลายประเภท ดังนั้นเราจึงจะขอพูดถึง ประเภทที่เป็นที่นิยมที่สุด และเป็นตัวที่เราใช้งานกันเป็นอยู่ทั่วไป ไม่ว่าจะงานคอมโพสิต หรือ งานเทพื้น งานเคลือบต่างๆ 

อีพ็อกซี่เรซิ่นชนิดนี้ เรียกว่า "ไดกลัยซิดิลอีเทอร์ของบิสฟีนอลเอ" (diglycidyl ether of bisphenol A หรือ DGEBA) ถูกสร้างขึ้นโดยการทำปฏิกิริยาระหว่างบิสฟีนอลเอ (Bisphenol A หรือ BPA) กับอิพิคลอโรไฮดริน (Epichlorohydrin หรือ ECH) ซึ่งน้ำหนักโมเลกุลจะถูกควบคุมโดยการปรับอัตราส่วนของ ECH : BPA โดยอัตราส่วนที่สูงจะทำให้ได้น้ำหนักโมเลกุลที่ต่ำกว่า อีกทั้งการปรับอัตราส่วนระหว่าง ECH : BPA ยังส่งผลต่อคุณสมบัติต่างๆ ของอีพ็อกซี่เรซิ่นอีกด้วย เช่น การเพิ่มขึ้นของ BPA จะเพิ่มความแข็งแรงและทนอุณหภูมิสูง ในทางกลับกัน ECH จะเพิ่มความทนทานต่อสารเคมี และหมู่อีพ็อกไซด์จะเพิ่มคุณสมบัติในการยึดเกาะ

เช่นเดียวกับการใช้งาน โพลีเอสเตอร์เรซิ่น อีพ็อกซี่เรซิ่น จำเป็นต้องผ่านกระบวนการโพลีเมอร์ไรซ์เซชั่น (Polymerization) หรือกระบวนการแข็งตัว โดยการเติมสารตัวเร่งแข็ง (curing agent หรือ hardener) ซึ่งจะไปทำปฏิกิริยากับหมู่ epoxide กระตุ้นให้เกิดพันธะแบบ cross-linking ก่อตัวเป็นโครงข่ายสามมิติ ซึ่งโครงสร้างข่ายงานนี้ทำให้วัสดุมีความแข็งแรงเป็นพิเศษและมีคุณสมบัติอื่น ๆ ตามที่กล่าวมาข้างต้น

ตัวเร่งแข็งที่ใช้คู่กับอีพ็อกซี มีหลากหลายชนิด เช่น โพลีเอมีน (polyamines) แอนไฮไดรด์ (anhydrides) และเมอร์แคปแทน (mercaptans) โดยตัวที่ได้รับความนิยมมากที่สุด โพลีเอมีน (polyamines) เมื่อเทียบกับการใช้งานโพลีเอสเตอร์เรซิ่น ที่เราต้องเติมตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณเพียงเล็กน้อย (เช่น 1 – 2% MEKP) แต่อีพ็อกซี่ต้องการสารตัวเร่งแข็งในปริมาณที่สูงกว่ามาก โดยทั่วไปจะมีอัตราส่วนของ Epoxy ต่อสารทำให้แข็งตัวตั้งแต่ 1:1 ถึง 2:1 ขึ้นอยู่กับแต่สูตรของทางผู้ผลิต

คุณสมบัติและลักษณะเฉพาะของอีพ็อกซี่เรซิ่น

• ความแข็งแรงทางกลสูง: อีพ็อกซี่เรซิ่นมีความแข็งแรงทางกลสูงอย่างมาก มีความทนทานต่อแรงดึง แรงอัด และแรงกระแทก จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเชิงโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น อีพ็อกซี่เรซินถูกนำมาใช้ในการซ่อมแซมรอยต่อและเป็นวัสดุอุด แทนการเชื่อมแบบเดิมๆ เนื่องจากเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพและราคาถูกกว่า

• ความทนทานต่อสารเคมี: ทนทานต่อสารเคมีและตัวทำละลาย จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในโรงงานอุตสาหกรรม ห้องปฏิบัติการ และโรงเก็บสารเคมี

• ความทนทานต่ออุณหภูมิ: อีพ็อกซี่เรซิ่นทนทานอุณหภูมิสูงได้เป็นอย่างดี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความทนทานสูง จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

• ความเป็นฉนวนไฟฟ้าสูง: อีพ็อกซี่เรซิ่นยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทต่างๆ เช่น มอเตอร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฉนวน บุชชิ่ง และสวิตช์เกียร์ อีพ็อกซี่เรซินเป็นฉนวนไฟฟ้าที่แข็งแรงและช่วยป้องกันส่วนประกอบไฟฟ้าจากความเสียหายที่เกิดจากความชื้น ฝุ่นละออง และการลัดวงจร

• การหดตัวต่ำ: อีพ็อกซี่เรซิ่นมีการหดตัวหลังการ Cure ต่ำ ดังนั้นจึงสามารถนำไปใช้กับพื้นผิวและโครงสร้างที่ต้องการความเสถียรของมิติที่ดี และมีการบิดเบี้ยวและการแตกร้าวน้อยที่สุด

• การ Curing สามารถทำได้หลากหลายวิธี: การทำให้เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชั่น สามารถทำได้หลายวิธี เช่น Cure ด้วยรังสี UV, Cure ด้วยความร้อน หรือ Cure ด้วยความชื้น ขึ้นกับสูตรทางผู้ผลิต

• การยึดเกาะที่ดีเยี่ยม: อีพ็อกซี่เรซิ่นยังมีคุณสมบัติในการยึดเกาะที่ดีเยี่ยม สามารถยึดติดวัสดุต่างๆ เช่น ไม้ โลหะ พลาสติก เซรามิก หิน และวัสดุคอมโพสิตได้อย่างง่ายดาย

การใช้งาน

• ศิลปะและงานฝีมือ: อีพ็อกซี่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างสรรค์งานศิลปะและงานคราฟท์ต่าง ๆ เช่น งานเครื่องประดับ และงานเฟอร์นิเจอร์ เนื่องจากมีผิวเคลือบที่ใสและเงางาม เหมาะกับการผสมสี

• การก่อสร้างและการซ่อมแซม: ด้วยคุณสมบัติการเป็น กาว ที่มีความสามารถในการยึดเกาะที่แข็งแรง อีพ็อกซี่ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในวงการก่อสร้าง เช่น การซ่อมแซมรอยแตกร้าวของคอนกรีต การเชื่อมติดโลหะ และการทำให้ไม้คงสภาพ

• การทำโมลด์ในงานอุตสาหกรรม: อีพ็อกซี่เรซิ่น เป็นตัวเลือกที่ดี สำหรับการผลิตโมลด์ต้นแบบที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม นิยมใช้แทนโมลด์เหล็กและไม้ เนื่องจากสามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายในการสร้างโมลด์ และทำให้กระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพมากขึ้น

• การเคลือบผิวและการกันซึม: มีการใช้กันทั่วไปในการเคลือบป้องกันสำหรับพื้น เคาน์เตอร์ และเฟอร์นิเจอร์ โดยให้ความทนทานต่อการขีดข่วน สารเคมี และความชื้น รวมทั้งป้องกันการกัดกร่อน และการเกิดสนิม และยังนิยมใช้เคลือบสำหรับท่อส่งสารเคมี ในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ

• การทำพื้น: นอกจากมีความแข็งแรงทนทาน ทนต่อสารเคมี ความร้อน อีพ็อกซี่ยังสามารถผสมสี หรือ สารเติมแต่งต่างๆ เพื่อเพิ่มความสวยงาม จึงเหมาะแก่การนำมาทำพื้น นอกจากนี้พื้นอีพ็อกซี่ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและดีกว่าผลิตภัณฑ์พื้นแบบเดิมอย่างมาก เนื่องจากช่วยลดการใช้น้ำในกระบวนการทำพื้นได้อีกด้วย

• อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า: อีพ็อกซี่เป็นวัสดุฉนวนในชิ้นส่วนไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ช่วยป้องกันความชื้นและสิ่งปนเปื้อนจากสภาพแวดล้อม

• อุตสาหกรรมทางทะเลและยานยนต์: ด้วยคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม อีพ็อกซี่เรซิ่นจึงถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมทางทะเลและยานยนต์ เช่น การสร้างเรือ และการซ่อมแซมตัวถังรถยนต์

• อุตสาหกรรมการบิน อากาศยาน และการป้องกันประเทศ: คุณสมบัติที่มีน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูง จึงเหมาะแก่การนำมาผลิตชิ้นส่วนอากาศยาน และส่วนโครงสร้างต่าง ๆ

การเลือกใช้งานอีพ็อกซี่่

ในการเลือกอีพ็อกซี่ สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการเลือกชนิดหรือประเภทที่เหมาะสมกับการใช้งาน ควรเลือกเป็นสูตรเฉพาะสำหรับการใช้งานประเภทนั้นๆ เช่น ใช้ในการเคลือบพื้นผิว หรือ สำหรับผลิตชิ้นงานคอมโพสิต  นอกจากนี้แต่ละสูตรยังมีระยะเวลาการ Cure และวิธีการ Cure ที่แตกต่างกันไป โดยทั่วไปแล้ว ระยะเวลาการ Cure ของ Epoxy จะยาวนานกว่าเรซิ่นโพลีเอสเตอร์ และบางสูตรอาจต้องใช้ความร้อนในการ Cure บางสูตรสามารถ Cure ได้ที่อุณหภูมิห้อง หรือบางสูตรอาจจะเป็น UV Cure ดังนั้น จึงควรคำนึงถึงปัจจัยเหล่านี้ร่วมด้วย เพื่อให้การทำงานมีประสิทธิภาพ และได้ชิ้นงานที่คุณภาพสูงดีที่สุด

References

https://www.xometry.com/resources/materials/what-is-epoxy/

https://www.sakshichemsciences.com/benefits-of-using-epoxy-resins/

https://ressichem.com/blog/types-of-resin-and-their-uses

https://uk.rs-online.com/web/content/discovery/ideas-and-advice/epoxy-resin-guide

https://www.fibreglast.com/blogs/learning-center/about-resins

https://chemistrytalk.org/epoxide-functional-group/

https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/epichlorohydrin

https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/epoxy-resin