3. เคมีของยาง

      อะไรที่ทำให้ยางมีความยืดหยุ่น? แล้วมีลักษณะคล้ายพลาสติก

คำตอบคือ ยางเป็น โพลีเมอร์ (Polymer) ชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นการเรียงกันเป็นห่วงโซ่ของหน่วยธาตุที่ซ้ำกันมาต่อเรียงกัน ที่เรียกว่า โมโนเมอร์ (Monomers) เรียงต่อกันจนเป็นรูปแบบของโพลีเมอร์

รูปตัวอย่างเปรียบเทียบของโมโนเมอร์ กับการเรียงกันเป็นโพลีเมอร์

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

ในยาง โมโนเมอร์จะเป็นสารประกอบคาร์บอน ที่เรียกว่า ไอโซพรีน (Isoprene) ที่มีสองพันธะคู่คาร์บอน

รูปพันธะทางเคมีของไอโซพรีน

วิดีโออธิบายพันธะทางเคมีของโมโนเมอร์ และโพลีเมอร์

รูปน้ำยางจากต้นยางที่มีโมเลกุลไอโซพรีน

      น้ำยางที่เป็นของเหลวที่ไหลออกมาจากต้นยางพาราซึ่งจะมีโมเลกุลของไอโซพรีนอยู่เป็นจำนวนมาก ขณะที่น้ำยางแห้งโมเลกุลของไอโซพรีนจะถูกรวมกลุ่มจับกัน และทำให้โมเลกุลไอโซพรีนหนึ่ง ปะทะกับพันธะคาร์บอนคู่ของโมเลกุลข้างเคียง หนึ่งในการแบ่งพันธะคู่ และมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในรูปแบบความสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลไอโซพรีนทั้งสอง

            กระบวนการจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจนกระทั่ง จนทำให้เกิดมีเส้นยาวขึ้นของโมเลกุลไอโซพรีนจำนวนมากมีการเชื่อมโยงเป็นห่วงโซ่ เส้นที่ยาวเหล่านี้เรียกว่า โพลีเมอร์แบบโพลีไอโซพรีน (Polyisoprene polymer)

รูปพันธะของไอโซพรีน

รูปพันธะของไอโซพรีน 2

      ในแต่ละโมเลกุลของโพลีไอโซพรีนจะประกอบไปด้วยโมโนเมอร์ไอโซพรีนจำนวนมาก ขณะที่ยางถูกทำให้แห้งอย่างต่อเนื่อง เส้นโพลีไอโซพรีนจะเกิดติดแน่นกันโดย เกิดการสร้างพันธะไฟฟ้าสถิต (Electrostatic bonds) ซึ่งคล้ายกันอย่างมากกับการดึงดูดกันระหว่างขั้วตรงข้ามกันของแท่งแม่เหล็กสองแท่ง

      การดึงดูดระหว่างเส้นยาวเหล่านี้จะจับกันเป็นเส้นใยของยางไปพร้อมกัน และช่วยให้พวกมันยึดติดกัน เมื่อทำการดึงยืดยางเล็กน้อย แผ่นยางที่แห้งจะสามารถหดกลับคืนสภาพได้

รูปยางแผ่นตากแห้ง

      ถึงอย่างไร อุณหภูมิที่มีการเปลี่ยนแปลง จะสามารถส่งผลต่อการมีปฏิสัมพันธ์ของไฟฟ้าสถิต ระหว่างเส้นโพลีไอโซพรีนในน้ำยาง อุณหภูมิที่ร้อนจะลดปฏิสัมพันธ์ และทำให้ยางเป็นของเหลวมากขึ้น (กาวเหนียว) ส่วนอุณหภูมิที่เย็นจะเพิ่มปฏิสัมพันธ์ และทำให้ยางมีความแข็งมากขึ้น (แข็ง, เปราะ)

      ในต้นศตวรรษที่ 18 มีนักวิทยาศาสตร์ และนักประดิษฐ์หลายคน คิดค้นทำให้ยางมีความทนทานมากขึ้น หนึ่งในนักประดิษฐ์ที่มีชื่อเสียง นั่นก็คือ ชาร์ล กู๊ดเยียร์ (Charles Goodyear) การคิดค้นของเขาทำให้ยางลดความหนืดลงโดยการผสมผงที่แห้งต่าง ๆ ลงไป

รูปชาร์ล กู๊ดเยียร์

รูปวาดการทดลองของกู๊ดเยียร์

      เขามีประสบการณ์โดยการผสมแป้ง และผงอื่น ๆ ไปกับยาง ในปี พ.ศ. 2381 กู๊ดเยียร์ ได้พบกับ นาธาเนียล เฮย์วาร์ด (Nathaniel Hayward) เป็นคนที่ทำการปรับสภาพยางแผ่นด้วยสารละลายกำมะถัน หรือซัลเฟอร์ (Sulfur) และยางสน (Turpentine) อีกทั้งทำให้แห้งด้วยการตากแดด ยางที่ตากแดดให้แห้งของเฮย์วาร์ดทำให้มีสภาพที่แข็ง และทนทานมากยิ่งขึ้น เขาได้ทำการจดสิทธิบัตรกระบวนการ ซึ่งเรียกว่า การผึ่งแดด หรือโซลาไรเซชั่น (Solarization)

      กู๊ดเยียร์ได้ทำการซื้อสิทธิบัตรของเขา และเริ่มต้นทดลองกับสารประกอบกำมะถัน โดยระหว่างการทดลอง มีความผิดพลาดขึ้นมากมาย กู๊ดเยียร์ทำการประดิษฐ์โดยเขาได้ทำการผสมน้ำยางด้วยกำมะถัน และตะกั่วออกไซด์ (Lead oxide) เล่ากันว่าเกิดเหตุบังเอิญ โดยมีบางส่วนของส่วนผสมตกลงบนเตาร้อน และผลที่เกิดขึ้นทำให้ยางแข็ง, ยืดหยุ่น และทนทานขึ้น

       กระบวนการที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญของกู๊ดเยียร์นี้ ในที่สุด ก็รู้จักกันในชื่อว่า การหลอม หรือวัลคาไนเซชัน (Vulcanization) นอกจากนี้เขายังพบอีกว่า การเปลี่ยนแปลงจำนวนของกำมะถันจะทำให้ลักษณะของยางเปลี่ยนแปลงไป การใช้กำมะถันมากขึ้น ส่งผลให้ยางมีความแข็งกว่า ซึ่งจะส่งผลแบบนี้ก็คือนำยางไปสู่กระบวนการหลอม

รูปตัวอย่างการทำวัลคาไนซ์

วิดีโอแสดงกระบวนการวัลคาไนซ์

      เมื่อเส้นโพลีไอโซพรีนถูกให้ความร้อน พร้อมกับกำมะถัน และตะกั่วออกไซด์ อะตอมของกำมะถันจะโจมตีพันธะคู่ในเส้นโพลีไอโซพรีน และผูกเข้ากับอะตอมของคาร์บอน อะตอมของกำมะถันยังสามารถสร้างพันธะในตัวเอง (พันธะไดซัลไฟด์ (Disulfide bond)) และเชื่อมโยงข้ามเส้น (Cross-linking) โพลีไอโซพรีนที่อยู่ใกล้เคียงที่เป็นรูปแบบคล้ายโครงสร้างตาข่ายในยาง

รูปการเชื่อมโยงเส้นในพันธะไดซัลไฟด์

      การเชื่อมโยงแบบข้ามกัน สร้างความแข็งแกร่งให้แก่โพลีไอโซพรีน จนทำให้มันแข็งขึ้น, ยื่นหยุ่น และคงทนมากขึ้น ซึ่งกู๊ดเยียร์เป็นผู้ค้นพบ มีการเพิ่มการใช้กำมะถัน จนสามารถทำให้มันเป็นรูปแบบของการเชื่อมโยงแบบข้ามผ่าน และทำให้ยางที่ผลิตได้แข็งขึ้น กระบวนการวัลคาไนเซชันของกู๊ดเยียร์เกี่ยวข้องกับการผสมผสานน้ำยาง, กำมะถัน และตะกั่วออกไซด์ ในสภาพที่อบด้วยไอที่ความดันสูง นานถึง 6 ชั่วโมง เพื่อให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

รูปเคมีของยางในกระบวนการวัลคาไนซ์

เกร็ดความรู้เพิ่มเติม ราชาแห่งยาง หรือยาจก?

       ชาร์ล กู๊ดเยียร์ ได้หมกมุ่นอยู่กับยาง ได้ทำการทดลองกับมัน ถึงแม้นในขณะที่เขาถูกคุมขังอยู่ในเรือนจำเดบเตอร์ หลังจากที่เขาคิดค้นกระบวนการวัลคาไนซ์ ในปี พ.ศ. 2382 เขาเริ่มต้นทำยางหลอมให้เป็นแผ่น ซึ่งทำให้สามารถนำมาใช้กับเสื้อผ้าได้

       กู๊ดเยียร์ได้ส่งผลิตภัณฑ์ของเขาไปยุโรปในความหวังที่จะได้รับเงินทุนจากนักลงทุน นักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ และผู้บุกเบิกเรื่องยาง ชื่อโทมัส แฮนค็อค (Thomas Hancock) เสนอจะให้สิ่งที่เขาต้องการซึ่งเขาได้ใช้กระบวนการวัลคาไนซ์ของกู๊ดเยียร์ และนำมาใช้อย่างเร่งรีบ เขาได้อ้างว่าเขาได้สิทธิบัตรก่อนกู๊ดเยียร์

       การถูกกลโกงนั้น ทำให้ในที่สุดธุรกิจอื่น ๆ อีกมากมายได้ถูกละเมิดสิทธิบัตรของกู๊ดเยียร์ ซึ่งเขาใช้เวลาส่วนใหญ่พร้อมกับใช้สมบัติของเขาในการทำเรื่องดำเนินคดี และในการทดลองยาง

       จนท้ายที่สุด เขาเสียชีวิตด้วยความยากจนในปี พ.ศ. 2403 ซึ่งต่อมา ถ้าเขารู้เขาอาจจะมีความสุขที่รู้ว่าได้มีผู้ใช้ชื่อยี่ห้อ ยางกู๊ดเยียร์ และบริษัทยางของเขาถูกตั้งชื่อให้เป็นเกียรติยศแก่เขา

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ข้อเสียของคนคือ พูดแล้วไม่คิด

ข้อเสียของชีวิตก็คือ คิดแล้วไม่ทำ”