การปรับปรุงคุณสมบัติของฟิล์มบางพอลิสไตรีน

  อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นับวันยิ่งมีขนาดเล็กลง การใช้พอลิเมอร์เพื่อเป็นชั้นฉนวนไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จำเป็นต้องมีการศึกษาและปรับปรุงสมบัติของวัสดุในระดับนาโนให้สามารถยืดอายุการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้นานขึ้น เป็นการช่วยลดปริมาณการเกิดขยะอิเล็กทรอนิกส์อีกทางหนึ่งด้วย

    พอลิเมอร์ เป็นวัสดุที่มีสมบัติง่ายต่อการขึ้นรูปเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวที่ต่ำ จึงนิยมนำมาขึ้นรูปเป็นฟิล์มบาง เพื่อการประยุกต์ใช้งานในด้านต่างๆ ซึ่งการนำพอลิเมอร์มาใช้เป็นชั้นฉนวนในวงจรไฟฟ้า จะต้องเข้าใจปัจจัยที่มีผลต่อการยึดติดของพอลิเมอร์โมเลกุลกับพื้นผิวชนิดนั้นๆ ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้สำคัญต่อความเสถียรของฟิล์มบางพอลิเมอร์  ในปัจจุบันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ถูกย่อให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ดังนั้นฟิล์มพอลิเมอร์ที่ใช้ก็จะต้องบางมากยิ่งขึ้นเช่นกัน ปัญหาสำคัญที่ตามมาคือฟิล์มยิ่งบาง ยิ่งมีความเสถียรลดลง  ซึ่งจะทำให้พอลิเมอร์ไม่เคลือบพื้นผิวของวัสดุตามที่ต้องการ เกิดการสูญเสียสมบัติของฟิล์มบาง เกิดการแยกตัวของฟิล์มบาง ทำให้สมบัติความเป็นฉนวนไฟฟ้าน้อยลง และนำไปสู่ความเสียหายของวงจรอิเล็กทรอนิกส์

 เนื่องจากการประยุกต์ใช้พอลิเมอร์ในเทคโนโลยีเหล่านี้ต้องการฟิล์มที่เป็นเนื้อเดียว และเป็นแผ่นอย่างต่อเนื่อง:ซึ่งการเตรียมฟิล์มที่มีความบางมากๆในระดับนาโนมักจะทำได้ยาก ทำให้พอลิเมอร์มักจะอยู่ในลักษณะเป็นหยดแทนที่จะได้ฟิล์มบาง นั่นคือการเกิดปรากฏการณ์ dewetting ของฟิล์มบาง ซึ่งเป็นสิ่งที่บ่งชี้ถึงความเสถียรของฟิล์มโดยตรง นอกจากนั้นโมเลกุลของพอลิเมอร์ที่ถูกเตรียมให้อยู่ในรูปของฟิล์มบางนั้น สมบัติหลายๆอย่างของฟิล์มจะเปลี่ยนไป 

ความหนา ~10 nm ของฟิล์ม TAP polymer สำหรับการอบที่อุณหภูมิ 120ºC ที่เวลา 30 min

    ดร.สุนทรี แสงจันทร์ ภาควิชาวิทยาศาสตร์ คณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ กำแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกำแพงแสน จึงทำการศึกษาวิธีการที่จะทำให้ฟิล์มบางของพอลิเมอร์มีความเสถียรมากขึ้น ยับยั้งการเกิดปรากฏการณ์ dewetting ของฟิล์มบาง เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบผิวที่มีความหนาของฟิล์มระดับนาโนเมตร ศึกษาพฤติกรรมของพอลิเมอร์ในฟิล์มบาง ศึกษาผลต่อความเสถียรของฟิล์มบางโดยงานวิจัยนี้ใช้พอลีสไตรีนเป็นต้นแบบ รวมทั้งศึกษาผลต่อความเสถียรของฟิล์มบางพอลิสไตรีนเมื่อเติมสารเติมแต่ง ทรี อาร์ม พอลีสไตรีน (three arm polystyrene ,TAP) ศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อความเสถียร  แรงดึงดูดระหว่างพอลิเมอร์โมเลกุล ความสัมพันธ์ของปริมาณของสารเติมแต่ง ความหนาของฟิล์ม  ระยะเวลาต่างๆในการอบ รวมทั้งความเสถียรของฟิล์มบางเมื่อได้รับความร้อนระดับต่างๆ เพื่อนำไปสู่การพัฒนาปรับปรุงคุณสมบัติของฟิล์มบางพอลิสไตรีน

ความหนา ~10 nm ของฟิล์ม TAP/PS blend polymer สำหรับการอบที่อุณหภูมิ 120ºC โดยมีความเข้มข้นของ TAP เป็น (a) 0 wt.% (b) 10 wt.% (c) 20 wt.% (d) 30 wt.% และ (e) 40 wt.%  (ซ้าย) ที่เวลา 5 ชั่วโมง (ขวา) ที่เวลา 12 ชั่วโมง

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างระยะเวลาในการอบฟิล์มและร้อยละของการเกิดรอยแตกร้าวบนฟิล์มที่มีการเติมสารเติมแต่ง TAP ที่ความเข้มข้นต่างๆ

     ผลการวิจัยในการเพิ่มความเสถียรของฟิล์มบางพอลิเมอร์ที่เตรียมขึ้นจากงานวิจัยมีความหนา 10 nm โดยทำการศึกษาการยับยั้งการเกิด dewet บนฟิล์มบางพอลีสไตรีน ด้วยการเติมสารเติมแต่ง ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน พบว่า  กระบวนเกิด dewetting หรือความไม่เสถียรในฟิล์มบางพอลิเมอร์เกิดขึ้นได้เมื่อได้รับการกระตุ้นจากภายนอกซึ่งก็คือพลังงานความร้อน หากระยะเวลาในการอบฟิล์มเพิ่มขึ้น dewetting area หรือพื้นผิวที่เกิดการแตกร้าวก็เพิ่มขึ้นด้วย โดยหลังจากนำฟิล์มไปอบที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30 นาที จะเป็นสภาวะที่เริ่มเกิด dewet โดยพบว่าฟิล์มเกิดหลุมกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ จำนวนและขนาดของหลุมเพิ่มขึ้นเมื่อระยะเวลาในการอบเพิ่มขึ้น (รูปที่ 1) เมื่อเพิ่มเวลาในการอบฟิล์มบางเป็น 2 ชั่วโมง พบว่า ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหลุม และความหนาแน่นของหลุมเพิ่มขึ้น  และหากเพิ่มระยะเวลาในการอบเป็นระยะเวลาที่นานขึ้นคือประมาณ 12 ชั่วโมง พบว่าการเติม ทรี อาร์ม พอลิสไตรีนในอัตราส่วนที่มากกลับนำไปสู่การเกิด dewetting อย่างรุนแรง นอกจากนั้นยังพบว่าฟิล์มบางจะเกิดการแตกร้าวอย่างสมบูรณ์เมื่ออบที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส ที่เวลา 5 ชั่วโมง 

     การแตกร้าวบนฟิล์มจะสามารถยับยั้งได้โดยการเติม ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน ในปริมาณเพียงเล็กน้อยซึ่งงานวิจัยนี้ได้ทำการทดลองเติม ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน ลงในฟิล์มบางพอลิสไตรีนที่ความเข้มข้น  10 20 และ 30 wt %  พบว่าการแตกร้าวบนฟิล์มบางมีค่าลดลง โดยผลการทดลองพบว่าสามารถยับยั้งการเกิด dewetting ได้อย่างชัดเจน แสดงให้เห็นถึงความราบเรียบของพื้นผิวเมื่อเปรียบเทียบกับฟิล์มที่ไม่มีการเติม ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน ที่ผ่านการอบในสภาวะเดียวกัน  กล่าวได้ว่า การเติม ทรี อาร์ม พอลิสไตรีนที่ความเข้มข้น 30 wt% นำไปสู่การเพิ่มความเสถียรของฟิล์มอย่างมีนัยสำคัญ

     แต่พบว่าเมื่อเติมสารเติมแต่ง ทรีอาร์ม พอลิสไตรีน เป็นปริมาณ 40 wt% พบว่า การเกิดรอยแตกร้าวบนฟิล์มบางกลับเพิ่มขึ้นมากกว่าเมื่อเติมสารเติมแต่ง ทรีอาร์ม พอลิสไตรีน ในปริมาณ 20  และ 30 wt% ซึ่งเมื่อเพิ่มระยะเวลาในการอบฟิล์มบางนานขึ้น พบว่า การเกิดรอยแตกร้าวบนฟิล์มบางพอลิสไตรีนที่มีการเติม ทรีอาร์ม พอลิสไตรีน มากขึ้น

  นอกจากนี้จากผลการทดลองเมื่ออบฟิล์มที่เป็น ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน 100% กลับพบว่ามีการเกิด dewetting ขึ้นอย่างรุนแรง หรือเกิดการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการสุดของการเกิด dewetting ซึ่งการเรียงตัวของหยดฟิล์มในลักษณะนี้ถูกเรียกว่า การเรียงตัวแบบรูปหลายเหลี่ยม (polygon pettern) แสดงว่าการเติมสารเติมแต่งประเภท ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน ในปริมาณที่มากเกินพอดีสามารถนำไปสู่กระบวนการเร่งการเกิด dewetting หรือเพิ่มความไม่เสถียรให้กับฟิล์มบางนั้นเอง

  ดังนั้นการเติมสารเติมแต่ง ทรี อาร์ม พอลิสไตรีน สามารถช่วยยับยั้งการเกิด dewetting เมื่อเติมลงไปในฟิล์มบางพอลิสไตรีนในปริมาณที่พอเหมาะ นั่นคือ ปริมาณความเข้มข้นของทรี อาร์ม พอลิสไตรีนมีผลกระทบอย่างมากต่อการยับยั้งการเกิดรอยแตกร้าวบนฟิล์ม