9. Electrical resistivity of poly (vinyl alcohol)

KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3): 301-309บทความวิจัยKKU Engineering Journalhttp://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/ความตานทานไฟฟาของแผนเสนใยนาโนโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่เติมเขมาดำเขมาดำที่ปรับสภาพผิวและทอนาโนของคารบอนElectrical resistivity of poly (vinyl alcohol) nanofibrous structures filled with carbon black,self-dispersible carbon black and carbon nanotubeวิภาวรรณ วงศดาว 1) และ ภาณุ ดานวานิชกุล* 2)Wipawan Wongdao 1) and Panu Danwanichakul* 2)1)สาขาเทคโนโลยีการจัดการพลังงานและสิ่งแวดลอม ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร ศูนยรังสิตจ.ปทุมธานี 12120Energy and Environment Technology Management, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, ThammasatUniversity, Pathumthani,Thailand, 12120.2)ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร ศูนยรังสิต จ.ปทุมธานี 12120Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Thammasat University, Pathumthani, Thailand, 12120.Received December 2011Accepted June 2012บทคัดยองานวิจัยนี้ศึกษาเปรียบเทียบความตานทานไฟฟาของแผนเสนใยนาโนของโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่เติมเขมาดำ เขมาดำที่ปรับสภาพผิวและทอนาโนของคารบอน โดยเตรียมสารละลายโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่ความเขมขน 25% และเติมสารตัวเติมปริมาณ2% 4% 6% 8% และ 10% ของน้ำหนักโพลิไวนิลแอลกอฮอล จากนั้นนำไปขึ้นรูปเปนเสนใยนาโนดวยเทคนิคอิเล็คโตรสปนนิงแลวนำไปดูดซับไอระเหยของไอโซโพรพิลแอลกอฮอลและวัดคาความตานไฟฟาที่เวลาตางๆ ในขณะดูดซับ จากการศึกษาพบวาการเติมเขมาดำในเสนใยนาโนสามารถลดความตานทานไฟฟาของเสนใยได แตมีปญหาในการเกาะกันเปนกลุม ซึ่งสงผลกระทบตอปริมาณของตัวเติมที่ออกมาในเสนใยและคาความตานทาน และความไวในการตรวจจับไอระเหยของเสนใยที่ไมเปนไปตามแนวโนม การปรับปรุงสภาพผิวของอนุภาคคารบอนใหมีประจุลบชวยทำใหเกิดการกระจายตัวที่ดีขึ้นในสารละลายและเกาะกลุมนอยกวาเดิม สงผลไดแนวโนมที่ดีขึ้นเมื่อพิจารณาปริมาณของตัวเติมที่เพิ่มขึ้นตามการเตรียมและคาความตานทานและความวองไวในการตรวจจับไอระเหยดีขึ้น สำหรับทอนาโนคารบอนนั้นพบวามีการเกาะกลุมกันไดงาย และสปน ออกมาไดนอย เสนใยที่ไดมีความตานทานไมสัมพันธกับปริมาณอนุภาคทอนาโนคารบอนที่เตรียมในสารละลายคำสำคัญ : เสนใยนาโน โพลิไวนิลแอลกอฮอล เขมาดำ เขมาดำที่มีการทำใหกระจายอนุภาค ทอนาโนของคารบอนAbstractThe studies of electrical resistivity of poly (vinyl alcohol) nanofibrous structures filled with carbon black,self-dispersible carbon black and carbon nanotube were done in this work. The PVA solution was prepared at25% and the filler loading was varied to 2% 4% 6% 8% and 10% of PVA amount. The nanofibrous structures werefabricated by electrospinning method. The results revealed that carbon black was able to reduce electrical*Corresponding author. Tel.: +66 (0) 2564 3001; Fax: +66 (0) 2564 3024Email address: dpanu@engr.tu.ac.th

302KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3)resistivity of electrospun structures. However, the agglomeration of carbon black particles occurred and thisresulted in fluctuation of the amount of carbon black in the nanofibrous structures and their electrical resistivity aswell as sensitivity. The surface treatment of carbon black particles yield self-dispersible carbon black whichcould increase degree of dispersion in PVA solution, leading to less fluctuation of the amount of carbon black inthe fibers and their resistivity and sensitivity. Considering carbon nanotubes, it was observed that large clusterswere formed and particulate settling occurred in the polymer solution. The agglomeration of fillers and particulatesettling in solution seems to be a controlling factor in the variation of solution electrical property, filler amount innanofibrous structures, and electrical property of the nanofibrous structures.Keywords : Nanofiber, Poly (vinyl alcohol), Carbon black, Self-dispersible carbon black and carbon nanotube1. บทนำปจจุบันมีงานวิจัยที่ศึกษาเกี่ยวกับเสนใยที่ขึ้นรูปดวยเทคนิค electrospinning เปนจำนวนมาก เนื่องจากเสนใยที่ผลิตไดจากเทคนิคนี้หรือที่เรียกวา อิเล็กโตรสปนนาโนไฟเบอร(Electrospun nanofibers) มีขนาดเล็กในระดับไมครอนถึงระดับนาโนเมตร จึงมีอัตราสวนระหวางพื้นผิวตอปริมาตร(Surface-to-volume ratio) สูง และมีน้ำหนักเบา ผืนผาที่ไดจากเสนใยนี้จะมีรูพรุนขนาดเล็กอยูเปนจำนวนมากทำใหมีการสงผานของของเหลวหรือแกสไดดีขอดีตางๆ เหลานี้ทำใหเกิดการวิจัยพัฒนาการนำเสนใยขนาดนาโนนี้ไปใชงานในดานตาง ๆ เชน การประดิษฐชุดปองกันอาวุธเคมีและอาวุธชีวภาพของทหาร การผลิตวัสดุนาโนคอมพอสิต เสนใยนาโนพอลิเมอรที่ยอยสลายไดไมเปนพิษ และมีความเขากันไดทางชีวภาพ สำหรับงานทางดานวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก (Bonetissue engineering) วัสดุตกแตงแผล (Wound dressing)ระบบสงยา (Drug delivery system) ระบบการกรองอยางละเอียด(ultrafiltration) และวัสดุรองรับสำหรับตัวเรงปฏิกิริยา(support) เปนตน งานวิจัยนี้ เนนไปที่การนำเสนใยที่ไดไปในการสังเคราะหวัสดุตนแบบในการประดิษฐอุปกรณดักจับไอระเหยอินทรีย จากงานวิจัยที่ผานมายังพบวาโพลิไวนิลแอลกอฮอลสามารถปนเปนเสนใยไดดีดวยเทคนิคอิเล็กโตรสปนนิง [1] และพบวาเซนเซอรดักจับไอระเหยของสารอินทรียที่มีลักษณะเปนเสนใยนาโนมีความไวในการดูดซับไอระเหยอินทรียที่ดีกวาวัสดุที่มีลักษณะเปนแผนที่ใชกันในปจจุบัน [2]เนื่องจากวัสดุที่เปนเสนใยมีพื้นที่ในการดูดซับไอระเหยตอหนึ่งหนวยปริมาตรมากกวาวัสดุแบบแผน [3] แตขอจำกัดของการนำเสนใยนาโนไปใชในการประดิษฐเซนเซอรดักจับสารอินทรียไอระเหยคือความตานทานไฟฟาที่มีคาสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบแผน งานวิจัยนี้จึงสนใจศึกษาการเติมผงเขมาดำเพื่อเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟาของเสนใย เนื่องจากผงเขมาดำมีสมบัติการนำไฟฟาที่ดีและมีขนาดอนุภาคเล็กในระดับนาโนเมตร [4] แตโดยปกติแลวอนุภาคเขมาดำมักจะจับตัวกันเปนกอนและไมชอบน้ำ ทำใหสมบัติของเสนใยที่ไดมีความแปรปรวน [5, 6] จึงไดมีงานวิจัยที่การศึกษาการปรับปรุงการกระจายตัวของอนุภาคเขมาดำดวยการทำใหผิวของอนุภาคมีหมู –COOH ดวยการแชในกรดไนตริก [7] และเนื่องจากทอนาโนคารบอนมีสมบัติในการนำไฟฟาที่ดี จึงเลือกมาศึกษาเปรียบเทียบระหวางเสนใยโพลีไวนิลแอลกอฮอลที่เติมทอนาโนคารบอน และผงเขมาดำ ซึ่งอาจสงผลตอลักษณะเสนใย และสมบัติทางไฟฟาสำหรับสารอินทรียที่เลือกเปนตัวแทนในการศึกษาเปนสารอินทรียระเหยงาย ไอโซโพรพิล แอลกอฮอลถูกเลือกมาใชในการศึกษาการดักจับไอระเหยของเสนใย เนื่องจากเปนสารอินทรียชนิดมีขั้วเชนเดียวกับโพลิไวนิลแอลกอฮอล มีการใชสารอินทรียระเหยชนิดนี้กันอยางแพรหลายในอุตสาหกรรมปโตรเคมี และอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส จัดเปนสารเคมีอันตรายเมื่อไดรับในปริมาณมาก มีโอกาสทำลายระบบประสาท ไต ระบบหลอดเลือดเลี้ยงหัวใจ ระบบทางเดินอาหาร [8]1.1 วัสดุและสารเคมี(1) โพลิไวนิลแอลกอฮอล (Polyvinyl alcohol หรือ PVA)ยี่หอ Merck Ltd., Thailand ซึ่งมีมวลโมเลกุล (Mw)30,000- 70,000 Da ชนิดสามารถละลายไดในน้ำเย็น(2) เขมาดำ (Carbon black) ชนิด N330 จากบริษัท Loxley(3) ทอนาโนคารบอน ชนิดผนังหลายชั้น ยี่หอ Bayer(4) กรดไนตริกความเขมขน 99.6% ยี่หอ Merck Ltd.,Thailand

KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3) 3032. วิธีการและขั้นตอนการศึกษา2.1 เตรียมผงเขมาดำที่มีการทำใหกระจายตัว SelfDispersible Carbon Blackนำผงเขมาดำชนิด N330 (มีขนาดอนุภาคโดยเฉลี่ย33 นาโนเมตร) ปริมาณ 8 กรัม ผสมกับสารละลายกรดไนตริกความเขมขน 70% ปริมาณ 600 มิลลิลิตร และนำไปรีฟลักซที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียสเปนเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นใหความรอนตอที่อุณหภูมิ 130 องศาเซลเซียส แลวนำไปแยกตะกอนโดยใชเครื่องปนเหวี่ยงตะกอนที่ความเร็ว 3000 รอบตอนาที เปนเวลา 15 นาที แยกสวนน้ำใสออกจากตะกอนแลวลางดวยน้ำกลั่น จากนั้นแยกตะกอนอีกครั้งที่ความเร็วรอบและเวลาเทาเดิม ลางดวยน้ำกลั่นอีกครั้ง และแยกตะกอนเขมาดำไปอบที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส เปนเวลา24 ชั่งโมง2.2 เตรียมสวนผสมของ สารลายโพลิไวนิลแอลกอฮอลผงเขมาดำ ผงเขมาดำที่มีการทำใหกระจายตัวและทอนาโนคารบอนเตรียมสารละลายโพลีไวนิลแอลกอฮอล (สารละลายPVA) ความเขมขน 25% ในน้ำกลั่น และเติมผงเขมาดำ (CB)ผงเขมาดำที่มีการทำใหกระจายตัว (SDCB) และทอนาโนคารบอน (CNTs) ปริมาณ 2% 4% 6% 8% และ 10 % ของน้ำหนักโพลีไวนิลแอลกอฮอล2.3 ทดสอบสมบัติของสารละลายที่ใชขึ้นรูปเสนใยนาโน2.3.1 การหาคาการนำไฟฟาของสารละลาย(Electrical conductivity)หาคาการนำไฟฟาของสารละลายที่เตรียมไววิเคราะหตัวอยางโดยใชเครื่องวัดหาคาการนำไฟฟายี่หอHoriba รุน ES-14 ที่ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร ศูนยรังสิต2.3.2 ทดสอบการกระจายตัวของอนุภาคและความเปนเนื้อเดียวกันของสารละลายหลังการผสมสารละลายพอลิเมอรและสารตัวเติมตางๆ ใหเขากันอยางดีแลว จึงบรรจุสารละลายในขวดปริมาตร 8 มิลลิลิตร ตั้งทิ้งไว 24 ชั่วโมงจากนั้นใชเข็มฉีดยาดูดสารละลายที่ระดับความลึก 1, 6 และ 10 ซม. ดังรูปที่ 1หยดสารละลายลงบนแผนกระจกใสและถายภาพดวยกลองจุลทรรศนแบบใชแสงรูปที่ 1 แสดงการเก็บตัวอยางที่ความลึกตางๆ2.4 ขึ้นรูปเสนใยนาโนของโพลิไวนิลแอลกอฮอล โดยใชเครื่องอิเล็กโตรสปนนิงในการทดสอบการสปนเสนใยดวยเทคนิคอิเล็กโตรสปนนิงของสารละลาย PVA ที่มีความเขมขน 25% โดยใชระยะหางระหวางปลายเข็มกับแผนรับเทากับ 9 เซนติเมตร ความตางศักย 18 kV เข็มเอียง 75 องศากับแนวตั้ง ใชเวลาในการสปนเสนใยเทากับ 25 นาที เข็มฉีดยาหมายเลข 21 ซึ่งมีขนาดเสนผานศูนยกลางเทากับ 0.8 มิลลิเมตร ความยาวเข็มฉีดยา3.5 เซนติเมตร แผนเสนใยที่ไดจะควบคุมใหมีความหนาประมาณ 0.3 ม.ม. โดยเปนการวัดเฉลี่ยจากทั้งสี่มุมของแผนเสนใย ระยะเวลาในการสปนของแตละตัวอยางจึงแตกตางกันไปชวงประมาณ 20 นาที2.5 การศึกษาความตานทานไฟฟาของเสนใยขณะดูดซับและไมดูดซับไอระเหยไอโซโพรพิลแอลกอฮอลนำกลุมเสนใยขนาด 2 x 2 เซนติเมตรตรวจวัดความตานทานไฟฟาภายในบรรยากาศของไอระเหย ไอโซโพรพิลแอลกอฮอลเปนเวลา 20 นาที โดยบันทึกคาความตานทานไฟฟาที่เปลี่ยนแปลงไปทุกๆ 30 วินาที ผานวงจรอนุกรมดังรูปที่ 2 ขั้ว เปรียบเทียบกับกลุมเสนใยที่ไมผานการดูดซับไอระเหยของสารไอโซโพรพิลแอลกอฮอล3. ผลการทดลองเมื่อนำอนุภาคเขมาดำไปถายภาพ SEM จะพบกลุมอนุภาคที่มีขนาดใหญถึง 1600 นาโนเมตร และเมื่อนำอนุภาคเขมาดำไปทดสอบดวยเครื่อง Particle size analyzer ที่ใชน้ำเปนสารตัวกลาง (Medium) เกิดการเกาะกลุมกันอยูระหวาง 2-10 ไมครอน สวนอนุภาคของเขมาดำที่มีการทำใหกระจายอนุภาคมีขนาดอยูในชวง 0.1-0.7 ไมครอน เมื่อนำอนุภาคทั้งสามชนิดไปผสมกับสารละลาย PVA แลวนำไป

304วัดคาการนำไฟฟาไดผลดังรูปที่ 3KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3)นำไฟฟาที่สูงขึ้นตามปริมาณ CNTs ที่เพิ่มขึ้น คาการนำไฟฟาของสารละลายอยูในชวง 1.8 – 2.1 mS/cm 2 นอกจากนี้ยังพบวาสารละลายที่เติม SDCB มีคาความแปรปรวนของคาการนำไฟฟาที่ตำแหนงตางๆ ของสารละลายในขวดต่ำที่สุดซึ่งนาจะเปนเพราะการกระจายตัวของขนาดอนุภาคที่ดีขึ้นกวาเขมาดำเดิมเมื่อพิจารณาการตกตะกอนของตัวเติมในสารละลายPVA เมื่อตั้งทิ้งไว 24 ชั่วโมง ไดผลดังรูปที่ 4รูปที่ 2 แสดงวงจรอนุกรมเพื่อหาความตานทานของเสนใยขณะดูดซับไอระเหยไอโซโพรพิลแอลกอฮอลรูปที่ 3 แสดงคาการนำไฟฟาของสารละลายโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่มีการเติมอนุภาคผงเขมาดำ (CB) ผงเขมาดำที่มีการทำใหกระจายตัว (SDCB) และทอนาโนคารบอน(CNTs) ในสัดสวนตางๆ กันจากรูปที่ 3 พบวาสารละลายที่มีการเติม SDCB มีคาการนำไฟฟาของสารละลายสูงกวาสารละลายที่เติม CB เล็กนอย และการเพิ่มปริมาณการเติม SDCB หรือ CB ในสารละลายจากปริมาณ 2%-10% คาการนำไฟฟาของสารละลายยังคงใกลเคียงกัน และไมแตกตางจากสารละลายโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่ไมมีการเติมอนุภาคใดๆ โดยทั้งสารละลายที่มีการเติมอนุภาค SDCB และ CB มีคาการนำไฟฟาเฉลี่ยอยูที่ประมาณ 1.5 mS/cm 2 ซึ่งสอดคลองกับผลการทดลองของ Chuangchote และคณะ [5] ที่พบวาการเติมอนุภาคผงเขมาดำไมมีผลตอคาการนำไฟฟาของสารละลายในขณะที่สารละลายที่มีการเติม CNTs มีแนวโนมของคาการรูปที่ 4 ภาพจากกลองจุลทรรศนแบบใชแสงแสดงความเปนเนื้อเดียวกันของสารละลาย PVAที่มีการเติมอนุภาค CB,SDCB และ CNTs ในสัดสวนตางๆ กันจากรูปที่ 4 พบวาสารละลายโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่มีการเติม CB มีความเขมของสีดำที่ไมสม่ำเสมอในแตระดับความลึกของสารละลายในขวด โดยที่ระดับความลึกจากปากขวด 10 เซนติเมตร มีความเขมของสีดำมากที่สุดและจางลงที่ระดับความลึกที่ 6 เซนติเมตรและ 1 เซนติเมตรตามลำดับแสดงถึงอนุภาคของ CB มีการตกตะกอนแยกชั้นระหวางอนุภาคและสารละลายสารละลาย PVA ที่เติมอนุภาค SDCB มีการกระจายตัวของอนุภาค SDCB ที่คอนขางสม่ำเสมอในสารแขวนลอยเมื่อพิจารณาจากความเขมของสีดำที่ใกลเคียงกันในแตละระดับความลึก ซึ่งแสดงใหเห็นวาอนุภาค SDCB สามารถคงสภาพการกระจายตัวในสารแขวนลอยไดคอนขางสม่ำเสมอ

KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3) 305สารละลาย PVA ที่เติม CNTs มีความแตกตางของความเขมของสีดำในแตละระดับความลึกของสารละลายอยางชัดเจน ที่ระดับความลึก 1 และ 6 เซนติเมตร พบวาสารละลายมีสีใสใกลเคียงกับสารละลาย PVA ที่ไมมีการเติมอนุภาค CNTs เลย นั่นแสดงวาอนุภาค CNTs มีการตกตะกอน และไมสามารถคงสภาพการกระจายตัวในแขวนลอยไดเปนเวลานานรูปที่ 5 ภาพจากกลองจุลทรรศนแบบใชแสงแสดงการกระจายตัวของอนุภาค CB, SDCB และ CNTs ในสารละลายโพลิไวนิลแอลกอฮอลรูปที่ 6 อัตราการสปนเปนเสนใยของสารละลาย PVA ที่มีการเติมอนุภาค CB SDCB และ CNTsการเกาะกลุมของอนุภาคมีความสัมพันธกับการกระจายตัวของอนุภาคในสารแขวนลอย และความแปรปรวนของคาการนำไฟฟาของสารละลาย สารละลายที่มีการเกาะกลุมเปนกอนขนาดใหญ ดังที่เห็นในรูปที่ 5 อนุภาค CNTsพบวามีการตกตะกอนแยกชั้นของอนุภาคและสารละลายเกิดขึ้น เนื่องจากอนุภาคมีน้ำหนักมากจึงจมลงกนขวด สงผลใหความแปรปรวนของคาการนำไฟฟาของสารละลายที่แตละตำแหนงของสารละลายในขวดมากขึ้น ในขณะที่สารละลายที่เติมอนุภาค SDCB พบวามีการตกตะกอนแยกชั้นของอนุภาค และความแปรปรวนของคาการนำไฟฟานอยที่สุด อันเปนผลมาจากการที่อนุภาคมีการเกาะกลุมกันนอยที่สุด เนื่องจากที่ผิวของอนุภาคมีหมูฟงกชัน –COO- [7] ซึ่งเปนประจุลบ ทำใหเกิดการผลักกันของอนุภาคดวยแรงคูลอมบ สงผลใหอนุภาคเกิดการเกาะกลุมกันนอย และสามารถรักษาสภาพการกระจายตัวในสารแขวนลอยไดดีจากการทดสอบผลของการนำสารละลาย PVA ที่เติมอนุภาค CB, SDCB และ CNTs มาขึ้นรูปเปนเสนใยนาโนดวยเครื่องอิเล็กโตรสปนนิงเปนเวลา 20 นาที จากรูปที่ 6 พบวาสารละลาย PVA ที่เติมอนุภาค SDCB มีแนวโนมของน้ำหนักเสนใยโดยรวมมากกวาเสนใยที่ไดจากสารละลาย PVA ที่ไมเติมอนุภาคใดๆ สารละลาย PVA ที่เติม CB รวมถึง สารละลาย PVA ที่เติม CNTs โดยน้ำหนักของเสนใยมีแนวโนมเพิ่มขึ้นตามสัดสวนการเติมอนุภาค SDCB ที ่มากขึ้น อาจเนื่องจากอนุภาคของ SDCB มีขนาดเล็กและอาจกระจายตัวไดดีในสารละลาย PVA จึงสามารถออกมาพรอมกับเสนใยไดมากกวาอนุภาค CB และ CNTs เมื่อพิจารณาการเติม CNTsซึ่งแมเติมในปริมาณเล็กนอยก็ยังสงผลใหอัตราการสปนเสนใยต่ำลงมาก ซึ่งเปนไปไดวาอนุภาค CNTs ทำใหสารละลายมีคาการนำไฟฟาสูงขึ้นมาก จนไมสามารถเกิดการสะสมของประจุในหยดสารละลายที่จำเปนตอการเกิดเสนใยภายใตสภาวะที่ทำการทดลองนี้อยางไรก็ตามการทดสอบการตกตะกอนและการพิจารณาอัตราการสปนเปนเสนใยนี้เปนเพียงการทดลองเชิงคุณภาพ การยืนยันการกระจายตัวและความเสถียรในสารละลายจำเปนตองทดสอบดวยวิธีอื่นตอไปเชน การวัดคา zetapotential ของอนุภาค การวัดคาความเสถียรเชิงกล เปนตนเมื่อนำเสนใยที่ไดไปตรวจดวย SEM พบรูปรางของเสนใยเปนดังรูปที่ 7 ซึ่งพบวามีอนุภาคบนเสนใยโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่เติมอนุภาค SDCB มากที่สุด ดังรูปที่ 7 (b) เนื่องจากอนุภาค SDCB มีขนาดเล็กจึงสามารถสปนออกมาพรอมกับเสนใยไดในขณะที่อนุภาคของ CB และ CNTs มีขนาดใหญกวาจึงสปนออกออกมาพรอมเสนใยไดยาก ทำใหอนุภาคปรากฏในเสนใยนอยดังรูปที่ 7 (a) และ 7 (c)เมื่อศึกษาคาความตานทานไฟฟาของแผนเสนใยนาโนในขณะที่ดูดจับไอโซโพรพิลแอลกอฮอลพบวา คาความตานทานจะลดลงเมื่อดักจับแกสไดมากขึ้นเมื่อเวลาผานไปและจะลดลงอยางรวดเร็วที่เวลาหนึ่ง ณ จุดนั้นเรียกวาจุดpercolation หรือ percolation threshold ซึ่งเปนจุดที่การนำไฟฟาเกิดขึ้นไดทั่วถึงในมิติหนึ่งหรือทั่วทั้งแผน พฤติกรรมดังกลาวแสดงใหเห็นในรูปที่ 8, 9 และ 10 สำหรับ CB, SDCBและ CNTs ตามลำดับ การทำใหเกิดการเชื่อมของตำแหนงที่นำไฟฟาไดในโครงสรางแผนเสนใยนั้น สามารถทำไดโดย

306การเติมสารที่นำไฟฟาไดดีขึ้นในปริมาณที่มากขึ้น จึงเปนการเพิ่มความนาจะเปนในการเชื่อมโยงจากจุดที่ขั้วไฟฟาทั้งสองขั้วสัมผัสกับเสนใย ซึ่งทำใหมีความวองไวในการตรวจจับดีขึ้นอยางไรก็ตามมีความเปนไปไดที่บางตำแหนงในโครงสรางแผนเสนใยจะพบการกระจายตัวของอนุภาคที่แตกตางกันหากมีการเกาะกลุมกระจายตัวกันไมดี หรือปริมาณสารตัวเติมเบาบาง จะสงผลตอคาความตานทางของเสนใยรวมที่จะมากขึ้นรูปที่ 7 ภาพจากกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองกราด ที่กำลังขยาย 15,000 เทา แสดงอนุภาค (a) CB (b) SDCB(c) CNTs ที่ปรากฏบนเสนใย PVAในรูปที่ 8, 9 และ 10 เมื่อเปรียบเทียบระหวางเสนใยของ PVA และเสนใย PVA ที่เติมสารตัวเติมพบวาเสนใยนำไฟฟาไดดีขึ้น เนื่องจากเสนใยมีชองวางที่มีรูพรุนจำนวนมากทำใหการนำไฟฟาเกิดขึ้นไดยาก การเติมสารนำไฟฟาไดดี อยางผงเขมาดำหรือ CNTs จะชวยทำใหเสนใยนำไฟฟาไดดียิ่งขึ้นKKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3)หากพิจารณาการนำไฟฟาของเสนใย PVA ที่เติม CBในรูปที่ 8 จะพบวาที่สัดสวนการเติมอนุภาค CB เพิ่มมากขึ้นมีแนวโนมที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงความตานทานไฟฟาแบบฉับพลันไดไวขึ้น อยางไรผลการทดลองของเสนใยที่เติม 4%CB และ 6% CB แสดงคาความตานทานไฟฟาที่สูงขึ้นมากแทนที่จะต่ำลง นาจะเปนเพราะวาการควบคุมปริมาณของสารตัวเติมใหออกมาในสัดสวนที่สอดคลองกับปริมาณที่เตรียมในสารละลาย PVA ทำไดยาก ซึ่งอาจเปนเพราะการกระจายตัวของขนาดตางๆ ของอนุภาคในสารละลายและความเสถียรของกลุมอนุภาคในสารละลาย ดังสังเกตไดจากสีของแผนเสนใยที่มีความเขมของสีดำออนกวา และในบางแผนมีสีไมสม่ำเสมอทั่วทั้งแผนจากรูปที่ 9 พบวาเสนใย PVA ที่มีการเติมอนุภาคSDCB เกิดการเปลี่ยนแปลงความตานทานไฟฟาแบบฉับพลันที่มีแนวโนมที่จะเกิดไดเร็วขึ้นสัมพันธกับสัดสวนการเติมอนุภาค SDCB ที่เพิ่มมากขึ้น และชาลงเล็กนอยที่อัตราการเติม SDCB ที่ 10% อาจเปนเพราะการกระจายตัวที่แยลงนอกจากนี้ยังพบตัวอยางที่มีคาความตานทานสูงมากขึ้นดวยในรูป 9(e) ที่มีคาความตานทานสูงกวา 9(d) นาจะเปนเพราะการกระจายตัวของ SDCB ในเสนใยนี้ไมสม่ำเสมอดีพอจากรูปที่ 10 แสดงการเปลี่ยนแปลงความตานทานของเสนใย PVA ที่เติมอนุภาคของ CNTs พบวามีการเปลี่ยนแปลงความตานทานไฟฟาแบบฉับพลันขึ้นในชวงที่แคบกวาและการเปลี่ยนแปลงความตานทานไฟฟาไมมีความสัมพันธกับสัดสวนการเติม CNTs ที่เพิ่มมากขึ้นแตอยางใด อาจจะเปนเพราะปริมาณของ CNTs ในเสนใยไมสอดคลองกับการเติมในสารละลาย PVA ถึงแมจะมีการเติม CNTs ในสารละลายที่มากขึ้นก็อาจจะไมสามารถสปน CNTs ออกมาไดมากขึ้นซึ่งนาจะเกิดขึ้นเมื่อปริมาณของ CNTs สูงจนทำใหเกิดการเกาะกลุมกันในสารละลาย PVA ดังเชนที่เห็นในรูป10(e) และ 10(f) ที่เสนใยมีความตานทานสูงขึ้นกวา 10(d)เมื่อพิจารณาเปรียบเทียบรูปที่ 8, 9 และ 10 จะเห็นวาความตานของเสนใยมีแนวโนมลดลงตามเปอรเซ็นตของสารตัวเติม แตการควบคุมปริมาณสารตัวเติมในเสนใยใหออกมาในปริมาณที่สอดคลองกับการเตรียมตัวอยางสารละลายนั้นทำไดยาก ดังจะเห็นจากตัวอยางของ CNTs ซึ่งควรจะใหคาความตานทานที่ลดต่ำลงอยางมาก แตกลับมีความตานทานในระดับเดียวกับ SDBC เนื่องจากอนุภาคทอนาโนเกิดการจับตัวกันเปนกอนขนาดใหญไดงายทำใหเกิด

KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3) 307การตกตะกอน และอาจเกิดจากผลของประจุที่มากเกินไป สงผลใหเมื่อนำสารละลายมาขึ้นรูปเปนเสนใยพบวามีอนุภาคทอนาโนคารบอนบนเสนใยนอยและเมื่อเปรียบเทียบระหวาง SDCB กับ CB จะเห็นวาผลของ SDCB เปนไปตามแนวโนมมากกวาผลของ CB นาจะเนื่องมาจากการปรับปรุงการกระจายตัวของอนุภาคผงเขมาดำดวยการแชในกรดไนตริกทำใหอนุภาคเกาะกลุมเปนกอนนอยลง อนุภาคสามารถกระจายตัวและคงสภาพการกระจายตัวที่สม่ำเสมออยูไดในสารละลายไดดีโดยมีการตกตะกอนนอย การเกาะกลุมของอนุภาคมีผลตอความแปรปรวนของสมบัติของคาการนำไฟฟาของสารละลาย ความตานทานของเสนใย และระยะเวลาการเกิดการเปลี่ยนแปลงความตานทานแบบฉับพลันขณะดูดซับไอระเหยของไอโซโพรพิลแอลกอฮอลรูปที่ 8 แสดงความตานทานไฟฟาขณะดูดซับไอระเหย IPA ของเสนใย PVA ที่มีการเติมอนุภาค CB ที่ (a) 0% (b) 2%(c) 4% (d) 6% (e) 8% (f) 10%รูปที่ 9 ความตานทานไฟฟาขณะดูดซับไอระเหย IPA ของเสนใย PVA ที่มีการเติมอนุภาค SDCB ที่ (a) 0% (b) 2% (c) 4%(d) 6% (e) 8% (f) 10%

308KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3)รูปที่ 10 ความตานทานไฟฟาขณะดูดซับไอระเหย IPA ของเสนใย PVA ที่มีการเติมอนุภาค CNTs ที่ (a) 0% (b) 2% (c) 4%(d) 6% (e) 8% (f) 10%4. สรุปผลการวิจัยงานวิจัยนี้พบวามีความเปนไปไดที่จะนำเสนใยโพลิไวนิลแอลกอฮอลมาใชในการสังเคราะหเปนวัสดุที่ใชเปนเซนเซอรดักจับไอระเหยอินทรียที่มีขั้ว การทดลองพบวาการเติมอนุภาคผงเขมาดำสามารถลดความตานทานของเสนใยโพลิไวนิลแอลกอฮอลที่มีความตานทานที่สูงมาก ทั้งยังชวยเพิ่มความไวในการดูดซับไอระเหยของไอโซโพรพิลแอลกอฮอลและเมื่อนำอนุภาคเขมาดำไปปรับปรุงผิวเพื่อใหมีการกระจายตัวที่ดีขึ้น สงผลใหความวองไวในการดักจับไอระเหยรวดเร็วขึ้น และสามารถควบคุมคุณภาพเสนใยในการนำไฟฟาเมื่อเติมอนุภาคปริมาณมากขึ้นไดดีขึ้นกวาเดิมสำหรับอนุภาคทอนาโนคารบอนนั้นพบวา เกิดการเกาะกลุมของอนุภาคไดงาย และเมื่อสังเกตดวยตาพบวาปริมาณอนุภาคออกมากับเสนใยนอย และไมแปรผันไปตามปริมาณที่เตรียมในสารละลาย จึงเห็นไดวาจำเปนตองศึกษาตอไปในอนาคตเพื่อหาหนทางควบคุมปริมาณสารตัวเติมใหออกมาในเสนใย5. กิตติกรรมประกาศขอขอบคุณภาควิชาวิศวกรรมเคมี สาขาเทคโนโลยีการจัดการพลังงานและสิ่งแวดลอม มหาวิทยาลัยธรรมศาสตรสำหรับวัสดุและอุปกรณตางๆ และคณะกรรมการวิจัย แหงชาติปงบประมาณ 2554 สำหรับทุนวิจัยที่ใชในงานวิจัยนี้6. เอกสารอางอิง[1] Koski A, Yim K, Shivkumer S. Effect of molecularweight on fibrous PVA produced by electrospinning.Mater. Lett. 2004; 58(3-4): 493-497.[2] Dong XM, Fu RW, Zhang MQ, Zhang B, Rong MZ.Electrical resistance response of carbon blackfilled amorphous polymer composite sensors toorganic vapors at low vapor concentrations.Carbon. 2004; 42(12-13): 2551-2559.[3] Frenot A, Chronakis IS. Polymer nanofibersassembled by electrospinning. Curr. Opin. ColloidInterface Sci. 2003; 8(1): 64-75.[4] Zhang B, Fu R, Zhang M, Dong X, Wang L, PittmanCUJ. Gas sensitive vapor grown carbonnanofiber/polystyrene sensors. Mater. Res. Bull.2006; 41(3): 553-562.[5] Chuangchote S, Sirivat A, Supaphol P.Mechanical and Electro-Rheological Propertiesof Electrospun Poly (vinyl alcohol) Nanofiber MatsFilled with Carbon Black Nanoparticles.Nanotechnology.2007; 18(14): 145705-145712.

KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2012; 39(3) 309[6] Schiffman JD, Blackford AC, Wegst UGK,Schauer CL. Carbon black immobilized inelectrospun chitosan membranes. Carbohydr.Polym. 2011; 84(4): 1252-1257.[7] Li D., Sun G. Coloration of textiles with selfdispersiblecarbon black nanoparticles. Dyesand Pigments. 2007; 72(2): 144-149.[8] Material Safety Data Sheet. Chemical Data Bank.Pollution Control Department. Ministry of NaturalResources and Environment, Thailand CAS No.67-63-0 UN/ID, NO. 1219 (in Thai)