โครงการวิจัยย่อยที่ 3

ความสำคัญ และที่มาของปัญหาที่ทำการวิจัย และการทบทวนเอกสารที่เกี่ยวข้อง (Reviewed literature)

ปัจจุบันป่าไม้ในประเทศไทยมีจำนวนลดน้อยลงอย่างรวดเร็ว แต่ความต้องการในการใช้ไม้กลับเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากจำนวนประชากรของประเทศที่เพิ่มขึ้นและความต้องการบริโภคผลิตภัณฑ์ไม้ที่เพิ่มขึ้น ทำให้ปริมาณไม้ที่มีอยู่ในประเทศไม่เพียงพอต่อความต้องการ ก่อให้เกิดปัญหาตัดไม้ทำลายป่า ปัญหาการแย่งชิงทรัพยากรไม้และผลผลิตจากป่าไม้ระหว่างประชาชนและเจ้าหน้าที่ของรัฐผู้ปกป้องป่าไม้ และปัญหาอื่น ๆ ที่เป็นสาเหตุจากการตัดต้นไม้ทำลายป่า เช่น ปัญหาการขาดแคลนน้ำ ฝนไม่ตกตามฤดูกาล ปัญหาน้ำท่วม ฯลฯ
วิธีการแก้ปัญหาที่กล่าวมาวิธีหนึ่งคือ การผลิตไม้เทียม (Artificial woods) จากวัสดุอื่นเพื่อใช้ทดแทนไม้ ช่วยลดปัญหาที่เกิดจากไม้ในด้านต่างๆ เช่น ปริมาณไม้ไม่เพียงพอต่อความต้องการ และลดปัญหาการตัดไม้ทำลายป่า "ไม้เทียม" คือวัสดุใด ๆ ที่มีลักษณะภายนอกเหมือนหรือคล้ายวัสดุไม้ ไม้เทียมที่ดีควรมีสมบัติคล้ายวัสดุไม้ เช่นน้ำหนักเบา สามารถตอกด้วยตะปู ตัดด้วยเลื่อย ฯลฯ สามารถใช้วัสดุไม้เทียมประกอบสร้างเป็นผลิตภัณฑ์ไม้ได้ วัสดุหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เป็นไม้เทียมได้แก่ "พอลิเมอร์คอมโพสิต" (Polymer composites) .ซึ่งเป็นวัสดุประกอบจากวัสดุสองชนิดคือ พอลิเมอร์เมตริกซ์ (Polymer matrix) และเส้นใยเสริมแรง (Fibers) พอลิเมอร์คอมโพสิตมีข้อดีหลายประการคือ

1. น้ำหนักเบา ความหนาแน่นต่ำ
   
2. มีความแข็งแรง และค่ามอดุลัสต่อน้ำหนักสูง
   
3. ขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ได้ง่าย จากขบวนการขึ้นรูปพอลิเมอร์เช่น การอัดรีด (Extrusion) การฉีดขึ้นรูป (Injection molding) ฯลฯ
   
4. มีอายุการใช้งานยาวนาน ไม่ผุกร่อนง่าย และไม่ถูกทำลายโดยแมลงเช่น มอด ปลวก ฯลฯ
   
5. มีสมบัติทางกายภาพและสมบัติเชิงกลที่ดี ดูดซึมน้ำได้ต่ำกว่าไม้
   

พอลิเมอร์จัดเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย และมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของมนุษย์ ปัจจุบันยังคงมีการพัฒนาปรับปรุงสมบัติพอลิเมอร์อยู่เสมอ เพื่อให้มีคุณภาพและสมบัติดียิ่งขึ้น และต้นทุนการผลิตต่ำ แนวทางหนึ่งในการปรับปรุงสมบัติของพอลิเมอร์ และลดต้นทุนการผลิต คือการทำพอลิเมอร์คอมโพสิต ซึ่งในปัจจุบันพอลิเมอร์คอมโพสิตได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้งานต่าง ๆ มากมายเช่นอุตสาหกรรมก่อสร้าง เฟอร์นิเจอร์ ชิ้นส่วนเครื่องใช้ไฟฟ้า อุปกรณ์รถยนต์ และบรรจุภัณฑ์ต่างๆ เป็นต้น พอลิเมอร์เมตริกซ์ที่ใช้เป็นวัสดุคอมโพสิตอาจเป็นได้ทั้งเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics) และเทอร์โมเซต (Thermosets) เช่นพอลิเอสเทอร์ชนิดไม่อิ่มตัว (Unsaturated polyester) อิพอกซี (Epoxy) ฯลฯ เส้นใยเสริมแรงที่นิยมใช้ได้แก่เส้นใยสังเคราะห์เช่น เส้นใยแก้ว (Glass fibers) เส้นใยคาร์บอน (Carbon fibers) เส้นใยเคฟล่าร์ (Kevlar fibers) ฯลฯ

ปัจจุบันได้มีความสนใจในการประยุกต์ใช้เส้นใยธรรมชาติ (Natural fibers) มาใช้ประโยชน์เป็นเส้นใยเสริมแรงในวัสดุคอมโพสิต เนื่องจากเส้นใยสังเคราะห์มีราคาแพง ประเทศไทยมีเส้นใยธรรมชาติมากมาย บางชนิดเป็นเศษเหลือทิ้งจากภาคเกษตรกรรมและอุตสาหกรรม เช่นเส้นใยอ้อยจากอุตสาหกรรมน้ำตาล เส้นใยมะพร้าวจากอุตสาหกรรมกะทิ ขี้เลื่อยจากอุตสาหกรรมเฟอร์นิเจอร์ ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับไม้อื่น ๆ เช่นอุตสาหกรรมกระดาษ อุตสาหกรรมการเกษตร ฯลฯ เส้นใยธรรมชาติมีข้อดีหลายประการดังนี้

1. หาง่าย เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ มีใช้ไม่หมดสิ้น และมีให้เลือกมากมายหลายชนิด
   
2. เส้นใยบางชนิดเป็นของเหลือทิ้ง หรือเป็นวัชพืช มีราคาถูก ทำให้สามารถใช้ลดต้นทุนการผลิต
   
3. เส้นใยมีสมบัติเชิงกลดี บางชนิดมีความแข็งแรงและมอดุลัสสูง
   
4. ความหนาแน่นต่ำ ทำให้มีน้ำหนักเบา
   
5. สามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ ไม่เป็นปัญหาในการกำจัด
   
6. ช่วยกำจัดและลดกากของเสียจากเกษตรกรรมและอุตสาหกรรม
   

ปัจจุบันได้มีงานวิจัยที่พยายามที่จะนำเส้นใยธรรมชาติต่าง ๆ มาใช้ประโยชน์ เช่น เส้นใยอ้อย เส้นใยมะพร้าว เส้นใยไผ่ ป่านศรนารายณ์ ฯลฯ อย่างไรก็ดีการใช้ประโยชน์ของเส้นใยธรรมชาติในปัจจุบันยังไม่ประสบความสำเร็จในเชิงอุตสาหกรรมเท่าที่ควร ทั้งนี้เนื่องจากเส้นใยธรรมชาติมีข้อจำกัดบางประการที่ต้องการการปรับปรุงคือ

• เส้นใยธรรมชาติมีความสามารถในการยึดเกาะกับพอลิเมอร์เมตริกซ์ต่ำ เป็นสาเหตุให้สมบัติบางประการต่ำ เช่นสมบัติเชิงกล
  
• เส้นใยธรรมชาติดูดซับน้ำสูงกว่าเส้นใยสังเคราะห์ ทำให้คอมโพสิตเส้นใยธรรมชาติดูดซับน้ำสูงกว่าคอมโพสิตเส้นใยสังเคราะห์และพอลิเมอร์
  
• เส้นใยธรรมชาติขาดความสม่ำเสมอของเส้นใย
  

งานวิจัยนี้เสนอที่จะศึกษาการเตรียมวัสดุคอมโพสิตจากพอลิเมอร์และเส้นใยแฝก เพื่อใช้งานเป็นวัสดุไม้เทียมและวัสดุขึ้นรูปแบบพลาสติก โดยเน้นที่งานวิจัยที่การเตรียมวัสดุคอมโพสิตที่มีสมบัติที่ดี เช่นสมบัติทางกายภาพ (Physical properties) สมบัติเชิงกล (Mechanical properties) สมบัติทางความร้อน (Thermal properties) ฯลฯ โดยจะทำการขึ้นรูปด้วยเทคนิคการอัดรีด (Extrusion) ให้สามารถประยุกต์ใช้งานไม้เทียมในรูปวัสดุเฟอร์นิเจอร์ เช่นไม้ปาร์เก้ แผ่นไม้กรอบหน้าต่าง ประตู หรือวัสดุฝ้าเพดาน ฯลฯ ทั้งนี้เสนอที่จะใช้ "พอลิไวนิคลอไรด์" หรือพีวีซี (Poly(vinyl chloride), PVC) และ พอลิโพรพิลีน (Polypropylene,PP) หรือ พอลิเอทธิลีน (Polyethylene,PE) เป็นพอลิเมอร์เมตริกซ์

ข้อดีของการใช้พีวีซีเป็นพอลิเมอร์ มีดังนี้

• พีวีซีมีน้ำหนักเบา ความหนาแน่นต่ำ
  
• มีสมบัติเชิงกลดี ความแข็งแรงสูง
  
• พีวีซีมีความสามารถในการดับไฟด้วยตัวเอง (Self-extinguish)
  
• เป็นพอลิเมอร์ที่มีขั้ว (จากคลอรีนอะตอมในโครงสร้าง) จึงมีความสามารถในการเข้ากันได้และยึดเกาะดีกับเส้นใยธรรมชาติที่มีขั้ว เนื่องจากมีเซลลูโลสเป็นองค์ประกอบหลัก
  
• พีวีซีเป็นเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) สามารถขึ้นรูปได้ง่ายด้วยเทคนิคการขึ้นรูปพลาสติกทั่วไปเช่น การอัดรีด (Extrusion) การฉีดขึ้นรูป (Injection molding) ฯลฯ และสามารถหลอมเหลวขึ้นรูปใหม่ได้หลายครั้ง ไม่มีปัญหาการกำจัดเศษเหลือในขบวนการผลิต (Scrap) และการนำกลับมาใช้ใหม่ (Recycle)
  
• พีวีซีมีสมบัติหลากหลาย สามารถปรับความแข็ง-อ่อนได้ง่าย โดยการใช้สารเติมแต่งจำพวก พลาสติไซเซอร์ (Plasticizers)
  
• เป็นพอลิเมอร์ที่รู้จักดี นิยมใช้งานแพร่หลาย มีราคาถูก ต้นทุนการผลิตต่ำ และนิยมขึ้นรูปด้วยเทคนิคอัดรีดเช่น แผ่นพีวีซี ท่อ ฯลฯ

รูปที่ 1 แสดงความแตกต่างระหว่างไม้กับพอลิเมอร์คอมโพสิตที่ใช้เป็นไม้เทียม

รูปที่ 2 ตัวอย่างพอลิเมอร์คอมโพสิตที่ใช้เส้นใยธรรมชาติเป็นส่วนเสริมแรง

วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัย

1. ศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อการเตรียมพอลิเมอร์คอมโพสิตจากหญ้าแฝก
   
2. ศึกษาสมบัติต่าง ๆ ของพอลิเมอร์คอมโพสิตไม้เทียมจากหญ้าแฝกที่เตรียมได้ เช่นสมบัติเชิงกล สมบัติทางกายภาพ สมบัติทางความร้อน และสัณฐานวิทยา
   
3. ศึกษาสภาวะในการขึ้นรูปที่เหมาะสมของพอลิเมอร์คอมโพสิต ทำให้ได้ไม้เทียมและผลิตภัณฑ์พลาสติกเสริมแรง ที่สามารถใช้งานได้

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับจากการวิจัย

1. สามารถผลิตไม้เทียมจากพอลิเมอร์และหญ้าแฝกเพื่อทดแทนไม้จากธรรมชาติได้ ทดแทนวัสดุคอมโพสิตเส้นใยสังเคราะห์ซึ่งต้องนำเข้าจากต่างประเทศ
   
2. สามารถเตรียมคอมโพสิตไม้เทียมที่มีสมบัติที่ดี สามารถประยุกต์ใช้งานเป็นไม้เทียมได้ เช่นวัสดุเฟอร์นิเจอร์ ไม้ปาร์เก้ แผ่นไม้กรอบหน้าต่าง ประตู หรือวัสดุฝ้าเพดาน ฯลฯ
   
3. เป็นบริการความรู้แก่ภาคธุรกิจ สามารถนำผลงานวิจัยไปใช้และนำไปสู่การผลิตในเชิงพาณิชย์
   
4. สามารถใช้ความรู้ที่ได้เป็นพื้นฐานความรู้การวิจัย ในการประยุกต์ใช้กับพอลิเมอร์คอมโพสิตจากเส้นใยธรรมชาติชนิดอื่นได้
   
5. สามารถเพิ่มประโยชน์การใช้สอยจากหญ้าแฝก และส่งเสริมให้เกิดอุตสาหกรรมพอลิเมอร์คอมโพสิตจากเส้นใยธรรมชาติในประเทศได้
   

ขอบเขตของการวิจัย

1. ศึกษาและทบทวนงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
   
2. เก็บข้อมูลและเก็บเกี่ยวหญ้าแฝกจากพื้นที่เพาะปลูก
   
3. ศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการแยกเยื่อหรือเส้นใยหญ้าแฝก
   
4. ศึกษาวิธีและสภาวะการขึ้นรูปที่เหมาะสมในการผสมและขึ้นรูปพอลิเมอร์ผสมเส้นใยหญ้าแฝกและผงหญ้าแฝก
   
5. ศึกษาสมบัติที่สำคัญต่าง ๆ ของพอลิเมอร์คอมโพสิตจากเส้นใยธรรมชาติที่เตรียมได้ เช่น สมบัติทางกายภาพ (Physical properties) สมบัติเชิงกล (Mechanical properties) สมบัติทางความร้อน (Thermal properties) และสัณฐานวิทยา (Morphology)
   
6. ศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อสมบัติของพอลิเมอร์ผสมหญ้าแฝก เช่น วิธีการขึ้นรูป ผลของปริมาณเส้นใยที่ใช้ ผลของการใช้สารเติมแต่งต่าง ๆ ฯลฯ โดยเสนอที่จะศึกษาในแนวเปรียบเทียบ
   
7. ทดลองขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ไม้เทียมจากคอมโพสิตเส้นใยหญ้าแฝกเพื่อใช้งานจริง
   
8. ศึกษาผลของการรีไซเคิลที่มีต่อสมบัติต่าง ๆ ของพอลิเมอร์ผสมเส้นใยและผงหญ้าแฝก
   
9. นำส่งโครงการศึกษาความทนทานของผลิตภัณฑ์กับปลวกใต้ดิน
   
10. ประเมินความเป็นไปได้เชิงเศรษฐกิจของผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาขึ้น

งานอุตสาหกรรมวัสดุทดแทนไม้และกาวติดไม้ กลุ่มงานพัฒนาอุตสาหกรรมไม้
สำนักวิจัยและพัฒนาการป่าไม้ กรมป่าไม้ โทร 0-2561-4292-3 ต่อ 5471
โทรสาร 0-2940-6285 e-mail : woratham@forest.go.th