การศึกษาสภาวะและอัตราส่วนที่เหมาะสมในการพัฒนาวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส เพื่อการประยุกต์ใช้งานเป็นแผ่นซับสเตรทสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
ลีณา ศรีจันทร์ดร, กันตา สมสุข, ฮุสนา บินต่วน
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
สุวิตา แก้วสด
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
บทนำ
โครงงานเรื่อง การศึกษาสภาวะและอัตราส่วนที่เหมาะสมในการพัฒนาวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส เพื่อการประยุกต์ใช้งานเป็นแผ่นซับสเตรทสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์
ในปัจจุบันอุตสาหกรรมอีเล็กเทอร์นิคมีความต้องการของมนุษย์เป็นอย่างมาก บทบาทของอิเล็กเทอร์นิคมีเป้าหมายคือ การออกแบบให้มีขนาดเล็กลง สะดวกต่อการพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือ นาฬิกา แท็บเลต โน็ตบุ๊ก ซึ่งอุตสาหกรรมเหล่านี้มักนิยมใช้กระจกที่มี ความใสเป็นแผ่นซับสเตรท เนื่องจากว่าวัสดุดังกล่าวนั้น มีความเรียบบนพื้นผิว สูง จึงมีอายุการใช้งานต่ำ แตกหักง่าย ยากต่อการผลิต มีราคาต้นทุนการผลิตสูง ไม่สะดวกต่อการพกพา จึงได้นำพอลิเมอร์ที่มีความใสเข้ามาแทนที่ เพื่อลดข้อจำกัดในบางประการของกระจก แต่ก็มีข้อจำกัด คือ สามารถเกิดรอยขีด ข่วนลงบนผิวของชิ้นงานได้ และนอกจากนี้เมื่อมีการประยุกต์ใช้งานของแผ่นซับสเตรทไปนานๆ แล้ว มักจะเกิดการขยายตัวของวัสดุเมื่อได้รับความร้อนสูง ส่งผลให้อายุการใช้งานของแผ่นซับสเตรทที่ เตรียมจากพอลิเมอร์นั้น มีอายุการใช้งานที่สั้นลง
การเลือกใช้วัสดุที่เป็นพอลิเมอร์ได้รับความนิยมและได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาลเป็นอย่างมากเพราะเป็นพลาสติกชีวภาพที่ย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ เข้ามาแทนที่ในกระบวนการการผลิตเดิม ผู้วิจัยจึงมีแนวคิดที่จะศึกษาพอลิเมอร์จากแบคทีเรียเซลลูโลสที่มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาติเป็นสารประกอบโพลิแซคคาไรด์ที่มีความบริสุทธิ์ปราศจากสารเจือปนผสมด้วยน้ำหมักตะโกนาซึ่งเป็นส่วนที่ช่วยจับโครงสร้างเซลลูโลสที่แบคทีเรียสร้างขึ้นส่งผลทำให้มีสมบัติทางกล ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและความร้อนที่ดี
โดยเหตุนี้ผู้จัดทำจึงนำแบคที่เรียเซลลูโลสมาเป็นทางเลือกหนึ่งงสำหรับเมทริกซ์ ไปขึ้นรูปเข้ากับพอลิ เมอร์นำไฟฟ้า และ น้ำตะโก เป็นวัสดุเชิงประกอบ อีกทั้งยังมีการศึกษาถึงสมบัติ ทางกายภาพและทางเคมีที่เกี่ยวข้อง โดยพิจารณาถึงความเข้ากันได้ของแบคทีเรียเซลลูโลสกับ พอลิเมอร์นำไฟฟ้า และ น้ำตะโก เพื่อจะนำมาประยุกต์ใช้เป็นแผ่นซับสเตรทของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ปัญหา (Problem or Question being addressed)
1.อุณภูมิที่ต่างกันในการสกัดแบคทีเรียเซลลูโลสที่นำไปประยุกต์ใช้เป็นแผ่นซับสเตรทมีคุณสมบัติที่ต่างกันอย่างไร
2.การขึ้นรูปของวัสดุเชิงประกอบระหว่างแบคทีเรียเซลลูโลส กับ พอลิเมอร์นำไฟฟ้า และ น้ำตะโก มีลัษณะแตกต่างกันอย่างไร
วัตถุประสงค์ของการศึกษา
1.เพื่อศึกษาอุณภูมิที่ต่างกันในการสกัดแบคทีเรียเซลลูโลสที่นำไปประยุกต์ใช้เป็นแผ่นซับ สเตรท
เพื่อศึกษาการขึ้นรูปของวัสดุเชิงประกอบระหว่างแบคทีเรียเซลลูโลส ที่สกัดได้ จากวุ้นมะพร้าว กับพอลิเมอร์นำไฟฟ้า
สมมติฐาน
1.อุณภูมิที่ต่างกันในการสกัดแบคทีเรียเซลลูโลสที่นำไปประยุกต์ใช้เป็นแผ่นซับสเตรทมีคุณสมบัติที่ต่างกัน
2.อัตราส่วนนระหว่างแบคทีเรียเซลลูโลสกับสารละลายพอลิอะนีลีนและน้ำตะโก ในอัตราส่วนที่ต่างกันที่มีผลต่อการขึ้นรูปของวัสดุเชิงประกอบ และคุณสมบัติได้ต่างกัน
กระบวนการ หรือ ขั้นตอนในการทำโครงงานอย่างละเอียด
การดลองที่ 1
1.แบคทีเรียเซลลูโลสสามารถเตรียมได้จากการหมัก Nata de coco ด้วยเชื้อแบคทีเรีย นำ Nata de coco jelly (วุ้นมะพร้าว) ที่ได้มาล้างด้วย deionized water (DI water) นำมาปั่นให้ ละเอียด และทำการกวนให้เข้ากันโดยใช้เครื่องกวน
2.เติมโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ใน อัตราส่วนสารละลายวุ้นมะพร้าว 100 มิลลิลิตร ใช้ NaOH 1 กรัม และให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 70,80 และ 90 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 20 นาที
3.หลังจากนั้นนำแบคทีเรียเซลลูโลสที่ได้มาล้างด้วย DI water จนได้ ค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) เป็นกลาง (pH≈7)
4.เมื่อเสร็จแล้วจะได้เป็นแบคทีเรียเซลลูโลสซัสเพนชัน จากนั้นทำการเก็บแบคทีเรียเซลลูโลสซัสเพนชันในตู้เย็นภายใต้อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส
การทดลองที่ 2 การเตรียมวัสดุเชิงประกอบระหว่างสารละลายแบคทีเรียเซลลูโลสและพอลิอะนีลีน และ น้ำตะโก
1.เตรียมอัตราส่วนระหว่างแบคทีเรียเซลลูโลสกับสารละลายพอลิอะนีลีนและน้ำตะโก ดังตารางต่อไปนี้
อัตราส่วนแบคทีเรียเซลลูโลส(BC) (กรัม)พอลิอะนีลิน(PANI)
(กรัม)น้ำตะโก
1:1111
1:3131
1:5151
1:101101
3:1311
5:1511
10:11011
เมื่อได้อัตราส่วนดังกล่าวทั้ง 7 อัตราส่วน จากนั้นนำแต่ละอัตราส่วนไปกรองโดยให้น้ำไหลผ่านตาม แรงโน้มถ่วง และนำไปทับเพื่อซับน้ำจนกว่าจะแห้ง จึงได้แผ่นวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส ทั้ง 7 แผ่น และนำไปทดสอบคุณสมบัติต่างๆ
การตรวจสอบสมบัติเบื้องต้นของวัสดุเชิงประกอบและการศึกษาถึงความ เป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้งานเป็นแผ่นซับสเตรทของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
การตรวจสอบสมบัติเบื้องต้นของวัสดุเชิงประกอบและการศึกษาถึงความ เป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้งานเป็นแผ่นซับสเตรทของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
1.ทดสอบสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรีย
1.1 ทดสอบสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส โดย วิเคราะห์จากค่าคงที่ไดอิเล็กทริก และการสูญเสียไดอิเล็กทริกของวัสดุเชิงประกอบ ด้วยเครื่องมือ Dielectric by Agilent E4294A
1.2 ตัดชิ้นงานตัวอย่างขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน ทดสอบที่ย่านความถี่ 102-106 Hz โดยทำการเช็ดทำความสะอาดแท่นวางสาร ตัวอย่าง
1.3 ใช้ครีมหนีบสารตัวอย่างลงบนแท่นวางโดยไม่ให้สารตัวอย่างสัมผัสกับนิ้วมือ และให้ ทุกส่วนของสารตัวอย่างสัมผัสกับขั้วอิเล็กโทรด เพื่อให้อ่านค่าความเก็บประจุของ สารตัวอย่างในแต่ละย่านความถี่ 102-106 Hz ผ่านจอรับสัญญาณดังภาพที่ 3.4 (ข) ซึ่งค่าความเก็บ ประจุดังกล่าวจะสามารถน าไปค านวณหาค่าคงที่ไดอิเล็กทริกได้จากสมการ
2.ทดสอบสมบัติทางความร้อนของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส
2.1 ทดสอบสมบัติทางความร้อนของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส โดยวิเคราะห์ที่น้าหนักของสารเมื่อเทียบกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป ด้วยเทคนิค Thermo Gravimetric Analysis (TGA) ซึ่งใช้เครื่องมือทดสอบรุ่น TA Instruments SDT 2960 Simultaneous DTA-TGA / DSC-TGA
2.2 เตรียมชิ้นงานขนาด 5x5 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน ทดสอบที่ช่วงอุณหภูมิห้องถึง 700 องศาเซลเซียส โดยตัวอย่างจะถูกวางบนจานขนาดเล็ก ซึ่งเชื่อมต่อกับเครื่องชั่งละเอียดที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงสูง โดยที่ทั้งหมดจะอยู่ในเตาที่ สามารถควบคุมอุณหภูมิและบรรยากาศได้ ซึ่งบรรยากาศภายในเป็นแก๊สไนโตรเจน โดยน้ำหนักของ ตัวอย่างที่เปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเฉพาะของสารแต่ละชนิด โดยน้ าหนักที่หายไปนั้นเกิดมา จากการระเหย การย่อยสลาย หรือการเกิดปฏิกิริยาต่างๆ
3.ทดสอบสมบัติเชิงกลของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส
3.1 ทดสอบสมบัติเชิงกลของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส โดย วิเคราะห์ที่ความทนแรงดึง มอดูลัส และร้อยละการยืดตัวของวัสดุเชิงประกอบ จากเครื่องทดสอบ Tensile stress ของยี่ห้อ Tinius Olsen รุ่น Materials testing Machine/Electromechanical H5KS
3.2 เตรียมชิ้นงานตัวอย่างขนาด 20x20 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน และใช้อัตราการดึง 5 มิลลิเมตรต่อนาที โดยกลึงชิ้นงานตัวอย่าง และตรวจสอบความยึดแน่นของหัวจับชิ้นงาน
3.3 ตรวจสอบความเรียบตรงของชิ้นงาน โดยจะต้องไม่โก่งงอ และทำการดึงด้วยเครื่องดึง ซึ่งเมื่อดึงเสร็จ สิ้น ชิ้นงานจะขาดอออกจากกันเป็นสองส่วน และบันทึกข้อมูลที่ได้
4.ทดสอบสมบัติทางแสงของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส
4.1 ทดสอบสมบัติทางแสงของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส เพื่อ ศึกษาการสองผ่านแสงของวัสดุเชิงประกอบ โดยมีความต้องการร้อยละการส่องผ่านแสงมากให้ เทียบเท่ากับกระจก ทดสอบที่ความยาวคลื่น 200-1000 นาโนเมตร ด้วยเทคนิค UV-Vis spectrometer ยี่ห้อ Shimadzu รุ่น Single monochromator UV-2600 Optional ISR-2600 Plus ความยาวคลื่นในช่วง 220-1400 นาโนเมตร
4.2 เตรียมชิ้นงานขนาด 10x30 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน เมื่อท าการทดสอบ โมเลกุลของตัวอย่างถูกฉายด้วยแสงในช่วงรังสียูวีหรือแสงขาวชนิด Photomultiplierที่มีพลังงานเหมาะสมจะทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมเกิดการดูดกลืนแสงเป็น แบบลำแสงคู่ (double beam) โดยมีแหล่งกำเนิดแสงเป็นหลอดดิวเทอเรียม และหลอดทังสเตน ฮาโลเจน
4.3 เปลี่ยนสถานะไปอยู่ในชั้นที่มีระดับพลังงานสูงกว่า เมื่อทำการวัดปริมาณของแสงที่ผ่าน หรือสะท้อนมาจากตัวอย่างเทียบกับแสงจากแหล่งก าเนิดที่ความยาวคลื่นค่าต่างๆตามกฎของ BeerLambert ค่าการดูดกลืนแสง (absorbance) ของสารจะแปรผันกับจ านวนโมเลกุลที่มีการดูดกลืน แสง
5.ทดสอบสมบัติทางเคมีของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส
5.1 ทดสอบสมบัติทางเคมีของวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลส โดย วิเคราะห์ที่หมู่ฟังก์ชั่นของแบคทีเรยีเซลลโูลส พอลิอะนีลีน และวัสดุเชิงประกอบ ด้วยเทคนิค Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) เป็นเครื่องมือส าหรับวิเคราะห์หาชนิดของสาร โดยการ วัดการดูดกลืนแสงของสารในช่วงอินฟราเรด(Infrared : IR) ที่เป็นของยี่ห้อ Bruker รุ่น EQUINOX 55 เลขคลื่น ±1 ต่อเซนติเมตร
5.2 เตรียมชิ้นงานตัวอย่างขนาด 10x10 มิลลิเมตร ทดสอบสาร ตัวอย่างที่ย่านความถี่ 400-4000 เซนติเมตร-1 โดยการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดตรงกับพลังงานในช่วง 2-10 กิโลแคลอรี่ต่อโมล พลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าย่านนี้ก่อให้เกิดการสั่นแบบยืด และแบบงอ ของพันธะในโมเลกุลของสาร กล่าวคือการที่สารจะดูดกลืนรังสีอินฟราเรดนั้น ความถี่ของรังสีที่ถูก ดูดกลืนจะต้องตรงกับความถี่ของการสั่นของพันธะเท่านั้น
6.ทดสอบสมบัติทางกายภาพด้วยการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของวัสดุเชิง
6.1 ทดสอบสมบัติทางกายภาพด้วยการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของวัสดุเชิง ประกอบโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน Scanning Electron Microscope (SEM) ของยี่ห้อ HITACHI รุ่น S-3400N PC-Based Variable Pressure Type II มีองศาการหมุน 360 องศา เอียง -20 ถึง +90 องศา โดยเตรียมตัวอย่างขนาด 10x10 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน น าไป เคลือบทองเพื่อให้ผิวของชิ้นงานตัวอย่างน าไฟฟ้า เพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาค (microstructure) ของพื้นผิวของวัสดุเชิงประกอบ
7.วิเคราะห์ความขรุขระของพื้นผิวโดยกล้องจลุทรรศน์แรงอะตอม ด้วยเทคนิค Atomic Force Microscope (AFM)
7.1 วิเคราะห์ความขรุขระของพื้นผิวโดยกล้องจลุทรรศน์แรงอะตอม ด้วยเทคนิค Atomic Force Microscope (AFM) เป็นเครื่องมือทดสอบความเรียบของพื้นผิว ขนาดของตัวอย่าง 10x10 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน โดยศึกษาความขรุขระของพื้นผิวของวัสดุเชิงประกอบ เพื่อนำไป ประยุกต์ใช้งานเป็นแผ่นซับเสตรท เนื่องจากแผ่นซับเสตรทจะต้องมีความเรียบเพื่อที่จะไม่เกิดการ แตกหักขณะใช้งาน อีกทั้งยังส่งผลต่อการดูดกลืนแสงได้ดี เป็นผลให้เซลล์แสงอาทิตย์กักเก็บพลังงาน แสงได้มากขึ้น
วิเคราะห์ความเป็นผลึกของวัสดุเชิงประกอบด้วยเทคนิค X-ray diffraction (XRD)
8.1 วิเคราะห์ความเป็นผลึกของวัสดุเชิงประกอบด้วยเทคนิค X-ray diffraction (XRD) ของยี่ห้อ Bruker รุ่น D8 Advance (Low and High angle) กวาดมุม 2theta ตั้งแต่ 20-100 องศา เตรียมชิ้นงานตัวอย่างขนาด 10x10 มิลลิเมตร ทั้ง 8 อัตราส่วน เพื่อศึกษาความเป็น ผลึกของวัสดุเชิงประกอบเทียบกับแบคทีเรียเซลลูโลส และพอลิอะนีลีน
เอกสารอ้างอิง
จันทัปปดา ปลื้มผล,(2555).การพัฒนาวัสดุเชิงประกอบของแบคทีเรียเซลลูโลสเพื่อการประยุกต์ใช้งาน เป็นแผ่นซับสเตรทสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์.วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตร์มหาบัณฑิตมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์
[1] Dahman, Y., Nanostructured biomaterials and biocomposites from bacterial cellulose nanofibers. Journal of nanoscience and nanotechnology, 2009. 9(9): p. 5105-5122.
[2] Qazi, T.H., R. Rai, and A.R. Boccaccini, Tissue engineering of electrically responsive tissues using polyaniline based polymers: A review. Biomaterials, 2014. 35(33): p. 9068-9086. [3] Svensson, A., et al., Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage. Biomaterials, 2005. 26(4): p. 419-431.
[4] Barbara Surma-slusarska, S.P., Dariusz Danielewicz, Characteristics of Bacterial Cellulose Obtained from Acetobacter Xylinum Culture for Application in Papermaking. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe, 2008: p. 1-37.
[5] Forang, E.R., Anderson, S.M., and Cannon, R.E., Synthetic medium for Acetobacter xylinum that can be used for isolation of auxotrophic mutants and study of cellulose biosynthesis. Appl. Environ.Microbiol, 1989: p. 55.
ชัยวัฒน์ แก้วคล้ายขจรศิริ และประทับใจ สิกขา.(2555). การศึกษากระบวนการผ้าย้อมครามโดยใช้ยางกล้วยน้ำว้าดิบเป็นสารช่วยติด. วารสารวิชาการศิลปะสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลันนเรศวร,3(1).(103-113)
ชาตรี เกิดธรรม.(2542).การเรียนการสอนวิทยาสาสตร์เน้นนักเรียนเป็นศูนย์กลาง.กรุงเทพฯ：เซ็นเตอร์ดิสคัพเวอรี่.
ชุลีกานต์ สายเนตร.(2560).”แทนนิน” สารจากธรรมชาติสู่การเป็นสารช่วยให้ติดสีของผ้าภูอัคนี ณ หมู่บ้านเจริญสุข อำเภอเฉลิมพระเกียรติ จังหวัดบุรีรัมย์.วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี,1(2),(67-75)
ประวัติผู้พัฒนา
1.เด็กหญิง ลีณา ศรีจันทร์ดร อายุ 14 ปี
ที่อยู่ปัจจุบัน 275 ถ.ช้างคลาน ต.ช้างคลาน อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50100
เลขที่บัตรประชาชน 1-5099-66372-79-6
โทรศัพท์มือถือ 0643387144 หรือ 0800436190
อีเมล leenalovecat1@gmail.com
สถานที่ศึกษา โรงเรียนสันติศึกษาเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50000
ผลงานด้านวิทยาศาสตร์
เข้าร่วมการประกวดโครงงานวิทยาศาสตร์วันวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแม่โจ้
2.เด็กหญิง ฮุสนา บินต่วน อายุ 13 ปี
ที่อยู่ปัจจุบัน 80/4 ถ.หน้าวัดเกต ต.วัดเกต อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50000
เลขที่บัตรประชาชน 1-5099-66420-34-1
โทรศัพท์มือถือ 084980259
อีเมล suvita_tu@hotmail.com
สถานที่ศึกษา โรงเรียนสันติศึกษาเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50000
ผลงานด้านวิทยาศาสตร์
เข้าร่วมการประกวดโครงงานวิทยาศาสตร์วันวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแม่โจ้
3.เด็กหญิง กันตา สมสุข อายุ 14 ปี
ที่อยู่ปัจจุบัน 23/3 ซ.2 ถ.บำรุงราษฎร์ ต.วัดเกต อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50000
เลขที่บัตรประชาชน 1-5099-66381-18-3
โทรศัพท์มือถือ 0966950286
อีเมล jamilla2547@gmail.com
สถานที่ศึกษา โรงเรียนสันติศึกษาเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50000
ผลงานด้านวิทยาศาสตร์
เข้าร่วมการประกวดโครงงานวิทยาศาสตร์วันวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแม่โจ้