ทำไมถุงพลาสติกใสจึงกลายเป็นสีขาว เมื่อเราดึงหูหิ้วจนยืด

ถุงไม่ได้เปลี่ยนสี แต่โครงสร้างข้างในกำลังเปลี่ยน

ลองหยิบถุงพลาสติกใสขึ้นมาแล้วค่อย ๆ ดึงบริเวณหูหิ้ว จะเห็นว่าส่วนที่รับแรงเริ่มยืดยาว บางลง และเปลี่ยนจากใสเป็นสีขาวขุ่น ทั้งที่ไม่ได้มีสีขาวซึมออกมา ไม่มีผงเกาะผิว และไม่ได้เกิดจากความร้อน ภาพที่เห็นคือร่องรอยของความเสียหายขนาดเล็กภายในเนื้อพลาสติก ซึ่งนักวัสดุศาสตร์มักเรียกรวม ๆ ว่า การขาวจากความเค้น หรือ Stress Whitening

ถุงหูหิ้วทั่วไปมักผลิตจากพอลิเอทิลีนหรือ PE เนื้อพลาสติกประกอบด้วยสายโมเลกุลยาวจำนวนมหาศาล พันเกี่ยวกันคล้ายเส้นบะหมี่ที่ถูกกดรวมอยู่ในแผ่นบาง ขณะถุงยังไม่ถูกดึง โครงสร้างภายในค่อนข้างต่อเนื่อง แสงจึงผ่านแผ่นพลาสติกได้มาก เราเลยมองเห็นถุงเป็นสีใสหรือโปร่งแสง

ทันทีที่ออกแรงดึง เกิดอะไรขึ้นในเนื้อถุง

ช่วงแรกสายพอลิเมอร์จะคลายตัวและเรียงไปตามทิศทางของแรงดึง ถ้าออกแรงต่อ เนื้อพลาสติกบางตำแหน่งจะเสียรูปถาวร บริเวณนั้นจึงไม่สามารถหดกลับเหมือนเดิมได้ทั้งหมด จุดที่บางที่สุดหรือมีตำหนิเล็ก ๆ จากกระบวนการผลิตจะรับความเค้นสูงกว่าส่วนอื่น แล้วเริ่มเกิดช่องว่างระดับนาโนเมตรถึงไมโครเมตรภายในเนื้อวัสดุ กระบวนการสร้างช่องว่างลักษณะนี้เรียกว่า cavitation

ช่องว่างบางส่วนอาจเชื่อมต่อกับเส้นใยพอลิเมอร์ขนาดเล็ก กลายเป็นโครงสร้างที่เรียกว่า craze ซึ่งมีทั้งโพรงและเส้นใยคอยพยุงแรงอยู่ภายใน จึงยังไม่ใช่รอยแตกโล่งแบบที่เรามองเห็นบนแก้วร้าวเสียทีเดียว อย่างไรก็ดี การเรียกบริเวณขาวบนถุง PE ทุกกรณีว่า Crazing อาจกว้างเกินไป เพราะพอลิเอทิลีนแต่ละเกรดสามารถเสียรูปด้วยกลไกหลายแบบ ทั้งการเกิดโพรง การไหลเฉือน และการยืดตัวแบบคอดหรือ Cold Drawing คำที่ครอบคลุมภาพสีขาวซึ่งมองเห็นได้จึงเป็น Stress Whitening

สีขาวเกิดจากแสง ไม่ได้เกิดจากเม็ดสี

เนื้อ PE กับอากาศมีดัชนีหักเหต่างกัน เมื่อแสงเดินทางผ่านพลาสติกที่ยังสม่ำเสมอ ทิศทางของแสงเปลี่ยนไม่มาก แต่เมื่อภายในเต็มไปด้วยโพรงเล็ก ๆ แสงจะพบรอยต่อระหว่างพลาสติกกับอากาศซ้ำแล้วซ้ำเล่า จึงสะท้อน หักเห และกระจายออกหลายทิศทาง แสงหลายช่วงคลื่นกระเจิงพร้อมกันจนดวงตารับรู้เป็นสีขาวขุ่น คล้ายเหตุผลที่ฟองอากาศจำนวนมากทำให้ฟองสบู่หรือโฟมนมดูขาว ทั้งที่ของเหลวตั้งต้นอาจใส

จำนวน ขนาด และการรวมกลุ่มของโพรงมีผลต่อความขาว หากช่องว่างยังเล็กมากหรือมีจำนวนน้อย เราอาจเห็นเพียงรอยฝ้าจาง ๆ เมื่อยืดต่อจนโพรงเพิ่มขึ้นและรวมกันเป็นกลุ่มที่กระเจิงแสงได้ดี บริเวณนั้นจะขาวชัดขึ้น ความขาวจึงทำหน้าที่คล้ายแผนที่บอกตำแหน่งที่พลาสติกกำลังรับความเสียหายมากที่สุด

ขาวแล้วแปลว่าถุงกำลังจะขาดทันทีหรือไม่

ยังไม่จำเป็นต้องขาดในทันที เพราะสายพอลิเมอร์ที่เรียงตัวตามแรงดึงยังช่วยรับน้ำหนักได้ บางครั้งส่วนที่ยืดจนขาวกลับเหนียวและต้านแรงดึงต่อได้อีกระยะหนึ่ง แต่ความหนาลดลง โครงสร้างภายในเสียรูป และมีจุดรวมความเค้นเกิดขึ้นแล้ว หากเพิ่มน้ำหนัก กระชากซ้ำ หรือปล่อยให้รอยฉีกเล็ก ๆ เริ่มจากขอบถุง ความเสียหายจะลามได้ง่ายกว่าส่วนที่ยังใส

• ขาวเป็นเส้นบริเวณรอยพับ มักเกิดจากการงอซ้ำและความเค้นกระจุกตัว

• ขาวเป็นแถบยาวตรงหูหิ้ว มักสัมพันธ์กับการยืดตัวและการเรียงแนวของสายพอลิเมอร์

• มีรอยบากหรือฉีกที่ขอบ เป็นสัญญาณอันตรายกว่า เพราะรอยแตกสามารถลามต่อได้รวดเร็ว

อุณหภูมิ ความเร็วในการดึง ความหนาของถุง ชนิดของ PE สารเติมแต่ง และทิศทางที่แผ่นฟิล์มถูกผลิต ล้วนทำให้ลักษณะความขาวต่างกัน ถุงบางใบยืดเป็นคอยาวก่อนขาด บางใบขาวขึ้นเพียงเล็กน้อย ขณะที่ถุงเก่าซึ่งผ่านแดดและความร้อนอาจกรอบจนฉีกโดยแทบไม่ยืด

รอยขาวเล็ก ๆ จึงเป็นห้องทดลองวัสดุศาสตร์ที่อยู่ในมือเรา

เพียงดึงถุงหนึ่งครั้ง เรากำลังเห็นทั้งการคลายตัวของสายพอลิเมอร์ การเสียรูปถาวร การเกิดโพรงขนาดจิ๋ว และการกระเจิงของแสงเกิดขึ้นพร้อมกัน สิ่งที่ดูเหมือนพลาสติกเปลี่ยนสี แท้จริงคือแสงกำลังเปิดเผยโครงสร้างภายในที่ตาเปล่ามองไม่เห็น และเตือนอย่างสุภาพว่าบริเวณนั้นผ่านการรับแรงจนไม่เหมือนเดิมแล้ว