Pengaruh Quenching pada Derajat Kristalinitas dan Sifat Mekanik Polietilena dan Polipropilena (Indra Gunawan)

25

PENGARUH QUENCHING PADADERAJAT KRISTALINITAS DAN SIFAT MEKANIK

POLIETILENA DAN POLIPROPILENA

Indra Gunawan1, Bambang Sugeng1, Sudirman1,Aloma K.K.1 dan Debbi Chrissanti2

1Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATANKawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

2FMIPA Universitas AndalasKampus Limau Manis, Padang 25163

ABSTRAKPENGARUH QUENCHING PADA DERAJAT KRISTALINITAS DAN SIFAT MEKANIK

POLIETILENA DAN POLIPROPILENA. Telah dipelajari pengaruh quenching pada derajat kristalinitas dansifat mekanik polietilena dan polipropilena. Quenching dilakukan pada beberapa variabel yaitu waktu quenching10 detik , 60 detik dan 300 detik serta suhu quenching 10 oC, 20 oC, 28 oC dan 30 oC. Hasil percobaanmenunjukkan perubahan titik transien ke steady state terjadi pada waktu quenching 60 detik pada berbagai suhuquenching dan berbagai sifat bahan yang telah dipelajari, ditandai dengan adanya pembelokan gradien tinggi kerendah. Akibat quenching derajat kristalinitas berpengaruh pada sifat mekanik (kuat luluh dan kuat tarik).Polietilena yang berderajat kristalinitas sekitar 17 % menunjukkan kuat luluh sekitar 100 kg/cm2 dan kuat tarik140 kg/cm2. Polipropilena berindeks Melt Flow 2 (PPMF2) memiliki derajat kristalinitas 47 % menunjukkankuat luluh 267 kg/cm2 dan kuat tarik 267 kg/cm2, sedangkan contoh bahan polipropilena dengan indeks MeltFlow 35 (MF35) berderajat kristalinitas 39 %, menunjukkan kuat luluh 207 kg/cm2 dan kuat tarik 260 kg/cm2.

Kata kunci : Quenching, derajat kristalinitas, sifat mekanik, polietilena, polipropilena

ABSTRACTTHE INFLUENCE OF QUENCHINGTO DEGREE OF CRISTALLINITYAND MECHANICAL

PROPERTIES OF POLYETHYLENE AND POLYPROPYLENE. Astudy of quenching process to degree ofcristallinity and mechanical properties of polyethylene and polypropylene has been done. Quenching processwas carried out at several variables such as quenching time of 10, 60, 300 seconds and quenching temperatureof 10, 20 and 30 oC. The result of this work shows that changes of transient point to steady state occurred atquenching time of 60 seconds to be marked by the turning point of trend properties curved from higher gradientto lower. Due to quenching process the degree of cristallinity influences the mechanical properties i.e. yieldsstrength and tensile strength. Polyethylene that has crystalline degree of 17 % shows yield strength of100 kg/cm2 and tensile strength of 140 kg/cm2. Polypropylene with melt flow indices of 2 (PMF2) and has thecrystalline degree of 47 % shows yield strength of 267 kg/cm2 and tensile strength of 267 kg/cm2, meanwhilePPMF35 with crystalline degree of 39 % possesses yield strength of 207 kg/cm2 and tensile strength of260 kg/cm2.

Key words : Quenching, degree of cristallinity, mechanical properties, polyethylene, polypropylene

PENDAHULUAN

Polietilena dan polipropilena adalah polimersintetis yang dikategorikan sebagai polimer termoplastis,memiliki sifat-sifat massa jenis rendah, dapat didaur ulangdan harganya murah. Pembentukan polimer melalui reaksiberantai (polimerisasi) dari sejumlah n satuan struktursenyawa kimia (monomer). Polietilena diperoleh darireaksi berantai etilena, sedangkan satuan strukturpolipropilena adalah propilena.

Proses pembentukan rantai selama polimerisasibersifat acak, oleh karena itu rantai-rantai polimer

yang berbeda dalam suatu contoh polimer akanmempunyai panjang yang berbeda-beda pula, sehinggamassa nisbi (Mr)nya berbeda-beda. Massa molekulnisbi merupakan salah satu faktor yang menentukansifat polimer. Faktor penting lainnya berupa susunanrantai di dalam polimer. Penelitian sinar X terhadappolimer menunjukkan bahwa dalam bahan polimerterdapat daerah yang di dalamnya rantai-rantai polimertersusun secara teratur, yang disebut daerah berkristaldan daerah-amorf, yang di dalamnya rantai-rantai

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 7, No. 2, Februari 2006, hal : 25 - 31ISSN : 1411-1098

26

polimer berada dalam keadaan tidak teratur, sepertiGambar 1 [1].

Suatu bahan polimer dapat berupa sebagiankristalin yang disebut semikristalin, seperti polietilena(PE), polietilena terephtalat (PET) dan polipropilena (PP).Ada juga beberapa polimer dengan struktur nirbentuk(amorf), seperti polimetil metakrilat (PMMA) danpolistirene (PS). Daerah kristalin tersusun dari rantaimolekul yang teratur sehingga rapat, mempunyai kuattarik lebih besar di banding daerah amorf, karena daerahamorf mempunyai susunan rantai molekul yang tidakteratur. Perbandingan antara fasa kristal dan fasa amorfdinyatakan dengan derajat kristalinitas. Penentuan derajatkristalinitas dapat dilakukan dengan metode sinar-X(XRD) [2]. Pemahaman derajat kristalinitas dan sifatmekanik berpengaruh terhadap penggunaan bahan.Daerah berkristal dapat terbentuk, jika rantai-rantaimampu saling mendekati sampai jarak sedemikian dekat,sehingga menyebabkan gaya tarik antar rantai bekerja.Banyak faktor yang menentukan gaya tarik antar rantaitimbul atau tidak, tetapi secara mudah dapat dilihat bahwarantai-rantai lurus dapat saling mendekati dengan jarakyang lebih pendek dibandingkan rantai-rantai bercabangdalam polimer yang sama [1].

Pengamatan perubahan struktur kristalin bahantermoplastik polietilena pada suhu antara 18 oC sampaidengan 140 oC telah dilakukan [3]. Sudirman, dkk telahmelakukan studi pengaruh quenching terhadap sifatmekanik dan fisik pada polietilena [4]. Pada makalah iniakan dilaporkan studi tentang derajat kristalinitas dansifat mekanik bahan polimer polietilena dan polipropilenaakibat perlakuan quenching.

Quenching adalah pendinginan mendadak suatuobjek panas karena terendam dalam fluida pendingin,seperti air atau minyak. Pada dasarnya quenching adalahproses pendinginan transien pada permukaan objekpanas yang pada awalnya bersuhu di atas suhu saturasipendingin akan diselimuti uap. Permukaan akanmendingin dengan cepat saat selimut uap runtuh danmemungkinkan fluida pendingin bersentuhan langsung

dengan permukaan objek. Laju pendinginan sebandingdengan perbedaan energi antara proses konveksi danproses konduksi [5].

Dihipotesiskan, bahwa quenching akanmengakibatkan susunan daerah kristalin mengalamiperubahan dan akan mempengaruhi sifat mekanik.Perlakuan quenching yang berbeda akan mempengaruhisifat-sifat lembaran bahan uji, sehingga pengaruhquenching terhadap lembaran bahan uji sebagai suatuproduk plastik perlu diketahui.

Dalam makalah ini akan dibahas pengaruhquenching terhadap susunan daerah kristalin yangdinyatakan dengan derajat kristalinitas di dalam polimertermoplastis, dan hubungannya dengan sifat mekanik.Diharapkan dapat diketahui perlakuan quenching terbaikdalam pembentukan lembaran dari bahan plastik LDPE,PPMF2 dan PPMF35.

Polietilena yang digunakan pada penelitian iniberjenis densitas rendah, Low Density Polyethylene(LDPE), sedangkan polipropilena yang digunakanberdasarkan indeks melt flow yang mempunyaipengertian kemampuan leleh pada saat dipanaskan, yaituPP MF2 dan PP MF35. Indeks melt flow berhubungandengan panjang rantai polimer atau berat molekul polimer,semakin tinggi indeks melt flow semakin berkurang beratmolekul polimer.

METODE PERCOBAAN

BahanPolietilena (PE) yang digunakan berjenis densitas

rendah (LDPE), titik leleh 110-120 oC [2], buatan SamsungGeneral Chemicals Co. Ltd. Korea. Polipropilena buatanTrypolyta Indonesia Tbk., Cilegon, Indonesia.Polipropilena MF 2, massa jenis: 0,8956, Titik leleh : 160-180 oC [2], Polipropilena MF 35, massa jenis : 0,8776,Titik leleh : 183 oC.

AlatLabo Press-3 merek Struer, Mesin Uji Tarik

Strograph R- 1 merk Toyoseiki, Jepang, DifraktometerSinar X (XRD) merek Shimadzu tipe XD 610.

Cara KerjaQuenching dilakukan pada beberapa variabel

yaitu waktu quenching 10 detik , 60 detik dan 300 detikserta suhu quenching 10 oC, 20 oC, 28 oC (suhu kamar)dan 30 oC. Proses quenching dilakukan setelah polimer(LDPE, PPMF2, PPMF10) dipanaskan ke dalam laboplastomill pada suhu 130 oC untuk LDPE, dan 180 oCuntuk PP. Hasil yang diperoleh dituang ke dalam alatcetak dan dilakukan penekanan panas untuk selanjutnyadilakukan pendinginan cepat (quenching) pada variabelproses yang dipelajari. Sampel yang diperolehselanjutnya dilakukan uji sifat mekanik, sifat termal dan

Gambar 1. Struktur daerah kristalin-nirbentuk (amorf)suatu contoh polimer.

A mewakili daerah berkristalB mewakili daerah nirbentuk

Pengaruh Quenching pada Derajat Kristalinitas dan Sifat Mekanik Polietilena dan Polipropilena (Indra Gunawan)

27

penentuan derajat kristalinitas dengan metode XRD.Bagan alir studi sifat mekanik, dan penghitungan derajatkristalinitas dari LDPE, PPMF2, PPMF35 pada beberapavariasi quenching ditampilkan pada Gambar 2.

Pengujian Sifat MekanikLembaran film bahan polimer dipotong berbentuk

dumb bell (ASTM D-1822-L), dan seluruh permukaansampel harus bebas cacat, seperti : goresan, retak danrongga, serta selanjutnya potongan sampel dijepitkanpada penjepit mesin Toyoseiki dengan jarak yangterlebih dahulu ditandai dengan dua garis sejajar. Alatuji kekuatan tarik Strograph R1, kemudian dihubungkandengan kompresor dan sampel disiapkan sedemikianrupa, sehingga tegangan yang diberikan akan terbagimerata pada penampang sampel, dengan crossheadspeed 100 mm/menit dan recorder disiapkan dengankecepatan 20 mm/menit.

Analisis Derajat KristalinitasPenentuan derajat kristalinitas dilakukan dengan

menggunakan metode difraksi sinar-X. Perhitunganderajat kristalinitas dilakukan dengan membandingkanluasan puncak kristalin yang mempunyai intensitasmenajam dan tinggi, terhadap luasan puncak amorf yangditunjukkan oleh pola difraksi yang melebar dan landai.Alat yang digunakan adalah Difraktometer sinar-X (XRD)Shimadzu XD 610, target Cu = K, tegangan 30 = KV,arus 20 mA, sudut hamburan 2 = 5o - 60o, kecepatansapuan 4 o/menit.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Derajat KristalinitasPengaruh waktu dan suhu quenching terhadap

derajat kristalinitas LDPE, PPMF2 dan PPMF35 terlihatpada Gambar 3.

Kurva kecenderungan derajat kristalinitassebagai fungsi waktu quenching untuk LDPE cenderungtidak tampak terlihat perbedaannya. Hasil ini bersesuaiandengan penelitian sebelumnya [4] yang memperlihatkanbahwa perlakuan proses tidak berpengaruh terhadapderajat kristalinitas yang dimiliki oleh LDPE. Sedangkanderajat kristalinitas untuk bahan PPMF2 dan PPMF35terlihat berubah ekponensial terhadap waktu quenchingdengan titik pembelokan terjadi pada waktu quenching60 detik. Hal ini menunjukkan fenomena perubahan titiktransien ke steady state untuk bahan polimer PPMF2dan PPMF35 tampak terlihat dengan adanya titik belok.

Fenomena ini menjelaskan bahwa quenchingadalah proses pendinginan transien (fungsi waktu)pada permukaan objek panas yang pada awalnya bersuhudi atas suhu jenuh pendingin. Setelah kondisi transienterlampaui, maka proses ini tidak lagi dipengaruhiwaktu (steady state), dimana dari hasil percobaanperubahan dari titik transien ke steady state initerjadi pada detik ke-60, ditandai dengan tidakberubahnya derajat kristalinitas bahan terutama PPMF2dan PPMF35. Fenomena derajat kristalinitasbahan setelah titik transien pada bahan PPMF2 danPPMF35 terlihat acak (ada kecenderungan naik atausebaliknya), disebabkan oleh pembentukan kembali

Gambar 2. Bagan alir studi quenching terhadap PE dan PP.

LDPE (130 oC), PP (180 oC)Dilelehkan dengan labo plastomill

Dicetak kemudian ditekan panas padatitik leleh

(pendinginan mendadak padavariable waktu dan suhu)

Proses quench

Pengujian sifat bahan

Sifat mekanik :Stograph R

Struktur mikro :kristalinitas(XRD)

Bahan :LDPE, PP MF 2 dan PP MF 35 (granular)

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 7, No. 2, Februari 2006, hal : 25 - 31ISSN : 1411-1098

28

daerah kristalin dan amorf setelah pemanasan danquenching bersifat acak.

Dengan membandingkan struktur satuan bahanpolietilena dan polipropilena, perbedaan pengaruh waktuquenching terhadap derajat kristalinitas bahan dapatdijelaskan. Struktur satuan polipropilena lebih panjangsatu gugus atom C, dan mengakibatkan pembentukanrantai-rantai molekul yang lebih lurus dibandingpolietilena. Pembentukan rantai lurus dan gaya ikat antarrantai sangat berpengaruh terhadap derajat kristalinitasbahan. Pemanasan dan pendinginan di dalam media yangdiinginkan selama waktu quenching seperti yangdilakukan pada penelitian ini, akan menyebabkansusunan rantai dan susunan daerah kristalin berubah.

Sifat MekanikPengaruh waktu dan suhu quenching terhadap

sifat mekanik bahan polimer LDPE, PPMF2 dan

PPMF35 tertera pada Gambar 4 (kuat luluh) danGambar 5 (kuat tarik).

Secara keseluruhan ketiga bahan polimer LDPE,PPMF2 dan PPMF3 dikategorikan sebagai bahan plastis,mengingat ketiga contoh bahan polimer memiliki kuatluluh dan kuat tarik. Hasil percobaan memperlihatkanbahwa quenching mempengaruhi derajat kristalinitasbahan polimer yang diteliti, sedangkan derajatkristalinitas berpengaruh pada sifat mekanik bahan (kuatluluh dan kuat tarik). LDPE dengan derajat kristalinitassekitar 17 % menunjukkan kuat luluh sekitar 100 kg/cm2dan kuat tarik sekitar 140 kg/cm2. Untuk contoh bahanPPMF2 dengan derajat kristalinitas 47 % sampai 69 %menunjukkan kuat luluh 267 kg/cm2 sampai dengan332 kg/cm2 dan kuat tarik 267 kg/cm2 sampai dengan474 kg/cm2. Sedangkan contoh bahan PPMF35 denganderajat kristalinitas 39% sampai dengan 63%menunjukkan kuat luluh 207 kg/cm2 sampai dengan303 kg/cm2 dan kuat tarik 260 sampai 326 kg/cm2.

010203040506070

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

01020304050607080

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

PPMF35

PPMF2

LDPE

dera

jat

kekr

ista

lan,

%de

raja

tke

kris

tala

n,%

dera

jat

kekr

ista

lan,

%

Gambar 3. Pengaruh waktu dan suhu quenching terhadap derajat kristalinitasLDPE, PPMF2 dan PPMF35.

waktu quench,detik

waktu quench,detik

waktu quench,detik

Pengaruh Quenching pada Derajat Kristalinitas dan Sifat Mekanik Polietilena dan Polipropilena (Indra Gunawan)

29

Gambar 4. Pengaruh waktu dan suhu quenching terhadap kuat luluh (kg/cm2) LDPE,PPMF2 dan PPMF35.

PPMF35

PPMF2

LDPE

137138139140141142143144145146

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

050

100150200250300350400450500

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

050

100150200250300350400

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

waktu quench,detik

waktu quench,detik

waktu quench,detik

kuat

lulu

h,kg

/cm

2ku

atlu

luh,

kg/c

m2

Studi quenching terhadap kuat luluh LDPEhampir memperlihatkan pola yang sama, dimana kuatluluh LDPE mengalami penurunan eksponensial yangsama untuk berbagai suhu quenching, seiring kenaikanwaktu quenching. Sedangkan studi quenching terhadapkuat tarik LDPE, dapat disimpulkan bahwa kuat tarikLDPE semakin meningkat seiring kenaikan waktuquenching (suhu quenching 20 o C dan 30 o C) kecualikuat luluh LDPE pada suhu quenching 10 o C yangmenurun linier seiring kenaikan waktu quenching.

Seperti halnya tampak dari kurva derajatkristalinitas contoh bahan PPMF2 dan PPMF 35 sebagaifungsi waktu dan suhu quenching yang terlihat acak(ada kecenderungan naik atau sebaliknya), pola acakyang sama terlihat juga pada hubungan sifat mekaniksebagai fungsi quenching. Hal ini mungkin disebabkanoleh pembentukan kembali daerah kristalin dan amorfsetelah pemanasan dan quenching bersifat acak. Secarakeseluruhan fenomena titik transien yang terdapat dikurva derajat kristalinitas, terjadi juga pada kurva

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 7, No. 2, Februari 2006, hal : 25 - 31ISSN : 1411-1098

30

Gambar 5. Pengaruh waktu dan suhu quenching terhadap kuat tarik (kg/cm2) LDPE,PPMF2 dan PPMF35.

949698

100102104106108110

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

kuat

tarik

,kg

/cm

2

LDPE

waktu quench,detik

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

suhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

kuat

tarik

,kg

/cm

2

PPMF2

waktu quench,detik

waktu quench,detik

kuat

tarik

,kg

/cm

2

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

ssuhu quench 10 Csuhu quench 20 Csuhu quench 28 Csuhu quench 30 C

PPMF35

kecenderungan sifat mekanik sebagai fungsi waktuquenching (untuk berbagai suhu quenching), dimanapada titik waktu quenching 60 detik pola kecenderungansifat mekanik bahan mengalami pembelokan dari gradientinggi ke gradien rendah.

KESIMPULAN1. Hasil percobaan menunjukkan perubahan titik

transien ke steady state,dimana peristiwa quenchingterjadi pada waktu quenching 60 detik pada berbagaisuhu quenching dan berbagai sifat bahan yang telahdipelajari, ditandai dengan adanya pembelokangradien tinggi ke rendah.

2. Quenching mempengaruhi pembentukan kembalirantai-rantai molekul lurus yang ditandai denganperubahan derajat kristalinitas contoh bahan polimeryang dipelajari. Sedangkan derajat kristalinitasberpengaruh pada sifat mekanik bahan (kuat luluhdan kuat tarik).

DAFTARACUAN[1]. VANVLACK, L.H., DJAPRIE, S., Ilmu dan

Teknologi Bahan, Erlangga, Jakarta, (1992)[2]. BILLMEYER, F.W., Textbook of Polymer Science,

John Wiley & Sons, New York, (1984)

Pengaruh Quenching pada Derajat Kristalinitas dan Sifat Mekanik Polietilena dan Polipropilena (Indra Gunawan)

31

[3]. SUGENG, B., ISMOYO, A.H., Analisa StrukturPolimer Termoplastis HDPE dan LDPE padaTemperatur Tinggi, Prosiding Pertemuan IlmiahSains Materi, Serpong (1996)

[4]. SUDIRMAN, ALOMA, K.K., DARWINTO, T.,SUGENG, B., HERMAWAN, Pengaruh quenchingterhadap sifat mekanik dan fisik pada polietilena(LLDPE dan LDPE), Prosiding Pertemuan IlmiahSains Materi, Serpong (1999)

[5]. CHEREMISINOFF, N.P., Hand Book of Heat andMass Transfer Vol. 1 : Heat Transfer Operations,Gulf Publishing Company, Houston, (1986) 1103