Polimer: Sifat-sifat Umumdan Aplikasinya

Ir. Tri Prakosa, M. Eng.Proses Manufaktur I, September 2011.

Karakteristik PolimerWalaupun plastik merupakan salah satu jenis polimer (polimer yang

mempunyai molekul yang sangat besar), akan tetapi kata plastikseringkali digunakan untuk menyebut polimer.

P Penggunaan polimer antara lain untuk wadah makanan dan minuman,pengepakan, peralatan rumah tangga, tekstil, peralatan medis, busa, cat,mainan anak-anak, lensa, roda gigi, produk elektronik, perlatan kantor,komponen pesawat militer dan sipil, peralatan olah raga serta komponenmobil.

P Karakteristik polimer:< Tahan korosi dan bahan kimiawi.< Konduktivitas elektrik dan termal yang rendah.< Kerapatan massa rendah.< Rasio kekuatan - berat tinggi, terutama untuk polimer yang diperkuat< Reduksi kebisingan.< Pilihan warna yang banyak serta tembus pandang.< Mudah untuk dimanufaktur dan mungkin untuk membentuk produk yang

kompleks.< Mempunyai ongkos yang relatif murah.

Daerah Sifat-sifat Mekanik untuk Berbagai Plastik

Pendahuluan

Struktur Polimer

Struktur dasar darimolekul polimer: (a)molekul ethylene; (b)polyethylene, rantaipanjang dari banyakmolekul ethylene; c)Struktur molekul dariberbagai polimer. Inimerupkakan contoh-contoh dari blokpembangun dasar bagiplastik.

Struktur Polimer(Lanjutan)

P Polimer adalah rangkaian panjang molekul yang terbentukkarena proses polimerisasi. Monomer adalah penyusundasar polimer yang menyusun polimer secara link dan cross-link.

P Kebanyakan monomer adalah material organik yang atomkarbonnya berikatan secara kovalen dengan unsur lain(hidrogen, oksigen, nitrogen, fluor, khlor, silikon dan fosfor).

Polimerisasi

Contoh polimerisasi (a) Polimerisasi-kondensasi nylon 6,6 dan (b) Polimerisasipenambahan molekul polyethylene dari mers ethylene.

CondensationPolymerization

AdditionPolymerization

Berat Molekul dan Derajat PolimerisasiPengaruh berat molekuldan derajat polimerisasi

pada kekuatan danviskositas dari polimer

P Polimerisasi adalah proses kimiawi yang digunakanuntuk merangkai monomer menjadi polimer dalamunit yang berulang, sehingga molekulnya menjadilebih panjang dan lebih besar.

P Jenis proses polimerisasi:< Condensation (step-growth, step-reaction):

pertumbuhan molekul polimer dilakukan secara bertahapsampai seluruh reaktan habis.

< Addition (chain-growth, chain-reaction):pertumbuhan molekul polimer dilakukan secara simultansehingga prosesnya lebih cepat dibandingkan prosesaddition.

P Berat molekular dan distribusi berat molekularmempengaruhi sifat-sifat polimer.

P Derajat polimerisasi adalah perbandingan antaraberat molekul polimer dengan berat molekul dari unitperulangannya.

P Ikatan dalam proses polimerisasi: ikatan kovalen(ikatan utama) dan ikatan kedua seperti ikatan Vander Waals, ikatan hidrogen dan ikatan ionik

Rantai Polimer

Ilustrasi rantai polimer: (a) Struktrul linier-thermoplastics seperti acrylics, nylons,polyethylene, polyvinyl chloride mempunyaistruktur. (b) Struktur bercabang, seperti padapolyethylene. (c) Struktur silang (Cross-linked) --kebanyakan karet atau elastomer mempunyaistruktur jenis ini, dan vulkanisasi dari karet akanmenghasilkan struktur ini. (d) Struktur jaringan(Network), yang sebenarnya merupakan strukturdengan persilangan banyak/tinggi sebagaicontoh thermosetting plastics, seperti epoksi danphenolics.

Sifat Polimer

Sifat polimer sebagai fungsi temperatur dan (a) derajat kristalisasi dan (b) struktursilang. Kombinasi sifat elastis dan viskous pada polimer dikenal sebagaiviskouselastisitas.

Kristalisasi

Daerah amorphous dan crystalline di dalampolimer. Daerahcrystalline (crystallite)mempunyai susunanmolekul yang teratur. Semakin tinggi kristalisasi,polimer akan semakinkeras, kaku, dan menurunkeuletannya.

Volume Spesifik sebagai Fungsidari Temperatur

Volume spesifik polimer sebagai fungsidari temperatur. Polimer amorphous,seperti acrylic dan polycarbonate,mempunyai temperatur transisi kaca,Tg, tetapi tidak mempunyai titik lelehspesifik, Tm. Sebagian polimer kristal,seperti polyethylene dan nylons, akanmenyusut dengan tajam saat melaluitemperatur lelehnya pada waktupendinginan.

Temperatur Cair dan Transisi-Kaca pada Beberapa Polimer

Kegetasan polimer amorphous pada temperatur di bawah temperaturglass-transition dapat dikurangi dengan mencampurkan (padaumumya) sejumlah kecil elastomer. Polimer jenis ini biasa disebutsebagai rubber modified polymers.

Sifat Plastik

Termoplastik: bersifat lunak danmudah dibentuk pada temperaturtinggi, kembali ke sifat-sifat asalsetelah dipanaskan.Termoset: mempunyai rantaipolimer berbentuk cross-link,bersifat tidak menjadi lunakwalaupun temperatur dinaikkan,lebih rigid dan keras dibandingkantermoplastik serta hanyamempunyai pilihan warna yangsedikit.

Terminologi umum untukmendeskripsikan 3 jenissifat plastik. PTFE(polytetrafluoroethylene)mempunyai nama dagangTeflon. Source: R. L. E.Brown.

Pengaruh Temperatur

Pengaruh temperatur terhadap kekuatan impakpada berbagai plastik. Perubahan temperaturyang kecil mempunyai pengaruh yang significantpada kekuatan impak. Source: P. C. Powell.

Pengaruh temperatur pada kurva stress-strain pada cellulose acetate, suatuthermoplastic. Perhatikan adanyapenurunan kekuatan yang besar dankenaikan ductility dengan kenaikantemperatur yang relatif kecil. Source:After T. S. Carswell and H. K. Nason.

Perpanjangan(a) Kurva Beban-Perpanjangan untuk polycarbonate, suatuthermoplastic. Sumber:R. P. Kambour and R.E. Robertson. (b)Spesimen uji tarik High-density polyethylene,memperlihatkanperpanjangan yangseragam (bagian yangpanjang dan diameterkecil pada spesimen).

Bahan AditifP Agar didapatkan polimer yang mempunyai karakteristik tertentu, kadangkala

ditambahkan bahan aditif pada polimer. Bahan tersebut antara lain:< Plasticizers: ditambahkan untuk mendapatkan fleksibilitas dan kelunakan polimer

dengan cara menurunkan temperatur glass-transition. Contoh penggunaan adalahpada PVC.

< Carbon black: ditambahkan pada polimer untuk menyerap sinar ultraviolet yangdapat menyebabkan polimer mengalami degradasi dan menjadi kaku serta getas.

< Antioxidants: ditambahkan untuk melindungi polimer dari terdegradasi karenaoksigen.

< Filler: sebagai elemen pengisi pada polimer yang dapat menurunkan ongkospolimer secara keseluruhan selain dapat menambah antara lain kekuatan,kekerasan, ketangguhan, ketahanan terhadap abrasi, penyestabil dimensi polimer.Serbuk gergaj, tepung mika, tanah liat, talk, kalsium karbonat dan selulosa adalahfiller yang biasa digunakan.

< Colorants: ditambahkan untuk mendapatkan berbagai macam warna bagi polimer. < Flame retardants: digunakan untuk mengurangi sifat mudah terbakar polimer.< Lubricant: ditambahkan pada polimer untuk mengurangi gesekan selama polimer

diproses menjadi sebuah produk atau mencegah bahan polimer melekat padacetakan. Bahan yang biasanya digunakan sebagai pelumas adalah minyak biji rami,minyak mineral dan likin (alami atau sintetik).

Rekomendasi Umum Produk Plastik

Sifat-sifat Umum Termoplastik

P Acetals (acetic - alcohol): mempunyai kekuatan, kekakuan serta ketahanan terhadapcreep, abrasi, uap, panas dan bahan kimia yang baik.

P Acrylics (polymethylmethacrylate, PMMA): mempunyai kekuatan yang cukup, sifatoptik yang baik, tahan terhadap cuaca, bersifat transparan dan secara umum tahanterhadap bahan kimia dan mempunyai tahanan elektrik yang baik.

P Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS): mempunyai dimensi yang stabil dan rigid,mempunyai kekuatan, ketangguhan dan ketahanan impak, abrasi dan kimia yangbaik. Mempunyai sifat-sifat yang baik pada temperatur rendah dan tahanan elektrikyang tinggi.

P Cellulosics: mempunyai sifat mekanik yang tergantung pada komposisinya. Dapatdibuat menjadi rigid, kuat dan tangguh, akan tetapi tidak tahan cuaca sertaterpengaruh panas dan bahan kimia.

P Fluorocarbons: mempunyai ketahanan terhadap temperatur tinggi, bahan kimia,cuaca dan elektrik yang baik, selain mempunyai sifat nonadesif yang unik dangesekan yang rendah.

P Polyamides: < Nylons: mempunyai sifat mekanik dan ketahanan abrasi yang baik, self-lubricating dan tahan terhapad

hampir semua bahan kimia. Keburukannya adalah menyerap air (hydroscopic) yang dapat mengurangisifat-sifat mekanik dan meningkatkan ukuran produk.

< Aramids: mempunyai kekuatan tarik dan kekakuan yang sangat tinggi.

Sifat Umum Termoplastik(Lanjutan)

P Polycarbonates: mempunyai sifat mekanik dan elektrik yang baik,katahanan terhadap impak yang tinggi serta dapat dibuat tahan terhadapbahan kimia.

P Polyesters: mempunyai sifat mekanik, listrik, dan kimia yang baik;ketahanan abrasif baik, dan koefisien gesek rendah. Untuk rodagigi, cam,roller, elemen bantalan, pompa, dan komp. Elektromekanik.

P Polyethylene: mempunyai sifat elektrik dan kimia yang baik. Sifat mekanikplastik ini tergantung pada komposisi dan struktur. Jenisnya adalah LowDensity (LDPE), High Density (HDPE) dan ultra-high-molecular weight(UHMWPE).

P Polyimides: plastik yang mempunyai struktur termoplastik akan tetapimempunyai karakteristik non-melting seperti termoset.

P Polyvinyl chloride (PVC): mempunyai sifat-sifat yang luas, murah dantahan terhadap air, serta dapat dibuat menjadi rigid atau fleksibel. Tidaksesuai digunakan untuk produk yang membutuhkan kekuatan dan ketahanterhadap panas.

Sifat-sifat Umum Termoset

P Alkyds (alcohol - acid): mempunyai sifat isolator listrik,ketahanan impak, stabilitas dimensi yang baik danpenyerapan air yang rendah.

P Aminos (urea - melanine): mempunyai sifat-sifat yangtergantung pada komposisinya.Secara umum bersifat keras,rigid dan tahan terhadap abrasi, creep dan bunga api listrik.

P Epoxies: mempunyai sifat-sifat mekanik dan elektrik yangsangat baik, mempunyai stabilitas dimensi yang baik,mempunyai daya rekat yang kuat dan tahan terhadap panasdan bahan kimia.

P Phenolics: meskipun bersifat getas akan tetapi mempunyaikesatabilan dimensi dan kerigidan yang baik, mempunyaiketahan terhadap panas, air, listrik dan bahan kimia yangbaik.

Sifat Umum TermosetP Polyesters: mempunyai sifat-sifat mekanik dan elektrik

yang baik. Pada umumnya digunakan bersama-samadengan serat gelas atau lainnya untuk memperkuat.

P Polyiimides: mempunyai sifat-sifat mekanik, fisik danelektrik yang baik pada temperatur tinggi. Mempunyaiketahanan terhadap creep yang baik, mempunyai tingkatgesekan keausan yang rendah. Mempunyai karakeristiknon-melting sperti termoset akan tetapi mempunyaistruktur seperti termoplastik.

P Silicons: mempunyai sifat-sifat yang tergantung padakomposisinya. Secara umum mempunyai ketahanterhadap cuaca yang baik, tahan terhadap bahan kimiadan panas.

PLASTIK BIODEGRADABLEPada umumnya produk plastik terbuat dari polimer sintetik yang

berasal dari sumber alam yang tidak dapat diperbaharui. Akibatnyaproduk plastik yang dihasilkan tidak dapat diolah oleh mikroba dansulit untuk didaur ulang setelah produk plastik tidak berguna lagi.

P Jenis-jenis plastik biodegradable:< Sistem berbasis zat tepung (starch-based): butir-butir zat tepung yang berasal

dari kentang, beras, jagung dan gandum diproses menjadi bubuk, kemudiandipanaskan dan diubah menjadi cairan yang lengket. Cairan ini kemudiandidinginkan dan dibentuk menjadi pelet untuk selanjutnya diproses sepertiproses pada plastik. Beberapa bahan aditif dan perekat juga ditambahkan untukmemberikan karakteristik khusus terhadap bahan ini.

< Sistem berbasis laktat (lactic-based): fermentasi bahan makanan akanmenghasilkan asam laktat yang dipolimerisasikan menjadi resin polyester.

< Fermentasi gula: asam organik ditambahkan pada gula dan denganmenggunakan proses khusus, akan dihasilkan polimer dengan kristal yang tinggidan sangat kaku. Bila polimer ini diproses lebih lanjut akan didapatkan polimeryang serupa dengan polimer yang dibuat dari minyak bumi.

Kurva Beban - Perpanjanganuntuk Karet

Contoh kurva beban-perpanjangan untukkaret. Lop searah jarum jam, menyatakanlintasan saat pembebanan danpenguranan beban, memperlihatkanhysteresis loss. Hysteresismemungkinkan karet mempunyaikemampuan disipasi energi, meredamgetaran, dan menyerap beban kejut,seperti diperlukan di ban mobil dan diperedam getaran yang diletakkan dibawah mesin-mesin.

Elastomer (Karet)Elastomer (karet) adalah polimer amorphous yang

mempunyai termperatur glass-transition yang rendah.Bersifat lunak, mempunyai modulus elastisitas yangrendah dan dapat mengalami deformasi elastis yang

besar tanpa mengalami rupture.P Jenis-jenis elastomer:

< Karet alam: berasal dari pohon karet yang diambil getahnya (lateks).Mempunyai ketahanan abrasi, fatik dan gesekan yang baik serta ketahananterhadap minyak, panas, ozone dan cahaya matahari yang rendah. Biasadigunakan untuk ban, seal, tumit sepatu atau kopling.

< Karet sintetik: mempunyai sifat-sifat yang lebih baik dibandingkan dengan karetalam, yaitu ketahanan terhadap panas, bensin dan bahan kimia yang lebih baikserta dapat digunakan untuk berbagai macam temperatur.

< Silikon: dapat digunakan pada temperatur tinggi (di atas 315 0C) akan tetapimempunyai kekuatan dan ketahanan terhadap keausan dan minyak lebihrendah dibandingkan dengan elastomer yang lain.

< Polyurethane: mempunyai kekuatan, kekakuan dan kekerasan yang tinggi sertaketahanan terhadap abrasi, pemotongan dan sobekan yang sangat baik.

Sekian!

1: Polimer: Sifat-sifat Umum dan Aplikasinya 2: Karakteristik Polimer 3: Daerah Sifat-sifat Mekanik untuk Berbagai Plastik 4: Pendahuluan 5: Struktur Polimer 6: Struktur Polimer 7: Polimerisasi 8: Berat Molekul dan Derajat Polimerisasi 9: Rantai Polimer 10: Sifat Polimer 11: Kristalisasi 12: Volume Spesifik sebagai Fungsi dari Temperatur 13: Temperatur Cair dan Transisi-Kaca pada Beberapa Polimer 14: Sifat Plastik 15: Pengaruh Temperatur 16: Perpanjangan 17: Bahan Aditif 18: Rekomendasi Umum Produk Plastik 19: Sifat-sifat Umum Termoplastik 20: Sifat Umum Termoplastik 21: Sifat-sifat Umum Termoset 22: Sifat Umum Termoset 23: PLASTIK BIODEGRADABLE 24: Kurva Beban - Perpanjangan untuk Karet 25: Elastomer (Karet) 26: Sekian! 27: Blank Slide