Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi JJlSerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

KARAKTERISITIK TERMAL KOPOLIMERKARET ALAM -STIRENA5,36

\~

Marga Utama1, Marsongkol, lndratmoko B.S}, Evi B.3IPusat Aplikasi Isotop dan Radiasi-BATAN, Jakarta.

2Pusat Penelitian dan Pengembangan Fisika Terapan -LIPI, Bandung.JPusat Penelitian Sains Materi -BATAN, Puspitek Serpong.

J-ABSTRAK

KARAKTERISITIKTERMAL KOPOLIMER KARET ALAM STIRENA. Kopolimerkaretalam stirenayangdenganteknik iradiasi pada kadar monomer 50. 75. dan 100 psk (per seratus bagian berat karet), serta pada dosis iradiasi 15,30, dan 45kGy telah diuji karakteristik tennalnya dengan alat TGA, DTG, DTA, dan DSC. Temyata dengan menggunakan alat TGA,DTG, DTA. dan DSC tersebut dapat dibuktikan bahwa kopolimer karet alam stirena merupakan elastomer tennoplastik denganrincian sbh. Termogram TGA muncul 3 fraksi yang terjadi pada kopolimer karet alam-stirena (KA-S), sedang dengan tennogramDTC, muncul 4 sampai 8 fraksi kopolimer KA-S tergantung pada dosis iradiasi yang diserapnya. Di samping itu ada indikasibahwa dengan naiknya kadar monomer. energi aktivasi pada konversi 50% berat kopolimer KA-S yang terjadi menurun. Denganmenggunakan alat DSC dan DTA ditunjukkan bahwasuhu gelas transisi kopolimer KA-S adalah -65,7°C, dengan suhu pelunakanantara 120 -220°C dan suhu puncak dekomposisi endotermik antara 397-400°C.

ABSTRACT

THE CHARACTERISTIC OF NATURAL RUBBER STYRENE COPOLYMER. Natural rubber-styrene copolymerpreapared by irradiation technique with the concentration of styrene 50. 75, and 100 phr (part hundred ratio of rubber), at theirradiation dose of IS. 30, and 45 kGy has been tested the thermal characterization with TGA, DTG, DTA, and DSC apparatus.The results showed that by using TGA, DTG,DTA, and DSC apparatus, the natural rubber-styrena copolymers can be provedas therrnopla,.,tic elastomer with the detail as follow: TGA terrnogram, it indicates that 3 fractions ofNR-S copolymers occur,but by using tennogram of DTG there are 8 fractions occur. By increasing concentration of stirene activation energy at 50%convertion of NR-S copolymer increases. By using DSC and DTA indicate that NR-S coplolymer have softing point between120-220"C and the maximum cndotennic heat decomposition temperature is around 397-400.C

PENDAHULUAN

A.D. THORN [1], melaporkan bahwa secara wnwnelastomer tennoplastik SBS (stirena-butadiena- stirena),atau SIS(stirena isoprena stirena), mempakan triblokk~limeryang mempunyai skemaseperti GaInbar 1. Darigambar ini ditunjukkan bahwa polistirena mempakanpolimer yang bersifat tennoplastik yaitu mempunyai titikleleh (Tm) 240"C, clan titik trasisi gelas (Tg) 80-90"C,sehingga apabila dipanaskan di atas suhu 240"C, maka

polistirena mulai meleleh (2). Padakeadaan ini polimertersebut dapat dibentuk, kemudian setelah didinginkanmaka akan membeku kembali. Butadiena atau isoprenatidak mempunyai titik leleh sehingga tidak dapat dicetakulang, namun demikian setelah dibuat blok kopolimerdengan stirena, maka sifat stirena yang dapat dicetakulang ini dapat mempengaruhi sifat butadiena, akibatnyakopolimer tersebut dapat didaur ulang. Sementara ituSHALABY W.SHALABY [2] melaporkan bahwakopolimer poliisoprena stirena yang berberat molekulljuta mempunyai suhu gelas transisi -75°C daD 101°C,sedang polibutadiena -70°C. Dari data ini menunjukkanbahwa elastomer termoplastik yang berasal dari kopolimermempunyai 2 suhu transisi gelas yaitu suhu di bawahdaD di alas Dol derajat Celsius.

Selanjutnya CHARLES P. RADER [3]menatnoohkan bahwa mekanisme pembentukan film padaproses daur ulang adalah sebagai berikut: apabilaelastomer termoplastik tersebut dipanakan maka daerahyang bersifat keras (polistirena) akan meleleh daDmelepaskan diri dari ikatan yang terjadi antara fraksi kerasdaD Fraksi lunak, akibatnya dalam keadaan panas

~~~~:~~~~ V3'~::); @/~-"(c~~{f~c ~~) ( .

V-'-Z2::~-J::~~~-s .'-"""110", '\." "",:,"":,:;. ",..," "'PRt"" -

Gamhar I Skema hentuk elastomer termoplastik SBSdan SIS menurut R.P.QUIRK dkk. yang dikutipoleh THRON [I).

Prosiding Perlemuan llmiah Sains Materi I/lSerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

elastomer tennoplastik ini dapat dibentuk. Dalam upaya

pembuatan elastomer tennoplastik karet alam stirena

dengan metode kopolimerisasi radiasi, pada naskah

terdahulu [4) telah dilaporkan bahwa pada umumnya

kopolimer lateks karet alam stirena walaupun disimpanselama 6 bulan, asal dalam ruangan bersuhu 25-30°C

dalam keadaan tertutup rapat, maka lateks tersebut masih

stabil kualitasnya. Sementara itu untuk mendapatkan film

karet yang bertegangan polus maksimum sebesar 26 MPa,

maka diperlukan kadar stirena 50 psk, dengan dosis

iradiasi 30 kGy. Di samping itu kopolimer tersebut dapat

didaur ulang dengan tegangan polus menurun menjadi9 MPa. Hal iru mem1:M.Jktikan ballwa ko(X)limer lateks karet

alam dapat bersifat elastomer termoplastik karena

ko(X)limer karet alam tersebut dapat dicetak/didaur ulang

walaupun tegangan putusnya menurun drastis [5].

Berdasarkan data tersebut maka dalam makalahiru akan dibuktikan bahwa kopolimer karet alam stirena

bersifat elastomer tennoplastik melalui sifat tennalnya

yaitu adanya suhu transisi gelas, daD suhu pelelehan

dengan menggunakan alat DTA, DSC, serta terjadinya

reaksi kopolimerisasi dengan menggunakan alat TGA,

dan DTG.

Hila suatu bahan polimer dipanaskan, maka padasuhu tertentu berat bahan tersebut mulai berkurang.Dengan mengukur berkurangnya bernt ini maka didapatkurva hubungan antara suhu pemanasan denganpersentase berkurangnya berat. Dengan menggunakankurva ini, maka dapat diramalkan tentang adanya reaksikimia, dekomposisi, daD besamya energi aktivasi bahantersebut. Gambar 2 menyajikan kurva TGA dari karet

iOcf'.~;:~~-;::.~' --".--::::' ~_. , ". , , \ .

\ \.\ i

I\ ,ii1

..:!. 50~"'~UI

;:;---KA.;..;-,.- P S

"'~p KAS , ,\ '\ \

" I '. \oo ~:;;~~;~~~~=" ". P$ ',,~x.3"

YOo==it)O'~do'~-~J.OO .' 0 '-'&00'

5""" pc"..".,.."..(;

Garnbar 2, Kurva TGA karet alarn (KA), polistirena (PS),

dan kopolimer karet alam stirena

(Kop,KAS),

BAHAN DAN METODEalam, polistrirena, dan kopolimer karet alam polistirena.Dari kwva tersebut menunjukkan OOhwa kurva penurunanberat PS setelah suhu 420 .C, lebih tajam daripada kurvakaret alamo Hal ini mencirikan bahwa suhu dekomposisiatau degradasi polistirena lebih cepat daripada karetalam. Sedang pada kopolimer karet alam stirena mengalamitiga lekukan (belokan) yaitu pada suhu antara 341-380 .C, 380-420 .C, clan pada suhu antara 420-490 .C. Halini mencirikan bahwa berdasaJi{an suhu dekomposisinyamaka kopolimer karet alam stirena yang terjadi daTiadanya proses kopolimerisasi radiasi muncul 3 fraksi.Diduga ketiga fraksi tersebut adaIah karet alam, kopolimerkaret alam stirena, clan homopolimer polistirena.Selanjutnya hubungan antara energi aktivasi dengankandungan stirena dalam kopolimer karet alam tertera diGambar 3. Gambar ini menunjukkan OOhwa secara umumenergi aktivasi karet alam lebih tinggi daripada kopolimerkaret alamo Hal ini mencirikan bahwa kopolimer karet alamlebih mudah didegradasi daripada karet alamo Penurunan

Bahan. Lateks karet alam dari perkebunan PasirWaringin Serang Jawa Barat, Monomer stirena teknisbuatan Jepang daD sabun anionik.

Alat. lradiator panorama galla Cobalt-60 buatanIndia. DTG, DSC daD TGA buatan Shimatzu, DSC 910buatan Dupont Instruments, daD STA (DTA- TGA) TAG24 S, buatan Setaram, serta neraca buatan Metler Toledodengan ketelitian 0.1 rniligram.

Metode. Dua tahap penelitian telah dilakukan,yaitu pembuatan kopolimer lateks karet alam stirena daDanalisis termal film karet yang dihasilkan.

Pembuatan kopolimer lateks karet alamo Satuliter lateks karet alam berkadar karet kering sekitar 300/0,dicampur dengan emuJsi stirena saInpai kadar stirenanya50. 75, daD 100 psk (per seratus bagian berat karet).Kemudian kopolimer lateks karet alam-stirena yangdihasilkan diuji sifat terrnalnya.

Analisis termal. Kopolimer lateks karet alamdituangkan di atas permukaan kaca yang horisontalsampai kering udara. Film karet dari kopolimer latekskaret alam stirena yang diproses dengan kadar monomerdaD dosis iradiasi berbeda, ditimbang sebanyak 5 rug,diletakan di dalam wadah khusus dari alat TGA, DTGatau DSC. daD DT A. Setelah peralatan tersebutdioperasikan. maka dengan menggunakan termogramyang dihasilkan dapat dievaluasi sifat termalnya.

BASIL DAN PEMBABASAN 0 10 20 30 40 .sO 60 10 80

Energi aktivnsi kJcaUg.

Gambar 3. Energi aktiva~i karet alam, kopolimer karetalam stirena, dan polistirena

TGA (Thermogravimet,:v analysis'

Marga Utama dkk. ,277

Prosiding Pertemuan llmiah ,~ain,\' Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

energi aktivasi ini diduga karena proses kopolimerisasiradiasi menunmkan energi ikat antar molekul.

pada campuran karet alam dan stirena (Gambar 4 B) adadua puncak yaitu pada 363,9 .C yang menunjukkanadanya stirena, daD pada 374,2 .C yang menunjukkanadanya karet alamo Selanjutnya apabila dosis iradiasiditingkatkan menjadi 30 kGy, rnaka termogram DTG nyamenunjukkan 6 suhu puncak kehilangan berat, daD biladosis iradiasi ditingkatkan lagi menjadi 45 kGy, maka padatermogram DTG nya akan didapat 8 suhu puncakkecepatan kehilangan berat (Gambar 5). Hal ini mencirikartbahwa fraksi-fraksi di dalam kopolimer karet alammeningkat dengan meningkatnya dosis iradiasi. Apabiladiasumsikan bahwa pada dosis iradiasi 45 kGy sudahterjadi reaksi sempuma, maka didugaada 8 frnksi (Gambar6) barn yang muncul yaitu poliisopren karet alam (Gambar6A), poliisopren karet alam yang saling berikatan silang(Gambar 6B), kopolimer tempel stirena pada poliisoprenkarCtalam (Gambar6C), kopolimerstirena berikatan silangpada poliisopren karet alam (Gambar 6D), kopolimertempel stirena pada poliisopren karet alam yang salingberikatan silang (Gambar 6E), kopolimer tempel stirenaberikatan silang pada poliisopren karet alam berikatan

silang (Gambar 6F), homopolimer polistirena tinier(Gambar 6G), daD homopolimer polistirena salingberikatan silang (Gambar 6H), dengan catatan bahwasemua fraksi tersebut dinamakan kopolimer lateks karetalam stirena.

DTG (Derivativ thermogravimetry).

Menurut MAUBER 1.1.[6), kecepatanberkurangnya berat akibat pemanasan suatu bahanmerupakan parameter penting untuk mengetahuikecepatan dekomposisi suatu bahan. Denganmenggtmakan termogrnm ini da(Bt diketahui jumlah fraksisuatu bahan baik secara kualitatif maupun kuantitatif.

Gambar 4 menunjt)kkan termogrnm DTG karet a1am(Gambar 4 A), campuran karet aIam clan stirena (Gambar4B), kopolimer karet aIam-stirena berdosis iradiasi 15kGy (Gambar 4C). Dari termogram- termogram tersebutda(Bt dibuktikanbahwa campuran karet alam clan stirenaapabila diiradiasi dengan sinar gamma cobalt-60 padadosis iradiasi 15 kGy, akan terjadi reaksi kopolimerisasi.Karenatermogrmll yang dihasilkan menunjukkan 4 suhupuncak kecepatan kehilangan berat (Gambar 4C) yaitupada 362,2"C, 373,2 °C, 381,9 °C, dan pada suhu 420,3 °C,sedang pada karet alam hanya mempunyai satu subupuncak yaitu pada 373, 1°C (Gambar 4A), sementara itu

Al lI..

(£) 0 0--Tr-- 00000o00-R

00000000 ~

n

0:tI:

0'f\Ti

" /..~ b

I v, 0 0

~+

& 0

'\1/ ! 7-~!;

\\,,-\

,=::.-3CO 500

Or'

-pol;i..."",, ."., ,I,.0"'; ,ti,".,

Gambar 6. Jenis fraksi yang diduga ada pada kopolimerkaret alam stirena dengan dosis iradiasi 45

kGy.Gambar 4. Hubungan antara subu pemanasan terhadap

kecepatan berkurangnya berat karet alam(A). campuran karet alam dan stirena (8),kopolimer karet alam stirena (C) yangdiproses pada dosis iradia..i 15 kayo

Di samping itu acta kecenderungan pula bahwaapabila dosis iradiasi dinaikan, maka kopolimer karet alamyang dihasilkan hila dipanaskan pacta subu 320°C, mula-mula kehilangan beratnya meningkat, tetapi setelah 60detik, kecepatan berkurangnya berat menurun (Gambar

,0./

.:.~0)u:1.,.,~

~~;,:

...~

9/ ~~::;:,~~OJ)~

~u~

.~

0 15 30 .15

Disis ir,..diasi.kG)'.

Gambar 7. Pengaruh dosis iradiasi terhadapkecepatan berkurangnya berat setelahdipanaskan pada suhu 320°C

Gamhar 5 Pengaruh dosis iradiasi terhadap jumlahpuncak suhu kecepatan berkurangnya berat

pada proses kopolimer lateks karet alamstirena.

Marga Utama dkk.278

0--.-r::r.~b h

(,

~,-'"I.."! I

."'i l."

~ I

Prn.\'iding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong. 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

v0

.~°V;8-E0

:g

A~~~' 09'/' 0/' 1\ 0" .0

0' /

~o.,' /'.c., ./.

7). Hal ini disebabkan karena meningkatnyafraksi-fraksiyang ada di dalam kopolimer karet alam yang terjadiseperti tersebut diatas.

DTA (Differential Thermal Ana(v.\is).

Parameter penting yang dapat disajikan denganmenggunakan alat DT A untuk identiflkasi polimer adalahperbedaan suhu antara sam pel (Ts) dengan suhureferensi (Tr). Data yang disajikan berupa kurvaeksotermis daD endotennis yang menggambarkan adanyasuhu pengtlapan. suhu pelelehan. daD suhu dekomposisi.GaInbar 8 menunjukkan kurva DT A dari karet alam (KA),polistirena (PS) daD kopolimer karet alam-striena(Kop.KAS). Ternyata dengan meningkatnya suhupemanasan dari 30°C sampai dengan 140°C kopolimerkaret alam stirena cenderung ke arah endotermis. Hal inimcncirikan bahwa peningkatan suhu yang diserap olehsetiap molckul digtmakan untuk bergerak. sehinggajarak

~ .1?(1 ,I

3 ~ "'"""- t.= .V~op. ,A-st"rcna=, / I~ )~n 'l ()rS hasil polimeri=-§ I bdlli l';Jdi..Sl.cn 370 J .01'$ konvel1~i~I!.d 1

0 10 20 )0 40

Gambar 9. Pengaruh kecepatan pemanasan terhadapsuhu puncak dekomposisi

tajam daripada polistirena baik yang diolah dengan teknikradiasi, maupun dengan teknik panas dan katalis.

DSC (Differential Scanning Colometry).

Berbeda halnya dengan DTA. pada DSCparameter penting yang dapat diungkapkan adalahperubahan enthalpi (dH/dt) yang diserap oleh cuplikandengan referensi. Kaloryang diserap merupakan energiuntuk melelehkan bahan, sehingga dapat diketahui kalorpelelehan (H) atau bentuk transisi gelas (Tg). Gambar 10menyajikan kurva DSC karet alam daD kopolimer karetalam stire~na. Temyata dengan menggunakan kurva DSCini memperkuat dugaan bahwa kopolimer karet alamstirena merupakan elastomer termoplastik, karena nampakpada suhu 140°C terjadi adanya kurva endoterm yangcukup tajam yang menunjukkan adanya pelelehan ataupelunakan. Lain halnya pada karet alam yang tidakmenunjukkan adanya kurva tersebut. Selanjutnya bilasuhu ditingkatkan lagi sampai 399°C, maka nampakadanya puncak suhu dekomposisi daTi bentuk padatmenjadi gas.

Gambar 10 menunjukkan pula bahwa suhu transisigelas kopolimer lateks karet alam adalah -65.7°C, sedangpada lateks alam adalah -67°C. Hal ini membuktikanterjadinya kompatibilitas antara karet alam dan polistirena.Menurut KRAUSE SPROSJO K.,dkk (7] penurunan titik

,(

'5:., KA

~.~~

'--~,y-"om...,.." "C

Gambar 8. Kurva DTA karet alam (KA), polistirena (PS),dan kopolimer karet alam !'tirena (Kop. KAS)

antarn molekul makin jaull, akibatnya OOhan menjadi lroihlunak. Pada keadaan lunak ini yaitu daTi 140 sid 220 'C,baik stirena atau kopolimer karet alam stirena dapatdibentuk.

Suhu 220-300'C, kurvaKA (karetalam)cenderungke arall eksoterm. tetapi kurva kopolimer karet alam masihke arall endoteml. Hal ini menunjukkan OOhwa karet alammulai degradasi atau dekomposisi, sedang kurvapolistirena relatip mendataryang mencirikan bahwa padasuhu tesebut semua kalor masih digunakan untukmelunakan polistirena, sementara itu pada kopolimerkaret alam terjadi pelunakan kedua. Pada suhu 3200'Cmulai terjadi dekomposisi termal (isotermal) kopolimerkaret alam stirena dari bentuk padat ke bentuk gas, bahkanpada suhu isotermal sekitar 420'C hampir semuakopolimer berubah menjadi gas. Di samping itu adakecenderungan bahwa suhu puncak dekomposisimeningkat dengan meningkatnya kecepatan pemanasan,baik pada kopolimer karet alam stirena, maupun padapolistirena (Gambar 9). Hanya saja meningkatnya suhupuncak dekomposisi kopolimer karet alam stirena lebih

e~..0!IIX'"

i

-.." ..y""'.'"

~:~:?~:~::'f,'.4~, '"

3"-:1(1 ~ -i~a~ -~ ::A~-_.

""m.p-_.d,Gambar 10. Kurva DSC karet alam (KA), dan kopolimer

karet alam stirena (Kop. KA)

Marga Utama dkk. 279

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

Dengan menggunakan terrnogrnm DT A dan DSCdapat dibuktikan bahwa kopolimer lateks karet dapatbersifatelastomer terrnoplastik, dengan titik gelas transisi-65,7 daD suhu pelunakan antara 120°- 220°C.

DAFTARPUSTAKA

gelas transisi menunjukkan adanya kompatibilitas antaradua bahan yang dicampurkan. Jadi dengan adanyairadiasi pada lateks karet alam yang dicampur denganstirena dalarn bentuk emulsi, maka terjadi kompatibilitasantara karet dan stirena,yang dapat menyebabkan reaksikopolimerisasi. Di samping itu ada kecenderunganbahwa dengan naiknya kadar stirena dalam kopolimerkaret alam, kalor dekomposisi ( Llli) meningkat (Tabell).Hal ini membuktikan bahwa karet alam stirena yangdiproses pada kadar stirena dan kecepatan dosis radiasiberbeda. Kopolimer karet alam-stirena lebih mudah

didegradasi daripada polistirena. Sedang dengannaiknya kecepatan dosis iradiasi pada kadar stirena 50psk, kalor penguapan menurun, tetapi pacta kadar stirena100 psk kalor pengtlapan meningkat, sementara itu nilai

Tabel f Nilai suhu puncak penguapan (Ti) dan kalor

penguapan (~Hi) kopolimer karet alamdengan berbagai kadar stirena sebelum dansesudah di daur ulang.

.ebelum

daur ufang

daur ulang

IX

dour ulang

2XKadar ."tircD:I,psk

Ti c,H Ti 6H Ti 6H

~O

(00

Polistirena

:199 252

:199 :17:1

:lRR 68R

398

397186

367

397397

202311

Tahel 2. Nilai suhu puncak penguapan (Ti) dan kalor

penguapan (DHi) kopolimer lateks.

Kecepal

Kecepaliradiasi.

Kadar stirena. osk.

50 100

(1]. THORN A.D., ThennoplasticElastomer, Rubber andPastic Association of Grat Britein,England (1980).

(2]. SHALABY W. SHALABY and HARVEYE.BAIR, Block copolymersand polyblends, dalamThennal Characterisitic of Polymeric Materials,Edited by EDIffi A. T., Academic Press, Inc.,London (1981) 365.

(3]. CHARLES P.R., Chemistry and morphology ofthennoplastic elastomers, Rubber & PlasticsNews, (October 1992)63.

(4]. MARGA ,UTAMA, KADARIJAH,HERWINARNI, MADE SUMARTI,AURING,EVI.H., dan MARSONGKO,"Pembuatanelastomer termoplastik dengan metodekopolimerisasi radiasi II seleksi monomer",Prosiding Simposium Nasional Polimer HPI, Jakarta(1995)183.

[5]. MARGA UTAMA, MARSONGKO,PRAMONO NUGROHO, Pembuatan elastomerthennoplastik II; Kualitas kopolimer lateks karetalam stirena, Simposium Nasional Polimer, HPIBogor, 8 Juli 1998.

(6]. MAURER J.J., Thennal characteristic of elasto-mers,dalam Thennal Characteristic of. PolymericMaterials, Edited by EDITH A. T., AcademicPress Inc. ,London (1981) 572.

(7]. PRISJO HEITAOJA, MARKKU HEINO,TOMMI VAINIO, JUKKA SEPPALA, Com-patibilizatioftofPP/PBT and PP/PA6 biens with anew oxazoline functiona1ized polypropylene,Polymer Bulletin, VoI.37 (1996) 353.

Ti !!Hi Ti L\Hi

399

397

251

246

400

401

375

38310

suhu puncak dekomposisi relatip sarna (TabeI2). Hal inimembuktikan bahwa baik kadar stirena maupun ke-cepatan dosis radiasi berpengaruh nyata terhadap kalorpenguapan, tetapi tidak berpengaruh nyata terhadapsuhu pengtlapan.

KESIMPULAN

Dari uraian tersebut di alas dapat disimpulkanbahwa dengan menggunakan termogralll TGA dan DTGdapat dibtlktikan tetjadinya proses kopolimerisasi radiasistirena ke dalam lateks karet alamo Termogram TGAkopolimer karet a.lam stirena menunjukkan adanya 3fraksi, sedang dengan termogram DTG menunjukkanadanya 4,6 daD 8 fraksi tergantung pada dosis iradiasiyang diserapnya. Sementara itu ada kecenderunganbahwa energi aktivasinya pada konversi 50% menunmdengan naiknya kadar stirena dalam kopolimer.

Marga Utama dkk.280

an dosis

an dosis

kg/jam.