material polimer dan elastomer1

Material Polimer danElastomer3 sks

Hands-out Kuliah

Dr. Eko Marsyahyo, ST., MSc

Prodi Teknik Mesin S-1Fakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Nasional MalangMaret 2010

Daftar Isi

BAGIAN I. PENDAHULUAN1. Sinopsis mata kuliah MPE2. Sistem informasi bahan teknik3. Contoh kelompok bahan teknik4. Gambaran umum sifat mekanis bahan teknik5. Ciri dan perilaku mekanis umum material polimer dan elastomer6. Tugas MK I mendaftar sifat-sifat umum bahan teknikBAGIAN II.KLASIFIKASI MATERIAL POLIMER DAN ELASTOMER1. Klasifikasi berdasarkan sumber asal bahan2. Klasifikasi berdasarkan ilmu kimia molekular3. Perbandingan termoplastik dan termoset4. Proses produksi bahan polimer/plastik5. Bahan katalisBAGIAN III. PERILAKU MEKANIS BAHAN POLIMER1. Pengaruh temperatur terhadap perilaku mekanis2. Model patahan bahan polimer3. Deformasi struktur mikro4. Peningkatan kekuatan dan kekakuan bahan polimer5. Pengaruh lingkunganBAGIAN IV. ELASTOMER1. Sejarah karet2. Perbedaan karet alam dan vulkanisasi3. Kelompok bahan elastomer4. Perilaku mekanis elastomer

BAGIAN V. ANALISIS PERILAKU VISKOELASTIS POLIMER1. Model viskoelastis hubungan tegangan-regangan2. Contoh perhitungan perilaku viskoelastisBAGIAN VI. MEKANIKA KEGAGALAN POLIMER1. Model patahan2. Perilaku Krip (creep)3. Ketangguhan beban impakBAGIAN VII. PROSES PEMBENTUKAN PRODUK POLIMER (PPPP)1. Ekstrusi2. Injection moulding3. Thermoforming4. Calendering5. Rotational moulding6. Compression/transfer mouldingBAGIAN VIII. ANALISIS PPPP: ALIRAN POLIMER KONDISI LELEH/MELTING FLOW1. Analisis aliran isothermal 2. Contoh perhitunganBAGIAN IX. CONTOH APLIKASI PRODUK DARI BAHAN POLIMER DI OTOMOTIF1. Interior2. Eksterior3. Mesin4. Chasis5. KeuntunganBAGIAN X. PENGENALAN POLIMER ALAM1. Pentingnya pemilihan kelompok polimer alam2. Kelompok polimer alam: serat dan matrik3. Contoh pemanfaatan polimer alam (biopolimer/biokomposit/biomaterial)

Tujuan khusus pembelajaran MPEMahasiswa menguasai dan dituntut:

Mampu mendeskripsikan perbedaan kelompok polimerMampu mendeskripsikan perilaku sifat mekanis polimerMampu menjelaskan perilaku hubungan antara strukturmolekul, temperatur dan sifat mekanis polimerMampu mendeskripsikan jenis cacat dan kegagalan polimerMampu menghitung proses pembentukan polimerMampu melakukan pemilihan dan pengujian bahan polimerMampu mendeskripsikan pemanfaatan bahan polimer dibidang teknik

Sumber pustakaStevens, Malcolm. P., 2001. Kimia Polimer, Terjemahan Iis Sopyan, pen.PradnyaParamita, Jakarta.

Crawford, R.J.2002, Plastics Engineering, Edisi ke- 3, pen. Butterworth-Heinemann, Oxford, Inggris.

Characterization and Failure Analysis of PLASTICS, 2003, ASM International, sumber web:www.asminternational.org.

Calister, W.D., 2005, Fundamentals of Materials Science and Engineering, edisi ke-5, pen. John Wiley and Sons, New York.

Ashby, M.F., Jones, D.R., 1999, Engineering Materials 2:An Introduction to Microstructures, Processing and Design, Edisi ke-2, pen. Butterworth-Heinemann, Oxford, Inggris.

Natural fibers, biopolymers, and biocomposites., 2005, edited by Amar K. Mohanty, Manjusri Misra, Lawrence,T. Drzal, pen. CRC Press, Florida.

Lampiran sertifikat akreditasi laboratorium no. LP-106-IDN, 2009, Laboratorium Sentra Teknologi Polimer - Balai Pengkajian Teknologi Polimer –BPPT, Jakarta.

I. PENDAHULUAN

1

Dr. eMars-Teknik Mesin S1-ITN

Sistem informasi bahan teknikContoh bahan teknik

Gambaran umum sifat mekanis bahan:Perbandingan nilai E dan ρ bahan

2


Perbandingan nilai σ dan temperatur maksPentingnya bahan polimer danelastomer

Polimer adalah salah satu bahan rekayasa bukanlogam (non-metallic material) yang penting. Saat inibahan polimer telah banyak digunakan sebagaibahan substitusi untuk logam terutama karena sifat-sifatnya yang ringan, tahan korosi dan kimia, danmurah, khususnya untuk aplikasi-aplikasi padatemperatur rendah. Hal lain yang banyak menjadi pertimbangan adalahdaya hantar listrik dan panas yang rendah, kemampuan untuk meredam kebisingan, warna dantingkat transparansi yang bervariasi, kesesuaiandesain dan manufaktur.

4 kelompok polimer teknik(a) Thermoplastics such as polyethylene, which soften on heating.(b) Thermosets or resins such as epoxy which harden when two components (a resin and a hardener) are heated together.(c) Elastomers or rubbers.(d) Natural polymers such as cellulose, lignin and protein, which provide the mechanical basis of most plant and animal life.

Ciri umum kelompok bahan polimer danelastomer

Kelompok Polimer

Kelompok Elastomer

3


Perilaku mekanis tegangan-regangan bahan:

Logam

Polimer danelastomer

Tabel contoh kekuatan dan modulus tarik bahan teknik

Ringkasan definisi polimer vs. elastomer

A Polimer is a solid material composed primarily of a polymer of high molecular weight.

An Elastomer is a solid polymeric material that can experience large and reversible elastic strains.

Istilah plastik, yang sering digunakan oleh masyarakat awam untuk menyebutsebagian besar bahan polimer, mulai digunakan pada tahun 1909. Istilah tersebutberasal dari kata Plastikos yang berarti mudah dibentuk dan dicetak. Teknologimodern plastik baru dimulai tahun 1920-an, yaitu dengan mulai digunakannyapolimer yang berasal dari produk derivatif minyak bumi, sepertimisalnya Polyethylene. Salah satu jenis plastik yang sering kita jumpai adalah LDPE (Low Density Poly Ethylene) yang banyak digunakan sebagai plastik pembungkusyang lunak dan sangat mudah dibentuk.

II. KLASIFIKASI MATERIAL POLIMER DAN ELASTOMER

Klasifikasi berdasarkan sumber asal bahan:

Naturally occurring polymers (derived from plants and animals) have been used for centuries (wood, rubber, cotton, wool, leather, silk).Synthetics polymers (rubber, plastics, and fibers).

Ciri polimer alamBahan Polimer Alam; didapat dari tumbuh-tumbuhan danbinatang yang mengandung susunan molekul dari selulosa, polisakarida, protein dan karet alam. Pada umumnya berbentukserat.

Sifat-sifat polimer alam kurang menguntungkan. Contohnya, karet alam kadang-kadang cepat rusak, tidak elastis, dan berombak. Hal tersebut dapat terjadi karena karet alam tidak tahan terhadap minyak bensin atau minyak tanah serta lama terbuka di udara. Contoh lain, sutera dan wol merupakan senyawa protein bahan makanan bakteri, sehingga wol dan sutera cepat rusak. Umumnya polimer alam mempunyai sifat hidrofilik (suka air), sukar dilebur dan sukar dicetak, sehinggasangat sukar mengembangkan fungsi polimer alam untuk tujuan-tujuan yang lebih luas dalam kehidupan masyarakat sehari-hari.

4


Lihat bab X…..

Fibers fromDicotyledons

Plant Fibers

Organic

Polimer Alam

Fibers fromMonocotyle

dons

Inorganic

Animal Fibers

Hairs and

Thread

Mineral Fibers

Asbestos Fibers

Bahan Polimer Sintetis; bahan polimer sintetis adalah susunanikatan atom hidrokarbon yang memiliki konfigurasi rantaiikatan yang berulang-ulang. Bahan ini terbagi dalam duakelompok: (a) termoplastik dan (b) termoset. (Callister, 2000) (Matthew dan Rawlings,1994). Termoplastik adalah kelompokpolimer plastik yang mampu secara berulang-ulang dipanaskanagar menjadi lunak dan dikeraskan kembali denganpendinginan. Jenis termoplastik antara lain polimer styrene, acrylics, cellulostics, polyethylene, vinyls, nylons dan jenisflourocarbon. Sedangkan termoset adalah kelompok polimerplastik yang akan mengalami degradasi (tidak mampu kembalike bentuk susunan molekul awalnya) kimia akibat panas. Termasuk kelompok ini adalah amino (melamine dan urea), polyester, alkyds, epoxy dan phenolic (Plastik Handbook, 1995).

Fully polimerised

TermosetTermoplastik

Elastomer Monomer Partially Polimerised

Synthetic Polymer

Definisi

Tatanama dan jenis ikatan poli(mer)Polimer didefinisikan sebagai molekul besar(makromolekul) yang terbentuk dari beberapa unit molekul (monomer) secara berulang. Reaksi monomer-monomer tersebut dinamakan reaksi polimerisasi(poly=banyak, mer=unit). Ikatan kimia polimer memilikipola struktur rantai linier, bercabang dan ikat-silang(crosslinked) serta jaringan.

Branched Cross-Linked NetworkLinear

secondarybonding

Penyalut cat (cat epoksi)Metoksi benzena dan alcohol sekunder

Epoksi resin11.Piring dan gelas melaminFenol formaldehidaMelamin10.Ban mobilEster dan etilena glikolPoliester9.Ban motorButadienaPolibutadiena8.

TekstilAsam adipat dan heksametilenadiamin

Nilon7.

Pipa rekam magnetik, kain atau tekstil (wolsintetis)

Metil tereftalat dan etilena glikolDakron6.

Wajan atau panci anti lengket

TetrafluoroetenaTeflon5.

Bak airVinil alcoholPolivinilalcohol

4.

Pipa paralon, pelapislantai

Vinil kloridaPVC3.Tali, karung, botol plastikPropenaPolipropena2.Kantung, kabel plastikEtenaPolietena1.Terdapat padaMonomer PolimerNo

5


PerbedaanPersamaan

Klasifikasi berdasarkan ilmu kimiamolekular

Kimiawi:KomposisiMer

Ukuran: Berat molekul Bentuk: susunanikatan dan

panjang rantai

Struktur: Jenis ikatanrantai

Karakteristik Molekul Polimer

Bercabang Ikat-silang JaringanLinier

Kondisi Isomerik

Stereoisomer Geometrik Isomer

Isiotaktik sindiotaktik Ataktik cis Trans

6


Penggambaran ikatan polimerstereoisomer

Kimia polimer

Jenis rantai ikatan polimerSecara umum, polimer dapat dikelompokkanmenjadi empat jenis berdasarkan strukturmolekulnya, yaitu: (1) polimer linear (linear polymer), (2) polimer bercabang (branched polymer), (3) polimer berkait (cross-linked polymer), dan (4) polimer berjejaring (network polymer). Polyethylene adalah contoh dari jenispolimer dengan struktur rantai linear dan bercabang. Struktur rantai tersebut menyebabkan polyethylene berperilaku termoplastik, yaitu dapat dibentukmenjadi suatu bentuk tertentu dan dikembalikan kebentuk semula.

7


Berat molekul

Berat molekul dari polimer pada dasarnya adalah penjumlahan dariberat molekul-molekul mer-nya. Jadi semakin tinggi berat molekuldari suatu polimer tertentu, semakin besar panjang rata-rata darirantai polimernya.

Hubungan Berat Molekul dengan Perilaku Tm dan Tg: sedangkanhubungan antara berat molekul dengan temperatur melting (Tm) mulai berubah fase cair serta glass (Tg) mulai berubah fase padat.

Semakin besar berat molekul polimer semakin tinggi temperatur Tm dan Tg yang berarti sifat mekanis semakin keras dan sulit deformasi.

Callister, Fig. 16.9

T

Molecular weight

Tg

Tmmobile liquid

viscous liquid

rubber

tough plastic

partially crystalline solid

crystalline solid

Derajat polimerisasiDerajat polimerisasi (DP) dari suatu polimer adalahrasio atau perbandingan berat molekul polimerdengan berat molekul mer-nya. Suatu polyethylene (PE) dengan berat molekul 28.000 g misalnya, memiliki derajat polimerisasi 1000 karena beratmolekul dari mer-nya (C2H4) adalah 28 (12x2 + 1x4). DP menggambarkan ukuran molekul dari suatupolimer berdasarkan atas jumlah dari monomer penyusunnya.

Perbandingan termoplastik dan termoset

8


Termoplastik Termoplastik

Termoset

Polimer Thermoset memiliki perilaku sebagaimana logamgetas, gelas, atau keramik sebagai akibat dari struktur rantaimolekulnya yang kaku dengan ikatan kovalen membentukjejaring 3 dimensi. Pada saat polimerisasi jejaring terbentuklengkap dan terbentuk kaitan silang tiga dimensi secarapermanen.Proses pembentukan tidak bersifat irreversible. Tidak seperti halnya polimer thermoplastik, thermoset tidakmemiliki Tg (temperatur transisi gelas yang jelas. Kekuatandan kekerasan dari thermoset pun tidak banyak dipengaruhioleh kenaikan temperatur dan laju deformasi.

Proses produksi bahan polimer/plastik

9


Bahan katalis untuk polimerBahan katalis adalah bahan yang mampu bereaksisempurna dengan polimer yang berfungsi dapatmeningkatkan unjuk kerja di dalam aplikasi bahandimana karakteristik dan sifat-sifat bahan dapatmemenuhi syarat-syarat yang diharapkan misalnyamemilki sifat kekakuan, gesekan rendah, kekerasan, tahan terhadap temperatur dan kelembaban, kekenyalan, tahan mulur, tahan radiasi ultraviolet,, daya rekat tinggi dan lain-lain.

Beberapa contoh katalis atau disebut juga sebagai aditif yang ditambahkan pada polimer untuk menghasilkan high performance komposit adalah sebagai berikut:

Antistatic agent:memperbaiki sifat konduktifitas listrik pada permukaanbahan polimercoupling agent: memperbaiki sifat daya rekat/bonding dengan material inorganic lainfillers: berfungsi sebagai extender, atau pengembang yang mampumemperbaiki pembentukan atau pencetakan polimerFlame retardants: berfungsi mengurangi daya nyala atau kemudahanterbakarlubricants: berfungsi memperbaiki viskositas polimer saat prosespembentukanpigments; penambah warna, sebagai fungsi estetikaPlasticisers: memiliki berat molekul rendah, berfungsi memperbaiki sifatdan karakteristik polimer pada proses pembentukan seperti kompatibilitasdengan resin lain atau media penguatanyaReinforcement: penambahan media penguat untuk menaikkan sifatkekuatan dan kekakuan polimerStabilizers: berfungsi memperbaiki sifat kimia akibat pengaruhlingkungan, stabilitas panas dan kelembaban serta tahan radiasi ultraviolet

Generasi baru plastik (high performance plastic) Paduan polimer plastik

Elastomer Istilah umum

10


BAGIAN III. PERILAKU MEKANIS POLIMER 3 kelompok perilaku mekanis

Perilaku mekanik dari polimer thermoplastik secara umumdapat dikelompokkan menjadi 3 bagian, yaitu: (1) PerilakuElastik, (2) perilaku Plastik, dan (3) Perilaku Visko-Elastik.Perilaku thermoplastik secara umum adalah elastik non-linear yang tergantung pada waktu (time-dependent). Hal ini dapatdijelaskan dari 2 mekanisme yang terjadi pada daerah elastis, yaitu: (1) distorsi keseluruhan bagian yang mengalamideformasi, dan (2) regangan dan distorsi ikatan-ikatankovalennya. Perilaku elastik non-inear atau non-proporsionalpada daerah elastis terutama berhubungan dengan mekanismedistorsi dari keseluruhan rantai molekulnya yang linear ataulinear dengan cabang.

Keuntungan sifat mekanis polimerRespon tegangan-regangan

akibat variasi laju regangan

5 daerah perubahan temperatur thdmodulus polimer linier amorphosLinear-amorphous polymers (like PMMA or PS) show five

regimes of deformation in each of which the modulus has certain characteristics, they are:(a) the glassy regime, with a large modulus, around 3 GPa;(b) the glass-transition regime, in which the modulus drops steeply from 3 GPa to around 3 MPa;(c) the rubbery regime, with a low modulus, around 3 MPa;(d) the viscous regime, when the polymer starts to flow;(e) the regime of decomposition in which chemical breakdown starts.

11


Membaca 5 daerah transisi polimerDaerah glassy: The glass temperature, Tg, you will remember, is the temperature at which the secondary bonds start to melt. Well below Tg the polymer molecules pack tightly together, either in an amorphous tangle, or in poorly organisedcrystallites with amorphous material in between. Load stretches the bonds, giving elastic deformation which is recovered on unloading.Daerah transisi glass/leathery: As the temperature is raised, the secondary bonds start to melt. Then segments of the chains can slip relative to each other like bits of greasy string, and the modulus falls steeply. On unloading, these elastic regions pull the polymer back to its original shape, though they must do so against the reverse viscous sliding of the molecules, and that takes time. The result is that the polymer has leathery properties, as do low-density polyethylene and plasticisedPVC at room temperature.Daerah rubbery: As the temperature is raised above Tg, one might expect that flow in the polymer should become easier and easier, until it becomes a rather sticky liquid. Linear polymers with fairly short chains ( DP < 103) do just this. But polymers with longer chains ( DP > 104) pass through a rubbery state.Daerah viskos: At yet higher temperatures (>1.4Tg) the secondary bonds melt completely and even the entanglement points slip. This is the regime in which thermoplastics are moulded: linear polymers become viscous liquids.

•Pengaruh KenaikanTemperatur dan Laju Reganganterhadap Polimer Thermoplastik

•The glass transition temperature is as important for polymers as the melting point is for metals

Tidak seperti halnya logam, polimer umumnya tidakmemiliki temperatur lebur yang spesifik. Namun, polimer biasanya mengalami perubahan sifat-sifatatau perilaku mekanik yang jelas pada rentangtemperatur tertentu yang sangat sempit. Temperaturdi mana terjadi transisi temperatur tersebut dikenalsebagai temperatur gelas, Tg (Glass Temperature).Pada temperatur gelas, thermoplastik berubahkeadaaan dan perilakunya dari kaku, getas, padatseperti gelas menjadi fleksibel, lunak, elastis, sepertifluida (visko-elastik).

Sifat mekanis tergantung pd waktu dantemperatur

12


Perilaku tegangan-reganganStress-strain behavior: perilaku hubungan teganganregangan bahan polimer plastik ditentukan oleh strukturikatan kimianya. Semakin kristal dan ikatan silang tinggimaka semakin keras sehingga sulit mengalami deformasimekanis.

initial: amorphous chains are kinked, heavily cross-linked.

final: chains are straight,

still cross-linked

0

20

40

60

0 2 4 6

σ(MPa)

ε 8

x

x

x

elastomer

plastic failure

brittle failure

Deformation is reversible!

Temperatur vs.derajat polimerisasi

13


Crazing antar microfibril

14


Deformasi mikrostrukturPerilaku cracking polimer

15


Fakta kimia polimer vs sifat mekanisViskositas dan kekuatan polimer misalnya akan meningkat denganmeningkatnya berat molekul atau derajat polimerisasinya. Sebagaiilustrasi, kita dapat membandingkan keadaan dari monomer ethylenepada derajat polimerisasi yang berbeda-beda. Perbedaan dari sifat-sifat tersebut dapat dijelaskan oleh fakta bahwa semakin panjangrantai molekul suatu polimer, semakin besar energi yang diperlukanuntuk mengatasi ikatan sekundernya.

Derajat kristalinitasTidak seperti halnya logam, polimer pada umumnya bersifatamorphous, tidak bersifat kristalin atau memiliki keteraturandalam rentang cukup panjang. Namun, polimer dapatdirekayasa sehingga strukturnya memiliki daerah kristalin, baik pada proses sintesis maupun deformasi.Derajat kekristalan polimer misalnya dapat direkayasadengan mengendalikan laju solidifikasi dan struktur rantai, walaupun sangat sulit untuk mendapatkan derajat kekristalan100% sebagaimana halnya pada logam. Polimer denganstruktur rantai bercabang misalnya akan memiliki derajatkekristalan yang lebih rendah jika dibandingkan denganstruktur tanpa cabang.

16


Struktur molekul polimer: daerahkekristalan Berat molekul dan kristalinitas

smaller Mw larger Mw • Tensile strength (TS):

--often increases with Mw.--Why? Longer chains are entangled (anchored) better.

• % Crystallinity: % of material that is crystalline.

--TS and E often increasewith % crystallinity.

--Annealing causescrystalline regionsto grow, i.e., % crystallinityincreases.

crystalline region

amorphous region

Derajat kristalinitas vs sifat mekanisSifat-sifat mekanik yang dipengaruhi olehderajat kekristalan misalnya adalah kekakuan(stiffness), kekerasan (hardness), dan keuletan(ductility). Sedangkan sifat-sifat fisik yang berhubungandengan derajat kekristalan misalnya adalahsifat-sifat optik dan kerapatan (density) daripolimer.

17


Berikut beberapa cara yang dipertimbangkan untuk menangani plastik.a. Daur ulangPlastik termoplas dapat dibentuk ulang melalui pemanasan. Dapat jugadidepolimerisasi sehingga diperoleh kembali monomernya. Akan tetapi, sulitsekali memilah sampah plastik menurut jenisnya. Sampah plastik seringkalimerupakan campuran dari berbagai jenis. Dengan demikian juga mengandungplasticiser, pigmen warna, dan campuran bahan lainnya. Akibatnya, hasil daurulangnya paling merupakan plastik dengan mutu yang lebih rendah dan kurangnilai ekonomisnya.

b. PirolisisApabila plastik dipanaskan hingga 700 0C tanpa udara, maka molekul plastikakan terurai membentuk molekul-molekul sederhana.Campuran plastik yang biasa, seperti politena, polipropilena atau polistirena, ketika dipirolisis akanmenghasilkan hidrokarbon sederhana seperti etena atau propena atau benzena. Senyawa tersebut dapat dipisahkan melalui destilasi bertingkat. Hasilnyakemudian dapat digunakan untuk membuat berbagai bahan kimia termasukplastik. Untuk sekarang ini, pirolisis dinilai tidak ekonomis, karena masih tersediabahan baku yang lebih murah, yaitu dari minyak bumi dan gas alam. Keuntunganyang diperoleh dari cara pirolisis, salah satunya adalah kita dapat menyortirlimbah plastik menurut jenisnya.

BAGIAN IV. ELASTOMERSejarah karet

Latex=karet alamKaret adalah material elastomer yang tergolong polimer

alam. Karet alam atau sering disebut latex berasaldari getah tanaman hevea brassiliensis. Getah mulaidihasilkan pada usia pohon antara 1-1,5 tahun berupacairan yang menetes dari kulit batang pohontersebut. Sifat latex memiliki harga keasaman pH antara 6,5-7, densitas 0,95 g/cm^3, . Melalui prosesreaksi enzimatis dan oksidasi latex akan berubahmenjadi koagulasi atau penggumpalan dalam bentukpadatan lunak yang siap diolah menjadi karet utkaplikasi teknik.

Perbedaan karet alam dan karetvulkanisasi

Karet alam yang telahdivulkanisasi misalnya, akan memiliki jumlahkaitan silang lebih banyaksehingga modulus elastisitas ataukekakuannya lebih besardaripada karet alam yang belum divulkanisasi.

18


Karet vulkanisasi Proses vulkanisasiPenambahan 30-40% Sulfur akan memperbanyakjumlah kaitan silang (cross link) antar rantaimolekulnya yang akan berpengaruh terhadap sifat-sifat dan perilaku karet alam. Kekerasan dankekakuan dari karet alam akan meningkat denganproses vulkanisasi. Karet alam dengan jumlah kaitansilang sedikit akan bersifat relatif lebih lunak danfleksibel daripada karet alam dengan jumlah kaitansilang lebih banyak.

Penambahan sulfur (S) Kelompok elastomer teknik

19


20


Contoh produk bahan elastomer1. Ban (88%)2. Sabuk konveyor3. Selang hose4. Sol sepatu-sandal5. Pembungkus kabel-insulator6. Bantalan peredam getaran-body mounting7. Gasket8. Lem9. Roller konveyor10. Mainan anak-anak

BAGIAN V. ANALISIS PERILAKU VISKOELASTIS POLIMER

Model perilaku viskoelastisVisko-elastisitas berhubungan perilaku polimerthermoplastik saat dideformasi yang terjadi dengandeformasi elastis dan aliran viskos ketika bebandiaplikasikan pada bahan. Hal ini berhubungandengan ketergantungan perilaku bahan terhadapwaktu pada saat deformasi elastis dan plastis. Secarasederhana perilaku viskoelastis dapat disimulasikandengan mengkombinasikan persamaan Pegas Hookedan Dashspot. Regangan, misalnya, dapatdiasumsikan seri atau paralel, menggunakan ElemenMaxwell dan Elemen Voight-Kelvin.

21


Ringkasan Polymers (covalent bonding) Organic materials involve covalent bonding which involves sharing electrons They commonly form large molecules or macromolecules.by a process of repeated joining of a basic group of atoms, called polymerisation. These molecules may be many hundreds of thousands of atoms in size. In may polymers the molecules take the form of long chains of atoms, where the atoms are joined by covalent bonding, but the chains are only held to each other by weaker secondary bonds. Other polymers may have very large three-dimensional structures of atoms. When polymers melt the molecules separate from one another and move independently. Polymer melting points are much lower than those of metals or ceramics because only secondary bonds need to be broken. For the same reason. the strengths of polymers will also be much lower than that of metals or ceramics. . The rigidity of polymers is also lower than that of metals or ceramics. However, the low weight of most of the atoms in polymer molecules, and their relatively large spaces between chains makes polymers much less dense.The bonding of polymer atoms in chains or rings is strong, but the secondary bonds between chains are weak unless there is covalently bonded crosslinking. Increased temperature causes separation of the chains to allow each one to vibrate more. This phenomenon gives polymers much higher thermal expansion than metals or ceramics. Also, water can penetrate the weak bonding between chains, producing a susceptibility to swelling and degradation.

22


BAGIAN VI. MEKANIKA KEGAGALAN POLIMER

23


Cara pengujian bahan plastik/polimerPengujian sifat kimia

•Pengujian sifat mekanis

24


BAGIAN VII. PROSES PEMBENTUKAN PRODUK POLIMER

25


26


27


BAGIAN VIII. ANALISIS ALIRAN POLIMER KONDISI LELEH/MELTING FLOW pada PROSES PEMBENTUKAN

28


29


30


BAGIAN IX. CONTOH APLIKASI PRODUK DARI BAHAN POLIMER DI OTOMOTIF

Peningkatan Aplikasi Material Plastic-Based pada BMW Series

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

1978 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Tahun Investigasi

Ber

at M

ater

ial p

er K

enda

raan

(kg)

Seri 3Seri 5Seri 6/8Seri 7

APLIKASI PLASTIK DI OTOMOTIF(Data kendaraan berpenumpang tahun 2002)

Bagian MESIN:1. Engine cover2. Distributor cap3. Air duct4. Fuel filter tank5. Water tank6. Radiator end tank7. Engine and radiator Fan8. Manifold heat shield9. Electrical interconection

systems10. Gaskets and Hoses

31


Bagian CHASSIS1.Engine and Body Mounting2. Shock absorber cap3. Bushings4. Steering column shield5. Brake tube and valve servo6. ABS interconnector7. Brake fluid reservoir and

protection8. Lower engine cover9. Transmission noise cover

Bagian BODI LUAR1. Front-Rear Bumper2. Sides trim3. Left-Right Fender4. Roof rack5. Mirror housing6. Lamp assemblies7. Wheel hub and cover8. Door handles9. Front grilles10. Mud guards

Bagian RUANG PENUMPANG

1. Dashboard2. Instrument panels3. Seat assemblies4. Safety belt5. Interior door panels6. Floor mat7. Console and

accessories boxes8. Steering wheel cover

Sifat mekanis bahan plastik di otomotifPada komponen bagian dalam/interior, dashboard adalahpertama kali diproduksi menggunakan bahan plastik (Murphy, 1993). Rover 800 mengembangkan dashboard yang dicetakdengan bubuk polyvinylchloride (PVC) untuk kulit luar, diisipolyurethane (PU) foam, diikat dengan injeksi polystyrene (PS) untuk seksi atas dan ABS bagian bawah. Material-material inimembentuk ‘one piece dashboard’, kuat, tahan panas dan bersihdari aroma kimia.Volkswagen Golf Variant, telah menggunakanplastik untuk beberapa komponen seperti (Balk, 1994):

Polypropylene (PP) : interior trim, floor lining and wheel housingABS : lock carrier coverPU : roof frame trims

146 - 15630025140 –180

7162700AluminiumA356

0,23 – 0,262502,3 – 2,570 – 1003,7 – 3,91 – 21300Polyether keton

0,24 – 0,281501,8 – 2,644 – 901,5 – 2,821100Polyamide

0,12 – 0,221101,7 – 2,125 – 401 – 1,62900Polypropylene

0,16 – 0,362500,8 – 1,330 – 506 – 9,50,5 – 11200Phenolic

0,18 – 0,51500,4 – 0,765 – 752,8 – 3,51 – 21200Epoxy

0,2 – 0,71200,5 – 0,930 – 702 – 4,54 – 81300Polyester

Thermal Conductivity (W/mK)

TemperaturMaksimum

Aplikasi(0C)

Fracture Toughness (MPa)

Tensile Strength (MPa)

Mod. Young (GPa)

Process Shrinkag

e (%)

Density(kgm-3)

Plastik bulk

952700 – 310087 –17012970Polyethylene70058007025 – 352180Silica glass

300 - 4801950 – 480066 – 934 – 122500Glass5702000 –2500400102 – 2002500Boron

2502760124171450AramidKevlar

5602060 – 4800225 – 8305 – 101800Carbon

TemperaturMaximum

Aplikasi (0C)

Tensile Strength (MPa)

Mod. Young(GPa)

Diameter (um)

Density(kgm-3)

Plastik utkseratpenguatan*

*untuk media penguatan pada bahan komposit matrik polimer

32


Plastik interior

NylonAir cleaner housingNylonEngine fans

PUSeat cushionPPOSeat backs

Nylon, AcetalGearsNylon, AcetalFuel tanksNylon, AcetalBrake reservoirs

NylonRadiator header tanks• Functional Interior Parts:

ABSConsole boxABS, PVCInstrument panel skin

PUInstrument panelABS)Trim

• Interior Parts:PolymerKomponen

Plastik eksterior/bodi luar

NylonMirror housingNylon, PCWheel hubs, coversNylon, PCHeadlamp

• Functional Exterior Parts:Nylon, PETBody panels

PCExterior trimsPU, PPBumper fascia

• Exterior Parts:

Plastik komponen mesin Plastik utk chasis

33


Keuntungan bahan plastik di otomotif

AcrylonitrileButadieneStyrene (ABS): menawarkan kombinasi antara toughness, rigidity, chemical resistance dan low cost. ABS dapat diproses dengan baik kedalam bentuk komponen yang relatif komplek dengan teknik pemrosesan thermoplastik seperti injection moulding extrusion dan teknik thermoforming. Dalam aplikasinya tahan temperatur dibawah 1000 CNylon or polyamides (PA): memiliki high strength, toughness pada temperatur rendah, stiffness, wear and abrasion resistance, low coefficient of friction dan good chemical resistance. Contohaplikasinya adalah speedometer, windshield wiper gears, wire harness clips, fluid reservoirs, engine fans, mirror housing, wheel hubs, fuel systems component dan windows hardware.

Polycarbonate (PC): diklasifikasikan sebagai amorphous engineering thermoplastic sebab kesetimbangan ketahananyang baik, clarity and heat-high deflection temperatur. PC dapat diproses lebur dengan injection moulding, extrusion dan blow moulding. Aplikasi di bidang otomotif termasukbumpers, instrument panels, wheel covers, tail - side marker lights, headlamps dan supports. Polypropylene (PP): memiliki ketahanan kimiawi yang baik, densiti yang rendah dan termoplastik dengan titik leburtertinggi. PP banyak digunakan pada interior trims panel, batteries, exterior seperti bumper covers.Polyurethanes (PU): memiliki ketahanan impak, tahancuaca dan kimiawi. Aplikasi saat ini adalah steering wheels, instrument panels, door panels armrest dan pedal pads.Polybutylene Terephthalate (PBT): memiliki ketahanankimiawi, temperatur tinggi dan kekuatan yang relatif tinggiAplikasi material ini banyak ditemui di ruang mesin sepertidistributors caps, connectors dan electrical parts. Selain itujuga pada komponen pintu dan jendela

Polyethylene Terephthalate (PET): aplikasi di bidangotomotif adalah grill panels, luggage racks, motor housing dan sistem kelistrikan seperti lamps sockets, switches dan relays.Polyphenylene Oxide (PPO): PPO banyakdiaplikasikan pada komponen-komponen internal seperti panel instrumen dan komponen eksternalseperti rear spoilers, wheel covers dan mirror housing. Polyvinylchloride (PVC): memiliki sifat tidak mudahterbakar, dan relatif tahan terhadap kimiawi. Aplikasiutama adalah interior seperti flooring carpets, kulitimitasi dan pelapis dinding dalam.

Keunggulan penggunaan plastik di otomotifOleh karena itu penggunaan material plastik dan plastik reinforced di

masa datang akan tergantung pula tersediannya sumber alam berupaminyak bumi yang suatu saat akan mengalami kelangkaan. Namun demikian, teknologi material plastik dan plastik reinforced dalam aplikasi di bidang otomotif telah memberikan keuntungan sebagai berikut:memiliki rasio kekuatan dan kekakuan terhadap massa yang tinggi khususnya pada plastik reinforcedmampu menggantikan material konvensional yaitu logam, terutama baja, untuk menghasilkan konstruksi kendaraan yang ‘lightweight’sehingga reduksi dari berat kosong kendaraan sekitar 10-20% mampu mereduksi pula konsumsi bahan bakar dari kendaraan tesebutkebebasan desain komponen yang lebih luas dengan teknik produksiyang relatif murah dan lebih sedikit komponen sub-assembly atau ‘single piece component’ untuk produksi massalsifat yang tahan korosi, mampu didaur ulang dan perawatan yang relatif mudah.

BAGIAN X. PENGENALAN POLIMER ALAM1. Pendahuluan

Polimer alam berasal dari tumbuhan dan hewan. Contoh : polisakarida (starch dan selulosa) dan lemak/minyak. Keunggulan :- lebih ramah lingkungan- lebih murah - bahan bakunya dapat diperbaharui (renewable sources).

34


Kelompok polimer alam Pentingnya polimer alam atau biopolimer

Pentingnya…..Sumber bahan baku polimer alam: matrik

Getah pohon karetAdisiIsoprenaKaret alam5.

Molekul DNA dan RNA (sel)KondensasiNukleotidaAsam nukleat4.

Susu, daging, telur, wol, sutera

KondensasiAsam aminoProtein3.

Sayur, Kayu, KapasKondensasiGlukosaSelulosa2.

Biji-bijian, akar umbiKondensasiGlukosaPati/amilum1.

ContohPolimerisasiMonomerPolimerNo

Polylactide or poly(lactic acid), otherwise known as PLA, is a biodegradable thermoplasticpolyester that is manufactured by biotechnological processes from renewable resources (e.g. corn). Although other sources of biomass can be used, corn has the advantage of providing the required high-purity lactic acid.

Produkmatrikalam

Polimer bentuk serat

35


Kelompok serat alam berdasarkanbentuk asal berbasis tumbuhan

Kelompok serat alam berbasis asalsumbernya

Daftar sifat mekanis serat alam

Sifat kimia dan fisika biopolimer Proses pembentukan biopolimer

Mirip dngpolimer sintetis

36


Aplikasi polimer alam

Langkah-langkah pemrosesan

Perkembangan material utk otomotif ke depan: biopolimer-biokomposit-biomaterial

Selamat belajar dan terima kasih.Mesin.itn.ac.id

37


material polimer dan elastomer1

Documents