Bab 8 Komposit Dan Polimer

8

KOMPOSIT DAN POLIMER

8.1 KOMPOSIT

Material komposit yaitu suatu material yang tersusun atas suatu campuran atau kombinasi dari dua atau lebih baik secara makro maupun mikro unsur pokok yang  berbeda dalam bentuk b entuk serta komposisi kimianya, dan d an pada pad a dasarnya da sarnya tidak dapat dipisah  –pisahkan antara satu dengan yang lainyya. Komposit, yang mana terdiri atas dua atau lebih material – material material tersendiri

yang tergabung dalam suatu unit struktur struktur

makroskopik, yang tyerbuat dari bermacam – macam kombinasi atas material ketiga – tiganya Dari kedua pengertian diatas, maka dapat disimpulkan bahwa material komposit adalah suatu kombinasi atau campuran yang tersusun dari dua atau lebih bahan yang mempunyai sifat berbeda – beda membentuk suatu kesatuan. Bahan yang satu berperan sebagai penguat ( reinforcement ), biasanya berupa serbuk dan bahan lain yang lain sebagai pengikat ( matriks ). Dengan mengkombinasikan bahan – bahan tersebut maka akn diperoleh suatu bahan dengan sifat yang baru karena masing – masing bahan akan saling menghilangkan sifat – sifat asalnya. Hal yang perlu diperhatikan pada komposit yang diperkuat agar dapat membentuk produk yang efektif adalah : 1. Komponen penguat harus memiliki modulus elastisitas yang lebih tinggi dari pada komponen matriknya. 2. Harus ada ikatan permukaan yang kuat antara komponen penguat dan matriks. ( Sriati Djaprie,1991). Keuntungan penggunaan bahan komposit adalah :

Bab 8 – Komposit dan Polimer

356 

MATERIAL TEKNIK

1. Bobotnya ringan tapi mempunyai kekuatan dan kekakuan yang baik. 2. Hasil akhir yang lebih baik. 3. Biaya produksi lebih murah. 4. Umur pemakaian lama. 5. Tahan terhadap korosi. Sedangkan kekurangan dari material komposit adalah : 1. Komposit tertentu peka terhadap perubahan temperatur yang drastis. 2. Beberapa penyusun bahan komposit mudah terbakar. 3. Perbaikan lebih sulit bila terjadi kerusakan.

8.1. A. Klasifikasi Material Komposit

Pengklasifikasian material komposit berdasarkan pada bentuk matriksnya. A.Metal Matrix Composite ( MMCs ) Komposit ini menggabungkan campuran dari keramik dan logam, seperti karbid semen atau magnesium diperkuat dengan serat yang mempunyai kekuatan tinggi. B.Ceramic Matrix Composites ( CMCs ). Keramik ini tidak umum digunakan sebagai matriks komposit. Oksida aluminium karbid silicon adalah material yang dapat dilekatkan dengan serat untuk perbaikan sifat  – sifatnya, khususnya dalam aplikasi pada suhu tinggi. C. Polymer Matrix Composites ( PMCs ) Resin thermosettimg sangat luas digunakan sebagai plymer dalam PMCs. Epoxy dan  polyester pada umumnya dicampur dengan serat penguat, dan phenolic dicampur dengan serbuk. Thermoplastik juga diperkuat biasanya dengan serbuk.

8.1.B.. Sifat – sifat Material komposit.

Dalam Pembuatan sebuah material komposit, suatu pengkombinasian optimum dari sifat – sifat bahan penyusunnya untuk mendapatkan sifat – sifat unggul sangat diharapkan. Beberapa material komposit polymer diperkuat serbuk memiliki kombinasi sifat – sifat yang ringan, kaku, kuat dan mempunyai nilai kekerasan yang cukup tinggi. Sifat – sifat dari material komposit ditentukan oleh tiga factor :

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

35 

MATERIAL TEKNIK

1. Bobotnya ringan tapi mempunyai kekuatan dan kekakuan yang baik. 2. Hasil akhir yang lebih baik. 3. Biaya produksi lebih murah. 4. Umur pemakaian lama. 5. Tahan terhadap korosi. Sedangkan kekurangan dari material komposit adalah : 1. Komposit tertentu peka terhadap perubahan temperatur yang drastis. 2. Beberapa penyusun bahan komposit mudah terbakar. 3. Perbaikan lebih sulit bila terjadi kerusakan.

8.1. A. Klasifikasi Material Komposit

Pengklasifikasian material komposit berdasarkan pada bentuk matriksnya. A.Metal Matrix Composite ( MMCs ) Komposit ini menggabungkan campuran dari keramik dan logam, seperti karbid semen atau magnesium diperkuat dengan serat yang mempunyai kekuatan tinggi. B.Ceramic Matrix Composites ( CMCs ). Keramik ini tidak umum digunakan sebagai matriks komposit. Oksida aluminium karbid silicon adalah material yang dapat dilekatkan dengan serat untuk perbaikan sifat  – sifatnya, khususnya dalam aplikasi pada suhu tinggi. C. Polymer Matrix Composites ( PMCs ) Resin thermosettimg sangat luas digunakan sebagai plymer dalam PMCs. Epoxy dan  polyester pada umumnya dicampur dengan serat penguat, dan phenolic dicampur dengan serbuk. Thermoplastik juga diperkuat biasanya dengan serbuk.

8.1.B.. Sifat – sifat Material komposit.

Dalam Pembuatan sebuah material komposit, suatu pengkombinasian optimum dari sifat – sifat bahan penyusunnya untuk mendapatkan sifat – sifat unggul sangat diharapkan. Beberapa material komposit polymer diperkuat serbuk memiliki kombinasi sifat – sifat yang ringan, kaku, kuat dan mempunyai nilai kekerasan yang cukup tinggi. Sifat – sifat dari material komposit ditentukan oleh tiga factor :

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

35 

MATERIAL TEKNIK

1. Material yang digunakan sebagai bentuk jkomponen dalam komp[osit. 2. Bentuk geometri dari unsur – unsur pokok dan akibat struktur dari sisitem komposit. 3. Cara dimana bentuk satu mempengaruhi bentuk lainnya. Aturan Campuran Sifat – sifat material komposit merupakan suatu fungsi dari matrerial awalnya. Sifat – sifat khusus material komposit dapat ditentukan dengan suatu cara yaitu suatu aturan campuran, yang meliputi perhitungan berat rata – rata dari material unsur – unsur  pokoknya. Berat jenis merupakan suatu contoh co ntoh dari aturan rata – rata. Massa dari suatu sua tu material komposit adalah jumlah dari massa – massa matriks dan bahan penguatnya m mc = mm + mr

(8.1 )

dimana m adalah massa, lb ( kg ); dan subskript c, m , dan r melambangkan komposit, matriks, dan bahan penguat. Dengan cara yang sama, volume dan komposit adalah  penjumlahan dari volume unsur – unsur pokoknya. Vc = Vm+Vr+Vv 2

(8.2 ) 2

Dimana V adalah volume, in , (cm ), Vv merupakan volume dari beberapa kekosongan dalam komposit ( contohnya pori – pori ). Berat jenis dari komposit adalah massanya dibagi dengan volumenya. ρc=

mc Vc

=

mm

mr 

(8.3 )

Vc

sehingga massa matriks dari massa bahan penguat merupakan perkalian berat jenis dengan volumenya. mm = ρm. Vm dan mr  = ρr . Vr  

(8.4)

dengan mensubstitusikan faktor – faktor ini maka akan menjadi persamaan ρc = f m . ρm + f r . ρr

dimana

f m = Vm / Vc   dan f r r  = Vr  /

(8.5) Vc   merupakan perbandingan volume

sederhana dari matriks dan bahan penguatnya ( Groover,1996: 227 – 228 ). Material komposit mempunyai beberapa karakteristik yang berbeda dari material  – mnaterial teknik lainnya. lainny a. Beberapa sifat material komposit merupakan modifikasi dari da ri

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

358 

MATERIAL TEKNIK

sifat – sifat material biasa, dan yang lainnya merupakan penemuan baru yang perlu diadakan penganalisaannya. Material komposit merupakan material inhomogenous ( heterogen ) karena terdiri dari bahan – bahan yang berbeda dan nonisotropik. Material komposit mempunyai sifat mekanik yang baik sebagai akibat dari perpaduan antara bahan  pengikat ( matriks ) dengan bahan penguat ( reinforcement agent ), yang saling memberikan sifat – sifat menguntungkan dibandingkan dengan material teknik biasa lainnya. Suatu benda yang inhomogenous mempunyai sifat yang tidak seragam, yaitu sifatnya merupakan suatu fungsi dari posisi dalam benda. Material orthotropik mempunyai sifat – sifat material yang berbeda dalam tiga arah yang saling tegak lurus  pada satu titik dalam benda, dan mempunyai tiga bidang yang saling tegak lurus dari simetri benda. Material anisotropik mempunyai sifat yang berbeda dalam semua arah  pada suatu titik dalam benda , mereka tidak sebidang secara simetris. Dengan sifat non homogennya maka bahan komposit sering dipelajari dari dua sudut pandang yang berbeda yaitu secara mikro mekanik serta secara makro mekanik. Mikro Mekanik Pengkajian bahan komposit dengan menitikberatkan pada interaksi atau hubungan antara bahan – bahan pembentuknya. Pengkajian ini dalam skala makroskopik. Makro mekanik. Kaji bahan komposit dimana bahan dianggap hpmogen dan pengaruh bahan –  bahan pembentuknya hanya dideteksi sebagai sifat yang tampak secara keseluruhan pada  bahan komposit. Dalam hal ini tidak diperhatikan secara sendiri – sendiri.( Jones :10 – 14).

8.1.C. Bahan – bahan Penyusun Material Komposit

Material komposit tersusun atas beberapa bahan penyusun diantaranya yaitu :  bahan pengikat ( matriks ), bahan penguat ( reinforcement agent ), bahan aditif, dan  bahan penyusun lainnya.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

35 

MATERIAL TEKNIK

A. Pengertian bahan pengikut. Bahan pengikut ( matriks ) merupakan suatu bahan penyusun material komposit yang fungsinya untuk mengikat bahan pengikat secara bersama – sama membentuk suatu unit struktur atau elemen material komposit yang mampu menerima beban. Bahan yang umum digunakan sebagai matriks adalah berupa bahan metal atau  polimer. Untuk saat ini polimer cenderung digunakan karena lebih ringan dan lebih tahan terhadap abrasi. Fungsi matriks dalam material komposit adalah : 1. Menjaga agar filler atau pengisi tetap dalam struktur kompositnya. 2. Membantu mendistribusikan beban yang diterima oleh komposit. 3. Melindungi filler  dari kerusakan yang ditimbulkan lingkungan sekitarnya.

B. Sifat – sifat bahan pengikat. Matriks mengikat serat – serat secara bersama – sama untuk membentuk susunan elemen yang mampu menerima beban, melindungi dari kerusakan, memindahkan, serta mendistribusikan pembebanan pada serbuk – serbuk, dan pada banyak keadaan memberikan sifat – sifat yang dibutuhkan seperti : mampu terhadap pukulan ( ductility ), mempunyai nilai kekerasan ( toughness), penyekat listrik ( electric insulation ) bagi matriks polymer. Dari sifat – sifatnya diatas, maka matriks berfungsi sebagai  penyokong, pelindung, pemindah, serta pendistribusi pembebanan kepada bahan penguat material komposit ( Gibson,1994:11-12 ). C. Macam – macam bentuk bahan pengikat. Ada beberapa bentuk matriks yang digunakan sebagai bahan pengikat dalam  pembuatan material komposit, yaitu : logam, keramik, dan polymer. Suatu kombinasi yang dimungkinkan dari penggabungan dua bahan penyusun material komposit diperlihatkan pada tabel 2.1. Suatu kombinasi yang tidak mudah untuk dilakukan yaitu penggabungan antara  bahan polymer dengan bahan matriks loga. Sedangkan yang mungkin untuk dilakukan  pengkombinasian yaitu antara komponen – komponen dari jenis material yang sama seperti : serat – serat Kevlar ( polymer ) dengan matriks plastik ( polymer)

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

360 

MATERIAL TEKNIK

1). Matriks Logam Logam digunakan sebagai bahan matriks dalam material komposit matriks logam ( MMCs ) yang diperkuat dengan bahan penguat diantaranya yaitu : partikel keramik, serat dari bermacam – macam material. 2). Matriks keramik Keramik mempunyai beberapa sifat yang menarik, yaitu : mempunyai kekuatan tinggi, kekerasan yang tinggi, dan kekuatan pemampatan yang baik serta berberat jenis rendah. Dengan sifat – sifatnya tersebut, keramik mempunyai beberapa kekurangan yaitu : sebagian besar keuletan dan kekuatan tariknya rendah, serta rentan terhadap keretakan akibat panas ( Groover,1996: 230 – 234 ). 3). Matriks Polymer Polymer merupakan molekul dengan berat yang besar dan terbentuk oleh satuan struktur secara berulang yang disebut monomer. Dengan berat yang dimilikinya maka  polimer akan mencair dengan sangat kental jika dipanaskan, dan pada temperatur yang relatif rendah bahan ini dapat dicetak dengan ekstrusi , penekanan dan injeksi yang menyebabkan ongkos pembuatannya lebih rendah dibandingkan dengan bahan logam dan kerami. Proses dengan biaya yang relatif murah membuat bahan polymer mudah ditemui dalam berbagai pemanfaatan. Berdasarkan bentuk ikatannya polymer dibagi tiga yaitu: ( Young, RJ and P.A level,1992:10 )

8.2 POLIMER

Seperti pada bahasan di atas,  polymer merupakan molekul dengan berat yang  besar dan terbentuk oleh satuan struktur secara berulang yang disebut monomer. Untuk mempelajari polimer maka perhatikan bagan dan pengertian-penertian dasar tentang  polimer berikut :

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

361 

MATERIAL TEKNIK

Bagan Sederhana Ilmu dan Teknologi Polimer Ilmu dan Teknologi Polimer Proses Polimerisasi

Mekanisme dan Kenetika Polmerisasi

Metoda Polimerisasi dalam Industri

Teknologi Polimer/Polimer engineering polymers processing Struktur Polimer / Plastik

Polimerisasi Emulsi Sifat-sifat lelehan polimer/plastik

Polikondensasi

Polimerisasi Suspensi

Sifat-sifat mekanis plastik: viskoelastisitas creep, hardness, facture dan sebagainya

Poliadisi

Polimerisasi (bulk)

Pemprosesan plastik

Massa

Ekstrusi Polimerisasi Larutan

Cetak injeksi (injection moulding) Thermoforming Calendering Rotation moulding Compression moulding Trasfer moulding Reinforce plasties Fabrikasi dan Finishing Machining dari plastik Perakitan Decorating

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

362 

MATERIAL TEKNIK

Beberapa pengertian dasar polimer : 1. Segmen( Satuan berulang /repeating unit)

adalah radikal polivaten berulang

(repeating polyvalent radikal) yang berasal dari molekul-molekul fungsional asal. 2. Monomer adalah bila segmen atau struktur berulang polifungsional diturunkan dari satu jenis molekul tunggal. Dengan perkataan lain bila bahan asal sebagai suatu jenis molekul bepolimerisasi sendiri pada kondisi-kondisi percobaan tertentu yang menghasilkan segmen dari  polimer tertentu disebut monomer. Contoh: Segmen, Monomer Polimer

-CH2-CH(CH2-CH)2-CH2-CH| O

Segmen

Monomer

-CH2 CH-

CH2 = CH

| O

| O

| O

Polisstirin

 NH2-(CH2)5-Co-(NH(CH2)5)Co

-

-NH(CH2)5 CO-

| Polikapro laktam

NH2 (CH2)5CooH t-amono

-

(H2C)5 NH

caproic acid

| O=C-OH

Ho-(oc(CH2)4 – (Coo)n - H

-OC-(CH2)4COO-

 polyadipic annydride

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

Hooc-(CH2)4CooH asam adipat

36 

MATERIAL TEKNIK

3...Komer (comer) berasal dari perkataan Co dengan dan mer (bagian lain) Contoh: n Ho – (CH2) – n Hooc – (cHn) – mCooH  H – (O(CH2)n – OOC (CH2)m CO)n – OH segmen dalam polimer komonomer

= suatu monomer yang berpolmerisasi dalam lingkungan monomer atau komer lain.

Contoh: a) n H2 = CH  - CH2 – CH2 – CH – (CH2 – CH)- (n-1) |

|

|

O

O

O

monomer polimer

 b) n CH2 = CH  - CH2 – CH – (CH – 2CH) – (n-1) |

|

CH

CN

c) m CH2 = CH + n CH2 = CH  |

|

O

CN

komonomer

komonomer -

-

- CH2 – CH – CH2 – CH- (CH2 CH) (m-1) (CH2 – CH) (n-1) |

|

|

O

CN

O

d) HC = CH |

 tidak

| CN

terjadi polimerisasi

|

O=C C=O \

O

/

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

364 

MATERIAL TEKNIK

e) n CH2 = CH + n HC = CH – (CH2 – CH – HC = CH)- (n-1) |

|

|

o=c c=o

O

\

|

|

|

O

co

co

/

\

o komonomer

polimer

/ o

komer

CH2 – CH O – HC – CH | | | co co \ / o f) n CH2 = CH2 + n CO  (CH2 – CH2 – Co)n komonomer

komer

g) n CH2 = CCL2 – n O2 komonomer

-

polimer

 -

(CH2 – CCL2 – O – O)n

komer

-

polimer

4. Telomer adalah suatu persenyawaan kimia yang dapat membentuk bagian akhir dan  polimer (end part, end group) biasanya bersifat monofungsional atau dapat menghasilkan radikal radikal monofungsional. Contoh: a) n HO (CH2)y OH + (n + 1) HOOC (CH2)y COOH + 2 ROH  komer

komer

telomer

ROOC (CH2)y CO (O(CH2)y – OOC(CH2)y – OC)n – RO Telomerised polymer

 b) n CH2 = CH + CCL4   (CHH2 – CH)n – CCL9 | O

telomer

| O

monomer

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

36 

MATERIAL TEKNIK

atau – ( CH2 – CH)n – cl | O ccl – telomerised polyetrene

5. Polimer

adalah senyawa molekul-molekul besar yang terjadi berdasarkan reaksi kimia kontinu dari molekul-molekul kecil sehingga terbentuk ikatan kimia yang kuat. Monomer berasal dari kata mono = satu dan meros = bagian Makromolekul yang disebut polimer berasal dari kata poly = banyak dan meros =  bagian Sehinga Kopolimer = suatu polimer lebih daris satu jenis segmen Contoh: -

a) n CH2 – CH2 + m CH2 – CH2  ( CH2CH2O)n – (CH2 CH2 NH)m \

/

\

O

/ NH

 b) n CH2 = CH + m CH2 = CH  - (CH2 – CH)n – (CH – CH)m | O

| COOH

| O

-

| COOH

Heteropolimer adalah polimer-polimer yang diperoleh dengan jalan mereaksikan definisi tertentu dengan zat lain seperti maleicanhydrida yang tidak berpolimerisasi. Contoh: a) Stilbene + maleic anhydride didihkan>

CH − CH − | |  − C6 H 2 C H     6

5

HC − CH 

−

  co co   hanya mengandung satu jenis segmen  \ /   o n |

|

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

366 

MATERIAL TEKNIK

 b) Olefin (R 2 C = CH2) + maleic anhydrazide  R 

R 

|

|

− HC − CH − (C −

C − HC − CH) −

|

|

|

|

CO

CO

R 

R 

\

/ O

|

|

CO

CO

\

/ O

6. Derajat polimerisasi rata-rata = DP DP

= Jumlah rata-rata satuan monomer dalam suatu molekul polimer = Jumlah rata-rata molekul yang beraksi dengan pusat aktif (active centre) mulai dari pembentukan hingga pengakhirannya.

Definisi kinetis DP =

=

Kecepatan reaksi keseluruhan Kecepatan reaksi awal Rp Ri

Derajat polimerisasi jumlah rata-rata = DPn ~

∑ ni DPn  =

DPc

i =o

~

∑ ni i =o

DPc  = Derajat polimerisasi polimer dengan rantai Derajat polimerisasi berat rata-rata = DPw ~

∑ ni DPi DPw =

2

i =o ~

∑ ni DPi i=o

Derajat polimerisasi Z rata-rata = DP2

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

36 

MATERIAL TEKNIK

~

DP2 =

∑ ni DPi

9

∑ ni DPi

2

i =o ~

i =o

5. a). m w =

Σ ni mi mi

=

Σ ni mi mi

2

2

2

2

2

2

2

2

Σwi mi Σ wi 6

n1m1 = 2 x (19000)  = 722.10

n2m2 = 3 x (19500)  = 1140750000 6

n3m3 = 4 x (20000)  = 1600.10 6

n4m4 = 2 x (21000)  = 882.10 ni mi mi

= 4344750000

nimi= 2 x 19000 = 38000 3 x 19500 = 58500 4 x 20000 = 80000 2 x 21000 = 42000 nimi

= 218500 ~

∑ ni mi Mw =

2

i=o

∑ ni mi

=

4344750000 218500

= 19884, 43936

i =o

~

∑ ni mi Mw =

i=o

∑ ni

=

218500 11

= 19863,63636

i=o

mw mn

=

19884,43936 19863,63636

= 1,001047291 = 1 (monodisperse)

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

368 

MATERIAL TEKNIK

 b) Pertambahan 4 molekul dengan B.M = 1000 2

ni Mi Mi = 4.344.750.000 + 4 (1000) = 4348750000 2

ni MI

= 218500 + 4 (1000)

= 4218500

~

−

 M  w =

Σ ni mi

i =0

Σ ni

218500

=

-

15

i =0

= 14566,66667 mw mn

=

19902,746 14566,66667

= 1,366321235

c. Penahanan 4 molekul dengan M = 10000 2

ni Mi Mi = 4344750000 + 4 (100000) 2

ni mi = 218500 + 4 (100000)

10

= 4,434475 . 10

10

= 4,0000218 . 10

~

mw =

Σ ni mi 2

i =0

Σ ni mi

=

4,434475 . 1010 4,0000 . 1010

i =0

= 1,108612708 ~

Σ ni mi 4.0000218.1010 i=0 = mn = Σ ni mi 15 i=0

= 2666681200 m w 1,108612708

=

mn

2666681200 10

= 4,1572749 . 10 Kesimpulan

: Penambahan 4 molekul baru dengan masing-masing B.M 1000 dan 100000 ternyata berpengaruh pada M w, M n dan

6. Asal

Mw Mn

: Polimer alam dan polimer sintetik

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

36 

MATERIAL TEKNIK

Reaksi polimerisasi

Polimerisasi Kondinsasi

Reaksi sintetik

Polimerisasi adisi (poliadisi)

(Polikondensasi)

Contoh : Polimerisasi

: Alkohol + asam  eater + air O

O n HO - CH2 - CH2 - OH +

n

C

-

O

- C OH

O Polidisi

:

n CH2 = CHCI  (CCH2 – CH - )n CI

P.V.C

* Struktur ada tiga jenis 1. Linier

2. Bercabang

3. Berikatan silang

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

370 

MATERIAL TEKNIK

* Geometri Geometri

Konfigurasi

Konformasi

a. CIS – Trans atau d – dan I -

Contoh : CIS – Polisoprin

=

Karet alam (elastomer) trans – polisoprin (gutta

 percha, plastik).

 b. nead to tail – nead – to – nead tail – to – tail

s

kontinu acak

Konfirmasi acak atau :

Isotatik :

(dd, dd, dd,

II, II, II)

Sindotaktik :

(dl, dl, dl)

Atatik

(dl, dl, Id, dl)

:

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

371 

MATERIAL TEKNIK

* Kristalinitas Kristalinitas

Semi kristalin

Fasa Kristalin ada

Fasa amorf

* Komposisi Berdasarkan susunan unit uang : a. Homopolimer  b. Heteropolimer

7. Penggunaan polimer Penggunaan polimer tergantung pada sifat-sifat polimer lain = berat molekul, temperatur transisi gelas (Tg) titik lelah (Tm). Karet Fluida mobil

T°C

Tm

Fluida kental Plastik kenyal

Tg Plastik yang kristalin seba ian

10

109

105

10.000.000

Hubungan antara = B. Mg Tg, Tm dan sifat polimer.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

372 

MATERIAL TEKNIK

Tinggi Lelehan

Karet atau plastik fleksibel

Temperatur

Termoset

Plastik industri (engineering plastic)

Gelas

Plastik kristal

Serat

Rendah Rendah

Tenaga inter molekul

Tinggi

Tanda panah : arah perubahan keadaan interelasi keadaan “bulk polymer”

8. Metode polimerisasi dalam industri dan masalah – masalahnya. a. Sejak penemuan polimersintetis pertama yang dibuat oleh Leo Beake Lavid, yakni  polifenol Formaldehida (Bakelit) pada tahun 1907 maka banyaknya jenis polimer sebagai hasil riset laboratorium meningkat secara eksponensial.  b. Sarjana teknik kimia harus memiliki atau menentukan hal-hal yang menarik dari  produk-produk baru, dan bilamana produk baru itu berharga dan berfaedah – maka dia dapat memproduksi bahan tersebut secara komersial. c. ada 4 cara polimerisasi dalam industri yang digunakan pada proses – proses  polimerisasi berdasarkan pada proses polimerisasi adisi atau polikondensasi dalam sistem fasa homogen atau heterogen yakni: 1. Polimerisasi secara susensi (suspensian polymerisation) 2. Polimerisasi secara emulsi (simulsion polymerisation) 3. Polimerisasi secara massa atau “bulk” (bulk polymerisation). 4. Polimerisasi secara larutan (solution polymerisation). Dalam proses khususnya untuk membuat suatu polimer tertentu perlu dipikirkan dan diperhatikan: - Cara atau teknik yang harus dipergunakan

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

37 

MATERIAL TEKNIK

- Kebaikan–kebaikan

dan

keburukan-keburukan

dari

masing-masing cara

tersebut diatas. - Jenis pelarut, katalis, inisiator, innibitor, dan aditif yang harus dipilih - Jenis reaktor dan alat-alat yang dipergunakan - Kondisi-kondisi operasi yang harus dipilih supaya sistem produksi menjadi efisien dan efektif. d. Susunan dari sistem polimerisasi suspensi, berdasarkan pada jenis dan banyaknya  bahan-bahan stabilisator dan pendispersi yang dipakai adalah faktor yang menentukan dalam merencanakan pabrik polimer untuk membuat temoplastik e. Pada cara polimerisasi emulsi “pelarutan” dari” monomer-monomer” dengan menggunakan bahan-bahan pengemulsi (emulsifier) dalam air sebagai suatu fasa kontinu adalah syarat utama untuk berhasilnya polimerisasi dan monomermonomer atau pasangan monomer-monomer untuk menghasilkan bermacammacam polimer dan kopolimer. f. Penelitian mekanisme-mekanisme reaksi polimerisasi dari monomer – monomer murni dalam sistem homogen atau heterogen menghasilkan dasar analisa teknologi dari proses polimerisasi massa (bulk polymerisation). g. Masalah utama yang terdapat dalam industri – industri polimer ialah sebagai contoh : - Masalah yang terdapat dalam sistem reaktor. - Produk dan hasil buangannya - Pemanfaatan kembali (daur ulang) dari monomer yang berbahaya. - Pengaduan dan gangguan-gangguan dalam sistem reaktor batch - Sistem pengeringan yang mempengaruhi kualitas produk. 9. Pembuatan polietin linier dengan proses phillips Proses philips menggunakan tekanan rendah untuk membuat polietilin linier atau high density polyethylene dan kopolimer polietilin dengan butene – i. inti  prosesnya adalah penggunaan katalis padat : chromium oxide on silica – alumina  base. Setelah pemurnian, monomer-monomer dan katalis diumpankan secara kontinu kedalam reaktor yang beroperasi pada tekanan 400 Psig dan 300°F. luluk (Slurry)

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

374 

MATERIAL TEKNIK

katalis yang masuk kedalam reaktor mengandung 1% berat katalis. Sikloheksana dipakai bahan atau medium pengangkut polimer dan medium pemindah medium  pemindah panas. Pada proses polimerisasi larutan seperti phillips ini, polimerisasi berlangsung  pada permukaan tetapi polimernya segera larut begitu dia terbentuk. Umumnya  berat–molekul polimer polimer naik sesuai dengan tekanan dan sesuai dengan turunannya temperatur reaktor. Katalis dipisahkan dari larutan dengan penambahan air. Steam stripping menghilangkan pelatur sikoheksana. Setelah stripping maka polimernya dipisahkan dari air dan dikeringkan dalam  pengering putar dengan pemanas kukus yang mengurangi kelembaban menjadi di  bawah 2% polimernya sekarang berupa remah kering. Remah kering tersebut kemudian dimasukkan ke dalam ekstroder dimana sisa kelembabannya dihilangkan dan dibubuhi antioksidan. Hasil ekstrusi yang berupa lelahan kemudian didinginkan dan dipotong dengan chipper lalu dibungkus untuk dijual. 10.Sekarang banyak pendisain material dan para ahli teknologi yang menaruh perhatian  pada plastik karena: plastik dapat menghasilkan sifat-sifat gabungan yang tidak mungkin diperoleh pada jenis bahan-bahan lain. Sifat-sifat menguntungkan dari plastik - Ringan - Tangguh (Resihence) - Tahan korosi - Warna yang tahan lama - Transparan - Mudah memprosesnya. Ada dua golongan plastik yang penting 1. Bahan-bahan termoplastik a. Pada termoplastik rantai-rantai yang panjang dilihat oleh gaya /tenaga van der waals yang relatif lemah.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

37 

MATERIAL TEKNIK

b. Bila bahan dipanaskan maka tenaga-tenaga intra molekul menjadi lemah, sehingga bahan menjadi lemah dan fleksibel, dan pada tempat tinggi bahan tersebut menjadi lelehan yang viskos. c. Bila lelahan termoplastik didinginkan maka bahan terebut menjadi padat /beku kembali cycle pelunakan karena pemasaran dan pembekuan karena pendinginan dapat dilakukan berulang-ulang (teoristis tanya batas) dari hal tersebut sebetulnya merupakan dasar dari metode-metode proseesing untuk bahan termoplastik. Hal tersebut berarti bahwa sifat termoplastik adalah sensitif terdapat panas yang sekaligus merupakan sifat buruk (Analogi) = lelehan yang dilelehkan oleh panas dan beku oleh pendinginan. Contoh bahan termoplastik Polietilin, polivinilkularida, pdistirena, nilon, selulosa asetat, asetat  polikarbonat, polimetil meta krilat dan poliprop lina dan polikopilina. 2. Bahan-bahan Termoplastik Bahan termoplastik dihasilkan dengan cara reaksi kimia alam dua tahap. Tahap pertama Menghasilkan rantai-rantai molekul pajang serupa dengan termoplastik, tetapi dia dapat bereaksi lebih lanjut. Tahap kedua Terjadi pada waktu proses mencetak (maolding), biasanya dengan menggunakan  panas dan tekanan.

8.3 TERMOPLASTIK

Jenis polimer yang mempunyai bentuk ikatan lurus. Apabila polimer thermoplastik dipanaskan kenaikan temperatur akan meningkatkan gerakan atom untuk saling memisahkan diri sehingga gaya ikat akan menurun yang mengakibatkan bahan melunak dan mudah dibentuk.Berdasarkan struktur molekulnya termoplastik dibagi 2 yaitu : a. Polimer kristal

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

376 

MATERIAL TEKNIK

Termasuk jenis ini polietylen nilon, polipropilene yang mempunyai molekul tersusun secara teratur yang membentuk kristal. Tetapi pada kenyataannya sulit ditemukan material murni kristalin, kebanyakan semi kristalin dengan derajat kristalinitas tertentu.  b. Polimer Amorf Polimer yang memiliki susunan molekul yang tidak teratur, contoh polimetil matakrilot.

8.3.A. Termoset

Polimer yang mempunyai bentuk silang ( crosslingking ) dimana rantai – rantai molekul saling dihubungkan, sehingga walaupun mengalami pemanasan dan penekanan masing – masing rantai molekul tidak bisa saling bergerak aktif. Dengan demikian  proses pembentukan termoset dilakukan sebelum terjadi hubungan silang yaitu dengan resin – resinnya. Contoh dari polimer termoset yaitu resin polyester, resin epoksi, resin renol dan sebagainya.

8.3.B. Elastomer

Polimer berantai panjang yang mempunyai deformasi elastis yang besar dengan  bentuk ikatan seperti kumparan terpuntir.

8.3.C. Sifat – sifat polymer

Sifat – sifat khas bahan polymer pada umumnya adalah : a. Mampu cetaknya baik, pada temperatur relatif rendah bahan dapat dicetak dengan penyuntikan, penekanan, ekstrusi,. Sehingga ongkos pembuatan relatif lebih rendah daripada logam dan keramik.  b. Produk yang ringan dan kuat dapat dibuat. Berat jenis polymer lebih rendah daripada logam dan keramik. c. Banyak diantara polymer bersifat isolasi listrik yang baik. Polymer mungkin juga dibuat konduktor dengan jalan mencampurkannya dengan serbuk logam, butiran karbon, dan sebagainya.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

37 

MATERIAL TEKNIK

d. Baik sekali dalam ketahanan air dan ketahanan zat kimia. e. Produk – produk dengan sifat yang cukup berbeda dapat dibuat tergantung pada cara pembuatannya. Dengan mencampur pemlastik, pengisi, agar sifat – sifatnya dapat  berubah dalam daerah yang luas. f. Umumnya bahan polymer lebih murah g. Kurang tahan terhadap panas. Hal ini sangat berbeda dengan logam dan keramik h. Kekerasan permukaannya sangat kurang. Bahan polymer yang keras ada namun masih jauh dibawah logam dan keramik. i.

Kurang tahan terhadap pelarut. Umumnya larut dalam zat pelarut tertentu kecuali

 beberapa bahan khusus seperti polytetrafluorethylene, jika tidak dapat larut maka akan mdah retak karena kontak yang terus menerus dengan pelarut dan disertai dengan adanya tegangan.  j. Mudah termuati listrik secara elektrostatik k. Beberapa bahan tahan abrasi, atau mempunyai koefisien gesek yang kecil. ( Surdia dan saito,1999 : 173 )

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

378 

MATERIAL TEKNIK

Tabel 8.1 Sifat fisik dan kimia polimer

Umumnya pada bahan polymer modulus elastik untuk tekanan berbeda denagan tarik, tegangan tekan yang besar terjadi pada bagian yang mengalami tegangan tekan. Selanjutnya pada bahan polymer kekuatan tekan jauh lebih besar daripada kekuatan tariknya, hal inilah yang menyebabkan patah karena tekukan pada bagian yang mengalami tegangan tarik. Hal ter sebut ditunjukkan pada tabel ...

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

37 

MATERIAL TEKNIK

Kekuatan impak pada bahan polymer pada umumnya lebih kecil daripada kekuatan impak bahan logam. Jika ikatan antar molekulnya, atau berat molekulnya  besar, kekuatan impak biasanya juga besar. Namun tidak sesederhana itu, contohnya  polietilene yang berkristal dan mempunyai daya tarik – menarik antar molekulnya lemah, namun tidak patah pada pengujian impak, hanya mengalami bengkok.

8.4 POLIETILEN

1).

Jenis dan cara produksi Polietilene dibuat dengan cara polimerisasi gas etilene yang dapat kita peroleh

dengan memberi gas petrolium pada pemecahan minyak ( nafta ), gas alam atau asiteli. Polimerisasi etilen ditunjukkan pada reaksi dibawah

Gambar 8.1 Struktur atom polietilen

( Sumber :Tata Surdia, Saito Shinroku, Pengetahuan Bahan Teknik, 2000 : 171 )

Yang digolongkan menjadi polietilene tekanan tinggi, tekanan medium dan tekanan rendah oleh tekanan pada polimerisasinya atau masing – masing menjadi  polietilene masa jenis rendah ( LDPE ) dengan masa jenis 0.910 – 0,926, politilene masa  jenis medium ( MDPE ) dengan masa jenis 0,926 – 0,940 dan polietilene masa jenis tinggi ( HDPE ) dengan masa jenis 0.941 – 0.965. Menurut masa jenisnya , karena sifat  – sifatnya erat hubungannya dengan masa jenisnya ( kristalinitas ), termasuk  polipropilen yang sama disebut poliolefin. Sebgai tambahan semuanya ada lah polietilene denagn berat molekul rendah ( 1000 – 12.000 ), polietilene dengan berat molekul sangat tinggi ( 1 – 4 juta ) demikian juga polietilene yang dikopolimerkan, polietilene yang diikat silangkan dan polietilene dibusakan.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

380 

MATERIAL TEKNIK

 Polimer HDPE ( High Density Polyethilene )

Pada penelitian ini matriks yang digunakan yaitu matriks polimer polietilen jenis HDPE ( High Density Polyetilene ). Polietilen dibuat dengan jalan polimerisasi dari gas etilen yang diperoleh dengan memberi hidrogen gas petroleum pada pemecahan minyak, gas alam atau asitelin. Sifat- sifat dari polietilen adalah sebagai berikut : 3

- Massa jenisnya yang rendah yaitu berkisar 910 – 960 kg/m . - Kekuatan tariknya semakin tinggi bila massa jenisnya naik tetapi berbanding terbalik dengan kekuatan impact . - Memiliki sifat isolasi listrik yang baik. - Mempunyai sifat- sifat kimia yang stabil dan tahan terhadap berbagai bahan kimia kecuali kalida dan oksida kuat. - Mempunyai mampu cetak yang baik.

Material ini mempunyai berat molekul terendah 1.000- 12.000 sedangkan untuk  berat tertingginya 1-4 juta begitu juga dengan polietilen yang dipolimerkan dan  polietilen yang disilangkan juga dibusakan karena berat molekul yang tinggi sifatnya sama dengan sifat parafin yang mudah terbakar, menjadi cair dan rata bila terjatuh diatas air. HDPE ( High Density Polyetilene ) mempunyai kepadatan pada range 935- 965 3

Kg/m   dan memiliki permukaan yang jernih dibandingkan dengan jenis LDPE ( Low  Density Polyethilene ). Kelebihan bahan HDPE yaitu mempunyai kekuatan dan kekakuan lebih baik. Polietilene jenis HDPE mempunyai kristalinitas tinggi mencapai 85- 95 % sehingga gaya antar molekulnya kuat bahan ini memiliki kekuatan mekanik yang baik dan titik lunak yang tinggi.

Sifat kimianya cukup stabil dan tahan terhadap

 jenis bahan kimia. Adapun kekurangan dari bahan ini adalah dalam pembuatan produk diperlukan tekanan kompresi dan temperatur yang tinggi untuk melunakkan.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

381 

MATERIAL TEKNIK

Gambar 8.2 Biji Plastik HDPE

Sumber : http://www.indonetwork.co.id/all.ch/0.html

2) Sifat – Sifat Polietilene Secara kimia polietilene memerupakan parafin yang mempunyai berat molekul yang sangat tinggi. Karena itu sifat – sifatnya serupa dengan parafin. Terbakar kalau dinya;lakan dan menjadi rata kalau dijatuhkan diatas air. a. Hubungan dengan masa jenis Dengan cara polimerisasi etilen yang berbeda didapat struktur molekul yang  berbeda pula pada polietilene masa jenis rendah, molekul – molekulnya tidak mengkristal secara baik tetapi mempunyai banyak cabang. Di pihak lain  polietilene tekanan rendah kurang bercabang dan merupakan rantai lurus, karena itu masa jenisntya lebih besar sebab mengkristal secara baik sehingga mempunyai kristalinitas tinggi. Karena kristal yang terbentuk baik itu mempunyai gaya molekul kuat, maka bahan ini memeiliki kekuatan mekanik yang tinggi dan titik lunak yang tinggi pula.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

382 

MATERIAL TEKNIK

Tabel 2.3 Sifat Polietilene Menurut Massa Jenis

 b) Hubungan Dengan Berat Molekul Sifatnya cukup berubah oleh perubahan massa jenis, kalau massa jenis (kristalinitas) sama, sifat – sifat mekanik dan mampu olahnya berbeda menurut ukuran molekul. Karena berat molekul kecil, kecairannya pada waktu cair lebih baik sedangkan ketahanan akan zat pelarut dan kekuatannya menurun.Umumnya indeks cair ( MI ) 0

dipergunakan untuk menyatakan berat molekul. Polietilene pada temperatur tetap 190 C diekstrusi melalui lubang dengan diameter 2,1 mm dan panjang 8 mm, memberikan 2161 g selama 10 menit. Jumlah yang terekstrusikan dalam gram adalah indeks cair.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

38 

MATERIAL TEKNIK

Tabel 2.4 Perubahan Sifat Polietilene Oleh Massa Jenis Dan Indeks Cairan ( MI )

c ) Sifat – sifat Listrik Polietilene merupakan polimer non polar yang khas memiliki sifat – sifat listrik yang baik. Terutama sangat baik dalam sifat khas frekwensi tinggi, banyak dipakai sebagai bahan isolasi untuk rada, TV dan berbagai alat komunikasi. Akan mempunyai sifat lebih baik lagi kalau masa jenisnya tinggi.

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

384 

MATERIAL TEKNIK

Tabel 2.5 Sifat listrik isolator polimer

d) Sifat – Sifat Kimia Polietilene adalah bahan polimer yang sifat – sifat kimianya cukup stabil tahan  berbagai bahan kimia kecuali kalida dan oksida kuat. Ia larut dalam hidrokarbon 0

aromatik dan larutan hidrokarbon yang terklorinasi diatas temperatur 70 C, tetapi tidak ada pelarut yang dapat melarutkan polietilene secara sempurna pada temperatur biasa. Karena bersifat non polar polietilene tidak mudah diolah dengan merekat dan mencap. Perlu perlakuan tambahan tertentu seperti oksidasi pada permukaan atau pengubahan struktur permukaannya oleh sinar elektron yang kuat. Kalau dipanaskan tanpa 0

 berhubungan dengan oksigen, hanya mencair sampai suhu 300 C, kemudian terurai karena thermal kalau melampaui temperatur tersebut. Tetapi kalau dipanaskan dengan

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

38 

MATERIAL TEKNIK

0

disertai adanya oksigen akan teroksidasi walaupun baru 50 C. Karena polietilene lemah terhadap sinar UV, bahan anti oksida seperti turunan naftilamin, atau bahan pengabsorb UV seperti serbuk karbon, bensofenon, ester asam salisil, dicampurkan untuk memperbaiki ketahanan UV, perlu menjadi perhatian karena polietilene akan retak di  bawah pengaruh tegangan apabila berhubungan dengan berbagai surfakta, minyak mineral, alkali, alkohol dan sebagainya.

Tabel 2.6 Sifat – sifat kimia plastis

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

386 

MATERIAL TEKNIK

e) Permeabilitas Gas Film polietilene sangat sukar ditembus air, tetapi mempunyai permeabilitas cukup tinggi terhadap CO2, pelarut organik, parfum, dan sebagainya. Polietilene masa  jenis tinggi kurang permeabel daripada polietilene dengan masa jenis rendah.3) 3) Polietilene Keperluan Khusus a) Polietilene berberat molekul rendah ( 1000 – 1200 ) Dapat diperoleh berbagai mutu mulai dari pelumas pada temperatur sampai 0

 bahan dengan titik cair 100 C tergantung pada masa jenis dan berat molekulnya. Dipergunakan untuk memperbaiki mampu cetak denagn mencampur atau dipakai untuk membuat kertas tahan air, kain tanpa tenunan, pelapis dan seterusnya, dengan jalan  pelapisan.  b) Polietilene berberat molekul sangat tinggi ( 1 – 4 juta ) Bahan ini sukar untuk diolah karena kecairannya yang buruk, walaupun agak lunak denagn meningkatnya temperatur. Tetapi ia mempunyai ketahanan impak yang  baik, ketahanan abrasi yang sangat baik, mempunyai sifat mekanik yang baik dan 0

 pemelaran yang kecil pada temperatur sekitar 100 C. c) Polietilene berikatan silang Kalau secara antar molekul diikat silangkan oleh penyinaran radioaktif energi tinggi seperti sinar elektron, beta atau gama. Kekuatan tarik, ketahanan retak tegang 0

menjadi lebuh baik dan titik lunaknya meningkat 250 C. d) Polietilene busa Kalau polietilene diikat silangkan dan dan dibusakan, masa jenisnya bervariasi dari daerah yang cukup lebar. Maka bahan ini dapat dipergunakan untuk isolasi dan  bahan akustik. Bhan busa rendah dipakai sebagai bahan pen gganti kayu. 4) Mampu Olah Polietilene mudah diolah, maka dari itu sering dicetak dengan penekanan, injeksi, ekstrusi peniupan dan dengan hampa udara. Perlu diperhatikan bahwa  penyusutannya tinggi. 5) Penggunaan

Bab 8– Pemilihan Material Komposit dan Polimer

38