MATERIAL POLIMER (2016)
1
KARAKTERISASI SIFAT FISIS DAN MEKANIK MATERIAL POLIMER THERMOPLASTIK DENGAN ANALISIS FTIR DAN TENSILE TEST Inggil Hanidya, Muhammad Farisi, Jan Weslin Saragih, Airlangga Eka Saputra, Fadhli Nugraha, Jourdy Praditya dan Arif Imbang Pambudi Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
Abst Abstrak — Polimer termoplastik adalah polimer yang mempunyai sifat yang tidak tahan terhadap temperatur tinggi. Jika polimer ini dipanaskan, maka akan menjadi lunak dan apabila didinginkan akan mengeras. Proses tersebut dapat terjadi berulang kali, sehingga dapat dibentuk ulang dalam berbagai bentuk melalui cetakan yang berbeda untuk mendapatkan produk polimer yang baru. Pembuatan material polimer pada penelitian ini menggunakan peralatan seperti H and truder truder Model PM-1, Toyoseiki 1 buah, sarung tangan 1 buah, pinset 1 buah dan cawan petri 1 buah dan bahan yang digunakan untuk penelitian ini adalah pellet termoplastik sebanyak 15 gram. Proses dimulai dengan mengatur peralatan, kemudian memasukkan pellet pada silinder sembari memberikan tekanan hingga detektor pada “penggaris” menunjukkan angka ±110. Biarkan selama ±5 menit agar semua pellet melting, kemudian lakukan pendinginan cepat dengan mengalirkan udara dengan compressor melalui nozzle pendingin. Lau menunggu proses pendinginan, ganti piston dengan cleaning rod yang dilapisi kain, berikan tekanan untuk membersihkan sisa kotoran. Terkahir tunggu hingga temperatur molder stabil, kemudian buka molder. Material polimer yang didapat kemudian dilakukan pengujian fisis dengan FTIR (F ouri er T ransfor ransfor m i nfraRe nfraR ed) dan pengujian mekanik dengan tensile kemudian dianalisa. Dari analisis yang dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa material C yang diuji adalah polipropilena dengan kekuatan tarik sebesar 32,3 N/mm2.
Kata
FTIR, Kunci — FTIR,
Pellet,
Polimer,
Tensile,
Termoplastik.
I. PENDAHULUAN Polimer termoplastik adalah polimer yang mempunyai sifat yang tidak tahan terhadap temperatur tinggi. Jika polimer ini dipanaskan, maka akan menjadi lunak dan apabila didinginkan akan mengeras. Proses tersebut dapat terjadi berulang kali, sehingga dapat dibentuk ulang dalam berbagai bentuk melalui cetakan yang berbeda untuk mendapatkan produk polimer yang baru. Polimer yang termasuk polimer termoplastik adalah jenis polimer plastik, meliputi Polietilen (PE), Polivinilklorida (PVC), Polipropilena Polipropilena (PP), Polistirena (PS), dll. Jenis polimer ini mempunyai karakteristik seperti berat molekul kecil, tidak tahan terhadap panas,
fleksibel, memiliki struktur molekul linear atau bercabang, dll. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengerti proses manufaktur polimer termoplastik dan mengetahui cara mengkarakterisasi sifat fisik serta mekanik material polimer. II.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Polimer [1] Polimer (poly=banyak, meros = bagian) merupakan molekul besar (makromolekul) yang terbentuk dari susunan unit ulang kimia yang terikat melalui ikatan kovalen. Unit ulang pada polimer, biasanya ekivalen dengan monomer, yaitu bahan dasar polimer tersebut. Panjang rantai polimer diukur dari jumlah unit ulang yang terdapat pada rantai, umumnya dikenal sebagai derajat polimerisasi (DPn). Panjang rantai dari suatu polimer berbeda-beda. Oleh karena itu, berat molekul suatu polimer tidak dapat ditentukan secara pasti. Berat molekul polimer biasanya diambil berdasarkan berat molekul rata-rata (M n) atau berat molekul rata-rata jumlah (Mn). Berat molekul dari polimer yang biasa digunakan sebagai plastik, karet atau serat berkisar antara 10.000 sampai 1.000.000 [1] 2.2 Polimer Termoplastik [2] Polimer termoplastik adalah polimer yang mempunyai sifat tidak tahan terhadap panas. Jika polimer jenis ini dipanaskan, maka akan menjadi lunak dan didinginkan akan mengeras. Proses tersebut dapat terjadi berulang kali, sehingga dapat dibentuk ulang dalam berbagai bentuk melalui cetakan yang berbeda untuk mendapatkan produk polimer po limer yang baru. Polimer Poli mer yang termasuk polimer termoplastik adalah jenis polimer plastik. Jenis plastik initidak memiliki ikatan silang antar rantai polimernya, melainkan dengan struktur molekul linear atau bercabang. Bentuk struktur termoplastik sebagai berikut.
Gambar 2.1 Bentuk struktur bercabang
MATERIAL POLIMER (2016)
[5]
Polimer termoplastik memiliki sifat - sifat khusus sebagai berikut: - Berat molekul kecil - Tidak tahan terhadap panas - Jika dipanaskan akan melunak - Jika didinginkan akan mengeras - Mudah untuk diregangkan - Fleksibel - Titik leleh rendah - Dapat dibentuk ulang (daur ulang) - Mudah larut dalam pelarut yang sesuai - Memiliki struktur molekul linear/bercabang 2.3 Jenis Polimer Thermoplastik 2.3.1 Polipropilena [3] Polipropilena adalah sebuah polimer termo plastik yang dibuat oleh industri kimia dan digunakan dalam berbagai aplikasi, diantaranya pengemasan, tekstil (contohnya tali, pakaian dalam termal, dan karpet). Teknik pembentukan yang paling umum adalah pencetakan suntik, yang digunakan untuk berbagai bagian seperti cangkir, alat pemotong, botol kecil, topi, wadah, perabotan, dan suku cadang otomotif seperti baterai. Teknik pencetakan tiup dan injection-stretch blow molding juga digunakan, yang melibatkan ekstrusi dan pencetakan. 2.3.2 Polikarbonat [3] Polikarbonat adalah suatu kelompok polimer termoplastik, mudah dibentuk dengan menggunakan panas. Plastik jenis ini digunakan secara luas dalam industri kimia saat ini. Plastik ini memiliki banyak keunggulan, yaitu ketahanan termal dibandingkan dengan plastik jenis lain, tahan terhadap benturan, dan sangat bening. Teknik pembuatan jenis material polimer ini melalui injection molding. 2.3.3 Low Density Polyethylene [3] Low Density Polyethylene (LDPE) adalah jenis material termoplastik yang terbuat dari minyak bumi. LDPE dicirikan dengan densitas antara 0.910 0.940 g/cm3 dan tidak reaktif pada temperatur kamar, kecuali oleh oksidator kuat dan beberapa jenis pelarut dapat menyebabkan kerusakan. LDPE dapat bertahan pada temperatur 90 oC dalam waktu yang tidak terlalu lama. LDPE memiliki percabangan struktur yang banyak, lebih banyak daripada HDPE sehingga gaya antar molekulnya rendah. 2.3.4 High Density Polyethylene [3] Polietilena berdensitas tinggi (High Density Polyethylene, HDPE) adalah polietilena termoplastik yang terbuat dari minyak bumi. HDPE memiliki percabangan yang sangat sedikit, hal ini dikarenakan
2 pemilihan jenis katalis dalam produksinya (katalis Ziegler-Natta) dan kondisi reaksi. 2.3.5 Polistirena [1] Polistirena merupakan polimer yang mempunyai sifat transparan, kaku dan getas dan memiliki kestabilan dimensional yang baik sehingga polistirena sangat sulit mengalami perubahan bentuk. Disamping itu juga polistirena memiliki absorpsi yang sangat rendah terhadap uap air, asam, basa, alkohol dan detergen. Polistirena yang bebas dari aditif bersifat non-toksis serta tidak menunjang terjadinya pertumbuhan jamur dan bakteri. Keunggulan lain dari polistirena adalah polistirena mempunyai ketahanan yang baik terhadap panas, memiliki temperatur transisi gelas berkisar 100˚C dan titik lelehnya 230 – 240˚C. Polistirena tahan terhadap cahaya, akan tetapi bersifat rapuh bila diradiasi dengan sinar UV setelah 350 jam. Walaupun terjadi pemutusan rantai makromolekul akibat radiasi sinar UV, akan tetapi distribusi berat molekulnya tidak berubah. Sifat dari suatu polimer ditentukan oleh struktur polimer dan susunan rantainya. Jika struktur rantai polimer tersusun secara acak, maka polimer tersebut digolongkan sebagai polimer ataktik, dan polimer ataktik biasanya dibuat dengan metode polimerisasi radikal bebas. Jika polistirena disintesis menggunakan katalis Ziegler-Natta maka dihasilkan polistirena yang bersifat isotaktik. Pada umumnya polistirena yang dihasilkan bersifat amorf dan semikristalin. 2.4 Manufaktur Polimer 2.4.1 Reaction Injection Molding [1]
Proses ini relative baru dimulai dengan komponen yang tidak berekasi yang menghasilkan produk polimer. Material dipompa dalam jumlah yang telah ditentukan ke dalam mixing head, dimana mereka dicampur dan diinjeksikan ke cetakana hingga temperature 650oC dibawah tekanan yang relative rendah (50-100psi). Polimerisasi berlangsung dalam cetakan. Sementara itu, mixing head dibersihkan, dengan monomer yang tidak terpakai di daur ulang, Sampai saat ini RIM telah digunakan hampir seluruhnya untuk membentuk polyurethanes, tapi nilon dan RIM epoxy diantisipasi. 2.4.2 Extrusion [1] Dalam proses ekstrusi, polimer didorong terus menerus sepanjang sekrup melalui daerah suhu tinggi dan tekanan di mana ia mencair dan dipadatkan, dan akhirnya dipaksa melalui die untuk memberikan objek akhir. Berbagai bentuk dapat dibuat dengan ekstrusi, termasuk batang, saluran dan lainnya, bentuk struktural, tabung dan selang. 2.5 Analisis Kualitatif FTIR [4] Salah satu cara ialah dengan mengkategorikan sebagian daerah IR dekat (0,7- 2,5 μ); daerah
MATERIAL POLIMER (2016) fundamental (2,5-5,0 μ); dan daerah IR j auh (50-500). Cara yang lain adalah dengan mengklasifikasikannya sebagai daerah sidik jari (6,7-14 μ). Dari kedua klasifikasi ini tampak bahwa dalam kategori kedua semua daerahnya adalah fundamental, dan ini paling banyak digunakan. Daerah ulur hidrogen (3700-2700 cm-1). Puncak terjadi karena vibrasi ulur dari atom hidrogen dengan atom lainnya. Frekuensinya jauh lebih besar sehingga interaksi dapat diabaikan . Puncak absorpsi timbul pada daerah 3700-3100 cm-1 karena vibrasi ulur dari O-H atau N-H. ikatan hidrogen menyebabkan puncak melebar dan terjadi pergeseran kearah bilangan gelombang yang lebih pendek . Sedangkan vibrasi C-H alifatik timbul pada 3000-2850 cm-1. Perubahan struktur dari ikatan C-H akan menyebabkan puncak bergeser kearah yang maksimum. Ikatan C=H timbul pada 3300 cm-1. Hidrogen pada gugus karbonil aldehid memberikan puncak pada 2745-2710 cm-1. Puncak vibrasi ulur CH dapat didefinisikan dengan mengamati atom H oleh deuterium. Pada daerah ikatan rangkap tiga (2700-1850 cm-1), gugus-gugus yang mengabsorpsi terbatas, seperti untuk vibrasi ulur ikatan rangkap terjadi pada daerah 2250-2225 cm-1(Misal : untuk – C=N pada 2120 cm-1, -C-=N-pada 2260 cm-1). Puncak untuk SH adalah pada 2600-2550 cm-1 untuk pH pada 2240-2350 cm-1 dan SiH pada 2260-2090 cm-1 Pada daerah ikatan rangkap dua (1950 – 1550 cm-1), vibrasi ulur dari gugus karbonil dapat dikarakteristikkan di sini, seperti aldehid, asam, aminola, karbonat, semuanya mempunyai puncak pada 1700 cm-1. Ester, halida-halida asam, anhidrida-anhidida asam, mengabsorpsi pada 1770-1725 cm-1. Konjugasi menyebabkan puncak absorpsi menjadi lebih rendah sampai 1700 cm-1. Puncak yang disebabkan oleh vibrasi ulur dari – C=C- dan C=N terletak pada 1690-1600 cm-1, berguna untuk identifikasi olefin. Cincin aromatik menunjukkan puncak dalam daerah 1650-1450 cm-1, yang dengan derajad substitusi rendah (low degree of substitution) menunjukkan puncak pada 1600, 1580, 1500, dan 1450 cm-1. III.
METODE PENELITIAN
3.1 Bahan Bahan yang digunakan untuk penelitian ini adalah pellet termoplastik sebanyak 15 gram. 3.2 Alat Alat yang digunakan untuk penelitian ini diantaranya Hand truder Model PM-1. Sedangkan untuk proses pengujian tarik, alat yang digunakan adalah sebuah mesin uji tarik yang terdapat di Baristand. Untuk metode pengujian optikal, digunakan metode pengujian FT-IR yaitu pengujian dengan menggunakan Hukum Fourier memanfaatkan gelombang infra merah untuk mengkalibrasi getaran molekul atom dari benda uji. 3.3 Prosedur Kerja Pertama sekali kita menyiapkan 15 gr pellet. Kemudian kita harus memastikan bahwa semua kabel
3 power telah terhubung dengan main power unit dengan AC 110V, memastikan kabel thermocouple moulding telah terhubung dengan box temperature control, meyiapkan molder, piston, cleaning rod, connector piston, penutup molder, dan kunci , memasang piston dan konektornya kemudian jepit pada main unit, melakukan setting box temperature control untuk silinder dan molder, memasang molder dan penutupnya, meletakkan pada bagian tengah round handle dengan posisi tempat masuk resin berada di atas dan berjarak kurang lebih 7 cm dari tempat keluar resin. (Note: putar round handle ke kanan untuk menaikkan dengan tetap memegang mold, dan sebaliknya ke kiri untuk menurunkan). Kemudian setelah temperature stabil masukkan pellet pada silinder sembari memberikan tekanan hingga detektor pada “penggaris” menunjukkan angka ±110. Biarkan selama ±5 menit agar semua pellet melting. Setelah itu berikan tekanan untuk membuang sisa pengotor yang ada dalam silinder. Selanjutnya buka penutup molder dan naikkan sehingga tempat keluar dan masuk resin terhubung. Kemudian beri tekanan pada pellet hingga detektor “penggaris” menunjukkan angka ±10. Selanjutnya, turunkan molder, setting temperatur molder ±80˚C, dan lakukan pendinginan pada temperature ruang. Jika diperlukan pendinginan cepat, aliri udara dengan compressor melalui nozzle pendingin. Sambil menunggu proses pendinginan, ganti piston dengan cleaning rod yang dilapisi kain, berikan tekanan untuk membersihkan sisa kotoran. Terakhir tunggu hingga temperatur molder stabil, kemudian buka molder.
3.4 Standar Pengujian Pengujian dilakukan dengan mesin uji tarik yang sesuai dengan standar ASTM D 638M.
Gambar 3.1 Dimensi Spesimen sesuai dengan ASTM D 638M. Data spesimen: Wo = 19 mm, W = 13 mm, R = 76 mm, Lo = 57 mm, Lt = 165 mm, T = 7 mm. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisis Pengujian Fisis (Polimer) Pada sampel terdapat beberapa puncak gugus fungsi. Pada panjang gelombang 3392,51 cm -1 menunjukkan senyawa berikatan hidrogen, yaitu gugus O-H (gugus asam karboksil). Untuk panjang gelombang 2948,34 cm-1, 2865,74 cm-1, dan 2837,26 cm 1 menunjukkan adanya ikatan Alkyl C-H. Sedangkan pada 1647,21 cm-1 menunjukkan adanya ikatan ulur karbonkarbon rangkap dua. Lalu, pada panjang gelombang 1541,11 cm-1 menunjukkan adanya ikatan bengkok pada N-H. Selanjutnya, pada 1456,66 cm -1 menunjukkan adanya ikatan aromatik C=C-C. Kemudian pada 1374,93 menunjukan adanya ikatan bending – C-H- (isopropyl split) dan terakhir, pada 1166,54 cm -1, 997,26 cm-1,
MATERIAL POLIMER (2016)
4
972,46 cm-1 , 840,50 cm -1 dan 808,04 cm -1 menunjukkan adanya ikatan tunggal karbon-karbon. Bila dibandingkan dengan pengujian serupa yang sesuai dengan ASTM E1252. Untuk Polypropylene didapat panjang gelombang sebesar 2840,27 cm-1 dan 2868,27 cm-1 untuk gugus fungsi C-H. Kemudian 2952,11 cm -1 untuk gugus fungsi CH2, 1376,32 cm -1 dan 1459,41 cm-1 untuk gugus fungsi CH3 dan 2722,16 cm -1 untuk uluran gugus fungsi C-H. Dan mempunyai puncak vibrasi valensi CH3-CH2 (2957,5 cm1), puncak vibrasi deformasi CH2 (1452,1 cm 1 ), puncak vibrasi deformasi CH3 (1376,5 cm -1), serta lima buah puncak karakteristik PP.
210
s
Material B Material D Material O r i g i n P rC o 8
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
E v a lu a t io n
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
O r i g i nP r o
8 E v a lu a t io n
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
O r i g i nP r o
8 E v a lu a t io n
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
O r i g i nP r o
8 E v a lu a t io n
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
O r i g i nP r o
8 E v a lu a t io n
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
O r i g i nP r o
8 E v a lu a t io n
O r ig i n P r o 8
E v al ua t i on
O r i g i nP r o
8 E v a lu a t io n
Gambar 4.2 Hasil Pengujian Tarik Grafik uji tarik pada gambar 4.2 menunjukkan bahwa material C mempunyai nilai kekuatan yang lebih tinggi dari material B, namun lebih rendah dari material D. Sedangkan untuk keuletannya, lebih rendah dari material B, namun lebih tinggi dari material D.
e lu a v Y
V.
KESIMPULAN
140 t e sf f O
70
1000
2000
3000
4000
A
Gambar 4.1 Grafik FTIR Tiga Material
1.Sampel tipe C ini merupakan polimer jenis Polypropylene dengan kekuatan tarik sebesar 32,3 N/mm2. 2.Sampel tersebut mempunyai properti mekanik yaitu kekuatan yang cukup tinggi dimana nilai kekuatannya lebih tinggi dari material B namun lebih rendah dari material D, tetapi keuletannya relatif lebih rendah dari material B namun lebih tinggi dari material D.
4.2 Analisis Pengujian Mekanik
No 1. 2 3 5 6 8
Tabel 1. Data Uji Tarik Spesimen C Parameter Uji Nilai Tebal (mm) 3,20 Lebar (mm) 13,30 Luas penampang (mm2) 42,80 Beban maksimum (Kgf) 141,3 Kuat Tarik (N/mm2) 32,3 Regang (%) 25,1
Sampel polimer dengan material C diuji kekuatan tariknya dengan menggunakan mesin uji tarik yang sesuai dengan standar ASTM D 638M. Mesin yang digunakan menggunakan skala beban 0,5 ton dan 1 ton. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui sifat mekanik dari sampel tersebut. Dari data yang diketahui, menginformasikan bahwa sampel tersebut mempunyai keuletan yang tinggi sekitar 25,1%. Serta sampel ini mempunyai kekuatan yang tinggi, yang dibuktikan dengan data kuat tarik sebesar 32,3 N/mm2. Bila dibandingkan dengan pengujian yang dilakukan oleh sumaryono pada tahun 2012 didapat tegangan mkasimum rata-rata sebesar 19,53 kg/mm 2. Perbedaan nilai yang terjadi dapat disebabkan karena pada proses produksi aliran material tidak merata. Sehingga, bisa disimpulkan bahwa sampel tersebut mempunyai properti mekanik yaitu kekuatan yang cukup tinggi, tetapi keuletannya relatif rendah.
[1] [2]
[3]
[4] [5]
[6] [7]
DAFTAR PUSTAKA Billmeyer, Fred W. 1984. Textbook of Polymer Science. United State: John Wiley & Sons. Brazel, Christopher, S. 2012. Fundamental Principles of Polymeric Materials. New York : A John Wiley & Sons, Inc. Callister, William D dan David G Rethwisch. 2010. Materials Science and Engineering an Introduction 8th Edition. USA: John Wiley & Sons Garry D. Christian. (1971). Analytical Chemistry 2nd Edition. New York: John Wiley & Sons. Sperling, L., H. 2006. Introduction to Physical Polymer Science. Mexico: John Wiley & Sons, Inc. Sumaryono. 2012. Perilaku Pengujian Tarik pada Polimer Polistiren dan Polipropilen. Semarang Anonim, 2006, Annual Book of ASTM Standart, Vol. 08.01, USA
