TUGAS MATERIAL POLIMER
STRUKTUR DAN SIFAT POLIMER
KELOMPOK VI KHAIRUL UMAM (0405040392) NUR HIMAWAN A (0405040538) NURMAWATI (0405040546)
DEPARTEMEN METALURGI DAN MATERIAL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA 2007
BAB I STRUKTUR KIMIA POLIMER I.1. Identitas Monomer (Monomer Identity) Identitas polimer yang terdiri dari monomer-monomer adalah sifat utama dan yang penting dari polimer. Tatanama polimer biasanya berdasarkan pada tipe monomer yang menyusun polimer. Polimer yang terdiri dari hanya satu jenis monomer disebut homopolimer, contohnya yaitu Poly(styrene) yang terdiri dari monomer-monomer styrene. Sedangkan polimer yang terdiri dari campuran beberapa monomerdisebut kopolimer, contohnya yaitu Etilen Vinil Asetat yang terdiri atas lebih dari satu macam monomer. Molekul polimer yang mengandung sub-unit yang dapat diionisasi
disebut sebagai
polyelectrolyte. Polyelectrolyte yang mengandung subunit yang fraksi ionisasinya rendah disebut ionomer. I.2. Chain Linearity Bentuk paling sederhana dari molekul polimer adalah rantai lurus atau disebut juga sebagai polimer linear yang terdiri dari satu rantai utama. Fleksibilitas dari rantai polimer yang tidak bercabang di pengaruhi oleh persistence length (sifat dasar mekanis yang mengukur kekakuan dari polimer panjang).
Molekul polimer bercabang disusun dari
rantai utama dengan satu atau lebih cabang.
Beberapa tipe khusus dari polimer
bercabang adalah star polymers, comb polymers, dan brush polymers.
Jika polimer
mengandung rantai cabang yang komposisinya berbeda dengan rantai utama maka dia disebut grafted polymer. Cross-link menunjukkan dimana titik percabangan dimulai. a. Linear Polymer Polimer linear tersusun atas satu rantai panjang yang kontinu, tanpa adanya percabangan dari rantai tersebut. Gambar struktur linear adalah sebagai berikut 2:
b. Branched Polymer Branched polymer terdiri atas satu rantai utama yang mempunyai rantai molekul lebih kecil sebagai cabang. Sebuah struktur rantai bercabang cendrung menurunkan tingkat kristanilitas ( cristanility ) dan kepadatan ( density ) polymer tersebut. Susunan geometrik dari ikatan bukan merupakan penyebab bervariasinya stuktur polymer.
Branched polymer terbentuk ketika terdapat rantai cabang yang menempel pada rantai utama.contoh sederhana dari branched polymer seperti terlihat pada gambar di bawah.
Terdapat berbagai jenis branched polymer yang dapat terbentuk. Salah satunya yang dinamakan dengan star-branching. Star-branching terbentuk ketika polimerisasi dimulai dengan single monomer dan mempunyai cabang radial keluar. Polymer dengan tingkat kecabangan yang tinggi disebut dendrimers. Sering kali pada molekul ini, tiap cabangnya mempunyai cabang lagi. Ini menyebabkan keseluruhan molekulnya mempunyai bentuk spherical. c. Cross-Linking Cross-linking dalam polymer terjadi ketika ikatan valensi primer terbentuk antara moleku-molekul rantai polymer yang terpisah. Selain ikatan dimana monomer membentuk rantai polymer, ikatan polymer yang lain terbentuk diantara polymer tetangganya. Ikatan ini dapat terbentuk secara langsung diantara rantai tetangganya, atau dua rantai dapat terikat menjadi rantai yang lain. Walupun tidak sekuat ikatan pada rantai, cross-links mempunyai peran yang sangat pentin pada polymer. Polymer mempunyai ikatan cross-links yang banyak mempunyai "memory." Ketika polymer diregangkan, ikatan cross-links mencegah rantai untuk berpisah. Ikatan ini memperkuat, namun ketika tegangan dihilangkan maka struktur akan kembali ke bentuk semula dan objek pun demikian.
I.3. Ukuran Rantai (Chain Size) Sifat jenuh polimer sangat bergantung pada ukuran dari rantai polimer.
Seperti
kebanyakan molekul, ukuran molekul polimer dapat digambarkan melalui berat molekul Pada polimer, berat molekul dapat digambarkan oleh derajat polimerisasi, yaitu jumlah monomer yang membentuk polimer. Untuk polimer sintetik, berat molekul digambarkan dengan statistik untuk menjelaskan distribusi berat molekul pada sampel. Hal ini karena
hampir semua proses industri memproduksi distribusi ukuran rantai polimer. Contoh dari perhitungan statistic adalah number average molecular weight dan weight average molecular weight. Perbandingan dari kedua nilai tersebut disebut polydispersity index, biasanya digunakan untuk menggambarkan “ketebalan” dari berat molekul. Ruang yang ditempati oleh molekul polimer secara umum digambarkan oleh radius of gyration. I.4. Susunan Monomer dalam Kopolimer (Monomer Arrangement in Copolymers) a. Alternating copolymers monomer yang berbeda tersusun berurutan b. Random copolymers monomer yang berbeda tersusun acak
c. Block copolymers monomer yang sama membentuk grup dan 2 grup yang berbeda tersusun berurutan. d. Graft Copolymers Rantai-rantai cabang terdiri dari monomer yang berbeda dengan rantai utama.
I.5. Stereokimia Polimer a. Architecture Polimer yang berbeda arsitekturnya mewakili isomer konstitusional dimana hubungan dari atom-atomnya berbeda. Polimer semacam ini di dapat dari polimerisasi monomer dari sifat kimia yang berbeda tetapi memiliki komposisi atom yang yang sama. Rumus molekul dari unit monomer untuk semua tipe polimer berikut ini adalah C2H4O:
PEG
PVA
CH2CH2
CH2
O n
Tg = 206 K
PAA
CH
CH
OH n
CH3
O n
Tg = 243 K
Tg = 358 K
Struktur kimia atau arsitektur mempengaruhi sifat polimer
b. Orientation Perbedaan dimana atom dalam polimer dapat dihubungkan, muncul dari dua cara penambahan dari monomer yang sama untuk pertumbuhan rantai polimer.6 c. Geometric isomerism Sebagai contoh, polimerisasi dari 1,3-diena mempunyai dua ikatan rangkap yang berbeda yang dapat mengalami tiga isomer geometri.
X CH2
C
1,2-Addition CH2
CH
CH2
CX
CH
CH2
CH2
C
CH
n
CH2
X
CH
CH2
CH
CH2
X
d. Tacticity 2
1,4-Addition n
3,4-Addition n
BAB II SIFAT-SIFAT POLIMER II.1. SIFAT MEKANIK II.1.1. Kekuatan (Strength) Kekuatan merupakan salah satu sifat mekanik dari polimer. Ada beberapa macam kekuatan dalam polimer, diantaranya yaitu sebagai berikut: a. Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Kekuatan tarik adalah tegangan yang dibutuhkan untuk mematahkan suatu sampel. Kekuatan tarik penting untuk polymer yang akan ditarik, contohnya fiber, harus mempunyai kekuatan tarik yang baik. b. Compressive strength Adalah ketahanan terhadap tekanan. Beton merupakan contoh material yang memiliki kekuatan tekan yang bagus. Segala sesuatu yang harus menahan berat dari bawah harus mempunyai kekuatan tekan yang bagus. c. Flexural strength
adalah ketahanan pada bending (flexing). Polimer mempunyai flexural strength jika dia kuat saat dibengkokkan. d. Impact strength : adalah ketahanan terhadap tegangan yang datang secara tiba-tiba.
Polimer
mempunyai kekuatan impak jika dia kuat saat dipukul dengan keras secara tiba-tiba seperti dengan palu. II.1.2. Elongation Semua jenis kekuatan memberitahu kita berapa tegangan yang dibutuhkan untuk mematahkan sesuatu, tetapi tidak memberitahu kita tentang apa yang terjadi pada sampel kita saat kita mencoba untuk mematahkannya, itulah kenapa kita mempelajari elongation dari polimer. Elongasi merupakan salah satu jenis deformasi. Deformasi merupakan perubahan ukuran yang terjadi saat material di beri gaya. % Elongasi adalah panjang polimer setelah di beri gaya (L) dibagi dengan panjang sampel sebelum diberi gaya (Lo) kemudian dikalikan 100:
Elongation-to-break (ultimate elongation) adalah regangan pada sampel pada saat sampel patah.
Elastomer memiliki ultimate elongation yang tinggi. Elongasi
sampai terjadinya fracture dapat dilihat pada gambar berikut 3:
II.1.3. Modulus Modulus diukur dengan menghitung tegangan dibagi dengan elongasi. Satuan modulus sama dengan satuan kekuatan (N/cm2) Pada kurva tegangan-regangan 4:
Untuk beberapa polimer, terutama flexible plastics, kurvanya adalah sebagai berikut 4:
Slope diatas tidak constant seiring dengan penambahan tegangan seperti pada kurva sebelumnya. Pada kasus seperti ini, biasanya digunakan initial slope sebagai modulus, seperti yang terlihat pada kurva diatas.
Secara umum, fiber mempunyai
tensile moduli yang paling tinggi dan elastomer paling rendah, dan plastic berada diantara keduanya. II.I.4. Ketangguhan (Toughness) Ketangguhan adalah pengukuran sebenarnya dari energi yang dapat diserap oleh suatu material sebelum material tersebut patah. Pengukuran dibawah kurva stressstrain berikut ini 4, yang diberi warna merah, menunjukkan toughness (ketangguhan)
Apakah perbedaan dari ketangguhan dan kekuatan? Dari segi fisika, kekuatan (strength) adalah gaya yang dibutuhkan untuk mematahkan sampel, dan ketangguhan (toughness) adalah berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk mematahkan sampel.
Pada kurva diatas 4, kurva yang berwarna biru menunjukkan sampel yang kuat tetapi tidak tangguh. Seperti yang dapat dilihat, sampel tersebut membutuhkan gaya yang besar untuk mematahkan sampel, tapi tidak banyak energi.
Demikian pula,
sampel tersebut tidak dapat merentang jauh sebelum patah. Material seperti ini, kuat tetapi tidak dapat banyak terdeformasi sebelum patah disebut material yang getas (brittle). Disisi lain, kurva berwarna merah, menunjukkan material yang kuat dan tangguh. Material ini tidak sekuat material yang digambarkan oleh kurva biru, tetapi memiliki luas daerah dibawah kurva yang lebih besar, menunjukkan bahwa material ini dapat menyerap energi lebih banyak dari pada sampel sebelumnya. Material merah memiliki elongasi yang lebih besar dibandingkan dengan material biru sebelum patah. Karena deformasi yang diikuti energi disipasi (energi yang tersimpan). Jika material tidak berdeformasi maka tidak ada energi dissipasi sehingga material patah II.1.5. Pengaruh Struktur Kimia Terhadap Sifat Mekanik Polimer Chain Length semakin panjang rantai à ketangguhan dan kekuatan semakin meningkat sebab: terjadi peningkatan interaksi dalam rantai seperti ikatan Van der Waals à rantai menjadi lebih kuat pada posisinya dalam menahan deformasi dan perpecahan matriks, baik pada tegangan tinggi maupun temperatur tinggi. Branching à meningkatkan kekuatan & ketangguhan polimer Cross-Linking à meningkatkan kekuatan & ketangguhan polimer
Molecular Weight 5:
Table 4.1 Mechanical Properties of Common Homopolymers5 II.2. THERMAL PROPERTIES II.2.1. Sifat dan Performa Polimer pada Temperatur Tinggi Polimer sering dianggap sebagai material yang tidak mampu memberikan performa yang baik pada termperatur tinggi. Namun, pada kenyataannya, terdapat beberapa polimer yang cocok untuk penggunaan pada temperatur tinggi, bahkan lebih baik daripada traditional materials. Pada polimer, khususnya plastik, definisi temperatur tinggi adalah suhu diatas 135oC. Pada temperatur tinggi, polimer tidak hanya melunak, tetapi juga dapat mengalami degradasi termal. Sebuah plastik yang mengalami pelunakan pada temperatur tinggi
tetapi mulai mengalami degradasi termal pada suhu yang jauh lebih rendah hanya dapat digunakan pada suhu di bawah suhu dia mulai mengalami degradasi. Menentukan temperatur aplikasi membutuhkan pengetahuan mengenai perilaku degradasi termal dari polimer tersebut. Titik pelunakan pada polimer sangatlah ditentukan oleh tipe polimer yang digunakan. Pada polimer amorf, suhu yang penting adalah Tg (glass transition temperature). Sedangkan, pada polimer kristalin dan semi-kristalin, suhu yang penting terletak pada Tm (melting point). Time-Temperature Superposition Sifat mekanis dari polimer ditentukan oleh prinsip time-temperature superposition. Prinsip ini mampu menunjukkan bahwa waktu dan temperatur dapat memiliki sifat yang sama namun berlawanan. Kekuatan polimer pada pembebanan high-rate dan temperatur rendah dapat secara efektif menyerupai kekuatannya pada pembebanan low-rate dan temperatur tinggi. Hal ini dapat berarti jika dilakukan pengujian pada temperatur tinggi dan pembebanan fast-rate, hasil pengujian dapat digunakan untuk memperkirakan kekuatan polimer pada temperatur rendah dan rate pembebanan yang lebih rendah. Namun, hal ini dapat pula berarti temperatur aplikasi polimer dapat bervariasi tergantung pada rate pembebanan pada aplikasi tersebut, dimana beban kecil pada temperatur tinggi dapat berakibat yang sama dengan beban besar pada temperatur rendah. Untuk aplikasi pada temperatur tinggi, material yang paling cocok adalah :
•
PTFE
•
PFA
•
PEEK
•
FEP
: 200oC
•
PEI
: 180oC
•
PET/PBT
: 170oC
: 260oC : 260oC : 260oC
Polimer-polimer tersebut mampu mengcover wide-range temperatures dan dapat digunakan dengan baik pada temperatur tinggi. Selain itu, polimer-polimer ini juga tidak membutuhkan pemrosesan khusus (selain PTFE karena koefisien friksinya rendah) bila dibandingkan dengan commodity polymers. Hal ini berarti proses ekstrusi yang digunakan pada commodity polymers dapat pula digunakan untuk membuat polimer yang cocok untuk aplikasi pada suhu tinggi. Di bawah ini adalah beberapa aplikasi dari polimer pada temperatur tinggi : •
Interior pesawat udara / pesawat ulang-alik
•
Komponen elektrik pesawat udara / pesawat ulang-alik
•
Industri otomotif (under-hood)
•
Insulator kabel untuk aplikasi pada extremely high temperature, coupling kabel, dan connectors
•
Industri elektrik / elektronik pada temperatur aplikasi tinggi
•
Medical tubing atau produk lain yang memerlukan sterilisasi
•
Monofilament untuk proses produksi filter, belting, serta meshes
II.2.2. Sifat Polimer Pada Temperatur Rendah Pada umumnya, polimer pada suhu ruang menunjukkan sifat fleksibilitas dan ketahanan yang tinggi terhadap cracking, tetapi pada penurunan suhu, sifat tersebut dapat berubah drastis dan polimer menjadi getas hanya dengan beban kegagalan yang rendah. Polimer memiliki rantai molekul yang panjang dan saling tumpang-tindih satu sama lain. Jika polimer berada pada suhu ruang, gerakan antar rantai polimer dapat saling menyesuaikan dan meregang. Namun, jika polimer itu didinginkan, rantai tersebut akan menempel satu sama lain dan tidak dapat meregang lagi. Polimer tersebut akan menjadi kaku dan melewati temperatur transisi gelas menjadi material yang keras dan rapuh. Temperatur transisi gelas biasanya tidak memiliki transisi yang jelas antara rubbery state dan glass regions. Temperatur transisi gelas biasanya berkisar antara 1050oC. Jika polimer didinginkan di bawah Tg, polimer menjadi stabil dan tidak terjadi transisi lagi. Dengan demikian, temperatur rendah pada polimer dapat didefinisikan sebagai suhu di bawah Tg.
Grafik Ketangguhan vs Temperatur 7 Nilai sesunguhnya dari Tg bervariasi bergantung kepada struktur molekul spesifik dari polimer dasarnya, berat molekul, distribusi berat molekul dari polimer tersebut, aditif yang ditambahkan ke dalam formula, serta beberapa faktor lain. Polimer dengan Tg di atas suhu ruang akan mengalami glassy state pada suhu ruang dan akan memiliki kecenderungan untuk rapuh dan rusak pada suhu ruang. Contohnya adalah PS, PMMA, dan PET. Polimer dengan Tg di bawah suhu ruang akan mengalami rubbery
state pada suhu ruang sehingga akan cenderung fleksibel dan sulit dihancurkan pada suhu ruang. Contohnya adalah PP, PE, dan PTFE. Pada temperatur yang sangat rendah, beberapa aplikasi mengharuskan adanya kontak dengan Liquid Oxygen (LOX) dimana pada umumnya plastik tidak kompatibel dan akan terbakar. Namun, beberapa polimer yang tergabung dalam keluarga flourocarbon (PTFE, PCTFE, FEP, dll.) memiliki resistansi yang baik terhadap LOX. Selain itu, kelompok ini juga merupakan insulator yang baik, dan memiliki keuletan yang dapat dihitung (sebesar 1%) pada temperatur mendekati absolute zero (-269oC). Dapat dilihat pada tabel berikut7:
II.3. FLAMMABILITY DAN FLAME RESISTANCE Dikarenakan polimer sintetsis telah banyak digunakan pada konstruksi dan transportasi, maka diperlukan suatu usaha untuk membuat polimer tahan api atau tidak mudah terbakar. Ditinjau dari ketahanan terhadap api, maka polimer terbagi menjadi tiga bagian: 1. Polimer yang tidak mudah terbakar Polimer yang mengandung banyak halogen. Contohnya PVC. 2. Polimer yang mampu memadamkan api sendiri Terbakar hanya ketika sumber api ada, akan tetapi berhenti terbakar ketika sumber api dipindahkan. Contohnya PC. 3. Polimer yang mudah terbakar Kebanyakan polimer adalah mudah terbakar. Pada polimer, proses pembakaran sangatlah kompleks akan tetapi secara umum mengalami 6 hal: •
Primary Thermal: sumber api memanaskan polimer dan menaikkan temperature.
•
Primary Chemical: Plastik yang dipanaskan tadi mulai terdegradasi umumnya disebabkan oleh pembentukan radikal bebas dibawah pengaruh sumber api.
•
Polymer Decomposition: polimer mulai terdegradasi secara cepat kea rah penurunan berat molekul. Produk khas dari tahapan ini adalah gas dan cairan yang mudah terbakar dan mungkin juga asap.
•
Ignition: gas-gas yang mudah terbakar, karena ada ketersediaan oksigen dan sumber api, mulai terbakar.
•
Combustion: gas yang terbakar menghasilkan kobaran api pada atau dekat permukaan polimer. Sebenarnya bisa terjadi pemadaman api dengan sendirinya jika tersedia cukup energi.
•
Flame propagation: penyebaran api.
II.4. KETAHANAN KIMIA Salah satu masalah yang dihadapi oleh perusahaan minyak adalah korosi pada bagian dalam dari tangki minyak logam. Salah satu solusinya adalah dengan melapisi logam tangki dengan glass fiber-reinforced unsaturated polyester. Chemical resistance dari suatu polimer sangat dipengaruhi oleh struktur kimia dari material dan kekuatan dari ikatan terlemah pada structure. Misalnya pada PTFE yang hanya ada dua jenis ikatan yaitu C-C dan C-F. Kedua ikatan ini sangat stabil dan sulit untuk diputus. Putusnya ikatan bisa menyebabkan reaksi kimia yang berlangsung. Akan tetapi pada faktanya, C-F adalah salah satu ikatan terkuat pada polimer. Sehingga dalam kehidupan sehari-hari flouropolymers (contohnya PTFE,PDVF) dikenal sebagai polimer dengan ketahanan terhadap zat kimia yang tinggi.
Gambar II.4.1.Ikatan rantai PTFE 8 Ada dua usaha yang dapat dilakukan untuk meningkatkan chemical resistance pada Polyester: 1. meningkatkan steric-hindrance pada gugus ester. 2. mengurangi jumlah gugus ester per satuan panjang rantai. Kedua langkah ini meningkatkan sifat hidrofobik dari Polyester. Dibandingkan dengan polimer amorphous, polimer dengan kristalinitas yang tinggi memiliki chemical rasistance yang lebih baik. Hal ini dikarenakan ikatan rantai pada
polimer kristalin yang saling berdekatan sehingga mengurangi permeabilitas. Polimer dengan ikatan cross-link memiliki solvent resistance yang baik.
REFERENSI 1. http://polychem.kaist.ac.kr/bk_home/lecture2005/Chap4.pdf 2. http://www.eng.uwo.ca/es021/ES021a_2006/Lecture%20Notes/Chap%2014-15%20%20Polymers.pdf 3. http://faculty.uscupstate.edu/llever/Polymer%20Resources/Mechanical.htm 4. http://www.pslc.ws/mactest/mech.htm#strength 5. www.eng.uwo.ca/es021/ES021a_2006/Lecture%20Notes/Chap%2014-15%20%20Polymers.pdf 6. www.polymer.uu.se/K3/2007/Polymer%20stereochemistry-2.ppt 7. http://www.zeusinc.com/newsletter/low_temp.asp 8. http://www.zeusinc.com/newsletter/chemical_resistance.asp
