Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram, Mataram,

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Material 34

Penyerapan Air pada Epoxy dan Poliester Tak Jenuh dan Pengaruhnya

pada Kekuatan Tarik

Sugiman, IK Pradnyana Putra, M Hulaifi Gozali, Paryanto Dwi Setyawan

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram, Mataram, 83215 Email: s.sugiman@unram.ac.id

Abstract

Polimer termoset seperti epoxy and poliester tak jenuh telah banyak digunakan sebagai matrik komposit serat, perekat, cat dan coating. Namun polimer tersebut mampu menyerap air dari lingkungan dan dapat mempengaruhi sifat mekaniknya yang kemudian juga mempengaruhi sifat mekanik kompositnya dan proses ikatan dengan substrate apabila dipakai sebagai perekat, cat atau coating. Tujuan dari paper ini adalah untuk menyelidiki perilaku penyerapan air polimer epoxy dan poliester tak jenuh dan sifat tariknya akibat menyerap air. Proses penyerapan air dilakukan dengan merendam polimer di dalam air distilat pada suhu 50oC. Untuk mengetahui interaksi molekul air dengan rantai polimer uji Fourier Transform Infra-Red (FTIR) dilakukan, sedang untuk mengetahui sifat tarik polimer setelah menyerap air digunakan spesimen tulang anjing yang juga direndam dalam air distilat pada suhu 50oC. Setelah waktu tertentu spesimen diambil dari perendaman dan kemudian diuji tarik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa laju penyerapan air untuk poliester tak jenuh lebih tinggi daripada epoxy, tetapi sebaliknya air terserap saat kesetimbangan poliester lebih rendah dari epoxy. Uji FTIR menunjukkan bahwa air yang terserap dan berinteraksi dengan rantai polimer untuk membentuk ikatan hidrogen. Intensitas pembentukan ikatan hidrogen lebih nyata pada epoxy dibanding pada poliester tak jenuh. Dari kedua jenis polimer termoset, pengaruh air pada kekuatan tarik epoxy lebih kecil dibanding pada poliester tak jenuh.

Kata kunci: epoxy, poliester tak jenuh, penyerapan air, FTIR, kekuatan tarik.

Pendahuluan

Epoxy dan poliester tak jenuh banyak digunakan untuk coating, perekat dan matrik komposit serat [1]. Keduanya termasuk polimer termoset yang mempunyai jaringan

cross-link yang padat dan mempunyai struktur amorf. Lagi pula, keduanya juga mempunyai sifat hidrofilik yang memungkinkan penyerapan molekul air yang kemudian berinteraksi dengan atom/molekul reaktif di dalam rantai polimer. Secara umum, molekul air berdifusi ke dalam struktur polimer dan tinggal di dalam struktur polimer dalam bentuk air bebas dan air terikat. Air bebas biasanya tinggal di dalam void-void mikro, sedangkan air terikat berinteraksi dengan atom/molekul reaktif untuk berikatan secara van der Waals atau hidrogen [2-4]. Proses difusi air ke dalam polimer dapat mengikuti hukum kedua Fick dan dapat juga menyimpang dari hukum Fick. Hal itu tergantung pada beberapa faktor seperti

struktur polimer, suhu penyerapan, dan ketebalan polimer. Difusi air pada polimer dengan struktur yang tidak homogen, pada suhu penyerapan tinggi dan pada polimer tipis cenderung menyimpang dari hukum Fick [5-11].

Air yang terserap ke dalam polimer dapat mempengaruhi sifat fisik dan mekanik. Air yang terserap dapat menurunkan titik transisi kaca [12], swelling [14] dan leaching polimer [14]. Sedangkan secara mekanik, kekuatan tarik dan modulus elastis juga menurun [15,16]. Untuk aplikasi struktural, seperti untuk perekat dan matrik komposit serat, hal itu akan menyebabkan penurunan kekuatan struktur, sehingga informasi bagaimana air berdifusi dan seberapa degradasi polimer akibat menyerap air menjadi sangat penting.

Paper ini menyelidiki sifat penyerapan air epoxy and poliester tak jenuh yang mempunyai stuktur kimia yang berbeda. Interaksi air terhadap rantai polimer diselidiki

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Material 34 dengan uji spektrometri radiasi infra merah

(FTIR) dan degradasi kekuatan tarik juga ditampilkan.

Metode penelitian

Material. Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah epoxy dari diglycidyl ether of bisphenol A (DEGBA) dengan hardener cycloaliphatic amine EPH 555 yang dibeli dari PT. Justus Kimia Raya. Sedangkan resin poliester yang digunakan

adalah resin Yukalac C108 dengan katalis dari metil etil keton (MEK). Struktur kimia kedua jenis polimer tersebut sebelum dan setelah mengalami reaksi

cross-link dengan katalis/hardener adalah seperti Gambar 1. Campuran antara resin dan hardener untuk epoxy dan polyester tak jenuh masing-masing adalah 2/1 (dalam berat) dan 100/0,25 (dalam volume).

Gambar 1. Struktur kimia epoxy [17] dan poliester tak jenuh [18]. Uji penyerapan air. Spesimen untuk uji

penyerapan air ini menggunakan spesimen uji tarik (sesuai dengan ASTM D638 dengan

ketebalan 4 ± 0,4 mm) dengan maksud agar kandungan air dalam spesimen uji tarik dapat diketahui secara langsung. Spesimen

Diglycidyl ether of bisphenol A(DEGBA) Hardener bis(p-aminocyclohexyl)methane

Reaksi gugus fungsional epoxy dengan hardener

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Material 34 direndam dalam air distilat pada suhu 50oC

dan setiap periode tertentu, spesimen diambil dan ditimbang dengan timbangan digital mikro sampai diperoleh kondisi jenuh.

Pengujian FTIR. Pengujian FTIR dilakukan dengan alat uji PerkinElmer Frontier. Spesimen (epoxy dan poliester tak jenuh) dibuat serbuk sebelum diuji. Sampel spesimen kemudian dicampur dengan KBr sebelum dimasukan ke dalam alat uji dan proses radiasi infra merah dilakukan. Penyinaran infra merah dilakukan pada rentang panjang gelombang 25 x 10-5 cm – 2 x 10-3 cm.

Pengujian tarik. Pengujian tarik dilakukan dengan mesin uji tarik universal dengan kapasitas load cell 10 kN. Spesimen ditarik dengan kecepatan simpangan (displacement) sebesar 5 mm/menit. Untuk spesimen kondisi basah, setelah diambil dan ditimbang, spesimen langsung diuji tanpa penundaan. Hal ini bertujuan untuk menghindari proses desorpsi pada spesimen yang berlebihan.

Hasil dan Pembahasan

Penyerapan air. Hasil penyerapan air pada spesimen epoxy dan poliester tak jenuh dengan akar waktu seperti pada Gambar 2 yang direndam dalam air distilat pada suhu 50oC. Terlihat bahwa air terserap jenuh pada epoxy sekitar 2,37% sedangkan pada poliester tak jenuh sekitar 1,57%. Air terserap jenuh epoxy lebih tinggi sekitar 34% dari poliester tak jenuh. Laju difusi air ke dalam epoxy dan poliester tak jenuh masing-masing sekitar 0,23 mm2/hari dan 3,44 mm2/hari atau laju difusi air ke dalam poliester tak jenuh jauh lebih tinggi (dalam orde 15) dibanding pada epoxy. Air terserap ke dalam poliester yang rendah ini mungkin berhubungan dengan struktur dari poliester yang lebih rapat setelah terjadi cross-link, dimana seperti terlihat pada Gambar 1, banyak senyawa aromatic dari styrene yang berada di cabang rantai utama yang mengisi ruang kosong (void mikro) di

antara rantai poliester yang mengalami cross-link. Mungkin juga hal itu disebabkan oleh ketidakberadaan gugus hidroksil dalam struktur polyester yang mampu menahan molekul air. Sedang pada epoxy, terlihat banyak ruang kosong mikro void yang lebih luas dibanding pada poliester. Sedang pada laju difusi air pada poliester jauh lebih cepat dibanding pada epoxy. Hal ini mungkin disebabkan oleh keberadaan gugus-gugus hidroksil –OH pada epoxy yang bersifat polar, sehingga dalam proses difusi, laju air akan terhambat karena terjadi interaksi dengan gugus hidroksil tersebut. Dalam proses difusi terjadi proses lompatan molekul air dari satu gugus hidroksil ke gugus yang lain [7]. Pada poliester, gugus hidroksil tidak terlihat namun karena ada gugus carbonil C=O yang juga reaktif terhadap molekul air memungkinkan terjadinya ikatan hidrogen atau van der Waals.

Untuk mengecek apakah penyerapan air mengikuti hukum Fick atau tidak, model Fick diplotkan ke dalam hasil ekperimen sebagai perbandingan. Konstanta difusi dan air terserap kesetimbangan dimasukan ke dalam persamaan Hukum Fick. Seperti terlihat pada Gambar 2, bahwa Fickian fit sesuai dengan hasil penyerapan air yang diperoleh secara eksperimen pada epoxy dan poliester tak jenuh.

Gambar 2. Kurva air terserap vs akar waktu polimer epoxy and poliester tak jenuh.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 2 4 6 8 Waktu1/2 (Hari1/2) A ir t e rs e ra p ( % ) Epoxy

Polies ter tak jenuh

Fickian fit (polies ter tak jenuh) Fickian fit (epoxy)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Material 34

Gambar 3. Spektrum FTIR pada epoxy dan poliester tak jenuh kondisi kering dan basah. Analisa FTIR. Pengujian FTIR pada

spesimen kering dan spesimen basah dilakukan baik pada epoxy dan poliester, dan spectrum hasil uji seperti pada Gambar 3. Pada epoxy terjadi serapan yang cukup lebar seperti pada bilangan gelombang 3600 – 3300 cm-1 yang menunjukkan adanya peregangan pada gugus O-H atau N-H (amine). Kemudian juga terjadi serapan pada bilangan gelombang sekitar 3000 - 2800 cm-1 yang menunjukkan peregangan C-H pada gugus aromatic dan alkana. Puncak-puncak serapan yang tajam terjadi pada bilangan gelombang 1680 - 1640 cm-1, 1550 - 1475 cm-1, 1335 - 1250 cm-1, dan 900 – 675 cm-1 yang masing-masing merupakan peregangan gugus-gugus C=C, N-O, C-N, dan C-H. Gugus-gugus tersebut seperti terlihat pada struktur kimia epoxy mampu menyerap radiasi infra merah. Bila dilihat pada kondisi kering dan kondisi basah pada spectrum FTIR epoxy, perbedaan yang mencolok terjadi pada bilangan gelombang 3600 – 3300 cm-1. Pada kondisi kering, serapan pada bilangan gelombang 3300 - 3600 cm-1 lebih rendah dibanding pada kondisi basah dan serapan puncak bergeser ke arah bilangan gelombang 3450 cm-1 dari 3400 cm-1. Hal ini mungkin disebabkan adanya tambahan gugus hidroksil dari air yang terikat baik secara ikatan hidrogen atau van der Waals yang ikut teregang saat radiasi.

Perbedaan juga terlihat pada bilangan gelombang 2400 – 2300 cm-1, serapan pada bilangan gelombang tersebut belum diketahui penyebabnya.

Pada poliester tak jenuh, serapan yang lebar juga terjadi pada bilangan gelombang 3600 – 3400 cm-1, namun besarnya serapan lebih kecil dibanding epoxy baik kondisi kering dan basah. Karena ketiadaan gugus hidroksil O-H dan N-H, serapan ini mungkin disebabkan oleh peregangan -H yang terikat. Serapan terjadi pada bilangan gelombang sekitar 3000 cm-1 yang merupakan peregangan C-H. Serapan yang tajam terjadi pada bilangan gelombang 1730 – 1715 cm-1 yang merupakan gugus ester tak jenuh C=O, yang menjadi ciri khas poliester tak jenuh. Pada kondisi kering dan basah, spectrum FTIR hampir sulit dibedakan, kecuali pada serapan 3600 – 3400 cm-1, dimana pada kondisi basah sedikit terjadi kenaikan penyerapan dan pergeseran bilangan gelombang ke arah yang lebih tinggi. Hal ini dapat disebabkan oleh air yang terserap dan terikat secara ikatan hidrogen dengan gugus karbonil C=O yang lebih polar. Serapan pada bilangan gelombang ini lebih kecil dari epoxy seperti yang diharapkan karena air terserap pada poliester jauh lebih rendah.

Kekuatan tarik. Air yang terserap ke dalam polimer dapat mempengaruhi sifat tarik

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Bilangan gelombang (cm-1) T ra n s m it ta n c e (% ) Epoxy_kering Epoxy_basah (60 hari) Poliester_kering Poliester_basah (53 hari) 1720 cm-1, C=O meregang 3400-3300 cm-1,

N-H dan O-H meregang

3500 cm-1, -H terikat N-O

C-N C=C meregang

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Material 34 polimer dalam hal ini epoxy dan poliester tak

jenuh. Kurva tegangan tarik-elongasi hasil pengujian untuk kedua polimer baik pada kondisi kering dan basah setelah perendaman 30 hari pada suhu 50oC seperti Gambar 4. Seperti terlihat pada Gambar 4, secara umum slope kurva, baik untuk kondisi kering dan basah untuk epoxy dan polister tidak berbeda signifikan karena kurva yang berimpit. Yang terlihat berbeda adalah kekuatan tarik dan elongasi. Pada epoxy, kekuatan tarik pada kondisi basah terlihat sedikit menurun, tetapi elongasinya meningkat (lihat Tabel 1). Sedangkan pada poliester tak jenuh penurunan kekuatan tarik rata-rata pada kondisi basah menurun secara signifikan dan penurunannya (32%) lebih besar dibanding

penurunan pada epoxy (10%). Walaupun elongasi polimer cenderung naik pada kondisi basah, namun hal itu harus dilihat kasus demi kasus pada jenis polimer, karena elongasi banyak dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti adanya cacat dalam polimer atau kekotoran dan lain-lain, yang menyebabkan polimer gagal pada elongasi yang lebih rendah.

Bila dilihat dari nilai degradasi kekuatan akibat penyerapan air, walaupun epoxy menyerap air jauh lebih banyak namun degradasi kekuatan tarik epoxy lebih rendah dibanding poliester tak jenuh. Hal ini mungkin disebabkan oleh struktur kimia epoxy dan poliester yang berbeda, seperti kerumitan struktur dan kepadatan cross-link

epoxy yang lebih tinggi.

Gambar 4. Kurva tegangan tarik-elongasi epoxy and poliester tak jenuh.

Tabel 1. Sifat tarik epoxy dan poliester tak jenuh pada kondisi kering dan basah.

Spesimen Kekuatan tarik dengan

standard deviasi (MPa)

Elongasi dengan standard deviasi (mm)

Epoxy

 Kering 49,64 ± 1,91 4,44 ± 0,02

 Basah 45,24 ± 1,99 5,56 ± 0,33

Poliester tak jenuh

 Kering 35,40 ± 4,13 6,10 ± 2,65

 Basah 24,02 ± 2,22 2,34 ± 0,06

Kesimpulan Penyerapan air pada epoxy dan poliester

tak jenuh dan pengaruhnya pada kekuatan tarik telah dilakukan. Sifat penyerapan air

0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 Elongasi (mm) T e g a n g a n t a ri k ( M P a ) Epoxy_kering Epoxy_basah (30 hari) Poliester_kering Poliester_basah (30 hari)

Material 34 pada epoxy dan poliester tak jenuh dengan

ketebalan spesimen sekitar 4 mm mengikuti mengikuti hukum Fick dan diperoleh air terserap kesetimbangan epoxy lebih tinggi (34%) dari air terserap kesetimbangan pada poliester tak jenuh. Tetapi laju difusi air pada poliester tak jenuh 15 kali lebih tinggi dari laju penyerapan air dalam epoxy. Hal tersebut berkaitan dengan keberadaan gugus hidroksil dalam epoxy yang menghambat laju difusi tetapi menahan lebih banyak air dalam epoxy. Indikasi penambahan gugus hidroksil akibat penyerapan air lebih nyata dalam epoxy dibanding pada poliester tak jenuh ditunjukkan dengan spepktrum serapan pada bilangan gelombang 3600 – 3300 cm-1 yang lebih tinggi.

Kontras dengan air yang terserap pada epoxy dan poliester tak jenuh, walaupun epoxy menyerap air lebih banyak dibanding poliester tak jenuh, tetapi penurunan kekuatan tarik pada epoxy lebih rendah dibanding poliester tak jenuh. Hal ini mengindikasikan bahwa keberadaan gugus hidroksil dan struktur kimia berpengaruh terhadap degradasi polimer termoset.

Ucapan terima kasih

Penulis mengucapkan banyak terima kasih pada Direktorat Pendidikan Tinggi, Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi yang telah membiayai penelitian ini dengan kontrak No. 41.K/SPP-FD/UN18.12/PL/2015.

Daftar pustaka

[1] A.J. Kinloch, Adhesives in Engineering, Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers (1997) 307-336, http://dx.doi.org/10.1243/0954410971532 703. Part G.

[2] M.J. Adamson, Thermal-expansion and swelling of cured epoxy-resin used in graphite-epoxy composite materials, Journal of Materials Science 15 (1980) 1736-1745.

[3] H.G. Carter, and K.G. Kibler, Langmuir type model for anomalous moisture

diffusion in composite resins, Journal of Composite Materials 12 (1978) 118-131. [4] S. Papineau, C.R. Mouro, C.S. Gaillet,

M.E.R. Shanahan, Free/bound water absorption in an epoxy adhesive, Polymer 46 (2005) 10733-10740.

[5] M.R. Vanlandingham, E.F. Eduljee, J.W. Gillespie JR., Moisture diffusion in epoxy system, Journal of Applied Polymer Science 71 (1999) 787-798. [6] L. Li, Y. Yu, Q. Wu, G. Zhan, S. Li,

Effect of chemical structure on the water sorption of amine-cured epoxy resins, Corrosion Science 51 (2009) 3000– 3006.

[7] L. Li, M. Liu, S. Li, Morphology effect on water sorption in a thermoplastic modified epoxy system, Polymer 45 (2004) 2837-2842.

[8] Y. Li, J. Miranda, H.J. Sue, Hygrothermal diffusion behaviour in bismaleimide resin, Polymer 42 (2001) 7791-7799. [10] A. Ameli, N.V. Datla, M. Papini, J.K.

Spelt, Hygrothermal properties of highly toughened epoxy adhesives, Journal of Adhesion 86:7 (2010) 698-725.

[11] Y.C. Lin, and X. Chen, Moisture sorption-desorption-resorption

characteristic and its effect on the mechanical behaviour of the epoxy system, Polymer 45 (2005) 11994-12003.

[12] D.W. Suh, M.K. Ku, J. D. Nam, B.S. Kim, and S.C. Yoon, Equilibrium water uptake of epoxy/carbon fiber Composites in hygrothermal environmental conditions, Journal of Composites Materials 35:03 (2001) 264-278.

[13] G.Z. Xiao, M. Delamar, M.E.R. Shanahan, Irreversible interactions between water and DGEBA/DDA epoxy resin during hygrothermal aging,

Journal of Applied Polymer Science

65:3 (1996) 449-458.

[14] G.Z. Xiao, and M.E.R. Shanahan, Water absorption and desorption in an epoxy resin with degradation, Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics 35 (1997) 2659-2670.

Material 34 [15] I.A. Aschroft, M.M.A. Wahab, A.D.

Crocombe, D.J. Hughes, S.J. Shaw, The effect of environment on the fatigue of bonded composite joints. Part 1: testing and fractography, Composites: Part A 32 (2001) 45-58.

[16] S. Sugiman, A.D. Crocombe, I.A. Aschroft, Experimental and numerical investigation of the static response of environmentally aged adhesively

bonded joints, Int. J. Adhes. & Adhes. 40 (2013) 224–237.

[17] J. Gotro, Epoxy Cure Chemistry Part 4:

Nucleophiles in Action,

http://polymerinnovationblog.com/epoxy- cure-chemistry-part-4-nucleophiles-action/.

[18] B. Dholakiya, Unsaturated poliester resin for specialty applications, in H. El-Din. M. Saleh (Eds), Poliester, InTech, Cairo, 2012, DOI: 10.5772/48479.