BAB 2 TEORI DASAR. 2.1 Polimer

(1)

BAB 2

TEORI DASAR

2.1 Polimer

Polimer merupakan molekul besar yang terbentuk dari unit-unit berulang sederhana (monomer) yang dihubungkan oleh ikatan kovalen. Nama ini diturunkan dari bahasa Yunani Poly, yang berarti “banyak”, dan mer, yang berarti “bagian”. Ada tiga metode utama sintesis polimer, yaitu sintesis organik di laboratorium dan pabrik, sintesis biologi pada sel dan organisme hidup, dan modifikasi kimia.

Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah sintesis organik. Metode sintesis di laboratorium secara umum dibagi dua kategori, yaitu polimerisasi kondensasi dan polimerisasi addisi. Pengkategorian ini pertama kali diusulkan oleh Carothers, yang didasarkan pada apakah unit ulang dari suatu polimer mengandung atom-atom yang sama seperti monomer. Suatu polimer adisi memiliki atom yang sama seperti monomer dalam unit ulangnya, sedangkan polimer kondensasi mengandung atom-atom yang lebih sedikit karena terbentuknya produk sampingan selama berlangsungnya proses polimerisasi.

2.1.1 Berat molekul polimer

Berat molekul merupakan variabel yang teristimewa penting sebab berhubungan langsung dengan sifat-sifat fisika polimer. Pada umumnya, polimer dengan berat molekul yang lebih tinggi bersifat lebih kuat, tetapi berat molekul yang terlalu tinggi bisa menyebabkan kesukaran-kesukaran dalam pemrosesannya.

(2)

berkisar antara ribuan hingga jutaan, dengan berat molekul optimum tergantung pada struktur kimia dan penerapannya. Polimer-polimer vinil yang mempunyai nilai komersial biasanya memiliki berat molekul antara 105 hingga 106. polimer yang memiliki gugus-gugus fungsi sangat polar, seperti poliamida, mungkin memiliki berat molekul rendah yang berkisar antara 15.000 hingga 20.000.

Teknik-teknik umum yang digunakan untuk penetapan berat molekul polimer adalah osmometri, hamburan cahaya (light scaterring), dan ultrasentrifugasi. Nilai berat molekul yang diperoleh bergantung pada besarnya ukuran dalam metode pengukurannya. Metode yang bergantung pada analisis gugus ujung atau sifat-sifat koligatif (penurunan titik beku, kenaikkan titik didih, tekanan osmotis) menimbulkan apa yang dikenal sebagai berat molekul rata-rata jumlah karena bilangan atau jumlah molekul dari setiap berat dalam sampel yang bersangkutan dihitung. Berat total dari suatu sampel polimer, w, adalah jumlah berat dari setiap spesies molekul yang ada:

1 i 1 i i i i w w N M ∞ ∞ = = =

∑

=

∑

dimana N dan M masing-masing menunjukan jumlah mol dan berat molekul dari setiap spesies i. Berat molekul rata-rata jumlah, Mn , adalah berat sampel per mol:

1 1 1 i i i i i i i N M w M n N N ∞ = ∞ ∞ = = = =

∑

Dilain pihak, hamburan cahaya dan ultrasentrifugasi merupakan metode untuk menetapkan berat molekul yang didasarkan pada massa dan polarisabilitas spesies polimer yang hadir. Polimer dengan massa yang lebih besar maka kontribusinya ke pengukuran menjadi lebih besar. Berbeda dengan berat molekul rata-rata jumlah ( yang merupakan jumlah fraksi mol masing-masing spesies dikalikan berat molekulnya), metode-metode ini menjumlahkan fraksi berat

(3)

masing-masing spesies dikalikan berat molekulnya. Dengan demikian nilai yang diperoleh disebut berat molekul rata-rata berat, Mw , dan secara matematis diekspresikan sebagai berikut:

2 1 1 1 1 i i i i i i i i i i i w M N M Mw w N M ∞ ∞ = = ∞ ∞ = = =

∑

=

∑

2.1.2 Sifat mekanik polimer

Pada berat molekul rendah, gugus ujung secara signifikan mempunyai kontribusi ke seluruh struktur, dan hal ini dimanifestasikan dalam sifat-sifat seperti kerapatan, indeks refraksi, dan absorpsi spektroskopik, yang bervariasi dengan berat molekul. Ketika mencapai berat molekul tertentu katakanlah 15.000, konsentrasi gugus-gugus ujung menjadi bisa diabaikan dan sifat-sifat ini menjadi tetap, yang tidak berlaku dengan sifat-sifat mekanik, yang bergantung pada gaya-gaya antar molekul. Sifat mekanik jauh lebih bergantung pada berat molekul untuk daerah berat molekul yang sangat luas. Untuk bahan polimer komersial yang besar, sifat-sifat mekanik merupakan aspek yang sangat mendasar. Meskipun sifat-sifat lainnya seperti ketahanan nyala, stabilitas termal, dan ketahanan kimia mempunyai kaitan dalam aplikasi-aplikasi yang lebih spesifik, semua polimer , apapun pemakainnya harus memperlihatkan suatu daerah sifat-sifat mekanik yang terspesifikasi yang cocok untuk aplikasi tersebut. Diantara lusinan sifat yang harus diperhatikan para produsen polimer, kekuatan tarik, kompresif, fleksur, dan ketahanan impak adalah yang terpenting. Sifat-sifat terkait mencakup kekerasan, ketahanan abrasi, dan ketahanan sobek.

Pada semua kasus mereka merupakan ukuran dari beberapa tegangan yang akan ditahan suatu sampel sebelum sampel tersebut “rusak”. Kekuatan tarik mengacu pada ketahan terhadap tarikan. Kekuatan kompresif adalah kebalikan

(4)

ditekan sebelum rusak.

Dalam eksperimen yang dilakukan, uji mekanik yang dilakukan adalah uji tekan. Dimana seperti yang sudah disinggung diatas bahwa uji tekan dilakukan untuk mengetahui kemampuan polimer-nanokomposit menahan tekanan yang dihasilkan oleh suatu sumber gaya.

2.2 Resin

Resin yang biasa digunakan dalam pembuatan komposit sering diidentikkan sebagai polimer. Semua polimer menampilkan karakterisasi yang umum yaitu tersusun dari rantai yang sangat panjang yang terbentuk dari unit-unit berulang yang sederhana. Polimer berdasarkan efek suhu terhadap sifatnya bisa diklasifikasikan menjadi dua, yaitu termoplastik dan termoset.

Termoplastik, sifatnya mirip logam, meleleh jika dipanaskan dan mengeras jika didinginkan. Proses pengerasan dan pelelehan ini bisa berlangsung berulang-ulang tergantung kebutuhan kita. Contoh dari termoplastik adalah nilon, polipropilen, dan ABS.

Termoset dibentuk lewat reaksi kimia secara in situ, dimana resin dan hardener atau resin dengan katalis dicampur dalam satu tempat kemudian terjadilah proses pengerasan (polimerisasi). Sekali terjadi pengerasan, termoset ini tidak bisa mencair lagi sekalipun dilakukan pemanasan. Meskipun begitu, pada temperatur tertentu terjadi perubahan sifat mekanik yang signifikan.Temperatur saat terjadi perubahan signifikan ini dikenal sebagai Temperatur Transisi Gelas (Tg). Diatas temperatur gelas tersebut, struktur molekul dari termoset berubah dari polimer kristal yang keras menjadi polimer yang lebih flexibel. Selain itu, modulus resin juga turun secara drastis sehingga daya tekan dan kekuatannya berkurang. Ketahanan terhadap air dan stabilitas warna juga berkurang pada saat suhu diatas temperatur gelas ini.

(5)

Dari sekian banyak resin yang ada di pasaran, ada tiga jenis resin yang banyak digunakan, yaitu poliester, vinil ester, dan epoxy. Pada penelitian ini resin yang digunakan adalah epoxy resin.

Grafik 2.1 Perbandingan daya rentang dan kekakuan dari setiap jenis resin

2.3 Polimer epoxy resin

Epoxy resin didefinisikan sebagai molekul yang mengandung lebih dari satu epoxy group. Epoxy grup ini biasa disebut, oxirane atau ethoxyline grup, yang strukturnya ditunjukkan di bawah ini,

Gambar 2.1 Struktur grup Epoxy

Resin ini termasuk thermosetting polymers dan biasa digunakan sebagai bahan perekat, pelapis, dan pembungkus material. Resin ini mempunyai karakteristik listrik yang bagus, daya penyusut yang rendah, perekat yang bagus

(6)

untuk banyak bahan logam, dan tahan terhadap kelembaban udara serta tahan terhadap tekanan.

Viskositas, massa ekuivalen epoxy, dan berat molekul adalah sifat-sifat penting pada epoxy resin.

Ada dua kategori utama dari epoxy resin, yaitu glycidyl epoxy, dan non-glycidyl epoxy resins. Glycidyl epoxy ini terbagi lagi atas non-glycidyl-ether, glycidyl-ester dan glycidyl-amine. Non-glycidyl epoxies terbentuk dari salah satu kelompok berikut; aliphatic atau cycloaliphatic epoxy resin. Glycidyl epoxies terbentuk dari proses reaksi kondensasi dari senyawa dihydroxy yang sesuai, dibasic acid atau diamine dan epichlorohydrin. Sementara, non-glycidyl epoxies dibentuk oleh peroxidasi dari ikatan doble olefinic.

Glycidyl-ether seperti diglycidyl ether dari bisphenol-A (DGEBA) dan novolac epoxy resins merupakan jenis epoxy resin yang umum digunakan..

Diglycidyl ether dari bisphenol-A (DGEBA) merupakan jenis epoxy resin yang banyak dikomersialkan dan disintesis dengan mereaksikan bisphenol-A dengan epichlorohydrin dan ditambah katalis.

Gambar 2.2 Struktur dari DGEBA

Karakteristik dari resin DGEBA tergantung pada nilai n, yang merupakan jumlah unit berulang yang umumnya dikenal sebagai derajat polimerisasi. jumlah unit berulang bergantung juga pada stoikiometri reaksi sistesis. Biasanya, dalam berbagai produk komersial n ini berada pada rentang 0 sampai 25.

Novolac epoxy resins merupakan glycidyl ethers dari phenolic novolac resin. Phenol mudah bereaksi dengan formaldehyde yang sudah ditambah dengan

(7)

katalist. Novolac epoxy resins are synthesised by reacting phenolic novolac resin with epichlorohydrin in presence of sodium hydroxide as a catalyst. Novolak epoxy resin disintesis lewat reaksi phenolic novolac resin dengan epichlorohydrin yang didalamnya sudah terkandung sodium hidroksida (katalis).

Gambar 2.3 Struktur dari novolac epoxy resin

Novolac epoxy resin digunakan untuk melapis komponen mikroelektronik, dan alat-alat mekanik, karena mempunyai ketahanan yang baik terhadap panas yang tinggi, aliran listrik, dan kelembaban udara.

2.3.1 Polimerisasi Epoxy Resins

Proses curing (pengerasan) terjadi melalui reaksi antara gugus epoxy (dalam epoxy resin) dengan hardener yang membentuk suatu ikat silang polimer yang kuat. Epoxy resin mengeras lebih cepat pada selang temperature 5-1500C tapi ini tergantung pula pada jenis hardener yang digunakan.

2.3.2 Curing Agents (Hardeners)

Hardener mempunyai jenis yang cukup banyak, dan penggunaannya tergantung pada kebutuhan kita. Zat yang biasa dipakai sebagai hardener antara lain amines, polyamides, phenolic resins, anhydrides, isocyanates and polymercaptans. Pemilihan resin dan hardener tergantung pada aplikasi, pemilihan proses dan sifat material yang diinginkan. Stoikiometri dari epoxy-hardener juga berpengaruh pada material yang dihasilkan.

(8)

Jenis amine dan phenolic, merupakan hardener yang paling banyak digunakan pada epoxy resin.

Tabel 2.1 berat molekul, M n , dari epoxy resin yang ideal

n

M n 340+284n

Nomor dari grup

hidroxyl Berat Equivalen Epoxy

0 340 0 170

1 624 1 312

2 908 2 454

10 3180 10 1590

2.4 Nanopartikel SiO2

Silikon dioksida (SiO2) atau biasa juga disebut silika pada umumnya ditemukan dialam dalam batu pasir, pasir silica atau quartzite. Zat ini merupakan material dasar pembuatan kaca dan keramik. Silika merupakan salah satu material oksida yang keberadaannya berlimpah di alam, khususnya di kulit bumi. Keberadaanya bisa dalam bentuk amorf , dan kristal. Ada tiga bentuk kristal silika, yaitu quartz, tridymite, cristobalite, dan terdapat dua kristal yang merupakan perpaduan dari bentuk kristal tadi.

Tabel 2.2 beberapa sifat penting Silikon dioksida.

Material Quartz Fused silica

Density (g/cm3) 2.65 2.2

Thermal conductivity (Wm-1 K) 1.3 1.4 Thermal expansion coeff. (10-6 K-1) 12.3 0.4

Tensile strength (MPa) 55 110

Compressive strength (MPa) 2070 690-1380

(9)

Fracture toughness (MPa) - 0.79

Melting point (°C) 1830 1830

Modulus of elasticity (GPa) 70 73

Thermal shock resistance Excellent Excellent

Permittivity (ε') * 3.8-5.4 3.8

Tan (δ x 104_{) *} ₃

Loss factor (ε'') * 0.0015

Dielectric field strength (kV/mm) * 15.0-25.0 15.0-40.0 Resistivity (Ωm) * 1012-1016 >1018

• Dielectric Properties at 1 MHz 25°C

Tabel 2.3 Perbedaan diantara bentuk-bentuk kristal

Phase Density (g/cm3) Thermal expansion (10-6 K-1)

Quartz 2.65 12.3

Tridymite 2.3 21

Cristobalite 2.2 10.3

2.5 Komposit

Material komposit merupakan suatu substansi yang tersusun dari kombinasi dua atau lebih material yang berbeda. Material baru ini diharapkan dapat memberikan sifat yang lebih baik dibandingkan dengan bahan-bahan penyusunnya. Terdapat dua istilah material dalam komposit, yaitu matrik dan penguat (reinforcement). Salah satu dari keduanya atau bisa juga gabungan keduanya dibutuhkan untuk membuat komposit. Fungsi matrik adalah melindungi komposit dari gangguan luar (berupa tekanan, suhu dan sebagainya), dan mengikatkan unsur-unsur pembentuk komposit. Sedangkan penguat (reinforcement) merupakan suatu material yang mempunyai sifat fisik khas yang bisa membuat kekuatan komposit bertambah.

(10)

Untuk material matrik, banyak produsen komposit modern menggunakan thermosetting atau thermosoftening plastik (biasa disebut resin). Resin merupakan salah satu jenis polimer yang mampu mengikat penguat dan material-material pembentuk lain dan berguna untuk mempertahankan sifat fisik komposit hingga terbentuk material yang diharapkan.

Fungsi utama matriks:

1) Mentransfer beban yang diterima komposit kepada penguat yang digunakan.

2) Mengikat penguat sehingga arah orientasinya stabil sesuai dengan yang diinginkan.

3) Melindungi komposit dari lingkungan luar dan dari gesekan atau benturan mekanik.

Sedangkan, untuk material penguat banyak digunakan serat. Serat yang dipakai bisa alami dan bisa juga serat buatan. Contoh serat alami adalah jerami, serat dari batang tanaman, serat daun, atau serat akar tanaman. Untuk serat buatan, salah satu yang terkenal adalah serat karbon. Serat karbon ini bisa digabung dengan resin, lalu di press dengan suhu dan tekanan yang tinggi, sehingga didapat suatau material baru yang sangat kuat. Material dari serat carbon ini biasa digunakan dalam mobil balapan F1.

Gambar 2.4 Body mobil balap Formula 1 terbuat dari nanokomposit serat karbon dalamresin

(11)

2.6 Nanopartikel komposit

Nanopartikel yang didispersi ke dalam polimer matriks menghasilkan sifat-sifat yang menarik. Permukaan nanopartikel yang sangat besar berinteraksi dengan rantai polimer sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer. Interaksi ini meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang bisa dicapai adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Sebagai contoh, badan mobil balap formula 1 terbuat dari komposit serat karbon yang didispersi ke dalam resin. Pencampuran yang sesuai menghasilkan kekuatan yang setara baja namun masa yang sekitar enam kali lebih ringan dari baja. Material dengan sifat demikian menjadi bahan utama pembuatan mobil formula 1 sehingga laju yang tinggi dapat dicapai tanpa mengabaikan faktor keamanan jika terjadi benturan (akibat kekuatan mekanik yang tinggi).

2.7 Sampah

2.7.1 Jenis Sampah

Secara umum, jenis sampah dapat dibagi 2 yaitu sampah organik (biasa disebut sebagai sampah basah) dan sampah anorganik (sampah kering). Sampah basah adalah sampah yang berasal dari makhluk hidup, seperti daun-daunan, sampah dapur, dll. Sampah jenis ini dapat terdegradasi (membusuk/hancur) secara alami. Sebaliknya dengan sampah kering, seperti kertas, plastik, kaleng, dll. Sampah jenis ini tidak dapat terdegradasi secara alami. Pada umumnya, sebagian besar sampah yang dihasilkan di Indonesia merupakan sampah basah, yaitu mencakup 60-70% dari total volume sampah.

2.7.2 Pemanfaatan sampah

Ada banyak cara pemanfaatan sampah, diantaranya diubah menjadi kompos, bio gas dan daur ulang. Untuk penelitian ini, kita memanfaatkan sampah untuk

(12)

membuat nanokomposit. Sampah yang digunakan dalam pembuatan

nanokomposit ini adalah kertas bekas dan daun kering. Nanokomposit yang dihasilkan dari sampah ini diharapkan bisa digunakan untuk bahan bangunan seperti untuk membuat pintu, kursi, meja, lemari dan sebagainya.

Gambar pemanfaatan sampah kering untuk bahan bangunan

2.8 Uji FT-IR

FT-IR merupakan teknik pengukuran dengan mengumpulkan spektrum cahaya koheren yang berasal dari sumber radiasi, menggunakan pengukuran domain waktu dari radiasi elektromagnet atau tipe radiasi yang lain. FT-IR bisa diaplikasikan untuk berbagai tipe spectroscopy termasuk optical spectroscopy, infrared spectroscopy (IR), nuclear magnetic resonance dan electron spin resonance spectroscopy. Ada beberapa metode untuk mengukur sinar koheren yang temporal ini diantaranya Michelson or Fourier transform spectrometer dan pulsed Fourier transform spectrograph.

(13)

Gambar 2.5 FTIR sebenarnya merupakan interferometer Michelson tetapi satu dari dua cermin pemantulnya dapat dipindahkan

Cahaya dari sumber terpecah menjadi dua oleh half-silvered mirror, satu cahaya diterima oleh cermin tetap lalu dipantulkan lagi dan satu cahaya lagi diterima oleh cermin yang bisa digerakan dan dipantulkan juga. Kedua cahaya pantulan ini bergabung kembali (koheren) di half-silvered mirror lalu diteruskan ke detektor. Dengan memindah-mindahkan posisi cermin kita dapat memperoleh beberapa sinyal cahaya koheren, yang selanjutnya dapat diolah menggunakan transpormasi Fourier.

Tingkat energi radiasi elektromagnetik (REM) di daerah inframerah (IR) berkesesuaian dengan perubahan tingkat energi vibrasi dari ikatan-ikatan di dalam molekul. Hal ini disebabkan karena tingkat energi sinar inframerah lebih rendah sehingga tidak cukup untuk menimbulkan transisi elektronik, hal ini karena panjang gelombang sinar inframerah lebih panjang dari UV atau tampak yaitu antara 2,5 x 10-3 cm sampai 2 x 10-4cm, atau biasa dinyatakan dalam satuan bilangan gelombang, 1/λ ( frekuensi), antara 400 cm-1 sampai 4600cm-1.

Apabila sinar inframerah berinteraksi dengan molekul, maka hanya sinar inframerah yang tingkat energinya sesuai dengan tingkat energi vibrasi ikatan-ikatan yang terdapat di dalam molekul tersebut saja, yang akan di serap molekul

(14)

masing-masing ikatan akan memberikan serapan inframerah pada daerah yang berbeda, sehingga pola spektra senyawa yang satu akan berbeda dengan senyawa lainnya.

Frekuensi vibrasi suatu molekul dipengaruhi pula oleh jumlah dan jenis atom, susunan geometri, dan tetapan ikatan antar atom di dalam molekul, perubahan dalam salah satu faktor diatas akan mempengaruhi pada pola spektra inframerah yang dihasilkan, dan perlu diingat bahwa ikatan-ikatan yang dapat menyerap sinar inframerah adalah ikatan-ikatan yang dapat menyerap sinar inframerah adalah ikatan yan karena perubahan vibrasi atau rotasinya dapat menyebabkan perubahan momen dipol.

Kelebihan-kelebihan dari FT-IR mencakup persyaratan ukuran sampel yang kecil, perkembangan spektrum yang cepat, dan-karena instrumen ini memiliki komputer yang terdedikasi-kemampuan untuk menyimpan dan memanipulasi spektrum. (Instrumen-instrumen dispersif modern juga telah dilengkapi dengan mikrokomputer-mikrokomputer untuk penyimpanan dan manipulasi spektrum).

Spektrum-spektrum dispersif dari sebagian besar polimer impor komersial telah tercatat, oleh karenanya identifikasi kualitatif zat-zat yang tidak diketahui seringkali bisa diselesaikan melalui perbandingan. Ini mencakup polimer-polimer yang memiliki stereokimia atau distribusi rangkain monomer yang bervariasi, karena perbedaan demikian biasanya menghasilkan spektrum-spektrum yang berbeda. Di mana spektrum-spektrum komparatif tidak tersedia, pengetahuan ke struktur polimer bisa diperoleh melalui pertimbangan yang wajar terhadap pita-pita absorpsi gugus fungsional, atau dengan membandingkan spektrum dengan spektrum senyawa-senyawa model berat molekul rendah yang siap terkarakterisasi dengan struktur yang mirip.FT-IR telah membawa tingkat keserbagunaan yang lebih besar ke penelitian- penelitian struktur polimer. Karena spektrum- spektrum bisa di-scan, disimpan, dan ditransformasikan dalam hitungan detik, teknik ini memudahkan penelitian reaksi-reaksi polimer seperti degradasi

(15)

atau ikat silang. Persyaratan- persyaratan ukuran sampel yang sangat kecil mempermudah kopling instrumen FT-IR dengan suatu mikroskop untuk analisis bagian-bagian sampel polimer yang sangat terlokalisasi. Dan kemampuan untuk substraksi digital memungkinkan seseorang untuk melahirkan spektrum- spektrum lainnya “yang tersembunyi”.

FT-IR teristimewa bermanfaat dalam meneliti paduan-paduan polimer. Sementara paduan yang tidak dapat campur memperlihatkan suatu spektrum IR yang merupakan superposisi dari spektrum homopolimer, spektrum paduan yang dapat campur adalah superposisi dari tiga komponen-dua spektrum homopolimer dan satu spektrum interaksi yang timbul dari interaksi kimia atau fisika antara homopolimer- homopolimer.

Spectroskopi IR dapat digunakan untuk menganalisis senyawa-senyawa anorganik (seperti kompleks logam, fluoromanganat dan silika). Disebabkan oleh demikian kompleksnya spectra IR, maka spectra IR tidak dapat secara tuntas menyelesaikan identifikasi suatu bahan. Tetapi sectra IR cukup ampuh untuk identifikasi adanya gugus fungsi ( misalnya penyerapan oleh gugus C=O dan C+C di daerah 2000-1500 cm-1_{) dan untuk analisis struktur yang tuntas perlu didukung} dengan teknik spektroskopi lain. Namun demikian konfirmasi senyawa dapat diberikan jika spektra IR dibuat dari bahan murni kemudian dibandingkan dengan spektra standar dari data base.

Dibawah ini adalah tabel korelasi spektra inframerah:

Bilangan-bilangan gelombang serapan infra merah yang kharakteristik untuk gugus fungsi senyawa organik

ikatan Jenis ikatan Bilangan gelombang, cm-1 2960-2850(s) stretch

Alkanes _{1470-1350(v) scissoring and}

bending C-H

(16)

t-butyl

3080-3020(m) stretch

C-H Alkenes

1000-675(s) bend

Aromatic Rings 3100-3000(m) stretch

Phenyl Ring Substitution Bands 870-675(s) bend