Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996
ANALISA STRUKTUR POLIMER TERMOPLASTIK HDPE DAN LDPE P ADA TEMPERA TUR TINGGr
Bambang Sugeni, Agus Hadi Ismoyo2 ABSTRAK
ANALISA STRUKTUR POLIMER TERMOPLASTIK HDPE DAN LDPE PADA TEMPERATUR TINGGI.
Telab dilakukan penelitian struktur polimer tennoplastik HDPE dan LDPE pada temperatur tinggi. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan teknik difraksi sinar-x. Setelab data difraksi sinar-x diolab melalui perhitungan diperoleh informasi mengenai derajad kristalinitas, ekspansi sel satuan dan ukuran rata-rata kristalin pada temperatur antara 18 DC sampai dengan 140 DC. Mula-mula pada temperatur kamar derajat kristalinitas HDPE adalab 85,92 %. Setelab dipanaskan sampai dengan temperatur 100 DC, dengan naiknya temperatur derajat kristalinitas tumn larnbat dan tumn tajam saat dipanaskan antara 104 DC sampai 140 DC. Pada temperatur 104 DC derajat kristalinitas adalab 69,56 % dan pada 140 DC derajat kristalinitasnya menjadi 6,86 %. Untuk LDPE pada temperatur kamar derajat kristalinitas adalab 72,30 0/0, setelab dipanaskan sampai 140 DC derajat kristalinitas turun menjadi 0,20 0/0. Penumnan derajat kristalinitas secara keselumhan berlangsung proporsional, hampir linier. Harga koefisien ekspansi termal arab <110> untuk HDPE setelab dipanaskan menunjukkan kecenderungan naik dengan laju 2,4 x 10" A /derajat, sedangkan pada LDPE naik dengan laju 2,8 x 10" A /derajat. Ukuran kristalit rata-rata HDPE tidak berubab selama percobaan, tetapi untuk LDPE lebar puncak pada setengab maksimum (FWHM) melebar dengan kenaikan temperatur. Hal ini menunjukkan babwa pada temperatur tinggi ukuran kristalit mengecil.
ABSTRACT
STRUCTURE ANALYSIS OF THERMOPLASTIC POLYMERS HDPE AND LDPE AT HIGH
TEMPERATURE. The investigation of polymer structure at high temperature has been done. The measurement was done using x- ray diffiaction technique. The polymer samples were thermoplastic HOPE and LOPE. From the difraction data can be obtained the information on the degree of crystalinity, unit cell expantion coefficient and the average crystalite size at the temperature range 18 .C to 140 .C. The result shows that the degree of crystalinity HOPE at room temperature is 85.92 % and decreased slowly as the temperature raised up to 104 'c. At the temperature range 104.C to 140 .C, the degree of crystatinity is drop abruptly to 6.86 %. The sample LOPE has an initial crystalinity of 72.30 % and shows linear decrease to 6.86 % at 104 'c. The linear thermal expansion coefficient along the 110 direction is increasing at the rate of 2.4xl0-4 A/degree for HOPE and 2.8xl0-4 A/degree for LOPE. The average crystallite size of HOPE is not changing during the experiment, but for LOPE the FWHM becomes broader as temperature increase, it indicated that small cryrtailite size exists at this temperature.
itu pada penelitian ini diamati perubahan strukur kristalinitas termoplastik HOPE dan LDPE pada temperatur antara 18 DC sampai dengan 140 DC. Metode yang digunakan adalah metode difraksi sinar-x yang dilengkapi tungku yang mampu memanaskan hingga temperatur 1000 DC.
Pada tulisan ini juga diuraikan kemampuan alat difraktometer sinar-x yang dilengkapi dengan tungku pemanas untuk karakterisasi perubahan sifat kristalit polimer HOPE dan LDPE dengan berbagai macam perlakuan panas.
Polietilen mempunyai stuktur molekul, yang merupakan pengulangan dari struktur satuan berikut,
n
Gambar-1. Struktur Satuan Polieti1en Titik cair: (100 -137) DC
PENDAHULUAN
Kebutuhan bahan polimer oleh industri di Indonesia terns meningkat pada tahun-tahun mendatang seiring dengan laju pertumbuhan industri manufaktur, konstruksi gedung dan perurnahan. Akhir-akhir ini polimer termoplastik sedang menjadi fokus penelitian akademik maupun industri. Polimer termoplastik mernpakan polimer yang mempunyai sifat lunak pada saat dipanaskan daD menjadi keras kemba.li hila didinginkan lagi. Sifat inilah yang memungkinkan bahan termoplastik dapat didaur ulang. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah polimer termoplastik polietilen.
.HDPE dan LDPE mernpakan salah satu polimer termoplastik yang aplikasinya antara lain sebagai kontener, botol bahan kimia, perabot rumah tangga, isolator kabel listrik. Keistimewaan HDPE dan LDPE adalah ketahanan terhadap korosi, sifat isolasinya baik, tidak berasa dan harganya murah ( 0,55 -
0,63) US dollar/lb.(l)
Bahan termoplastik HDPE dan LDPE pada saat proses pembentukan sering mendapat perlakuan panas yang cukup tinggi, bahkan mencapai titik cair. Apakah ada pernbahan struktur kristalit, koefisien ekspansi sel satuan kristalin dan ukuran rata-rata kristalin pada temperatur tinggi. Oleh karena
Ada dua macam polietilen yang diteliti, yaitu:
polietilen Tapat masa tinggi (HDPE) yang mempunyai rapat masa antara 0,941 -0,965 g/cm3 dan Tapat masa Tendah (LDPE) yang Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996
Pusat Penelitian Sains Materi BAT AN 1.
2. 235
bennasa jenis 0,910 -0,926 g/cm3. Rantai cabang lllJPE sangat kecil hila dibandingkan LDPE (seperti terlihat pada gambar-2), sehingga kristalinitas dan kekuatan mekanik lllJPE lebih tinggi dari pada LDPE.
Poplietilen homopolimer mempunyai kekuatan tarik yang relatif rendah (HDPE antara 20 sid 38 MPa dan LDPE antara 6,2 sid 17,2 MPa).
RAsa DAN PEMBAHASAN
Data difraksi untuk HDPE dan LDPE disajikan pada Gambar 3 dan 4.
-t 'I _I -\-
(.)
Garnbar 3 : Pola Difraksi HDPE Garnbar-2. Struktur Rantai Polietilen(I):
(a) HDPE, (b) LDPE.
Polietilen tidak pernah dijumpai dalarn bentuk kristalin 100 %, akan tetapi sebagian dalarn bentuk kristalin dan sebagian lain dalarn bentuk amorf. Hal ini mengakibatkan polietilen yang ada di pasaran memiliki jangkauan kekuatan mekanik yang bervariasi.
Polimer pada umumnya relatif tidak stabil terhadap radiasi panas. Bila polietilen dipanaskan, maka rantai polimer polietilen akan terjadi pemutusan rantai utama atau terjadi degradasi dan terbentuknya ikatan silang (cross linking). Kedua peristiwa reaksi tersebut sangat dominan dalarn merubah sifat polimer, terutama kristalinitasnya. Selain itu efek radiasi panas dapat menghasilkan ikatan tak jenuh yang sudah ada. Ikatan silang akan meningkatkan kekuatan mekanik, sedangkan degradasi akan menurunkan kekuatan mekanik polietilen. Umumnya peristiwa tersebut terjadi bersarna-sama, perban-dingannya sangat dipengaruhi oleh tem-peratur, kristalinitas daD oksigen.
Garnbar 4. Pola Difraksi LDPE
Setiap pola diperoleh dengan menaikkan temperatur dengan interval 10°C.
Pola difraksi menunjukkan adanya tiga hal yang karakteristik yaitu adanya dua puncak kristalin, yang merupakan refleksi Bragg dari (110) dan (200), dan sebuah puncak amorphous yang sangat lebar. Derajad kristalinitas dihitung menggunakan metode perbandingan luas puncak, dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : PERCOBAAN
Untuk menjelaskan mekanisme perubahan sifat yang terjadi ikatan silang atau degradasi dilakukan pengukuran derajad kristalinitas menggunakan metode difraksi
sinar-x yang diperlengkapi dengan tungku pemanas yang kemampuannya mencapai temperatur 1000 °C. Mula-mula spesimen polietilen difabrikasi menjadi bentuk kotak padat dengan ukuran (10xl0xl) mm dan tungku dikalibrasi dengan termokopel.
Spesimen diletakkan pada sampel holder tungku yang sudah diset pada sistem difraktometer sinar-x. Pemanasan dilakukan antara 35 sid 150 °c dengan step pengambilan data 10 °C.
DK= LpK(1 10),(200) ! LT (1)
DK adalah derajad kristalinitas, LpK adalah luas puncak kristalin bidang 110 dan 200,
236
sedangkan Lr adalah luas total dari puncak (110), (200) dan luas amorfus.
Pendekatan yang dilakukan dalam menghitung luas amort dan luas total adalah bentuk puncak amort diwakili oleh data difraksi pada temperatur 140 °C yang telah dikoreksi terhadap cacah lata(4). Pada setiap pola dilakukan pendekatan melalui data (intensitas) pada interval sudut 28 antara 150 sampai dengan 17,50 hanya berasal dari komponen amort. Sehingga derajat kristalinitasnya dapat dihitung melalui persamaan berikut:
G."b.,t.P..D..."'HDPE t."
.d ,.,
", ."...
+++ : ,.n.n .,..."
DK=(I(26)- -C. 1(26)8nOd)/ 1(26)- untuk:
1(20) amorf = C. 1(20)amorfstJlndard.(3)
I(28)data
(4)
1 N~-
C = N ~ I(28)amorfstandar
N : jumlah data pada selang 28 150 sid 17,50 I(28)data : intensitas data terkoreksi latar I(28)amorfstandard : intensitas data pada
temperatur 140 °c
10 30
Contoh pola difraksi yang telah diuraikan atas komponen kristalit dan amorf basil perhitungan dengan pendekatan perumusan diatas untuk HDPE pada suhu 18°, 920 dan 140° setelah diplot berturut turut tampak seperti pada Gambar 5, 6.dan 7 berikut:
20 SUDUT 28 (deralal)
,,7 'ola 0""" HO'£ ,.o.c .d... ~, , ~..,
---,..., , ""..,1.
Sedangkan graftk untuk LDPE berturut-turut ditunjukkan pada Gambar 8, 9 dan 10 berikut:
3000 .
~ 2000%
~
<U)<
t-in z
UJ 1000
I-~
~~
¥;;
~
~~
1$
10 20 30
SUDUT 28 (derajal)
..~...IP..O ,.'LDPE
.:d.., ,."...,
II'\:---, .m."
...:,..., " ,
10 20
SUDUT 28 (derajat)
30
O.mb., S. Pola 0"""HOPE ,,"
.:4.1a ksJ.Ia, ---".pontO...oII
." :'...po...',."An
237
2000
8
41+
~'b
.;n+ Itc ++
00
8t.
in
z I-w
~
30 20
SUDUT 29 (dere)et)
I.' ,,'LD'! ..'\:
.: d." """"""..,
--: rl
+++ :k ,
'.. "]
..~
..-;-
,. .:;. .
~: .
I
..-; ~ .~~.~..~
..-' .~ ~~.
c ., ~~
I
s .,
..~ ~~.
a ~
"' ~
..-;
.
~"-j .
.1."".'.T "-,-",,..,..,.t.
" It ,. ,.. II. ,.. ,.. ,.. ,..
,0..0_.(OC)
ao.bo, 12- D"'lo, KIIo"_' LDPE
G",." to ,... 011'80" LOPE ,08 C ..,.. to"""" ~m
.--;- .: !!: ~.. ...~~!~-
Untuk LDPE pada temperatur kamar derajad kristalinitas adalah 72,30 %, setelah dipanaskan sampai 140 °C derajat kristalinitas turun menjadi 0,20%. Penunman derajat kristalinitas secara keseluruhan berlangsung proporsional, hampir linier.
Penentuan posisi puncak bidang (110) dilakukan menggunakan perangkat lunak pengolahan data yang terpasang pada
komputer XRD. Secara garis besar penentuan posisi puncak dilakukan menggunakan metode
"Least Square" dari polinom pangkat dua terhadap puncak difraksi. Kemudian persamaan basil pendekatan yang diperoleh, dideferensialkan dan posisi puncak ditentukan pada suatu titik dimana terjadi perubahan tanda pada basil diferensial. Dari data posisi puncak ini diperoleh besarnya ~11 0) pada temperaturpengukuran. Grafik ~110) terbadap temperatur untuk HDPE dan LDPE ditunjukkan pada Gambar 13 dan 14, dan dari grafIk ini diproleh harga koefisien ekspansi termal pada arab <110>.
Pada gambar II dan 12 berturot-turut ditunjukkan perubahan derajad kristalinitas HDPE dan LDPE. Dari grafik tersebut terlihat mula-mula pada temperatur kamar derajat kristaIinitas HDPE adalah 85,92 %, pada pemanasan sampai dengan temperatur I 00 ~C derajat kristaIinitas turun dengan lambat dan mengalami penurunan dengan tajam saat dipanaskan antara 104 °C sampai 140 °C. Pada temperatur 104 °c derajat kristalinitas 69,56 % dan pada 140 °c derajat kristaIinitasnya menjadi 6, 86 %. Hal ini terjadi karena pada temperatur diatas 100 °c, permukaan spesimen mulai terjadi pelelehan, yang berarti kristaIit polietilen berubah menjadi struktur tak beraturan (struktur amorf).
238
%~ 0~
~'"~ 1000
00000000000000
'.11
j
,..,D."
.
,.., , .A. ..
,., -i
,.
"D~
.. ..
D"
OA'
lA, -:
'AI i
'CO I , .., ..",.,.",.,.,
'D II It .80 ..'0 It It .00 '" ". '8'
T'.,,".I'OI
O,mb,' II. L.b., P t Podo S'..Doh Mo""'.m lOPE t, '00 '" ,to ,.. '" ".
'."""'I'Cj
G'~""'J.,.k..Ia"Ido'a(1'O)HDPE
Dari grafik tersebut terlihat ukuran kristalit rata-rata HDPE tidak berubah sela-ma percobaan, tetapi untuk LDPE lebar puncak pada setengah maksimum (FWHM) melebar dengan kenaikan temperatur, ini menunjukkan pada temperatur tinggi ukuran kristalit mengecil.
".~.., '4.J on'" .~n. ("GILDP.
Barga koefisien ekspansi termal untuk HDPE setelah dipanaskan menunjukkan kecenderungan naik dengan laju 2,4 x 10-4 A /derajat, sedangkan pada LOPE saat
dipanaskan cenderung naik dengan laju 2,8 x 10-4 A /derajat. Hasil pengolahan data terhadap puncak difraksi juga memberikan harga lebar puncak pada setengah maksimum (FWHM), dimana harga besaran ini berbanding terbalik dengan ukuran kristalit rata-rata. Grafik ukuran kristalit rata-raia terhadap temperatur untuk HDPE dan LOPE berturut-turut terlihat pada Gambar 15 dan 16 berikut:
KESIMPULAN
Derajat kristalinitas HDPE lebih besar dari LDPE pada rentang temperatur antara 40
°C sampai dengan 110 °C, hal ini karena struktur rantai polimer HDPE cabangnya relatif lebih pendek dan sederhana, sehingga kecenderungan rantai-rantai utama untuk terorientasi secara teratur lebih besar.
Pengaruh temperatur terhadap derajad kristalinitas HDPE sangat kecil, kristalinitas
turun tajam pada saat mulai terjadi pelelehan.
Sedangkan pada LDPE pengaruh temperatur tersebut cukup besar.
Laju kenaikan koefisien ekspansi termal LDPE lebih besar dibandingkan HDPE, hal ini terjadi karena rantai cabang LDPE yang lebih panjang dan kompleks, LDPE lebih mudah bertambah panjang pada saat dipanaskan mengakibatkan jarak relatif antar rantai utama melebar.
Metode difraksi sinar-x dapat digunakan untuk mengukur perubahan derajad kristalinitas, koefisien ekspansi termal dan ukuran rata-rata kristalit polimer pada suhu tinggi. Dengan diketahuinya informasi struktur kristalit sebagai fungsi temperatur di atas dapat dilakukan optimasi pada proses pabrikasi.
i'"
!&
I ...
i...
t01i
~ ...
UCAPAN TERIMAKASm
Pada kesempatan ini penulis ucapkan syukur alhamdulillah atas segala rahmatNya sehingga tulisan ini selesai dengan baik.
Penulis sampaikan pula rasa terirna kasih yang
t."
239
sebesar-besarnya kepada yang terhormat Dr. Ir.
Mardjono Siswosuwarno atas pemberian sampel HDPE dan LDPE. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Drs Bambang Hero P., Dr. Djoko Surono, Eko Yudo dan Imam Wahyono atas bantuannya, sehingga makalah ini dapat diselesaikan.
DAFTAR PUSTAKA
1. W.F. SMITH, "Principles of Materials Science and Engineering", 2nd Ed.,pp 355- 357, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1990.
2. F.W. BILLMEYER, JR., "Textbook of Polymer Science", 3rd Ed., pp 395- 398,472-473, John Wiley & Sons, New York, 1984.
3. A.BROWN, J. W. EDMONDS, "The Fitting of Powder Diffraction Profiles to an Analytical Expression and the Influence of Line Broadening Factors, Advances in X- ray Analysis", vol.23, J Rhodes, ed., Plenum, 1985.
4. E. RUCKENSTEIN, "J Appl. Polyrn. Sci.", 1988,36,907.
5. J.S. PARK, "Chern. Mat.", 1989, 1,343.
240
