Transisi Fasa Polimer - Spada UNS

Transisi Fasa Polimer

Edi Pramono

Prodi Kimia FMIPA UNS

Padatan Polimer

• Kristalin

– Tersusun rapi secara 2D atau 3D

– Memiliki jaran yg konstan dan berulang

• Amorf

– Tersusun secara acak – Jarak tidak beraturan

Sifat padatan

• Padat  pada T tertentu berfasa padat

• Jika pada T 25 ^oC polimer padat bisa jadi kristalin/amorf

• Semi-kristalin ada sebagian padatan yg kristalin dan sebagian lagi amorf

– Lebih dari 50% kristali atau kirstalin>amorf

• Jika amorf lebih dominan, maka sering disebut amorf saja

Pemanasan pada Padatan

• Jika padatan dipanaskan maka akan terjadi perubahan pada padatan

• Padatan dapat mengalami deformasi dan berubah fasa hingga terdegradasi

• Secara umum perubahan padatan polimer PadatGlassy/rubber likecair

• Glassy memiliki struktur seperti amorf

sehingga polimer amorf sering disebut pula sebagai kondisi glassynya.

Kristalin

• Tersusun rapi dengan jarak antar atom/monomer relatif serempak

• Jika polimer kristalin dipanaskan :

– Efek termal meningkatkan vibrasi

– Lebih lanjut merombak/merusak kristal  deformasi

– Kristalinglassy state

– Glassy  susunan atom/monomer tidak rapi lagi

Glassy state

• Pada kondisi ini mobilitas penyusun kristal terjadi

• Gerak translasi masih terbatas, namun jika ada gangguan fisik yg lebih besar memungkinkan pergeseran yang lebih tinggi

• Jika Energi termal makin tinggi Glassy state  rubber like

• Seperti karet pada umumnya, bisa bergerak jika ada gangguan fisik dan ada kemungkinan deformasi

mengakibatkan tidak kembalinya ke posisi awal

• Pada kondisi Glassy/rubber like  polimer masih berfasa padat

Glassy dan rubber

• Karet (sintetik/alam) biasanya pada suhu ruang sudah elastis

• Bisa diprediksi bahwa antar polimer tersusun tidak beraturan/amorf

• Jika diberikan gangguan mekanik, maka akan terjadi pergerakan molekul dan deformasi

• Saat kembali :

– ~100% kembali k posisi semula (reusable tinggi) – Tidak dapat kembali/hanya sebagian yg kembali

Transisi Glass

• Perubahan dari padatan kristalin ke glassy sering dikenal dengan transisi glass (Tg)

• Tg biasanya berupa rentang suhu, namun dengan penarikan titik awal dan akhir proses kemudian diambil titik tengah (suhu) Tg dilaporkan sebagai nilai tunggal

• Transisi glass  tidak terjadi perubahan fasa (padat  padat)

• Untuk mendapatkan Tg polimer kita wajib ada fasa kristalinnya.

Glassy/rubber like  cair

• Pemanasan lebih lanjut mengakibatkan perubahan fasa dari padat ke cair

• Polimer yang dicairkan biasanya sangat kental atau dikenal juga viscous fluid.

• Pada kondisi tersebut rantai polimer bersifat seperti cairan pada umumnya

Pendinginan cairan polimer

• Berlaku kebalikan dari proses pemanasan

• Kecepatan pemanasan/pendinginan polimer mempengaruhi deformasi/reformasi dari

polimernya

• Di dalam polimer dikenal adanya relaksasi yang berhubungan dengan pergerakan polimer

• Pada saat dipanaskan polimer akan berusaha mempertahankan kondisi awalnya/struktur awalnya  relaksasi

• Jika kecepatan lambat, maka polimer akan sempat untuk mengalami relaksasi

Pendinginan cairan Polimer

• Pada saat didinginkan, maka pergerakan bebas molekul polimer akan semakin lambat

• Cair  Padat

• Dalam proses pemadatan:

– Crystallizable  dapat dikristalkan  “Kristalisasi”

– Non-crystallizable  tidak dapat dikristalkan

• Pemadatan

– Lambat  ada waktu untuk rantai polimer menyusun tatanan ruangnya (ada relaksasi) mungkin terbentuk kristal

– Cepat  Polimer tidak cukup waktu cenderung amorf

Pendinginan cairan polimer

• Dalam proses pemadatan

– Jika crystallizable, pendinginan lambat  dapat menghasilkan kritalin

– Jika crystallizable, pendinginan cepat  dapat menghasilkan kritalin & amorf

– Jika non-crystallizable, pendinginan lambat  menghasilkan amorf

– Jika non-crystallizable, pendinginan cepat  menghasilkan amorf

Metode analisis

• Kombinasi analisis termal dan kristalografi (XRD)

• Analisis termal

– TG-DTA-DSC – Dilatometri

• Analisis thermo-mechanic

– Analisis mekanik dibarengi dengan termal dalam satu alat

• XRD

– Diperoleh informasil puncak kristalin/amorf

Analisis volume spesifik

• Material padat secara fisik memiliki volume spesifik

• Ingat “long range order” dan “short range order”

• Adanya jarak antar polimer/monomer dalam padatan menghasilkan volume ruang untuk masing2 kondisi.

• Pada proses pemanasan maka molekul akan bergerak dan volume akan berubah

• Selisih perubahan volume spesifik terhadap suhu yang diberikan dapat diamati pada alat

dilatometri

Analisis kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp)

• Kapasitas kalor merupakan fungsi dari suhu;

akan berubah sesuai suhu yang diberikan

• Pada padatan polimer, ketahanan panas pada rentang suhu tertentu memberikan nilai Cp yg relatif konstan; namun saat terjadi perubahan struktur/fasa maka Cp juga berubah

• Perubahan Cp terhadap suhu dapat diamati dengan alat DSC

Analisis perubahan entalpi

• Sesuai Hk. Termodinamia I bahwa entalpi berbanding lurus dengan Cp atau biasa diformulasikan sebagai dH

= Cp dT

• Perlakuan panas pada polimer mengakibatkan

perubahan Cp yang kemudian ditransformasikan pada data perubahan entalpi

• Perubahan struktur/fasa pomer dapat teramati dari pergerakan base-line dan sifat endotermik/eksotermik

• Data entalpi bisa teramati dengan DSC

• Baik pemanasan maupun pendinginan fenomena termal pada polimer dapat teramati dengan DSC.

Contoh tamplan data DSC

Base-line