Akta Kimindo Vol. 2 No. 2 Oktober 2007: 117-122
Akta Kimindo Vol. 2 No. 2 April 2007: 117 – 122
AKTA KIMIA
INDONESIA
Analisa Pengaruh Penambahan Filler Anorganik Dan Zat Tambahan Pada Polipaduan Polipropilena Untuk Material Otomotif‡ Ismariny* Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Material, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi, Gedung BPPT II Lt. 22, Jl. M. H. Thamrin, Jakarta 10340
ABSTRAK Polipropilena dicampur dengan elastomer dan talk dijadikan material polimer untuk membuat komponen otomotif seperti part interior dan eksterior, bemper, dll. Setelah dicampur dalam dry mixer, material kemudian dicampur dalam ekstruder untuk kemudian dibuat pelet dengan menggunakan pelletiser. Pelet ini yang menjadi bahan dasar untuk membuat komponen otomotif dengan proses injection molding. Pada penelitian ini dianalisa sifat fisik dan mekanik dari polipaduan yang dihasilkan dan analisa SEM untuk menerangkan pengaruh penambahan filler anorganik. Kata kunci : Polipropilena, elastomer, talk, injection molding, analisa SEM. ABSTRACT Polypropylene was mixed with elastomer and talk to produce material polymer that can be applied as automotive components such as interior and exterior. The material polymer was prepared by dry mixing, followed by mixing using extruder to produce pellets using pelletiser. The pellets are used as automotive material through injection molding process. Physical and mechanical properties of the produced material polymer were analyzed. SEM images were used to study the effect of inorganic filler adding. Keywords : - Polypropylene, elastomer, talk, injection molding, SEM analysis. PENDAHULUAN Polipropilena (PP) merupakan plastik komoditi yang banyak digunakan untuk berbagai peralatan sehari-hari, perlengkapan dapur, film pengemas, aplikasi alat listrik rumah tangga, komponen mekanik, komponen listrik, komponen otomotif dan berbagai aplikasi lain. PP sendiri dapat dicampur dengan bermacam additif sesuai dengan performa yang dibutuhkan. Khusus untuk penggunaan komponen otomotif, polipropilena dicampur dengan elastomer dan pengisi anorganik. Elastomer dipakai untuk menaikkan impact resistance dari material PP dan filler anorganik untuk menjaga rigiditas PP. Campuran material ini banyak digunakan untuk artikel yang dibuat melalui proses injection molding yang memerlukan keseimbangan yang baik antara rigiditas dan impact resistance. ‡ Makalah ini disajikan pada Seminar Nasional Kimia
VII, di Surabaya 9 Agustus 2005 Corresponding author Phone : 021-3169887-; Fax : 0213169873-; e-mail:
[email protected] *
© Kimia ITS – HKI Jatim
Polipaduan PP diproses dengan menggunakan ekstruder setelah sebelumnya dicampur dalam dry mixer. Setelah itu material dilewatkan water bath untuk proses pendinginan kemudian dibuat pelet dengan menggunakan pelletiser. Material kemudian dianalisa sifat fisik dan mekaniknya. Pada beberapa formulasi dengan kandungan filler anorganik yang lebih banyak, pelet yang dihasilkan basah seperti menyerap air. Analisa SEM dilakukan untuk menerangkan fenomena ini. ALAT DAN BAHAN Bahan Komposisi polipaduan yang dibuat terdiri dari homopolimer propilena, elastomer dan filler anorganik serta additif disesuaikan dengan aplikasinya. Polipropilena yang dipakai adalah PP komoditi yang diproduksi dengan menggunakan katalis Ziegler Natta untuk proses injection molding, dengan melt flow rate (MFR, ASTM D 1238) = 10 g/10 min. Resin ini kemudian 117
Ismarini - Analisa Pengaruh Penambahan Filler Anorganik Dan Zat Tambahan Pada Polipaduan Polipropilena
direaksikan dengan peroksida untuk mendapatkan MFI sekitar 40 g/10 min. Elastomer yang digunakan adalah ethylene/.alpha.-olefin random copolymer produksi Dow Chemical. Biasanya untuk pengisi anorganik dapat digunakan material seperti talc, clay, kalsium karbonat, mika, silikat, karbonat atau serat gelas. Dari semuanya talkmerupakan material terbaik. Pada penelitian ini digunakan talkdengan besar partikel 2,4 µ. Polipaduan ini dapat dicampur dengan additif, seperti stabiliser termal, stabiliser cahaya, antioksidan, garam logam-asam lemak, dll. Additif yang digunakan disesuaikan dengan kondisi aplikasinya. Pada penelitian ini additif yang ditambahkan antara lain antioksidan primer dan antioksidan sekunder, stabiliser cahaya dan modifier. PROSEDUR PENELITIAN Polipaduan polipropilena yang dibuat dalam penelitian ini didapat dengan mencampur (proses melt kneading) resin polipropilena, elastomer, pengisi anorganik dan additif dengan menggunakan peralatan mixing ekstruder single screw dengan kondisi operasi: 230oC. Semua bahan sebelumnya dicampur bersama-sama dengan porsi sesuai dengan yang tercantum pada Tabel 1 menggunakan dry mixer. Paduan ini kemudian diekstrusi dan setelah proses pendinginan dengan menggunakan water bath material yang dihasilkan dibuat pelet. Pelet yang dihasilkan kemudian dibuat spesimen tes dengan menggunakan mesin injection molding untuk kemudian dilakukan uji mekanik: MFI, gardner impact, tensile strength, elongation, hardness dan flexural. PEMBAHASAN Polipropilena yang terbentuk setelah proses polimerisasi dalam reaktor, berbentuk bubuk, merupakan material yang tidak tahan panas melebihi Tg nya yaitu 160°C. Proses lanjutannya yaitu peletisasi, di mana material diproses dalam ekstruder dengan temperatur sekitar 230°C. Pada kondisi ini akan terjadi degradasi polimer berupa pemutusan rantai polimer karena panas, yang akan berakibat pada turunnya distribusi berat molekul (MWD= molecular weight distribution) yang akan menurunkan sifat fisik dan mekanik polimer. Untuk itu material ini harus ditambahkan additif untuk stabilitas material selama proses. Additif juga diperlukan untuk memodifikasi atau meningkatkan performa polimer. Additif untuk
118
polimer dapat berupa antioksidan, stabiliser termal, stabiliser cahaya, dll, disesuaikan dengan kebutuhan proses, seperti injection molding, blown film, thermoforming, dll, dan kebutuhan aplikasi. Pada proses melting, untuk polipropilena temperatur proses mencapai 230°C, dapat menyebabkan putusnya rantai ikatan C dan H dari polimer dan menghasilkan radikal. Radikal polimer ini kemudian dapat bereaksi dengan oksigen membentuk radikal alkil peroksida. Radikal peroksida ini amat aktif dan akan bereaksi dengan polipropilena menghasilkan radikal polipropilena yang baru dan alkil peroksida. Radikal polipropilena akan bereaksi sesamanya membentuk jaringan yang lebih panjang atau dengan proses cross linking. Alkil peroksida sendiri merupakan senyawa yang tidak stabil yang akan membentuk dua radikal hasil pemutusan rantai ikatan O dan O, yaitu radikal RO• dan radikal HO•. Kedua radikal ini akan bereaksi lagi dengan polipropilena dan memulai proses yang telah diuraikan di atas. Oksidasi termal dari polipropilena ini dapat mengakibatkan perubahan struktur kimia menjadi aldehida, keton, asam karboksilat, ester dan lakton. Pemotongan rantai polimer ini dapat mengakibatkan perubahan fisik pada polimer seperti diskolorasi, berkurangnya gloss atau transparansi dan chalking dan surface crack. Di samping itu juga dapat mengakibatkan turunnya sifat mekanik seperti impact strength, elongation dan tensile strength. Untuk menghindari degradasi panas yang diakibatkan oleh proses ekstrusi ini, maka polimer perlu ditambahkan antioksidan. Antioksidan berbasis fenol akan bereaksi dengan radikal oksigen membentuk produk ROH yang tidak aktif dan air. Sedangkan antioksidan berbasis fosfit bereaksi dengan hidroperoksida membentuk produk tidak aktif ROH. Antioksidan lain seperti stabilizer digunakan untuk menjaga kekuatan polimer, fleksibilitas dan kekerasannya; dengan kata lain, menjaga susunan molekul asli polimer. Sedangkan modifier meningkatkan performa polimer, seperti slip agent, antiblock, processing aids, filler, dll. Penambahan filler, seperti SiO2, CaCO3, talc, atau TiO2 bertujuan untuk meningkatkan sifat fisik, atau mencampur matrik polimer dengan sesuatu yang lebih murah dibandingkan dengan polimer sendiri. Untuk menaikkan sifat fisik dan mekanik, dispersi talk dalam polipaduan harus merata dan homogen.
© Kimia ITS – HKI Jatim
Akta Kimindo Vol. 2 No. 2 Oktober 2007: 117-122
40
1400 1200
34 27.84
25
F l e x u r a l (M P a )
T e n s il e ( M P a )
30
24.9 21.78
20
20.49 18.04
15 10
120 100
1280 1150.2
1000
1054.35
800
898.05 777.53
600
683.73
400 200
5
H a r d n e s s (R -S c a le )
35
80 69.4
60
PP
1
2
6
5
46.86 37.7 25.8
20 0
PP
3
57.9
40
0
0
100
1
2
5
6
3
PP
1
2
Sampel
Sampel
5
6
3
Sampel
Gambar 1. Grafik Tensile Strength, Flexural dan Hardness Rockwell (R-Scale) Polipaduan Polipropilena untuk material otomotif 1 dalam (%) 80 15 5
sampel PP EBR Talc
2 dalam (%) 70 20 10
5 dalam (%) 60 25 15
14
12.02
10 9.77
10.28
10.77
6 4
250 200
50 0 5
6
3
107
100
0 2
159
150
2
1
317
305
300
12.49
Gardner (kg.cm )
E longation (% )
3 dalam (%) 51,1 38,60 10,30
350
12
8
6 dalam (%) 60 30 10
37
1
Sampel
2
6
5
3
Sampel
Gambar 2. Grafik Elongation (%) dan Gardner Impact (kg.cm) Sampel Polipaduan Polipropilen sampel PP EBR Talc
1 (%) 80 15 5
2 (%) 70 20 10
Pada formulasi polipaduan polipropilena, garam metal-asam lemak selain berfungsi untuk menetralisir katalis yang terkandung dalam komposisi resin polipropilena juga berfungsi sebagai dispersan filler yang dicampur dalam komposisi resin polipropilena. Garam yang digunakan dalam polipaduan ini adalah kalsium stearat. Selama proses pencampuran, kalsium stearat akan mengelilingi partikel talk sehingga membentuk agregat yang akan membuat partikel talk terdispersi dengan baik dan tidak membentuk gumpalan. Pada saat proses melting polimer, talk dan kalsium stearat tetap berbentuk padat. Karena bentuknya ini maka gugus stearat tidak akan masuk ke dalam partikel talk tetapi tetap berada di permukaan. Gugus minyak stearat yang berada di permukaan ini juga dapat menjadi
© Kimia ITS – HKI Jatim
5 (%) 60 25 15
6 (%) 60 30 10
3 (%) 51,1 38,60 10,30
compatibiliser antara matriks polimer, yaitu polipropilena, dengan partikel talk. Polipropilena adalah material polimer yang rigid dengan sifat tensile, flexural dan hardness yang baik. Penambahan elastomer pada polipaduan bertujuan untuk menaikkan fleksibilitas material. Tetapi naiknya fleksibilitas akan menurunkan rigiditas. Penambahan talk diharapkan dapat menahan rigiditas material dengan fleksibilitas yang baik. Dari hasil tes mekanik dapat dilihat bahwa, pengurangan pemakaian polipropilena dalam polipaduan mengakibatkan berkurangnya kekerasan polipaduan yang dihasilkan. Hal ini dapat dilihat dari grafik tensile, flexural dan hardness yang menunjukkan penurunan nilai seiring dengan berkurangnya kandungan polipropilena. Untuk memudahkan analisa, 119
Ismarini - Analisa Pengaruh Penambahan Filler Anorganik Dan Zat Tambahan Pada Polipaduan Polipropilena
susunan sampel dirubah sesuai dengan berkurangnya jumlah polipropilena yang dicampur ke dalam polipaduan. Tensile turun dari 34 MPa untuk campuran 80% polipropilena dalam polipaduan sampai 18.04 MPa untuk polipaduan dengan 51.1% polipropilena. Flexural juga turun dari 1280 MPa untuk sampel 1 dengan 80% polipropilena dan 683.73 untuk sampel 3 dengan 51.1% polipropilena. Hardness (dalam R.Scale) turun berbanding lurus dengan berkurangnya jumlah polipropilena dalam polipaduan, 100 untuk kandungan polipropilena 80%, 25.8 untuk kandungan polipropilena 70%, dan 25.8 untuk kandungan polipropilena 51.1%. Seperti telah disebutkan sebelumnya, bahwa rigiditas berbanding terbalik dengan fleksibilitas material, maka sifat tensile, flexural dan hardness berbanding terbalik dengan elongation dan impact. Ini dapat dilihat pada grafik elongation dan gardner impact. Elongation naik dari 9.8% ke 12.5%, naik hampir 30% untuk penambahan elastomer sekitar 20%. Gardner impact juga naik dari 37 kg.cm ke 317 kg.cm naik lebih dari 750% untuk penambahan elastomer yang sama. Tes gardner impact menunjukkan ketahanan material terhadap benturan, jadi penambahan elastomer dalam polipaduan menaikkan fleksibilitas material secara signifikan. Melt flow dari polipaduan ini diatur agar berada dalam skala 20-30 g/10 mnt, karena aplikasi material ini untuk proses injection
molding. Pada pembuatan sampel 1, 2 dan 3, amat diperhatikan pemakaian filler anorganik, dalam hal ini talk. Maksimal pemakaian talk yang biasa dilakukan adalah 10%. Dari ketiga sampel pertama ini, dapat dilihat pengaruh dari pemakaian elastomer yang dapat menaikkan impact sampai 317 kg.cm, tetapi sebagai akibat kenaikan impact ini terjadi penurunan hardness. Untuk menaikkan hardness maka dilakukan penambahan filler anorganik. Pada penambahan filler lebih dari 10%, pellet yang dihasilkan basah. Hal ini dimungkinkan karena pendinginan dilakukan dengan melewatkan material ke water bath sebelum masuk ke mesin peletasi. Untuk pembuatan tes spesimen melalui proses injection molding, pellet harus dikeringkan dalam oven. Tentu saja hal ini mengganggu tahapan proses. Bila dilihat pada material yang digunakan, polipropilena, elastomer dan talk adalah material yang bersifat hidrofobik. Jadi bisa dipastikan bahwa material yang dihasilkan bersifat hidrofobik, dan air yang masuk ke dalam material kemungkinan disebabkan oleh gaya kapiler dari saluran kapiler yang terbentuk dalam pellet. Penyebab terbentuknya saluran kapiler ini mungkin karena polipaduan yang dihasilkan kurang homogen, di mana dispersi talk dalam material kurang sempurna yang menyebabkan terjadinya rongga kapiler dalam material.
Gambar 3. Foto SEM sampel 1, 2 dan 3 dengan perbesaran 100x dan 200x
Gambar 4. Foto SEM sampel 6 dan 5
120
© Kimia ITS – HKI Jatim
Akta Kimindo Vol. 2 No. 2 Oktober 2007: 117-122
Hasil gambar SEM sampel 5 menunjukkan adanya rongga-rongga pada material polipaduan. Jadi air masuk ke dalam rongga kapiler ini menyebabkan pellet basah. Rongga kapiler ini dimungkinkan oleh kurang homogennya pencampuran talk ke dalam polipaduan. Untuk meningkatkan homogenitas dapat ditambahkan nucleating agent seperti natrium benzoate dan sodium benzoate. Untuk selanjutnya, sodium benzoate dapat digunakan menggantikan calcium stearat, yang merupakan acid scavenger, yang berfungsi selain sebagai acid acceptor juga sebagai nucleating agent. Perlu dicatat juga, dengan penambahan jumlah talc, perlu juga ditambahkan jumlah dispersant agar polipaduan lebih homogen. Sedangkan untuk menaikkan sifat hardness, tensile dan flexural, sebaiknya dilakukan dengan menambahkan komposisi polipropilena dalam polipaduan. KESIMPULAN Hasil analisa fisik dan mekanik dari polipaduan menunjukkan bahwa penambahan elastomer menaikkan impact dan elongation dan berimplikasi pada turunnya sifat tensile, flexural
© Kimia ITS – HKI Jatim
dan hardness. Dengan melt flow index berkisar 20-30 g/10 mnt, material ini dapat digunakan untuk membuat artikel, dengan bentuk variatif, dengan proses injection molding. Pencampuran yang kurang homogen dari penambahan filler anorganik lebih dari 10% dapat menghasilkan pembentukan rongga kapiler yang menyebabkan pellet basah akibat masuknya air karena gaya kapiler. Karena itu, untuk mengimbangi kenaikan impact, sehingga menahan hardness dan tensile, sebaiknya kandungan polipropilena dioptimalkan dalam polipaduan, sampai didapat material yang mempunyai keseimbangan yang baik antara rigiditas dan impact resistance DAFTAR PUSTAKA Ismariny, 2004, LAPORAN AKHIR, Pengembangan Material Polimer Komoditi Lokal Untuk Komponen Otomotif, P3TM-BPPT. Kawai, Koji, et al., 2003, US PATENT & TRADEMARK OFFICE, Automotive part made of polypropylene resin composition. Zweifel, Hans, 1939, Polymer Additives Handbook, 5th edition, Hanser Publishers.
121
