ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1996
ANALISA STRUKTUR POLIMER TERMOPLASTIK HDPE DAN LDPE PADA TEMPERA TUR TINGGr BambangSugeni, 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 DCsampai 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 xray 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 degreeof crystatinity is drop abruptly to 6.86 %. The sample LOPE has an initial crystalinity of 72.30 % and shows linear decreaseto 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.
PENDAHULUAN Kebutuhan bahan polimer oleh industri di Indonesia terns meningkat pada tahun-tahun mendatang seiring dengan laju pertumbuhanindustri manufaktur, konstruksi gedung dan perurnahan. Akhir-akhir ini polimer termoplastik sedang menjadi fokus penelitian akademikmaupunindustri. Polimer termoplastik mernpakan polimer yang mempunyaisifat lunak pada saat dipanaskan daD menjadi keras kemba.lihila didinginkan lagi. Sifat inilah yang memungkinkanbahan termoplastik dapat didaur ulang. Bahan yang digunakan padapenelitian ini adalah polimer termoplastikpolietilen. .HDPE dan LDPE mernpakansalah satu polimer termoplastik yang aplikasinya antara lain sebagai kontener, botol bahan kimia, perabot rumah tangga, isolator kabel listrik. KeistimewaanHDPE dan LDPE adalah ketahanan terhadap korosi, sifat isolasinya baik, tidak berasadan harganyamurah ( 0,55 0,63)US dollar/lb.(l) Bahan termoplastikHDPE dan LDPE pada saat proses pembentukan sering mendapatperlakuanpanasyang cukup tinggi, bahkan mencapai titik cair. Apakah ada pernbahanstruktur kristalit, koefisienekspansi sel satuan kristalin dan ukuran rata-rata kristalin pada temperaturtinggi. Oleh karena 1. Dipresentasikanpada SeminarIlmiah PPSM 1996 2. PusatPenelitianSainsMateri BAT AN
itu pada penelitian ini diamati perubahan strukur kristalinitas termoplastik HOPE dan LDPE pada temperaturantara 18 DCsampai dengan 140 DC. Metode yang digunakan adalahmetodedifraksi sinar-x yang dilengkapi tungku yang mampu memanaskan hingga temperatur1000DC. Pada tulisan ini juga diuraikan kemampuanalat difraktometer sinar-x yang dilengkapi dengan tungku pemanas untuk karakterisasiperubahansifat kristalit polimer HOPE dan LDPE dengan berbagai macam perlakuanpanas. Polietilen mempunyai stuktur molekul, yang merupakan pengulangandari struktur satuanberikut,
n Gambar-1.Struktur SatuanPolieti1en Titik cair: (100 -137) DC
Ada dua macampolietilen yang diteliti, yaitu: polietilen Tapat masa tinggi (HDPE) yang mempunyairapat masa antara 0,941 -0,965 g/cm3 dan Tapatmasa Tendah(LDPE) yang
235
bennasajenis 0,910 -0,926 g/cm3. Rantai cabanglllJPE sangatkecil hila dibandingkan LDPE (seperti terlihat pada gambar-2), sehingga kristalinitas dan kekuatan mekanik lllJPE lebih tinggi dari pada LDPE. Poplietilen homopolimermempunyaikekuatan tarik yang relatif rendah (HDPE antara 20 sid 38 MPa dan LDPE antara6,2 sid 17,2MPa). -t
'I
_I
RAsa DANPEMBAHASAN Data difraksi untuk HDPE dan LDPE disajikanpadaGambar3 dan 4.
-\-
(.) Garnbar-2.Struktur RantaiPolietilen(I): (a) HDPE, (b) LDPE. Polietilen tidak pernah dijumpai dalarn bentuk kristalin 100 %, akan tetapi sebagiandalarn bentuk kristalin dan sebagian lain dalarn bentuk amorf. Hal ini mengakibatkanpolietilen 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 tersebutsangatdominan dalarn merubahsifat polimer, terutama kristalinitasnya. Selain itu efek radiasi panas dapat menghasilkanikatan tak jenuh yang sudahada. Ikatan silang akan meningkatkan kekuatan mekanik, sedangkan degradasiakan menurunkankekuatanmekanik polietilen. Umumnya peristiwa tersebutterjadi bersarna-sama, perban-dingannya sangat dipengaruhioleh tem-peratur,kristalinitas daD oksigen. PERCOBAAN Untuk menjelaskan mekanisme perubahansifat 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. Pemanasandilakukan antara35 sid 150 °c dengansteppengambilan data10°C. 236
Garnbar3 : Pola Difraksi HDPE
Garnbar 4. Pola Difraksi LDPE
Setiap pola diperoleh dengan menaikkantemperaturdenganinterval 10°C. Pola difraksi menunjukkan adanya tiga hal yang karakteristik yaitu adanya dua puncak kristalin, yang merupakanrefleksi Bragg dari (110) dan (200), dan sebuah puncak amorphous yang sangat lebar. Derajad kristalinitas dihitung menggunakan metode perbandingan luas puncak, dengan menggunakanpersamaansebagaiberikut : DK= LpK(110),(200) ! LT
(1)
DK adalah derajad kristalinitas, LpK adalah luas puncak kristalin bidang 110 dan 200,
.(2)
sedangkanLr adalah luas total dari puncak (110), (200)dan luas amorfus. Pendekatanyang dilakukan dalam menghitungluas amort dan luas total adalah bentuk puncak amort diwakili oleh data difraksi pada temperatur 140 °C yang telah dikoreksi terhadapcacah 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 ,., ", ."...
DK=(I(26)- -C. 1(26)8nOd)/ 1(26)-
+++ : ,.n.n .,..."
untuk: 1(20) amorf= C. 1(20)amorfstJlndard .(3)
1
N~-
I(28)data C = N ~ I(28)amorfstandar
(4)
N : jumlah datapada selang28 150sid 17,50 I(28)data : intensitas data terkoreksi latar I(28)amorfstandard : intensitasdatapada temperatur140°c 10
Contoh pola difraksi yang telah diuraikan atas komponenkristalit dan amorf basil perhitungan dengan pendekatan perumusandiatas 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)
30
,,7 'ola0""" HO'£,.o.c
.d... , ~.., ---,..., ,~, ""..,1.
Sedangkangraftk untuk LDPE berturut-turut ditunjukkanpadaGambar8, 9 dan 10berikut: 3000 .
%
~
~ 2000
~
<
~ U)
¥;;
< tin z
UJ
~ 1000
~~
I-
~
1$ 10
20 SUDUT 28 (derajal)
30
..~...IP..O ,.'LDPE II'\:
.:d.., ,."...,
10
20 SUDUT 28 (derajat)
30
---, ...:,...,
.m." " ,
O.mb., S.Pola 0"""HOPE,," .:4.1a
ksJ.Ia,
."---".pontO...oII :'...po...',."An
237
2000
8
%
41
~ ~
+
0
~ '" ~
'b
~
1000
.;n + Itc
in z w
++
00
I-
~
8t.
20 SUDUT 29 (dere)et)
I.'
30
,,'LD'! ..'\:
'.. "]
.: d." """""".., --: rl +++ :k ,
..~
I .:;. .. - ,...-; ~: c I
..-; .~..~ ..-' .~ ., ..~
~ .~~
~~.
s .,
a
..-;
. "'
~~
.
~~
~
~
~
"-j
.1."".'.T
"
.
"-,-",,..,..,.t.
It,.
,..II.,..,..,..,..
,0..0_.(OC) ao.bo, 12D"'lo,KIIo"_' LDPE
G",."
to ,... 011'80"LOPE,08 C ..,.. to"""" ~m
.--;-.:!!: ~.. ...~~!~-
Padagambar II dan 12 berturot-turut ditunjukkan perubahan derajad kristalinitas HDPE dan LDPE. Dari grafik tersebutterlihat mula-mula pada temperatur kamar derajat kristaIinitas HDPE adalah 85,92 %, pada pemanasansampaidengan temperaturI 00 ~C derajat kristaIinitas turun dengan lambat dan mengalami penurunan dengan tajam saat dipanaskanantara 104°C sampai140°C. Pada temperatur104°c derajatkristalinitas 69,56 % dan pada 140 °c derajat kristaIinitasnya menjadi 6, 86 %. Hal ini terjadi karena pada temperaturdiatas 100°c, permukaanspesimen mulai terjadi pelelehan,yang berarti kristaIit polietilen berubah menjadi struktur tak beraturan(struktur amorf).
238
Untuk LDPE pada temperaturkamar derajad kristalinitas adalah 72,30 %, setelah dipanaskansampai 140 °C derajatkristalinitas turun menjadi 0,20%. Penunman derajat kristalinitas secara keseluruhan berlangsung proporsional,hampir linier. Penentuanposisipuncakbidang (110) dilakukan menggunakan perangkat lunak pengolahan data yang terpasang pada komputerXRD. Secaragaris besar penentuan posisipuncakdilakukan menggunakanmetode "Least Square" dari polinom pangkat dua terhadap puncak difraksi. Kemudian persamaanbasil pendekatanyang diperoleh, dideferensialkandan posisi puncak ditentukan pada suatu titik dimana terjadi perubahan tanda pada basil diferensial. Dari data posisi puncak ini diperoleh besarnya ~110) pada temperaturpengukuran.Grafik ~110)terbadap temperatur untuk HDPE dan LDPE ditunjukkanpadaGambar 13 dan 14, dan dari grafIk ini diproleh harga koefisien ekspansi termalpadaarab<110>.
'.11 00000000000000
j
,.., D."
.A.
,..,,
....
,., -i, "D ~ lA, -: OA'
D"
t,
'00'" ,to ,.. '" ".
'."""'I'Cj G'~""'J.,.k..Ia"Ido'a(1'O)HDPE
...
'AIi 'COI , .., 'D II
It
.
..",.,.",.,., .80
..'0
It It
.00 '"
". '8'
T'.,,".I'OI O,mb,' II.L.b.,P t Podo S'..Doh Mo""'.mlOPE
Dari grafik tersebut terlihat ukuran kristalit rata-rataHDPE tidak berubahsela-ma percobaan,tetapi untuk LDPE lebar puncak pada setengahmaksimum (FWHM) melebar dengankenaikantemperatur,ini menunjukkan pada temperatur tinggi ukuran kristalit mengecil.
".~..,'4.J on'".~n.("GILDP.
Barga koefisien ekspansi termal untuk HDPE setelahdipanaskanmenunjukkan kecenderungannaik dengan laju 2,4 x 10-4A /derajat, sedangkan pada LOPE saat dipanaskancenderungnaik dengan laju 2,8 x 10-4 A /derajat. Hasil pengolahan data terhadap puncak difraksi juga memberikan harga lebar puncak pada setengahmaksimum (FWHM), dimana harga besaran ini berbanding terbalik dengan ukuran kristalit rata-rata. Grafik ukuran kristalit rata-raia terhadaptemperaturuntuk HDPE dan LOPE berturut-turutterlihat pada Gambar 15 dan 16 berikut:
i'" !&
I ...
i... t
01
i~... t."
KESIMPULAN Derajatkristalinitas HDPE lebih besar dari LDPE pada rentangtemperaturantara 40 °C sampai dengan 110 °C, hal ini karena struktur rantai polimer HDPE cabangnya relatif lebih pendekdan sederhana,sehingga kecenderungan rantai-rantai utama untuk terorientasi secara teratur lebih besar. Pengaruh temperatur terhadap derajad kristalinitas HDPE sangatkecil, kristalinitas turun tajam pada saatmulai terjadi pelelehan. Sedangkanpada LDPE pengaruh temperatur tersebutcukupbesar. Laju kenaikan koefisien ekspansi termal LDPE lebih besardibandingkanHDPE, hal ini terjadi karenarantai cabangLDPE yang lebih panjang dan kompleks, LDPE lebih mudah bertambah panjang pada saat dipanaskanmengakibatkanjarak relatif antar rantai utamamelebar. Metode difraksi sinar-x dapat digunakanuntuk mengukurperubahanderajad kristalinitas, koefisien ekspansi termal dan ukuran rata-rata kristalit polimer pada suhu tinggi. Dengandiketahuinyainformasi struktur kristalit sebagai fungsi temperatur di atas dapat dilakukan optimasi pada proses pabrikasi. UCAPAN TERIMAKASm Padakesempatanini penulis ucapkan syukur alhamdulillah atas segala rahmatNya sehingga tulisan ini selesai dengan baik. Penulis sampaikanpula rasa terirna kasih yang
239
sebesar-besarnya kepadayang terhormatDr. 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, sehinggamakalahini dapatdiselesaikan. DAFTAR PUSTAKA 1. W.F. SMITH, "Principles of Materials Scienceand Engineering", 2ndEd.,pp 355357, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1990.
240
2.
F.W. BILLMEYER, JR., "Textbook of Polymer Science", 3rd Ed., pp 395398,472-473, John Wiley & Sons, NewYork, 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 Xray 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.
