ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1996
PENGARUH IRADIASI ULTRAVIOLET TERHADAP SIFAT MEKANIK TERMOPLASTIK POLIVINIL KLORIDA (pvcy
ABSTRAK PENGARUH IRADIASI ULTRAVIOLET TERIIADAP SIFAT MEKANIK TERMOPLASTIK POLIVINIL KLORmA (PVC). Material polimer tennoplastikpolivinil klorida (PVC) biasa digunakansebagaibahanstruktur, deng;mkondisi operasionalseringkali terkenalangsungcahayamatahari,dalamhal ini radiasi ultraviolet dan radiasipanas.Berdasarkankenyataan inilah penulis melakukanpenelitian ini Mula-mula spesimendifabrikasi menjadi bentuk spesimenuji tarik, kemudian diiradiasi denganlampu ultraviolet 100watt padajarak 150mm. Lamairadiasi masing-masingspesimenberturut-turut0,30,60,90, 180,300, 600, 1800, dan 3600 detik. Selanjutnyaspesimenditentukan kekuatanmekaniknya dengan metode uji tank. Hasil percobaan menunjukkan bahwa PVC bila diiradiasi dengan ultraviolet mula-mula teljadi peningkatan kekuatan tarik, mencapai harga maksimumseteiah diiradiasi selama 180 detik kekuatantariknya mencapai83,16 MPa. Harga ini 43 % lebih tinggi daripada kekuatantarik PVC yang tidak diiradiasi yangbesarnya58,05MPa. Hal ini teljadi karenapadasaatdiiradiasi denganwaktu iradiasi kurang dari 180 detik dominan teljadi ikatansilang (crosslinking). Setelahdiiradiasipada selangwaktu antara180 sampaidengan 3600detik kekuatantariknya mencapaihargasekitar72,% MPa.
ABSTRACT THE EFFECT OF ULTRAVIOLET ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF POLYVINYL cm.ORmE (PVC) THERMOPLASTIC POLYMER. Usually the polyvinyl chloride is usedfor structurematerials.The operationalconditjlonis direct exposureultraviolet and heat radiation of the sun. Basedon this reason,the researchhas beendone. At first, the specimenwas fabricatedbecomethe tensiletestingspecimen,then irradiatedusing 100 watt UV lamp at 150 mm distancebetweensamplesand UV source.The time of irradiation were0, 30, 60, 90, 180,300, 600, 1800,and 3600s. The mechanicalpropertieswasdetenninedusing tensile testingmethode.The resultsshow that, the tensilestrengthof irradiatedPVC was increase,the maximum tensile strengthwas 83.16 MPa after irradiated for 180 seconds(it was 43 % higher than PVC beforeirradiated).The tensile strengthwas de.;rease,after PVC irradiatedbetween180to 3600s, theminimum tensilestrengthPVC was72,92MPa after 3600s irradiated.
PENDAHULUAN Kebutuhan bahan polimer oleh industri di Indonesia terns meningkat pada tahun-tahun mendatang seiring dengan laju pertumbuhan industri manufaktur, konstruksi gedung clan perumahan. Akhir-akhir ini polimer termoplastik sedang menjadi fokus penelitian akadernik maupun industri. Polimer termoplastik merupakan polimer yang mempunyai sifat lunak pada saat dipanaskan clan menjadi keras kembali hila didinginkan mencapai temperatur kamar. Sifat inilah yang memungkinkan bahan termoplastik dapat didaur ulang. Polivinil klorida merupakan salah satu polimer termoplastik yang biasa digunakan sebagai material struktur yang kondisi operasionalnya seringkali langsung terkena radiasi cahaya matahari saat siang hari. Dalam hal ini terutama radiasi ultraviolet clan radiasi panas. Sehingga pada penelitian ini diamati pengaruh ultraviolet terhadap perubahan sifat mekanik termoplastik polivinilklorida (PVC). Bahan ini merupakan salah satu polimer termoplastik yang aplikasinya antara lain sebagai bemper, dushboard, reservoir air, clan grill mobil, pipa pada bangunan konstruksi, talang air hujan, bingkai (frame) jendela, interior pada kapal clan
kereta api serta isolator kabel listrik. Keistimewaan polivinilkhlorida adalah ketahanan terhadap pelarut kimia cukup tinggi clan dapat dicampur dengan aditif untuk men~~hasilkan senyawa yang mempunyai sifat mekanik, kimia clan fisika yang bervariasi. Polivinilkhlorida umumnya terdiri alas 1000 satuan monomer vinilkhlorida yang tersusun kepala-ekor ( head to tail ),. diantaranya yang merupakan pengulangan daTi struktur satuan berikut,
Garnbar-l.SttukturSatuanPolivinilkhlorida Titik cair: 204°C Menurut R.C. Stephenson (E~uropean Vinyl Corp.) daDP.V. Smallwood( ICI Chemical and PolymerLtd.) padakenyataannya PVC yang ada di pasaran mempunyai susunan stuktur molekul yang tidak beraturan,misalnya -CH1CHCI-CH1CI sebanyak0,8 -0,9 per molekul,
padaSeminarIlmiah PPSM1996 1. Dipresentasikan 2. PusatPenelitianSainsMateri BATAN Serpong 323
-CH2-CH=CH-CH2Cl sebanyak 0,7 per molekul. ikatan tak jenuh total 1 per molekul, cabang klorometil 4 per 1000 monomer daD inisiator sisa sebesarO.2/molekul. Atom khlor yang terdapat pada setiap struktur satuan menimbulkan momen dipol yang kuat. sehingga gaya kohesinya menjadi kuat. Selain itu atom khlor juga menimbulkan efek halangan ruang (steric hindrance) daD tolakan elektrostatik, hal ini akan mengurangi fleksibilitas rantai polimer PVC. PVC homopolimer mempunyai kekuatan yang relatif tinggi (51.7 sid 62.1 MPa), titik caimya 204 DC daD memiliki rapat massa 1.406 g/cm3(1). PVC komersial yang ada di pasaran tidak pernah dijumpai dalam bentuk kristalin 100 %, akan tetapi sebagian dalam bentuk kristalin dan sebagian lain dalam bentuk amort. Hal ini mengakibatkan PVC yang ada di pasaran memiliki jangkauan kekuatan mekanik yang bervariasi. Pada umumnya PVC komersial dalam proses
pengolahannya
ditambahkan
meningkatkan fleksibilitas polivinilkhlorida. Plasticizer yang digunakan untuk PVC antara lain tritolil fosfat, didonil phthalat, dan dioktil phthalat. Pengisi ditambahkan agar harganya menjadi murah. Filer yang digunakan adalah kalsium karbonat. Pewarna digunakan untuk memberi warna dan agar PVC menjadi lebih tahan terhadap cuaca. Lubrikan ditambahkan dimaksudkan untuk meningkatkan mampu alir (flow ability) PVC cair pada saat proses pembentukan dan untuk menghindari adhesi antara permukaan logam cetakan dengan polivinil khlorida. Biasanya digunakan malam (waxes) atau lemak ester. Polimer PVC relatif tidak stabil terhadap Cahaya ultraviolet. Bila polivinil khlorida disinari cahaya ultraviolet pada panjang gelombang (A = ,
maka dapat terjadi proses ikatan silang (cross link) daD
pemutusan rantai (fotodegradasi) polimer. Menurut Oster (1969), pada temteratur rendah polimer yang diiradiasi ultraviolet akan terdekomposisi
324
terbentuk
basil
antara
ini bersifat sangat reaktif untuk bereaksi dengan unsur yang ada disekitarnya, sehingga keberadaan radikal ini sulit untuk diamati secara langsung. Menurut teori Flory, radikal yang lepas akan bereaksi/ditransfer ke spesi lain, misalnya dengan gas hidrogen (H2) atau dengan media yang ada disekitarnya membentuk molekul baru, sedangkan radikal polimer akan bereaksi den,gan rantai polimer yang lain disekitarnya membentuk ikatan silang (cross linking) atau bereaksi dengan hidrogen pada proses degradasi. Kedua peristiwa reaksi tersebut sangat dominan dalan1 merubah sifat polimer. Selain itu efek cahaya ultraviolet dapat menghasilkan ikatan tak jenuh. Ikatan silang akan meningkatkan kekuatan mekanik, sedangkan degradasi akan menurunkan kekuatan mekanik polimer. Umumnya peristiwa tersebut terjadi bersama-sama, perbandingannya sangat dipengaruhi oleh temperatur, kristaillnitas daD oksigen (udara).
penstabil
panas, plasticizer, pengisi (filler), pewarna (pigmen) daD pelumas (lubrikan). Penambahan penstabil panas dimaksudkan agar terhindar dari proses degradasi selama proses pembentukan daD untuk memperpanjang masa pakai. Penstabil panas yang biasa ditambahkan pada PVC antara lain senyawa organometalik timbal, bariumkadmium, kalsium daD Zn. Plasticizer untuk
3600 /1.)2) pembentukan
radikal. Pembentukan radikal ini berlangsung dalam waktu yang singkat sekali, kar,ena radikal
polimer
PERCOBAAN Mula-mula PVC yang acta di pasaran difabrikasi menjadi bentuk sampel uji tarik dengan tebal 1,0 rnrn dan lebar 5,0 rnrn, seperti gambar berikut: ,
l-Oo1
r-:~~:~~~JJ~=~---, -{]-t:;~::/:::=T=:::~,=~~:j-
II
W=5,0 rnm, L = 15,0 rnm, G = 10,0 rnm R= 24,Omm, T= 1,Ornm Gambar-2. Spesimen Uji Tarik Kemudian spesimen diiradiasi dengan lampu ultraviolet. Iradiasi dilakukan di laboratorium Balai Teknofisika -Pusat Penelitian gains Materi, Serpong, menggunakan lampu ultraviolet 100 watt, dengan jarak antara sampel dengan lampu sepanjang 150 mm. Waktu penyinaran masing-masing 0, 30, 60, 90, 180, 300, 600, 1800, daD 3600 detik. Pemilihan rentang waktu tersebut dimaksudkan agar kecenderungan perubahan sifat mekanik dapat teramati dengan jelas. Kekuatan mekanik polivinilkhlorida dianalisis dengan metode uji tarik menggunakan alat uji tarik merk 'Shimadzu' milik PPTKR
denganrnenggunakanbeban 100 kgf (981 N), denganrnetodeini akan diketahuielastisitasdaD kekuatan tarik PVC. Selanjutnya penentuan derajad kristalinitas ditentukan dengan rnetode difraksi sinal-x, rnenggunakan difraktorneter sinal-x, rnerek SHIMADZU, rnilik PPSMBATAN. Perubahan panjang rantai polirner diarnati dengan GPC (Gas Permeation Chrornatography).Dan adanyaperubahangugus fungsi diteliti dengan rnetode spektroskopi infrarnerah.
BASIL DAN PEMBABASAN
karena efek ikatan silang yang terjadi mengakibatkan perubahan stroktur ranwli cabang polimer PVC. Selain itu PVC basil iradiasi menjadi lebih ulet hila dibandingkan dengan yang tidak diiradiasi ultraviolet .Seperti pada grafik uji tarik Gambar 3 regangan putus untuk PVC yang tidak diiradiasi sebesar 21 %. Setelah Idiiradiasi ultraviolet regangan putusnya naik (GaJlIlbar 4 11), mencapai regangan putus maksimul1rlsebesar 74,75 %. Keuletannya mengalarni kenaikan sebesar53,06 % hila dibanding dengan P'VC yang tidak diiradiasi, Tabel-i.
Dari Gambar 3 grafik uji tarik bahan polivinil klorida yang tidak diiradiasi dengan ultraviolet, tampak bahwa setelah mencapai kekuatan tarik maksimum kemudian turun perlahan tanpa diikuti mekanisme penguatan regangan(strainstrengthening).
Gambar5: Grafik Uji Tarik PVC 02 DiiradiasiUV 60 deti~: Gambar3: Grafik Uji Tarik PYC 0 TanpaIradiasiUltraviolet kgf
I..'
,
.;
m.. ~
Gambar4: Grafik Uji Tarik PVC 01 OiiradiasiUV 30 detik Tetapi setelah diiradiasi tampak pada Gambar 4 -11 terjadi mekanismepenguatan regangan (strain strengthening).Hal ini terjadi
325
58.. r A"""""~'""""""
I~~
'B..'
;,
; 28.~...
Gambar7: Grafik Uji Tarik PVC 05 DiiradiasiUV 180detik
Gambar10: Grafik Uji Tarik PVC 10 DiiradiasiUV 1800detik
Gambar8: Grafik Uji Tarik PVC 06 DiiradiasiUV 300 detik Gambar11 : Grafik uji tarik PVC 11 DiiradiasiUV 3600detik
326
Dari basil uji tarik sepertipadaTabel-l, polivinilkhlorida setelahdiiradiasidengancahaya ultraviolet 100 watt pada jarak 150 mm mulamula dominanterjadi ikatansilangyangmencapai optimum setelah diiradiasi selama 180 detik, kekuatan tariknya naik mencapai 83.16 MPa (bertambahbesarsekitar43 % dibandingkanPVC tanpadiiradiasi). Ikatan silang bertambahbanyak akan sernakinmemperbesarderajad polimerisasi
yang sekaligus memperbesar kekuaum tarik polivinilklorida Setelah diiradiasi dengan waktu antara 180 sampai dengan 3600 detik ,dominan terjadi degradasi. Hal ini akan meltlgurangi kekuatan mekanik polivinil klorida, daTi Gambar 12 tampak kekuatan mekaniknya turun mencapai harga 72,96 MPa.
Tabel-l. Data Ufi Tarik pvc SEBELUMISESUDAHDiiradiasi Ultraviolet. Waktu Iradiasi
°u
.Oy
e
UV(detik)
(MPa)
(MPa)
PVCO
0
47,78
58,05
26,54
PVCOI
30
49,64
60,41
12(),42
PVCO2
60
53,81
65,31
118,55
PVCO3
90
60,09
73,35
82,22
PVCO5
180
70,58
83,16
86,38
PVCO6
300
69,80
82,08
53,28
PVCO8
600
66,46
79,63
58,89
PVCIO
1800
62,24
74,92
70,18
PVCll
3600
65,24
72,96
71,85
KESIMPULAN Dari dataclanbasil pembahasan tersebut diatasp~da penelitian ini dapat ditarik beberapa kesimpulanpentingdiantaranyaadala..lt: Pada proses iradiasi polivinilklorida dengan ultraviolet 100 watt pada jarak antara lampu dengan spesimen sepanjang 150 mm, mula-mula terjadi kenaikankekuatantarik (bila diiradiasi sampai dengan 180 detik) dari 58,05 menjadi83,16 MPa (terjadi kenaikansebesar43 %). Kenaikan kekuatantarik ini terjadi sebagai akibat dominannyapembentukkanikatan silang rantai polimer polivinilklorida daripada proses degradasi.Bila semulasebelumdiiradiasi dengan ultraviolet rantai utama polivinilklorida pendek clantidak banyak cabang,makasetelahdiiradiasi rantai polimer PVC berubah menjadi lebih panjang clan rantai cabangnya menjadi bebih banyakclanlebihpanjang. Data reganganputus juga mendukung datakekuatantarik. Hal ini tampak daTidata uji tarik pada tabel-l, dimana reganganputus PVC setelah diiradiasi menjadi lebih besar daripada
(11'0)
sebelumdiiradiasiultraviolet. Besarnyakenaikan reganganputussetelahdiiradiasi 180 detikmencapai53,06% bila dibandingkanPVC tanpadiiradiasiultraviolet. Selanjutnyabila PVC terns diiradiasi ultraviolet denganselang waktu iradiasi antara 180 sampaidengan3600 detik dominan terjadi degradasi daripada ikatan silangnya. Hal ini tampak dari data kekuatan tariknya yang berangsur-angsur turundari 83,16 MPa pBldasaat diiradiasi UV selama 180 detik menjadil72,96 MPa setelahdiiradiasi3600detik UCAPAN TERIMA KASIH Pacta kesempatan kali ini penulis bersyukur kepada Allah S.W.t atas karuniaNya, sehingga tulisan ini dapat diselesaikan dengan baik dan lancar. Selain itu tak lupa penulis sampaikan rasa hormat dan terima kasih yang sebesar-besarnyakepada Prof. Jr. Tata Surdia, Dr. Wuryanto dan Dr. if. Mardjono Siswosluwarno alas kesabaran dalam membimbing, disklJsi daD saran selama penulisan tugas akhir ini. lLJcapan
327
terima kasih juga penulis sampaikankepada ternan-ternanyang telah banyak membantuatas terselesaikannya makalahini, baik berupadiskusi, saran, pengambilan data eksperimental, clan bantuan lainnya, diantaranya kepada yang terhormat: Bpk. Drs. Agung Wahyu Kencono MSc, Agus Sunardi, Drs.Bambang Heru Pranowo, Dr. Djoko Surono, Eko Yudo, Drs. Histon clanImam Wahyono.
DAFTARPUSTAKA. 1. W.F. SMITH, "Principles of Materials Science and Engineering", 2ndEd.,pp 355357, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1990.
328
2. F.W. BILLMEYER, JR., "Textbook of Polymer Science",3rdEd., pp 395-398,472473, JohnWiley & Sons,Ne:wYork,1984. 3. G.E. DIETER, "MechanicalMetallurgy", 3rd Ed., pp 7-9, McGraw-Hill Book Company, New York, 1986. 4. C.A. DANIELS, E. COLLINS, "Polym. Eng. Sci. ", 19(8),585,1979. 5. L.A UTRACKI, "J. Vinyl Tech.", 7(4), 150,1985. 6. T. HJERTBERG,E.M. SORVIK, " ACS. Symposium Series", vol.280, Stabilization,1985.
Polymer
