Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 02 (2011) 103 – 108© Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran

PEMBUATAN BAHAN PROTEKSI KOROSI PIPA BAJA KARBON MENGGUNAKAN POLIMER HIBRID ORGANIK-ANORGANIK

TUTI SUSILAWATI‡, FITRILAWATI, HUSNA AMALYA MELATI

Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas PadjadjaranJl. Raya Bandung-Sumedang KM 21 Jatinangor 45363

Abstrak. Polimer hibrid mengandung komponen organik dan anorganik sehingga diharapkan memiliki kombinasi keunggulan dari kedua komponen tersebut dalam suatu bahan. Bahan ini mempunyai banyak potensi aplikasi, diantaranya sebagai bahan coating untuk proteksi korosi. Prekursor polimer hibrid organik- anorganik dibuat dari monomer 3-(trimethoxysilylpropyl methacrylate) (TMSPMA) dengan menggunakan metoda sol-gel. Film tipis precursor polimer hibrid pada substrat dibuat dengan teknik spin coating. Untuk mendapatkan polimer hibrid, film precursor tersebut selanjutnya dikenakan proses fotopolimerisasi dengan menggunakan sinar UV. Karakterisasi polimer hibrid dilakukan dengan menggunakan spektroskopi FT-IR, uji kekerasan menggunakan skala Mohs dan pengukuran sifat termal. Penggunaan bahan untuk proteksi korosi dilakukan dengan pelapisan polimer hibrid pada permukaan baja karbon. Sampel yang dibuat selanjutnya direndam dengan larutan 3.5 M NaCl dalam kondisi kritis. Hasilnya diuji secara kualitatif dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Hasil pengukuran spektroskopi FT-IR menunjukkan telah terbentuknya rantai utama anorganik (−O−Si−O−) dan ikat silang organik, yang mengindikasikan berhasilnya pembuatan polimer hibrid. Polimer yang dibuat memiliki kekerasan pada skala 2 yang setara gypsum. Hasil pengukuran sifat termal menunjukkan bahan yang dibuat stabil sampai dengan suhu 250°C. Hasil pengukuran SEM menunjukkan pelapisan baja dengan bahan polimer hibrid yang dibuat telah menunjukkan sifat proteksi dari bahan tersebut.

Kata kunci : Polimer hibrid, monomer, reaksi sol-gel, coating

Abstract. Hybrid polymer consist of organic and inorganic components in one molecule so it is expected having combination of advantages of both components. This material exibit several potential applications, such as a coating material for corrosion protection. Inorganic-organic hybrid polymer precursor was prepared using monomer of 3-(trimethoxysilylpropyl methacrylate) (TMSPMA) using sol-gel method. Thin films of hybrid polymer precursor on substrates were prepared by spin coating technique. Thin film precursor then subjected photopolymerization using UV exposure. Hybrid polymer characterizations performed using FT-IR spectroscopy, Mohs scale hardness test, and thermal properties. In order to perform corrosion protection test, the surface of carbon steel was coated with hybrid polymer. The samples then exposed to 3.5 M NaCl solution in critical condition. The results were examined using a Scanning Electron Microscope (SEM). The FT-IR spectra confirmed inorganic chain (−O−Si−O−) and organic crosslink which indicates a formation of the polymer hybrid. The synthesized polymers has hardness scale of 2 which is equivalent to gypsum. The thermal characterization result show that the synthesized materials are stable up to 250°C. The SEM image showed the hybrid polymer can be used to protect steel from corrosion.

Keywords : Hybrid polymers, monomer, sol-gel reaction, coating

1. Pendahuluan

Polimer hibrid merupakan gabungan (komposit) dari dua bahan dalam skala molekul, dan biasanya gabungan tersebut terdiri dari bahan anorganik dan bahan organik [1,2]. Polimer organik memiliki beberapa keunggulan seperti kemudahan pembuatan, kemudahan pemrosesan, fleksibilitas dan sifat fungsional [3]. Di lain pihak, polimer anorganik memiliki kestabilan dalam suhu tinggi,transparan dan kestabilan mekanik yang tinggi [1,2]. Apabila bahan polimer organik dan

‡ email : t. s u si l a w a ti @ ph y s . u n p a d . ac . i d

103

1041041

Tuti Susilawati dkk

anorganik tersebut digabungkan, maka diharapkan akan dihasilkan bahan yang memiliki gabungan keunggulan dari kedua bahan tersebut.

Penelitian tentang polimer hibrid sebagai bahan proteksi korosi sudah dimulai oleh Cao et.aldengan menggunakan kopolimer TEOS (tetraethylorthosilicate) dan MPS (3-methacryloxypropyltrimethoxysilanane) untuk proteksi baja [4]. Hasil yang dilaporkanmenunjukkan bahan yang d buat memiliki adhesi yang baik pada permukaan baja dan memiliki proteksi korosi yang baik. selain itu, telah dilaporkan juga penggunaan polimer hibrid TEOS dan PDMS (plydimethylsiloxane) untuk proteksi baja dan Zn-Fe [5]. Polimer hibrid juga dipakai untuk coating dalam industry otomotif [6]. Hasil-hasil yang didapatkan banyak terfokus pada kajian awal hubungan struktur-sifat dalam proteksi korosi. Penelitian dalam bidang ini masih dianggap berada dalam tahap awal, walaupun sudah ada aplikasi yang dikomersilkan [6]. Aspek komersil daripenelitian ini membuat penelitian dalam bidang ini banyak mendapatkan perhatian.

Coating metal dengan polimer hibrid dipandang mempunyai keunggulan karena bahan ini memiliki kombinasi dari beberapa fungsi yang tidak dimiliki oleh bahan organik atau bahan anorganik. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji potensi polimer hibrid sebagai bahan proteksi korosi.

2. Eksperimen

Prekursor polimer hibrid disintesis dengan proses sol-gel. Struktur dari monomer TMSPMAdiperlihatkan pada Gambar 1. Monomer tersebut memiliki tiga gugus fungsional −OCH3 yangterikat pada atom Si. Struktur tersebut memungkinkan monomer berpropagasi ke tiga arahmembentuk struktur ikat silang. Molekul ini memiliki berat molekul 248,35 gram/mol, indeks bias

°1,431, densitas 1,045 g/ml dan titik didih 190 C.

Gambar 1. Struktur TMSPMA (Sigma-Aldrich,2010).

Dalam proses sintesisnya, monomer TMSPMA dilarutkan ke dalam pelarut etanol, air. Lalu kedalam larutan tersebut dimasukkan katalis asam klorida. Sintesis dilakukan menggunakan hasil optimasi skala laboratorium yaitu dengan perbandingan antara monomer, etanol,dan akuades 1 : 4 :8 [7]. Hasil selanjutnya dipurifikasi untuk menghilangkan sisa monomer, akuades dan katalis yang tidak bereaksi dengan menambahkan kloroform dan akuades. Setelah diaduk dengan magnetic stirrer, kemudian didiamkan hingga terbentuk dua lapisan dimana lapisan akuades dibuang dan lapisan monomer dalam kloroform diambil. Hal ini dilakukan berulang kali hingga pH larutan mencapai 7. Lapisan akuades dipisahkan dan larutan monomer diaduk kembali untuk menghilangkan pelarut kloroform. Larutan gel bening ini disebut prekursor polimer hibrid. Untuk mendapatkan polimer hibrid dalam jumlah besar dilakukan dengan memvariasikan jumlah monomer.

Prekursor polimer hibrid selanjutnya diencerkan dan ditambahkan inisiator. Konsentrasi inisiator dalam prekursor adalah 1% berat. Penambahan inisiator ini dimaksudkan untuk inisiasi polimerisasi bagian organik. Deposisi dilakukan dengan teknik spin coating yaitu dengan meneteskan larutan precursor diatas substrat kemudian diputar dengan kecepatan 250 rpm selama20 detik.

Proses polimerisasi precursor polimer hibrid diawali dengan tahapan pre-bake yaitu memanaskan film tipis prekursor yang mengandung inisiator di atas hot-plate. Proses fotopolimerisasi dilakukan dengan menyinari sampel yang sudah dikenakan proses pre-bake dengan lampu UV sambil dialiri dengan gas nitrogen. Selanjutnya sampel tersebut dikenakan proses post-bake.

Pelapisan prekursor polimer hibrid juga dilakukan pada permukaan baja karbon. Proses pembuatan lapisan tipis pada permukaan baja karbon sama dengan proses penyiapan lapisan tipis pada permukaan substrat yang lain. Pada permukaan baja karbon , deposisi dilakukan dengan teknik solution casting.

Untuk mengetahui morfologi permukaan baja karbon sebelum dan sesudah diberi perlakuan uji korosi, baik baja karbon yang tidak dilapisi polimer hibrid maupun baja karbon yang dilapisi polimer hibrid dilakukan analisis permukaan baja karbon menggunakan piranti Scanning Electron Microscope (SEM).

3. Hasil dan Pembahasan

Jumlah prekursor polimer hibrid yang didapat dinyatakan dalam yield, yaitu perbandingan antara massa prekursor polimer hibrid yang dihasilkan dan massa monomer TMSPMA memberikan yield sebesar 84 % yang berarti sekitar 84 % monomer TMSPMA bereaksi membentuk polimer. Prekursor yang dihasikan berbentuk gel bening yang kental.

Gambar 2. Spektrum FT-IR polimer hibrid dari TMSPMA sebelum fotopolimerisasi (garis solid) dan setelah fotopolimerisasi (garis putus)

Prekursor polimer hibrid dan polimer hibrid yang telah difotopolimerisasi telah diukur strukturnya dengan menggunakan spektroskopi FT-IR dan hasilnya diperlihatkan pada Gambar 2. Dalam

gambar tersebut, spektrum solid merupakan spektrum dari precursor polimer hibrid dan spektrum polimer hibrid. Pola kedua spektrum tersebut tampak sama. Kecuali ada perubahan intensitas pada beberapa puncak.

Pada struktur prekursor, ikatan Si-O-Si asimetrik munsul pada 1199,72 cm-1

yang berasal dari rantai anorganik prekursor polimer hibrid. Ikatan Si-O-Si yang muncul menunjukkan proses sol-

bel yang dilakukan berhasil mempuat ikatan utama anorganik . Puncak pada 3471,87 cm-1

dan2954,95 cm

-1 serta 2893,22 cm

-1 berkaitan dengan ikatan OH dan CH. Munculnya vibrasi OH

yang berasal dari ikatan Si-OH menunjukkan tidak semua ikatan anorganik Si-OH membentuk ikatan Si-O-Si pada reaksi sol gel. Ikatan CH mungkin berkaitan dengan gugus monomer yang tidak bereaksi atau gugus metal yang tidak mengalami reaksi hidrolisis. Hal ini dapat mempengaruhi karakteristik sifat fisik dari polimer hibrid yang dibuat. Pada spectrum FTIRsebelum fotopolimerisasi, gugus C=C muncul tajam pada 1635,64 cm-1 menunjukkan bahwabagian organik belum optimal terpolimerisasi. Identifikasi lengkap dari pola spektrum tersebut diperlihatkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Identifikasi spektrum FTIR polimer hibrid dari TMSPMA

Sebelum fotopolimerisasi Setelah Fotopolimeerisasi

Bilangan

Gelombang (cm-1)

Identifikasi Gugus Bilangan

Gelombang (cm-1)

Identifikasi Gugus

3471,87 O-H 3462,22 O-H

2954,95 C-H 2953,02 C-H

2893,22 C-H 2893,22 C-H

1718,58 C=O 1714,72 C=O

1635,64 C=C 1635,64 C=C

1300,02 Si-O-CH3 1302,02 Si-O-CH3

1199,72 Si-O-Si 1201,65 Si-O-Si

Untuk melihat sifat mekaniknya yaitu ketahanan gores, polimer hibrid yang telah dibuat di atas substrat kaca dan diuji dengan Mohs test. Hasil pengujian yang diperoleh memberikan skala ke-2 (gypsum). Hal ini berarti pada pengujian ketahanan gores dengan mineral skala Mohs, polimer hibrid ini tahan gores sampai pada mineral gypsum dan mulai tergores pada mineral skala ke-3 yaitu calcite. Hasil ini menunjukkan film polimer hibrid yang dihasilkan memiliki ketahan gores yang masih rendah.

Pengujian terhadap sifat termal polimer hibrid menggunakan TG-DTA memberikan hasil yang

dapat dilihat pada Gambar 3. Dari kurva tersebut tampak bahwa pemanasan pada suhu 155,750C

polimer hibrid mulai tampak kehilangan berat. Peningkatan suhu sampai dengan 3000C

menyebabkan bahan kehilangan berat sebesar 3%. Tampak bahwa pemanasan sampai dengansuhu 350,61

0C menyebabkan massa berkurang sebesar 14,57 %. Stabilitas termal ini relatif lebih

baik dibandingkan dengan polimer biasa yang mana sampai dengan suhu 3000C sudah mengalami

dekomposisi.

Hasil pengukuran SEM dari sampel baja karbon dengan dan tanpa lapisan polimer hibrid diperlihatkan pada Gambar 4. Pada bagian kiri atas adalah morfologi permukaan baja karbon tanpa dilapisi polimer hibrid (kiri atas). Setelah dieksope dalam larutan NaCl pada kondisi kritis maka pada permukaan baja karbon terlihat tumbuhnya lapisan korosi (kanan atas). Untuk baja karbon yang diberi lapisan polimer hibrid (kiri bawah), sampel terlihat tidak mengalami korosi setelah

dieksope dalam larutan NaCl pada kondisi kritis (kanan bawah). Hasil tersebut menunjukkan permukaan baja karbon yang dilapisi polimer hibrid, tidak menunjukkan indikasi terbentuknya korosi yang signifikan. Kenyataan ini menunjukkan polimer hibrid efektif mengendalikaan korosi baja karbon, khususnya dalam larutan yang mengandung 3,5 % NaCl. Hal ini sesuai dengan data laju korosi yang sangat rendah pada baja karbon yang dilapisi polimer hibrid dibandingkan baja karbon yang tidak dilapisi polimer hibrid pada kondisi kritis.

Gambar 3. Kurva TGA dari polimer hibrid berbasis monomer TMSPMA

Gambar 4. Profil sampel baja karbon tanpa dilapisi polimer hibrid (kiri atas), dengan lapisan polimer hibrid (kiri bawah)

4. Kesimpulan

Polimer hibrid yang telah dibuat menunjukkan karakteristik gugus organik dan anorganik yang telah terpolimerisaasi seperti ditunjukkan oleh spektrum FT-IR , tetapi tidak semua gugus terpolimerisasi. Hal ini yang menyebabkan karakteristik sifat mekanik (ketahanan gores) dari polimer hibrid berdasarkan skala Mohs masih menunjukkan sifat mekanik yang rendah, yaitu tergores pada skala 3 (Calcite). Pengujian dengan TG-DTA menunjukkan massa polimer hanya

berkurang sekitar 3 % jika suhu dinaikkan sampai dengan 3000C. Baja karbon yang dilapisi polimer hibrid menunjukkan ketahanan korosi relatif baik sehingga dapat digunakan sebagai bahan coating seperti yang diperlihatkan profil SEM.

Ucapan Terima Kasih

Penelitian ini dibiayai oleh Dana DIKTI Tahun anggaran 2011, No.006/SP2H/PL/Dit. Litabmas/IV/2011 tanggal 14 April 2011.

Daftar Pustaka

1. G. Kickelbick Hybrid Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Germany, (2007).2. K-H Haas, ”Hybrid Inorganic-Organic Polymers Based on Organically Modified Si-

Alkoxides”, Advanced Engineering Material 2 (2000), 571-5823. J.M.G. Cowie, Polymers : Chemistry and Physics of Modern Materials, Chapman & Hall,

United Kingdom, (1991).4. T.P Cou, C. Chandrasekaran, S.J. Limmer, S. Seraji, Y. Wu, M.J. Forbess, C.Nguyen, G.Z.

Cao, ”Organic-inorganic hybrid coatings for corrosion protection”, Journal of Non-CrystallineSolids 290 (2001), 153-162.

5. M.E.P.Souza, E.Ariza, M.Ballester, I.V.P.Yoshida, L.A. Rocha, C.M.A.Freire, “Characterization of organic-inorganic hybrid coatings for corrosion protection of galvanized steel and electroplated ZnFe steel”, Material Research 9 (2006), 59-64.

6. G. ScHottner, “Hybrid Sol−Gel-Derived Polymers:  Applications of

MultifunctionalMaterials”, Chem. Matter. 13 (2001), 3422-3435.

7. P. Pitriana, F. Fitrilawati, Pardi Sampe Tola, R. Miranti, R. Hidayat, “Preparation of HybridOrganic-Inorganic Polymers doped with Luminescent Molecules and Their Characterizations”, Proceeding of The 2

nd International Conference on Mathematics and Natural Sciences,

Bandung, (2008).