Efek temperatur

26
LOGO Fenomena Kristalisasi, Leburan dan Transisi Gelas dalam Polimer

Transcript of Efek temperatur

Page 1: Efek temperatur

LOGO

Fenomena Kristalisasi, Leburan dan Transisi Gelas dalam Polimer

Page 2: Efek temperatur

Pengaruh temperatur kondisi rantai polimer

Page 3: Efek temperatur

Fenomena terkait pemrosesan polimer: Kristalisasi Fenomena keteraturan yang diperoleh saat proses pendinginan untuk memperoleh fasa padat yang teratur (kristalin) dari leburan cair yang mempunyai struktur acak Leburan Proses kebalikan dari kristalisasi Diperoleh saat pemanasan Transisi gelas Fenomena ketika polimer dalam bentuk leburan didinginkan tiba-tiba sehingga membentuk padatan kaku yang tidak teratur

Page 4: Efek temperatur

Pada T << semua polimer berupa padatan kaku dan kerasPada T >> rantai polimer bergerak bebas membentuk keadaan cair yang kental (aliran viskous)

Cara polimer berubah dari padat ke cair:

Melewati titik gelas menuju titik lebur (gelas dan semikristal) Langsung menuju titik lebur tidak ada transisi gelas teramati (polimer kristal)

Page 5: Efek temperatur

terkait dengan transformasi bahan padat dari susunan rantai molekul yang teratur menjadi cairan viskous dengan tingkat keacakan struktural tinggi

Leburan

Titik lebur: daerah pada mana polimer menjadi leburan

Temperatur lebur, Tm: titik tengah temperatur pada mana polimer menjadi leburan

Titik lebur polimer pada umumnya rendah

Page 6: Efek temperatur

Cara umum penentuan temperatur lebur, Tm, adalah berdasarkan bahwa perubahan energi bebas Gibbs, G, per satuan massa leburan = 0 maka berdasarkan hubungan:

diperoleh:

Jadi polimer dengan entalpi tinggi dan entropi rendah mempunyai Tm yang lebih tinggi

Contoh: polietilen yang tidak mempunyai interaksi spesifik antar molekul sehingga memiliki entalpi rendah tetapi bersifat fleksibel akibat ikatan tunggal dalam tulang punggung rantai (entropi tinggi), mempunyai Tm = 418 K

Page 7: Efek temperatur

Bahan Tm (o C)

Logam 200 - 3500

Keramik 2000 – 4000

Polimer 70 – 200

(Sperling, 2006)

(Kakani, 2004)

Page 8: Efek temperatur

terkait dengan perubahan drastis dari keadaan berupa cairan berupa karet padat-kaku akibat reduksi gerakan segmen-segmen rantai oleh penurunan temperatur tiba-tiba

Transisi Gelas

Titik gelas: daerah pada mana polimer berada dalam keadaan transisi gelas

Temperatur gelas, Tg: titik tengah temperatur pada mana polimer berada dalam transisi gelas

Page 9: Efek temperatur

Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai Tm dan Tg polimer: Bentuk ikatan bobot molekul derajat percabangan rantai jenis gugus samping pembentuk polimer taktisitas

Page 10: Efek temperatur

Kristalisasi PolimerDerajat kristalinitas, c, polimer bergantung pada: laju pendinginan jenis monomer jenis arsitektur rantai struktur stereoregular rantai arsitektur monomer dalam kopolimer

Cara penentuan derajat kristalinitas polimer:

s= kerapatan satuan perulangana= kerapatan total bagian amorfc= kerapatan total bagian kristal

Page 11: Efek temperatur

Contoh:

1. Tentukan kerapatan total polietilen dalam sel satuan

ortorombik dengan panjang rusuk masing-masing 0,494

nm, 0,741 nm dan 0,255 nm yang mengandung 2

monomer etilen tiap sel satuan!

2. Tentukan derajat kristalinitas polietilen yang memiliki

kerapatan 0,925 g/cm3 dengan kerapatan total bagian

amorf 0,870 g/cm3!

Page 12: Efek temperatur

model fringed micelle 2-D

Model – model Kristalisasi dalam Polimer

Dibentuk oleh Hengstenberg dan Mark (1928)

Bagian tidak teratur memisahkan bagian kristalit

Bagian amorf jika bersifat gelas akan menghasilkan kondisi plastis yang kaku

Ketika berada di atas titik gelas, Tg, bagian amorf menjadi lebih elastis (rubbery) dan tergandeng bersama oleh bagian kristal yang keras menjelaskan kondisi leathery pada plastik

Page 13: Efek temperatur

Model Rantai Lipat/Lembaran (Folded-Chain/Lamellar Model)

Dibentuk oleh Storks (1938)

Dalam kesetimbangan termal:konformasi/pengaturan molekul untuk membentuk kristal dan cara molekul-molekul tersebut membentuk tumpukan haruslah terkait dengan minimum dari Energi bebas Gibbs, G.

Hubungan antara ketebalan,l, lapisan dan parameter-parametertermodinamik diberikan oleh persamaan Thompson–Gibbs :

Page 14: Efek temperatur

dengan adalah energi bebas permukaan per satuan luas,h adalah pertambahan entalpi per satuan massa leburan dan

Adalah temperatur lebur pada kesetimbangan

Ketika temperatur suatu leburan diturunkan dibawah Tm leburan tersebut maka terjadi kristalisasi yang bergantung pada derajat supercooling:

dengan Tc adalah temperatur pada mana kristalisasi terjadi dan T adalah beda temperatur lebur antara dua lapisan polimer yang memiliki tebal berbeda

Page 15: Efek temperatur

Contoh:Suatu sampel polietilen yang mengandung lembaran rantai dengan ketebalan 30 nm dan 15 nm, melebur pada T1 = 131,2o C dan T2 = 121,2o C . Jika energi bebas permukaan polimer 93 mJ/m2 dan kerapatan kristal 1 x 103 kg/m3 sehingga menimbulkan peningkatan entalpi per satuan massa sebesar 2,55 x 105 J/kg, tentukan temperatur lebur kesetimbangan!

Page 16: Efek temperatur

model rantai lurus (extended-chain)

Mengandung rantai-rantai lurus dengan panjang sekitar 200 nm

Bersifat sangat getas (brittle) karena meskipun mempunyai derajat kristalinitas tinggi, polimer jenis rantai lurus mempunyai sela di antara bagian kristal

Page 17: Efek temperatur

model spherulites

Terdiri atas agregat/butiran tumpukan lapisan kristal

Hubungan antara jejari sperulit, R, dan sudut yang terkait maksima dari intensitas hamburan hasil pengukuran menggunakan metode hamburan cahaya:

Page 18: Efek temperatur

Struktur ortorombik polietilen

Page 19: Efek temperatur

a) bundel; b) meander (berkelok-kelok) dan c) gulungan acak (random coil)

Model-model amorf

Page 20: Efek temperatur

Efek Temperatur terhadap Modulus Young

Efek Temperatur terhadap Modulus Young, E, polietilen kerapatan rendah (low-density polyethylene, LDPE)

ELDPE meningkat tajam seiring penurunan T

Page 21: Efek temperatur

Viskoelastisitas

Akibat temperatur:- Pada T rendah: polimer bersifat elastis memenuhi hukum Hooke- pada T tinggi: polimer menjadi kental (viscous)- pada T medium: polimer bersifat antara elastis dan kental

kondisi viskoelastis Beda keadaan elastis dan viscous:- deformasi elastis bersifat sesaat- deformasi viscous bersifat tidak instan respon terhadap tegangan bersifat gayut waktu

Sifat viskoelastisitas polimer bergantung pada T dan t

Page 22: Efek temperatur

Daerah-daerah transisi dalam kondisi viskoelastis:

1. Daerah gelas2. daerah menyerupai kulit3. daerah menyerupai

karet4. daerah menyerupai

aliran karet5. daerah aliran kental

(1)

(2)

(3)

(4)(5)

Page 23: Efek temperatur

1. Daerah gelas: wilayah pada mana cairan tidak mengkristal selama

proses pendinginan

2. daerah menyerupai kulit: wilayah antara karet dan gelas yang

terkait dengan perubahan drastis dari keadaan cair keadaan

menyerupai karet keadaan padat/kaku (daerah transisi gelas)

3. daerah menyerupai karet: bagian elastis

4. daerah menyerupai aliran karet: elastis+kental

5. daerah aliran kental/cair Er(t) menurun drastis

deformasi terhadap polimer kental biasa dinyatakan dalam bentuk

parameter viskositas: ukuran ketahanan untuk mengalir terhadap

regangan

Page 24: Efek temperatur

Parameter-parameter penentu viskoelastisitas polimer:

1. Modulus relaksasi, Er(t)2. Pemuluran viskoelastis (viscoelastic creep), Ec(t)

Modulus relaksasi, Er(t)

Cara pengukuran: bahan diregangkan selama waktu tertentu, (t), dengan temperatur dijaga konstan:

; o = tingkat regangan yang dijaga konstan

Secara umum: T >> Er(t) <<< hingga faktor 103 kali

Page 25: Efek temperatur

Pemuluran viskoelastis (viscoelastic creep), Ec(t)

Deformasi gayut waktu yang diperoleh ketika tegangan

dijaga konstan

Cara pengukuran: memberikan tegangan konstan dan

regangan diukur sebagai fungsi waktu:

; o = tegangan konstan (t) = regangan yang gayut waktu

Page 26: Efek temperatur

Dengan nilai regangan bersumber dari hasil deformasi elastis, eel, dan viskous, evis, sehingga didefinisikan modulus viskoelastisitas sebagai:

Eve(T) untuk polimer a) kristalin; b) jaringan silang dan c) amorf

Eve> Eve3 : polimer bersifat

berupa gelasEve

3>E> Eve2: polimer bersifat

berupa kulitEve

2>E> Eve: polimer bersifat berupa karetE<Eve: polimer bersifat viskous