32

A. DRAF ARTIKEL ILMIAH STUDI PENGARUH PEMBERIAN AGEN PENDISPERSI FASA PADA T (SOLID

PHASE DISPERSANT) DAN AGEN IKAT SILANG ( CROSSLINK AGENT) TERHADAP SIFAT KUAT TARIK BAHAN POLIPADUAN

POLIETILENA-POLIVINIL KLORIDA

Oleh: M a s h u r i

Jurusan Fisika FMIPA ITS Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya, 60111

Telp. / Fax. : 031-5943351 , E-mail: mash@physics.its.ac.id

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pengaruh pemberian dikumil peroksida (DCP) sebagai agen ikat silang dan butadiene rubber (BR) sebagai agen pendispersi fasa padat dan sinerginya terhadap sifat kuat tarik bahan polipaduan PE ( polyethylene)-PVC (polyvinyl cloride). Polipaduan dibuat dengan metode blending pada temperatur 180oC dengan alat Labo Plastomil. Hasil menunjukkan BR dapat memperkecil ukuran partikulit PVC dalam PE tetapi tidak dapat meningkatkan adesi antar muka matrik-pengisi, sementara DCP dapat menumbuhkan rantai ikat silang polipaduan dan dapat meningkatkan gaya adesi antar muka matrik-pengisi. Ketika ditambahkan secara bersama (sinergi) pembentukan gaya adesi antar muka oleh DCP lebih dominan menyebabkan meningkatnya sifat kuat tarik terlihat pada kenaikan tensile strength dan elongation at break bahan polipaduan PE-PVC.

Kata kunci : agen pendispersi fasa padat, agen ikat silang, polipaduan.

1. PENDAHULUAN

Dewasa ini telah dan sedang terjadi pergeseran tekanan dalam penelitian dan pengembangan bidang kepolimeran, yaitu dari kimia polimer menuju ke aspek-aspek fisika polimer dan perekayasaan polimer seperti sintesa pemaduan dari dua atau lebih bahan polimer yang berbeda. Bahan hasil pemaduan ini disebut polipaduan (polyblends).

Bahan polipaduan adalah merupakan paduan antara dua polimer atau lebih yang berbeda secara linked (tidak terjadi secara kimia) [1,2]. Polipaduan terdapat dua jenis yaitu polipaduan kompak (miscible blends) dan polipaduan tak kompak (immiscible blends) dan telah banyak dimanfaatkan secara komersial. Contoh polipaduan kompak adalah polipaduan polistirena (PS) - polipropilena oksida (PPO) dengan sifat mudah proses, ketahanan panas tinggi dan lebih tangguh daripada PS murni [1]. Sedangkan polipaduan tak kompak adalah polipaduan polivinl klorida (PVC)-akrilonitril butadiene stirena (ABS) yang mempunyai sifat lebih tahan panas dengan daya tahan tumbukan yang tinggi dibanding PVC murni.

Desain material dalam bentuk polipaduan dapat menghasilkan bermacam-macam sifat mekanik tergantung dari jenis dan jumlah polimer pengisi yang

33

dicampurkan. Selain itu faktor pengendali untuk mendapatkan sifat akhir polipaduan yang terbentuk adalah komposisi, kekentalan viscous, gaya tarik antar muka, perbandingan elastisitas, shear stress, tingkat penyebaran polimer pengisi dan waktu serta suhu proses pembuatan [3,4]. Upaya pengoptimalan sifat bahan polipaduan dapat juga dilakukan dengan menambahkan bahan pengkopatibel (compatilizer), pemlastis (plasticizer), penumbuh rantai ikat silang (crosslink agent) dan pembentuk fasa dispersi (solid phase dispersant)[4]. Selain itu proses pembuatan polipaduan dengan metode blending harus dijaga agar tidak terjadinya degradasi rantai polimer akibat pemanasan yang sifatnya destruktif terhadap sifat mekanik. Karena itu perlu dilakukan pengendalian terhadap kinetika reaksi yang digunakan meliputi factor kecepatan pengadukan, pemanasan dan pendinginan agar kontribusi perbaikan kinerja sifat mekanik polipaduan yang terbentuk sesuai hipotesa awal yang diinginkan.

Pada beberapa publikasi ilmiah menunjukkan polipaduan jenis kompak lebih mampu meningkatkan kuat tarik, tegangan luluh dan elongation at break dibanding polipaduan tak kompak tetapi kedua jenis polipaduan tersebut belum menunjukkan peningkatan temperatur leleh secara signifikan[1,5,6].

Polipaduan tak kompak terbentuk secara linked dan bekerja dengan adanya gaya geser antar polimer yang dipadukan. Bahan polipaduan PVC-PE termasuk jenis tak kompak, upaya untuk memperbaiki kinerja sifat mekanik dapat dilakukan dengan menumbuhkan rantai ikat silang pada polimer matrik, sehingga terbentuk jenis rantai polimer berupa jaringan (networks chain) yang lebih mampu dalam menahan beban penarikan yang diterima.

Hasil penelitian pendahuluan menunjukkan peningkatan kekuatan tarik dan elongasi dari bahan polietilena yang mempunyai kandungan rantai ikat silang dengan menambahkan agen ikat silang. Konsentrasi optimum dari penambahan agen ikat silang (DCP, dicumyl peroxide) terhadap sifat mekanik polietilena sebesar 2,0% vol [6,7]. Upaya yang kedua dilakukan dengan memanfaatkan tak kompaknya (immiscible) dari polipaduan PVC-PE dengan menambahkan agen pendispersi fasa padat (BR, butadiene rubber) sebagai pemicu terbentuknya fasa terdispersi polimer pengisi berupa ukuran-ukuran partikulit yang lebih kecil sehingga tingkat distribusi polimer pengisi meningkat[4]. Dengan meningkatnya penyebaran polimer pengisi diharapkan dapat memperkecil luas kontak antar muka sehingga potensi pemicuan awal terjadinya cacat sewaktu mengalami beban tarikan menurun.

Selanjutnya di dalam makalah ini dilaporkan hasil penelitian berupa kajian awal terhadap pemanfaatan secara bersama dari agen ikat silang dengan agen pendispersi fasa padat dalam upaya perbaikan kinerja sifat mekanik dari polipaduan tak kompak PVC-PE. Pengujian mikroskopik dilakukan untuk mempelajari tingkat penyebaran atau distribusi bahan polimer pengisi, keadaan antar muka dan cacat (fracture, crack, flaws dan dislokasi) bahan akibat pembebanan tarikan dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope).

2. METODE PENELITIAN

Hasil penelitian terdahulu[4,7] telah diperoleh nilai optimum konsentrasi DCP sebesar 2% vol dan konsentrasi BR sebesar 5% vol yang memberikan kontribusi optimum terhadap kekuatan tarik bahan polipaduan PE-PVC.

34

Pada penelitian ini sampel yang dibuat terdiri 4 macam yaitu polipaduan PE-PVC, polipaduan PE(2% vol DCP)-PVC, polipaduan PE-PVC(5%vol BR) dan polipaduan PE(2%vol DCP)-PVC(5%vol BR). Agen ikat silang yang dipakai adalah dikumil peroksida (DCP) sedang agen pendispersi fasa padatnya menggunakan butadiene rubbers (BR).

Bahan polipaduan dibuat dengan metode blending memakai alat Labo Plastomil pada temperatur 170oC dalam waktu 10 menit dengan rotasi blending 30 rpm. Tahap berikutnya hasil proses blending dimasukkan ke alat cetak tekan panas dengan pembebanan 150 kg/cm2 selama 3 menit dan dipindahkan ke dalam alat cetak dingin dengan pembebanan hingga 5 ton dalam waktu 3 menit hingga diperoleh bentuk sampel berupa film tipis dengan ketebalan 1 mm. Selanjutnya dilakukan pengujian tarik dengan standar ASTM D 1822-L menggunakan alat Strograph-R1 buatan Toyoseiki Jepang serta uji strukturmikro untuk mengamati perubahan penyebaran polimer pengisi yang dilakukan agen pendispersi fasa padat dengan alat SEM tipe 515 Phillips Belanda.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sifat mekanik yang menjadi kajian adalah sifat kuat tarik yang mencakup tensile strength dan elongation at break bahan. Konsentrasi DCP sebagai agen ikat silang yang optimum dalam meningkatkan nilai tensile strength dan elongation at break polipaduan PE-PVC sebesar 2 % vol, di atas nilai tersebut menyebabkan degradasi sebagai akibat lebih banyak terjadi radikal bebas dibanding rantai ikat silang yang terbentuk. Hal ini mengindikasikan bahwa struktur rantai polimer berikat silang terbentuk efektif pada konsentrasi tersebut dan rantai ikat silang lebih mampu dalam mereduksi tegangan tarikan dari luar dibanding rantai linier atau bercabang. Pembentukan rantai ikat silang dalam bahan polimer PE menyebabkan menurunnya derajat kristalinitas sebagai efek dari perubahan rantai polimer menuju rantai bentuk jaring (network) sesuai difraktogram hasil penelitian terdahulu[6] dimana difraktogram menggambarkan adanya perubahan struktur semikristalin dari bahan PE menjadi lebih amorfphous.

(a) (b) Gambar 1. (a). Tensile strength Polipaduan PVC/PE

(b). Elongation at break Polipaduan PVC/PE

Sedangkan konsentrasi BR sebagai agen pendispersi fasa padat optimum dalam memperkecil ukuran partikulit PVC dan meningkatkan tensile strength dan

0

5

10

15

0 1 2 3%vol DCP

Ten

sile

Str

eng

th

(MP

a)

PVC/LDPE/BR(60/40/1)PVC/LDPE(60/40)

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3% vol DCP

Elo

ng

atio

n a

t b

reak

(%

)

PVC/LDPE/BR(60/40/1) PVC/LDPE(60/40)

35

elongation at break polipaduan sebesar 5% vol. Ini menunjukkan bahwa dengan menurunnya ukuran partikulit polimer pengisi menyebabkan penyebaran pengisi lebih merata dan memperkecil luas kontak permukaan matrik-pengisi sehingga kelemahan yang terjadi pada kontak permukaan matrik-pengisi lebih dapat dieliminir.

0123456789

10

0 5 10 15BR (%vol)

Ten

sile

Str

eng

th (

MP

a)

PVC/LDPE/DCP(60/40/1) PVC/LDPE (60/40)

(a) (b)

Gambar 2 (a). Tensile strength polipaduan PVC/PE (b). Elongation at break PVC/PE

(a) (b)

Gambar 3. Morfologi (a). PE+PVC(30% vol), (b). PE+PVC(50% vol) perbesaran 300x

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15BR (%vol)

Elo

ng

atio

n a

t B

reak

(%

)

PVC/LDPE/DCP (60/40/1) PVC/LDPE (60/40)

36

(a) (b)

Gambar 4. (a). PE+PVC(50%vol)+BR(5%vol) perbesaran 300x

(b). PE+PVC(30% vol)+BR(5%vol).

(a) (b)

Gambar 5. (a). PE+PVC(30%vol)+BR(15%vol) perbesaran 300x

(b). PE+PVC(50% vol)+BR(15%vol).

Telah diketahui peranan terbentuknya rantai ikat silang dalam matrik yang membentuk struktur rantai berikat silang (network) dimana mampu meningkatkan gaya adesi antar permukaan matrik-pengisi. Kontribusi terbentuknya rantai ikat silang ini terlihat pada struktur polipaduan yang telah mengalami penarikan yang terekam dalam strukturmikro seperti Gambar 3. Pada gambar struktur mikro ini memperlihatkan bentuk serat-serat berikatan dengan ukuran yang relatif banyak dibanding tanpa adanya kandungan rantai ikat silang yang terlihat bentuk-bentuk gumpalan yang berkelompok. Rantai ikat silang sendiri merupakan jenis ikatan kovalen dan terbentuk secara tiga dimensi sehingga lebih mampu dalam menahan beban tarikan dari luar. Sedangkan peranan BR dapat meningkatkan penyebaran PVC dalam matrik sebagai konsekwensi sifat kompatibel terhadap PE dan inkompatibel terhadap PVC namun tidak dapat membentuk gaya adesi antar permukaan dimana terlihat gambar serat-serat dengan ukuran yang lebih kecil dibanding sebelum mendapatkan penambahan BR. Penambahan konsentrasi BR memperlihatkan adanya

37

morfologi fasa PVC yang lebih kecil seperti yang ditunjukkan gambar 4 dan 5, sehingga ini membantu memperbanyak permukaan kontak dengan fasa polietilen sebagai matrik dalam susunan polipaduan. Keadaan ini diharapkan mampu memperkecil kelemahan mekanik yang terjadi pada permukaan kontak sehingga sifat kuat tarik bahan polipaduan menjadi meningkat. Demikian juga pada sifat termal dari bahan polipaduan PE-PVC menjadi lebih meningkat baik temperatur leleh maupun dekomposisi.

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150% vol. PVC

Ten

sile

Str

eng

th (

MP

a)

PE/PVCPE(2%vol DCP)/PVCPE/PVC(5%vol BR)PE(2%vol DCP)/PVC(5%vol BR)

(a) (b)

Gambar 6. (a). Tensile Strength Polipaduan PE/DCP/PVC/BR (b). Elongation at break Polipaduan PE/DCP/PVC/BR

Pemakaian secara bersama dari agen ikat silang dan agen pendispersi fasa

padat yang mempunyai kontribusi positif tersebut dapat meningkatkan nilai tensile strength dari bahan polipaduan ditunjukkan Gambar 6a, artinya kelemahan mekanik dari polipaduan PE-PVC jenis immiscible dapat dieliminir, dan mampu mereduksi beban dari luar. Sedangkan kemampuan mulur putus bahan polipaduan menjadi lebih meningkat sebagai peran dominan terbentuknya rantai ikat silang pada matrik dibanding oleh tingkat pendistribusian PVC dalam PE di dalam merespon terhadap beban luar yang diterima.

4. KESIMPULAN Dari pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Buatadiene Rubber (BR) sebagai solid phase dispersant dapat meningkatkan dispersi PVC dalam PE tetapi tidak dapat meningkatkan gaya adesi antar permukaan matrik-pengisi, PE-PVC, dengan nilai konsentrasi optimum 5% vol.

2. Dicumyl peroxide (DCP) sebagai agen ikat silang dapat merubah rantai linier dan bercabang menjadi rantai berikat silang dapat meningkatkan gaya adesi antar muka matrik-pengisi, PE-PVC, dengan nilai konsentrasi optimum 0,2% vol.

3. Dalam pemakaian secara bersama, DCP dan BR dapat meningkatkan tensile strength dan elongation at break bahan polipaduan jenis immiscible blends

0100200300400500600700800900

0 50 100 150% vol PVC

Elo

ng

atio

n a

t b

reak

(%

)

PE/PVCPE(2%vol DCP)/PVCPE/PVC(5%vol BR)PE(2%vol DCP)/PVC(5%vol BR)

38

PE/PVC sebab secara bulk menyebabkan bahan polipaduan lebih mampu mereduksi beban dari luar.

4. Nilai konsentrasi optimum PVC sebagai pengisi PE dalam bentuk polipaduan sebesar kurang dari 30% vol.

5. DAFTAR PUSTAKA 1. E. Kroeze, G. Ten Brinke and G. Hadziioannou, Compatibilization of Blends of

Low Density Polyethylene and poly(vinyl chloride) by Segmented EB (SAN-block-EB)n Block Copolymers, Polymer, Vol. 38, No. 2, 1997.

2. Billmeyer, Fried W, Texbook of Polymer Science, John Wiley & Sons, New York, 1984.

3. George E. Hulse, R James Kersting and David R Warfel, Chemistry of Dicumyl Peroxide – Induced Crosslinking of Linear Polyethylene, Journal of Polymer Science, Vol. 19, 1981.

4. K. A. Kunert, H. Soszynska and N. Pislewski, Struktural Investigation of Chemically Crosslinked Low density Polyethylene, Polymer, Vo. 22, 1981.

5. Pujiono dan Mashuri, Pengaruh Penambahan Polietilene, Polipropilena dan Polistirena Terhadap Sifat Termal dan Mekanik ABS dalam Bentuk Polipaduan, Presentasi Ilmiah di BATAN, Serpong, 2000.

6. Mashuri, Pengaruh Agen Ikat Silang Terhadap Sifat Kuat Tarik Dan Titik Leleh Bahan Polietilena densitas Tinggi, Tesis, UI, 1997.

7. Mashuri, Singgih Prasetyo, Pengaruh Konsentrasi Butadiene Rubber Sebagai Agen Pendispersi Terhadap Sifat Makanik Bahan Polipaduan Polivinil Klorida – Polietilena, Lembaga Penelitian ITS, 2001.