Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PENGARUH IRADIASI ULTRAVIOLET TERHADAP SIF AT MEKANIK

TERMOPLASTIK POLIVINIL KLORIDA (pvcy

ABSTRAKPENGARUH IRADIASI ULTRAVIOLET TERIIADAP SIFAT MEKANIK TERMOPLASTIK POLIVINIL

KLORmA (PVC). Material polimer tennoplastik polivinil klorida (PVC) biasa digunakan sebagai bahan struktur, deng;m kondisioperasional seringkali terkena langsung cahaya matahari, dalam hal ini radiasi ultraviolet dan radiasi panas. Berdasarkan kenyataaninilah penulis melakukan penelitian ini Mula-mula spesimen difabrikasi menjadi bentuk spesimen uji tarik, kemudian diiradiasidengan lampu ultraviolet 100 watt padajarak 150 mm. Lama iradiasi masing-masing spesimen berturut-turut 0,30,60,90, 180,300,600, 1800, dan 3600 detik. Selanjutnya spesimen ditentukan kekuatan mekaniknya dengan metode uji tank. Hasil percobaanmenunjukkan bahwa PVC bila diiradiasi dengan ultraviolet mula-mula teljadi peningkatan kekuatan tarik, mencapai hargamaksimum seteiah diiradiasi selama 180 detik kekuatan tariknya mencapai 83,16 MPa. Harga ini 43 % lebih tinggi daripadakekuatan tarik PVC yang tidak diiradiasi yang besarnya 58,05 MPa. Hal ini teljadi karena pada saat diiradiasi dengan waktu iradiasikurang dari 180 detik dominan teljadi ikatan silang (cross linking). Setelah diiradiasi pada selang waktu antara 180 sampai dengan3600 detik kekuatan tariknya mencapai harga sekitar 72,% MPa.

ABSTRACT

THE EFFECT OF ULTRAVIOLET ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF POLYVINYL cm.ORmE (PVC)THERMOPLASTIC POLYMER. Usually the polyvinyl chloride is used for structure materials. The operational conditjlon is directexposure ultraviolet and heat radiation of the sun. Based on this reason, the research has been done. At first, the specimen wasfabricated become the tensile testing specimen, then irradiated using 100 watt UV lamp at 150 mm distance between samples and UVsource. The time of irradiation were 0, 30, 60, 90, 180, 300, 600, 1800, and 3600 s. The mechanical properties was detennined usingtensile testing methode. The results show that, the tensile strength of irradiated PVC was increase, the maximum tensile strength was83.16 MPa after irradiated for 180 seconds (it was 43 % higher than PVC before irradiated). The tensile strength was de.;rease, afterPVC irradiated between 180 to 3600 s, the minimum tensile strength PVC was 72,92 MPa after 3600 s irradiated.

kereta api serta isolator kabel listrik.Keistimewaan polivinilkhlorida adalah ketahananterhadap pelarut kimia cukup tinggi clan dapatdicampur dengan aditif untuk men~~hasilkansenyawa yang mempunyai sifat mekanik, kimiaclan fisika yang bervariasi.

Polivinilkhlorida umumnya terdiri alas1000 satuan monomer vinilkhlorida yang tersusunkepala-ekor ( head to tail ),. diantaranya yangmerupakan pengulangan daTi struktur satuanberikut,

PENDAHULUANKebutuhan bahan polimer oleh industri

di Indonesia terns meningkat pada tahun-tahun

mendatang seiring dengan laju pertumbuhanindustri manufaktur, konstruksi gedung clanperumahan. Akhir-akhir ini polimer termoplastiksedang menjadi fokus penelitian akadernikmaupun industri. Polimer termoplastik merupakanpolimer yang mempunyai sifat lunak pada saatdipanaskan clan menjadi keras kembali hiladidinginkan mencapai temperatur kamar. Sifatinilah yang memungkinkan bahan termoplastikdapat didaur ulang.

Polivinil klorida merupakan salah satupolimer termoplastik yang biasa digunakansebagai material struktur yang kondisioperasionalnya seringkali langsung terkenaradiasi cahaya matahari saat siang hari. Dalam halini terutama radiasi ultraviolet clan radiasi panas.Sehingga pada penelitian ini diamati pengaruhultraviolet terhadap perubahan sifat mekaniktermoplastik polivinilklorida (PVC). Bahan inimerupakan salah satu polimer termoplastik yangaplikasinya antara lain sebagai bemper,dushboard, reservoir air, clan grill mobil, pipapada bangunan konstruksi, talang air hujan,bingkai (frame) jendela, interior pada kapal clan

Garnbar-l. Sttuktur Satuan PolivinilkhloridaTitik cair: 204 °C

Menurut R.C. Stephenson (E~uropeanVinyl Corp.) daD P. V. Smallwood ( ICI Chemicaland Polymer Ltd.) pada kenyataannya PVC yangada di pasaran mempunyai susunan stukturmolekul yang tidak beraturan, misalnya -CH1-CHCI-CH1CI sebanyak 0,8 -0,9 per molekul,

Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996Pusat Penelitian Sains Materi BATAN Serpong

1.2.

323

radikal. Pembentukan radikal ini berlangsung

dalam waktu yang singkat sekali, kar,ena radikal

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 dengangas hidrogen (H2) atau dengan media yang ada

disekitarnya membentuk molekul baru, sedangkanradikal polimer akan bereaksi den,gan rantai

polimer yang lain disekitarnya membentuk ikatan

silang (cross linking) atau bereaksi dengan

hidrogen pada proses degradasi. Kedua peristiwareaksi 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 kekuatanmekanik polimer. Umumnya peristiwa tersebut

terjadi bersama-sama, perbandingannya sangatdipengaruhi oleh temperatur, kristaillnitas daD

oksigen (udara).

-CH2-CH=CH-CH2Cl sebanyak 0,7 per molekul.ikatan tak jenuh total 1 per molekul, cabangklorometil 4 per 1000 monomer daD inisiator sisasebesar O.2/molekul.

Atom khlor yang terdapat pada setiapstruktur satuan menimbulkan momen dipol yangkuat. sehingga gaya kohesinya menjadi kuat.Selain itu atom khlor juga menimbulkan efekhalangan ruang (steric hindrance) daD tolakanelektrostatik, hal ini akan mengurangi fleksibilitasrantai polimer PVC.

PVC homopolimer mempunyai kekuatanyang relatif tinggi (51.7 sid 62.1 MPa), titikcaimya 204 DC daD memiliki rapat massa 1.406g/cm3 (1).

PERCOBAAN

Mula-mula PVC yang acta di pasarandifabrikasi menjadi bentuk sampel uji tarikdengan tebal 1,0 rnrn dan lebar 5,0 rnrn, sepertigambar berikut:

PVC komersial yang ada di pasarantidak pernah dijumpai dalam bentuk kristalin 100

%, akan tetapi sebagian dalam bentuk kristalindan 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 penstabil

panas, plasticizer, pengisi (filler), pewarna(pigmen) daD pelumas (lubrikan). Penambahanpenstabil panas dimaksudkan agar terhindar dari

proses degradasi selama proses pembentukan daD

untuk memperpanjang masa pakai. Penstabil

panas yang biasa ditambahkan pada PVC antaralain senyawa organometalik timbal, barium-

kadmium, kalsium daD Zn. Plasticizer untuk

meningkatkan fleksibilitas polivinilkhlorida.Plasticizer yang digunakan untuk PVC antara lain

tritolil fosfat, didonil phthalat, dan dioktil

phthalat. Pengisi ditambahkan agar harganyamenjadi murah. Filer yang digunakan adalah

kalsium karbonat. Pewarna digunakan untuk

memberi warna dan agar PVC menjadi lebih

tahan terhadap cuaca. Lubrikan ditambahkandimaksudkan untuk meningkatkan mampu alir

(flow ability) PVC cair pada saat prosespembentukan dan untuk menghindari adhesi

antara permukaan logam cetakan dengan polivinilkhlorida. Biasanya digunakan malam (waxes) atau

lemak ester.Polimer PVC relatif tidak stabil terhadap

Cahaya ultraviolet. Bila polivinil khlorida disinaricahaya ultraviolet pada panjang gelombang (A =

3600 /1.)2) , maka dapat terjadi prosespembentukan ikatan silang (cross link) daD

pemutusan rantai (fotodegradasi) polimer.Menurut Oster (1969), pada temteratur rendahpolimer yang diiradiasi ultraviolet akan

terdekomposisi terbentuk basil antara polimer

, l-Oo1

r-:~~:~~~JJ~=~---, -{]--t:;~::/:::=T=:::~,=~~:j- I I

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 denganlampu ultraviolet. Iradiasi dilakukan dilaboratorium Balai Teknofisika -Pusat Penelitiangains Materi, Serpong, menggunakan lampuultraviolet 100 watt, dengan jarak an tara sampeldengan lampu sepanjang 150 mm.

Waktu penyinaran masing-masing 0, 30,60, 90, 180, 300, 600, 1800, daD 3600 detik.Pemilihan rentang waktu terse but dimaksudkanagar kecenderungan perubahan sifat mekanikdapat teramati dengan jelas.

Kekuatan mekanik polivinilkhloridadianalisis dengan met ode uji tarik menggunakanalat uji tarik merk 'Shimadzu' milik PPTKR

324

dengan rnenggunakan beban 100 kgf (981 N),dengan rnetode ini akan diketahui elastisitas daDkekuatan tarik PVC. Selanjutnya penentuanderajad kristalinitas ditentukan dengan rnetodedifraksi sinal-x, rnenggunakan difraktornetersinal-x, rnerek SHIMADZU, rnilik PPSM-BAT AN. Perubahan panjang rantai polirnerdiarnati dengan GPC (Gas PermeationChrornatography). Dan adanya perubahan gugusfungsi diteliti dengan rnetode spektroskopiinfrarnerah.

karena efek ikatan silang yang terjadimengakibatkan perubahan stroktur ranwli cabangpolimer PVC. Selain itu PVC basil iradiasimenjadi lebih ulet hila dibandingkan dengan yangtidak diiradiasi ultraviolet

.Seperti pada grafik uji tarik Gambar 3regangan putus untuk PVC yang tidakdiiradiasi sebesar 21 %. Setelah Idiiradiasiultraviolet regangan putusnya naik (GaJlIlbar 4 -

11), mencapai regangan putus maksimul1rl sebesar74,75 %. Keuletannya mengalarni kenaikansebesar 53,06 % hila dibanding dengan P'VC yangtidak diiradiasi, Tabel-i.BASIL DAN PEMBABASAN

Dari Gambar 3 grafik uji tarik bahanpolivinil klorida yang tidak diiradiasi denganultraviolet, tampak bahwa setelah mencapaikekuatan tarik maksimum kemudian turunperlahan tanpa diikuti mekanisme penguatanregangan (strain strengthening).

Gambar 5: Grafik Uji Tarik PVC 02Diiradiasi UV 60 deti~:

Gambar 3: Grafik Uji Tarik PYC 0Tanpa Iradiasi Ultraviolet

kgf

I..' , .; m.. ~

Gambar 4: Grafik Uji Tarik PVC 01Oiiradiasi UV 30 detik

Tetapi setelah diiradiasi tampak padaGambar 4 -11 terjadi mekanisme penguatanregangan (strain strengthening). Hal ini terjadi

325

58.. r

A"""""~'""""""I~~

'B..' ;, ; 28.~...

Gambar 7: Grafik Uji Tarik PVC 05Diiradiasi UV 180 detik

Gambar 10: Grafik Uji Tarik PVC 10Diiradiasi UV 1800 detik

Gambar 8: Grafik Uji Tarik PVC 06

Diiradiasi UV 300 detikGambar 11 : Grafik uji tarik PVC 11

Diiradiasi UV 3600 detik

326

Dari basil uji tarik seperti pada Tabel-l,polivinilkhlorida setelah diiradiasi dengan cahayaultraviolet 100 watt pada jarak 150 mm mula-mula dominan terjadi ikatan silang yang mencapaioptimum setelah diiradiasi selama 180 detik,kekuatan tariknya naik mencapai 83.16 MPa(bertambah besar sekitar 43 % dibandingkan PVCtanpa diiradiasi). Ikatan silang bertambah banyakakan sernakin memperbesar derajad polimerisasi

yang sekaligus memperbesar kekuaum tarikpolivinilklorida Setelah diiradiasi dengan waktuantara 180 sampai dengan 3600 detik ,dominanterjadi degradasi. Hal ini akan meltlgurangikekuatan mekanik polivinil klorida, daTi Gambar12 tampak kekuatan mekaniknya turun mencapaiharga 72,96 MPa.

Tabel-l. Data Ufi Tarik pvc SEBELUMISESUDAH Diiradiasi Ultraviolet.

Waktu Iradiasi

UV(detik)

.Oy

(MPa)

°u(MPa)

e

(11'0)

26,54

12(),42

118,55

82,22

86,38

53,28

58,89

70,18

71,85

PVCO

PVCOI

PVCO2

PVCO3

PVCO5

PVCO6

PVCO8

PVCIO

PVCll

0

30

60

90

180

300

600

1800

3600

47,78

49,64

53,81

60,09

70,58

69,80

66,46

62,24

65,24

58,05

60,41

65,31

73,35

83,16

82,08

79,63

74,92

72,96

sebelum diiradiasi ultraviolet. Besarnya kenaikanregangan putus setelah diiradiasi 180detik mencapai 53,06 % bila dibandingkan PVCtanpa diiradiasi ultraviolet.

Selanjutnya bila PVC terns diiradiasiultraviolet dengan selang waktu iradiasi antara180 sampai dengan 3600 detik dominan terjadidegradasi daripada ikatan silangnya. Hal initampak dari data kekuatan tariknya yangberangsur-angsur turun dari 83,16 MPa pBlda saatdiiradiasi UV selama 180 detik menjadil 72,96MPa setelah diiradiasi 3600 detik

UCAPAN TERIMA KASIH

Pacta kesempatan kali ini penulisbersyukur kepada Allah S.W.t atas karuniaNya,sehingga tulisan ini dapat diselesaikan denganbaik dan lancar. Selain itu tak lupa penulissampaikan rasa hormat dan terima kasih yangsebesar-besarnya kepada Prof. Jr. Tata Surdia, Dr.Wuryanto dan Dr. if. Mardjono Siswosluwarnoalas kesabaran dalam membimbing, disklJsi daDsaran selama penulisan tugas akhir ini. lLJcapan

KESIMPULANDari data clan basil pembahasan tersebut

diatas p~da penelitian ini dapat ditarik beberapakesimpulan penting diantaranya adala..lt:

Pada proses iradiasi polivinilkloridadengan ultraviolet 100 watt pada jarak antaralampu dengan spesimen sepanjang 150 mm,mula-mula terjadi kenaikan kekuatan tarik (biladiiradiasi sampai dengan 180 detik) dari 58,05menjadi 83,16 MPa (terjadi kenaikan sebesar 43%). Kenaikan kekuatan tarik ini terjadi sebagaiakibat dominannya pembentukkan ikatan silangrantai polimer polivinilklorida daripada prosesdegradasi. Bila semula sebelum diiradiasi denganultraviolet rantai utama polivinilklorida pendekclan tidak banyak cabang, maka setelah diiradiasirantai polimer PVC berubah menjadi lebihpanjang clan rantai cabangnya menjadi bebihbanyak clan lebih panjang.

Data regangan putus juga mendukungdata kekuatan tarik. Hal ini tampak daTi data ujitarik pada tabel-l, dimana regangan putus PVCsetelah diiradiasi menjadi lebih besar daripada

327

terima kasih juga penulis sampaikan kepadaternan-ternan yang telah banyak membantu atasterselesaikannya makalah ini, baik berupa diskusi,saran, pengambilan data eksperimental, clanbantuan lainnya, diantaranya kepada yangterhormat: Bpk. Drs. Agung Wahyu KenconoMSc, Agus Sunardi, Drs.Bambang HeruPranowo, Dr. Djoko Surono, Eko Yudo, Drs.Histon clan Imam Wahyono.

2. F.W. BILLMEYER, JR., "Textbook ofPolymer Science", 3rd Ed., pp 395-398,472-473, John Wiley & Sons, Ne:wYork, 1984.

3. G.E. DIETER, "Mechanical Metallurgy", 3rdEd., 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, PolymerStabilization, 1985.

DAFTARPUSTAKA.

1. W.F. SMITH, "Principles of MaterialsScience and Engineering", 2nd Ed.,pp 355-357, McGraw-Hill Publishing Company,New York, 1990.

328