Fisika Polimer _PPT

Fisika Polimer

Jurusan Fisika FMIPAUniversitas Negeri Jakarta

2014

Daftar isi1. Pendahuluan2. Polimerisasi3. Struktur dan sifat. 4. Karakterisasi5. Pemrosesan6. Aplikasi Pustaka:1.Billmeyer, F.W. (1984). Textbook of polymer science, 3rd ed. New York: John Wiley & sons.2.Bower, D.I. (2002). An introduction to polymer physics, Cambridge: Cambridge University Press.3.Allcock, H.R. (1992). Cotemporary polymer chemestry, 2nd ed., New Jersey: Prentice Hall.4.Zumdahl, S.S. and Zumdahl, S.A. (2007). Chemistry. 7th ed. Houghton Mifflin Company.5.Paul C. Painter (1994). Fundamental of polymer science. Technomc Publishing Company, Inc. 6.Joel R. Fried (1995) Polymer science and technology. Prentice Hall.

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan Polimer :“Molekul makro yang terbentuk dari pengulangan satuan kimia kecil dan sederhana (monomer)”

Polietilen:

Molekul rantai:

Biasanya unsur karbon (C) sebagai tulang punggung rantai molekul, dengan unsur/element atau struktur lain bergabung membentuk suatu grup di salah satu sisinya.

1. Pendahuluan (samb.) Keunggulan bahan polimer:

a.Ringanb.Kuat c.Tahan korosid.Bersifat isolatore.Dengan rekayasa tertentu dapat bersifat konduktor dan superkonduktorf.Mudah dibentuk

Salah satu bahan polimer yang paling banyak dipakai adalah Poli Vinil Klorida (PVC): pipa plastik, bahan pelapis kawat listrik

Bidang aplikasi:a.Rumah tanggab.Listrikc.Olah ragad.Otomotif

Pengelompokan polimer :a.Berdasarkan struktur: lurus, cabang, jaringan.

b.Berdasarkan sifat: termo (plastik), elastomer (karet), termoset.

1. Pendahuluan (samb.)

a. Sintetik (non-bio)

b.BioKapas, kayu

1. Pendahuluan (samb.) Selulosa nitrat atau seluloid

(Sintetik polimer):Dibuat dari selulos alami seperti kapas, kayu.


Polimer termoplastik: Dapat dipanaskan hingga mencair, dibentuk dan dipadatkan berulangkali.Memiliki ikatan sekunder antar rantai

Polimer termoset: Tidak dapat dipanaskan ulang, kaku. Memiliki ikatan primer antar rantai.

Pengelompokan polimer (samb.):

1. Pendahuluan (samb.) Berat molekul bahan polimer

(M)M = n x m

Dengan :n = derajat polimerisasim = berat molekul monomer

Polimer termoplastik memiliki banyak rantai yang masing-masing rantai berbeda berat molekulnya, sehingga digunakan besaran jumlah rata-rata berat molekul (Mn) atau berat rata-rata berat molekul (Mw):

i i

i iin N

MNM

i i

i iiw w

MwM

Dengan wi = NiMi


(M) (samb.)Nisbah (rasio) antara nilai rata-rata dari Mw dan Mn disebut polidispersiti (PD):

n

w

MMPD

PD = 1 berarti semua molekul memiliki berat yang sama

Mn menganggap semua rantai dalam polimer memiliki berat molekul yang sama.

Mw panjang pendek rantai menentukan berat molekulnya.


(M) (samb.)Dalam penentuan Mn , setiap rantai polimer dihitung tanpa memperhatikan panjang rantaiPolimer dengan nilai PD besar memiliki distribusi berat molekul yang lebar.

1. Pendahuluan (samb.) Jenis-jenis distribusi berat

molekul polimera) Distribusi Poisson


molekul polimer (samb.)b) Distribusi eksponensial


molekul polimer (samb.)c) Distribusi log-normal

polietilen

1. Pendahuluan (samb.) Pengaruh berat molekul terhadap suhu

leleh polimer

1. Pendahuluan (samb.) Pengaruh berat molekul terhadap kekuatan

tarik polimer

1. Pendahuluan (samb.) Pengaruh berat molekul terhadap kekuatan

tarik polimer (samb.)

1. Pendahuluan (samb.) Tinjauan kimia: molekul organik dan biologi

1. Pendahuluan (samb.) Tinjauan kimia: polimer

Tinjauan kimia: polimer1. Pendahuluan (samb.)

2. Polimerisasi Polimerisasi: proses reaksi monomer untuk membentuk suatu polimer.Pengelompokan polimerisasi: 2.1 Kondensasi (reaksi tingkat/step)

melibatkan penghapusan molekul kecil (biasanya air) saat dua molekul bergabung/bereaksi.

(R dan R’ = suatu grup molekul misal CH3)

Amidasi (dasar pembuatan nilon):

Esterifikasi:

Ester linkage

amida linkage

2. Polimerisasi (samb.) Ester linkage: terbentuk dalam poliester

dan bahan poliester komersial salah satunya adalah poli etilen tereptalet (PET) yang banyak digunakan untuk bahan film atau sebagai serat (fiber), plastik tranparansi untuk proyektor.Reaksi kondensasi poliester

Amide linkage: terbentuk dalam poliamida (nilon). Poliamida terdapat juga pada sutra, wol, rambut (protein alami).

2. Polimerisasi (samb.)


Mekanisme polimerisasi reaksi step:a) Mekanisme penambahan-pengurangan

karbonil:penambahan dan pengurangan ikatan ganda karbonil dari asam karbosilik dan turunannya.

R = grup alkil atau arilX = OH ,OR, NH2, NHR, Cl atau OCRY = RO, ROH, RNH2 atau RCOO

OMolekul dalam kurung bersifat metastabil , dapat hilang kembali ke keadaan awal dengan menghapus Y atau ke keadaan akhir dengan menghapus X.

2. Polimerisasi (samb.) Mekanisme polimerisasi reaksi

step (samb.):Contoh-contoh mekanisme penambahan-pengurangan karbonil:o Reaksi langsung:Reaksi antara asam dibasic dan glikol membentuk poliester

Reaksi antara asam dibasic dan diamina membentuk poliamida

o Pertukaran (interchange):Reaksi antara glikol dan ester

xHO – R – OH + xR’’OCO – R’ – COOR’’ R’’O( - CO – R’ – COO – R – O)x H + (2x – 1)R’’ – OH


step (samb.):

o Asam klorida atau Anhidrida:Bereaksi dengan glikol atau amina membentuk suatu polimer.


step (samb.):

o Kondensasi antarmuka:Reaksi pada daerah antarmuka dari dua fase cair sehingga membentuk polimer dengan berat molekular besar. Seperti reaksi antara asam halida dengan glikol atau diamina.

o Pembentukan cincin vs rantai:Reaksi antar molekul monomer bifungsi membentuk siklik.


step (samb.):b) Reaksi penambahan-substitusi

karbonil:Pada mulanya reaksi melibatkan proses penambahan kemudian dilanjutkan dengan substitusi pada grup karbonil.

c) Reaksi substitusi nukleopilikcontoh reaksi antara monomer epoksida epikloropidrin dan nukleopili N. Atau reaksi antara alipatik diklorida dan sodium sulfida membentuk karet polisulfida.

d) Reaksi penambahan ikatan ganda:e) Pasangan radikal bebasf) Reaksi substitusi elektropilik

aromatik


step (samb.):Jadi garis besarnya reaksi step atau kondensasi mengandung grup-grup sbb:


step (samb.):


n = derajat polimerisasi = 50.000 – 500.000 untuk polietilin

2.2. Adisi (reaksi rantai) Reaksi rantai biasanya melibatkan monomer tak jenuh.

polietilen

Mekanisme polimerisasi adisi:2. Polimerisasi (samb.) Reaksi rantai dapat diawali dengan reaksi

fase gas sederhana termasuk reaksi dengan sinar ultraviolet.

Molekul polimer tunggal berperan sebagai pusat pertumbuhan aktif rantai melalui penambahan banyak monomer tanpa diinterupsi oleh species lain sehingga membentuk polimer raksasa.

Tiga kelompok pusat-pusat aktif pertumbuhan adalah:a.Radikal bebasb.Kationc.anion


Mekanisme polimerisasi adisi (samb.):a. Reaksi rantai radikal bebas

terjadi pada akhir/ujung rantai yang tidak memiliki satu elektron pasangan sehingga penambahan rantai terjadi dengan monomer yang memiliki kedudukan radikal bebas dengan cara mentransfer satu elektron tsb.

Reaksi rantai dapat terjadi secara spontan terus menerus dan untuk menghentikannya ditambahkan suatu “penghambat” (inhibitor).

Ikatan ganda karbon mudah diserang oleh radikal bebas karena kestabilan yang rendah. Reaksi ini mudah terjadi pada senyawa dengan tipe CH2 = CHX dan CH2 = CXY yang disebut monomer Vinil. Jadi proses ini disebut juga mekanisme polimerisasi vinil.


Mekanisme polimerisasi adisi (samb.):

2. Polimerisasi (samb.) Mekanisme polimerisasi adisi (samb.):a. Reaksi rantai radikal bebas (samb.)

Pembangkitan radikal bebas:Radikal bebas dapat dihasilkan dari proses pemanasan (dekomposisi termal) atau hasil radiasi (dekomposisi foto kimia). Juga dapat dihasilkan oleh monomer itu sendiri ataupun pelarutnya.

Monomer yang dipolimerisasi dapat berupa gas atau cair.Kestabilan radikal:

PrimerSekunderTersier

Makin stabil

2. Polimerisasi (samb.) a. Reaksi rantai radikal bebas (samb.)

Mekanisme polimerisasi adisi (samb.):

Pembangkitan radikal bebas (samb.)Dekomposisi termal terjadi pada suhu 50 -150 0C dan laju dekomposisi 10-5 – 10-6 /s. Kelemahan: laju pembentukan radikal bebas tidak dapat dikontrol dengan cepat karena keterbatasan kapasitas kalor sistem.

Dekomposisi fotokimia dapat dikontrol secara presisi dengan mengatur intensitas cahaya/radiasi. Panjang gelombang cahaya sekitar 3600 Å (lampu merkuri, posfor dan laser).


Mekanisme polimerisasi adisi (samb.):a. Reaksi rantai radikal bebas (samb.)

Pembangkitan radikal bebas (samb.)

Radiasi berenergi tinggi seperti sinar gamma, sinar x, neutron dan elektron dapat menghasilkan radikal bebas.

Pembangkitan radikal bebas dapat diakibatkan oleh reaksi reduksi-oksidasi

Tahap-tahap dalam reaksi rantai radikal bebas adalah:

o Inisiasio propagasio terminasi





o InisiasiJika radikal bebas hadir didalam monomer vinil, maka radikal tersebut akan berikatan pada ikatan ganda dan membangkitkan kembali radikal lain.

Jika I adalah inisiator dan R adalah radikal hasil dekomposisi I maka:

I 2R



o Inisiasi (samb.):contoh-contoh inisiasi:

pemanasan

Penambahan monomer



o Inisiasi (samb.):contoh-contoh inisiasi:



o Propagasi:Rantai radikal yang terbentuk pada tahap inisiasi dapat digunakan oleh monomer untuk memperpanjang rantai dan dapat terjadi dalam beberapa saat.

Setiap penambahan satu monomer, radikal bebas bergerak ke ujung rantai.

2. Polimerisasi (samb.) o Terminasi:

Propagasi akan berhenti jika suplai monomer sudah habis sehingga radikal bebas kehilangan aktifitasnya untuk membentuk ikatan kovalen. Akibatnya reaksi yang terjadi adalah polimerisasi radikal dengan konsentrasi kecil dibandingkan monomernya.Proses ini dinamakan juga terminasi (penghilangan) dan dapat terjadi secara kombinasi, gandengan (coupling) atau bukan kesebandingan (dispropotionation).


2. Polimerisasi (samb.) Mekanisme polimerisasi adisi

(samb.):a. Reaksi rantai radikal bebas (samb.)o Terminasi (samb.):

kombinasi


(samb.):b. Polimerisasi ionikPembentukan ion dihasilkan dari proses ionisasi species inisiator seperti H+ dari BF3 atau C5H11

- dari potasium amil.

Dapat juga berasal dari bahan tambahan yang bereaksi dengan monomer atau pelarut menghasilkan species inisiator.o Inisiasi:Pada tahap ini ion bereaksi dengan monomer dengan cara transfer satu elektron tanpa membentuk ikatan atau transfer dua elektron dengan membentuk ikatan.


(samb.):b. Polimerisasi ionik (samb.)o Inisiasi (samb.):transfer satu elektron akan menghasilkan satu ion radikal sedangkan transfer dua elektron menghasilkan dua ion radikal.

Kasus transfer dua elektron: satu kation ditambahkan pada monomer dalam reaksi nukleopilik membentuk satu monomer kation. Contoh :

BF2OH-H+ + CH2 = C(CH3)2 → BF3OH-C+(CH3)3

isobutilin boron triflourid


(samb.):b. Polimerisasi ionik (samb.)

o Inisiasi (samb.): Kasus transfer dua elektron (samb.):

Satu anion ditambahkan pada satu monomer dalam reaksi elektropilik membentuk satu anion monomer. Contoh:

K+C5H11- + CH2 = CH → K+C5H11CH2CH-

stiren | potasium amil


(samb.):b. Polimerisasi ionik (samb.)o Inisiasi (samb.): Kasus transfer dua elektron (samb.):

Satu molekul netral dan monomer ditambahkan menghasilkan satu zwitterion. Contoh:

R3N + OCH2CH2CO → R3N+CH2CH2COO-

o PropagasiPenambahan mono ion atau di ion akan menghasilkan pertumbuhan rantai.

o Terminasi:Melibatkan pengrusakan anion atau kation melalui proses rekombinasi atau reaksi.

2. Polimerisasi (samb.) 2.3 Polimerisasi kationik:

jenis katalis: asam aprotonik dan protonik serta garam ion karbenium stabil (penerima elektron kuat).

karakteristik polimerisasi kationik adalah laju polimerisasi yang tinggi pada suhu rendah.

Mekanisme:o Inisiasi:

melibatkan dua tahap: pembangkitan proton dan penambahan proton tsb ke monomer.

2. Polimerisasi (samb.) 2.3 Polimerisasi kationik (samb.):

o Inisiasi (samb.)

H2SO4 H+ + HSO4-

HClO4 H+ + ClO4-

HCl H+ + Cl-

BF3 + H2O F3B:OH2 F3BOH- + H+ BF3 + CH3OH F3B:OCH3 H F3BOCH3

- + H+ SnCl4 + H2O [Cl4Sn:OH2 ] Cl4BSnOH- + H+

Secara umum dapat ditulis: R RH X + CH2 = C HCH2 – C X R R

Ionisasi konvensional

Reaksi dengan co-katalis:


o Propagasi :berlangsung dengan cara penyisipan berurutan dari molekul monomer ke dalam ikatan kation-anion. Pada suhu rendah pertumbuhan rantai sangat cepat. R

R R CH3 - C X CH3 - C - CH2 – C X R R R

R CH2 – C R


o Transfer rantai:berlangsung pada suhu mendekati suhu kamar melibatkan proses donasi proton dari grup sisi ke molekul monomer sehingga menghasilkan rantai baru.

CH3 R CH2 R CH3 C X + CH2 – C CH3 C + CH3 – C X R R R R


o Terminasi:berlangsung dengan cara transfer atau kehilangan proton pada X- .

R R R C X + H2O R COH + HX R R

2. Polimerisasi (samb.) 2.4 Polimerisasi anionik :

o Inisiasi:melibatkan penambahan ion negatif pada monomer dengan cara membuka ikatan ganda atau ikatan cincin.

o Propagasi:melibatkan penyisipan molekul monomer pada ikatan ionik. Proses ini terus berlangsung hingga semua monomer habis.

o Transfer rantai (pencabangan rantai):tidak terjadi pada sistem anionik dengan pertumbuhan rantai yang cukup besar. Terjadi pada suhu rendah.

2. Polimerisasi (samb.) 2.4 Polimerisasi anionik (samb.):

o Terminasi:Penghapusan rantai terjadi baik secara sengaja ataupun tidak saat rantai aktif bereaksi dengan molekul karbon dioksida, air atau alkohol.

2. Polimerisasi (samb.) 2.5 Polimer “hidup” (“living” polymers).

Jika polimerisasi anionik tidak melibatkan terminasi (dengan pemberian bahan reaksi) akan membentuk apa yang disebut polimer hidup. Contohnya adalah polimerisasi stiren dengan sodium naptalen.

Tahap polimerisasinya sbb:

o Inisiasi: elektron ditransfer dari sodium (Na) ke monomer untuk menghasilkan anion radikal.

oDimerisasi:polimerisasi yang membentuk dianion.

2. Polimerisasi (samb.) 2.5 Polimer “hidup” (“living” polymers) (samb.):

o Propagasi: pertumbuhan rantai dimer dengan cara penyisipan molekul monomer pada ikatan ionik. Namun demikian pada akhirnya pertumbuhan rantai melambat akibat viskositas tinggi atau rantai menjadi bersifat tidak larut.

2. Polimerisasi (samb.) Polimerisasi Koordinasi:

Polimerisasi yang melibatkan propagasi rantai dengan cara penyisipan monomer antara katalis dan polimer rantai.

Polimerisasi Pembukaan Cincin:


(samb.):

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.)

Satu atom C memiliki 4 elektron terluar dan dalam C2H4 setiap satu atom C berikatan secara kovalen (ikatan primer) dengan 2 atom H sehingga masih terdapat 2 rantai kosong.

Ikatan sekunder (Van der Waals):Kekuatan ikatan sebanding dengan jumlah atom dalam molekul. Bergantung pada suhu sehingga molekul polimer CnH2n+2 dengan n besar memiliki suhu leleh tinggi.

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Struktur

bahan:a.Kristalb.Non-kristal (amorf):

plastik termoset, karet

Kristal polimer polietilen tersusun dari susunan rantai dalam sel satuan ortorombik.

a = 0.741 nmb = 0.494 nmc = 0.255 nm

o Kristal polimer biasanya hanya sebagian.

o Apa yang dimaksud dengan semikristalin?


Struktur kristal polietilentereptalat (PET):


Struktur kristal dan rantai polimer

Rantai linier pada kisi persegi

Rantai linier pada kisi segitiga

Rantai linier pada kisi segitiga

Rantai linier pada kisi kubik

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Struktur molekul polimer paling

sederhana adalah polimer sintetik (buatan) contohnya polimer polietilen C2H4

Ikatan sekunder

Monomer C2H4

Polietilen

Ikatan sekunder terbentuk karena rantai polimer sudah jenuh.

Rantai terbuka

Polietilen

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Karet (rubber)

Mengandung ikatan ganda tak jenuh sehingga dapat bereaksi dengan unsur/molekul lain membentuk hubungan silang (crosslink).

Hubungan silang (ikatan primer antar rantai)

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Polietilen

tereptalat (PET):


Bentuk molekul polimer: sudut ikatanIkatan kovalen memiliki arah tertentu yang dinyatakan dengan sudut ikatan (bond angle) yang menentukan bentuk/geometri struktur bahan.

Struktur tetrahedral dalam tetrahedron

Struktur tetrahedral dalam kubus

Sudut ikatan = 109.50

C

Bentuk molekul polimer: sudut ikatan (samb.)3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.)

Jika atom C hanya berikatan dengan 3 atom lain (misalnya H dan O) maka sudut ikatan yang terbentuk adalah 1200

membentuk struktur bidang (planar).

Kisi intan

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) panjang ikatan:

Ditentukan oleh jarak antara dua atom. Namun demikian jenis ikatan tertentu seperti C – C dan C – O , panjang ikatannya tidak bergantung kedudukannya didalam molekul.

Bentuk molekul polimer: panjang ikatan


Bentuk molekul polimer (samb.):


Karakteristik non-kristal: Transisi glassSebagian besar bahan non kristal adalah berupa karet atau glass.

Volume jenis

Glass

Kristal

Cair

Suhu Tg Tm

Kristal terbentuk pada pendinginan lambat, glass terbentuk pada pendinginan lebih cepat.o Beda karet dengan glass?

o Bagaimana gerak molekular pada T < Tg?

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Karakteristik non-kristal:

Transisi glass (samb.)Penentuan Tg

Nilai Tg dipengaruhi oleh:a)Kelenturan (flesibility) rantai polimer utama.b)Sifat dari grup sisi

Grup sisi bulk meningkatkan Tg.c) Jumlah bahan pencampur/aditif (plastiser).

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Karakteristik non-kristal:

Transisi glass (samb.)

Nilai Tg berkisar antara 1/2 – 2/3 Tm, bergantung pada kesimetrian polimer. Tg dapat dikaikan dengan sifat kristalin, dimana : Tm/Tg << kristalinitas mudah Tm/Tg >> kristalinitas sulit

Hubungan Tg dan Tm:

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Polimer non-kristal:

Karet adalah polimer non kristal dengan Tg dibawah suhu ambient. Pengkristalan dapat dilakukan dengan melalui perpanjangan (elaongasi) dan pemanasan. Saat panas dihilangkan polimer tetap memanjang.


Polimer kristal:Faktor-faktor yang menentukan kristalinitas polimer:oUkuran grup sisioPerluasan ranting rantaioTacticityoKerumitan monomeroDerajat ikatan sekunder antar rantai paralel


Polimer kristal (samb.):o Ukuran grup sisi Polimer dengan grup sisi besar sulit membentuk kristal. Jadi ini yang menyebabkan mengapa polipropilen [C2H3(CH3)]n lebih sulit mengkristal dibandingkan polietilen [C2H4]n , tetapi lebih mudah dari polistiren [C2H3(C6H5)]n . Mengapa?o Perluasan ranting rantaiPolimer dengan cabang rantai yang lebih banyak akan lebih sulit mengkristal.

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) o Tacticity

(Polimer Isotaktik : konfigurasi polimer dimana grup sisi berada pada sisi yang sama dengan rantai utama). Polimer yang ataktik sulit untuk mengkristal dibandingkan yang isotaktik.

Polimer kristal (samb.):

Isotaktik

Ataktik

Sindiotaktik

o Kerumitan monomer (satuan pengulangan)Polimer dengan monomer panjang seperti PET daan nilon memerlukan gerak rantai yang lebih luas untuk membentuk kristal (LRO). Proses kristalisasi lambat.

o Derajat ikatan sekunder antar rantai paralelKeberadaan grup sisi polar kecil yang teratur meningkatkan pembentukan kristal melalui terbentuknya gaya pendorong antar rantai yang berdekatan untuk berikatan.




Polimer kristal (samb.): Derajat kristalinitas:Derajat kristalinitas polimer

dinyatakan dengan:

a)Kristalinitas volume (χv)

b) Kristalinitas massa (χm)

Vc = volume kristalin Va = volume non kristalinMc = massa kristalinMa = massa non kristalinρc = kerapatan kristalinρs = kerapatan sampelρa = kerapatan non kristalin


Polimer kristal (samb.): Kristalisasi dan suhu leleh polimer:

Titik leleh ditentukan oleh perubahan energi bebas Gibbs, dimana:Sehingga suhu atau titik leleh polimer

dinyatakan dengan:Δg = perub. energi bebas GibssΔh = perub. entalpiΔs = perubahan entropi

Tm tinggi jika Δh tinggi dan Δs rendah


Polimer kristal (samb.):Suhu leleh kesetimbangan:Suhu leleh polimer bergantung pada ukuran

kristalnya. Kristal yang kecil mempunyai entalpi yang rendah karena pengaruh energi permukaan yang besar sehingga suhu leleh juga rendah dibandingkan polimer dengan ukuran kristal besar.

Untuk polimer lamelar, suhu leleh juga bergantung pada ketebalan, jadi suhu leleh polimer dinyatakan dengan: = Suhu leleh

kesetimbanganl = tebal lamelarσ = energi permukaan


Polimer kristal (samb.):Laju kristalisasi:

Kristalisasi polimer terjadi pada suhu dibawah suhu leleh dan bergantung pada derajat pedinginan super: Tc = suhu

kristalisasiJadi laju kristalisasi ditentukan oleh perubahan energi Gibbs yang ditunjukan oleh:


Polimer kristal (samb.):Laju kristalisasi dan pertumbuhan kristal

Laju kristalisasi meningkat jika suhu kristalisasi Tc rendah. Tc yang rendah akan mengurangi pertumbuhan kristal. Jadi terdapat laju pertumbuhan kristal maksimum pada suhu dibawah Tm.Jumlah polimer yang terkristalisasi (X = fraksi) dapat dinyatakan dengan:

X = 1 – exp[-(kt)n]

k = tetapan laju efektift = waktun = tetapan


Polimer semikristal:Tersusun dari sperulit, yaitu kumpulan (agregat dari zona/daerah kristal dan non-kristal.

Kristal


Polimer semi kristal (samb.):Perubahan struktur rantai polimer membentuk lamelar selama proses pemadatan (kristalisasi).

Bagian kristal yang membentuk lamelar


Sifat mekanik polimerPolimer adalah viskoelastis:a)Cairan viskosb)Padatan elastis

Sifat mekanik polimer terhadap suhu:oBersifat glass pada suhu rendahoBersifat rubber pada suhu tinggi

(mengakibatkan deformasi permanen)

Pada rentang suhu medium (transisi glass), polimer bersifat viscoelastis. Pada beban tetap, polimer akan berubah bentuk terhadap waktu (creep)

Sifat mekanik polimer (samb.)

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Suhu mempengaruhi sifat/perilaku mekanik

polimer ditentukan oleh perilaku tegangan-regangan.a)Polimer bersifat paling rapuh (getas)

b)Proses yielding sebelum patahan

c)Necking d)Deformasi homogen

e)Perilaku seperti rubber

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Sifat mekanik polimer

(samb.)Polimer semikristalin

Sifat mekanik polimer (samb.)


Deformasi pada polimer semikristalin

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Sifat mekanik polimer

(samb.)Sifat mekanik seperti kekakuan dapat menentukan kristalinitas dan titik yield suatu polimer dan tidak bergantung pada berat molekular. Saat derajat kristalinitas turun maka kekakuan dan titik yield juga berkurang.

Sifat mekanik lain seperti kekerasan, kekuatan bentur (impak) dipengaruhi oleh kristalnitas dan berat molekular.

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Sifat listrik polimer

Sifat listrik pertama yang dikenal pada bahan polimer adalah resistivitas listrik yang tinggi (isolator).

3. Struktur dan sifat molekul polimer (samb.) Sifat listrik polimer (samb.)Polimer tidak memiliki elektron bebas, namun terdapat beberapa polimer yang memiliki ikatan tak jenuh pada rantai utamanya contohnya poliacetilin yang memiliki ikatan tunggal dan ganda selang-seling.

4. Karakterisasi polimerDifferential Scanning Calorimeter (DSC)Kalor jenis pada tekanan tetap:

Jika dT/dt tetap maka dapat digambarkan:

a)Tidak ada proses transisi orde pertama (pelelehan)

b)Pada proses transisi orde pertama

Selama transisi ΔT naik seragam terhadap waktu pada laju T. Karena suhu sampel tetap maka:

4. Karakterisasi polimer (samb.)Differential Thermal Analysis

(DTA)Sampel dan reference dipanaskan dari satu sumber. Perbedaan suhu keduanya terbentuk.

Termoplastik poliester

4. Karakterisasi polimer (samb.)Hamburan cahaya:

Untuk menentukan struktur polimer.

4. Karakterisasi polimer (samb.)Hamburan cahaya:

4. Karakterisasi polimer (samb.)Difraksi sinar x:

b

c

4. Karakterisasi polimer (samb.)Difraksi sinar x (samb.):

4. Karakterisasi polimer (samb.)Spektroskopi inframerah dan

Raman:Dengan memberi “gangguan” (gel. e.m.), ikatan akan bergetar sehingga terjadi perubahan panjang dan sudut ikatan.Getaran molekul terjadi karena:a)Penyerapan (absorbsi)

frekuensi gel. e.m. (IR) = modus normal getaran molekul. Energi penyerapan berubah menjadi panas atau di radiasikan kembali.b)Hamburan

frekuensi dapat berubah (hamburan Raman) atau tetap.

a)Peregangan simetris

b)Peregangan anti simatris

c)Tekukan (bending)

Getaran molekul CO2

4. Karakterisasi polimer (samb.)Spektroskopi inframerah dan

Raman (samb.):Diagram sistem spektroskopi Raman

Spektrum inframerah sampel 1,2-polibutadiena

Penurunan intensitas hasil penyerapan (hukum Lambert)

Spektroskopi inframerah dan Raman (samb.):

4. Karakterisasi polimer (samb.)

a)Suhu kamarb)Suhu 1960Cc)Suhu 1960C dengan resolusi yang lebih tinggi

4. Karakterisasi polimer (samb.)Spektroskopi inframerah:

In infrared spectroscopy, IR radiation is passed through a sample. Some of the infrared radiation is absorbed by the sample and some of it is passed through (transmitted). The resulting spectrum represents the molecular absorption and transmission, creating a molecular fingerprint of the sample. Like a fingerprint no two unique molecular structures produce the same infrared spectrum. This makes infrared spectroscopy useful for several types of analysis.

Spektroskopi inframerah:4. Karakterisasi polimer (samb.)

4. Karakterisasi polimer (samb.)Spektroskopi Resonansi Magnetik

Inti (NMR)Sampel uji polimer dapat berupa cairan ataupun padatan

4. Karakterisasi polimer (samb.)Mikroskop optik

Untuk dapat mengamati struktur polimer maka digunakan mikroskop polarisasiIndicatrix = refraktive-index ellipsoid untuk medium anisotropik

Arah sumbu kristal yang berbeda akan terlihat pada mikroskop polarisasi dalam bentuk terang gelap.

4. Karakterisasi polimer (samb.)Mikroskop elektron: SEM

Tegangan pemercepat 20 keVResolusi = 10 nmPerbesaran = 10 – 100.000 x

4. Karakterisasi polimer (samb.)Mikroskop elektron: TEM

Tegangan pemercepat = 100 kVPerbesaran = 1.000.000 xResolusi maksimum = 0.2 nm

Kekuatan tarikSalah satu sifat mekanik adalah perubahan kekuatan tarik (tensile strength) polimer sangat dipengaruhi oleh perubahan berat molekularnya.

TS = w∑ i(TS)I

Jika suatu polimer memiliki titik yield, maka pada saat uji tarik, polimer akan mengalami perpanjangan sebelum kegagalan terjadi. Kekuatan tarik maksimum akan meningkat dengan meningkatnya berat molekular polimer.

4. Karakterisasi polimer (samb.)

5. Pemrosesan polimerMoldingProses dimana bahan polimer plastik halus ditekan dengan menggunakan panas dan tekanan sehingga bahan polimer dapat masuk dan mengalir kedalam suatu cetakan (mold).Jenis-jenis molding:a)Kompresib)Injeksic)Tiupan (blow)d)Reaksi-injeksie)Rotasif)Termosetg)transfer

5. Pemrosesan polimer (samb.)Molding (samb.)

Molding kompresi


Molding reaksi-injeksi struktural


Molding injeksi ram

Molding injeksi ulir


Molding transfer resin

5. Pemrosesan polimer (samb.)Molding (samb.)Molding transfer resin dengan kawalan hampa (vakum)

5. Pemrosesan polimer (samb.)EkstrusiBahan polimer dipuntir melalui suatu ulir pada suhu dan tekanan leleh kemudian ditekan melalui suatu lubang cetakan (die) sehingga dihasilkan suatu produk.

Jenis-jenis ekstrusi:a)co-ekstrusib)Ekstrusi filmc)Pultrusi

5. Pemrosesan polimer (samb.)Ekstrusi (samb.)Ekstrusi film

Pultrusi

5. Pemrosesan polimer (samb.)Ekstrusi (samb.)

5. Pemrosesan polimer (samb.)Casting Bahan polimer cair dituangkan ke dalam cetakan (mold) dan dipadatkan dengan cara pendinginan (Fisika) ataupun polimerisasi (Kimia). Meskipun prosesnya lambat namun murah.o Casting resin termoseting Proses casting dihentikan pada saat awal proses polimerisasi sehingga bahan masih bersifat fusibel dan fluida. Setelah cetakan diisi, resin di keraskan dalam tungku pemanas.

5. Pemrosesan polimer (samb.)Casting (samb.) o Casting polimer vinilpolimer vinil di casting dengan mencampurkan monomer dan polimer dan polimerisasi monomer dilakukan didalam cetakan.

o Casting filmlarutan polimer dialirkan diatas permukaan sangat halus kemudian setelah pelarut diuapkan maka dihasilkan produk seperti pita film.

5. Pemrosesan polimer (samb.)CoatingProses pelapisan pada suatu permukaan bahan (substrat) salah satunya dengan cara dicelupkan ke dalam larutan polimer kemudian dikeringkan atau perlakuan panas.FoamingDengan cara membangkitkan gas dalam cairan polimer pada suhu tinggi.

Forming

Forming5. Pemrosesan polimer (samb.)

a) Match-die forming b) hidroforming c) termoforming

5. Pemrosesan polimer (samb.)

o Forming diapragma

Forming (samb.)

5. Pemrosesan polimer (samb.)Forming (samb.)o Forming komposit matrik termoplastik

6. Topik khusus polimerTeknologi serat (fiber) alamiah:Bahan serat dapat berupa sintetik, alamiah, organik maupun bukan organik. Contohnya nilon dan selulosa acetat yang memiliki kesamaan dengan plastik.Contoh-contoh bahan serat alamiah: kapas, wool, rami, serabut kelapa, batang pisang, bambu dsb.

6. Topik khusus polimer:Fiber polimer sebagai penguat (fiber-reinforced polymer)

o Penguat pada komposit (fiber + matrik). Contoh glass dan karbon.

o Banyak diaplikasikan dalam industri dirgantara, otomotif, kelautan, infrastruktur, alat olah raga dsb.

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber polimer sebagai penguat (fiber-reinforced polymer)

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber karbon:oRapat massa keciloKekuatan tarik dan kompresif tinggioKoefisien muai termal rendahoKonduktivitas termal dan listrik tinggi

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber karbon:

6. Topik khusus polimer (samb.):Matrik polimer termoseting: Epoxy

6. Topik khusus polimer (samb.):Matrik polimer termoseting: ester vinil

6. Topik khusus polimer (samb.):Matrik polimer termoplastik: ester vinil

Polipenilin sulfida:6. Topik khusus polimer (samb.):

polisulfon:

Matrik polimer termoplastik: ester vinil

6. Topik khusus polimer (samb.):

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber alamiah:

Hemp (rami), flax (rami halus), sisal, jute (goni), serabut kelapa (coir), pisang (abaca)Komponen:a.Selulosab.lignin

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber alamiah:

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber alamiah: pisang

6. Topik khusus polimer (samb.):Fiber alamiah: kapas

Pembentukan briket dan asap cair

Asap Cair Grade 1

Asap Cair Grade 2

Asap Cair Grade 3

Briket



Grade 3

Grade 2Grade 1

6. Topik khusus polimer (samb.):Pembentukan polimer berbahan dasar selulosa

dalam medium air kelapa menggunakan bakteri acebacter-xylinum (Tiara Nurharum Fatima, 2012)

Pembentukan polimer berbahan dasar selulosa dalam medium air kelapa menggunakan bakteri acebacter-xylinum (Tiara Nurharum Fatima, 2012)


6. Topik khusus polimer (samb.):Pembentukan polimer berbahan dasar selulosa

dalam medium air kelapa menggunakan bakteri acebacter-xylinum (Tiara Nurharum Fatima, 2012)

6. Topik khusus polimer (samb.):Pembentukan komposit menggunakan

polipropolina dan polistiren, grafit dan acetilen untuk aplikasi pelat bipolar (Novita Amie Lestari, 2012; Sefnie Septiva, 2012)

Pembentukan komposit menggunakan polipropolina dan polistiren, grafit dan acetilen untuk aplikasi pelat bipolar (Novita Amie Lestari, 2012; Sefnie Septiva, 2012)



polipropolina dan polistiren, grafit dan acetilen hitam untuk aplikasi pelat bipolar (Novita Amie Lestari, 2012; Sefnie Septiva, 2012)Hasil pencampuran polipropilena, grafit dan acetilen hitam.


polipropolina dan polistiren, grafit dan acetilen hitam untuk aplikasi pelat bipolar (Novita Amie Lestari, 2012; Sefnie Septiva, 2012)Pelat bipolar setelah di press

Pembentukan briket arang tempurung kelapa

Pembentukan briket arang tempurung kelapa

PSA (Particle Size Analyzer) yang menunjukan bahwa sebaran ukuran partikel serbuk kasar arang tempurung kelapa yang dinyatakan prosentasi diff. volume adalah 5.610 – 6.760 µm (41.14 %) sedangkan untuk serbuk arang halus adalah 0.452 – 3.519 µm (99,77%)

Fisika Polimer _PPT

Documents

Transcript of Fisika Polimer _PPT