[Material Teknik] Definisi Polimer dan struktur polimer

 

Polimer

1. Definisi dan Konsep Dasar Polimer

Polimerisasi adalah reaksi pembentukan rantai polimer organik yang panjang danberulang. Polimerisasi digolongkan ke beberapa sistem: sistem adisi-kondensasi dan sistem pertumbuhan rantai bertahap. Bentuk lain dari polimerisasi adalah polimerisasi membuka cincin yang serupa dengan polimerisasi rantai. Polimer alamiah mencakup protein seperti sutera,enzim dan serat otot. polimer disebut juga makromolekul. Polimer Adisi dan Polimer kondensasi.
            Polimerisasi Adisi monomer mengadisi monomer lain sehingga produk polimer mengandung semua atom yang ada pada monomer awal. Polimerisasi dapat berlangsung dengan bantuan suatu kalisator. Contohnya pembentukan polietilena dari etilen.

            Polimerisasi kondensasi pada polimerisasi kondensasi monomer-monomersaling berkaitan dengan melepas molekul kecil, seperti H2O dan CH3OH (metanol).Polimerisasi kondensasi terjadi pada monomer-monomer yang mempunyai gugusfungsi pada kedua ujung rantainya.

            2. Identitas Monomer (Monomer Identity)

            Identitas polimer yang terdiri dari monomer-monomer adalah sifat utama dan yang penting dari polimer. Tata nama polimer biasanya berdasarkan pada tipe monomer yang menyusun polimer. Polimer yang terdiri dari hanya satu jenis monomer disebut homopolimer, contohnya yaitu Poly(styrene) yang terdiri dari monomer -monomer styrene. Sedangkan polimer yang terdiri dari campuran   beberapa monomer disebut kopolimer, contohnya yaitu Etilen Vinil Asetat yang terdiri atas lebihdari satu macam monomer. Molekul polimer yang mengandung sub-unit yang dapatdiionisasi disebut sebagai polyelectrolyte. Polyelectrolyte yang mengandung subunityang fraksi ionisasinya rendah disebut ionomer

         

          Rekayasa polimer meliputi bahan alami seperti karet dan bahan sintetis seperti plastik dan elastomer. Polimer merupakan bahan yang sangat berguna karena struktur mereka dapat di ubah dan di sesuaikan untuk menghasilkan bahan dengan berbagai sifat mekanik dalam spektrum yang luas dari warna dan sifat-sifat transparan yang berbeda polimer terdiri dari molekul sederhana banyak yang mengulang unit structural yang disebut monomer.

Sebuah molekul polimer tunggal dapat terdiri dari ratusan hingga satu juta monomer dan mungkin memiliki, linier bercabang, atau struktur jaringan. Ikatan kovalen memegang atom dalam molekul polimer bersama dan obligasi sekunder lalu tahan kelompok rantai polimer bersama untuk membentuk bahan polimer. Kopolimer merupakan polimer yang terdiri dari dua atau lebih jenis monomer.

3.Chain Linearity

            Bentuk paling sederhana dari molekul polimer adalah rantai lurus atau disebut juga sebagai polimer linear yang terdiri dari satu rantai utama. Fleksibilitas dari rantai polimer yang tidak bercabang di pengaruhi oleh persistence length (sifat dasar mekanis yang mengukur kekakuan dari polimer panjang). Molekul polimer bercabang di susun dari rantai utama dengan satu atau lebih cabang. Beberapa tipe khusus dari polimer bercabang adalah star polymers, comb polymers, dan brush polymers. Jika polimer mengandung rantai cabang yang komposisinya berbeda dengan rantai utama maka dia disebut grafted polymer. Cross-link menunjukkan dimana titik percabangan dimulai

            a. Linear Polymer

            Polimer linear tersusun atas satu rantai panjang yang kontinu, tanpaadanya percabangan dari rantai tersebut.

 

Struktur Linear Polymer

b. Branched

            Polymer Branched adalah polymer terdiri atas satu rantai utama yang mempunyai rantaimolekul lebih kecil sebagai cabang. Sebuah struktur rantai bercabang cendrungmenurunkan tingkat kristanilitas ( cristanility ) dan kepadatan ( density ) polymertersebut. Susunan geometrik dari ikatan bukan merupakan penyebab bervariasinyastuktur polymer. Branched polymer terbentuk ketika terdapat rantai cabang yangmenempel pada rantai utama.contoh sederhana dari branched polymer seperti terlihat pada gambar di bawah.

           Terdapat berbagai jenis branched polymer yang dapat terbentuk. Salah satunya yang di namakan dengan star-branching. Star-branching terbentuk ketika polimerisasi dimulai dengan single monomer dan mempunyai cabang radial keluar.Polymer dengan tingkat kecabangan yang tinggi disebut dendrimers. Sering kali padamolekul ini, tiap cabangnya mempunyai cabang lagi. Ini menyebabkan keseluruhanmolekulnya mempunyai bentuk spherical.

            c. Cross-Linking

            Cross-linking dalam polymer terjadi ketika ikatan valensi primer terbentukantara moleku-molekul rantai polymer yang terpisah. Selain ikatan dimana monomermembentuk rantai polymer, ikatan polymer yang lain terbentuk diantara polymertetangganya. Ikatan ini dapat terbentuk secara langsung diantara rantai tetangganya,atau dua rantai dapat terikat menjadi rantai yang lain. Walupun tidak sekuat ikatan padarantai, cross-links mempunyai peran yang sangat penting pada polymer.

Sifat jenuh polimer sangat bergantung pada ukuran dari rantai polimer. Seperti kebanyakan molekul, ukuran molekul polimer dapat di gambarkan melalui berat molekul Pada polimer, berat molekul dapat digambarkan oleh derajat polimerisasi, yaitu jumlah monomer yang membentuk polimer. Untuk polimer sintetik, berat molekul di gambarkan dengan statistik untuk menjelaskan distribusi berat molekul pada sampel. Hal ini karena hamper semua  proses industry memproduksi distribusi ukuran rantai polimer. Contoh dari perhitungan statistic adalah number average molecular weight (M N) dan weight average molecular weight (MW). Perbandingan dari kedua nilaitersebut disebut polydispersity index (PDI), biasanya digunakan untuk menggambarkan “ketebalan” dari berat molekul. Ruang yang ditempati oleh molekul polimer secara umum digambarkan oleh radius of gyration (Rg)

 

rumus

d. Architecture

            Polimer Yang berbeda arsitekturnya mewakili isomer konstitusional dimanahubungan dari atom-atomnya berbeda. Polimer semacam ini di dapat dari polimerisasimonomer dari sifat kimia yang berbeda tetapi memiliki komposisi atom yang yangsama. Rumus molekul dari unit monomer untuk semua tipe polimer berikut ini adalahC2H4O. b. OrientationPerbedaan dimana atom dalam polimer dapat dihubungkan, muncul dari duacara penambahan dari monomer yang sama untuk pertumbuhan rantai polimer. 

3.1 Klasifikasi Polimer

Secara umum, polimer di bagi menjadi dua kategori Plastik dan Karet. Berdasarkan sumbernya :

-          Polimer alami : kayu, kulit binatang, kapas, karet alam, rambut.

-          Polimer sintetis Tidak terdapat secara alami: nylon, poliester, polipropilen, polistiren Terdapat di alam tetapi dibuat oleh proses buatan: karet sintetis.

-          Polimer alami yang dimodifikasi: seluloid, cellophane (bahan dasarnyadari selulosa tetapi telah mengalami modifikasi secara radikal sehinggakehilangan sifat-sifat kimia dan fisika asalnya).

            Berdasarkan jumlah rantai karbonnya

-          1 ~ 4 Gas (LPG, LNG)

-          5 ~ 11 Cair (bensin)

-          9 ~ 16 Cairan dengan viskositas rendah

-          16 ~ 25 Cairan dengan viskositas tinggi (oli, gemuk)

-          25 ~ 30 Padat (parafin, lilin)

-          1000 ~ 3000 Plastik (polistiren, polietilen, dlld.

Berdasarkan kriteria material rekayasa, polimer dikelompokkan menjadi tigaYaitu:

            Termoplastik

Berupa material padatan pada temperatur ruang tetapi berubahmenjadi cairan kental ketika dipanaskan pada temperatur beberapa ratusderajat saja. Karakteristik ini menyebabkan termoplastik mudah danekonomis difabrikasi menjadi beragam bentuk. Dapat diberikan siklus pemanasan-pendinginan berulang kali tanpa degradasi

Termoset

Tidak dapat menerima siklus pemanasan-pendinginan sepertitermoplastik :Ketika dipanaskan pada tahap awal, termoset melunak dan mampu mengalirdi dalam cetakan. Tapi pada temperatur yang tinggi, terjadi reaksi kimiayang mengeraskan material sehingga akhirnya menjadi padatan yang tidakmampu lebur kembali (infusible solid). Jika dipanaskan ulang, tidak mampumelunak kembali melainkan akan terdegradasi menghasilkan arang.Contoh: phenolics, epoxies, dan beberapa jenis polyesters

4. SIFAT MEKANIK

4.1. Kekuatan (Strength)

            Kekuatan merupakan salah satu sifat mekanik dari polimer. Ada beberapa macam kekuatan dalam polimer, diantaranya yaitu sebagai berikut:

            a.Kekuatan Tarik (Tensile Strength)

            Kekuatan tarik adalah tegangan yang dibutuhkan untuk mematahkan suatu sampel. Kekuatan tarik penting untuk polymer yang akan ditarik, contohnya fiber, harus mempunyai kekuatan tarik yang baik.

           b.Compressive strength

            ketahanan terhadap tekanan. Beton merupakan material yang memiliki kekuatan tekan yang bagus. Segala sesuatu yang harus menahan berat dari bawah harus mempunyai kekuatan tekan yang bagus.

            c. Flexural strength

             ketahanan pada bending (flexing). Polimer mempunyai flexuralstrength jika dia kuat saat dibengkokkan.

d.Impact strength

            ketahanan terhadap tegangan yang datang secara tiba-tiba.Polimer mempunyai kekuatan impek jika dia kuat saat dipukul dengan keras secara tiba-tiba seperti palu.

            4.2 Elongation

            Semua jenis kekuatan memberitahu kita berapa tegangan yang dibutuhkanuntuk mematahkan sesuatu, tetapi tidak memberitahu kita tentang apa yang terjadi padasampel kita saat kita mencoba untuk mematahkannya, itulah kenapa kita mempelajarielongation dari polimer. Elongasi merupakan salah satu jenis deformasi. Deformasimerupakan perubahan ukuran yang terjadi saat material di beri gaya. Elongasi adalah panjang polimer setelah di beri gaya (L) dibagi dengan panjangsampel sebelum diberi gaya (Lo) kemudian dikalikan 100. Elongation-to-break (ultimate elongation) adalah regangan pada sampel padasaat sampel patah. Elastomer memiliki ultimate elongation yang tinggi.

            4.3. Modulus

Modulus diukur dengan menghitung tegangan dibagi dengan elongasi. Satuan modulus sama dengan satuan kekuatan (N/cm2) biasanya digunakan initial slope sebagai modulus,. Secara umum, fiber mempunyai tensilemoduli yang paling tinggi dan elastomer paling rendah, dan plastic berada diantarakeduanya

4.4. Ketangguhan (Toughness)

            Ketangguhan adalah pengukuran sebenarnya dari energi yang dapat diserapoleh suatu material sebelum material tersebut patah. Apakah perbedaan dariketangguhan dan kekuatan? Dari segi fisika, kekuatan (strength) adalah gaya yangdibutuhkan untuk mematahkan sampel, dan ketangguhan (toughness) adalah berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk mematahkan sampel. Seperti yang dapat dilihat,sampel tersebut membutuhkan gaya yang besar untuk mematahkan sampel, tapi tidak banyak energi.

            4.5  Pengaruh Struktur Kimia Terhadap Sifat Mekanik Polimer

            a. Chain Length

            Semakin panjang rantai ketangguhan dan kekuatan semakin meningkat terjadi peningkatan interaksi dalam rantai seperti ikatan Van der Waals, rantai menjadi lebih kuat pada posisinya dalam menahan deformasi dan perpecahan matriks, baik pada tegangan tinggi maupun temperatur tinggi.

            5.THERMAL PROPERTIES

            5.1 Sifat dan Performa Polimer pada Temperatur Tinggi

            Polimer sering dianggap sebagai material yang tidak mampu memberikan performa yang baik pada termperatur tinggi. Namun, pada kenyataannya, terdapat beberapa polimer yang cocok untuk penggunaan pada temperatur tinggi, bahkan lebih baik daripada traditional materials.Pada polimer, khususnya plastik, definisi temperatur tinggi adalah suhu diatas130ºC. Pada temperatur tinggi, polimer tidak hanya melunak, tetapi juga dapat mengalami degradasi termal. Sebuah plastik yang mengalami pelunakan padatemperatur tinggi tetapi mulai mengalami degradasi termal pada suhu yang jauh lebih rendah hanya dapat digunakan pada suhu di bawah suhu dia mulai mengalamidegradasi. Menentukan temperatur aplikasi membutuhkan pengetahuan mengenai perilaku degradasi termal dari polimer tersebut. Titik pelunakan pada polimer sangatlahditentukan oleh tipe polimer yang digunakan. Pada polimer amorf, suhu yang pentingadalah Tg (glass transition temperature). Sedangkan, pada polimer kristalin dan semi-kristalin, suhu yang penting terletak pada Tm (melting point).

            Time-Temperature Superposition Sifat mekanisme dari polimer ditentukan oleh prinsip time-temperature superposition. Prinsip ini mampu menunjukkan bahwa waktu dan temperature dapat memiliki sifat yang sama namun berlawanan. Kekuatan polimer pada pembebanan high-rate dan temperatur rendah dapat secara efektif menyerupaikekuatannya pada pembebanan low-rate dan temperatur tinggi.

            Hal ini dapat berarti jika dilakukan pengujian pada temperatur tinggi dan pembebanan fast-rate,  hasil pengujian dapat digunakan untuk memperkirakan kekuatan polimer pada temperature rendah dan rate pembebanan yang lebih rendah. Namun, hal ini dapat pula berarti temperatur aplikasi polimer dapat bervariasi tergantung pada rate pembebanan pada aplikasi tersebut, dimana beban kecil pada temperatur tinggi dapat berakibat yang sama dengan beban besar pada temperatur rendah.

Untuk aplikasi pada temperatur tinggi, material yang paling cocok adalah

-          PTFE : 26ºC

-          PFA : 260°C

-          PEEK : 260ºC

-          FEP : 200ºC

-          PEI : 180ºC

-          PET/PBT : 170ºC

            Polimer-polimer tersebut mampu mengcover wide-range temperatures dandapat digunakan dengan baik pada temperatur tinggi. Selain itu, polimer-polimer ini juga tidak membutuhkan pemrosesan khusus (selain PTFE karena koefisien friksinya rendah) bila di bandingkan dengan commodity polymers. Hal ini berarti proses ekstrusiyang digunakan pada commodity polymers dapat pula digunakan untuk membuat polimer yang cocok untuk aplikasi pada suhu tinggi

5.2 Sifat Polimer Pada Temperatur Rendah

            Pada umumnya, polimer pada suhu ruang menunjukkan sifat fleksibilitas danketahanan yang tinggi terhadap cracking, tetapi pada penurunan suhu, sifat tersebutdapat berubah drastis dan polimer menjadi getas hanya dengan beban kegagalan yang rendah.

            Polimer memiliki rantai molekul yang panjang dan saling tumpang-tindih satusama lain. Jika polimer berada pada suhu ruang, gerakan antar rantai polimer dapatsaling menyesuaikan dan meregang. Namun, jika polimer itu didinginkan, rantait ersebut akan menempel satu sama lain dan tidak dapat meregang lagi. Polimer tersebutakan menjadi kaku dan melewati temperatur transisi gelas menjadi material yang kerasdan rapuh. Temperatur transisi gelas biasanya tidak memiliki transisi yang jelas antararubbery state dan glass regions. Temperatur transisi gelas biasanya berkisar antara 10-50ºC. Jika polimer didinginkan di bawah Tg, polimer menjadi stabil dan tidak terjaditransisi lagi. Dengan demikian, temperatur rendah pada polimer dapat didefinisikansebagai suhu di bawah Tg. 

            Nilai sesunguhnya dari Tg bervariasi bergantung kepada struktur molekul spesifik dari polimer dasarnya, berat molekul, distribusi berat molekul dari polimertersebut, aditif yang ditambahkan ke dalam formula, serta beberapa faktor lain. Polimerdengan Tg di atas suhu ruang akan mengalami glassy state pada suhu ruang dan akanmemiliki kecenderungan untuk rapuh dan rusak pada suhu ruang. Contohnya adalah PS, PMMA, dan PET. Polimer dengan Tg di bawah suhu ruang akan mengalami rubberystate pada suhu ruang sehingga akan cenderung fleksibel dan sulit dihancurkan padasuhu ruang. Contohnya adalah PP, PE, dan PTFE

Pada temperatur yang sangat rendah, beberapa aplikasi mengharuskan adanyakontak dengan Liquid Oxygen (LOX) dimana pada umumnya plastik tidak kompatibeldan akan terbakar. Namun, beberapa polimer yang tergabung dalam keluargaflourocarbon (PTFE, PCTFE, FEP, dll.) memiliki resistansi yang baik terhadap LOX.Selain itu, kelompok ini juga merupakan insulator yang baik, dan memiliki keuletanyang dapat dihitung (sebesar 1%) pada temperatur mendekati absolute zero (-269oC)

6. KETAHANAN KIMIA

            Salah satu masalah yang dihadapi oleh perusahaan minyak adalah korosi pada bagian dalam dari tangki minyak logam. Salah satu solusinya adalah dengan melapisi logam tangki dengan glass fiber-rein forced unsaturated polyester.

            Chemical resistance dari suatu polimer sangat dipengaruhi oleh struktur kimiadari material dan kekuatan dari ikatan terlemah pada structure. Misalnya pada PTFE yang hanya ada dua jenis ikatan yaitu C-C dan C-F. Kedua ikatan ini sangat stabil dansulit untuk diputus. Putusnya ikatan bisa menyebabkan reaksi kimia yang berlangsung.Akan tetapi pada faktanya, C-F adalah salah satu ikatan terkuat pada polimer. Sehinggadalam kehidupan sehari-hari flouropolymers (contohnya PTFE,PDVF) dikenal sebagai polimer dengan ketahanan terhadap zat kimia yang tinggi.

            Ada dua usaha yang dapat dilakukan untuk meningkatkan chemical resistance pada Polyester:

a. Meningkatkan steric-hindrance pada gugus ester

b. Mengurangi jumlah gugus ester per satuan panjang rantai.

Kedua langkah ini meningkatkan sifat hidrofobik dari Polyester.Dibandingkan dengan polimer amorphous, polimer dengan kristalinitas yang tinggimemiliki chemical rasistance yang lebih baik. Hal ini dikarenakan ikatan rantai

pada polimer kristalin yang saling berdekatan sehingga mengurangi permeabilitas. Polimerdengan ikatan cross-link memiliki solvent resistance yang baik.

Sumber : Tugas Makalah Pribadi 

Share this post