Summary Paduan Logam, Struktur Polimer Dan Aplikasinya - Satria
-
Upload
satria-auffa-dhiya-ulhaque -
Category
Documents
-
view
330 -
download
0
description
Transcript of Summary Paduan Logam, Struktur Polimer Dan Aplikasinya - Satria
SUMMARY
PADUAN LOGAM, STRUKTUR POLIMER DAN APLIKASINYA
Disusun Oleh :
SATRIA AUFFA DHIYA ‘ULHAQUE
140310110012
UNIVERSITAS PADJADJARAN
JATINANGOR - SUMEDANG
2012
PADUAN LOGAM
(METAL ALLOYS)
Types of Metal Alloys
Logam paduan merupakan pencampuran antara dua jenis logam atau lebih ,untuk
mendapat sifat fisika ,mekanik ,listrik ,dan visual yang lebih baik. Padauan logam
dikelompokan kedalam ferrous alloys yang meliputi steels dan cast iron dan nonferrous
A. Paduan Besi (Ferrous alloys)
Baja merupakan konstituen utama yang diproduksi dalam jumlah yang besar
dibandingkan logam lainnya. Baja sangat berguna khususnya untuk teknik kontruksi material
, kegunaannya yang luas tidak lepas dari tiga faktor yaitu :
1. Tersedianya bahan baku yang melimpah
2. Kemudahan untuk membentuk
3. Paduan baja dapat disesuaikan untuk memiliki berbagai sifat mekanik dan fisik
Kerugian utama dari paduan baja adalah kerentanan terhadap korosi. Skema klasifikasi
berbagai jenis ferrous alloys ,sebagai berikut :
Gambar 1. skema klasifikasi jenis paduan besi
1.Steels
Baja adalah paduan besi-karbon yang mungkin mengandung konsentrasi yang cukup dari
elemen paduan lainnya .Ada ribuan paduan yang memiliki komposisi yang berbeda. Sifat
mekanik yang sensitif terhadap kandungan karbon, yang biasanya kurang dari 1,0% berat.
Klasifikasi umum dari baja yang sesuai dengan konsentrasi karbon :
1. Low-carbon steels (% wt of C < 0.3)
2. Medium-carbon steels (0.3 <% wt of C < 0.6)
3. High-carbon steels (% wt of C > 0.6)
4. Terdapat subclass dalam masing-masing kelompok sesuai dengan konsentrasi unsur-
unsur paduan lainnya.
1.1.Low-Carbon Steels
Low-Carbon Steels terbagi atas Plain Low-Carbon Steels dan High Strengh,Low Alloy.
Plain Carbon Steel
Plain Carbon Steel mengandung konsentrasi residu selain karbon dan sedikit mangan. Alloy
Steel paduan unsur yang sengaja ditambahkan dalam konsentrasi tertentu. Plain Low-Carbon
Steels diproduksi dalam jumlah terbesar, umumnya mengandung kurang dari sekitar 0,25%
berat C, tidak responsif terhadap perlakuan panas dimaksudkan untuk membentuk martensit,
penguatan dilakukan dengan cold working, mikrostruktur terdiri dari ferit dan perlit
konstituen. Paduan ini relatif lunak dan lemah tetapi memiliki keuletan yang luar biasa dan
ketangguhan Machinable, weldable, dan dari semua baja, merupakan yang paling mahal
untuk diproduksi. Aplikasi yang umum termasuk komponen badan mobil, bentuk struktur (I-
balok, saluran dan besi sudut), dan lembaran yang digunakan dalam pipa, bangunan,
jembatan, dan kaleng timah. Biasanya memiliki kekuatan luluh dari 275 MPa (40.000 psi),
kekuatan tarik antara 415 dan 550 MPa (60.000 dan 80.000 psi), dan daktilitas dari 25% EL.
High Strengh,Low Alloy (HSLA) steels
Kelompok lain dari low-carbon alloys adalah high-strength, low-alloy (HSLA) steels,
mengandung unsur-unsur paduan lainnya seperti tembaga, vanadium, nikel, dan molibdenum
dalam konsentrasi yang dikombinasikan setinggi 10% berat, memiliki kekuatan lebih tinggi
dari plain low-carbon steel. Sebagian besar dapat diperkuat dengan perlakuan panas,
memberikan kekuatan tarik lebih dari 480 MPa (70.000 psi). ductile, formable,dan
machinable lebih tahan terhadap korosi dibandingkan baja karbon biasa mengganti baja
karbon biasa dalam banyak aplikasi di mana kekuatan struktural sangat penting (misalnya,
jembatan, menara, tiang penyangga dalam bangunan bertingkat tinggi).
Lembaga-lembaga standarisasi material ,yaitu :
1. AISI ( American Iron and Steel Institute )
2. SAE ( Soiety of Automotive Engineers )
3. ASTM ( American Society for Testing and Materials )
4. UNS ( Uniform Numbering System )
AISIS/SAE Steel Designation System
SAE (Society of Automotive Engineers) menetapkan standard baja yaitu SAE steel
grades. Ini terdiri dari empat digit yang menjadi repsrenstasi komposisi kimia. AISI memakai
standard dengan system penomoran yang sama dengan SAE, namun menambahkan huruf
untuk menujukan proses pembuatan baja. Sebagai contoh prefix “C” untuk open hearth
furnace, basic oxygen furnace (BOF) dan “E” untuk electric arc furnace.
• Sistem penomoran AISI/SAE :
Dua digit pertama menggambarkan tipe material, yaitu element utama pada digit pertama
dan secondary element pada digit kedua. Dua digit terakhir adalah kandungan element
karbon yang dinyatakan dalam seperseratus persen.
Gambar 2. Sistem penomoran AISI/SAE
Contoh 1060, artinya 1 untuk baja karbon (carbon steel), 0 untuk menunjukan plain (tidak
ditambahkan sulfur dan phospor). Dua digit terakhir yaitu 60 adalah kandungan karbon
sebesar 0,60 %.
Untuk baja karbon, digit kedua adalah:
-10XX 0 menunjukan plain carbon
-11XX 1 menunjukan resulfurized (ditambahkan sulfur)
-12XX 2 menunjukan resulfurized dan rephosporized (ditambahkan sulfur dan phosphor)
UNS Designation System
Bila pada AISI/SAE system penomoran terdiri dari 4 digit, UNS mengunakan 6 digit
untuk menggambarkan logam baik dari komposisi kimia, proses manufaktur, dan perlakuan
panas. Digit pertama terdiri dari huruf menunjukan jenis logam, yaitu:
AXXXXX A untuk aluminum
CXXXXX C untuk copper dan copper alloy
FXXXXX F untuk cast iron (besi cor)
GXXXXX G untuk baja karbon
NXXXXX N untuk nickel dan nickel alloy
SXXXXX S untuk stainlles stell
WXXXXX W untuk welding filler material
ZXXXXX Z untuk zinck dan zinck alloy
Digit kedua sampai digit kelima adalah adaptasi dari sistem penomoran AISI/SAE.
Sedangkan digit terakhir sebagai informasi tambahan untuk proses perlakuan panas,
tempering contohnya, atau proses manufaktur.
Contoh: UNS G10300
G menunjukan baja karbon
1030 plain carbon steel dengan kandungan karbon 0.30%
0 digit terakhir informasi tambahan mengenai heattreatment dan proses manufaktur.
1.2.Medium-Carbon Steels
Baja ini memiliki komposisi karbon antara 0,2%-0,5% C (berat). Dapat dikeraskan
dengan perlakuan panas dengan cara memanaskan hingga fasa austenit dan setelah ditahan
beberapa saat didinginkan dengan cepat ke dalam air atau sering disebut quenching untuk
memperoleh fasa ang keras yaitu martensit. Baja ini terdiri dari baja karbon sedang biasa
(plain) dan baja mampu keras. Kandungan karbon yang relatif tinggi itu dapat meningkatkan
kekerasannya. Namun tidak cocok untuk di las, dengan kata lain mampu las nya rendah.
Dengan penambahan unsur lain seperti Cr, Ni, dan Mo lebih meningkatkan mampu kerasnya.
Baja ini lebih kuat dari baja karbon rendah dan cocok untuk komponen mesin, roda kereta
api, roda gigi (gear), poros engkol (crankshaft) serta komponen struktur yang memerlukan
kekuatan tinggi, ketahanan aus, dan tangguh. Perlakuan panas paduan lebih kuat daripada
baja karbon rendah.
Aplikasi: roda kereta api dan truk, roda gigi, poros engkol, dan bagian mesin lainnya
,kekuatan struktural komponen yang tinggi
Gambar 3. roda gigi ,rel kereta api ,dan bagian mesin lainnya
1.3 High-Carbon Steels
Baja karbon tinggi memiliki komposisi antara 0,6- 1,4% C (berat). Kekerasan dan
kekuatannya sangat tinggi, namun keuletannya kurang. baja ini cocok untuk baja perkakas,
dies (cetakan), pegas, kawat kekuatan tinggi dan alat potong yang dapat dikeraskan dan
ditemper dengan baik. Baja ini terdiri dari baja karbon tinggi biasa dan baja perkakas. Khusus
untuk baja perkakas biasanya mengandung Cr, V, W, dan Mo. Biasanya mengandung
kromium, vanadium, tungsten, dan molibdenum.
Gambar 4. Kawat baja
1.4 Stainless Steels
Stainless Steels memiliki resistansi yang tinggi terhadap korosi. Baja dibuat tahan
korosi sangat dengan penambahan unsur paduan khusus, terutama minimal 12% Cr bersama
dengan Ni dan Mo. Stainless steel dibagi menjadi tiga kelas berdasarkan konstituen fase
dominan mikro: martensit, feritik, atau austenitic. Aplikasi yang umum termasuk sendok
garpu, pisau cukur, pisau bedah, dll.
Gambar 5. Pisau stainless steels
Martensitic stainless steels
Dapat dipanaskan sedemikian rupa untuk memiliki martensit sebagai microconstituent
utama.
Penambahan elemen paduan dalam konsentrasi yang signifikan menghasilkan
perubahan dramatis dalam diagram fasa besi-besi karbida.
Baja tahan karat martensit bersifat magnetis
Ferritic & Austenitic stainless steels
Baja feritik dan austenitik yang mengeras dan diperkuat dengan pekerjaan dingin
(cold working).
Baja austenitik paling tahan terhadap korosi, dan diproduksi dalam jumlah besar.
Baja austenitik tidak besifat magnetis seperti baja feritik dan martensit, yang bersifat
magnetis.
Beberapa baja stainless yang sering digunakan pada suhu tinggi dan dalam lingkungan yang
parah karena baja ini menolak oksidasi dan menjaga integritas mekanik di bawah kondisi
seperti di atas batas suhu atmosfer pengoksidasi sekitar 1000 ° C. Peralatan yang
menggunakan baja meliputi turbin gas, ketel uap suhu tinggi, pesawat, rudal, dan unit
pembangkit tenaga nuklir.
Gambar 6. Turbin Gas
Penomoran Baja
Titik pembagi antara baja dan besi cor adalah kandungan karbon baja adalah 2,11%,
dimana pada daerah ini bisa terjadi reaksi eutektik. Pada baja, kita konsentrasi di daerah
eutektik (Gambar 12.2) dimana garis kelarutan dan isotermal eutektoid terlihat. A3
memperlihatkan temperatur dimana ferit mulai terbentuk pada proses pendinginan; Acm
memperlihatkan temperatur dimana sementit mulai terbentuk; dan A1 adalah temperatur
eutektoid.
Hampir semua perlakuan panas baja diarahkan untuk mendapatkan struktur campuran ferit
dan sementit. Gambar 12.3 memperlihatkan tiga susunan struktur mikro ferit dan sementit
yang biasanya dibuat. Pearlit mempunyai struktur lamellar (berlapis) ferit dengan
sementit. Pada Bainit, sementit lebih bulat daripada pearlit. Martensit mempunyai
struktur campuran halus dan hampir bulat sementit di dalam ferit.
AISI (American Iron and Steel Institute) dan SAE (Society of Automotive Engineers)
mempunyai sistem pengelompokan seperti pada tabel 1. Dimana digunakan 4 atau 5
digit angka. Dua angka pertama merujuk pada elemen pemadu utama, dan dua atau tiga
angka berikutnya merujuk kepada persentase karbon. Misal: baja AISI 1040 adalah baja
karbon dengan kandungan karbon 0,40%.
Tabel 1. Komposisi beberapa baja BS dan AISI-SAE.
Perlakuan Panas Sederhana
Empat perlakuan panas sederhana yaitu: annealing proses, annealing, normalising, dan
pheroidising umum dipakai pada baja (Gambar 12.4). Perlakuan panas ini bertujuan untuk
mencapai salah satu dari: 1. menghilangkan efek pengerjaan dingin, 2. mengontrol
penguatan dispersi dan 3. meningkatkan kemampumesinan.
Annealing proses - Menghilangkan efek pengerjaan dingin. Perlakuan panas rekristalisasi
digunakan untuk menghilangkan efek pengerjaan dingin pada baja yang kandungan
karbonnya kurang dari 0,25% dan disebut Anneal proses.
Anneal proses dilakukan pada suhu 800C hingga 1700C dibawah temperatur A1. Ini
diatas temperatur rekristalisasi ferit.
Annealing dan Normalising - Penguatan Dispersi. Baja bisa diperkuat dengan dispersi
dengan mengatur kehalusan butir pearlit. Baja pertama-tama dipanaskan untuk
menghasilkan austenit yang homogen, langkah ini disebut austenising. Annealing atau
anneal penuh (full anneal) adalah mendinginkan baja secara perlahan pada dapur
pemanas sehingga menghasilkan butiran pearlit kasar. Normalising adalah mendinginkan
baja secara cepat, di udara, sehingga menghasilkan butiran pearlit halus. Gambar 12.5
memperlihatkan sifat-sifat yang diperoleh pada proses annealing dan normalising pada baja
karbon biasa.
Pada annealing, pembentukan austenit (austenising) baja hypoeutectoid dilakukan kira-kira
300C diatas A3, menghasilkan 100% . Austenising untuk baja hypereutectoid dilakukan
pada kira-kira 300C diatas A1, menghasilkan austenit dan Fe3C; proses ini mencegah
pembentukan bentukan yang getas, lapisan tipis kontinyu Fe3C di batas butir yang terjadi
pada pendinginan pelan dari daerah 100% . Pada kedua kasus ini dihasilkan pearlit kasar
dengan kekuatan rendah namun keuletan tinggi. Pada normalising, austenising dilakukan
pada kira-kira 550C diatas A3 atau Acm; baja kemudian dikeluarkan dari dapur pamanas
dan didinginkan di udara. Pendinginan cepat menghasilkan pearlit halus yang mempunyai
kekuatan lebih tinggi.
Spheroidising - Meningkatkan Kemampuan pemesinan. Baja karbon tinggi yang
mengandung sejumlah besar Fe3C mempunyai karakteristik pemesinan rendah. Selama
perlakuan spheroidising, yang dilakukan beberapa jam pada suhu kira- kira 300C dibawah
A1, Fe3C berubah bentuk menjadi partikel besar, speris yang mengurangi area butir. Struktur
mikronya disebut karbida spheroid, mempunyai matriks ferit kontinyu yang lunak dan
mampu dimesin (gambar 6). Struktur sejenis didapatkan bila martensit di temper sedikit
dibawah A1 untuk waktu yang lama.
2. BESI TUANG
Besi tuang adalah paduan besi dengan kadar karbon diatas 2.1%wt. Umumnya
kadar karbon berkisar antara 3,0-4,5wt%.
titik leleh : 11500-13000 c, lebih rendah dari baja
mempunyai sifat rapuh/getas.
pembentukan grafit dipengarui oleh : kadar si>1%.
besi tuang umumnya berupa : besi tuang kelabu, besi tuang nodular, besi tuang putih,
dan besi tuang maliable.
2.1 Besi tuang kelabu (gray cast iron)
diproses melalui pendinginan. Struktur : ferit+perlit dan grafit yang
berbentuk panjang serpihan. Sifat besi tuang sangat dipengaruhi oleh bentuk grafit.
Jenis Besi Tuang ini sering dijumpai (sekitar 70% besi tuang berwarna abu-abu).
Mempunyai graphite yang berbentuk FLAKE. Sifat dari Besi Tuang ini kekuatan
tariknya tidak begitu tinggi dan keuletannya rendah sekali (Nil Ductility). aplikasi :
blok mesin, rangka mesin, perkakas, rangka mesin-mesin lainnya.
2.2 Besi tuang nodular (nodular cast iron)
Perbedaan dengan besi tuang kelabu adalah bentuk grafitnya berbentuk bulat. Bentuk
grafitnya yang bulat karena dengan bahan sejumlah kecil magnesium (Mg), cerium (Ce)
kedalam besi tuang kelabu. Keuletan dan kekuatan besi tuang nodular lebih tinggi dari besi
tuang kelabu.
2.3 Besi tuang putih (White cast iron)
Pada besi tuang putih, kandungan karbonnya tidak membentuk grafit melainkan
karbida (Fe3c). Sifat besi tuang ini sangat keras dan cocok untuk digunakan pada
peralatan dengan ketahanan aus tinggi seperti alat- alat penghancur (crusher), alat-alat
pertambangan, dll.
2.4 Besi tuang mampu tempa (Malleable cast iron)
Besi Tuang jenis ini dibuat dari Besi Tuang Putih dengan melakukan heat treatment
kembali yang tujuannya menguraikan seluruh gumpalan graphit (Fe3C) akan terurai menjadi
matriks Ferrite, Pearlite dan Martensite. Mempunyai sifat yang mirip dengan Baja.
2.5 Besi tuang graphite yang dipadatkan (Compacted Graphite Cast Iron)
Grafit besi dipadatkan (CGI), juga dikenal sebagai besi grafit vermicular (GJV,
VG, JV atau ggv dari Jerman : "Gusseisen mit Vermiculargraphit" ) besi grafit dipadatkan
berbeda dalam struktur dari yang di besi abu-abu karena partikel grafit lebih pendek dan
lebih tebal. Hal ini mengakibatkan adhesi yang lebih kuat antara grafit dan besi ,sehingga
memberikan materi yang lebih besar kekuatan tariknya
B. PABRIKASI LOGAM
1. Forming operation : adalah dimana bentuk potongan logam dirubah dengan proses
defomasi plastis.
Jika proses deformasi plastis dilakukan diatas temperatur reskristalisasi maka proses
disebut pengerjaan panas (hot working), sedangkan jika dilakukan dibawah temperatur
reskristalisasi disebut pengerjaan dingin (cold working).
- pengerjaan panas : -
-
-
dimungkinkan untuk terjadinya deformasi yang
lebih besar
energi untuk melakukan deformasi lebih kecil
dari cold working
permukaan logam mengalami oksidasi
- pengerjaan dingin : -
-
-
kualitas permukaan logam yang lebih baik
kontrol dimensi lebih mudah
Proses forging, rolling, exrusion dan drawing bisa dilihat pada gambar dibawah ini
Forging:
Dilakukan dengan cara memukul potongan logam. Gaya diberikan pada cetak
yang mmbentuk produk logam. Contoh produk forging al: pada roda kereta api ,
kunci kunci, crank shft mobil dll.
Rolling
Proses dilakukan degan melewatkan logam pada 2 buah logam yang aikan
mengkompresi logam sehngga tebalnya berkurang. Produk yang di hasilkan bisa
berupa bulat, tiang 1 dan rel kereta api, plat dll.
Extrusion
Batangan logam didorong melalui cetakan dan produk akan berbentuk sesuai
yang dikehandaiki dan penampang yang lebih kecil. Produk extrusion al ;
batangan logam/ kawat, tube, dll.
Drawing
Dilakukan dengan cara menarik potongan logam pada sisi keluar cetakan.
Batangan logam,kawat, tube adalah produk produk yang bisa di hasaijkan
dengan drawing.
2. Casting
Adalah proses pabrikasi di mana logam cair dituang. Casting dilakukan jika :
1. Bentuk akhir besar atau complicated
2. Kualitas dan kekuata bukan merupakan pertimbangan utama
3. Bahan logam mempunyaikeuletan rendah sehingga tidak bisa dilakukan
“forming operation “.
4. Paling ekonomis .
Sand casting (cetakan pasir )
Adalah metoda yang paling umum. Pasir digunakan sebagai bahan cetakan
potongan cetakan pasir di buat dengan memadatkan pasir ke pola yang berbentuk
dimensi yang diinginkan. Proses pencetakan dilakukan dengan mengalirkan
logam cair kedalam cetakan. Contoh produk : silinder blok mobil, fire hydrant,
fitting pipa yang besar-besar.
Die casting
Pada die casting, logam didorong masuk cetak pada tekanan tertentu dan
kecepatan tinggi dan kemudian logam membeku dengan menjaga
tekanan. Cetakannya biasanya dari baja. Cetakan bisa di gunakan berulang-ulang.
Logam coran biasanya dipakai yang mempunyai tiik leleh rendah seperti:
seng, almunium, dan magnesium.
Investment casting
Pola untuk membuat cetakan biasanya dipakai lilin atau palstik. Disekililing pola
dituang lumpur cair biasanya dari bahan gips. Setelah mengeras cetakan
dipanaskan sehingga lilin didalamnya menguap. Cetakan siap digunakan .
Teknik ini biasanya digunakan untuk cetakan dengan dengan kualitas tinggi. Dan
produk akhir yang tinggi. Contohnya : perhiasan, gigi palsu dll.
3. TEKNIK-TEKNIK LAIN
Metalurgi bubuk (powder methallurgy)
Dipakai untuk menghasilkan produk akhir yang tingkat kerapatan nya
tinggi. Proses dilakukan dengan memanfaatkan bubuk logam dan diikui dengan
perlakuan panas.
Pengelasan (Welding)
Pengelasan dilakukan untuk menyambung dua atau lebih potongan
menjadi satu potongan logam. Pengelasan dilakukan apabila membentuk
potongan logam menelan biaya tinggi atau susah untuk dilakukan.
Fungsi – Fungsi Zat Tambahan :
Untuk mendapatkan baja yang lebih baik lagi, diantaranya dilakukan penambahan beberapa
zat-zat berikut:
Molibdenum (Mo)
Penambahan Molibdenum (Mo) bertujuan untuk memperbaiki ketahanan korosi pitting dan
korosi celah Unsur karbon rendah
Kromium (Cr)
Penambahan kromium (Cr) bertujuan meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk
lapisan oksida (Cr2O3) dan ketahanan terhadap oksidasi temperatur tinggi.
Krom membentuk sebuah lapisan tidak aktif Kromium(III) Oksida (Cr2O3) ketika bertemu
oksigen. Lapisan ini terlalu tipis untuk dilihat, sehingga logamnya akan tetap berkilau. Logam
ini menjadi tahan air dan udara, melindungi logam yang ada di bawah lapisan tersebut.
Fenomena ini disebut Passivation
Nikel (Ni)
Penambahan nikel (Ni) bertujuan untuk meningkatkan ketahanan korosi dalam media
pengkorosi netral atau lemah. Nikel juga meningkatkan keuletan logam. Penambahan nikel
meningkatkan ketahanan korosi tegangan.
Aluminium (Al)
Unsur aluminium (Al) meningkatkan pembentukan lapisan oksida pada temperature tinggi.
Titanium atau Niobium
penambahan unsur penstabil karbida (titanium atau niobium) bertujuan menekan korosi batas
butir pada material yang mengalami proses sensitasi.
Hot dan Cold Working
Hot working didefinisikan sebagi deformasi plastis logam di atas suhu
rekristaliasinya. Yang perlu diingat bahwa beda material beda suhu rekristalisasinya.
Misalnya tin / timah putih (Sn) pada suhu kamar, baja pada suhu 2000 0F, tungsten pada suhu
sampai 4000 0F belum mencapai daerah hot working. Kenaikan suhu berpengaruh terhadap
penurunan tegangan yield logam dan meningkatkan keuletannya.
Keuntungan Hot working
Pada suhu hot working, rekristalisasi mengeliminasi efek dari strain hardening
(pengerasan regang) sehingga tidak ada keniakan signifikan dalam kekuatan yield atau
kekerasan atau penurunan keuletan.
Kurva stress-strain sebenarnya mendatar di atas titik yield dan deformasi dapat
dipakai mengubah secara drastic bentuk logam tanpa takut akan retak atau diperlukan
gaya yang sangat besar.
Mengurangi atau menghilangkan ketidakhomogenan kimiawi
Pori-pori dapat dilas atau direduksi ukurannya selama deformasi
Struktur metalurgis dapat diubah untuk meningkatkan sifat akhir
Pada baja pada suhu rekristalisasi deformasi terjadi pada struktur Krista austenit FCC
yang lemah dan ulet dari pada ferrit BCC yang kuat dan stabil pada suhu rendah.
Kelemahan Hot working
Suhu tinggi dari hot working meningkatkan reaksi logam dengan sekitarnya
Toleransi yang miskin karena pemendekan termal dan kemungkinan pendinginan
yang tidak uniform
Struktur metalurgis mungkin juga tidak uniform Karena ukuran butir akhir tergantung
pada reduksi, suhu pada akhir deformasi dan faktor yang lain yang bervariasi
sepanjang benda kerja
Cold working adalah deformasi plastis logam di bawah suhu rekristalisasi. Proses
biasanya pada suhu kamar, tetapi penaikan suhu ringan biasa digunakan untuk meningkatkan
keuletan dan mengurangi kekuatan.
Keunggulan cold working dibanding hot working
Tidak diperlukan panas
Permuakan akhir yang diperolehlebih bagus
Kontrol dimensi lebih bagus sehingga sedikit/tidak memerlukan pemesinan lanjutan
Produk memiliki kemampuan reproduksi dan mampu tukar yang lebih bagus
Sifat kekuatan, kelelahan dan keausan ditingkatkan melalui strain hardening
Sifat terarah dapat diberikan
Problem kontaminasi diminimisasi
Kelemahan cold working
Diperlukan gaya yang lebih besar untuk memulai dan menyelesaikan proses cold work
Diperlukan perangkat yang lebih berat dan lebih kuat
Kurang keuletan
Permukaan logam harus bersih bebas sisik
Anneal antara mungkin diperlukan untuk mengkompen-sasi hilang keuletan yang
menyertai strain hardening
Pemberian sifat yang terarah mungkin merusak
Tegangan sisa yang tak diinginkan mungkin diproduksi
Sifat logam pada cold working
Kesesuaian suatu logam untuk dicold work ditentukan oleh sifat keuletan, di mana
sifat ini merupakan konsekuensi langsung dari struktur metalurgis. Kemudian proses cold
work mengubah struktur logam dan pada akhirnya mengubah sifat keuletan produk
STRUKTUR POLIMER DAN APLIKASINYA
STRUKTUR POLIMER
Menurut Bahasa Latin polimer berasal dari dua kata yaitu poli dan meros. Poli berarti
banyak sedangkan meros berarti bagian, polimer berarti banyak bagian, terdiri dari banyak
monomer yang membentuk polimer. Sedangkan monomer adalah molekul sederhana dan
kecil yang menjadi penyusun molekul dan senyawa yang lebih besar dan kompleks.
MOLEKUL HIDROKARBON
Karena polimer kebanyakan adalah organic, bahan organik banyak berupa hidrokarbon,
yaitu mereka terdiri dari hidrogen dan karbon. Selanjutnya, ikatan intramolekul yang kovalen.
Setiap atom karbon memiliki empat elektron yang dapat berpartisipasi dalam ikatan kovalen,
sedangkan setiap atom hidrogen hanya memiliki satu elektron ikatan.
Sebuah ikatan kovalen tunggal terjadi ketika masing-masing dua atom ikatan
menyumbangkan satu elektron, sebagaimana sebuah molekul gas metana (CH4). Ikatan
ganda dan tiga antara dua atom karbon melibatkan berbagi dua dan tiga pasang elektron,
masing-masing. Misalnya, dalam etilena, yang memiliki rumus kimia C2H4, dua atom
karbon ganda terikat bersama, dan masing-masing juga tunggal terikat pada dua atom
hydrogen yang menunjukkan ikatan kovalen tunggal dan ganda, masing-masing. Contoh dari
ikatan rangkap tiga ditemukan dalam asetilena, C2H2.
Molekul yang memiliki ikatan kovalen dua dan tiga yang disebut tak jenuh. Artinya,
setiap atom karbon tidak terikat pada atom maksimum (empat) lainnya, karena itu, adalah
mungkin untuk atom lain atau kelompok atom untuk menjadi melekat pada molekul aslinya.
Selain itu, untuk hidrokarbon jenuh, semua ikatan adalah yang tunggal, dan tidak ada atom
baru dapat bergabung tanpa penghapusan lain yang sudah terikat.
MOLEKUL POLIMER
Molekul-molekul dalam polimer raksasa dibandingkan dengan molekul hidrokarbon
yang sudah dibahas, karena ukuran mereka mereka sering disebut sebagai
makromolekul.Dalam setiap molekul, atom-atom terikat bersama oleh ikatan kovalen
interatomik.
Untuk rantai karbon polimer, tulang punggung setiap rantai adalah string dari atom
karbon. Seringkali masing-masing atom tunggal karbon berikatan dengan dua atom karbon
yang berdekatan di kedua sisi, hal ini diwakili bagan dalam dua dimensi sebagai berikut:
Pertimbangkan lagi etilen hidrokarbon (C2H4), yang merupakan gas pada suhu kamar
dan tekanan dan memiliki struktur molekul berikut:
Jika gas etilen direaksikan dalam kondisi yang tepat, itu akan mengubah ke
polyethylene (PE), yang merupakan bahan polimer padat. Proses ini dimulai ketika sebuah
pusat aktif dibentuk oleh reaksi antara inisiator atau spesies katalis (R.) dan monomer etilen,
sebagai berikut:
Rantai polimer kemudian membentuk dengan penambahan berurutan unit monomer ini
molekul rantai aktif tumbuh. Situs aktif, atau elektron tidak berpasangan (dilambangkan
dengan. ), ditransfer ke masing-masing monomer akhir berturut-turut seperti yang terkait
dengan rantai. Hal ini dapat diwakili bagan sebagai berikut:
Hasil akhir, setelah penambahan unit monomer etilen banyak, adalah molekul
polyethylene. Ini struktur rantai polyethylene juga dapat direpresentasikan sebagai:
Representasi pada Gambar tidak sepenuhnya benar bahwa sudut antara atom karbon
tunggal berikat tidak 180˚ seperti yang ditunjukkan, melainkan dekat dengan 109˚.Sebuah
model tiga dimensi yang lebih akurat adalah salah satu di mana atom karbon membentuk pola
zigzag.
BERAT MOLEKULER
Berat molekul rata-rata dapat ditentukan dengan pengukuran berbagai sifat fisik seperti
viskositas dan tekanan osmotik. Ada beberapa cara untuk mendefinisikan berat molekul rata-
rata. Berat molekul rata-rata diperoleh dengan membagi rantai menjadi serangkaian rentang
ukuran dan kemudian menentukan fraksi jumlah rantai dalam setiap berbagai ukuran gambar
a. Jumlah berat molekul rata-rata dinyatakan sebagai:
Mi merupakan berat molekul rata-rata dari berbagai ukuran i, dan xi adalah fraksi dari jumlah
total rantai dalam berbagai ukuran yang sesuai.
Berat rata-rata molekul didasarkan pada fraksi berat molekul dalam rentang berbagai ukuran
(Gambar b). Hal ini dihitung berdasarkan:
Dimana Mi adalah berat molekul rata-rata dalam berbagai ukuran, sedangkan wi
menunjukkan fraksi berat molekul dalam interval ukuran yang sama.
Sebuah cara alternatif untuk mengungkapkan ukuran rata-rata rantai polimer adalah sebagai
derajat polimerisasi, DP, yang merupakan rata-rata jumlah unit berulang dalam rantai. DP
berkaitan dengan berat rata-rata jumlah molekul dengan persamaan:
dimana m adalah berat molekul unit berulang.
Kebanyakan sifat polimer dipengaruhi oleh panjang rantai polimer. Sebagai contoh,
peningkatan suhu leleh atau pelunakan dengan berat molekul meningkat (sampai sekitar
100.000 g/mol). Pada suhu kamar, polimer dengan rantai yang sangat singkat (yang memiliki
berat molekul pada urutan 100 g/mol) pada umumnya akan berbentuk sebagai cairan. Mereka
yang memiliki berat molekul sekitar 1000 g/mol akan berbentuk padatan lilin (seperti lilin
parafin) dan resin lembut. Polimer padat (kadang-kadang disebut polimer tinggi), yang
menjadi perhatian utama di sini, umumnya memiliki berat molekul berkisar antara 10.000 dan
beberapa juta g/mol. Dengan demikian, bahan polimer yang sama dapat memiliki sifat sangat
berbeda jika diproduksi dengan berat molekul yang berbeda. Sifat-sifat lain yang bergantung
pada berat molekul meliputi modulus elastisitas dan kekuatan.
BENTUK MOLEKULER
Ikatan rantai tunggal mampu berputar dan membungkuk dalam tiga dimensi. Perhatikan
atom rantai pada Gambar a, sebuah atom karbon ketiga mungkin terletak pada setiap titik
pada kerucut dari revolusi dan masih subtend sekitar sudut 109˚ dengan ikatan antara dua
atom lainnya. Sebuah hasil segmen rantai lurus ketika atom rantai berurutan diposisikan
seperti pada Gambar b. Di sisi lain, rantai membungkuk dan memutar mungkin terjadi ketika
ada rotasi atom rantai ke posisi lain, seperti digambarkan pada Gambar c
Polimer terdiri dari sejumlah besar rantai molekul, yang masing-
masing dapat menekuk, terlilit, dan kusut seperti pada Gambar di
samping. Hal ini menyebabkan terjalinnya belitan rantai molekul,
situasi yang sama dengan benang pancing yang sangat kusut. Lilitan
acak ini dan keterbelitan molekul bertanggung jawab untuk sejumlah
karakteristik penting dari polimer, untuk menyertakan ekstensi elastis besar ditampilkan oleh
bahan karet.
STRUKTUR POLIMER
- POLIMER LINEAR
Polimer linier adalah mereka di mana unit
berulang yang bergabung bersama-sama ujung ke
ujung dalam rantai tunggal. Ini rantai panjang
yang fleksibel, yang diwakili secara skematik pada
Gambar a, di mana setiap lingkaran mewakili unit
berulang. Untuk polimer linier, mungkin ada
ikatan hidrogen antara rantai. Beberapa polimer
umum bahwa form dengan struktur linear adalah polietilen, poli (vinil klorida), polystyrene,
poli (metil metakrilat), nilon, dan fluorocarbons.
- POLIMER BERCABANG
Polimer dapat disintesis di mana sisi-cabang rantai yang terhubung ke yang utama,
seperti yang ditunjukkan secara skematik pada Gambar b, ini adalah dengan tepat disebut
polimer bercabang. Cabang-cabang dianggap sebagai bagian dari molekul-rantai utama,
mungkin hasil dari reaksi samping yang terjadi selama sintesis polimer. Efisiensi kemasan
rantai dikurangi dengan pembentukan cabang samping, yang menghasilkan penurunan
kepadatan polimer. Polimer yang membentuk struktur linear juga dapat bercabang. Misalnya,
high-density polyethylene (HDPE) terutama polimer linier, sedangkan low-density
polyethylene (LDPE) mengandung cabang rantai pendek.
- POLIMER SILANG
Dalam polimer silang, rantai linear berdekatan bergabung satu sama lain di berbagai
posisi oleh ikatan kovalen, yang diwakili dalam Gambar c. Proses dari silang dicapai baik
selama sintesis atau dengan reaksi kimia nonreversible. Seringkali, ikatan silang ini dilakukan
dengan atom yang terikat secara kovalen pada rantai. Banyak dari bahan karet elastis
mempunyai ikatan silang, dalam karet ini disebut vulkanisasi.
- POLIMER JARINGAN
Monomer multifungsi membentuk tiga atau lebih ikatan kovalen aktif membuat tiga-
dimensi jaringan (Gambar d) dan disebut polimer jaringan. Sebenarnya, polimer yang sangat
silang juga dapat diklasifikasikan sebagai polimer jaringan. Bahan-bahan ini memiliki sifat
mekanik dan termal yang khas, sedangkan epoksi, poliuretan, dan fenol-formaldehid
merupakan anggota grup ini.
KONFIGURASI MOLEKULER
Untuk polimer yang memiliki lebih dari satu atom samping atau kelompok atom terikat
pada rantai utama, keteraturan dan simetri susunan gugus samping dapat secara signifikan
mempengaruhi sifat. Misal :
dimana R merupakan gugus atom atau sisi lain dari hidrogen (misalnya, Cl, CH3). Salah satu
pengaturan yang mungkin ketika kelompok sisi R dari unit berulang berturut terikat pada
atom karbon alternatif sebagai berikut:
Hal ini ditetapkan sebagai konfigurasi kepala hingga-ekor. Komplemennya, konfigurasi
kepala hingga-head, terjadi ketika kelompok R terikat rantai atom yang berdekatan:
Dalam polimer kebanyakan, konfigurasi kepala hingga ekor mendominasi, sering
terjadi tolakan kutub antara kelompok R untuk head to head konfigurasi. Isomerisme juga
ditemukan dalam molekul polimer, konfigurasi atom dimana berbeda yang mungkin untuk
komposisi yang sama.
- STEREOISOMERISM
Stereoisomerism menunjukkan situasi di mana atom dihubungkan bersama dalam
urutan yang sama (kepala hingga-ekor), tetapi berbeda dalam penataan ruang mereka. Untuk
satu stereoisomer, semua kelompok R yang terletak di sisi yang sama dari rantai sebagai
berikut:
Ini disebut konfigurasi isotaktik. Diagram ini menunjukkan pola zigzag dari atom
karbon rantai. Selanjutnya, representasi dari geometri struktur dalam tiga dimensi penting,
seperti yang ditunjukkan oleh yang berbentuk irisan ikatan. Dalam konfigurasi sindiotaktis,
kelompok R sisi alternatif rantai:
ATAU
Konversi dari satu stereoisomer yang lain (misalnya, isotaktik ke sindiotaktis) tidak
mungkin dengan rotasi sederhana tentang ikatan rantai tunggal, ikatan ini harus terlebih
dahulu dipotong, kemudian setelah rotasi yang tepat, mereka kembali terbentuk. Pada
kenyataannya, polimer tertentu tidak menunjukkan hanya satu dari konfigurasi ini, bentuk
dominan tergantung pada metode sintesis.
- ISOMERISME GEOMETRIS
Isomer geometri, yang mungkin dalam unit berulang yang memiliki ikatan rangkap
antara atom-atom rantai karbon. Terikat pada setiap atom karbon berpartisipasi dalam ikatan
rangkap adalah kelompok sisi, yang dapat terletak di salah satu sisi rantai atau sebaliknya.
Pertimbangkan unit isoprena berulang memiliki struktur:
di mana kelompok CH3 dan atom H diposisikan pada sisi yang sama dari ikatan
rangkap. Ini disebut struktur cis, dan polimer yang dihasilkan, cis-poliisoprena, adalah karet
alam. Untuk isomer alternatif
struktur trans, yang CH3 dan H berada di sisi berlawanan dari ikatan rangkap. Trans-
poliisoprena, kadang-kadang disebut getah perca, memiliki sifat yang jelas berbeda dari karet
alam sebagai akibat dari konfigurasi perubahan ini. Konversi trans ke cis, atau sebaliknya,
tidak mungkin oleh rotasi ikatan rantai sederhana karena ikatan rantai ganda sangat kaku.
Meringkas bagian sebelumnya, molekul polimer dapat dicirikan dalam hal ukuran,
bentuk dan struktur. Ukuran molekul ditentukan dalam hal berat molekul (atau derajat
polimerisasi). Bentuk molekul berhubungan dengan derajat memutar rantai, melingkar, dan
membungkuk. Struktur molekul tergantung pada cara di mana unit struktural bergabung
bersama-sama. Linier, bercabang, silang, dan struktur jaringan adalah mungkin, di samping
konfigurasi isomerik beberapa (isotaktik, sindiotaktis, ataktik, cis, dan trans).
POLIMER TERMOPLASTIK DAN TERMOSETTING
Respon dari polimer terhadap kekuatan mekanik pada temperatur tinggi berhubungan
dengan struktur molekul yang dominan. Bahkan, salah satu skema klasifikasi untuk materi-
materi ini sesuai dengan perilaku dengan meningkatnya suhu. Termoplastik (atau polimer
termoplastik) dan termoset (atau polimer termoseting) adalah dua subdivisi. Termoplastik
melunak bila dipanaskan (dan akhirnya mencair) dan mengeras bila didinginkan-proses yang
benar-benar reversibel dan dapat diulang. Pada tingkat molekuler, karena suhu dinaikkan,
kekuatan ikatan sekunder berkurang (dengan gerakan molekul meningkat) sehingga gerakan
relatif dari rantai yang berdekatan difasilitasi ketika penekanan diterapkan. Hasil degradasi
ireversibel ketika termoplastik polimer cair dinaikkan sampai suhuyang terlalu tinggi. Selain
itu, termoplastik relatif lembut. Kebanyakan polimer linier dan mereka memiliki beberapa
struktur bercabang dengan rantai fleksibel termoplastik. Bahan-bahan ini biasanya dibuat
oleh aplikasi simultan panas dan tekanan. Contoh polimer termoplastik umum termasuk
polietilen, polistiren, poli (etilena tereftalat), dan poli (vinil klorida).
Polimer termoseting adalah polimer jaringan. Mereka menjadi permanen keras selama
pembentukan dan tidak melunak pada pemanasan. Polimer jaringan memiliki ikatan silang
kovalen antara rantai molekul yang berdekatan. Selama perawatan panas, ikatan ini
menambatkan rantai bersama-sama untuk melawan gerakan rantai vibrasi dan rotasi pada
suhu tinggi. Dengan demikian, bahan tidak melunak bila dipanaskan. Pengikatan Silang
biasanya luas, dalam 10 sampai 50% dari unit berulang ini merupakan rantai silang. Hanya
pemanasan pada suhu yang berlebihan akan menyebabkan pemutusan ikatan silang dan
degradasi polimer. Polimer termoset umumnya lebih keras dan lebih kuat dari termoplastik
dan memiliki stabilitas yang lebih baik dimensi. Sebagian besar polimer jaringan silang dan,
yang meliputi karet divulkanisir, epoxies, dan fenolat dan beberapa resin poliester, adalah
termoseting.
KOPOLIMER
Kimiawan polimer dan ilmuwan terus mencari bahan baru yang dapat dengan mudah
dan ekonomis disintesis dan dibuat, dengan sifat ditingkatkan atau kombinasi properti yang
lebih baik daripada yang ditawarkan oleh homopolimer dibahas sebelumnya. Satu kelompok
bahan-bahan adalah kopolimer.
Tergantung pada proses polimerisasi dan fraksi relatif jenis ulangi unit, pengaturan
urutan yang berbeda sepanjang rantai polimer yang mungkin. Untuk satu, seperti
digambarkan pada Gambar a, dua unit yang berbeda secara acak tersebar di sepanjang rantai
dalam apa yang disebut kopolimer acak. Untuk kopolimer bergantian, seperti namanya, unit
berulang dua posisi rantai alternatif, seperti yang diilustrasikan pada b. Sebuah kopolimer
blok adalah satu di mana unit berulang identik berkerumun di blok sepanjang rantai (Gambar
c). Akhirnya, cabang samping homopolimer dari satu jenis dapat dicangkokkan ke rantai
homopolimer utama yang terdiri dari unit ulangi yang berbeda, seperti material disebut
kopolimer cangkok (Gambar d).
KRISTALINITAS POLIMER
Keadaan kristal mungkin ada dalam bahan polimer. Namun, karena melibatkan molekul
bukan dari atom atau ion, seperti dengan logam dan keramik, pengaturan atom akan lebih
kompleks untuk polimer. Substansi molekuler memiliki molekul kecil (misalnya, air dan
metana) biasanya baik benar-benar kristal (sebagai padatan) atau benar-benar amorf (seperti
cairan). Sebagai konsekuensi dari ukuran dan sering kompleksitas, molekul polimer
seringkali hanya sebagian kristal (atau semicrystalline), memiliki daerah kristal tersebar
dalam bahan amorf tersisa. Setiap gangguan rantai atau isalignment akan mengakibatkan
wilayah amorf, suatu kondisi yang cukup umum, karena memutar, pengkusutan, dan
melingkar dari rantai mencegah penataan yang ketat dari setiap segmen setiap rantai. Efek
struktural lainnya juga berpengaruh dalam menentukan tingkat kristalinitas.
Derajat kristalinitas dapat berkisar dari sepenuhnya amorf hampir seluruhnya (sampai
sekitar 95%) kristal, sebaliknya, spesimen logam hampir selalu seluruhnya kristal, sedangkan
keramik banyak baik benar-benar kristal atau benar-benar bentuk non-kristalin. Kepadatan
dari polimer kristalin akan lebih besar daripada satu amorf dari berat molekul dan bahan yang
sama, karena rantai yang lebih erat dikemas bersama-sama untuk struktur kristal. Derajat
kristalinitas oleh berat dapat ditentukan dari pengukuran kepadatan yang akurat, sesuai
dengan:
di mana ρs adalah densitas spesimen yang kristalinitas persen akan ditentukan, ρa adalah
kepadatan dari polimer amorf, dan ρc adalah densitas polimer kristalin sempurna. Nilai-nilai
ρa dan ρc harus diukur dengan cara eksperimen lain.
Derajat kristalinitas polimer tergantung pada laju pendinginan selama pemadatan serta
pada konfigurasi rantai. Selama kristalisasi pada pendinginan melalui titik leleh, rantai yang
sangat acak dan terjerat dalam cairan kental, harus mengasumsikan diperintahkan untuk
konfigurasi. Agar hal ini terjadi, waktu yang cukup harus memungkinkan untuk rantai untuk
bergerak dan menyesuaikan diri.
Untuk polimer linier, kristalisasi mudah dicapai karena ada beberapa pembatasan untuk
mencegah keselarasan rantai. Setiap cabang samping mengganggu kristalisasi, sehingga
polimer bercabang tidak pernah sangat kristalin, bahkan, percabangan berlebihan dapat
mencegah kristalisasi apapun. Sebagian besar polimer jaringan dan silang hampir sepenuhnya
amorf karena crosslinks mencegah rantai polimer dari menata ulang dan menyelaraskan ke
dalam struktur kristalin. Sebuah polimer silang sedikit yang sebagian kristalin. Berkenaan
dengan stereoisomer, polimer ataktis sulit untuk mengkristal, namun, isotaktik dan
sindiotaktis polimer mengkristal jauh lebih mudah karena keteraturan geometri dari
kelompok sisi mempermudah proses pas bersama rantai yang berdekatan. Untuk kopolimer,
sebagai aturan umum, unit berulang lebih teratur dan acak pengaturan, semakin besar
kecenderungan untuk pengembangan noncrystallinity. Untuk kopolimer bergantian dan blok
ada beberapa kemungkinan kristalisasi. Di sisi lain, kopolimer acak dan cangkok biasanya
amorf. Sampai batas tertentu, sifat fisik bahan polimer dipengaruhi oleh derajat kristalinitas.
Kristal polimer biasanya lebih kuat dan lebih tahan terhadap peleburan dan pelunakan oleh
panas.
KRISTAL POLIMER
Struktur daerah kristalin dapat disimpulkan dengan pemeriksaan kristal polimer
tunggal, yang dapat tumbuh dari larutan encer. Kristal ini secara teratur berbentuk, platelet
tipis (atau lamellae), kira-kira 10 sampai 20 nm tebal, dan pada urutan 10μm panjang.
Seringkali, platelet akan membentuk struktur berlapis-lapis, seperti yang ditunjukkan dalam
mikrograf elektron dari kristal tunggal polyethylene pada Gambar dibawah ini.
Rantai molekul dalam setiap kali lipat platelet bolak-balik pada diri mereka sendiri,
dengan lipatan yang terjadi di muka, struktur ini, tepat disebut model rantai-dilipat,
diilustrasikan secara skematik pada Gambar berikut.
Setiap platelet akan terdiri dari sejumlah molekul, namun, panjang rantai rata-rata akan
jauh lebih besar dari ketebalan platelet.
Sebagian besar Polimer banyak yang mengkristal dari
lelehan yang merupakan semicrystalline dan membentuk
struktur sferulit. Seperti tersirat oleh nama, sferulit masing-
masing mungkin tumbuh menjadi kasar berbentuk bulat, salah
satunya, seperti yang ditemukan dalam karet alam, ditunjukkan
dalam mikrograf elektron transmisi dalam foto (d) bab-bab
pembuka ini. Sferulit terdiri dari agregat pita seperti rantai-
dilipat kristalit (lamellae) sekitar 10 nm tebal yang memancar
keluar dari sebuah situs nukleasi tunggal di tengah. Dalam mikrograf elektron, lamellae ini
muncul sebagai garis putih tipis. Struktur rinci sferulit yang digambarkan secara skematik
pada Gambar. Ditampilkan di sini adalah rantai-dilipat individu kristal lamelar yang
dipisahkan oleh bahan amorf. Ikatan-rantai molekul yang bertindak sebagai penghubung
antara lulus link lamellae yang berdekatan melalui daerah amorf.
Spherulites dianggap analog polimer dari biji-bijian dalam logam dan keramik
polikristalin. Namun, seperti yang dibahas sebelumnya, setiap sferulit terdiri dari banyak
kristal lamelar yang berbeda, di samping itu, beberapa materi amorf, Polyethylene,
polypropylene, poli (vinil klorida), politetrafluoroetilena, dan bentuk nilon struktur
spherulitic ketika mereka mengkristal dari mencair.
CACAT PADA POLIMER
Konsep cacat titik berbeda dalam polimer dibandingkan logam dan keramik, sebagai
konsekuensi dari makromolekul seperti rantai dan sifat dari keadaan kristalin untuk polimer.
Titik cacat serupa dengan yang ditemukan dalam logam telah diamati di daerah kristalin dari
bahan polimer, ini termasuk kekosongan dan atom interstisial dan ion. Ujung rantai dianggap
cacat karena mereka secara kimiawi berbeda dengan unit rantai normal. Kekosongan juga
dikaitkan dengan ujung rantai15. Namun, cacat tambahan dapat dihasilkan dari cabang dalam
rantai polimer atau segmen rantai yang muncul dari kristal. Bagian rantai dapat meninggalkan
kristal polimer dan masukkan kembali pada titik yang lain, menciptakan lingkaran, atau dapat
memasukkan kristal kedua untuk bertindak sebagai ikatan molekul13. Dislokasi ulir juga
terjadi pada kristal polimer15. Ketidakmurnian atom / ion atau kelompok atom / ion dapat
dimasukkan dalam struktur molekul sebagai interstisi, mereka juga dapat dikaitkan dengan
rantai utama atau cabang samping sebagai pendek. Selain itu, permukaan rantai-dilipat
lapisan13 dianggap cacat antarmuka, seperti juga batas antara dua wilayah yang berdekatan
dengan kristalin.
DIFUSI PADA MATERIAL POLIMER
Untuk bahan polimer, minat kita sering dalam gerakan difusif molekul asing kecil
(misalnya, O2, H2O, CO2, CH4) antara rantai molekul, bukan dalam gerakan difusif atom
rantai dalam struktur polimer. Permeabilitas sebuah polimer dan karakteristik penyerapan
berhubungan dengan sejauh mana zat asing berdifusi ke dalam bahan. Penetrasi dari bahan-
bahan asing dapat menyebabkan reaksi pembengkakan dan/atau bahan kimia dengan molekul
polimer, dan sering degradasi sifat material mekanik dan fisik.
Tingkat difusi ini lebih besar melalui daerah amorf daripada melalui daerah kristalin,
struktur bahan amorf lebih "terbuka". Mekanisme difusi ini dapat dianggap analog dengan
difusi interstisial dalam logam-yang, dalam polimer, gerakan difusif terjadi melalui rongga
kecil antara rantai polimer dari satu daerah amorf terbuka ke yang terbuka yang berdekatan.
Ukuran molekul asing juga mempengaruhi laju difusi: molekul yang lebih kecil menyebar
lebih cepat daripada yang lebih besar. Selain itu, difusi adalah lebih cepat untuk molekul
asing yang secara kimiawi inert daripada mereka yang berinteraksi dengan polimer.
Salah satu langkah dalam difusi melalui membran polimer adalah pembubaran spesies
molekul dalam bahan membran. Pelarutan ini adalah proses tergantung waktu, dan, jika lebih
lambat dari gerakan difusif, dapat membatasi tingkat keseluruhan difusi. Akibatnya, sifat
difusi dari polimer sering dicirikan dalam hal koefisien permeabilitas (dilambangkan dengan
PM), di mana untuk kasus keadaan setimbang difusi melalui membran polimer, hukum
pertama Fick diubah sebagai
Dalam ungkapan ini, J adalah fluks difusi gas melalui membran [(cm3 STP) / (cm2. s)],
PM adalah koefisien permeabilitas, x adalah ketebalan membran, dan P adalah perbedaan
tekanan gas di membran. Untuk molekul kecil dalam polimer nonglassy koefisien
permeabilitas dapat diperkirakan sebagai produk dari koefisien difusi (D) dan kelarutan
spesies menyebar dalam polimer (S)-yaitu,
Untuk beberapa aplikasi, tingkat permeabilitas rendah melalui bahan polimer yang
diinginkan, seperti makanan dan minuman kemasan dan ban mobil dan ban dalam. Membran
polimer sering digunakan sebagai filter, untuk selektif memisahkan satu spesies kimia dari
yang lain (atau yang lainnya) (yaitu, desalinasi air). Dalam Contoh seperti itu biasanya terjadi
bahwa tingkat perembesan zat yang akan disaring secara signifikan lebih besar daripada zat
lainnya.
PERILAKU MEKANIK POLIMER
Yang dibahas pertama adalah perilaku tegangan-regangan dapat dilihat pada gambar
berikut :
Penjelasan gambar :
- Kurva A merupakan karakter tegangan-regangan untuk polimer brittle dimana tidak
terjadi proses pemanjangan dahulu melainkan langsung patah
- Kurva B untuk material plastis ; dimana disini terjadi pemanjangan saat diberikan
tegangan dan regangan
- Kurva C untuk polimer elastis total ; regangan dapat dipulihkan dengan memberikan
tegangan rendah. Polimer ini disebut elastomer
Ditinjau lebih jauh mengenai kurva polimer plastis dengan gambar :
Tensile Strain (TS) adalah tekanan saat terjadi fraktur sedangkan yield strength (σy)
adalah tekanan maksimal dimana polimer belum patah. Nilai strength untuk polimer plastis
diambil dari nilai tensile stress.
Karakteristik dari polimer adalah :
Modulus Elastiknya antara 4 GPa sampai 7 GPa
GPa merupakan satuan modulus elastik. Modulus elastik pada logam jauh lebih besar
dari pada modulus elastik polimer yaitu antara 48 GPa sampai 410 GPa.
Kekuatan peregangan maksimum 100 MPa
Untuk polimer dengan tingkat keelastisan tinggi, dapat meregang sampai 1000% ;
sangat elastis sekali
Sensitif pada perubahan suhu dibawah suhu kamar ; bisa dijelaskan dengan gambar
berikut :
Saat 4oC material total brittle lalu saat suhu dinaikkan sampai 20
oC dan 30
oC terjadi
pemanjangan saat diberikan regangan dan tegangan. 50oC sampai 60
oC terjadi deformasi
plastis. Terlihat penaikan temperatur berpengaruh terhadap karakter regangan-tegangan
Kurva Modulus Relaksasi Berbagai BahanTerhadap Suhu
Penjelasan gambar :
- Kurva A untuk kristalin isotaktik ; nilai modulus relaksasinya paling besar pada suhu
yang sama dibanding kedua grafik lainnya. Hal ini dikarenakan materialnya bersifat
kristal (susunan molekulnya teratur) sehingga bersifat duktile
- Kurva B untuk crosslinked isotaktik ; crosslinked artinya ada hubungan antara
molekul yang satu dengan yang lain. Setelah melewati suhu 150oC, kurva lurus berarti
batas polimer tersebut bekerja pada suhu 150oC
- Kurva C untuk amorf ; nilai modulus relaksasinya paling rendah diantara yang lain.
Hal ini disebabkan susunan molekulnya tidak teratur sehingga tingkat duktilitasnya
rendah
Deformasi Makroskopik
Deformasi makroskopik pada polimer semikristalin terlihat pada gambar :
Keterangan gambar :
Awalnya polimer ini tidak mengalami deformasi. Diatas yield point, terjadi penciutan
(necking) yang disertai proses kristalisasi sehingga terjadi penguatan lokal dan penurunan
laju deformasi.
Deformasi Viskoelastis
Viskoelastisitas adalah mekanisme gabungan antara rubbery solid dengan liquid pada
suhu intermediate. Dimana rubbery solid terjadi pada suhu rendah sedangkan liquid terjadi
pada suhu tinggi. Modulus relaksasi viscoelastic Er(t) yaitu modulus elastik untuk polimer
viskoelastik yang bergantung terhadap waktu.
Rumusnya : ( ) ( )
Dengan σ(t) adalah tekanan yang bergantung terhadap waktu sedangkan ε0 adalah
besar regangan yang cenderung konstan.
Viskoelastik Creep
Deformasi yang bergantung waktu ketika besar tekanan cenderung konstan disebut
viskoelastik creep yang terjadi pada suhu ruang dan dibawah tekanan saat yield strength.
Nilai creep atau modulus creep Ec(t) memiliki rumus :
( ) ( )
( )
Dengan σ0 adalah tekanan yang konstan sedangkan ε adalah regangan yang
bergantung terhadap waktu.
Kepatahan Pada Polimer
Kekuatan patah polimer lebih rendah dibanding logam dan keramik. Ada dua
fenomena keretakan pada polimer yaitu crack dan craze. Dapat dilihat pada gambar berikut :
Penjelasan crack :
Saat muatan didalam bridge merentang, bridge tersebut memanjang lalu putus sehingga
menyebabkan microvoid tumbuh dan menyatu.
Penjelasan craze :
Craze terjadi lokalisasi yielding dimana microvoidsnya saling berhubungan. Craze mampu
membuat muatan didalam bridge untuk keluar dari permukaan. Craze tumbuh lebih dahulu
dari pada crack untuk menyerap energi patah dan meningkatkan ketangguhan patah dari
polimer. Craze terjadi pada thermoplastic.
Karakteristik Mekanik
1. Impact Strength
Brittle atau tidaknya suatu polimer menyatakan impact strengthnya. Pada
semikristalin dan amorf brittle pada saat suhu rendah. Brittle adalah keadaan langsung
patah tanpa adanya perpanjangan terlebih dahulu, itu berarti semikristalin dan amorf
memiliki impact strength yang rendah.
2. Fatigue (Kelelahan)
Tiap polimer memiliki limit fatiguenya masing-masing seperti yang ditunjukkan pada
gambar diatas. Penjelasan gambar :
- Kurva PET dan Nylon linear berarti kepatahannya bergantung dengan amplitudo
tekanan dengan hubungan yang berbanding terbalik
- Kurva PS, PMMA, PP, PE, dan PTPE tidak linear berarti kepatahannya tidak
bergantung pada amplitudo tekanan
3. Tear Strength dan Hardness
Tear strength adalah energi yang diperlukan untuk memotong spesimen
berdasarkan geometrinya. Tear strength berhubungan dengan daya rentang polimer
tersebut. Makin besar daya rentangnya maka makin besar pula tear strentgh-nya.
Sedangkan hardness adalah tingkat kekuatan suatu polimer. Makin rapat susunan
molekulnya maka makin tinggi tigkat hardness polimer tersebut.
MEKANISME DEFORMASI DAN PENGUATAN PADA POLIMER
Deformasi dibagi menjadi dua yaitu deformasi semikristalin dan elastomers. Deformasi
semikristalin dibagi menjadi dua yaitu :
1. Deformasi elastis
Deformasi elastis terjadi sebagai respon dari tekanan daya rentang. Bentuk responnya
adalah pemanjangan rantai molekulnya. Ada kemungkinan terjadi perubahan letak
molekul karena ikatan antar molekulnya adalah ikaan van der waals sehingga molekul
masih bisa lepas dari ikatannya.
2. Deformasi plastis
Deformasi plastis terjadi karena interaksi lamellar dan amorf. Untuk lebih jelasnya
lihat gambar berikut :
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Mekanisme Polimer Semikristalin
1. Berat Molekul
Kekuatan daya rentang polimer akan naik jika berat molekul
naik. Nilai rata-rata berat molekul disimbolkan dengan TS yang memiliki rumus :
Keterangan :
TS~ adalah kekuatan daya rentang saat berat molekulnya tak hingga
A bernilai konstan
adalah nilai rata-rata berat molekul
2. Derajat Kristalisasi
Makin besar derajat kristalisasinya makin besar modulus daya rentang polimer
semikristalin tersebut karena derajat kristalisasi menunjukkan seberapa besar teratur
bentuk polimer tersebut. Makin teratur suatu polimer maka kemampuannya untuk
memanjang juga semakin besar
Untuk lebih jelasnya, lihat gambar berikut :
Terlihat bahwa makin besar berat molekulnya maka akan tingakt ductile-nya pun
bertambah sehingga memiliki daya rentang yang lebih besar.
3. Predeformasi dengan Drawing
Peningkatan kekuatan mekanik dan modulus daya rentang dapat terjadi bila
ada deformasi permanen. Deformasi permanen ini disebut dengan drawing. Proses ini
dapat diterapkan pada fiber dan film.
Selama drawing, rantai molekul masuk ke rantai mlekul lainnya lalu menyatu.
Derajat kekuatan dan kekerasan sangat bergantung pada tingkat deformasi. Proses
drawing terjadi pada kondisi anisotropic.
Daya rentang dan kekuatan nilainya akan naik selama proses deformasi.
Daya rentang naik dengan faktor 2/5 dari material yang tidak sejajar. Saat
amorf mengalami drawn, suhu akan naik.
4. Heat Treating
Heat treating disebut juga annealing. Peningkatan suhu annealing dapat menyebabkan
:
a. Peningkatan modulus daya rentang
b. Peningkatan yield strength
c. Penurunan duktilitas
Deformasi Elastomers
Deformasi elastomers sangat berhubungan dengan entropi (derajat ketidakteraturan
sistem). Elastomers ditekan menyebabkan rantainya melurus dan menjadi sejajar. Entropi
meningkat jika rantai kembali ke kontur linked dan coiled-nya. Deformasi elastomers
dilakukan dengan vulcanization.
Kriteria polimer elastomers adalah :
1. Tidak mudah mengkristal ; karena bahan elastomer adalah amorf yang mempunyai
rantai molekul bergulung dan berhubungan dibawah tekanan
2. Rotasi dari ikatan rantai harus relatif bebas bagi rantai coiled merespon gaya yang
diberikan
3. Memiliki deformasi elastis yang besar
4. Memiliki suhu diatas suhu transisi glass ; dibawah suhu transisi glass elastomer akan
menjadi brittle
Vulcanization
Vulcanization adalah peristiwa crosslinked pada elastomer, terjadi akibat reaksi kimia
non reversibel yang biasanya menaikkan suhu. Pada hampir semua reaksi vulkanisasi, sulfur
ditambahkan pada pemanasan elastomer ; rantai sulfur dengan rantai elastomer saling
berhubungan (crosslink), seperti pada reaksi berikut :
Keterangan :
m dan n adalah atom sulfur
Terjadinya crosslink ini menyebabkan atom karbon yang semula doubly bonded
mejadi double bpunded karena satu rantai karbonnya digunakan untuk berikatan dengan atom
sulfur.
FENOMENA KRISTALISASI, MELTING, DAN GLASS TRANSITION PADA
POLIMER
a. Kristalisasi
Ada dua proses di kristalisasi yaitu nukleasi dan pertumbuhan kristal. Saat
didinginkan melewati suhu lelehnya, nuklei dari molekul-molekul menyatu dan
membentuk susunan yang teratur yaitu berupa layer rantai bertingkat. Jika diatas suhu
melting maka nuklei tidak stabil dan membuat susunan molekul menjadi acak. Selama
proses pertumbuhan kristal, nuklei terus tumbuh dimana pertumbuhannya sejajar
dengan segmen rantai molekul. Rumus kristalisasi yang berhubungan terhadap waktu
:
( )
Keterangan :
k dan n adalah waktu yang nilainya cenderung konstan dimana nilainya bergantung
pada sistem kristal
Nilai kristalisasi bergantung pada suhu kristalisasi dan berat molekul polimer.
Seperti terlihat pada gambar berikut :
Semakin lama waktunya maka semakin tinggi kristalisasi yang terjadi.
Semakin tinggi suhunya maka makin lama waktu yang dibutuhkan untuk nilai
kristalisasi yang sama pada suhu yang lebih rendah.
b. Melting
Suhu melting adalah suhu saat polimer kristal berubah menjadi liquid.
Fenomena ini terjadi karena pemanasan pada suhu melting (Tm). Selama suhu
melting, molekul polimer menjadi tidak teratur.
Faktor-faktor yang mempengaruhi Melting adalah :
- Berat molekul ; makin besar berat molekulnya maka makin besar pula Tm-nya
- Densitas ; semakin tinggi densitas (berarti semakin rapat molekul polimer tersebut)
maka semakin tinggi melting temperaturnya (Tm). Contoh pada table 15.2 Tm linear
polimer (137oC) sedangkan polyethylene (115
oC)
c. Transisi Glass
Transisi glass terjadi pada amorf dan polimer semikristalin. Suhu transisi glass adalah
saat liquid berubah menjadi bentuk rubbery kemudian menjadi rigid solid. Saat suhu
dibawah Tg, molekul hampir beku sedangkan saat suhu diatas Tg molekul akan
mengalami gerak translasi dan rotasi.
Suhu transisi glass akan mengalami kenaikan jika ukuran molekul besar, polaritas
atom besar, ikatan rantai ganda dan rantai aromatik karena akan mengeraskan molekul
sehingga berat molekul menjadi lebih besar
d. Melting dan Transisi Glass
Penjelasan gambar :
- Kurva A untuk amorf sempurna ; perubahan volume spesifik terjadi secara kontinu
saat suhu melting (Tm) tetapi terjadi penurunan slope saat suhu transisi glass (Tg)
- Kurva B untuk semikristalin ; saat suhu melting (Tm) terjadi perubahan volume
spesifik yang diskontinu tapi fasenya adalah amorf
- Kurva C untuk kristalin ; saat suhu melting (Tm) terjadi perubahan volume spesifik
yang diskontinu
TIPE-TIPE POLIMER
1. Plastik
Plastik mengalami deformasi dahulu saat diberikan regangan sebelum
akhirnya patah saat telah melewati fatigue limitnya. Plastik memiliki tingkat
kristalisasi yang rendah. Beberapa jenis plastik bersifat sangat kaku dan brittle.
Beberapa lainnya bersifat fleksibel. Plastik banyak digunakan pada bahan alat-alat
elektronik, helm, lensa, fiber optic, pipa, dll.
2. Fiber
Karakteristiknya :
a. Dapat memanjang sampai perbandingan panjang dengan diameternya sebesar
100:1
b. Memiliki kekuatan daya rentang yang tinggi ; akan mengalami kenaikan jika
derajat kristalisasi naik
c. Modulus elastisitas tinggi
d. Banyak digunakan pada industri tekstil
3. Coating
Digunakan untuk melapisi suatu bahan karena memiliki kemampuan melindungi
bahan dari korosi, memperindah penampilan bahan, dan meningkatkan daya
osilasi listrik
4. Adhesive ; material yang ditambahkan ke material lain agar didapat material yang
kekuatan gesernya besar dan kekuatannya turun dengan cepat saat penaikan suhu
5. Film
Karakteristiknya antara lain ketebalan antara 0.025 sampai 0.125 mm, densitas
rendah, derajat fleksibilitas tinggi
6. Foam
Merupakan material plastik yang memiliki persentase volume yang tinggi pada
pori-porinya.
7. Advanced Material
a. Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE)
Merupakan polyethylene linear yang memiliki berat molekul sangat
tinggi. Karakteristiknya antara lain resistansi tinggi, koefisien friksi rendah ;
friksi adalah gaya yang timbul akibat sentuhan pergeseran antara dua
permukaan yang bersentuhan. akibat gesekan, memiliki resistansi kimia baik,
dapat meredam suara dan energi absorbsi, dapat meningkatkan daya osilasi
listrik.
Biasanya digunakan untuk lapisan permukaan ice skating, bagian
tengah bola golf, lorong bowling, dan permukaan bawah ski.
b. Liquid Crystal Polymers
Karakteristiknya adalah :
- Stabilitias suhu yang sempurna ; dapat digunakan sampai 230oC
- Kaku dan kuat ; modulus daya rentangnya antara 10 sampai 24 Gpa
- Memiliki dampak kekuatan yang tinggi
- Digunakan untuk LCD, digital wtches, laptop, komputer, dan berbagai display digital
lainnya.
SINTESIS POLIMER DAN PROSESNYA
Polimerisasi atau proses pembentukan polimer ada dua cara yaitu :
1. Reaksi Adisi
Monomer bersatu membentuk rantai makromolekul. Monomer berfungsi
bifunctional.
Prosesnya adalah :
Atom R masuk pada rantai molekul tersebut dan berikatan dengan atom C. Sehingga
ikatan rangkap C akan putus dan menjadi ikatan tunggal. Satu atom C yang lain
menjadi tidak berpasangan.
2. Kondensasi Polimerisasi
Reaksi kimia antara lebih dari satu monomer dan akan menghasilkan produk berupa
air (H2O). Prosesnya adalah :
Cara lain mensintesis polimer adalah dengan menambahkan polimer aditif.
Polimer aditif antara lain :
1. Filler
Dapat meningkatkan kekuatan daya rentangnya, resistansi abrasi, ketangguhan, dan
stabilitas suhu.
2. Plastilizers
Dapat meningkatkan fleksibilitas, duktilitas, dan ketangguhan polimer. Partikel
plastilizers yang kecil dapat masuk diantara molekul polimer sehingga jarak antar
rantai polimer berkurang.
3. Stabilizers
Proses oksidasi sering terjadi pada proses kimia karena ada interaksi antara atom
oksigen dengan molekul polimer. Untuk meniadakan proses oksidasi tersebut maka
digunakan stabilizers.
4. Colorants
Berpengaruh terhadap warna dari polimer. Colorants dicampurkan pada pigmen.
Pigmen pada material filler kecil dan transparan dan memiliki indeks bias yang
hampir sama dengan polimer induk sehingga akan mempengaruhi warna polimer.
5. Flame Retardants
Warna yang mecolok atau menarik (flammabilitty) sangat penting bagi industri tekstil
dan mainan anak. Tingkat flammability polimer dapat dinaikkan dengan memberi
flame retardants.
Teknik Pembentukan Plastik (Molding)
1. Compression dan Transfer Molding
Material pembuat plastik dimasukkan ke dalam mold lalu kedua bagian mold
dipanaskan sehingga mold makin dekat dan material tersebut menjadi kental. Lalu
kulit material tercampur dan dingin sampai menjadi disc, disebut dengan preform.
Pemanasan membuat material meleleh. Diberikan tekanan ke seluruh permukaan
material tersebut sehingga terbentuk plastik yang diinginkan.
2. Injection Molding
Muatan bergerak dari cylinder ke ram dengan pergerakan memutar. Kemudian
muatan terdorong pada heating chamber, disini thermoplastic meleleh menjadi kental.
Selanjutnya, plastik yang sudah meleleh tersebut masuk lagi ke ram, melalui nozzle
lalu ke mold cavity. Tekanan dipertahankan selama proses molding. Lalu, mold
terbuka dan terbentuklah plastik.
3. Blow Molding
Sebuah material ditempatkan pada suatu wadah kemudian diletakkan di
dasarnya. Lalu ditekan dengan sebuag benda berbentuk silinder. Kemudian
silindernya diangkat kembali. Material tersebut lalu dipindahkan ke wadah lain dan
diberikan tekanan udara diatasnya sehingga terbentuk seperti gambar yang terakhir.
Pembentukan Elastomers
1. Fibers
Proses untuk pembentukan fibers dari material polimer disebut spinning.
Prosesnya sama seperti predeformasi dengan drawing.
2. Films
Film dimasukkan ke dalam continuos tubing yang dapat menekan annular, kemudain
diatur tekanan dalam tabung tersebut. Makin tebal tabungnya maka makin tipis film
yang terbentuk.
DAFTAR PUSTAKA
Callister Jr , William D & G. Rethwisch David , MATERIAL SCIENCE AND
ENGINEERING AN INTRODUCTION 8th ed , John Wiley & Sonc ,Inc