12. Elastomers (Rubbers: Karet) 1 Karet adalah material polimer yang dimensinya dapat berubah besar saat mengalami tegangan, dan kembali (hampir kembali) ke dimensi awalnya setelah tegangannya dihilangkan. Karet Alam (Natural Rubber) Diproduksi secara komersil dari latex pohon Hevea brasiliensis (pohon karet) yang banyak dikembangkan di daerah tropis khususnya di Indonesia dan Malaysia. Sumbernya: cairan seperti susu disebut Latex yang mengandung banyak partikel karet yang sangat kecil.
Proses Produksi Karet Alami 2 Cairan latex dikumpulkan dari pohonnya lalu dibawa ke pusat pemrosesan Latex dicairkan dengan kandungan 15% karet dan zat penggumpal berupa asam organik. Material ini ditekan melalui rol untuk menghilangkan air dan menghasilkan material lembaran karet. Lembaran (sheets) dikeringkan dengan aliran udara panas atau panas dari asap api (disebut: rubber-smoked sheets). Lembaran biasanya digiling dengan rol berat untuk memotong rantai panjang polimer secara mekanik dan mengurangi berat molekul rata-ratanya. Pada tahun 1980: produksi karet alami memenuhi 30% pasar total karet dunia.
Struktur Karet alam memiliki struktur cis-1,4 polyisoprane yang bercampur dengan sejumlah kecil protein, lipid, garam inorganik dan sejumlah komponen lainnya cis-1,4 polyisoprane adalah polimer berantai panjang dengan berat molekul rata-rata sekitar 5x10 5 g/mol. Keterangan: cis- adalah grup metil dan sebuah atom hidrogen pada sisi yang sama dari ikatan ganda karbon-karbon (dilingkupi garis putusputus). 1,4 menunjukkan unit kimia yang terulang dari rantai polimer terikat secara kovalen pada karbon pertama dan ke empat Ikatan kovalen dalam rantai karet alam: 3
Vulkanisir (Vulcanization) Vulkanisir adalah proses kimia yang menggabungkan molekul polimer dengan penyambungan silang menjadi molekul yang lebih besar untuk membatasi gerakan molekul. Charles Goodyear (1800-1860), seorang penemu asal Amerika yang menemukan proses vulkanisir karet alam dengan menggunakan sulfur dan karbonat timbal sebagai agen kimia. Mendapat paten US. Patent 3633 pada Juni 15, 1844 dengan judul Improvement in India-Rubber Fabric. Goodyear menemukan saat suatu campuran karet, sulfur dan karbonat timbal (lead carbonate) dipanaskan, karet berubah dari termoplastik menjadi material elastomer. Meskipun saat ini reaksi sulfur dengan karet adalah komplek dan belum dipahami secara menyeluruh, hasil akhir dari vulkanisir menunjukkan ikatan ganda atom karbon terbuka dan membentuk sambungan silang atom sulfur seperti pada gambar berikut. 4
Diagram atom-atom hasil vulkanisir karet alam 5 Ilustrasi skema dari vulkanisir karet. Dalam proses ini atom-atom sulfur/belerang membentuk sambungan silang antara rantai-rantai dalam 1,4 polyisoprene. (a) Rantai cis-1,4 Polyisoprene sebelum sambungan silang (cross-link) belerang terbentuk. (b) Cis-1,4 Polyisoprene chain after cross-linking dengan sambungan silang belerang pada situs ikatan ganda aktif.
Model atom-atom hasil vulkanisir karet alam yang semakin bertambah sifat kekakuannya karena pergerakan molekul terhambat oleh sambungan silang sulfur. 6 Model dari sambungan silang dari rantai-rantai cis-1,4 Polyisoprene dengan atom-atom belerang berwarna hitam. (Sumber: Moffat, W.G dkk. The Structure and Properties of Materials, Vol.1, Wiley)
Kekuatan tarik karet alami ditingkatkan dengan proses vulkanisir 7 Diagram Tegangan-Regangan untuk karet alam yang tidak tervulkanisir dan tervulkanisir. Sambungan silang atom-atom belerang di antara rantai polimer cis-1,4 polyisoprene dengan vulkanisir meningkatkan kekuatan tarik karet alami.
Karet dan belerang bereaksi sangat lambat pada suhu tinggi sehingga untuk memperpendek waktu pemulihan (cure time) pada suhu tinggi, bahan kimia pemercepat ditambahkan pada karet. Bahan-bahan tersebut dapat berupa fillers, plasticizers, dan antioxidant. Biasanya, karet lunak vulkanisir mengandung 3% berat sulfur dan dipanaskan dalam interval 100-200ºC untuk vulkanisir atau curing. Bila kandungan sulfur meningkat, sambungan silang yang terjadi juga akan meningkat, menghasilkan material yang lebih keras dan kurang fleksibel. Penambahan 45% sulfur dapat menghasilkan karet yang sangat keras dan kaku sepenuhnya. Oksigen atau ozone juga dapat bereaksi dengan karet seperti halnya belerang dengan cara yang sama dan menyebabkan kegetasan karet (embrittlement of rubber). Reaksi oksidasi dapat diperlambat dengan menambahkan antioksidan saat karet dibuat. 8
Penggunaan filler dapat mengurangi biaya produk karet dan memperkuat material seperti penggunaan CARBON BLACK. Semakin halus partikel carbon black yang digunakan maka karet semakin tinggi kekuatan tariknya. 9 Carbon black juga meningkatkan ketahanan sobek dan gesekan karet alam. Selain carbon black, calsium silikat (silika) dan lempung yang dimodifikasi secara kimia juga biasa digunakan sebagai filler untuk memperkuat karet. Sifat-sifat karet dapat dilihat sebagai berikut dengan kekuatan tarik yang rendah dan perpanjangan yang besar:
Synthetic Rubbers (Karet sintetis) Karet sintetis pada tahun 1980 memenuhi 70% pangsa pasar karet dunia, diantaranya adalah : 10 Styrene-butadiene rubber (SBR). Karet sintetis yang berupa kopolimer butadiene-styrene dan paling penting serta banyak digunakan secara luas. Setelah polimerisasi, material ini mengandung 20-23% styrene. Struktur dasarnya adalah : Mengingat mer butadiene memiliki ikatan ganda, maka kopolimer ini dapat divulkanisir dengan belerang melalui proses sambungan silang.
11 Styrene-butadiene rubber (SBR). Butadiene saat disintesa dengan katalis stereospecific menghasilkan cis isomer yang memiliki elastisitas yang lebih besar daripada karet alami karena grup metil berada pada ikatan ganda dalam karet alam hilang pada mer butadiene. Keberadaan styrene dalam kopolimer menghasilkan karet yang lebih tangguh dan kuat. Sisi phenyl pada rantai utama menurunkan kecenderungan polimer untuk mengkristal pada saat mendapat tegangan tinggi. Karet SBR memiliki biaya lebih murah daripada karet alam dan banyak digunakan seperti pada telapak ban (tire treads). SBR juga memiliki ketahanan aus yang lebih baik tetapi memiliki sifat menimbulkan panas lebih tinggi. Kelemahan SBR dan karet alam adalah menyerap larutan organik seperti bensin dan minyak.
12 Nitrile rubber. Karet nitril adalah kopolimer dari butadiene dan acrylonitrile dengan perbandingan 55-82% butadiene dan 45-18% acrylonitrile. Keberadaan grup Nitril meningkatkan derajat polaritas dalam rantai utama dan ikatan hidrogen antara rantai yang berdekatan. Grup Nitril membuat ketahanan yang baik terhadap minyak dan pelarut dan memperbaiki ketahanan abrasi dan panas. Selain itu, juga menurunkan fleksibilitas molekul. Karet nitril lebih mahal daripada karet biasa, sehingga kopolimer ini terbatas digunakan pada aplikasi tertentu seperti saluran bahan bakar, gasket yang perlu ketahanan tinggi terhadap minyak dan pelarut.
Polychloroprene (neoprene). Karet neoprene mirip dengan isoprene kecuali pada grup metil yang berada pada ikatan karbon ganda digantikan dengan atom klor seperti pada struktur berikut: 13 Keberadaan atom klor meningkatkan ketahanan dari ikatan ganda yang tidak jenuh terhadap serangan oksigen, ozone, panas, cahaya dan cuaca. Neoprene juga memiliki ketahanan cukup baik terhadap bahan bakar dan minyak dan meningkatkan kekuatan dibandingkan karet lainnya. Kelemahannya, memiliki fleksibilitas yang rendah pada suhu rendah dan mahal. Oleh sebab itu, digunakan untuk komponen khusus seperti penutup kawat atau kabel, saluran industri dan sabuk dan seal otomotif dan diafragma dalam bidang otomotif.
Silicone Rubbers Atom silikon seperti karbon memiliki elektron valensi 4 dan mampu membentuk molekul polimer dengan ikatan kovalen. Akan tetapi, polimer silikon memiliki unit berulang dari silikon dan oksigen sbb: 14 Dengan X dan X dapat berupa atom hidrogen atau grup seperti metil (CH 3 -) atau phenyl (C 6 H 5 -). Polimer silikon berdasarkan pada silikon dan oksigen dalam rantai utama disebut silicones. Diantara elastomer silicone, jenis yang paling umum dari unit ulangan X-X adalah grup metil sbb:
Silicone Rubbers 15 Polimer ini disebut: Polydimethyl siloxane dan dapat dihubung-silang pada suhu ruang dengan penambahan initiator (benzoyl peroxide) yang bereaksi dengan grup metil bersama dengan eliminasi gas hidrogen untuk membentuk jembatan Si-CH 2 -CH 2 -Si. Jenis lain dari silicones dapat dipulihkan pada suhu tinggi (mis. 50-150 C), tergantung pada produk dan tujuan penggunaan. Keuntungan besar karet silikon adalah mampu digunakan pada interval suhu yang cukup luas ( -100 hingga 250 C). Aplikasi dari karet silikon adalah sealant, gasket, isolator listrik, autoignition cable dan spark-plug boots.
Terima kasih kepada Para Penulis Buku yang menjadi acuan mata kuliah ini: William F. Smith, Foundations of Materials Science and Engineering, McGraw-Hill International Editions
Thank you for your kind attention Have a nice learning and day