LOGAM, KERAMIK DAN POLIMER

(MATA KULIAH METODE KARAKTERISTIK BAHAN)

Untuk logam, keramik dan polimer pasti sudah banyak yang sudah tahu, Logam adalah besi yang biasanya ada atau sering dijumpai yang bisa menghantarkan listrik karena merupakan  konduktor terbaik, Keramik contoh sederhananya adalah lantai yang berada pada rumah, ata barang pecah belah sebagai perabotan rumah tangga, Tetapi untuk polimer mungkin banyak yang tidak tahu polimer itu apa, padahal polimer adalah plastik yang sering dibawa kemana-mana, tas, atau barang –barang yang mudah terbakar.

Pengertian dan pengetahuan yang ada diatas adalah pengertian sederhana supaya mudah dimengerti, untuk lebih jelasnya tentang logam, keramik, dan polimer ada dibawah ini.

1.      LOGAM

Logam dalam bahasa yunani adalah metallon yang merupakan unsur kimia yang membentuk ion (kation) dan memiliki ikatan logam, atau mirip dengan kation pada awan elektron. Dalam tabel periodik dari boron (Bo) ke Polonium (Po) yang membedakan antara unsur logam dan logam. Unsur dalam garis ini adalah metaloid atau semi logam, unsur di kiri bawah adalah logam, untuk unsur kanan atas adalh non logam. Logam merupakan struktur raksasa dari atom-atom yang berikatan satu sama lain melalui ikatan logam. "Raksasa" menunjukkan jumlah yang sangat banyak tetapi jumlah atom yang terlibat sangat bervariasi - tergantung pada ukuran potongan logam. Logam juga di kenal karena konduktivitas termalnya dan listrik yang tinggi tidak tembus cahaya dan dan relatif berat. Logam berelektron valensi tidak terikat, namun dapat meninggalkan atom induknya.

      JENIS ATAU TIPE IKATAN

Ikatan logam terjadi karena adanya saling meminjamkan elektron, namun proses ini tidak hanya terjadi antara dua atau beberapa atom tetapi dalam jumlah yang tidak terbatas. Setiap atom memberikan elektron valensinya untuk digunakan bersama, sehingga terjadi ikatan atau tarik menarik antara atom-atom yang saling berdekatan.

Jarak antar atom dalam ikatan logam tetap sama, jika ada atom yang bergerak menjauh maka gaya tarik menarik akan “menariknya” kembali ke posisi semula. Demikian pula jika atom mendekat kesalah satu atom maka akan ada gaya tolak antar inti atom. Seperti contoh di bawah ini,

Gambar 1.1 Ikatan logam dalam magnesium

Pada bahan logam terdapat banyak jenis ikatan logam, antaranya ikatan kovalen, ikatan ion, dua ikatan ini dianggap ikatan terkuat, sedangkan ikatan hidrogen dan ikatan wander waals, ikatan ini dianggap sebagai ikatan yang lemah

   Gambar1. 2 ikatan logam-logam.

Didalam ikatan-ikatan terdapat ikatan kimia koordinasi antara ligan dan logam yang diusulkan oleh A Werner merupakan dasar perkembangan kimia kompleks. Modus ikatan dan struktur senyawa kompleks yang dikenal telah menjadi petunjuk bagi sintesis senyawa-senyawa baru. Untuk kompleks dinuklir atau polinuklir yang mengandung dua atau lebih logam, cukup untuk memperhatikan hanya ikatan logam dan ligan. Konsep ikatan langsung antar logam muncul akibat perlunya menjelaskan kimia struktural logam karbonil dinuklir yang memiliki bagian struktur dengan jumlah elektron ganjil. Contoh dua satuan Mn(CO)₅ dalam Mn₂(CO)₁₀ dihubungkan dengan Mirip dengan itu dapat disimpulkan bahwa Co₂(CO)₈, dengan dua ligan jembatan karbonil, harus memiliki ikatan Co-Co agar sifat diamagnetiknya dapat dijelaskan.

Selain itu ada ikatan tunggal dan ikatan rangkap, Untuk ikatan tunggal dikenalkan untuk senyawa karbonil logam dinuklir, karbonil kluster, seperti gambar di bawah ini,

Gambar 1.3  Ikatan tunggal

Selain ikatan tunggal terdapat juga ikatan rangkap, ikatan ini terdapat pada senyawa dinuklir dengan atomlogam diikat dengan orde ikatan 2 sampai 4.

Ikatan M-M kuadrupol (berorde 4) diusulkan pertama untuk Re₂C_l8^2-, dan sampai saat ini ion ini senyawa ini masih merupakan contoh yang terbaik. Fitur lain yang  tidak umum dalam adalah satuan ReCl₄ mengadopsi konfigurasi eklips (atom khlor tumpang tindih sepanjang arah ikatan Re-Re) walaupun koordinasi stagger (dengan atom khlor tidak tumpang tindih sepanjang arah ikatan Re-Re) seharusnya lebih stabil karena jarak antar satuan ReCl₄ sangat pendek, dan

berakibat pada jarak antar atom khlorin juga sangat pendek (nilai hasil eksperimen adalah 332 pm). Akibatnya, interaksi tolakan antar khlorin ini menjadi kuat, seperti gambar di bawah ini.

Gambar1. 4 ikatan rangkap

Tabel 1.1 Beberapa Bentuk geometri Ikatan

Jenis ikatan	Jumlah ikatan maksimum	Bentuk geometrik
sp	2	Linier
sp2	3	Segitiga datar
sp3	4	Tetrahedron
dsp3	5	Trigonal bipiramid
sp2d ; dsp2	4	Segiempat datar
d2sp3 ; sp3d2	6	Oktahedron

      STRUKTUR KRISTAL LOGAM

Struktur logam hampir sama dengan sifat logam, untuk struktur kristal pada logam cukup banyak, jadi pada pembahasan ini akan membahas 2 struktur kristal. Body Centerd Cubic (BCC) atau kubus berpusat badan yang merupakan struktur logam yang banyak dijumpai pada Crom (Cr), Besi Alpha, Molebdenum (Mo), Tantalum (Ta) dan lain-lain. Pada struktur ini memeiliki satu pusat atom pusat dan dikelilingi oleh 8 atom lainnaya yang berada pada diagonalnya. Struktur ini memiliki jumlah atom yang berdekatan 2 buah yang disebut bilangan koordinasi.

 

Gambar1.5  Struktur kristal kubus berpusat di badan

            Ada struktur kristal yang hanya dimiliki beberapa material kristal disebut dengan polymorphism. Selain itu ada strktur kristal logam dari carbon  yaitu nanotube yang hanya untuk miniaturisasi peralatan, atau pada kristal logam gas mulia, seperti (He, Ne, dan Ar). Proses ini diawali dengan Proses tersebut diawali dari bentuk gas yang berubah menjadi cairan dilanjutkan dengan pembentukan kristal yang memiliki titik leleh rendah. Kristal tersebut umumnya transparan, dan bersifat sebagai isolator.

                                 

Gambar1. 6 Beberapa struktur kristal yang sudah ditemukan

      METODE SINTESIS

Pada metode sintesis logam ini akan membahas tentang sintesis pada La1-xSrxCoO3-δ dengan Metode Sol-Gel . Pada lanthanida oksida (La203) yang dilarutkan dengan air sedikit demi sedikit hingga terbentuk larutan La203. Kemudian campurkan garam nitrat [Sr(NO3)2] dan Co(NO3)3 hingga tercampur homogen. Untuk asm nitrat ditambahkan dengan perbandingan 1:1 (kation: Asam Nitrat). Agar airnya berkurang maka dilakukan evaporasi  dengan pemanasan larutan selama  kurang lebih 3 menit dengn suhu 80⁰C hingga berbentuk gel. Selanjutnya dilakukan pengeringan dalam oven dengan duhu 100⁰C. Kemudian dianalisa DTA/TGA untuk mendapatkan suhu kalsinasi pada suhu 750⁰C selama 2 jam.

      SIFAT-SIFAT FISIS LOGAM

                               I.            Titik leleh dan titik didih
Kebanyakan dari logam memilki titik leleh dan titik didih yang tinggi karena kekuatan ikatan logam. Karena kekuatan logam tergantung pada jumlah elektron yang terdelokalisasi pada lautan elektron dan pada susunan atomnya. Tetapi untuk logam-logam golongan 1 seperti Natrium dan Kalium memiliki titik leleh dan titik didih yang rendah dikarenakan satu elektron untuk dikontribusikan pada ikatannya, terapi ada penyebab lainnya yaitu:

v  Karena unsur golongan 1 tersusun tidak efektif dan juga ukuran atom yang relatif besar.

                            II.            Daya hantar listrik

Logam dapat menghantarkan listrik karen Elektron yang ter delokalisasi bergerak ke seluruh bagian struktur 3 dimensi. selama atom saling bersentuhan satu sama lain, ikatan logam masih tetap ada.

                         III.            Daya hantar panas

Logam adalah knduktor panas yang baik.

                         IV.            Kekuatan dan kemempuan kerja

Ketika logam berbentuk elastis, ketika tekanan diterpakan pada logam tersebut akan meregang, begitu juga sebaliknya logam akan kembali ke bentuk semula.

                            V.            Kekerasan logam

Karena logam memiliki butiran yang tersusun sebagaimana metinya, hal ini mengakibatkan logam lebih keras. . Kenaikan jumlah batas butiran tidak hanya membuat logam menjadi semakin kuat, tetapi juga membuat logam menjadi rapuh.

                         VI.            Pengontrolan ukurab butiran kristal

Pengontrolan ini dengan pemanasan biala ingin logam menjadi sususnan lebih rapi dan pendinginan untuk membuat logam lebih keras.

2.      KERAMIK

Keramik berasal dari bahasa yunani yaitu “ceramos”(pembuat barang tembikar tanah liat) dan bahasa inggris “ceramic” adalah material anorganik dan non-metal. Umumnya keramik adalah senyawa antara logam dan non logam. Keramik sudah digunakan sekitar sebelum  4000 SM yang sudah digunakan sebagai busi isolator listrik dan kekuatan terhadap suhu tinggi yang dapat menghasilkan jenis keramik yang sangat berkualitas.

v  Keramik sendiri dapat dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.      keramik tradisional yang biasanya terbuat dari tanah liat,

contoh: porselen, batu ubin, gelas, whiteware, sewer piper,  dll,

Gambar 2.1 hasil keramik tradisional (guci)

2.      keramik modern yang biasanya mempunyai ruang lingkup yang lebih luas dan mempunyai efek dramaris yang lebih bermanfaat untuk kehidupan manusia atau biasanya disebut keramik industri, keramik teknologi tinggi dan keramik halus,

contoh: pemakaian pada benda-benda elektronik,komputer, aerospace, heat changers, turbin, dll.

Gambar 2.2 hasil keramik teknologi tinggi  brake system used in the Audi R8 super sports car. (photo by Quincy Liang)

      JENIS IKATAN PADA KERAMIK

Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik, yakni ikatan ionik dan kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan. Bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin dan amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun pada jarak jauh keteraturannya tidak ada. Beberapa keramik dapat berada dalam kedua bentuk tersebut, misalnya SiO2, (lihat gambar, a struktur yang kristalin, b amorf).

Jenis ikatan yang dominan (ionik atau kovalen) dan struktur internal (kristalin atau amorf) mempengaruhi sifat-sifat bahan keramik. Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan. Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya.

      STRUKTUR KRISTAL KERAMIK

Sruktur kristal keramik bisa biasanya berupa kristal tunggal atau struktur polikristal yang mempunya banyak bijian. Struktur kristal terdiri dari ion-ion.

-kation adalah ion negatif dan anion adalah ion positif.

     

Struktur keramik kubus

                                                             Gambar 2.3 Struktur keramik kubus

      Struktur keramik tetrahedron

 

                                                

                             Gambar 2.4 Struktur keramik tetrahedron

      Struktur keramik triangle

 

                                           Gambar 2.5 Struktur keramik triangle

      Struktur keramik oktahedron (NaCl)

 

                            Gambar 2.6 Struktur keramik oktahedral (NaCl)

      METODE SINTES

            Pada keramik ini yang akan disintesis adalah mensintesis “ubahan gradual Al2TiO5/Al203 dengan aditif MgO untuk aplikasi suhu tinggi.

            Komposit keramik berbasis aluminium titanat (Al₂TiO₅, AT) berpotensi sebagai bahan yang memiliki ketahanan sifat fisik mekanik pada suhu tinggi karena koefisien muai panjangnya yang mendekati nol (≈ 0.4x 10^-6°C^-1) dan titik lelehnya yang relatif tinggi (>2000°C). Potensi ini semakin meningkat bila komposit dapat disintesis dalam bentuk bahan ubahan gradual (functionally graded material, FGM), karena kegradualan komposisi  menurut  kedalaman  dapat  membantu  meredam perambatan  retak. Masalah utama dalam sintesis kerarnik AT ialah terurainya bahan ini menjadi alumina (Al₂O₃) dan rutile (TiO₂). Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa dekomposisi AT ini dapat dicegah, salah satunya, dengan menambahkan magnesia (MgO). Namun, masalah lain muncul pada sintesis FGM berbasis AT, karena penambahan MgO yang tidak optimum dapat menghasilkan keramik AT yang sifat fisiknya jauh dari yang diharapkan. Tujuan penelitian ini ialah mensintesis FGM T/A dengan tambahan MgO sebagai penstabil AT dalam jumlah optimum. Penelitian ini juga dimaksudkan untuk menemukan metode yang tepat untuk meningkatkan kandungan AT di dalam FGM.

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi serbuk-serbuk alumina dan magnesia serta cairan yang mengandung TiCl₃. Prakerarnik alumina dan alumina-magnesia dibuat dengan mengepres serbuk alumina, diikuti dengan prasinter pada suhu 900-1000°C selama 1 jam. Metode sintesis yang digunakan ialah infiltrasi prakerarnik alumina dengan cairan yang mengandung TiCl₃. Untuk studi kinetika infiltrasi, teknik yang digunakan ialah infiltrasi total, sedangkan untuk pembuatan komposit berbasis AT digunakan teknik infiltrasi parsial.

Metode lain yang digunakan termasuk infiltrasi yang diragamkan dengan waktu, infiltrasi berulang, dan infiltrasi dalam vakum. Metode pencirian bahan meliputi pemakaian sedigraf untuk ukuran butir, difraksi sinar-x untuk identifikasi fase dan analisis komposisi, alat analisis termal diferensial/TG untuk identifikasi perubahan fase karena perilaku suhu, dan mikroskopi elektron payar untuk mengamati mikrostruktur. Tungku suhu tinggi digunakan untuk (1) prasinter, pembuatan prakeramik, (2) studi kinetika infiltrasi, (3) sinter, dan (4) studi dekomposisi. Komposisi dianalisis dengan metode Rietveld atau nisbah intensitas terpadu (aproksimasi).

Pada penelitian lanjutan, prakeramik alumina-magnesia (0, 2, dan 5% bobot) diinfiltrasi parsial dan berulang hingga 10 kali. Kenaikan massa prekursor meningkat secara linear dengan pengulangan hingga 8 kali. Kajian komposisi pada FGM MgO-AT/A yang telah disinter pada suhu 1450°C selama 3 jam menunjukkan bahwa kandungan ATdi permukaan keramik dapat mencapai 70-80% (bobot), dibandingkan dengan 44% pada FGM AT/A-zirkonia yang diinfiltrasi 24 jam 1 kali sebagai pembanding. Studi komposisi menurut kedalaman menunjukkan bahwa ketajaman penurunan konsentrasi AT juga menurun menurut kedalaman, dengan kata lain, konsentrasi AT menurun secara gradual.

Dekomposisi FGM MgO-AT/A dikaji dengan cara anil pada suhu 800-1000°C selama 0-200 jam. Hasilnya menunjukkan bahwa AT terdekomposisi lengkap menjadi alumina dan rutile pada suhu di atas 900°C dan waktu anil >80 jam. Sebaliknya, terbukti bahwa MgO (melalui terbentuknya spinel MgAl₂O₄) berperan cukup efektif dalam mencegah dekomposisi AT pada keadaan itu. Dari kajian ini disarankan penerapan suhu operasi FGM AT/A dengan aditif MgO tidak lebih dari 900°C. Meskipun MgO dapat menghambat dekomposisi AT, pada suhu di atas 900°C dengan waktu anil >80 jam perlahan-lahan AT akan terdekomposisi.

Kajian mikrostruktur mengindikasikan sifat fisik mekanik FGM MgO-AT/A lebih baik daripada keramik AT murni. Rendahnya konsentrasi spinel (<5%) yang dapat menghambat dekomposisi AT diperkirakan tidak banyak mempengaruhi koefisien muai panjang FGM. Dengan kombinasi koefisien muai rendah dan sifat fisik mekanik yang baik, FGM MgO-AT/A diharapkan memiliki kinerja lebih baik daripada FGM AT/A.

      SIFAT FISIS DARI KERAMIK

Kebanyakan dari jenis keramik mempunyai sifat rapuh atau britle, terutama dari jenis keramik tradisional. Meskipun ini tidak untuk semua jenis keramik, coba dibandingkan antara piring  yang terbuat dari keramik dengan membandingkan dengan piring yang terbuat dari logam. Tetapi berbeda dengan keramik yang terbuat dari sintering atau campuran dari sintering dan logam, seperti halnaya keramik tradisional hanya mampu berrtahan pada suhu 120 ⁰C sedangkan yang dari enginering mapu sampai 2000⁰C.

Setelah dilakukan beberapa penelitian keramik memeiliki sifat-sifat bahan sebagai berikut:

a.      Mekanik

Keramik biasanya materias yang kuat dan tahan korosi, sifat-sifat ini bersamaan dengan kerapatan yang rendah dan tititk lelehnaya yang tinggi yang menjadikan keramik material yang menarik.

Kerapuhan dalam keramik merupakan keterbatasan, karena keramik cenderung untuk patah secara tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Tetapi dalam logam memungkinkan atom tangganya dapat berubah-ubah tanpa memutus ikatan strukturnya, yang memungkinkan logam terdeformasi dibawah tekanan. Keramik akan bertahan karena iktan ion dan kovalennya yang tidak mudah geser.

Dalam padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar.

b.      Sifat Termal

Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut.

Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya.

Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon .

maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.

Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660oC. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau dibawah 175^oC, walaupun eksterior pesawat midcapi 140^oC.

c.       Sifat Listrik

Sifat bahan listrik sangat bervariasi, karena keramik dikenal dengan isolator yang baik. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO₃₎ dapat di polarisasi dan digunakan sebagai kapasitor. Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor, bahan ini memiliki hambatan=0. Akhirnya keramik yang disebut dengan piezoelektrik dapat menghasilkan respond listrik akibat tekanan mekanik atau sebaliknya.

Bahan dielektrik adalah isolator yang dapat dipolarisasi pada tingkat molekuler. Material semacam ini di gunakan untuk menyimpan muatan listrik dan elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan punuh, arus tidak akan mengalir. Namun dengan tegangan tinngi yang dapat mengeksitasielektron dari pita valensi ke pita konduksi.

Ada beberapa keramik yang dapt menghasilkan kekuatan dielektrik yang sangt besar , seperti porselen sampai 160 kv/cm.

Ada beberapa keramik yang memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistriakan tekan, yang merupakan bahan canggih yang bisanya digunakan sebagai sensor, atau tranduser yang terdapat pada mikrofon, dan lain-lain. Dalam bahan keramik ada juga yang dapat juga di hantarkan oleh ion-ion. Kemampuan penghantar ion didasarkan pada anion oksigan yang bergerak, tetapi tetap berupa isolator. Contoh padatan ionik adalah Zirkonia ZrO2 yang distabilkan dengan kalsia (CaO).

d.      Sifat Optik

Keramik juga memiliki sifat optik, karena sifat bahanya yang transparann, translusen, atau opaque. Seperti gelas yang dapat mentransmisikan cahaya dengan difusi, seperti gelas terfrosted (bahan transfulen). Maka dari itu ketika cahaya mengenai keramik itu cahaya akan ditranmisiskan, diabsorpsi, atau dipantulkan. Dua mekanisme penting interaksi cahaya denegn partikel dalam adalah polarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalah distorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya.

Dalam padatan elektron yang energinya tertinggi ada dalam orbital-orbital dalam pita valensi dan orbital-orbital yang tidak terisi biasanya dalam pita konduksi. Gap antara pita valensi dan pita konduksi disebut gap energi.

3.  POLIMER

Polimer atau polimerisasi 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 atau blok yang dihubungkan dengan iktan-ikatan kovalen. Polimer tersusun atas monomer. Monomer monomer tersebut dihubungkan melalui suatu reaksi dimana dua molekul berikatan secara kovalen satu sama lain melalui pelepasan satu molekul air. Reaksi ini disebut kondensasi atau dehidrasi. Ketika suatu ikatan terbentuk antara 2 monomer,tiap molekul memberikan gugus hidroksil (-OH), sementara yang lainnya memberikan hidrogen (-H). Polimer juga dapat diuraikan menjadi monomer melalui hidrolisis, contohnya adalah pencernaan.

Reaksi

Monomer         ^polimerisasi                  polimer

 

Gambar3.1 reaksi penggabungan monomer-monomer untuk menjadi polimer dengan contoh asam amino

Unit ulangan dapat memiliki struktur linear atau bercabang. Unit ulangan bercabang dapat membentuk polimer jaringan tiga dimensi. Tabel di bawah ini menunjukkan beberapa contoh polimer, monomer, dan unit ulangannya.

Polimer	Monomer	unit ulangan
Polietilena	CH2 = CH2	- CH2CH2 –
poli(vinil klorida)	CH2 = CHCl	- CH2CHCl –
Poliisobutilena
polistirena
Polikaprolaktam (nylon-6)
Poliisoprena (karet alam)

Tabel2.1 Polimer, monomer, dan unit ulangannya

Polimer adalah gabungan dari beberapa monomer, gabungan dari beberapa monomer itu diberi nama, seperi tabel di bawah ini

Tabel2.2  Contoh pemberian beberapa nama polimer menurut sumber monomernya dan IUPAC

Nama Sumber	Nama IUPAC
Polietilena Politetrafluoroetilena Polistirena Poli(asam akrilat) Poli(a-metilstirena) Poli(1-pentena)	Poli(metilena) Poli(difluorometilena) Poli(1-feniletilena) Poli(1-karboksilatoetilena) Poli(1-metil-1-feniletilena) Poli[1-(1-propil)etilena]

v  berdasarkan asal  polimer dapat dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.      Polimer alam adalah senyawa yang dihasilkan dari metabolisme makhluk hidup,

Contoh: pati, selulosa, protein, lipid, asam nukleat.

Gambar3.2 macam-macam struktur lipid

2.      Polimer Sintetik

Polimer sintetik adalah polimer yang tidak berasal dari alam atau metabolidme makhlukhidup, tetapi buatan manusia yang biasanya disebut dengan plastik,  Polimer sintetis merupakan hasil sintesis senyawa-senyawa organik di mana molekulmolekul yang berupa monomer bergabung membentuk rantai panjang melalui ikatan kovalen. Walaupun, kebanyakan polimer sintetik boleh diklasifikasikan dalam tiga kumpulan utama : thermoplastik, thermoset dan elastomer.

Contoh: polietilena dan polivinil klorida, nylon.

Gambar3.3 tas plastik yang terbuat dari polietilena

 

Gambar struktur polietilena pada plast

Gambar3.4 struktur polietilena pada tas plastik

v  Berdasarkan cara polimerisasinya, polimer dapat dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.      Polimer adisi

Polimer adisi adalah polimerisasi yang disertai dengan pemutusan ikatan rangkap diikuti oleh adisi monomer.

 

Yang termasuk dalam polimer adisi adalah polistirena (karet ban), polietena (plastik), poliisoprena (karet alam), politetraflouroetena (teflon), PVC, dan poliprepilena (plastik).

2.      Polimer kondensasi

Polimer kondensasi adalah  polimer yang terbentuk karena monomer-monomer saling berikatan dengan melepaskan molekul kecil (H₂O, NH₃).

 

Yang termasuk ke dalam polimer kondensasi adalah bakelit, poliuretan, poliamida, (melamin), poliester (nilon), teteron, dan protein.

v  Berdasarka reaksi polimer terhadap kalor dapat dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.      Polimer termoplastik/termoplas

Polimer termoplastik adalah polimer yang melunak ketika dipanaskan dan dapat kembali ke bentuk semula.

 Contoh: PVC, polietilena, polipropilena

2.      Polimer termosetting

Polimer termosetting adalah polimer yang tidak melunak ketika dipanaskan dan tidak dapat kembali ke bentuk semula.

 Contoh: melamin, selulosa.

J  IKATAN PADA POLIMER

Ikatan dalam polimer dapat dibedakan dalam 2 kelompok yaitu ikatan primer dan iktan sekunder. Ikatan primer dari suatu polimer adalah ikatan kovalen, yaitu iktan antar  atom yang digunakan secra bersamaan. Ikatan sekunder dalam suatu polimer adalah ikatan ion, hidrogen, dan wander waals. Ikatan primer kovalen merupakan ikatan atom yang sangat kuat dibanding ikatan atom sekunder, 10 hingga 100 kalinya.

Gambar3.5 ikatan primer kovalen di dalam ethylene C₂H₄

J  STRUKTUR KRISTAL POLIMER

Berdasarkan strukturnya polimer dapat dibedakan atas:

a)      Chain linearty

Chin linearty adalah polimer yang terdiri dari rantai utama yang tidak dipengaruhi oleh persistence length (sifat dasar mekanis yang mengukur kelakuan dari polimer panjang. Polimer lurus ini memiliki beberapa tipe, antara lain:

                                                        i.            Linear polimer

Terdiri atas satu cabang rantai yang kontinu tanpa ada percabangan.

Seperti gambar di bawah in

                                                      ii.             Branched Polymer

Branched polymer terdiri atas satu rantai utama yang mempunyai rantai molekul lebih kecil sebagai cabang. Sebuah struktur rantai bercabang cendrung menurunkan tingkat kristanilitas ( cristanility ) dan kepadatan ( density ) polymer tersebut. Susunan geometrik dari ikatan bukan merupakan penyebab bervariasinya stuktur polymer.

Branched polymer terbentuk ketika terdapat rantai cabang yang menempel pada rantai utama.contoh sederhana dari branched polimer.

                                                    iii.            Cross-Linking

Cross-linking dalam polymer terjadi ketika ikatan valensi primer terbentuk antara moleku-molekul rantai polymer yang terpisah. Selain ikatan dimana monomer membentuk rantai polymer, ikatan polimer yang lain terbentuk diantara polimer tetangganya. Ikatan ini dapat terbentuk secara langsung diantara rantai tetangganya, atau dua rantai dapat terikat menjadi rantai yang lain. Walupun tidak sekuat ikatan pada rantai, cross-links mempunyai peran yang sangat pentin pada polimer. Polimer mempunyai ikatan cross-links yang banyak mempunyai "memory." Ketika polymer diregangkan, ikatan cross-links mencegah rantai untuk berpisah. Ikatan ini memperkuat, namun ketika tegangan dihilangkan maka struktur akan kembali ke bentuk semula dan objek pun demikian.

Gambar3.6 branched polymer dan cross-linked polymer.

Polimer linear dan bercabang memiliki sifat :

            1. Lentur

            2. Berat Molekul relatif kecil

            3. Termoplastik.

J  METODE SINTESIS

Metode sintesis digunakan untuk menghasilkan bahan yang berkualitas baik,

 Sintesis senyawa kimia umumnya dilakukan melalui reaksi kimia yang berlangsung pada fasa homogen kelemahan reaksi pada fasa homogen adalah pemisahannya sulit. Dalam metode sintesis ini akan akan mensisntesis senyawa polimer orto-nitro-parakresol-formaldehid yang menggunakan metode polimerisasi dengan formaldehida melalui reaksi substitusi nukleofilik denagn basa⁽²⁵⁾. Tetapi sebelum membentuk polimer harus mensintesis monomer senyawa orto-kresol dengan metode nitrasi dan memisahkan kemurniannya dengan metode destilasi uap dan kolom kromatografi.

Metoda yang digunakan untuk karakterisasi senyawa monomer adalah dengan  titik leleh, spektroskopi UV, dan spektroskopi IR, sedangkan metoda karakterisasi senyawa polimer menggunakan spektroskopi IR, metoda anhidrida asam asetat yang dilakukan untuk menentukan jumlah gugus OH, penentuan daya tahan polimer terhadap perubahan suhu, dan juga spektroskopi massa.

Desain yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

Nitrasi (HNO₃ dan H₂SO₄)

	Para-kresol				Orto-netro-para-kresol

 

^{Dipisahkan dan dimurnikan}

^{(destilasi Uap dan kolom kromatografi)}

                                ^{Dikarakterisasi (sifat fisik (titik leleh), UV, IR)}

            Polimerisasi dengan formaldehid (suasana basa)

			PPolimer orto-nitro-para-kresol-formaldehid.
	Ssenyawa polimer formaldehid dari orto-nitro-para-kresol

 

^{Dikarakterisasi dengan}

^{Penentuan jumlah gugus fungsi,}

^{IR, dan spektofotometer massa}

Untuk pembuatan sintesis ini dimulai dengan pembuatan Monomer/ Síntesis Orto-Nitro-Para-Kresol dilanjutkan dengan pembuatan polimer Orto-Nitro-Para-Kresol, yaitu sbb:

                               I.            Pembuatan Monomer/sintesis Orto-Nitro-Para-Kresol

Hasil reaksi nitrasi para kresol didestilasi uap dan diperoleh destilat berupa padatan kuning pada suhu dibawah 26 °C dengan titik leleh 33 - 35 °C. Dari 25 gram para-kresol dan 70 mL larutan asam nitrat dan asam sulfat 1 : 1 diperoleh 13,8 gram. di TLC (kromatografi lapis tipis) dan didapat 2 noktah karenanya dilakukan kromatografi kolom dengan pengeluen n-heksana yang kemudian dipolarkan sedikit demi sedikit dengan benzena, semua fraksi dengan warna yang sama dikumpulkan dan diuapkan pelarutnya diperoleh padatan berwarna kuning dengan titik leleh 33 – 34 °C, sebanyak 10,84 gram dan padatan berwarna jingga dengan titik leleh 76 – 78 °C, sebanyak 1,70 gram. Dari data literatur diperoleh titik leleh senyawa orto-nitro-para-kresol 33 - 35 °C. Dari data spektrum UV dengan menggunakan pelarut n-heksana diperoleh λ yang menunjukkan bahwa dalam senyawa yang berwarna kuning ini terdapat suatu aromatik yang karena adanya gugus kromofor mengalami pergeseran ke arah λ yang lebih panjang. Dari data spektrum IR diperoleh bahwa terdapat vibrasi untuk gugus fungí OH, NO₂, CH₃, dan benzena yang menunjang bahwa senyawa berwarna kuning merupakan senyawa orto-nitro-para-kresol (ONPC).

                            II.             Pembuatan Polimer/Síntesis Polimer Orto-Nitro-Para-Kresol-Formaldehid

Saat ditambah larutan NaOH senyawa ONPC berubah menjadi merah darah setelah dipanaskan pada 80 °C warna mulai muda dan pada pemanasan 135 °C warna menjadi merah cabe dan memadat yang padatannya agak lunak. Uji ketahanan terhadap panas ternyata warna menjadi hitam dan timbul api pada suhu pemanasan 105 - 110 °C tanpa ada pelelehan. Padatan merah yang tidak larut dalam eter dibiarkan kering (eternya dibiarkan menguap) maka endapan berbentuk padat halus yang larut dalam air dan larutannya berwarna jingga merah. Dari data penentuan jumlah gugus fungsi OH untuk polimer hasil polimerisasi ternyata mempunyai jumlah ekiven terhadap OH sebanyak 2 buah. Data hasil spektrum IR didapat adanya vibrasi dari gugus OH, NO₂, CH₃, benzina, dan gugus C-O-C (eter) dari diaril dan alkil aril . Dari data spektofotometer massa diperoleh harga m/e adalah 512 yang menunjukkan bahwa senyawa tersebut hanya berupa dimer

J  SIFAT FISIS

Sifat-sifat mekanik dan fisik dari polimer sangat dipengaruhi oleh derajat

kekristalannya. Sifat-sifat mekanik yang dipengaruhi oleh derajat kekristalan

misalnya adalah kekakuan (stiffness), kekerasan (hardness), dan keuletan

(ductility) . Sedangkan sifat-sifat fisik yang berhubungan dengan derajat

kekristalan misalnya adalah sifat-sifat optik dan kerapatan (density) dari polimer.

polimer seperti itu memiliki sifat rekat/kekentalan yang tinggi. Saat temperatur berubah menjadi dingin dengan cepat, kristalin berada dalam keadaan lebih stabil sedang pergerakan molekul menjadi terlalu pelan atau geometri terlalu kaku untuk membentuk kristalin.Polimer juga tegantung pada temperatur yaitu respon terhadap gaya, sebagaimana diindikasika oleh dua sifatnay yaitu elastis dan plastis. Kebanyakan material mendemonstrasikan kombinasi dari perilaku elastis dan plastik, memperlihatkan perilaku plastik setelah melebihi batasan elastis.

JENIS/ TIPE IKATAN, STRUKTUR,

METODE SINTESIS, DAN SIFAT FISIS

DENGAN CONTOH LOGAM, KERAMIK, DAN POLIMER

RESUME

Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah

Fisika Material

yang dibina oleh bapak Markoes Diantoro

Oleh:

Ngesti Utami

308322410933

M/G

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI MALNG

November 2010