DASAR-DASAR RHEOLOGI
1. Pendahuluan
Umumnya polietilen hasil polimerisasi di plant diberi tambahan additive dan dipelletizing menjadi bentuk pellet. Pellet tersebut selanjutnya siap untuk diproses menjadi berbagai macam bentuk seperti yang diinginkan dengan menggunakan mesin fabrikasi yang cocok. Selama fabrikasi plastik tersebut banyak dipengaruhi oleh kecepatan ekstrusi, setting temperature di tiap zone, melt pressure dll, yang kesemuanya sering disebut sebagai ‘processability’. Berikut ini akan kita bahas processability polietilen dari tinjauan rheologinya yaitu ilmu yang mempelajari aliran dan perubahan bentuk polietilen dalam keadaan lelehan serta sifat-sifat alirannya.
2. Aliran dan perubahan bentuk viscoelastik
a. Kekentalan (viscosity)
Fluida adalah persenyawaan yang mengalami deformasi (perubahan bentuk) secara kontinyu jika dikenakan shear stress. Resistensi yang dikeluarkan oleh fluida terhadap beberapa deformasi disebut viscositas. Untuk gas dan beberapa cairan dengan Berat Molekul yang rendah jika pada temperature dan tekanan tertentu viscositasnya tetap maka bahan tersebut dikenal sebagai fluida Newtonian.
b. Kekenyalan (Elastisitas)
Apabila sebuah pegas diberi tegangan yang besarnya sebanding dengan strain dan kemudian dilepaskan maka momennya akan segera dikembalikan dan tegangan menjadi hilang, sifat ini disebut ‘elastis’ dan benda yang mempunyai sifat ini disebut benda elastis dan dinyatakan dalam persamaan sbb,
s = E.g
Persamaan ini terkenal sebagai hukum Hooke, dimana,
s = Stress , E = Strain, g = Modulus Young
c. Viscoelastic
Sifat dari benda yang merupakan gabungan antara viscositas cairan (yang tidak menun-jukkan sifat elastisitas) dan elastisitas dari padatan (yang tidak menunjukkan kekentalan/ viscositas) disebut viscoelastis. Polietilen adalah salah satu benda yang bersifat viscoelastis.
3. Pergeseran Fluida
Mengalirnya fluida didalam istilah teknis dikenal dengan nama geseran fluida (Shear flow).
Didalam pergeseran fluida yang tetap ada 3 hal yang perlu untuk dibicarakan
1) Tegangan geser (Shear stress)
dimana,
tyx = Tegangan geser (Shear stress)
F = Gaya
A = Luas penampang
2) Kecepatan geser (Shear rate)
dimana,
g = Kecepatan geser (Shear rate)
3) Kekentalan geser (Shear viscosity)
dimana,
m = Kekentalan geser (Shear viscosity)
Beberapa parameter yang berpengaruh terhadap Shear viscosity adalah
a. Melt Index
Melt index merupakan penggambaran/representasi dari Berat Molekul. Pada polietilen linear (tanpa percabangan rantai panjang) dengan peningkatan Berat Molekul atau penurunan Melt index maka akan terjadi penurunan pada Shear viscosity.
b. Percabangan rantai panjang (LCB)
Apabila Polietilen (PE) yang mempunyai rantai cabang panjang (LCB) dibandingkan dengan PE yang linear (tanpa LCB) maka akan terlihat bahwa PE dengan LCB mempunyai,
~ Shear viscosity yang lebih rendah
~ Kecenderungan terjadinya melt fracture yang lebih rendah pada kecepatan geser yang tinggi
~ Konsumsi tenaga ekstrusi yang lebih rendah
4. Model-model fluida
Fluida mempunyai sifat-sifat spesifik yang umumnya memenuhi model-model seperti berikut
a. Model Newtonian
Contoh fluida yang memenuhi model ini adalah Air
Persamaan yang berlaku adalah
dimana :
tyx = shear stress
dVx/dy = shear rate
m = viskositas
b. Model Bingham
Contoh fluida yang memenuhi model ini adalah Pasta gigi
Persamaan yang berlaku adalah
dg syarat ltyxl > to
c. Model Perpangkatan (Power Law)
Contoh fluida yang memenuhi model ini adalah Polymer
Persamaan yang berlaku adalah
jika :
¨ n = 1 Newtonian dimana m=m
¨ n <> 1 Dilatant
5. Sifat bentuk lelehan
a. Swell Ratio
Disamping MI dan HLMI, sifat bentuk lelehan lain yang penting untuk Polietilen adalah swell ratio. Swell ratio ditentukan dengan mengukur diameter extruded yang sudah dingin yang keluar dari orifice pada waktu mengukur MI atau HLMI. Swell ratio digunakan sebagai index elastisitas lelehan. PE mempunyai kecenderungan semakin lebar Distribusi Berat Molekulnya dan semakin banyak jumlah cabang rantai panjangnya maka swell rationya semakin besar.
b. Melt fracture
Melt fracture terjadi jika polietilen diextrude pada kecepatan geser yang tinggi sehingga menyebabkan produk mempunyai permukaan yang tidak halus, bentuk tidak teratur dan extrusion tidak stabil. Melt fracture akan merusak kenampakan bentuk produk. Melt fracture dapat diukur dengan alat rheometer, atau mudahnya melt fracture dapat dilihat secara langsung pada permukaan lelehan yang sudah dingin. Tegangan yang menyebabkan terjadinya melt fracture disebut ‘tegangan geser kritis’ (sC) dan kecepatan geser pada waktu itu ‘kecepatan geser kritis’ (gc). Sementara hubungan antara tegangan geser kritis dan kecepatan geser kritis adalah
gc = sC / h
Kecepatan geser kritis dapat dinaikkan pada temperature yang sama yaitu dengan menurunkan viscositas lelehan (h) secara khusus, hal ini dapat dilakukan dengan meperlebar Distribusi Berat Molekulnya.
c. Melt Tension
Melt tension adalah tension/tegangan dari resin pada keadaan meleleh (bentuk extruded) dari orifice pada beban konstan, pengukuran dilakukan dengan menarik extruded pada kecepatan konstan. Melt tension merupakan fungsi MI atau Swell ratio dan nilainya akan meningkat seiring dengan pertambahan viscositas dan elastisitas. Secara khusus semakin rendah MI atau semakin lebar Distribusi BM nya maka semakin besar nilai melt tensionnya.
d. Draw Down
Batasan draw down paling seering digunakan pada pemrosesan pelapisan (coating process) untuk HDPE gejala ini ditunjukkan oleh exrtuded parison dari blow molding yang jatuh karena adanya gravitasi. Apabila harga draw down tinggi maka akan mengakibatkan distribusi tebal tidak merata pada sisi sebelah atas dan bawah dari produk. Hal ini menjadikan masalah pada pembuatan produk berukuran besar yang mana parison menjadi berat, draw down sangat erat berhubungan dengan melt tension
e. Spinnability
Hampir ada kemiripan antara melt tension dan spinability, melt tension merupakan besarnya tension dari resin dalam keadaan lelehan yang keluar dari orifice pada kecepatan pembebanan yang tetap. Sedangkan spinability adalah kecepatan untuk memutus resin jika ditarik pada percepatan yang tetap. Spinability sangat berguna pada industri monofilament, yaitu untuk mengetahui kecepatan pemrosesan tertinggi.
Rheologi
