Preparasi Karet Berpenguat secara Ultrasonik
- Karet berpenguat menunjukkan kekuatan tarik, elongasi, ketahanan abrasi, dan stabilitas terhadap penuaan yang lebih tinggi.
- Bahan pengisi seperti karbon hitam (misalnya CNTs, MWNTs), grafena, atau silika harus didispersikan secara homogen dalam matriks untuk menghasilkan sifat material yang diinginkan.
- Ultrasonik berdaya tinggi memberikan kualitas distribusi nanopartikel monodispersi yang unggul dengan sifat penguatan yang sangat tinggi.
Dispersi Ultrasonik
Ultrasonikasi banyak digunakan untuk mendispersikan nanomaterial seperti nanopartikel monodispersi dan nanotabung, karena ultrasonik sangat meningkatkan pemisahan dan fungsionalisasi partikel serta tabung tersebut.
Peralatan pendispersi ultrasonik menghasilkan kavitasi dan gaya geser tinggi untuk memecah, mendeaglomerasi, mengurai kekusutan, dan mendispersikan nanopartikel serta nanotabung. Intensitas sonikasi dapat disesuaikan dan dikendalikan secara presisi sehingga parameter pemrosesan ultrasonik dapat diadaptasikan secara tepat dengan mempertimbangkan konsentrasi, aglomerasi, dan orientasi/kekusutan nanomaterial. Dengan demikian, nanomaterial dapat diproses secara optimal sesuai dengan persyaratan spesifik materialnya. Kondisi dispersi yang optimal berkat parameter proses ultrasonik yang disesuaikan secara individual menghasilkan nanokomposit karet akhir berkualitas tinggi dengan karakteristik penguatan yang unggul dari aditif dan bahan pengisi berukuran nano.
Berkat kualitas dispersi ultrasonik yang unggul dan dispersi seragam yang dihasilkan, kadar bahan pengisi yang sangat rendah sudah cukup untuk memperoleh karakteristik material yang sangat baik.
Sistem ultrasonik industri
Karet Berpenguat Karbon Hitam secara Ultrasonik
Karbon hitam merupakan salah satu bahan pengisi terpenting dalam karet, terutama untuk ban, guna memberikan ketahanan abrasi dan kekuatan tarik pada material karet. Partikel karbon hitam sangat rentan membentuk agregat yang sulit didispersikan secara homogen. Karbon hitam umum digunakan dalam cat, enamel, tinta cetak, pewarna nilon dan plastik, campuran lateks, campuran lilin, pelapis fotografi, dan lainnya.
Dispersi ultrasonik memungkinkan deaglomerasi dan pencampuran secara seragam dengan tingkat monodispersitas partikel yang sangat tinggi.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang dispersi ultrasonik untuk komposit berpenguat!
Karet Berpenguat CNT / MWCNT secara Ultrasonik
Homogenizer ultrasonik merupakan sistem pendispersi berdaya tinggi yang dapat dikendalikan dan disesuaikan secara presisi dengan persyaratan proses dan material. Pengendalian parameter proses ultrasonik secara presisi sangat penting untuk mendispersikan nanotabung seperti MWNTs atau SWNTs karena kekusutan nanotabung harus diurai menjadi tabung individual tanpa merusaknya (misalnya akibat pemutusan). Nanotabung yang tidak rusak memiliki rasio aspek tinggi (hingga 132.000.000:1) sehingga memberikan kekuatan dan kekakuan luar biasa ketika diformulasikan menjadi komposit. Sonikasi berdaya tinggi yang disesuaikan secara presisi mengatasi gaya Van der Waals serta mendispersikan dan mengurai kekusutan nanotabung, sehingga menghasilkan material karet berkinerja tinggi dengan kekuatan tarik dan modulus elastisitas yang luar biasa.
Selain itu, fungsionalisasi ultrasonik digunakan untuk memodifikasi nanotabung karbon guna memperoleh sifat yang diinginkan untuk beragam aplikasi.
Sonikator untuk dispersi nanomaterial, karbon hitam, atau arang aktif secara kontinu.
Karet Berpenguat Nanosilika secara Ultrasonik
Pendispersi ultrasonik menghasilkan distribusi partikel yang sangat seragam dari nanopartikel silika (SiO2) dalam larutan polimer karet. Nanopartikel silika (SiO2) harus didistribusikan secara homogen sebagai partikel monodispersi dalam stirena-butadiena terpolimerisasi dan karet lainnya. Nano-SiO2 monodispersi bertindak sebagai bahan penguat yang secara signifikan meningkatkan ketangguhan, kekuatan, elongasi, kinerja lentur, dan ketahanan terhadap penuaan. Untuk nanopartikel berlaku: semakin kecil ukuran partikel, semakin besar luas permukaan spesifiknya. Rasio luas permukaan/volume (S/V) yang lebih tinggi menghasilkan efek struktural dan penguatan yang lebih baik, sehingga meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan produk karet.
Dispersi ultrasonik nanopartikel silika memungkinkan pengendalian parameter proses secara tepat sehingga diperoleh morfologi sferis, ukuran partikel yang disesuaikan secara presisi, dan distribusi ukuran yang sangat sempit.
Silika yang didispersikan secara ultrasonik menghasilkan kinerja material tertinggi pada karet yang diperkuat dengannya.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang pendispersian SiO2!
Dispersi Aditif Penguat secara Ultrasonik
Sonikasi telah terbukti mampu mendispersikan banyak material nanopartikel lainnya untuk meningkatkan modulus, kekuatan tarik, dan sifat kelelahan komposit karet. Karena ukuran, bentuk, luas permukaan, dan aktivitas permukaan partikel bahan pengisi serta aditif penguat sangat menentukan kinerjanya, pendispersi ultrasonik yang berdaya tinggi dan andal merupakan salah satu metode yang paling sering digunakan untuk memformulasikan partikel berukuran mikro dan nano ke dalam produk karet.
Aditif dan bahan pengisi yang umum dimasukkan melalui sonikasi sebagai partikel yang terdistribusi seragam atau monodispersi dalam matriks karet meliputi kalsium karbonat, lempung kaolin, silika pirogenik, silika presipitasi, grafit oksida, grafena, mika, talk, barit, wollastonit, silikat presipitasi, silika pirogenik, dan diatomit.
Ketika nanopartikel TiO2 yang difungsionalisasi dengan asam oleat didispersikan secara ultrasonik dalam karet stirena-butadiena, bahkan jumlah oleat-SiO2 yang sangat kecil menghasilkan peningkatan signifikan pada modulus, kekuatan tarik, dan sifat kelelahan serta berfungsi sebagai bahan pelindung terhadap fotodegradasi dan degradasi termal.
- Alumina trihidrat (Al2O3) ditambahkan sebagai penghambat nyala, untuk meningkatkan konduktivitas termal, serta untuk ketahanan terhadap pembentukan jalur konduktif di permukaan dan erosi.
- Bahan pengisi seng oksida (ZnO) meningkatkan permitivitas relatif serta konduktivitas termal.
- Titanium dioksida (TiO2) meningkatkan konduktivitas termal dan listrik.
- Kalsium karbonat (CaCO3) digunakan sebagai aditif karena sifat mekanis, reologis, dan penghambat nyalanya.
- Barium titanat (BaTiO3) meningkatkan stabilitas termal.
- Grafena dan grafena oksida (GO) memberikan karakteristik material mekanis, listrik, termal, dan optik yang unggul.
- Nanotabung karbon (CNTs) secara signifikan meningkatkan sifat mekanis seperti kekuatan tarik, serta konduktivitas listrik dan termal.
- Nanotabung karbon berdinding banyak (MWNTs) meningkatkan modulus Young dan kekuatan luluh. Sebagai contoh, penambahan MWNTs sebanyak hanya 1 wt.% ke dalam epoksi menghasilkan peningkatan modulus Young dan kekuatan luluh masing-masing sebesar 100% dan 200% dibandingkan dengan matriks murni.
- Nanotabung karbon berdinding tunggal (SWNTs) meningkatkan sifat mekanis dan konduktivitas termal.
- Nanofiber karbon (CNF) menambah kekuatan, ketahanan panas, dan daya tahan.
- Nanopartikel logam seperti nikel, besi, tembaga, seng, aluminium, dan perak ditambahkan untuk meningkatkan konduktivitas listrik dan termal.
- Nanomaterial organik seperti montmorilonit meningkatkan sifat mekanis dan penghambat nyala.
Sistem Dispersi Ultrasonik
Hielscher Ultrasonics menawarkan beragam peralatan ultrasonik – mulai dari sistem meja yang lebih kecil untuk uji kelayakan hingga unit sonikator industri untuk tugas berat dengan daya hingga 16kW per unit. Daya, keandalan, kemampuan pengendalian yang presisi, serta ketangguhannya menjadikan sistem pendispersi ultrasonik Hielscher sebagai “andalan” dalam lini produksi formulasi berpartikel mikro dan nano. Sonikator kami mampu memproses dispersi berbasis air dan pelarut hingga viskositas tinggi (hingga 10.000cp) dengan mudah. Berbagai sonotrode (horn ultrasonik), booster (penguat/penurun), geometri sel alir, dan aksesori lainnya memungkinkan adaptasi pendispersi ultrasonik secara optimal terhadap produk dan persyaratan prosesnya.
Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat langsung dijalankan secara kontinu dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan secara khusus. Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan operasi 24/7 pada beban berat dan di lingkungan dengan tuntutan tinggi. Pendispersi ultrasonik Hielscher terpasang di seluruh dunia untuk produksi komersial berskala besar.
Konfigurasi ultrasonik yang disesuaikan secara khusus untuk nanodispersi
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000 |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | rangkaian unit UIP16000 |
Literatur / Referensi
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Fakta yang Perlu Diketahui
Karet Sintetis
Karet sintetis adalah segala jenis elastomer buatan. Karet sintetis terutama berupa polimer yang disintesis dari produk sampingan minyak bumi dan, seperti polimer lainnya, dibuat dari berbagai monomer berbasis minyak bumi. Karet sintetis yang paling umum adalah karet stirena-butadiena (SBR), yang diperoleh dari kopolimerisasi stirena dan 1,3-butadiena. Karet sintetis lainnya dibuat dari isoprena (2-metil-1,3-butadiena), kloroprena (2-kloro-1,3-butadiena), dan isobutilena (metilpropena) dengan sedikit persentase isoprena untuk pembentukan ikatan silang. Monomer-monomer ini dan monomer lainnya dapat dicampurkan dalam berbagai proporsi untuk dikopolimerisasi guna menghasilkan produk dengan beragam sifat fisik, mekanis, dan kimia. Monomer dapat diproduksi dalam bentuk murni, dan penambahan pengotor atau aditif dapat dikendalikan sesuai rancangan untuk memberikan sifat yang optimal. Polimerisasi monomer murni dapat dikendalikan dengan lebih baik untuk menghasilkan proporsi ikatan rangkap cis dan trans yang diinginkan.
Karet sintetis, seperti karet alam, banyak digunakan dalam industri otomotif untuk ban, profil pintu dan jendela, selang, sabuk, alas, dan pelapis lantai.
Karet Alam
Karet alam juga dikenal sebagai karet India atau caoutchouc. Karet alam diklasifikasikan sebagai elastomer dan terutama terdiri atas polimer senyawa organik poli-cis-isoprena serta air. Karet ini mengandung sejumlah kecil pengotor seperti protein, kotoran, dan sebagainya. Karet alam, yang diperoleh sebagai lateks dari pohon karet Hevea Brasiliensis, menunjukkan sifat mekanis yang sangat baik. Namun, dibandingkan dengan karet sintetis, karet alam memiliki kinerja material yang lebih rendah, terutama dalam hal stabilitas termal dan kompatibilitasnya dengan produk minyak bumi. Karet alam memiliki beragam aplikasi, baik digunakan sendiri maupun dikombinasikan dengan material lain. Umumnya, karet alam digunakan karena rasio peregangannya yang besar, resiliensi yang tinggi, dan kekedapan air yang sangat tinggi. Titik leleh karet sekitar 180°C (356°F).
Tabel di bawah ini memberikan gambaran berbagai jenis karet:
| ISO | Nama Teknis | Nama Umum |
|---|---|---|
| ACM | Karet Poliakrilat | |
| AEM | Karet Etilena-akrilat | |
| AU | Poliester Uretan | |
| BIIR | Bromo Isobutilena Isoprena | Bromobutil |
| BR | Polibutadiena | Buna CB |
| CIIR | Kloro Isobutilena Isoprena | Klorobutil, Butil |
| CR | Polikloroprena | Kloroprena, Neoprene |
| CSM | Polietilena Terklorosulfonasi | Hypalon |
| ECO | Epiklorohidrin | ECO, Epiklorohidrin, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etilena Propilena | |
| EPDM | Monomer Etilena Propilena Diena | EPDM, Nordel |
| EU | Polieter Uretan | |
| FFKM | Karet Perfluorokarbon | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Hidrokarbon Terfluorinasi | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorosilikon | FMQ, Karet Silikon |
| FPM | Karet Fluorokarbon | |
| HNBR | Nitril Butadiena Terhidrogenasi | HNBR |
| IR | Poliisoprena | Karet Alam (Sintetis) |
| IIR | Isobutilena Isoprena Butil | Butil |
| NBR | Akrilonitril Butadiena | NBR, Nitril, Perbunan, Buna-N |
| PU | Poliuretan | PU, Poliuretan |
| SBR | Stirena Butadiena | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Kopolimer Stirena Etilena Butilena Stirena | Karet SEBS |
| SI | Polisiloksana | Karet Silikon |
| VMQ | Vinil Metil Silikon | Karet Silikon |
| XNBR | Monomer Akrilonitril Butadiena Karboksi | XNBR, Nitril Terkarboksilasi |
| XSBR | Monomer Stirena Butadiena Karboksi | |
| YBPO | Polieter-ester Termoplastik | |
| YSBR | Kopolimer Blok Stirena Butadiena | |
| YXSBR | Kopolimer Blok Stirena Butadiena Karboksi |
SBR
Stirena-butadiena atau karet stirena-butadiena (SBR) merupakan sebutan untuk karet sintetis yang berasal dari stirena dan butadiena. Stirena-butadiena berpenguat dicirikan oleh ketahanan abrasinya yang tinggi dan sifat ketahanan terhadap penuaan yang baik. Rasio antara stirena dan butadiena menentukan sifat polimer: kandungan stirena yang tinggi membuat karet menjadi lebih keras dan kurang bersifat seperti karet.
Keterbatasan SBR tanpa penguat disebabkan oleh kekuatannya yang rendah tanpa penguatan, resiliensi yang rendah, kekuatan sobek yang rendah (terutama pada suhu tinggi), dan daya lekat yang buruk. Oleh karena itu, bahan penguat dan bahan pengisi diperlukan untuk meningkatkan sifat SBR. Sebagai contoh, bahan pengisi karbon hitam digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan ketahanan abrasi secara signifikan.
Stirena
Stirena (C8H8) dikenal dengan berbagai istilah seperti etenilbenzena, vinilbenzena, feniletena, feniletilena, sinamena, stirol, diarex HF 77, stirolena, dan styropol. Senyawa ini merupakan senyawa organik dengan rumus kimia C6H5CH=CH2. Stirena merupakan prekursor polistirena dan beberapa kopolimer.
Stirena merupakan turunan benzena dan berupa cairan berminyak tidak berwarna yang mudah menguap. Stirena memiliki aroma manis, yang pada konsentrasi tinggi berubah menjadi bau yang kurang menyenangkan.
Dengan adanya gugus vinil, stirena membentuk polimer. Polimer berbasis stirena diproduksi secara komersial untuk memperoleh produk seperti polistirena, ABS, karet stirena-butadiena (SBR), lateks stirena-butadiena, SIS (stirena-isoprena-stirena), S-EB-S (stirena-etilena/butilena-stirena), stirena-divinilbenzena (S-DVB), resin stirena-akrilonitril (SAN), dan poliester tak jenuh yang digunakan dalam resin serta kompon termoset. Material-material ini merupakan komponen penting untuk produksi karet, plastik, insulasi, serat kaca, pipa, komponen mobil dan perahu, wadah makanan, serta lapisan dasar karpet.
Aplikasi Karet
Karet memiliki banyak karakteristik material seperti kekuatan, umur pakai yang panjang, ketahanan air, dan ketahanan panas. Sifat-sifat tersebut membuat karet sangat serbaguna sehingga digunakan di banyak industri. Penggunaan utama karet adalah dalam industri otomotif, terutama untuk produksi ban. Karakteristik lainnya seperti sifat tidak licin, kelembutan, daya tahan, dan resiliensi menjadikan karet sebagai komposit yang sangat sering digunakan untuk produksi sepatu, pelapis lantai, perlengkapan medis dan perawatan kesehatan, produk rumah tangga, mainan, perlengkapan olahraga, dan banyak produk karet lainnya.
Aditif Nano dan Bahan Pengisi
Bahan pengisi dan aditif berukuran nano dalam karet bertindak sebagai bahan penguat dan pelindung untuk meningkatkan kekuatan tarik, ketahanan abrasi, ketahanan sobek, histeresis, serta melindungi karet terhadap fotodegradasi dan degradasi termal.
Silika
Silika (SiO2, silikon dioksida) digunakan dalam banyak bentuk seperti silika amorf, misalnya silika pirogenik, mikrosilika, dan silika presipitasi, untuk meningkatkan karakteristik material dalam hal sifat mekanis dinamis, ketahanan terhadap penuaan termal, dan morfologi. Kompon berpengisi silika menunjukkan peningkatan viskositas dan kerapatan ikatan silang seiring peningkatan kandungan bahan pengisi. Kekerasan, modulus, kekuatan tarik, dan karakteristik keausan meningkat secara bertahap dengan bertambahnya jumlah bahan pengisi silika.
Karbon Hitam
Karbon hitam merupakan bentuk karbon parakristalin dengan kompleks oksigen yang terkemisorpsi (seperti gugus karboksilat, kuinon, lakton, fenolik, dan lainnya) yang melekat pada permukaannya. Gugus oksigen permukaan ini biasanya dikelompokkan dalam istilah “kompleks volatil”. Karena kandungan volatil ini, karbon hitam merupakan material nonkonduktif. Partikel karbon hitam yang difungsionalisasi dengan kompleks karbon-oksigen lebih mudah didispersikan.
Rasio luas permukaan terhadap volume karbon hitam yang tinggi menjadikannya bahan pengisi penguat yang umum. Hampir semua produk karet yang membutuhkan kekuatan tarik dan ketahanan abrasi menggunakan karbon hitam. Silika presipitasi atau silika pirogenik digunakan sebagai pengganti karbon hitam ketika penguatan karet diperlukan tetapi warna hitam perlu dihindari. Namun, bahan pengisi berbasis silika juga semakin banyak digunakan dalam ban otomotif, karena penggunaan bahan pengisi silika menghasilkan kehilangan energi akibat pengguliran yang lebih rendah dibandingkan dengan ban berpengisi karbon hitam.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran jenis-jenis karbon hitam yang digunakan dalam ban
| Nama | Singkatan | ASTM | Ukuran partikel nm | Kekuatan tarik MPa | Abrasi laboratorium relatif | Abrasi keausan jalan relatif |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Karbon Hitam Proses Tanur dengan Ketahanan Abrasi Super | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| SAF Menengah | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Karbon Hitam Proses Tanur dengan Ketahanan Abrasi Tinggi | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Karbon Hitam Proses Kanal yang Mudah Diproses | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Karbon Hitam Proses Tanur untuk Ekstrusi Cepat | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Karbon Hitam Proses Tanur Bermodulus Tinggi | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Karbon Hitam Proses Tanur dengan Penguatan Parsial | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Karbon Hitam Proses Termal Halus | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Karbon Hitam Proses Termal Sedang | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Grafena Oksida
Grafena oksida yang didispersikan dalam SBR menghasilkan kekuatan tarik dan kekuatan sobek yang tinggi serta ketahanan aus yang luar biasa dan hambatan gulir yang rendah, yang merupakan sifat material penting untuk pembuatan ban. SBR berpenguat grafena oksida-silika menawarkan alternatif yang kompetitif untuk produksi ban yang ramah lingkungan serta produksi komposit karet berkinerja tinggi. Grafena dan grafena oksida dapat dieksfoliasi dengan berhasil, andal, dan mudah melalui sonikasi. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang fabrikasi grafena secara ultrasonik!