Cara Menghindari Keretakan Akibat Pelelehan Selama Proses Ekstrusi EP

Pendahuluan

Fraktur lelehan mengacu pada fenomena di mana lelehan polimer mengalami ketidakstabilan permukaan selama proses pencetakan ekstrusi ketika laju geser melampaui ambang batas kritis. Hal ini menyebabkan permukaan bahan hasil ekstrusi menjadi kasar, dengan munculnya deformasi seperti kulit hiu, ketidakrataan, pola mirip bambu, atau distorsi spiral. Melt fracture dapat berdampak serius terhadap kualitas produk dan efisiensi produksi.

Sebagai instrumen pengujian reologi classic, reometer kapiler memungkinkan penyelidikan fenomena pecah lelehan pada rentang laju geser dan suhu yang luas untuk berbagai bahan.

Oleh karena itu, dalam penelitian ini, rheometer kapiler Rosand RH10 dari NETZSCH (Gambar 1) digunakan untuk menyelidiki secara sistematis pengaruh suhu, sudut masuk die, dan rasio panjang terhadap diameter die terhadap pecah leleh pada bahan polietilen (PE). Penelitian ini bertujuan untuk memberikan panduan mengenai teknik pemrosesan PE dalam produksi aktual, mencegah terjadinya pecah lelehan, dan dengan demikian meningkatkan efisiensi produksi serta kualitas produk PE.

Kondisi Pengukuran dan Metode Pengujian

Kondisi pengukuran dirangkum dalam Tabel 1.

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Setelah memasang cetakan di bawah silinder kiri, dan menunggu hingga suhu stabil, pelet PE dimasukkan secara perlahan ke dalam silinder, diberi tekanan awal sebesar 1 MPa, lalu dipanaskan terlebih dahulu pada suhu konstan selama 5 menit. Selanjutnya, instrumen secara otomatis melakukan pengujian sesuai dengan tabel laju geser yang telah ditetapkan dan mencatat informasi mengenai tekanan lelehan, viskositas geser, dan suhu.

Hasil Uji dan Pembahasan

Pengaruh Suhu Pemrosesan terhadap Fenomena Patahan Lelehan pada PE

Gambar 2 menyajikan kurva^viskositas geser^semu¹ terhadap^laju geser^semu² untuk sampel PE pada suhu yang berbeda-beda. Sebagaimana digambarkan, viskositas geser semu sampel PE menurun secara bertahap seiring dengan meningkatnya laju geser pada semua kondisi suhu, yang menunjukkan perilaku shear-thinning yang khas. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa gaya geser di dalam cetakan kapiler mengganggu ikatan antar rantai molekul PE, sehingga mengurangi interaksi antarmolekul dan akibatnya menyebabkan penurunan viskositas geser semu. Selain itu, seiring meningkatnya suhu, volume bebas lelehan PE mengembang, sehingga meningkatkan mobilitas segmen rantai dan melemahkan gaya antarmolekul. Akibatnya, fluiditas lelehan PE meningkat. Oleh karena itu, untuk laju geser semu yang sama, viskositas geser semu sampel PE menurun seiring meningkatnya suhu.

^1Viskositasgeser semu adalah viskositas geser yang dihitung secara langsung tanpa koreksi terhadap medan aliran atau efek saluran masuk.

^2Lajugeser tampak adalah laju geser yang dihitung secara langsung tanpa koreksi terhadap medan aliran.

Gambar 3 menunjukkan foto-foto morfologi permukaan lelehan PE yang diekstrusi melalui cetakan kapiler pada suhu dan laju geser yang berbeda-beda. Sebagaimana dapat diamati dari gambar tersebut, pada laju geser yang relatif rendah (tidak melebihi 300 s⁻¹), permukaan ekstrudat PE tetap relatif halus. Namun, seiring meningkatnya laju geser, fluktuasi tidak teratur mulai muncul pada permukaan ekstrudat. Khususnya pada suhu 200°C, fraktur lelehan terjadi pada ekstrudat PE pada laju geser sebesar 300 s⁻¹. Ketika suhu dinaikkan menjadi 220°C, laju geser semu kritis untuk dimulainya fraktur lelehan meningkat menjadi 500 s⁻¹. Peningkatan suhu lebih lanjut hingga 250°C menunda terjadinya fraktur lelehan hingga laju geser semu mencapai 800 s⁻¹.

Perilaku ini dapat dikaitkan dengan peningkatan gerak termal rantai molekul pada suhu yang lebih tinggi, yang meniadakan efek orientasi dan pelepasan ikatan yang ditimbulkan oleh gaya geser eksternal. Seiring meningkatnya suhu, gerak rantai molekul yang semakin intensif meningkatkan laju geser kritis yang diperlukan agar terjadi patahan lelehan. Oleh karena itu, asalkan kekuatan lelehan tetap terjaga, peningkatan suhu pemrosesan selama proses ekstrusi dapat secara efektif meningkatkan kualitas permukaan produk PE.

Pengaruh Sudut Masuk Die terhadap Fenomena Retak Lelehan pada Produk PE

Gambar 4 menunjukkan morfologi permukaan lelehan PE yang diekstrusi melalui cetakan kapiler dengan sudut masuk yang berbeda pada suhu 220°C dan laju geser yang bervariasi. Seperti yang terlihat pada gambar, permukaan ekstrudat tetap relatif halus pada laju geser semu yang rendah (tidak melebihi 500 ^s⁻¹). Namun, seiring meningkatnya laju geser, fluktuasi tidak teratur mulai muncul pada permukaan. Secara khusus, ketika sudut masuk cetakan sebesar 180°, retakan lelehan terjadi pada laju geser semu sebesar 500 ^s⁻¹.

Sebaliknya, ketika menggunakan die dengan sudut masuk 90°, laju geser semu kritis untuk terjadinya fraktur lelehan meningkat menjadi 800 s⁻¹. Fenomena ini dapat dikaitkan dengan kontraksi mendadak pada garis aliran lelehan saat polimer mengalir dari silinder ke cetakan dengan sudut masuk yang lebih kecil, sehingga menimbulkan komponen aliran elongasi yang signifikan. Di bawah elongasi berkecepatan tinggi, rantai molekul PE menjadi sangat terorientasi, yang menyebabkan peningkatan pemulihan elastis setelah keluar dari cetakan. Hal ini mengakibatkan peningkatan pembengkakan cetakan. Pada saat yang sama, konsentrasi tegangan tarik dapat dengan mudah memicu retak lelehan. Oleh karena itu, mengurangi sudut masuk cetakan dapat membantu menghasilkan produk PE yang lebih halus.

Pengaruh Rasio Panjang-terhadap-Diameter Die terhadap Fenomena Pemecahan Lelehan PE yang Berkontribusi pada Perolehan Produk PE yang Lebih Halus

Gambar 5 menunjukkan foto-foto morfologi permukaan lelehan PE yang diekstrusi melalui die kapiler dengan rasio panjang terhadap diameter (L/D) yang berbeda-beda pada berbagai laju geser semu. Seperti yang dapat diamati, pada laju geser semu yang relatif rendah (tidak melebihi 300 ^s⁻¹), permukaan ekstrudat PE tetap halus. Namun, seiring meningkatnya laju geser, fluktuasi tidak teratur mulai muncul. Secara khusus, ketika rasio L/D adalah 8:1, fraktur lelehan terjadi pada laju geser semu sebesar 300 ^s-1. Sebaliknya, ketika rasio L/D sebesar 16:1 atau 32:1 digunakan, laju geser kritis untuk terjadinya retak lelehan meningkat menjadi 500 ^s⁻¹.

Namun, saat mengamati gambar yang diperbesar dari morfologi hasil ekstrusi pada laju geser 500 ^s⁻¹, terlihat bahwa permukaan hasil ekstrusi yang dihasilkan dengan rasio L/D 32:1 lebih halus dibandingkan yang dihasilkan dengan rasio 16:1. Perilaku ini disebabkan oleh fakta bahwa rasio L/D die yang lebih kecil mengakibatkan waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi yang lebih singkat bagi rantai molekul PE di dalam kapiler. Akibatnya, energi elastis yang tersimpan selama aliran tidak dapat dilepaskan sepenuhnya, sehingga lelehan menjadi lebih rentan terhadap retak. Oleh karena itu, penyesuaian rasio L/D die juga dapat menjadi metode yang efektif untuk meningkatkan kualitas permukaan produk PE.

Kesimpulan

Dalam penelitian ini, perubahan morfologi ekstrat polietilen (PE) dengan berbagai laju geser pada suhu, sudut masuk cetakan, dan rasio panjang-terhadap-diameter cetakan yang berbeda-beda diteliti menggunakan reometer kapiler Rosand RH10 dari NETZSCH. Di bawah ambang batas laju geser kritis tertentu, ekstrat tersebut menunjukkan permukaan yang halus. Ketika laju geser melebihi nilai kritis ini, permukaan ekstrudat PE menjadi kasar dan terjadi fraktur lelehan. Diamati bahwa peningkatan suhu pemrosesan, pengurangan sudut masuk cetakan, dan penggunaan rasio panjang-terhadap-diameter cetakan yang lebih besar semuanya berkontribusi dalam menekan fenomena fraktur lelehan. Selain itu, karena morfologi permukaan ekstrudat PE hanya diperiksa dengan nilai laju geser diskrit, disarankan untuk melakukan penyelidikan yang lebih terperinci menggunakan mode Uji Fraktur Lelehan guna menentukan secara akurat laju geser kritis pada awal terjadinya fraktur lelehan.