Lindungi Produk Plastik Anda: Mengapa Mobil Dapat Menjadi Risiko pada Hari-Hari Musim Panas

Bagian 1 - Pengaruh Proses Ekstrusi Berulang pada Perilaku Creep Polimer PE-HD

Pendahuluan

Polimer telah menjadi sangat diperlukan dalam banyak bidang kehidupan kita termasuk industri pengemasan, menawarkan solusi serbaguna seperti film, lembaran, botol, dan wadah busa. Bobotnya yang ringan, daya tahan, dan kemampuan beradaptasi membuatnya ideal untuk mengangkut, melindungi, dan mengawetkan produk di berbagai sektor. Salah satu aplikasi tersebut adalah penggunaan polietilen densitas tinggi bi-modal (PE-HD) dalam botol deterjen, karena struktur molekulnya yang unik memberikan keseimbangan yang sangat baik antara kekuatan, daya tahan, dan ketahanan terhadap retak akibat tekanan lingkungan, sehingga memastikan kinerja yang andal selama penyimpanan dan penanganan. Saat ini, sebagian besar industri menghadapi pembatasan yang semakin ketat pada kuota daur ulang dan target emisi CO2. Di Uni Eropa, apa yang disebut "Kesepakatan Hijau" menetapkan target bahwa 55% dari semua limbah kemasan plastik harus didaur ulang pada tahun 2030 [1]. Oleh karena itu, para insinyur produk polimer menghadapi tantangan untuk memproduksi dengan porsi daur ulang yang diperlukan sambil tetap memenuhi standar kualitas pelanggan mereka.

Di antara polimer yang paling sering digunakan sebagai polimer daur ulang pasca-konsumen (PCR) adalah termoplastik seperti polietilena (PE), polipropilena (PP) atau polietilena tereftalat (PET) [2]. Termoplastik memungkinkan daur ulang yang mudah dengan melebur ulang bahan dan berulang kali memprosesnya menjadi bentuk akhir yang diinginkan. Namun, penggunaan polimer PCR bukan berarti tanpa kerugian. Selama pemrosesan (misalnya, pencetakan injeksi), bahan seperti PE menunjukkan dua proses degradasi yang berbeda [3]: Pemotongan rantai dan pengikatan silang karena rekombinasi bagian rantai polimer. Selain itu, degradasi termo-oksidatif dapat terjadi.

Yang penting, efek dari mekanisme degradasi ini mungkin tidak mempengaruhi sifat mekanik yang relevan dengan cara yang sama. Tergantung pada reaksi mana yang mendominasi selama pemrosesan ulang, perubahan sifat mekanik akan berbeda untuk setiap situasi tertentu. Sebagai contoh, peningkatan modulus Young atau penurunan perpanjangan putus diamati ketika Pengawetan (Reaksi Pengikatan Silang)Secara harfiah diterjemahkan, istilah "crosslinking" berarti "jaringan silang". Dalam konteks kimia, istilah ini digunakan untuk reaksi di mana molekul dihubungkan bersama dengan memperkenalkan ikatan kovalen dan membentuk jaringan tiga dimensi. reaksi pengikatan silang mendominasi. Demikian juga, reaksi scission dapat menghasilkan hasil yang berlawanan. Oleh karena itu, sifat individu harus dipelajari secara terpisah, tergantung pada aplikasi produk akhir [3].

Berikut ini, perilaku mulur dari polimer PE-HD bi-modal yang biasanya digunakan dalam botol deterjen diselidiki menggunakan DMA 303 Eplexor^®®. Perbedaan antara masing-masing dari tiga sampel PE-HD adalah jumlah siklus ekstrusi yang telah dialami material. Di sini, polimer PE-HD yang telah diekstrusi satu kali (x1), tiga kali (x3), dan tujuh kali (x7) dibandingkan.

Merayap

Creep adalah deformasi permanen yang bergantung pada waktu pada suhu homolog yang tinggi, yang merupakan suhu, T, dinormalisasi pada Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh, _Tm, material,

disebabkan oleh tegangan yang diberikan secara konstan di bawah batas elastis. Karena polimer semikristalin memiliki Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh yang agak rendah, suhu homolognya dalam layanan, bahkan pada suhu kamar, relatif tinggi dibandingkan dengan kelas material lain seperti logam atau keramik. Fakta ini mengharuskan perancang produk polimer untuk menyadari mode deformasi ini, karena dapat menyebabkan konsekuensi yang tidak diinginkan jika perilaku mulur material tidak dipahami dengan baik. Contoh ilustratif ditunjukkan pada gambar 1, yang menampilkan bagian bawah botol plastik PET. Di sini, polimer berubah bentuk di bawah tekanan udara yang terperangkap di dalam botol karena suhu tinggi yang terjadi di dalam mobil di musim panas. Kedua faktor tersebut mengakibatkan deformasi permanen pada botol plastik yang dapat digunakan kembali, sehingga tidak dapat digunakan untuk penggunaan kembali.

Selama mulur, bahan mengalami tiga tahap yang berbeda, yang disebut sebagai mulur primer, sekunder atau kondisi tunak, dan mulur tersier.

Ketika tegangan diberikan, material akan segera berubah bentuk secara elastis sesuai dengan modulus Young material. Seiring bertambahnya waktu, laju SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan menurun hingga mencapai tahap kedua, di mana laju SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan tetap konstan. Setelah SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan ambang batas tercapai, material cenderung mulai mengkerut. Hal ini menyebabkan peningkatan tegangan lokal yang semakin mempercepat laju SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan hingga material gagal [4].

Pengukuran mulur tarik, seperti yang dilakukan di sini, tercakup dalam standar ASTM D2990 dan ISO 899-1.

Percobaan mulur dilakukan sesuai dengan Metode IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.Isotermal Bertahap yang disajikan dalam [5], di mana beban dijaga konstan dan suhu dinaikkan secara bertahap. Metode ini penting untuk pengujian yang dipercepat dari perilaku mulur jangka panjang sampel polimer.

Eksperimental

The Material

The PE-HD samples used for these creep experiments exhibit a bi-modal molecular structure. The bi-modal molecular structure of PE-HD is particularly relevant for detergent bottles due to its ability to provide an optimal balance of high strength, toughness, and environmental stress crack resistance. This structure consists of a combination of short-chain and long-chain molecules, enhancing the material’s rigidity and impact resistance while maintaining flexibility. These properties make bi-modal PE-HD ideal for packaging aggressive chemicals and heavy liquids, such as detergents, that require durable and leak-proof containers. 

The polymer samples were manufactured by twin screw extrusion as the initial step, followed by a drawing process resulting in sheets with a thickness of about 0.75 mm. From these, dog-bone-shaped samples were cut out along the machine direction, i.e., along the extrusion direction of the sheets. The thickness and width of the reduced section of the samples were approx. 0.75 mm and 4 mm, respectively. The length of the samples was controlled by the clamping length of the tension sample holder and was set to approx. 20 mm for all experiments.

DMA Measurements 

The definition of the measurements was performed in the NETZSCH Proteus^® DMA software. All parameters are summarized in table 1.

Tabel 1: Ikhtisar parameter pengukuran yang digunakan untuk eksperimen creep DMA

Sebelum rangkaian pengukuran, pengukuran koreksi dilakukan dengan cawan lebur kosong untuk mengurangi kontribusi aliran panas dan efek dasar yang berasal dari cawan lebur. Kalibrasi sensitivitas suhu dan aliran panas dilakukan dengan adamantana (_C10H16), air, indium, bismut, dan timah. Semua parameter yang diperlukan yang digunakan untuk rangkaian percobaan ini dirangkum dalam tabel 2.

Tabel 2: Ikhtisar parameter pengukuran yang digunakan untuk eksperimen DSC

Hasil Pengukuran

Creep DMA

Hasil percobaan creep untuk ketiga polimer PE-HD yang diekstrusi untuk jumlah siklus yang berbeda dirangkum dalam gambar 2. Kurva hitam, merah, dan biru mewakili data untuk sampel yang diekstrusi masing-masing sebanyak satu, tiga, dan tujuh kali. Kurva padat menunjukkan pemanjangan sampel sebagai SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan statis; suhu yang sesuai ditampilkan sebagai kurva putus-putus.

Secara umum, dapat diamati bahwa laju SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan meningkat dengan meningkatnya suhu untuk semua polimer yang diteliti. Khususnya di dekat permulaan Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh, laju SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan meningkat secara signifikan.

Jauh di bawah Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh PE-HD, yaitu sekitar 125°C hingga 135°C [7], terdapat hubungan yang jelas antara ketahanan mulur dan jumlah siklus ekstrusi. Semakin banyak siklus yang telah dilalui material, semakin tinggi ketahanan mulurnya. Pada suhu tinggi, mendekati Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh PE-HD, laju SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan untuk U0 x7 (kurva biru) berakselerasi lebih cepat dengan meningkatnya suhu dibandingkan dengan U0 (kurva hitam) dan U0 x3 (kurva merah).

Pada akhir langkah IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal pada 85°C (48000 s), sampel U0 menunjukkan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan total 4,01%, U0 x3 3,70%, dan U0 x7 hanya 3,40%. Pada akhir pengukuran mulur pada suhu 120°C, SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan total hampir sama untuk sampel U0 x7 dan U0, dengan regangan total masing-masing 9,68% dan 9,66%. Sampel U0 x3 menunjukkan kinerja mulur terbaik selama seluruh program waktu/suhu dengan regangan total 9,28%. Perlu dicatat bahwa ekspansi termal juga berperan dalam protokol suhu bertahap ini. Dengan demikian, faktor ini perlu dipertimbangkan ketika membandingkan regangan total untuk masing-masing sampel pada suhu tertentu.

Eksperimen DSC

Hasil pengukuran DSC ditunjukkan pada gambar 3. Ketiga sampel menunjukkan perilaku peleburan yang serupa. Suhu puncak rata-rata dari peristiwa peleburan adalah 137,4°C ± 0,3°C. Namun, ada perbedaan kecil yang dapat diamati pada entalpi leleh dan bentuk peristiwa peleburan. Seiring dengan meningkatnya jumlah siklus ekstrusi, entalpi peleburan total turun dari 204,5 J/g menjadi 196,5 J/g. Nilai-nilai ini sesuai dengan nilai PE-HD semikristalin [7]. Sejalan dengan itu, fraksi kristal yang lebih rendah telah ditentukan; turun dari 69,78% menjadi 67,07%. Perbedaan yang paling mencolok adalah bentuk peristiwa peleburan. Ketiga sampel menunjukkan konvolusi dari dua peristiwa peleburan yang berbeda. Hal ini termanifestasi sebagai bahu di sisi kiri puncak leleh. Dengan meningkatnya siklus ekstrusi, bahu kiri tampak menjadi lebih jelas ketika fraksi berat molekul rendah meningkat.

Diskusi

Dua mekanisme dibahas dalam literatur yang dapat menyebabkan perubahan sifat mekanik untuk reaksi gunting dan ikatan silang. Mengenai mulur, polimer dengan tingkat ikatan silang yang lebih tinggi biasanya menunjukkan ketahanan mulur yang lebih baik [3]. Hasil yang diperoleh di sini menunjukkan bahwa peningkatan ketahanan mulur berasal dari pengikatan silang yang merupakan mekanisme dominan selama siklus ekstrusi berulang. Namun, sampel yang diekstrusi tujuh kali, menunjukkan kinerja optimal dalam uji mulur, menunjukkan ketahanan mulur yang lebih rendah di atas 100-105 ° C dibandingkan dengan dua sampel lainnya. Hal ini mungkin terkait dengan fraksi kristal di dalam sampel. Titik leleh yang lebih rendah meningkatkan suhu homolog.

Dalam hal ini, pengukuran DSC menunjukkan tidak ada perubahan pada Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik). suhu leleh sampel mana pun. Namun, perubahan kecil yang berbeda seperti entalpi leleh yang lebih rendah dari U0 x7 dan U0 x3 serta perubahan bentuk peristiwa peleburan dapat menjelaskan perubahan yang diamati dalam perilaku mulur sampel. Dua peristiwa peleburan EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik yang tumpang tindih menunjukkan distribusi ukuran bimodal dari kristalit yang ada dalam polimer.

Di atas transisi gelas, tetapi di bawah Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh polimer, fraksi volume struktur mikro amorf menentukan perilaku creep. Berdasarkan hasil creep DMA, ada kemungkinan bahwa rantai polimer dalam volume amorf semakin menjadi lebih berikatan silang dengan siklus ekstrusi yang lebih tinggi. Dengan meningkatnya suhu, fraksi volume kristalit memainkan peran yang semakin penting dalam hal perilaku mulur. Hasil DSC menunjukkan fraksi volume kristalit yang lebih rendah untuk sampel U0 x3 dan U0 x7. Namun, hal ini tergantung pada distribusi ukuran kristalit untuk setiap sampel. Kristalit yang lebih kecil cenderung meleleh lebih awal daripada kristalit yang lebih besar. Berdasarkan peristiwa peleburan yang diamati, fraksi kristalit dengan Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh lebih rendah yang ada dalam sampel meningkat dengan jumlah siklus ekstrusi yang lebih tinggi. Dengan demikian, pada suhu homolog yang lebih tinggi, kristalit dengan Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh rendah memiliki pengaruh yang semakin besar terhadap perilaku mulur.

Tetapi interpretasi yang tepat harus diperlakukan dengan hati-hati, karena sulit untuk menarik kesimpulan tertentu tanpa pengetahuan tentang struktur mikro dan aditif yang digunakan dalam polimer.

Kesimpulan

Polimer termoplastik yang paling umum memiliki Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik).titik leleh yang rendah. Hal ini membuat mereka rentan terhadap efek mulur pada suhu sekitar dan suhu tinggi. Ketika suhu tinggi terjadi, seperti di dalam mobil pada hari-hari musim panas, kita harus berhati-hati untuk tidak mengekspos produk ini ke suhu tinggi untuk waktu yang lama. Gaya statis dari beban berat (misalnya, produk konsumen lainnya) yang ditempatkan pada produk plastik, dikombinasikan dengan suhu yang tinggi, dapat menyebabkan mulur dalam waktu singkat. Dalam kasus terburuk, botol plastik atau produk plastik lainnya dapat kehilangan fungsi penggunaan utamanya karena deformasi permanen. Perlu dicatat bahwa mulur juga terjadi pada suhu yang lebih rendah, tetapi dalam skala waktu yang lebih lama.