Studi tentang Hubungan antara Viskositas dan Suhu PP Menggunakan Rheometri Kapiler

Pendahuluan

Polipropilena (PP), sebagai salah satu jenis plastik serbaguna yang sangat penting, telah digunakan secara luas di industri otomotif, pengemasan, elektronik, tekstil, dan industri lainnya berkat sifat mekanisnya yang unggul, stabilitas kimianya, serta kinerja pemrosesannya. Namun, untuk lebih mengoptimalkan pemrosesan bahan PP serta meningkatkan kualitas dan kinerja produk, sangatlah penting secara praktis untuk melakukan penyelidikan mendalam terhadap perilaku reologi PP.

Viskositas, sebagai indikator kritis dari perilaku aliran polimer, berkaitan erat dengan pemrosesan bahan. Dalam berbagai proses manufaktur, PP harus mengalir dan terbentuk dalam rentang suhu tertentu. Oleh karena itu, pemahaman yang tepat tentang bagaimana viskositas PP bervariasi sesuai dengan suhu memungkinkan para insinyur untuk mengontrol parameter pemrosesan secara akurat, memastikan kemampuan aliran dan kualitas pencetakan PP yang optimal selama produksi.

Reometer kapiler, alat uji reologi classic, banyak digunakan dalam penelitian polimer karena kemampuannya mengukur sifat reologi bahan pada rentang laju geser dan suhu yang luas. Dalam penelitian ini, rheometer kapiler Rosand RH10 dari NETZSCH (Gambar 1) digunakan untuk menyelidiki secara sistematis pengaruh suhu dan laju geser terhadap viskositas lelehan dan energi aktivasi aliran viskos PP. Temuan ini memberikan landasan teoritis untuk mengoptimalkan parameter pemrosesan PP, yang pada akhirnya meningkatkan kualitas dan kinerja produk PP.

Kondisi Pengukuran dan Metode Uji

Kondisi pengukuran dijabarkan secara rinci dalam Tabel 1.

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Setelah memasang cetakan di bawah silinder kiri, dan menunggu hingga suhu stabil, pelet PP dimasukkan secara perlahan ke dalam silinder, kemudian diberi tekanan hingga 1 MPa, dan dipanaskan terlebih dahulu pada suhu konstan selama 5 menit. Selanjutnya, alat tersebut secara otomatis menjalankan pengujian dengan menerapkan laju geser dan mencatat tekanannya.

Hasil Pengukuran dan Pembahasan

Gambar 2 menyajikan kurva viskositas geser terhadap laju geser sampel PP pada berbagai suhu. Sebagaimana terlihat pada Gambar 2, viskositas geser sampel PP pada semua kondisi suhu menurun secara bertahap seiring meningkatnya laju geser, yang menunjukkan perilaku shear-thinning yang khas. Fenomena ini terjadi karena pelepasan ikatan rantai makromolekul PP semakin intensif seiring dengan meningkatnya laju geser, yang menyebabkan penurunan viskositas geser yang cepat. Namun, dengan peningkatan laju geser lebih lanjut, efektivitas tegangan geser dalam mendorong pelepasan ikatan rantai makromolekul berkurang, sehingga menyebabkan perlambatan tren penurunan viskositas geser.

Selain itu, viskositas geser sampel PP menurun secara signifikan seiring dengan meningkatnya suhu pada laju geser yang sama. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika suhu meningkat, volume bebas lelehan PP bertambah, yang meningkatkan mobilitas segmen rantai, serta mengurangi gaya interaksi antarmolekul, sehingga meningkatkan kemampuan aliran PP. Namun, perbedaan nilai viskositas geser pada suhu yang berbeda berkurang secara nyata ketika laju geser melebihi 500 ^s⁻¹. Terutama ketika laju geser ditingkatkan menjadi 5000 ^s⁻¹, kurva viskositas geser pada suhu yang berbeda cenderung tumpang tindih, dan kecenderungan penurunan viskositas geser menjadi lebih lambat. Hal ini menunjukkan bahwa di atas laju geser kritis, sensitivitas viskositas geser PP terhadap suhu berkurang, yang mengindikasikan jendela suhu pemrosesan yang lebih luas untuk PP dalam rentang laju geser ini.

Energi aktivasi aliran viskos (_Eη) merupakan indikator sensitivitas viskositas geser semu lelehan polimer terhadap suhu. Nilai _Eη yang lebih tinggi menandakan sensitivitas viskositas lelehan yang lebih besar terhadap variasi suhu, sedangkan nilai yang lebih rendah menunjukkan ketergantungan suhu yang berkurang. _Eη dapat dihitung menggunakan persamaan Arrhenius (1):

di mana _ηa adalah viskositas lelehan; _Eη adalah energi aktivasi aliran viskos; R adalah konstanta gas (8,314 ^{J·mol⁻¹·K⁻¹}); A adalah konstanta yang tidak bergantung pada suhu.

Berdasarkan data yang diukur pada Gambar 2, grafik _lgηa terhadap 1/T dibuat dan dianalisis. Akibatnya, kurva hubungan _lgηa ~1/T pada laju geser yang berbeda disajikan pada Gambar 3 dengan nilai-nilai spesifik yang tercantum dalam Tabel 2. Seperti yang ditunjukkan, Eη PP pada berbagai laju geser dapat ditentukan dari kemiringan kurva linier yang difitkan pada Gambar 3, dengan nilai-nilai spesifik yang tercantum dalam Tabel 2. _Eη PP menurun seiring dengan meningkatnya laju geser dalam rentang suhu yang diuji. Hal ini menunjukkan bahwa viskositas geser lelehan PP kurang sensitif terhadap suhu pada laju geser tinggi. Dari perspektif dinamika molekuler, fenomena ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa gaya geser eksternal mengganggu ikatan antar molekul PP, sehingga mengurangi sensitivitas viskositas geser terhadap suhu. Hal ini tercermin pada kurva viskositas (Gambar 2), di mana kurva pada suhu yang berbeda hampir tumpang tindih pada laju geser tinggi. Oleh karena itu, peningkatan suhu terbukti kurang efektif dalam mengurangi viskositas geser lelehan PP pada laju geser tinggi. Sebaliknya, pada laju geser rendah, peningkatan suhu dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan aliran PP, sehingga mengurangi konsumsi energi selama pemrosesan.

Tabel 2:_Eη PP pada laju geser yang berbeda

Kesimpulan

Dalam Catatan Aplikasi ini, sifat reologi PP pada berbagai suhu dan laju geser diteliti menggunakan reometer kapiler Rosand RH10. Pada laju geser yang relatif rendah (10 hingga 500 ^s⁻¹), viskositas geser PP menurun secara signifikan seiring dengan meningkatnya laju geser, sedangkan pada laju geser tinggi (500 hingga 10.000 ^s⁻¹), penurunan viskositas geser menjadi lebih bertahap. Selain itu, _{nilai Eη} PP menurun seiring dengan meningkatnya laju geser, yang menunjukkan bahwa laju geser yang lebih tinggi secara efektif mengurangi sensitivitas suhu viskositas lelehan PP.