03.10.2026 by Dr. -Ing. Simon Hoebel, Dr.-Ing. Natalie Rudolph
Apa yang DSC Dapat Ungkapkan Mengenai Proses Penuaan pada Polipropilena
Membedakan Efek Permukaan dari Perilaku Material Secara Keseluruhan
Pendahuluan
Polipropilena (PP) merupakan salah satu polimer yang paling banyak digunakan dan memainkan peran sentral dalam alur daur ulang mekanis [1]. Meskipun degradasi selama pemrosesan, penggunaan, dan daur ulang sering dibahas sebagai faktor pembatas bagi kinerja material, dampak sebenarnya terhadap sifat termal PP perlu dibedakan secara cermat.
Persepsi umum adalah bahwa penuaan secara signifikan mengubah sidik jari termal material. Namun, proses degradasi pada PP umumnya bersifat heterogen dan terlokalisasi, dengan efek terkuat terjadi di permukaan, sementara material inti tetap tidak terpengaruh secara signifikan dalam kondisi penggunaan yang realistis [[2], [3]]. Differential Scanning Calorimetry (DSC), bila dikombinasikan dengan persiapan sampel yang cermat dan evaluasi data yang canggih, memberikan pendekatan yang ampuh untuk mengidentifikasi perbedaan spasial ini dan menafsirkan efek penuaan dengan tepat.
Mengatasi Masalah Penuaan pada Potongan Lintas Sampel
Penuaan termo-oksidatif pada PP umumnya dimulai dari permukaan akibat paparan oksigen dan berlanjut secara perlahan ke dalam bahan. Akibatnya, tingkat degradasi bervariasi secara signifikan di seluruh penampang sampel. Hal ini membuat analisis tidak hanya terhadap sampel secara keseluruhan, tetapi juga terhadap wilayah-wilayah tertentu di dalam bahan menjadi sangat penting.
Untuk menyelidiki gradien ini, irisan disiapkan dari bagian tengah sampel Tipe 1A. Dengan menggunakan mikrotom berputar, sampel diambil dalam bentuk lembaran tipis sekitar 50 µm melintasi penampang pada kedalaman yang berbeda dari permukaan, dari lapisan tengah, dan dari bagian tengah spesimen. Pendekatan pengambilan sampel diilustrasikan pada Gambar 1.
Metode persiapan ini memungkinkan perbandingan langsung perilaku termal sebagai fungsi kedalaman dan memberikan wawasan tentang bagaimana fenomena penuaan lokal memengaruhi respons material secara keseluruhan. Untuk memenuhi berat sampel yang disyaratkan, yang seharusnya sekonstan mungkin untuk semua pengukuran, beberapa lembar tipis digabungkan. Dengan menekan lembaran-lembaran tersebut menggunakan stempel, perpindahan panas dari sampel—termasuk lembaran-lembaran individualnya—ke dasar wadah aluminium dapat dicapai.
Penggunaan beberapa lembar foil dari sampel berbeda yang mengalami penuaan dalam kondisi yang sama juga membantu menciptakan campuran yang representatif antara area amorf dan kristalin, serta wilayah yang terdegradasi dan tidak terdegradasi.
Tutup wadah aluminium Concavus® dilubangi untuk memungkinkan produk reaksi berbentuk gas keluar.
Perangkat lunak evaluasi NETZSCH Proteus® digunakan untuk menentukan perilaku penuaan pada penampang sampel PP dengan siklus hidup yang disimulasikan setelah penuaan termal yang dilakukan pada suhu berbeda (120 °C, 135 °C, dan 150 °C) dalam lemari uji iklim selama satu minggu dan tiga minggu.
Definisi:
- Suhu puncak [°C]: Suhu saat terjadi reaksi EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik (peleburan) atau EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik (KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi), di mana transisi termal mencapai nilai maksimumnya.
- Tingkat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas [%]: Rasio struktur kristalin dalam total sampel. Bagian sampel yang tersisa digambarkan sebagai amorf. Tingkat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dapat dengan mudah dihitung menggunakan perangkat lunak evaluasi NETZSCH Proteus® dengan entalpi yang telah ditentukan sebelumnya untuk sampel yang sepenuhnya mengkristal.
- Konversi energi [%]: Luas (integral) antara garis dasar dan kurva pemanasan dengan ukuran langkah suhu tertentu, biasanya antara suhu awal dan akhir. Nilai ini menggambarkan energi yang diperlukan untuk melelehkan kristalit.
| Standar | DIN EN ISO 11357 |
| Instrumen DSC | DSC 214 Polyma |
| Perangkat Lunak Evaluasi | NETZSCH Proteus® |
| Program untuk PP (isotaktik) | Pemanasan hingga +220 °C Pendinginan hingga – 70 °C |
| Laju pemanasan/pendinginan | 10 K/menit |
| Berat sampel | 3 ± 0,2 mg |
| Jumlah pengulangan | n=2 |
Perilaku Termal Bahan Mentah
Kurva pemanasan DSC dari PP murni yang diukur pada kedalaman yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 2. Hasil tersebut menunjukkan bahwa, tanpa adanya proses penuaan, perilaku termalnya konsisten di seluruh penampang melintang. Hal ini menegaskan bahwa perbedaan apa pun yang diamati setelah proses penuaan dapat dikaitkan dengan proses degradasi, bukan karena ketidakhomogenan bahan yang melekat.
Efek Penuaan pada Pemanasan DSC Pertama
Pemanasan DSC pertama mencerminkan riwayat termal bahan dan oleh karena itu sensitif terhadap perubahan struktural yang terjadi selama proses penuaan. Gambar 3 menunjukkan kurva pemanasan pertama untuk sampel permukaan yang mengalami penuaan pada suhu dan durasi yang berbeda-beda.
Bahkan dalam kondisi penuaan yang tinggi, suhu puncak hanya berubah sedikit, biasanya dalam kisaran beberapa derajat Celcius. Pada saat yang sama, peningkatan derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas diamati seiring dengan meningkatnya tingkat keparahan penuaan. Efek ini dapat dijelaskan oleh peningkatan mobilitas rantai yang diakibatkan oleh pemotongan rantai, yang memungkinkan rantai polimer yang lebih pendek untuk mengatur ulang dirinya dengan lebih mudah menjadi struktur kristalin. Dalam kondisi yang sangat ekstrem dan dipercepat, seperti paparan selama 3 minggu pada suhu 150 °C, puncak 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 menjadi lebih tajam dan lebih jelas. Efek-efek ini mencerminkan penataan ulang struktur, bukan hilangnya identitas bahan secara mendasar.
Pemanasan DSC Kedua: Sifat Intrinsik Bahan
Pemanasan DSC yang kedua menghilangkan riwayat termal dan mengungkap sifat intrinsik bahan. Kurva-kurva yang sesuai untuk sampel permukaan ditunjukkan pada Gambar 4.
Di sini, terlihat pergeseran signifikan pada suhu puncak, terutama pada sampel permukaan yang telah mengalami penuaan kuat dibandingkan dengan sampel murni yang belum mengalami perlakuan termal. Untuk sampel yang telah mengalami penuaan pada suhu 150 °C selama 3 minggu, terukur adanya puncak ganda yang mencolok. Perbedaannya umumnya tetap berada dalam kisaran sekitar 3–4 °C dibandingkan dengan bahan murni. Tingkat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas tetap sangat sebanding antara bahan murni dan sampel yang mengalami penuaan kuat, dan entalpi leleh keseluruhan tidak menunjukkan perubahan signifikan antara sampel murni dan yang telah mengalami penuaan.
Puncak peleburan yang lebih lebar dapat diamati pada sampel permukaan yang mengalami penuaan parah, yang menunjukkan distribusi ukuran kristalit yang lebih luas. Hal ini disebabkan oleh pembentukan rantai polimer yang lebih pendek selama degradasi, yang menghasilkan struktur kristalin yang lebih heterogen. Yang penting, efek-efek ini terutama terlihat di daerah dekat permukaan.
Melampaui Nilai Puncak: Evaluasi Kurva Tingkat Lanjut
Meskipun parameter DSC konvensional seperti suhu puncak dan derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas memberikan informasi yang berguna, parameter-parameter tersebut seringkali tidak cukup untuk mendeteksi perubahan struktural yang halus. Oleh karena itu, evaluasi yang lebih terperinci terhadap bentuk kurva dapat bermanfaat.
Salah satu pendekatan yang dapat dilakukan adalah analisis luas parsial di bawah kurva DSC, yang mewakili energi yang diperlukan untuk melelehkan kristalit pada interval suhu tertentu. Gambar 5 mengilustrasikan konsep ini untuk sampel PP murni pada pemanasan kedua dengan menggunakan fungsi Luas Parsial Proteus®.
Dengan mengevaluasi konversi energi kumulatif sebagai fungsi suhu, perbedaan dalam perilaku peleburan menjadi lebih jelas. Hasil analisis ini untuk sampel yang diambil dari kedalaman berbeda ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7, masing-masing untuk pemanasan DSC pertama dan kedua.
Pada pemanasan pertama (Gambar 6), sampel permukaan yang mengalami penuaan dalam kondisi ekstrem menunjukkan pergeseran konversi energi ke arah suhu yang lebih tinggi. Perilaku ini terkait dengan efek Pasca Kristalisasi (Kristalisasi Dingin)Pasca kristalisasi plastik semi-kristal terjadi terutama pada suhu tinggi dan peningkatan mobilitas molekul di atas transisi gelas.pasca-kristalisasi dan pembentukan struktur kristal yang lebih kompleks.
Pada pemanasan kedua (Gambar 7), yang mencerminkan sifat intrinsik bahan, sampel permukaan masih menunjukkan penyimpangan yang dapat diukur. Kurva konversi energi menunjukkan pergeseran ke arah energi leleh yang lebih rendah, sejalan dengan ukuran kristalit yang lebih kecil akibat berkurangnya berat molekul. Sebaliknya, sampel yang diambil dari lapisan tengah dan bagian tengah menunjukkan pola yang sangat mirip dengan perilaku PP murni.
Menafsirkan Dampak Penuaan dalam Konteks yang Realistis
Analisis berdasarkan kedalaman secara jelas menunjukkan bahwa proses penuaan pada PP bukanlah proses yang seragam. Sebaliknya, proses ini didominasi oleh efek permukaan, sementara bahan di bagian dalam sebagian besar tetap tidak berubah, bahkan setelah melalui proses penuaan yang dipercepat.
Penting untuk dicatat bahwa kondisi yang digunakan dalam studi semacam ini—seperti paparan terhadap suhu di atas 120 °C selama beberapa minggu—mewakili skenario yang sangat dipercepat dan cukup ekstrem. Kondisi ini berguna untuk memahami mekanisme dan untuk menunjukkan sensitivitas metode analitis, tetapi tidak selalu mencerminkan kondisi penggunaan yang umum dijumpai dalam sebagian besar aplikasi atau aliran bahan daur ulang.
Akibatnya, meskipun DSC mampu mendeteksi efek penuaan dengan sensitivitas tinggi, sidik jari termal PP secara keseluruhan tetap sangat stabil jika seluruh bahan dipertimbangkan. Hal ini menjelaskan mengapa, dalam banyak kasus praktis, bahan daur ulang menunjukkan perilaku termal yang sebanding dengan bahan murni.
Kesimpulan
DSC, terutama bila dikombinasikan dengan persiapan sampel yang terkendali dan metode evaluasi canggih, merupakan alat yang ampuh untuk menyelidiki fenomena penuaan pada polimer. Metode ini memungkinkan deteksi efek degradasi lokal, pembedaan antara perilaku permukaan dan perilaku inti, serta identifikasi perubahan struktural yang halus.
Pada saat yang sama, hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk bahan seperti polipropilena, efek penuaan sering kali terbatas pada daerah permukaan dan pengaruhnya terhadap sifat termal secara keseluruhan tetap terbatas. Bahkan dalam kondisi yang sangat dipercepat, bahan bagian dalam tetap mempertahankan perilaku termal yang mendekati perilaku PP murni.
Hal ini menyoroti perspektif penting: meskipun penuaan memang terjadi dan dapat diukur, hal tersebut tidak selalu merusak “sidik jari termal” bahan sejauh yang sering diasumsikan. Sebaliknya, DSC menyediakan sarana untuk menempatkan efek degradasi dalam konteks yang tepat serta membedakan antara fenomena lokal dan perubahan yang relevan dalam kinerja bahan.
NETZSCH Produk DSC
Daftar Pustaka
[1] N. Rudolph, R. Kiesel, dan C. Aumnate, Pengantar Daur Ulang Plastik, edisi ke-1. München, Jerman: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2020. doi: 10.1007/978-3-446-46128-4.
[2] S. Hoebel, F. Bittner, J. Lecinski, H. Behnsen, dan H.-J. Endres, “Pengaruh penuaan termal-oksidatif selama fase penggunaan terhadap sifat mekanis dan termal polipropilena yang digunakan dalam aplikasi otomotif,” Journal of Polymer Research, vol. 33, no. 1, hlm. 29, Jan. 2026, doi: 10.1007/s10965-025-04732-2.
[3] G. W. Ehrenstein dan S. Pongratz, Beständigkeit von Kunststoffen, edisi ke-1, jilid 1. München, Jerman: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2007. doi: 10.1007/978-3-446-41149-4.
Sumber daya lainnya
Tips Persiapan Sampel untuk Pengukuran DSC: https://analyzing-testing.NETZSCH.com/en/know-how/tips-tricks/dsc/tips-for-sample-preparation-for-dsc-measurements
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Hasil Pengukuran DSC dan TGA: https://analyzing-testing.NETZSCH.com/en/know-how/tips-tricks/dsc/factors-influencing-the-dsc-and-tga-measurements-results
Jadilah Ahli dengan Kursus E-Learning Gratis kami
Semua Kursus Dasar E-Learning NETZSCH tidak dipungut biaya! Kontennya dibuat oleh para ahli metode laboratorium kami, yang berbagi pengalaman pribadi mereka dengan Anda. Manfaatkan pembelajaran online yang fleksibel, yang sepenuhnya disesuaikan dengan kebutuhan pelatihan Anda!