STRUKTUR POLIMERIK

1. Termoplastik

Setelah membahas peran kunci silikon dalam silikat kristalin dan gelas, sekarang kita beralih ke elemen tetravalen lain yaitu karbon, dan mengkaji kontribusinya pada struktur organik yang disebut polimer, atau umum dikenal sebagai “plastik”. Struktur tersebut berbasis pada molekul rantai-panjang, dan berdasarkan sifatnya dapat diklasifikasikan sebagai termoplastik, elastomer dan termoset. Untuk menguraikan beberapa prinsip “rekayasa molekuler”, pertama-tama akan dibahas polietilen (PE), termoplastik linear yang mudah dibentuk dengan kombinasi panas dan tekanan. Unit dasar struktur (mer) yang berulang diturunkan dari etana, atau etilen, molekul C₂H₄ dan mempunyai massa mer relatif M_mon sebesar 28, yaitu (12 x 12) + (1 x 4). Monomer ini mempunyai dua ikatan bebas dan disebut tidak jenuh dan bifungsional; mer ini dapat membentuk molekul rantai-panjang (C₂H₄)_n, dimana n adalah derajat polimerisasi atau jumlah unit yang berulang per rantai. Jadi massa relatif dari suatu rantai molekul M = n M_mon. Rantai yang dihasilkan mempunyai “tulang” kuat yang terdiri dari ikatan kovalen atom karbon yang tersusun secara zig-zag dalam tiga dimensi karena mempunyai pengikatan tetrahedral. Polietilen dalam bentuk curah dapat digambarkan sebagai massa yang terdiri dari sejumlah besar rantai molekul individu. Setiap molekul terdiri dari ribuan mer, umumnya sekitar 10³ hingga 10⁵. Atom karbon berfungsi sebagai “persambungan universal” yang fleksibel dan dapat berpuntir.

Massa dan bentuk molekul linier ini mempunyai pengaruh besar pada sifat fisik, mekanik dan kimia polimer curah. Dengan pertambahan panjang molekul, maka titik cair, kekuatan, viskositas dan ketidaklarutan kimia juga meningkat. Pada keadaan ideal dan untuk kasus polimer monodispersi yang jarang terdapat, panjang semua rantai molekul sama dan M konstan. Namun, dalam praktek, bentuk polimer biasanya adalah polidispersi dengan distribusi statistik panjang rantai. Massa molekul rantai-rantai

dan “sebaran” nilai antara rantai pendek dan rantai panjang, merupakan indikator kuantitatif perilaku yang penting selama pemrosesan.

Sampel polimer dapat dipandang sebagai kumpulan fraksi, atau subjenjang, dari ukuran molekuler, dengan setiap fraksi mempunyai nilai-tengah massa molekul tertentu. Misalkan fraksi ke-i terdiri dari N_i molekul dan nilai-tengah fraksi adalah M_i. Maka jumlah seluruh molekul untuk semua fraksi sampel tersebut adalah SN_i. Untuk menghitung nilai numerik tunggal, massa molekular rata-rata

, yang merupakan karakteristik distribusi ukuran rantai, perlu dibedakan fraksi rata-rata jumlah dan fraksi rata-rata-massa untuk molekul dalam sampel. Jadi untuk menghitung massa molekul rata-rata jumlah

_N dari sampel, dan fraksi jumlah adalah a_i. Jadi a_i = N_i / SN_i dan:

_N = S a_iM_i = S (N_i / S N_i) M_i

= S N_iM_i / S N_i

_N sangat peka terhadap hadirnya molekul massa rendah; sehingga dapat dikorelasikan dengan sifat manapun yang peka terhadap hadirnya molekul pendek (misalnya kekuatan tarik).

Dengan cara serupa, massa molekuler rata-raa-massa

_W dapat dihitung dari fraksi massa f_i. Karena f_i = mi / S m_i, maka:

_W = S f_i M_i = S (m_i / Sm_i) M_i

= S m_iM_i / Sm_i

dengan menggunakan konstanta Avogradro N_A, kita dapat menghubungkan fraksi massa dan fraksi jumlah sebagai berikut:

m_i/M_i = N_i/N_A sehingga m_i = N_i M_i/N_A

Dengan mensubstitusikan m_i, maka rumus untuk massa molekuler rata-rata-massa yang telah diturunkan tadi menjadi:

_W = S N_iM_i² / S N_iM_i

Distribusi massa molekuler keseluruhan, yang memperlihatkan “sebaran”, kemiringan (skewness), dan kedua nilai rata-rata

_W dan

_N, dapat ditentukan dengan “Gel Permeation Chomatography” (GPC). Metode tak langsung ini dikalibrasi terhadap data hasil pengukuran fisik langsung terhadap larutan polimer (seperti osmometri, penyebaran cahaya, dan lain-lain). Untuk kontrol rutin proses produksi, digunakan metode yang lebih cepat dan kurang presisi, seperti indeks alir lelehan (MFI, Melt Flow Index) untuk mengukur massa molekuler rata-rata.

_W sangat peka terhadap molekul rantai-panjang dan karena itu berkaitan dengan sifat yang sangat dipengaruhi oleh kehadirannya (seperti viskositas).

_W selalu lebih besar daripada

_N. (Dalam sistem monodispersi hipotetis,

_W =

_N). Ketidaksamaan ini terjadi karena sejumlah massa polimer tertentu pada salah satu ujung distribusi mengandung molekul pendek dalam jumlah banyak, sedangkan di ujung lainnya, dengan jumlah massa yang sama, hanya mengandung sedikit molekul. Apabila membahas sifat material curah, maka

_W umumnya lebih informatif dibandingkan

_N. Rasio

_W/

_N disebut indeks polidispersivitas. Pertambahan nilai tersebut menunjukkan peningkatan “sebaran”, atau dispersi, distribusi massa molekuler (MMD) dan polidispersi. Pada polimer relatif sederhana, rasio ini hanya sekitar 1,5 atau 2, tetapi sebagai hasil proses polimerisasi yang kompleks, dapat meningkat higga 50, yang menunjukkan distribusi ukuran molekuler yang sangat lebar.

Pengembangan polimer rekayasa biasanya bertujuan memaksimalkan massa molekuler. Untuk polimer tertentu, ada nilai ambang batas derajat polimerisasi rata-rata (

) dan apabila dilampaui akan dihasilkan kekuatan dna ketangguhan yang potensial bermanfaat. (Baik

_W maupun

_N dapat digunakan untuk menghitung

). Molekul yang sangat pendek dengan massa rendah mudah mengalami slip satu terhadap lainnya, sehingga kekuatan mekanik serta stabilitas termalnya menurun. Di pihak lain, makin panjang rantai makin kacau jalinan rantai. Namun, peningkatan sifat ini terbatas dan peningkatan viskositas yang tidak dapat dihindarkan mempersulit proses. Jadi untuk berbagai polimer, nilai

berkisar antara 200 – 2000, kira-kira setara dengan massa molekuler sebesar 20 000 hingga 200 000.

Pada sistem polimer tertentu kita dapat mengatur kondisi polimerisasi (seperti tekanan, temperatur, jenis katalis) dan memacu reaksi sisi pada lokasi sepanjang “tulang” setiap rantai molekul diskrit. Cabang yang terbentuk bisa pendek dan/atau panjang; bahkan bisa banyak. Polietilen merupakan contoh komersil penting dari sifat serbaguna ini. bentuk awal dengan kerapatan rendah (LDPE) memiliki tingkat percabangan yang tinggi, dengan sekitar 15 – 30 cabang pendek dan cabang panjang per seribu atom karbon, dan kerapatan kurang dari 940 kg m^-3.

Penggunaan berbagai jenis katalis dapat menurunkan tekanan polimerisasi dan mengarahkan ke pengembangan bentuk dengan kerapatan tinggi (HDPE) yang mengandung sedikit cabang pendek dan kerapatan melampaui 940 kg m^-3. Karena lebih linier dan memiliki tumpukan yang lebih padat, HDPE lebih kuat, lebih kaku dibandingkan LDPE, dan mempunyai titik leleh (135 ^oC), 25 ^oC lebih tinggi.

Pada polietilen gaya tarik-menarik antara molekul rantai berdekatan, rendah. Akibat pemanasan diikuti dengan penekanan, molekul menjadi lurus dan mudah meluncur secara viskos. Mobilitas molekuler merupakan ciri khas termoplastik sehingga cocok untuk ekstrusi panas dan cetak-injeksi. Proses tersebut akan menyejajarkan rantai molekuler sesuai arah geser, sehingga menghasilkan orientalis-diutamakan (anistropi) yang menonjol pada produk akhir. Apabila rantai berdekatan akan saling terkait sehingga menguragi mobilitas relatif. Efek ini menggarisbawahi pentingnya bentuk molekuler.

Pada kelompok vinil penting, salah satu dari empat atom hidrogen monomer C₂H₄ dari polietilen digantikan oleh atom tunggal (klorin) atau kelompok atom, seperti radikal metil CH₃, cincin benzen aromatik C₆H₆ dan radikal asetat C₂H₃O₂.

Dengan merangkaikan berbagai jenis atom atau kelompok sepanjang “tulang” molekul memungkinkan dibentuknya simetri alternatif tertentu. Sebagai contoh, jika semua atom klorida pada molekul PVC berada di sisi yang sama dari setiap rantai, polimer disebut isostatik. Pada bentuk sindiotaktik, atom klorin terletak simetris di sekeliling dan sepanjang “tulang” molekul. Susunan acak sempurna dari atom klorin disebut bentuk ataktik.

2. Elastomer

Pengembangan sejumlah kecil rantai hubung-silang antar molekul linier dapat menghasilkan material elastomerik yang sesuai dengan definisi ASTM, dapat ditarik berulang kali pada temperatur ruang sehingga sedikitnya menjadi dua kali panjang semula. Bila tegangan tiba-tiba dilepaskan, material tersebut akan kembali ke panjang semula. Segmen struktur memiliki mobilitas setempat akan tetapi hubung-silang cenderung mencegah pergerakan relatif yang besar dari molekul berdekatan, atau dengan kata lain, deformasi viskos. Namun, dalam kondisi tertentu, elastomer, seperti polimer, bisa saja berperilaku viskoelastis apabila apabila mengalami tegangan dan menunjukkan karakteristik viskos (bergantung-waktu) dan elastis (seketika). Kedua efek ini, masing-masing, merupakan akibat dari pergerakan relatif dan pelepasan gulungan dan/ atau terlepasnya segmen molekul.

Elastomer mencakup polimer alami, seperti poliisopren dan polibutadien pada karet alam, dan polimer sintetik, seperti polikloropren (Neopren), karet stirenbutadien (SBR), dan karet silikon. Unit struktur yang berulang dari beberapa elastomer penting. Pada proses vulkanisasi pertama yang ditemukan oleh C. Goodyear pada tahun 1839 setelah bereksperimen cukup lama, isopren dicampur belerang sedikit, dipanaskan pada temperatur 140 ^oC, sehingga terbentuk ikatan primer atau ikatan hubung-silang antar rantai molekul berdekatan. Hubung-silang individu mempunyai bentuk C-(S)_n –C, dimana n sama dengan atau lebih besar dari satu. Hubungan monosulfida (n = 1) lebih diutamakan karena kemungkinan putus lebih kecil dibandingkan hubungan yang lebih panjang. Hubungan ini juga cenderung tidak menyebabkan deformasi lambat akibat tegangan (creep).

Kini istilah vulkanisasi diterapkan pada setiap proses hubung-silang atau “curing” yang meningkatkan elastisitas dan kekuatan, dan tidak selalu harus menggunakan belerang. Karet keras (Ebonit) mengandung sekitar 30 – 50 % sulfur, akibatnya hubung-silang sangat banyak dan tidak lagi bersifat elastomerik. Pemanfaatannya sebagai bahan kotak aki kini mulai disaingi oleh polipropilen (PP).

Sebagian besar polimer menampakkan perubahan struktur yang disebut titik transisi gelas, T_g; Nilai temperatur ini spesifik untuk setiap polimer dan mempunyai nilai praktis maupun ilmiah yang besar. Pada titik ini terjadi transisi dari sifat keras, kaku dan getas (dapat dibandingkan dengan gelas anorganik) ke sifat lunak, perilaku mirip-karet dengan meningkatnya temperatur. Definisi ASTM yang diberikan sebelumnya menjabarkan perilaku mekanik pada temperatur ruang; ternyata kondisi elastomerik terjadi pada temperatur di atas T_g. Bila struktur elastomerik dipanaskan melewati T_g, segmen antara hubungan atau titik pencabangagn dapat bergetar lebih keras. Persamaan linier sederhana menyatakan ketergantungan temperatur dari respon elastomer terhadap tegangan geser:

m = N k T

dimana m adalah modulus geser, N adalah jumlah segmen per satuan volume struktur (antara titik hubung-silang), k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah temperatur absolut. Panjang segmen sekitar 100 unit-berulang. Jelas bahwa untuk polimer tertentu, kekakuan pada kondisi geser berbanding lurus dengan temperatur absolut. Dengan meningkatnya temperatur, defleksi akibat beban berkurang. Ciri yang tidak lazim ini menimbulkan permasalahan rekayasa pada sistem suspensi.

Pada temperatur lebih tinggi, jauh di atas T_g, struktur polimerik cenderung mengalami deformasi perlahan-lahan di bawah pengaruh tegangan (creep) dan akhirnya terurai menjadi entitas kimia yang lebih kecil, atau terdegradasi. Menarik untuk disimak, bahwa beban untuk menghasilkan regangan elastis-tinggi, katakan 200 % atau lebih, akan menimbulkan kristalinitas yang cukup berarti. Tegangan menyebariskan rantai dan terjadi daerah dimana unit yang berulang membentuk pola teratur. (Efek ini dapat dibuktikan dengan menyinari membran elastomer tanpa tegangan dan membran elastomer yang direntangkan, dengan berkas sinar-X monokromatik dan membandingkan pola difraksi yang terbentuk pada film fotografi).

3. Termoset

Pada kelompok polimer ketiga dan terakhir, yang disebut termoset atau polimer jaringan, tingkat hubung-silang sangat tinggi. Akibatnya, struktur ini mengandung banyak titik percabangan. Kelompok ini kaku dan kuat, karena ditopang tanpa batas oleh sejumlah segmen rantai yang relatif pendek dalam tiga dimensi. Berbeda dengan termoplastik, mobilitas molekul hampir tidak ada dan sehingga T_g tinggi, umumnya di atas 50 ^oC. Oleh karena itu, termoset dianggap sebagai material keras dan getas (“glassy”). Contoh resin termoset yang banyak dipakai adalah fenol-formaldehid (resin P-F; Bakelite), resin epoksi (adesif konstruksi, Araldite), urea formaldehid (resin U-F; Beetle) dan resin poliester. Resin adalah bahan dengan polimerisasi-parsial yang memerlukan perlakuan lebih lanjut.

Pemanfaatan termoset mencakup dua tahap reaksi kimia. Pada tahap pertama, dihasilkan cairan atau bentuk propolimer padat atau prekursor yang secara fisik maupun dicetak atau dibentuk. Resin merupakan contoh terkenal dari keadaan intermediat ini. struktur terdiri dari molekul linier dan potensial-reaktif, dan mempunyai umur-simpan tertentu. Pada tahap dua, bergantung pada jenis polimer, dilaksanakan hubung-silang yang sangat berani, dengan pemanasan, tekanan atau penambahan bahan pengeras. Tahapan ini disebut tahap “curing”. Jaringan acak yang dihasilkan memiliki kekakuan dan kekuatan yang dikehendaki. Bila dipanaskan, struktur ini tidak menampilkan aliran viskoelastis dan, karena stabil dari segi kimia dan fisika, tidak mengalami perubahan serta tetap keras hingga mencapai temperatur dekomposisi.

Berbagai struktur termoset terbentuk melalui polimerisasi kondensasi. Karakter kimia proses ini berbeda dengan proses polimerisasi penambahan dimana molekul linier tumbuh dari ujung membentuk termoplastik. Meskipun merupakan salah satu polimer sintesis tertua, diperkenalkan pada tahun 1900, Bakelite atau fenolformaldehid tetap penting untuk industri. Material ini digunakan secara luas untuk produk cetak-injeksi dalam industri otomotif dan listrik, untuk pelapisan permukaan dan sebagai bahan pengikat untuk pasir cetak dalam industri pengecoran logam. Oleh karena itu, fenolformaldehid layak digunakan sebagai contoh untuk menggambarkan reaksi kondensasi, dengan fokus pada rute resin novalak. Pada tahap pertama, kelompok fenol dan formaldehid berinteraksi membentuk ikatan tambahan (derivat metilol). Jembatan metilen (CH₂) mulai terbentuk antara kelompok fenol yang berdekatan dan molekul resin novalak yang relatif tidak reaktif. (Pengendalian rasio awal fenol/formaldehid lebih besar dari satu menjamin bahwa kekurangan formaldehid menghambat terjadinya hubung-silang pada tahap pertama ini). setelah pengeringan, pengerusan dan penambahan pengisi dan pewarna, resin yang terkondensasi-sebagian ditambahkan bahan katalis “curing” yang menjadi sumber formaldehid. Pembentukan jaringan berlanjut selama pencetakan, panas pada temperatur sekitar 200 – 300 ^oC. Setiap kelompok fenol bersifat trifungsional karena dapat menghasilkan tiga rangkaian pada jaringan acak tiga dimensi.

Jenis resin fenolik lain, resole, dibuat dengan menggunakan rasio awal fenol/formaldehid kurang dari satu dan katalis berbeda. Karena kelompok formaldehid berlebih, dimungkinkan untuk membentuk struktur jaringan dengan pemanasan tanpa penambahan bahan “curing”.

4. Kristalinitas pada Polimer

Sejauh ini kita menganggap polimer termoplastik sebagai struktur tak-tertera (nonkristalin) dimana rantai molekul dengan panjang berbeda membentuk massa yang kusut. Gambaran ini cukup memadai untuk beberapa polimer seperti polistiren dan polimetil metakrilat (Perspex). Namun, seperti terlihat pada kasus elastomer bertegangan, ternyata ada kemungkinan rantai molekul membentuk daerah dengan unit berulang yang tersusun membentuk barisan tumpukan-padat yang tertata. Daerah kristalin polimer biasanya terdiri dari lamel dan kecil, dimensi paling kecilnya berkisar antara 10 – 20 nm. Tak pelak lagi, karena molekul bersifat kompleks, daerah kristalisasi dikaitkan dengan daerah amorf dan cacat. Daerah kristalin merupakan tumpukan padat dan merupakan penghambat difusi molekul gas dan molekul kecil. Sifat tidak permeabel ini menguntungkan sehingga LDPE dimanfaatkan sebagai bahan kemasan makanan. HDPE, yang lebih kristalin, mempunyai permeabilitas yang lebih rendah terhadap gas dan uap dibandingkan LDPE.

Suatu rantai molekul tipikal dapat terdiri dari ratusan, bahkan ribuan, ikatan primer tunggal sepanjang “tulang” berliku-liku. Rotasi pada ikatan ini memungkinkan molekul untuk dapat menekuk, melipat, megngulung dan membengkok.

Kriteria yang menentukan kristalisasi polimer adalah (1) kondisi pembentukan atau pemrosesan polimer, dan (2) karakter struktural moelkul. Apabila laju pendinginan lambat kemungkinan kristalisasi lebih besar; sesuai dengan kondisinya. Dalam industri, laju pendinginan-cepat dan waktu untuk penumpukan dan penataan molekul relatif singkat. Takanan dapat memicu kristalisasi selama atau setelah polimerisasi. Polimer bertambah padat dengan meningkatnya derajat kristalisasi.

Ditinjau dari segi kompleksitas struktur, kemungkinan kristalisasi akan berkurang apabila molekul bertambah panjang dan lebih kompleks lagi. Jadi kehadiran percabangan-samping merupakan hambatan sterik terhadap kristalisasi, khususnya bilamana molekul bersifat ataktik. Iso taktisitas dan sindio taktisitas lebih mudah diakomodasi; sebagai contoh, polipropilen isotaktik (iPP) merupakan material kuat sedangkan PP ataktik merupakan getah lengket. Pengkajian terhadap unit yang berulang menunjukkan bahwa umumnya unit berulang asimetris dan memiliki “kepala” dan “ekor”. Berbagai kombinasi, atau konfigurasi, dapat diperoleh melalui polimerisasi penambahan, seperti “kepala dengan ekor” (XYXYXYXY…) atau “kepala dengan kepala” (XYYXXYYXXYYX…), dan seterusnya. Apabila molekul mempunyai konfigurasi serupa dan konsisten, kristalisasi lebih mudah terjadi. Sebagai contoh, polimer isotaktik PP, yang telah dikemukakan sebelumnya, mempunyai konfigurasi menyeluruh “kepala dengan ekor” dan mempunyai derajat kristalinitas tinggi. Konfigurasi yang cocok akan meningkatkan kristalinitas. Oleh karena itu, kristalinitas lebih mungkin terjadi pada kopolimer dengan pola blok konstituen teratur dibandingkan kopolimer acak.

Sebagai kesimpulan, konformasi teratur dan/atau konfigurasi teratur lebih menjamin kristalisasi. Kedua karakteristik tersebut dimanipulasi denagn cara berbeda. Konformasi diubah secara fisik (anil, pembebanan): perubahan konfigurasi memerlukan pemutusan ikatan dan dicapai dengan cara kimia.

Struktur halus daerah kristalin pada polimer komersial dan hubungan dengan daerah amorf terkait telah menjadi subjek berbagai penelitian. Kemajuan berarti dicapai pada tahun 1950 ketika untuk pertama kalinya dihasilkan kristal tunggal polietilen. Metode pembuatan tipikal adalah melarutkan <0,01 % PE dalam xylen pada temperatur 135 – 138 ^oC disusul dengan pendinginan lambat hingga 70 – 80 ^oC. Kristal PE halus yang mengendap, berukuran panjang beberapa mikron dan tebal 10 – 20 nm. Ketebalan lamel kristal ini bergantung pada temperatur. Pengkajian difraksi dengan mikroskop elektron transmisi menunjukkan bahwa arah sumbu rantai molekul kira-kira tegak lurus pada dua permukaan besar lamel tersebut. Ditinjau dari relatif tipisnya kristal terhadap panjang rata-rata molekul, dideduksi bahwa telah terjadi pelipatan-rantai-berganda selama proses kristalisasi dari larutan induk. Dengan kata lain, molekul dapat menampilkan konfirmasi yang diperluas dan/atau pelipatan. Model dulu pelipatan-rantai menjadi perdebatan akan tetapi kini telah diterima secara luas. Bentuk pasti mengenai permukaan lipatan juga menjadi bahan perdebatan. Kerapatan terukur dari kristal tunggal ini lebih kecil dari nilai teoretis; ciri ini menunjukkan bahwa susunan tidak teratur terdapat di permukaan lipat dan bahwa kristal itu sendiri mengandung cacat. Umumnya lipatan atau loop cukup unit struktur molekuler berulang. Loop “longgar” dengan radius lebih besar dan ujung rantai (cilia) menonjol keluar dari permukaan lamel. Penelitian dasar mengenai kristal tunggal mempunyai dampak luas terhadap fisika polimer, setara dengan dampak kristal tunggal logam terhadap ilmu metalurgi.

Berbeda dengan kondisi yang lebih bebas pada permukaan kristal terisolasi yang tumbuh dari larutan encer, penggumpalan molekul rantai pun lebih mungkin terjadi apabila polimer berkristalisasi dari keadaan cair. Akibatnya, kristalit yang tumbuh dari cairan mempunyai karakteristik fisik yang lebih kompleks. Pemeriksaan mikroskopik (PE, PS, atau nylon) memperlihatkan agregasi kristalin sferulitik yang menakjubkan. Sferulit tiga-dimensi tumbh dalam arah radial dari sejumlah titik nukleasi yang tersebar dalam cairan. Nukleasi dapat terjadi apabila beberapa segmen molekuler menata diri pada titik tertentu (nukleasi homogen). Namun, kemungkinan terjadinya nukleasi heterogen lebih besar, diawali dari keberadaan partikel material asing atau bahan nukleasi yang sengaja ditambahkan. Pertumbuhan radial terus terjadi hingga sferulit saling bertubrukan. Sferulit jauh lebih besar daripada kristal tunggal terisolasi yang telah dibahas, dengan diameter beberapa mikron hingga milimeter bergantung pada kondisi pertumbuhan. Jadi kristalisasi pada temperatur sedikit di bawah T_m diawali dari beberapa titik nukleasi hingga akhirnya menghasilkan struktur sferulitik yang kasar. Namun, proses “anil” berkepanjangan ini, atau pendinginan yang sangat lambat dari keadaan cair, dapat menimbulkan retak di antara sferulit (kristalisasi “lewat jenuh”).

Bagian dalam sferulit terdiri dari lamel. Selama kristalisasi, lamel tumbuh dalam arah radial mulai dari inti. Sama dengan kristal tunggal berasal dari pertumbuhan larutan, lamel ini pun terbentuk akibat pelipatan-rantai mencapai ketebalan sekitar 10 nm. Juga terbentuk cabang lamelar pengisi-ruang. Seringkali, molekul rantai menyebul dari suatu lamel dan memasuki lamel lain. Ikatan atau hubungan inter lamelar yang terjadi mempunyai peran penting pada proses deformasi; hal ini akan dibahas kemudian. Tidak dapat dihindari, pertumbuhan keluar dari lamel menjadi perangkap material amorf. Kristalinitas sferulit sekitar 70 – 80 % asalkan konstituen molekul sederhana. Campuran dari lapisan lamel yang kuat dan material amorf yang lebih lemah meningkatkan kita pada perlit dalam baja, oleh karena itu, kadang-kadang dianggap sebagai komposit in-situ (tersusun-diri).

Pola khas yang tampak ketika agregat sferulit diperiksa dengan bantuan polar-silang mikroskop optik membuktikan bahwa lamel yang menonjol dari nukleus terpilin dengan sinkron. Untuk PE ortorombik, sumbu-c lamel sejajar dengan panjang molekul rantai yang direntang dan menyinggung sferulit. Sumbu a atau b berarah radial. Lamel mengalami pilinan ketika tumbuh sedangkan sumbu-c tetap tegak lurus pada arah pertumbuhan. Indeks refraksi setiap lamel berubah secara bertahap, sehingga bekas cahaya polarisasi bidang yang mengenai lamel mengalami polarisasi eliptik di keempat kuadran sferulit dan membentuk gambar “salib Maltese”.

Mekanisme pergerakan molekuler dalam cairan polimerik merupakan masalah ilmiah yang belum terselesaikan. Belum diketahui dengan pasti bagaimana molekul dapat bergerak di antara gumpalan molekul dan berpartisipasi dalam aksi pelipatan-rantai progresif yang merupakan ciri khas kristalisasi. Jelas, beda sekali dengan difusi atom dan ion dalam logam dan keramik. Masalah ini secara meyakinkan diselesaikan oleh Gennes, yang memelopori ide reptasi, konsep yang ampuh untuk menjelaskan berbagai efek viskos dan elastik pada polimer. Dia mengusulkan bahwa suatu molekul rantai panjang, sebagai individu, dapat merangkak dengan arah memanjang dengan pergerakan mirip-ular melewati gumpalan massa molekul. Molekul bergerak dalam “tabung reptasi” terbatas yang menempati ruang bebas antara molekul; diameter “tabung” ini sama dengan jarak minimum antara dua molekul yang bertautan. Dengan pergerakan reptasi ini molekul dapat memindahkan pusat massanya sepanjang “tabung” dan dengan demikian bergerak melewati struktur gumpalan polimerik. Makin panjang molekul makin sulit reptasi. Pada permukaan lamel kristalin yang tumbuh, sebuah molekul dapat “diulur masuk tabung” dan menjadi bagian dari proses pelipatan-rantai.

TERJADI KESLAHAN PADA RUMUS MOHON UNTUK MENDOWNLOAD BAHAN LENGKAPNYA DISINI (——-)

Referensi:

Smallman, R.E. dan Bishop, R.J., 2000, Metalurgi Fisik Modern & Rekayasa Material, Edisi Keenam, Penerjemah: Ir. Sriati Djaprie, M.Met., Jakarta: Erlangga.