SIFAT ELEKTRIK DAN TERMAL NANOKOMPOSITHDPE/NPCC

(ELECTRICAL AND THERMAL PROPERTIES OF HDPE/NPCCNANOCOMPOSTTES)

Dwi Wahini Nurhajati, Arum Yuniari, Emiliana Kasmudjiastuti 1)

Email: dwiwahini@yahoo.comDiterima: 2 Septernber 20ll Disetujui: 2g Nopemb er 20ll

ABSTRACTThis research present electrical and thermal properties of the Nano composite high density

poly ethylene (HDPE) filled with nano precipitated calcium carbonate QrIpic). rne jurpos" o7this research was to study the effect of the application of NPCC to the electrical oia inrr*itproperties of the Nano composite HDPE / NPCC. Nano composite HDPEAIPCC was made bymelt blendingusing a Haake 3000 Rheomixrnachine at a temperature of 180"C, at a speed of i0rpmfor 10 minutes. The amount of HDPE in cornposite was fixed / constant, and NptC coitentwas'varied at 5, 10, 15 and 20 phr (per hundred resrn). Tesffir electrical properties (insulationresistance and electrical strength), a,nd thermal properties (heat resistinci and sp'arps) wereusing methods standardized in SNI 04-6504-2001. Thermal analysis were cairied out bythermogravimetric analysis (fG4 and differential thertnal analyis (DfA) methods. Nanocomposite surface was analyzed with Scanning Elec*on Microscopy (SEM)'methods. The testresults showed that the electrtc-al properties of nanofilter NPCC pr*ia" insulation resistance ofa4 MO and impenetrable to electric current. Nanofiller addition of I5 phr ofNpCC provide th|best heat resistance properties (1 .6 mm) and showid a rnore event dxtributtin. Theriat analysisby TG/DTA showed that the addition of NPCC increase the onset temperature.

Keywords: nanocornposite, HDPENPCC, electricalproperties, thermalproperties

ABSTRAKPenelitian ini menjelaskan tentang sifat elekfrik dan termal dari nanoko mposithigh density

polyethylene (IIDPE) yanq diis! dengan nano precipitated calcium carbonati(lpcc).Tujuanpenelitian adalah mempelajari pengaruh penggunaan nano precipitated calcium carbonatqlP_qQ_t thadap sifat elektrik dan termal

-nanokomposit HDPEA.,{pCC. Nanokomposit

HDPEA\fPCC dibuat dengan cnamelt blendingmenggunakan mesrnRkeomix 3000 Haakeiadasuhu I 80 "C, kecepalan 50 rpm selama 10 menit. furntan HOPE dalam komposit dibuat tetap, danfrandungan NPCC divariasi 5; 10; 15 dan 20 phr @er hundred resin).Ujisifat elekrik (resisiansiisolasi dan kuat listrik), dan sifat termal (ketahanan terhadap p*u. Ouo percikan api) mengikutimetode pada sNI 04-6504-2001. Analisis terrnal dilalilkan d;ngan TGi dan DTA. permukaannanokomposit di analisis dengan metode SEM. Hasil uji sifat elekhik memperlihatkan bahwananofiller NPCC memberikan resistansi isolasi > 4 MO dan tidak tembus listrik. penarnbahannanofiller NPCC 15 phr memberikan sifat ketahanan panas terbaik (1,6 mm) danmemperlihatkan distribusi yang lebih rata. Analisis tennal dingan TGIDTA memperlihatkanbahwa penambahanjumlah NPCC menaikkan onzet ternperature.

Kata kunci: nanokomposit, HDPE/NP CC, melt blending, sifat elektrik, sifat tennal

PENDAHULUAII dan banyak digunakan diberbagai aplikasi.High density polyethylene (HDPE) Produksi HDPE di Indonesia

-tahun 2009

adalah salah satu plastik yang sangat penting sekitar 100.000 ton (Anonim, 2010).

1) Balai Besar Kulit, Karet dan Plastik, Yogyakarta

SIFAI ELEKTRIKAL DAN TERMAL DARI NANOKOMpOS|T...,.(DwIWahlni N,, dkk) 0t

Kebutuhan resin PE dalarn negeri dipasok olehdua perusahaan besar di Indonesia yaituChandraAsri dan Titan PENI (Moesa, 2009).HDPE merupakan plastik yang murah, mudahdiproses dengan berbagai metode seperfi cetakinjeksi (injection molding), cetak tekan(compression molding), dan cetak trup (blowrnolding),juga mempunyai sifat tahan bahankimia, memiliki ketahanan elektrik (electricalresistance) dan sangat getas pada suhu rendah.Tetapi karena mempunyai titik leleh rendahdan kurang tahanan terhadap panas makapenggunaannya di industri menjadi terbatas.Resin IIDPE sering juga digunakan sebagaibahan isolator. Bahan isolator mempunyaidaya hantar listrik (electrical conductivity)yang kecil dan ketahanan listrik (electricalresistance) besar. 01eh sebab itu pemakaiansebagai isolator perlu rnempertimbangkansifat kelistrikannya. Sifat kelistrikan menurut(Harper, 1975) dan (Wawas Swathatafrijiah,2004) mencakup resistivitas (volume dansurfac e resistivity), permitivitas atau tetapandielektrik ( dielectric constant),dan kebocoranarus listrik (electrical-los s properties). Sarathiet.al (2004) telah melakukan analisakarakteristik tracking dari HDPE munri, danmenunjukkan bahwa IIDPE murni cocokuntuk digunakan sebagai isolator pada voltaserendah.

Untuk memperbaiki kelemahanHDPE tersebut maka perlu ditambahnanofiller. Saat ini, pengisi berukurannano merupakan pendekatan menarikuntuk meningkatkan sifat baik polimer.Komposit yang berisi bahan pengisiukuran nano, Iazim disebut disebutdengan nanokomposit (Abubakar, 2A0q.

Salah satu filler berukuran nanoyang banyak digunakan di industriplastik adalah precipitated calciumcarbonate (PCC). PCC adalah produkturunan kapur yang telah mengalamirekarbonisasi dengan rumus kimiaCaCO: dan banyak tersedia di Indonesia.Perkembangan penggunaan nanofillerCaCOr telah banyak dilakukan oleh parapeneliti, hal ini dikarenakanstabilitasnya, warna putih, dan murah.Penggunaan CaCO3 yang telah dilapispermukaannya dengan coupling agentdapat memperbaiki kuat tarik dan

ketahanan pukul telah dilaporkan oleh(Phueakbu akhao, et. a/., 200 8).

Penggunaan nanokomposit HDPEuntuk isolator listrik telah dipublikasikanoleh Shah et.al., (2009) telah menelitiberbagai sifat elektrik dari nanokompositterutama kekuatan dielektrik, resitivitasvolume dan permukaan. Sifat kekuatandielektrik ternyata naik secara nyatadengan kenaikan kandungan nano-claysampai 5% berat, juga naiknyaresistivitas volume permukaan.

Pengaruh nano CaCOs dancornpatibilizer terhadap sifat dankristalisasi nanokomposit polypropylene(PP)/CaCOr telah dipelajari secara detiloleh (Lin et.al., 2004;Avella et.al., 2006;Zhang et.al., 2006; Yiping et.al., 2005;Zhang et.al., 2003; Chan et.a\.,2002 danLyu et.al., 1997) menunjukkan bahwasuhu kristalisasi dan kristalinitaskomposit LDPE naik denganbertambahnya jumlah kalsium karbonat.

Tujuan penelitian adalah untukmempelaj ari pengaruh penggunaan nanoprecipitated calcium carbonar (NPCC)terhadap sifat elektrik dan sifat termalnanokomposit HDPE/NPCC.

BAIIAN DAN METODEBahan Penelitian

Plastik j eni s high densitypolyethylene (HDPE) produksi dalamnegeri merek Asrene SI 5230 injectiongrade. Nano precipitated calciumcarbonate (NPCC) merek SHENGKEdengan spesifikasi NPCCA-602 bentukkubus dengan ukuran partikel rata-rata 40trf,, dan permukaannya sudah dilapisidengan coupling agent dan maleatanhidrat sebagai comp atibilis er.

Alat penelitianPeralatan terdiri atas Rheomic 3000

Haake, dan alat tekan hidrolik (Gonno).Alat uji yang digunakan meliputi alat ujiresistansi isolasi dan kuat listrik,Ball Presser, Heat Glow Wire Tester,thermal gr avimetric/differential thermalqralyser (TGIDTA) (Diamond PerkinErlin) serta Scanning ElectronMicros cope (SEM) (JEOL).

MAJALAH KULIL KARET DAN PI"ASTIK Vol. 27 No. I Desember Tahun 20tl : 0l,OG

Metode Penelitiana. Pembuatan komposit

Komposit dibuat dari komPonHDPE dan NPCC. Jumlah NPCCdivariasi. Perbandingan HDPE/NPCCdalam formulasi yang diteliti adalah100/5; 100/10; 100/15; t00120 dansebagai kontrol digunakan perbandinganHDPE/NPCC 100/0 tanpa ditambahNPCC.

Proses pembuatan komPositdilakukan dengan menggunakan mesinRheomic 3000 Haake Pada suhu 180 "Cdengan kecepatan rotor 50 rpm selama 10

menit.' Pada pembuatan komposit iniHDPE dalam bentuk butiran yang sudahdicampur dengan aditif dimasukkandalap Rheomix, setelah bercampur barudimasukkanNPCC.

b. KarakterisasikompositHomogenitas dispersi nanofiller

NPCC didalam komposit diamati melaluiScanning Electron Microscope (SEM).Peng amatan morfologi kompositmenggunakan SEM dengan metodesecondary electron image denganperbesaran 2000x.

Pengujian sifat elektrikal meliputiresistansi isolasi dan kuat listrikmengikuti prosedur pada SNI 04-6504-2001.

Pengujian sifat termal meliputi ujiketahanan terhadap panas, dan percikanapi mengacu SNI A4-6504-2011. Ujiketahanan terhadap panas dilakukandengan Ball Presser dan uji ketahananterhadap percikan api digunakan HeatGlow Wire Tester.

Thermo gravimeter(T GA)digunakan untuk mengukur perubahanberat nanokomposit sebagai fungsi darisuhu maupun waktu. Hasilnya beruparekaman diagram kontinyu, berat sampelyang digunakan +10 ffig, dipanaskanpada laju konstan, *5'C/menit, sampaimulai dekomposisi pada suhu tertentu.Differential thermal analysis (DTA)merupakan teknik analisa untukmengukur perbedaan suhu sampel danstandar sebagai fungsi suhu.

ITASIL DAN PEMBAHASANHasil uji sifat elektrik, termal, dan

SEM untuk semua formula nanokompositHDPE/NPCC dengan variasi jumlahNPCC (0-20 phr) disajikan pada GambarI, 2, 3,serta Tabel I dan.2.

Pengaruh jumlah NPCC terhadap sifatelektrik nanokomposit IIDPE/NPCC

Sifat elektrik nanokompositHDPE/NPCC meliputi resistansi isolasidan kuat listrik . Hasil uji disajikan padaTabel 1.

Tabel l. Sifat elektrik nanokompositHDPE/NPCC

NoForrnulasiI{DPE/NPCC

Resistansiisolasi,MC}

Kuat listrik

I 100/0 >A Tidak tembus

2 100/5 >A Tidak tembus

3 100/10 >A Tidak tembus

4 100/1s >4 Tidak tembus

5 r00120 >4 Tidak tembus

Tabel 1 memperlihatkan bahwa sifatelektrik nanokomposit HDPE/NPCChasil penelitian memenuhi persyaratanyang tercantum pada SNI 04'6504'20t1tentang Lampu swa-balast untukpelayanan penc ahayaan umumpers yaratan keselamatan, yaitumempunyai nilai resistansi isolasi > 4MC), termasuk komposit tanpa ditambahNPCC sebagai kontrol.

Sifat termal nanokomposit meliputiketahanan terhadap panas dan percikanapi disajikan pada Gambar 1.

Menurut SNI 04-6504-2001, nilaiketahanan terhadap panas adalah < 2,00mm. Gambar I memperlihatkan bahwadata ketahanan panas nanokomposit naikturun tidak beraturan memperlihatkanpencampuran pada saat Pembuatannanokomposit tidak homogen.Nanokomposit yang Mempunyai nilaiketahanan panas

SIFAI ELEKTRIKAL DAN TERMAL DARI NANOKOMPOSIT.."'(Dwi Wahini N.' dkk)

nanokomposit yang ditambah NPCCberturut'turut 10 dan l5 phr.

_ 3.5

E3uiad

F 2.5qF2tcl --.d r.)(s

oMI

05101520Jumlah MCC, phr

1.6

Gambar l. Ketahanan terhadap panaskomposit LHE dengan filler NPCC

a. SEM komposit HDPEA{PCCdengan kandungan NPCC I 0 phr

b. SEM komposit HDPE/NPCCdengan kandungan NPCC 15 phr

Gambar 2. Hasil uji SEM nanokompositHDPE/}IPCC

Ketahanan panas terkecil (1,6 mm)dimiliki oleh komposit yang ditambahnanofiller NPCC sebanyak l5 phr(Gambar l). Hal ini kemungkinandisebabkan oleh komposit yang ditambahNPCC 15 phr mempunyai interfocialadhesion lebih bagus dan terjadinyaeksfoliasi NPCC dalam komposit olehkeberadaan maleat anhidride sebagaicornpatibiliser. Hal ini dikuatkan olehhasil uji mikrograf SEM nanokomposityang mengandung NPCC 10 dan 15 phr(Gambar 2). Dari Gambar 2 terlihatbahwa permukaan nanokompositHDPE/NPCC lebih halus dan dis*ibusinanofiller NPCC lebih merata.

Pengaruh jumlah NPCC terhadap sifatketahanan api nanokomposit HDPE/NPCC

Berdasarkan analisa statistik SAS Ifaktor ada perbedaan (p<0,05) yangbermakna pada ketahanan antarkonsentrasi NPCC.

Ketahanan api nanokompositHDPE/}.{PCC disajikan pada Tabel 2.Tabel 2 menunjukkan bahwa semuananokomposit hasil penelitian yangditambah nano filler (NPCC) memenuhipersyaratan yang ditetapkan pada SNI04-6504-2011. Selain itu untuk melihatpengaruh nanofiller NPCC terhadap suhudekomposisi komposit dilakukan analisatermal dengan metode TGA dan DTA.

Hasil analisa termal disajikan padaGambar 3. memperlihatkan bahwa onsettemperature dari nanokomposit HDPEyang ditambahkan NPCC berturut-turut5, 10, 15, 2A phr serta kontrol (tanpaNPCC) berturut-turut adalah 385,59 "C(97,495%); 211,77"C (98,689%);318,15"C (97,5a6%); 370,50"C(9 6,253%) ; dan 37 7,1, l" C (9 4,7 22%).

Penambahan jumlah NPCCmemperlihatkan sedikit penurunan suhudekomposisi. Residu pada suhudekomposisi 460 "C untuk komposit yangtanpa NPCC adalah 20Yo, sedangkanuntuk yang berisi NPCC 15 phr pada suhudekomposisi 470'C residunya sekitar28%.

04 MAJAL/\H KULII KARET DAN PLAST|KVot.27 No. I DesemberTahun 20fl : 0t-06

Tabel 2. Ketahanan terhadap api nanokomposit HDpEATIpCC

No FormulasiHDPEN.{PCC

Ketahanan terhadap api, detik Syaratmutus}{I 04-6s04-2011

1 100/0 Tidak adaapi dan tisu tidak terbakar Tidak adaapidan tisutidak terbakar

2 100/s Tidak ada api dan tisu tidak terbakar Tidak adaapi dan tisutidak terbakar

3 100/10 Tidak adaapi dan tisu tidak terbakar Tidak adraapidan tisutidak terbakar

4 100/15 Tidak adaapi dan tisu tidak terbakar Tidak ada api dan tisutidak terbakar

5 100120 Tidak ada api dan tisu tidak terbakar Tidak adaapi dan tisutidak terbakar

a. Cur.ve TGTDA komposit HDPEtanoa NPCC

.*'r'"r11",*1

'a,l, :,__,,,!

1I"i

b. Curve TGTDA komposit HDPE NPCCdengan kandungan NPCC 5 phr

c. Curve TGTDA komposit IIDPB NPCCdengan kandungan NPCC 10 pbr

d. Curve TGTDAkomposit HDPE NPCCdengan kandungan NPCC 15 phr

Gambar 3. Hasil Uji TGA dan DTAnanokomposit HDPEA',IPCC

SIFAT ELEKTRIKAL DAN TERMAL DARI NANOKOMPOS|T.....(DW|Wahlni N., dkk)

KESIMPT]LANNanofiller NPCC memberi pengaruh

terhadap sifat elektrik nanokomposit yangdinyatakan sebagai resistasi isolasi dan kuatlistrik. Nanokomposit IIDPEresistansi isolasi > 4 MCI dan tidak tembusketika diuj i kuat listrik.

Penambahan NPCC 15 phr memberikansifat ketahanan panas terbaik (1,6mm).Penarrbahan jumlah NPCC menaikkan onsettemperatur nanokomposit. Hasil uji morfologidengan SEM memperlihatkan bahwadishibusi nanofiller NPCC didalam kompositcukuphomogen.

DAFTARPUSIAKA,Anonim . 2010. Laporan market

int elligence.www. datacon. co. id/Plastik-20l0PE.html.

Abu Bakar, A., andNwul Nazihah MohmedRosli. 2006. Effect of Nano-PrecipitatedCalcium Carbonate on MechanicalProperties of PVC-U and PYC-U/Acrylic Blend. Jurnal Teknologi,a5@)Dis. 2006:83-93.

Avella, M., Cosco, S., Dilorenzo, M. L.,DiPace, E., Errico, M.E., Gentile, G.2006. Nucleation Activity of NanosizedCaCOs on Crystallization ofPolypropylene, in Dependence onCyrstal Modi/ication Particle Shapeand Coating. Eur Polym J, 42, 1548-1557.

Chan, C. C., Wu, J., Li, J. X., Cheung, Y. K.2002. Polypropylene/CalciumCarbonate Nanocomposites, Pol1mer,43,2991.

Harper, C.A., L975. Electrical DesignProperties of Plastics and ElastomeriChapta 2 in "Handbook of Platics andElastorner" Edited by Harpea C.A.,Hide Book Company, New York.

Lin, 2., Huzlng, 2., Zhang, Y., Mai, K., Zeng,H., 2004. Crystalllization and MeltingB e h av i o roJN an o C a C O s / P o lypro py I en eComposites ModiJied by Acrylic Acid.IAppl Polym Sci, Vo[. 9t,2443-2453.

Pueakbuakhao, N., Prissanaroon-Quajai, W.,Kreua-Ongarjnukool, N., 2008. Efect ofCoupling Agents on MechanicalProperties and Morphologt of CaCOs

filled Recycled High DensityPolyethylene. J. Metal, Materials andMinerals, 18(2), 13 I -135

Sarathi, R., Chandrasekar, S., Sabari Giri, V.,Venkataseshaiah, C., and Velmurugan,R., 2004. Analysis of surfacedegradation of high densitypolyethylene (HDPE) insulationmaterial due to tracking. Bulletin ofMaterials Science, 27 (3), 25 I -262

Shah, K.S., Jain, R. C., Shrinet, V., Singh,A.K., and Bharambe, D. P., 2009. Highdensity polyethylene (HDPE) claynanocotnposite for dielectricapplications. IEEE Transactions onDielectrics and Electrical Insulation, 16(3),853-861.

SNI 04-6504-2001. Lampu swa-balast untukpelayanan pencahayaan urnurn-p ersy arat an kes el arnatan.

Tanaka, T., Montanari, G. C., and Miilhaupt,R., 2004. Polymer nanocornposites asdielectrics and electrical insulation-perspectives fo, processingtechnolo gies, material characterizationand future applications. IEEETransactions on Dielectrics andElectrical Insulation, 11 (5), 763-784.

Wawas, Swathatafrijiah, 2004. Sifat listrikBahan Polirner. Senfa Polimer, Volume3 Nomor I 5, halaman 17, Jakafia

ZhanE,F., Qiu, W., Yang, L., Endo, T., Hirotsu,T., 2003. Crystallization and MeltingBehavior of Maleated Polyethylene andits Composites Fibrous Cellulose. JAppl.Polyn Sci 89, 3292-3300.

Zhang,J., Ding, Q. J., Zhou, N. L., Li, L., Ma,2.M., Shen, 1.,2006. Studies on CrystalMorphology and CrystallizationKinetics of Polypropylene Filled CaCOsof Dffirent Size and Distribution.J ApplPolym Sci., 101, 2437 -24M.

MA,ALAH KULII I(ARET DAN PLASTIKVol.2T No. 1 DeeemberTahun 2011 : 0l-06