Polimer

Polimer adalah rantai berulang dari atom yang panjang, terbentuk dari pengikat yang berupa molekul identik yang disebut monomer. Sekalipun biasanya merupakan organik (memiliki rantai karbon), ada juga banyak polimer inorganik. Contoh terkenal dari polimer adalah plastik dan DNA. Polimer didefinisikan sebagai substansi yang terdiri dari molekul-molekul yang menyertakan rangkaian satu atau lebih dari satu unit monomer. Manusia sudah berabad-abad menggunakan polimer dalam bentuk minyak, aspal, damar, dan permen karet. Tapi industri polimer modern baru mulai berkembang pada masa revolusi industri. Di akhir 1830-an, Charles Goodyear berhasil memproduksi sebentuk karet alami yang berguna melalui proses yang dikenal sebagai “vulkanisasi”. 40 tahun kemudian, seluloid (sebentuk plastik keras dari nitrocellulose) berhasil dikomersialisasikan. Adalah diperkenalkannya vinyl, neoprene, polystyrene, dan nilon pada tahun 1930-an yang memulai ‘ledakan’ dalam penelitian polimer yang masih berlangsung sampai sekarang.

Tampilan nyata rantai polimer linier seperti yang direkam menggunakan mikroskop gaya atom di permukaan, di bawah media cair. Panjang kontur rantai untuk polimer ini ~ 204 nm; ketebalan ~ 0,4 nm.

Asal-usul istilah

Kata polimer merupakan turunan dari bahasa Yunani yaitu poly dan mer. Poly berarti "banyak", sedangkan mer berarti “bagian”. Polimer memiliki sinonim yaitu makromolekul. Sinonim ini berkaitan dengan polimer sintetik yang dihasilkan dari molekul-molekul sederhana yang disebut monomer. Penggunaan kata polimer pertama kali dilakukan pada tahun 1833 oleh kimiawan berkebangsaan Swedia yaitu Berzelius. Para kimiawan pada abad ke-19 Masehi bekerja dengan meilbatkan makromolekul tanpa memiliki suatu pengertian yang jelas mengenai strukturnya.

Meskipun istilah polimer lebih populer menunjuk kepada plastik, tetapi polimer sebenarnya terdiri dari banyak kelas material alami dan sintetik dengan sifat dan kegunaan yang beragam. Bahan polimer alami seperti shellac dan amber telah digunakan selama beberapa abad. Kertas diproduksi dari selulosa, sebuah polisakarida yang terjadi secara alami yang ditemukan dalam tumbuhan. Biopolimer seperti protein dan asam nukleat memainkan peranan penting dalam proses biologi.

Sejarah

• 1839 Eduard Simon menemukan polistiren.
• 1843 Hancock di Inggris dan Goodyear di AS mengembangkan vulkanisasi karet dengan mencampurnya dengan belerang.
• 1854 Samuel Peck memproduksi "union case" untuk foto dengan mencampurkan lak (dihasilkan dari sekresi kumbang lac yang hidup di pohon asli India dan Asia Tenggara) serbuk gergaji, bahan kimia dan pewarna lainnya, dan memanaskan dan menekan campuran ke dalam cetakan untuk membentuk bagian-bagian dari Union Case. Istilah “union” mengacu pada komposisi material, yaitu istilah lain dari campuran.
• 1862 Alexander Parkes memamerkan Parkesine, terbuat dari selulosa nitrat, di Pameran Internasional di London.
• 1868 Hyatt bersaudara di Amerika memproduksi seluloid dari selulosa nitrat yang dicampur dengan kapur barus. Th tidak stabil dan selanjutnya menyebabkan pengembangan selulosa asetat. Mereka mengembangkan banyak teknik produksi massal plastik pertama seperti blow moulding, kompresi moulding dan ekstrusi.
• 1869 Daniel Spill mengambil alih hak untuk memproduksi Parkesine di Inggris dan mendirikan Perusahaan Xylonite yang memproduksi Xylonite dan Ivoride.
• 1872 Eugen Baumann, salah satu orang pertama yang menemukan polivinil klorida(PVC).
• 1897 Spitteler di Jerman mematenkan kasein, dipasarkan sebagai Galalith, terbuat dari protein dari susu yang dicampur dengan formaldehida.
• 1907 Leo Baekeland memproduksi fenol-formaldehida, plastik sintetis pertama yang sebenarnya, Bakelite. Dicor dengan pigmen menyerupai onyx, batu giok, marmer dan amber yang kemudian dikenal sebagai resin fenolik.
• 1910 Dreyfus bersaudara menyempurnakan pernis selulosa asetat dan film plastik.
• 1912 Fritz Klatte menemukan polivinil asetat dan mematenkan proses pembuatan PVC.
• 1924 Rossiter memproduksi urea thiourea formaldehyde, dipasarkan sebagai Lingga Longa atau sebagai barang Bandalasta oleh British Cyanides.
• 1928 Otto Rohm di Jerman menempelkan dua lembar kaca secara bersama-sama menggunakan ester akrilik dan secara tidak sengaja menemukan kaca pengaman, dan produksi beberapa barang lain dimulai pada tahun 1933.
• 1933 ICI menemukan polietilen.
• 1933 Resin melamin formaldehida dikembangkan antara tahun 1930-an dan 1940-an di perusahaan-perusahaan seperti American Cyanamid, Ciba dan Henkel.
• 1935 Wallace Carothers, bekerja untuk DuPont, menemukan poli(hexamethylene-adipamide), Du Pont menamai produk ini sebagai nilon. Carothers tidak melihat penerapan luas karyanya dalam barang-barang konsumen seperti sikat gigi, pancing, dan pakaian dalam, atau dalam penggunaan khusus seperti benang bedah, parasut, atau pipa, atau efek kuat yang dimilikinya dalam meluncurkan seluruh sebuah era dari sintetis. Sayangnya, ia meninggal pada awal 1937 pada usia muda sekitar 41 tahun.
• 1936 Lembaran polimetil metakrilat, Perspex, dicetak oleh ICI, dan tak lama setelah itu digunakan dalam kaca pesawat.
• 1936 Wulff bersaudara di Jerman memproduksi polistiren yang layak digunakan secara komersial.
• 1937 Otto Bayer mematenkan poliuretan.
• 1938 Roy Plunkett bekerja untuk DuPont secara tidak sengaja menemukan poli(tetra fl uroetilen), PTFE, merek dagang Teflon.
• 1941 Dimulainya pengembangan poliester komersial untuk pencetakan di Amerika Serikat.
• 1941 Polyethylene terephthalate (PET), poliester jenuh yang dipatenkan oleh John Rex Whinfi eld dan James Tennant Dickson.
• 1948 Akrilonitril butadiena stirena (ABS).
• 1951 Paul Hogan dan Robert Banks dari Phillips Petroleum menemukan polietilen dengan kerapatan yang tinggi dan polipropilena kristal.
• 1953 Polimerisasi polietilen dicapai pada tekanan rendah menggunakan katalis Ziegler.
• 1954 Giulio Natta berhasil dalam mempolimerisasi propilena “stereospesifik” dengan katalis tipe Ziegler. Karl Ziegler dan Giulio Natta menerima Hadiah Nobel Kimia untuk penelitian mereka pada tahun 1963.
• 1958 Polikarbonat dimasukkan ke dalam produksi massal.
• 1964 Stephanie Louise Kwolek dari DuPont mengembangkan serat Kevlar dari poliaramid (poliamida aromatik).
• 1987 BASF di Jerman memproduksi poliasetilen yang memiliki konduktivitas listrik dua kali lipat dari tembaga.

Pembuatan

Polimer dibuat dengan mengikat molekul-molekul kecil yang disebut monomer menjadi polimer dengan proses polimerisasi. Proses ini membentuk ikatan kovalen antar monomer sehingga terbentuk ikatan yang kuat. Dengan katalis atau proses tertentu polimer dapat memiliki struktur yang linier, bercabang, rantai yang pendek, maupun gabungan dari beberapa struktur tersebut.

Jenis

Berdasarkan sumbernya

Polimer berdasarkan sumbernya dapat dibedakan dalam 3 kelompok, yaitu:

1. Polimer alam, yaitu polimer yang terjadi secara alami. Contohnya ialah karet alami, amilum dalam beras, protein dalam daging, dan selulosa dalam kayu.
2. Polimer semi sintetik, yaitu polimer hasil modifikasi polimer alam dan bahan kimia. Contohnya ialah selulosa nitrat.
3. Polimer sintesis, yaitu polimer yang dibuat melalui polimerisasi monomer-monomer polimer. Jenis polimer ini dikembangkan oleh kimiawan berkebangsaan Belgia yaitu Leo Baekeland. Pengembangan polimer sintesis dimulai sejak permulaan abad ke-19 Masehi. Polimer sintesis yang pertama kali bernilai komersial ialah damar dengan kandungan fenol formaldehida.

Berdasarkan sifat kekenyalannya

Termoplastik

Termoplastik merupakan jenis plastik yang melunak jika mengalami pemanasan dan akan mengeras jika mengalamipendinginan. Proses pelunakan dan pengerasan termoplastik dapat berlangsung berulang kali. Penamaan termoplastik diperoleh dari pembentukan ulang sifat plastik dengan proses pemanasan. Termoplastik mengandung resin hidrokarbon dan manik-manik kaca. Penerapan termoplastik yang paling umum adalah untuk pembuatan marka jalan. Marka jalan yang berbahan termoplastik memiliki refleksi yang tinggi, daya tahan yang kuat dan umur pemakaian yang sangat lama.

Termoset

Termoset merupakan polimer yang tidak dapat mencair atau meleleh saar mengalami pemanasan. Sifat utama dari termoset adalah adanya ikatan silang sehingga menyebabkan kenaikan berat molekul yang besar. Termoset tidak bisa dibentuk dan tidak dapat larut saat dipanaskan. Jenis termoset di antaranya ialah fenol formaldehida, urea-formaldehida, poliester tak jenuh, epoksi, dan melamin-formaldehida. Fenol-formaldehida digunakan dalam pembuatan peralatan listrik dan elektronik, bagian mobil, perekat kayu lapis, dan pegangan alat dapur. Urea-formaldehida digunakan sebagai bahan pelapis Poliester tak jenuh digunakan pada bahan bangunan, bagian-bagian mobil, lambung kapal, aksesoris kapal, saluran anti korosi, pipa, tangki dan peralatan bisnis. Epoksi ditemukan pada bahan pelapis protektif, perekat, peralatan listrik dan elektronik, bahan lantai industri, bahan pengaspal jalan raya, dan material komposit. Sedangkan melamin-formaldehida banyak digunakan pada bingkai dekorasi, taplak meja, dan alat makan.

Elastomer

Elastomer adalah bahan cetak yang terbuat dari polisulfid, polieter, silikon kondensasi dan silikon adisi. Penggunaan elastomer banyak ditemukan di bidang kedokteran gigi. Silikon adisi pada elastomer merupakan bahan cetak yang sangat sangat cocok digunakan untuk mencetak pembuatan gigi tiruan cekat karena memiliki keakuratan yang tinggi. Kekurangannya terletak pada harga yang mahal dan sifatnya yang hidrofobik.

Berdasarkan kegunaannya

Polimer komersial

Polimer komersial umumnya dihasilkan di negara berkembang dengan harga yang murah untuk keperluan sehari hari. Bahan dasar utama dalam pembuatan polimer komersial yaitu polietilena, polipropilen, polistirena, polivinilklorida, atau melamin formaldehid. Polietilena dengan massa jenis rendah digunakan dalam lapisan pengemas, isolasi kawat, lapisan kabel, barang mainan, botol yang lentur, dan bahan pelapis. Polietilena dengan massa jenis tinggi digunakan dalam pembuatan botol, drum, pipa, saluran, lembaran film, isolasi kawat dan kabel. Polipropilena digunakan dalam pembuatan tali, anyaman, karpet, dan film. Polivinil klorida digunakan sebagai bahan bangunan, pipa tegar, bahan untuk lantai, serta isolasi kawat dan kabel. Sedangkan polistirena digunakan sebagai bahan pengemas dengan lapisan busa, perabotan rumah, dan barang mainan.

Polimer teknik

Polimer teknikdihasilkan oleh negara berkembang maupun negara maju. Harga polimer teknik cukup mahal karena sifatnya yang canggih. Polimer teknik memiliki sifat mekanik yang unggul dan daya tahan yang kuat. Penggunaan polimer teknik yaitu dalam bidang transportasi kendaraan roda empat dan pesawat terbang. Dalam ilmu material, polimer digunakan sebagai bahan pembuatan pipa ledeng, peralatan listrik untuk mesin bisnis, peralatan elektronik khususnya komputer, serta pada mesin-mesin industri dan barang-barang konsumsi. Jenis polimer teknik meliputi nilon, polikarbonat, polisulfon, dan poliester.

Polimer fungsional

Polimer fungsional dihasilkan dan dikembangkan di negara maju. Pembuatan polimer fungsional ditujukan untuk penggunaan khusus sehingga produksinya dilakukan dalam skala kecil. Polimer fungsional dapat berbentuk kevlar, nomex, textura, polimer penghantar arus listrik dan foton, polimer peka cahaya, membran, atau biopolimer.

Sifat Mekanik Polimer

Sifat mekanik polimer mencakup bagaimana sifat fisik yang terjadi pada suatu polimer setelah dikenai berbagai macam gaya eksternal. Sifat-sifat ini sangat berguna untuk mempertimbangkan bagaimana polimer dapat digunakan. Beberapa parameternya antara lain:

• Seberapa kuat polimernya? Seberapa kuat suatu bahan yang diregangkan sampai sebelum pecah/putus?
• Seberapa kaku polimernya? Seberapa kaku suatu bahan ketika ditekuk?
• Apakah itu rapuh? Apakah mudah rusak jika dipukul dengan keras?
• Apakah itu keras atau lunak?
• Apakah itu bertahan dengan baik di bawah tekanan berulang?

Kekuatan

Inti dari uji kekuatan berkaitan dengan bagaimana pengaruh perlakuan gaya eksternal yang diberikan terhadap bahan dengan luas tertentu atau istilah yang sering digunakan adalah tekanan atau tegangan. Menurut arah gayanya, macam-macam kekuatan dibedakan menjadi:

• Kekuatan Tarik, berkaitan dengan sifat fisik polimer setelah diregangkan atau diberi gaya tarik. Hasilnya berupa pertambahan panjang. Istilah yang sering digunakan dalam fisika mengenai efek pertambahan panjang setelah suatu bahan dikenai gaya tarik adalah regangan.
• Kekuatan Tekan, berkaitan dengan sifat fisik polimer setelah diberi tekanan atau diberi gaya dorong. Bahan yang ditekan akan mengalami penyusutan atau pengurangan panjang maupun volume. Beton adalah contoh bahan dengan kekuatan tekan atau kekuatan kompresi yang baik. Suatu material yang berfungsi menopang berat harus memiliki kekuatan kompresi yang baik.
• Kekuatan Lentur, berkaitan dengan sifat fisik polimer ketika ditekuk atau dibengkokkan. Secara fisik ketika suatu benda dibengkokkan maka akan terlihat perubahan sudutnya.
• Kekuatan torsional berkaitan dengan sifat fisik polimer setelah diputar.

Perpanjangan Maksimal

Perpanjangan maksimal menunjukkan berapa persen regangan maksimum yang dapat dicapai suatu polimer sebelum akhirnya patah atau putus, persentasenya diukur berdasarkan perubahan panjang material.

Modulus Elastisitas

Modulus elastisitas atau modulus Young merupakan rasio tegangan terhadap regangan yang terjadi pada bahan. Modulus elastisitas secara efektif memberikan ukuran elastisitas suatu bahan.

Ketangguhan

Ketangguhan menyatakan seberapa besar energi yang diperlukan sampai bahan mengalami patah atau putus.

Penerapan praktis

Polimer memiliki peran penting pada berbagai industri. Enam komoditas utama dari polimer yang banyak digunakan, yaitu polietilena, polipropilena, polivinil klorida, polietilena tereftalat, polistirena, dan polikarboat. Mereka membentuk 98% dari seluruh polimer dan plastik yang ditemukan dalam kehidupan sehari-hari. Masing-masing dari polimer tersebut memiliki sifat degradasi dan ketahanan panas, cahaya, dan kimia. Polimer adalah bahan yang juga digunakan pada aplikasi biosensor, biomedis, otomotif, pengemasan, kosmetik, dan berbagai penggunaan lain. Bahan yang digunakan pada polimer mencakup: bahan mentah, senyawa polimer, busa, perekat dan komposit struktural, pengisi, serat, film, membran, emulsi, pelapis, karet, bahan penyegel, resin perekat, pelarut, tinta dan pigmen.

Popok sekali pakai

Popok sekali pakai dibuat dengan bahan polimer yang sulit mengalami penguraian secara biologi. Umur pakai dari popok sekali pakai sangat singkat, tetapi bahannya bertahan sangat lama. Di negara-negara maju, popok menjadi salah satu komponen utama sampah padat kota yang menimbulkan pencemaran lingkungan.

Bahan kunyah

Polimer yang memiliki sifat elastis dan dapat dikunyah disebut bahan kunyah. Bahan kunyah dibedakan menjadi bahan kunyah alami dan bahan kunyah sintetik. Jumlah tertentu pada residu polimer digunakan untuk membuat bahan kunyah sintetik sebagai bahan dasar pembuatan permen karet.

Karet

Polimer dapat menghasilkan karet alami dan karet silikon. Karet alami merupakan salah satu jenis polimer alam, sedangkan karet silikon merupakan salah satu jenis polimer sintetis. Karet alami dihasilkan melalui perkebunan karet, sedangkan karet silikon dihasilkan melalui industri petrokimia. Karet silikon telah digunakan dalam ilmu medis dalam pembuatan tiruan organ rektum. Sedangkan karet alami digunakan dalam percobaan untuk pembuatan jaringan tubuh manusia tiruan sebagai pengganti bahan kegiatan praktek ilmu kedokteran. Karakteristik karet alami dan karet silikon dipelajari melalui eksplorasi dalam radioterapi dengan menggunakan akselerator linier.

Komposit

Komposit merupakan bahan yang terbentuk dari penggabungan dua atau lebih komponen yang memiliki sifat saling berlainan. Bahan pembuatan komposit dapat berupa hibrida yang terbuat dari resin polimer dan diperkuat dengan serat sehingga menggabungkan sifat-sifat mekanik dan fisik keduanya. Komposit juga dapat terbentuk melalui pencampuran dari dua atau lebih atom yang berbeda dengan kondisi molekul dan sel kristal masih tunggal. Pada kondisi ini, komposit dibuat dari logam campuran, polimer ataupun pencampuran logam campuran dan polimer.

Ligonoselulosa

Lignoselulosa merupakan gabungan dari tiga jenis polimer dengan ikatan matriks padat. Bahan penyusun lignoselulosa meliputi lignin, selulosa, dan hemiselulosa. Lignoselulosa dapat dimanfaatkan untuk pembuatan bioetanol.

Pengukuran

Osmometri

Osmometri adalah salah satu metode penentuan bobot molekul rata-rata jumlah polimer. Prinsip kerja yang dipakai yaitu osmosis. Suatu penghalang digunakan untuk memisahkan pelarut dari larutan polimer, sehingga hanya pelarut saja yang dapat lewat. Penghalang dilengkapi dengan membran semipermiabel sehingga zat terlarut tertahan di dalamnya. Kelemahan dari metode osmometri adalah tidak mampu mengukur beberapa polimer yang memiliki berat molekul yang rendah. Polimer dengan berat molekul rendah akan terdifusi melewati membran. Dengan demikian, jumlah bobot molekul rata-rata jumlah yang terukur tidak menyatakan secara tepat tentang harga keseluruhan dari bobot molekul polimer sampel.

Analisis gugus ujung

Analisis gugus ujung merupakan metode analisis pengukuran bobot molekul rata-rata jumlah polimer. Caranya dengan memanfaatkan gugus fungsi yang berada paling ujung dari polimer. Dalam metode ini, bobot dapat diukur secara kimia maupun fisika. Jenis metode pengukurannya terbagi menjadi titrasi dan spektrometri. Metode ini hanya dapat digunakan untuk polimer linier dan polimer cabang yang jumlah cabangnya diketahui dengan pasti dan memiliki mekanisme polimerisasi yang pasti pula. Metode analisis gugus ujung tidak efektif digunakan untuk polimer yang memiliki dua gugus ujung atau lebih, atau untuk beberapa gugus ujung yang berbeda dalam satu rantai polimer. Kekurangan lainnya dari metode ini yaitu hanya efektif untuk mengukur polimer-polimer yang memiliki berat molekul 5000–10000.

Ultrasentrifugasi

Ultrasentrifugasi adalah pengukuran bobot molekul rata-rata jumlah polimer dengan menghitung kesetimbangan dan kecepatan sedimentasi. Kesetimbangan sedimentasi dilakukan dengan pemutaran dengan kecepatan rendah terhadap larutan polimer dalam waktu tertentu. Pemutaran dihentikan jika tercapai kesetimbangan antara sedimentasi dan difusi. Sedimentasi dihasiilkan pada kecepatan putaran yang mencapai 70.000 rpm. Laju sedimentasi menentukan besarnya sedimentasi yang diukur. Besarnya laju sedimentasi adalah tetapan sedimentasi yang terhubung dengan massa partikel.

Penerapan dalam keilmuan

Ilmu membran

Ilmu tentang membran belum memiliki banyak penerapan praktis sebelum tahun 1950. Peningkatan penerapan ilmu membran terjadi setelah adanya kemajuan dalam kimia polimer. Pembuatan polimer sintesis menyediakan membran baru dengan sifat pembawaan tertentu. Selain itu, dihasilkan polimer dengan stabilitas mekanik dan termal yang sangat baik. Polimer kemudian dijadikan sebagai fokus utama dari pembuatan bunga dan produk industri yang berbasis membran. Membran sintetis akhirnya dapat terbentuk melalui polimer sintetis berjenis poliamida, poliakrilonitril, polisulfon, atau polietilen.

Daftar pustaka

1. Direktorat Standardisasi Pangan Olahan (2019). Pedoman Spesifikasi dan Penggunaan Bahan Dasar Permen Karet (PDF). Jakarta: Direktorat Standardisasi Pangan Olahan, Deputi Bidang Pengawasan Pangan Olahan, Badan Pengawasan Obat dan Makanan Republik Indonesia. ISBN 978-979-3665-44-3. 
2. Elma, Muthia (2017). Proses Pemisahan Menggunakan Teknologi Membran. Banjarmasin: Lambung Mangkurat University Press. ISBN 978-602-6483-35-5. 
3. Ifa, dkk. (2018). Pembuatan Bahan Polimer dan Minyak Sawit (PDF). Makassar: CV. Nas Media Pustaka. 
4. Rimantho, D., Hidayah, N. Y., dan Pane, E. A. (2018). Pemanfaatan Limbah Organik dan Anorganik sebagai Material Akustik (PDF). Jakarta Selatan: Unit Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat FTUP. ISBN 978-602-53164-4-9. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2021-04-18. Diakses tanggal 2021-01-08.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
5. Siburian, dkk. (2017). Polimer: Ilmu Material (PDF) (edisi ke-2). Medan: USU Press. ISBN 979-458-356-1. 

Bacaan lanjutan

• Malcolm, P.S., 2001. Polymer Chemistry: An Introduction, diindonesiakan oleh Lis Sopyan, cetakan pertama, PT Pradnya Paramita: Jakarta
• Fried, J.R., 1995. Polymer Science and Technology. Prentice Hall PTR: New Jersey
• Mark, J.E. 1992. Inorganic Polymers. Prentice-Hall International, Inc.: New Jersey
• Odian, G. 1991. Principles of Polymerization. 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc: New York
• Van Krevelen, D.W., 1990. Properties of Polymers. Elsevier Science B.V: Amsterdam
• Sperling, L.H., 1986. Introduction to Physical Polymer Science. John Wiley & Sons, Inc: New York
• Billmeyer, F.W., 1984. TextBook of Polymer Science. 3rd edition, Joh Willey & Sons Inc: New York
• McCaffery, E.L., 1970. Laboratory Preparation for Macromolecular Chemistry. McGraw-Hill Book Company: New Yorkoplok