Tinjauan Sifat Reologi Kompon Tread BAN dengan Variasi Komposisi Carbon Black/Silika

Selasa, 12 September 2017 | 7:11 WIB


D.K. Arti1 , R. Fidyaningsih1, A. Rohmah1, L.A. Wisojodharmo1, H. Purwati1
1Pusat Teknologi Material-BPPT, Gedung 224 Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, 15314

E-mail: dewikusuma.psu@gmail.com

ABSTRAK

Sifat reologi kompon karet pada umumnya dan kompon tread ban pada khususnya sangat penting untuk memprediksikan sifat mekanik produk karet, serta berguna untuk memperoleh formulasi optimum dalam penelitian dan pengembangan suatu produk. Sifat viskoelastis pada kompon karet sangat dipengaruhi oleh jenis karet serta bahan pengisi yang digunakan. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui sifat reologi dari kompon tread ban menggunakan bahan dasar karet alam (NR) dan butadiene rubber (BR) dengan variasi komposisi bahan pengisi carbon black/silika. Pencampuran NR dan BR dengan rasio 85/15 phr dilakukan dengan menggunakan alat kneader, dengan rasio bahan pengisi carbon black/silica adalah: 50/0, 40/10, 25/25, 10/40, dan 0/50 phr. Sifat reologi dan viskositas diuji dengan menggunakan Rubber Process Analyzer TA Instrument Elite. Pengujian dilakukan dengan variasi frekuensi dari 0.01-50 Hz pada suhu 1000C dengan amplitudo tetap 10 dan variasi amplitude dari 0.05-3.5920 pada suhu 900C dengan frekuensi tetap 1 Hz. Hasil penelitian menunjukkan penambahan silika memberikan perbedaan signifikan pada efek Payne yang menunjukkan interaksi antar bahan pengisi. Energi disipasi juga menunjukkan kecenderungan menurunkan heat build up, meningkatkan sifat mekanik dan memperbaiki ketahanan abrasi pada produk karet dengan penambahan silika.
Kata kunci: carbon black, silika, reologi, efek payne

ABSTRACT
The rheological properties of the rubber compound in general application and tire tread compound in particular is very important to predict the mechanical properties of rubber products, as well as useful for obtaining optimum formulations in the research and development of a product. The viscoelastic properties of the rubber compound are strongly influenced by the type of rubber and the filler used. The purpose of this research is to investigate the rheological properties of tire tread compound using natural rubber (NR) and butadiene rubber (BR) materials with various composition of carbon black/ silica filler. The mixing of NR and BR with the 85/15 phr ratio was performed by means of a kneader, with the ratio of carbon black/ silica fillers varies: 50/0, 40/10, 25/25, 10/40, and 0/50 phr. Rheology and viscosity properties were tested using TA Instrument Elite Rubber Process Analyzer. The test was performed with frequency variation from 0.01-50 Hz at a temperature of 1000C with fixed amplitude 10 and variation of amplitude from 0.05-3.5920 at a temperature of 900C with a fixed frequency of 1 Hz. The results showed that the addition of silica gave a significant difference in the effect of Payne that showed the interaction between the fillers. The energy of dissipation also shows a tendency to reduce heat build up, improve mechanical properties and improve abrasion resistance in rubber products with the addition of silica.

Keywords: carbon black, silica, rheology, payne effect

PENDAHULUAN

Karbon black dan silica adalah bahan pengisi yang sering digunakan dalam pembuatan kompon karet. Perbedaan sifat dari kedua jenis bahan pengisi ini dapat menyebabkan terjadinya proses aglomerasi yang berakibat pada tidak homogennya proses pencampuran. Interaksi antar bahan pengisi pada carbon black biasanya bergantung pada ikatan Van der Waal yang dapat putus dengan mudah pada saat proses pencampuran. Sebaliknya, silica memiliki interaksi antar bahan pengisi yang lebih kuat karena adanya ikatan hydrogen selain ikatan Van der Waal dan interaksi fisika lainnya [1].
Silika memiliki polaritas yang tinggi karena memiliki gugus silanol pada permukaannya, sehingga menyebabkan silika tidak kompatibel dengan karet non-polar seperti karet alam, styrene butadiene rubber dan butadiene rubber. Penggunaan silika sebagai bahan pengisi pada jenis karet non polar tersebut di atas tanpa menggunakan kompatibiliser akan menghasilkan disperse yang kurang baik dan tentunya menurunkan sifat-sifat dari kompon yang dihasilkan sebagai efek dari interaksi antar filler yang sangat kuat [2]. Selain itu, gugus polar pada permukaan silika dapat membentuk ikatan hydrogen dengan gugus polar lainnya yang berasal dari zat aditif seperti zat akselerator yang digunakan dalam pembuatan kompon. Proses ini akan memberikan efek negatif pada proses pematangan karet [3]. Oleh karena itu, dalam penggunaan silika perlu digunakan silane coupling agents untuk meningkatkan interaksi silika dan karet dan dispersi silika serta mencegah adsorpsi akselerator pada permukaan silika. Oleh karena itu, bis[3-(triethoxysilyl)propyl] Tetrasulfide (TESPT) Silane Coupling Agent digunakan untuk meningkatkan interaksi silika dan kemampuan dispersinya dalam karet.
Pada peneltilian ini, tinjauan reologi menjadi pokok bahasan mengingat sifat reologi kompon karet sangat penting untuk memprediksikan sifat mekanik produk karet, serta berguna untuk memperoleh formulasi optimum dalam penelitian dan pengembangan suatu produk. Sifat viskoelastis pada kompon karet sangat dipengaruhi oleh jenis karet serta bahan pengisi yang digunakan. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui sifat reologi dari kompon tread ban menggunakan bahan dasar karet alam (NR) dan butadiene rubber (BR) dengan variasi komposisi bahan pengisi carbon black/silika.

METODE PERCOBAAN

Bahan dan Alat

Bahan baku utama pada penelitian ini yaitu karet alam tipe RSS1 dengan densitas 0,95 diperoleh dari supplier lokal dan butadiene rubber (BR) dengan viskositas Mooney 40 dan densitas 0,42 diperoleh dari Goodyear Chemical. Bahan pengisi yaitu karbon black N220 dari Cabot dan Highly Dispersible Silika dari Jebsen and Jessen Chemical serta bis-(3-triethoxysilyl-propyl)tetrasulfide (TESPT) dari Evonik Jerman sebagai silane coupling agent.
Peralatan yang digunakan dalam makalah ini yaitu Mooney viscometer professional Montech Gmbh untuk menentukan viskositas Mooney, Moving Die Rheometer Montech Gmbh untuk menentukan waktu kematangan optimum, dan Rubber Processing Analyzer (RPA) TA Instrument type Elite untuk analisis sifat reologi dan viskoelastisitas

Metode

Lima formulasi dipersiapkan dalam penelitian ini seperti dalam Tabel 1. Untuk semua formulasi, total karet (RSS1 dan BR) adalah 100 phr. Proses pencampuran dilakukan dalam kneader skala laboratorium Moriyama DS3-10MWB-E pada suhu 1100C dengan kecepatan pengadukan 60 rpm. Pencampuran diawali dengan mastikasi RSS1 dan BR menggunakan peptizer, dilanjutkan penambahan bahan pengisi dan bahan aditif termasuk minyak pemroses. Setelah kompon tercampur homogen, dibiarkan selama 24 jam sebelum selanjutnya ditambahkan bahan kuratif yaitu sulfur dengan menggunakan kneader yang sama pada suhu 700C dalam waktu maksimal 2 menit [4].

Tabel 1. Desain formulasi

Material Formula (phr)
FS1 FS2 FS3 FS4 FS5
Natural rubber

85

85

85

85

85

Butadiene rubber

15

15

15

15

15

Peptizer

3

3

3

3

3

Activator

8

8

8

8

8

CB N220

50

40

25

10

0

HD Silica

0

10

25

40

50

Silica coupler

0 0,8

2

3,2

4

Antidegradant

8

8

8

8

8

Processing oil

6 6

6

6

6

Curatives 3 3 3 3 3

Mooney viskositas (ML 1+4 (100))kompon pada suhu 1000C dan frekuensi 1.67 Hz dianalisis dengan menggunakan alat mooney viscometer. Sedangkan waktu kematangan (curing time) dan scorch time dianalisis menggunakan moving die rheometer pada suhu 1400C dan frekuensi 1.67 Hz. Sifat reologi selanjutnya dianalisis menggunakan Rubber Processing Analyzer (RPA) TA Instrument Elite. Pengujian dilakukan dengan variasi frekuensi dari 0.01-50 Hz pada suhu 1000C dengan amplitudo tetap 10 dan variasi amplitude dari 0.05-3.5920 pada suhu 900C dengan frekuensi tetap 1 Hz.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis viskositas Mooney

Viskositas mooney ML 1+4 (100) pada kelima formulasi pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 2 sebagai berikut.

Tabel 2. Viskositas mooney

Nama Sampel ML 1+4 (100)
FS1 49,15
FS2 51,23
FS3 50,99
FS4 51,79
FS5 50,51

Viskositas mooney dari kelima formulasi dengan perbedaan jumlah phr bahan pengisinya tidak menunjukkan adanya perbedaan yang signifikan antara satu sama lain. Secara garis besar dapat dilihat bahwa dengan adanya penambahan silica, maka akan terjadi peningkatan viskositas. Hal ini disebabkan kuatnya interaksi antar bahan pengisi silika sehingga akan lebih sulit terdispersi jika dibandingkan dengan bahan pengisi karbon black. Namun adanya TESPT sebagai kompatibiliser dengan reaksi antara gugus alkoksi-silil dan silika seperti yang ditunjukkan di Gambar 1, dapat menurunkan interaksi antar bahan pengisi sehingga selanjutnya dapat membentuk kompon yang lebih homogen yang ditunjukkan salah satunya dengan penurunan viskositas mooney.

Analisis waktu kematangan kompon (t90) dengan Rheometer

Pembentukan ikatan silang atau crosslinking pada proses vulkanisasi dapat meningkatkan elastisitas serta kekuatan karet. Proses ini merupakan tahap inti dari proses pengolahan karet dimana salah satu parameter yang perlu diperhatikan adalah waktu. Waktu dan suhu bergantung pada jenis raw material yang digunakan serta curing system yang berperan dalam reaksi sehingga masing-masing komposisi memiliki waktu dan suhu yang spesisifik. Pada proses vulkanisasi juga tidak boleh terlalu lama karena dapat merusak struktur polimer dan ikatan silang yang ada dan tidak sempurna bila terlalu singkat.
Untuk menentukan waktu dan suhu optimum dapat digunakan instrumen rheometer. Prinsip utama alat ini adalah memberikan energi dalam bentuk torsi sehingga timbul panas yang akan meningkatkan temperatur sampel. Sampel yang ada dalam ruang sampel akan mengalami ikatan crosslinking ketika temperatur tepat pada nilai spesifik yang dibutuhkan. Rheometer dapat digunakan untuk menentukan waktu efisien untuk proses vukanisasi tersebut. Instrumen ini dapat digunakan untuk menentukan T90 dimana waktu ini dijadikan acuan untuk proses vulkanisasi.

Nilai T90 ini menunjukan berapa lama waktu untuk mematangkan 90% total kompon. Dapat dilihat bahwa semakin banyak kandungan silica, makan waktu yang dibutuhkan untuk proses pematangan akan semakin lama. Sebaliknya, semakin banyak kandungan bahan pengisi karbon black, maka waktu yang dibutuhkan untuk pemrosesan kompon akan semakin sedikit. Hal ini sesuai dengan teori yang dikemukakan sebelumnya terkait interaksi antar bahan pengisi.
Pada umumnya, waktu yang dibutuhkan untuk proses croslinking pada karet dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti konsentrasi sulfur, suhu, curring agent akselerator dan beberapa faktor lain [6]. Krejsa dan Koenig [7] memaparkan dengan berbagai literatur tentang mekanisme percepatan reaksi crossslinking pada karet dimana waktu tersebut dipengaruhi oleh akselerator dengan mekanisme masing-masing.

Tinjauan sifat reologi

Sifat reologi merupakan salah satu parameter yang sangat penting untuk mengetahui sifat fisik suatu kompon. Sifat fisik ini erat kaitannya dengan struktur kimia antara polimer karet dengan matriksnya maupun bahan aditif lainya dalam proses vulkanisasi. Sifat rheologi suatu kompon juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi crosslinking pada proses vulkanisasi.
Beberapa instrumen yang umum digunakan untuk menentukan sifat rheologi antara lain adalah Rubber Process Analyzer (RPA). Instrumen ini dapat digunakan untuk menentukan karakteristik suatu bahan serta menganalisis proses vulkanisasi dan karakter masing-masing pada kompon.

Frequency sweep

Dengan menggunakan alat Rubber Process Analyser, maka dapat dilakukan pengujian frequency sweep, atau memvariasikan frekuensi untuk mengetahui sifat viscoelastic. Berbeda dengan mooney viscometer yang hanya dapat menghitung viskositas pada satu frekuensi, dengan RPA, perubahan sifat pada kompon dapat diprediksikan. Dengan melakukan variasi frekuensi, maka dapat diperoleh data mengenai shear modulus (Gí), tan delta dan viskositas. Semakin tinggi tan delta, maka viskositas akan semakin rendah, yang artinya kompon lebih mudah untuk mengalir dan pada aplikasi tertentu akan lebih mudah untuk diproses misalnya pada proses lanjutan kalendering. Dapat dilihat bahwa FS5 yang mengandung 50 phr silika memiliki viskositas yang paling rendah sehingga dapat diproses dengan lebih mudah.

Efek Payne

Dengan menggunakan alat Rubber Process Analyser, maka dapat dilakukan pengujian dengan memvariasikan amplitude pengujian untuk menghitung torsi pada kompon karet yang menunjukkan sifat viscoelastisnya, atau yang dikenal dengan efek Payne. Efek Payne sangat dipengaruhi oleh jenis filler serta jumlah dan komposisi filler yang digunakan. Semakin rendah efek Payne mengindikasikan bahwa interaksi antar bahan pengisi yang semakin rendah, dan biasanya menunjukkan disperse antar molekul yang semakin baik di dalam kompon.
Efek Payne pada kompon yang belum matang (uncured). Efek Payne pada kompon yang belum matang menunjukan seberapa baik bahan pengisi terdispersi di dalam polimer, dalam hal ini karet alam RSS1 dan karet sintetik butadiene rubber. FS5 menunjukkan bahwa bahan pengisi telah terdispersi dengan baik ke dalam karet dan menghasilkan kompon yang homogen.
Efek Payne pada sampel kompon yang sudah matang juga menunjukkan hasil optimum ditunjukkan oleh F5. Shear modulus (Gí) yang cukup rendah pada grafik mengindikasikan interaksi antar bahan pengisi yang cukup rendah. Selain itu, efek Payne pada sampel yang sudah matang dapat digunakan untuk memprediksi kekuatan mekanik seperti kekuatan tarik. Semakin rendah efek Payne, maka akan terjadi peningkatan sifat mekanik. Selain itu, menurut Boonstra dan Medalia [8], selain kekuatan tarik, akan terjadi penurunan heat build up, peningkatan ketahanan abrasi, peningkatan resistansi, penurunan kekerasan dan kekuatan sobek yang relative konstan.

Energi Disipasi

Dari efek Payne di atas, dapat dilakukan perhitungan energy disipasi seperti terdapat dalam Tabel 3 berikut. Penambahan silika terbukti dapat menurunkan energi disipasi dimana sangat penting untuk mempermudah pemrosesan karet.

Tabel 3. Energi disipasi

Material Formula (phr)
FS1 FS2 FS3 FS4 FS5
Natural rubber

85

85

85

85

85

Butadiene rubber

15

15

15

15

15

Peptizer

3

3

3

3

3

Activator

8

8

8

8

8

CB N220

50

40

25

10

0

HD Silica

0

10

25

40

50

Silica coupler

0 0,8

2

3,2

4

Antidegradant

8

8

8

8

8

Processing oil

6 6

6

6

6

Curatives 3 3 3 3 3

Formulasi Energi Disipasi (J)
Kompon Uncured Kompon Cured
FS1 1,2989 1,7377
FS2 1,2186 1,6843
FS3 1,1414 1,4149
FS4 1,0922 1,3040
FS5 1,0421 1,1143

KESIMPULAN

Hasil penelitian menunjukkan penambahan silika memberikan perbedaan signifikan pada efek Payne yang menunjukkan interaksi antar bahan pengisi. Penurunan energi disipasi yang linear dengan penambahan silika juga menunjukkan kecenderungan penurunan heat build up, peningkatan sifat mekanik seperti kekuatan tarik dan memperbaiki ketahanan abrasi pada produk karet.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Pusat Teknologi Material Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi atas dana penelitian serta beasiswa Riset-Pro Non Degree yang telah membiayai pelatihan di University of Akron terkait penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA
[1] O. Seyvet and P. Navard. ìCollision-induced dispersion of agglomerate suspensions in a shear flowî. J. Appl. Polym. Sci., 78: 1130ñ1133. 2000.
[2] JB Donnet. ìBlack and White Fillers and Tire Compoundî. Rubber Chemistry and Technology, Vol. 71, No. 3, pp. 323-341. 1998.
[3] J. H. Bachmann, J. W. Sellers, M. P. Wagner, and R. F. Wolf. ìFine Particle Reinforcing Silicas and Silicates in Elastomersî. Rubber Chemistry and Technology, Vol. 32, No. 5, pp. 1286-1391. 1959.
[4] L. A. Wisojodharmo, R. Fidyaningsih, D. A. Fitriani, D. K. Arti, Indriasari, and H. Susanto. ìThe influence of natural rubber ñ butadiene rubber and carbon black type on the mechanical properties of tread compoundî. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 223 012013. 2017.
[5] U. Gˆrl, A. Hunsche, A. Mueller, H.G. Koban. ìInvestigations into the silica/ silane reaction systemî. Rubber Chem. Technol., 70, 608. 1997.
[6] Ciesielski,A. ìAn Introduction to Rubber Technologyî. Rapra Technology Limited, United Kingdom. 1999.
[7] M. R. Krejsa and J. L. Koenig. ìA Review of Sulfur Crosslinking Fundamentals for Accelerated and Unaccelerated Vulcanizationî. Rubber Chemistry and Technology: July 1993, Vol. 66, No. 3, pp. 376-410. 1993.
[8] B. B. Boonstra and A. I. Medalia. ìEffect of Carbon Black Dispersion on the Mechanical Properties of Rubber Vulcanizatesî. Rubber Chemistry and Technology, Vol. 36, No. 1, pp. 115-142. 1963.

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *