Polimer polivinil klorida (PVC) termasuk ke dalam jenis polimer thermoplastic: suatu substansi yang kehilangan bentuknya ketika dipanaskan dan menjadi rigid kembali ketika didinginkan. Proses ekstrusi dan injection moulding bisa membentuk PVC ke bentuk yang diinginkan. Karena sifatnya yang termoplastik, daur ulang secara fisik PVC dapat dilakukan relatif mudah dimana material bisa dibentuk kembali dibawah proses pemanasan.

Polivinil Klorida

Untuk mengunduh materi ini dalam bentuk pdf, silahkan klik di sini: http://www.ziddu.com/downloadlink/7417438/PolivinilKlorida.pdf

Polimer polivinil klorida (PVC) yang juga dikenal dengan resin vinyl, didapatkan dari polimerisasi senyawa vinil klorida pada suatu reaksi polimerisasi adisi radikal bebas. Monomer vinil klorida didapatkan dari mereaksikan gas ethylene dengan chlorine untuk membentuk 1,2–dichloroethane. 1,2–dichloroethane kemudian dipecah untuk menghasilkan senyawa vinil klorida [1].

PVC memiliki struktur molekul yang mirip dengan PE. Perbedaan antara kedua polimer tersebut adalah pada PVC salah satu atom H yang berikatan dengan atom C digantikan oleh atom Cl. Massa atom relative (Ar) dari Cl yang lebih besar menunjukkan Cl memenuhi 56,8% dari keseluruhan massa PVC.

Ketika diproduksi, PVC bersifat amorf, polimer polar. Sifat ini tergantung pada nilai rata-rata derajat polimerisasi (panjang rantai molekul polimer). Perbedaan proses produksi polimer berkembang menjadi polimer emulsi (PVC-E), polimer suspense (PVC-S), dan polimer massa (PVC-M).

Sejarah PVC

Senyawa vinil klorida yang memiliki rumus molekul C₂H₃Cl merupakan salah satu produk senyawa Petrokimia yang memiliki aplikasi secara komersil yang cukup luas di dunia terlebih di Amerika Serikat. Jika dilihat dari sejarah penemuannya, senyawa vinil klorida ini ditemukan oleh seorang kimiawan berkebangsaan Jerman yang bernama Justus Von Liebig dari Universitas Giessen karena pada sekitar tahun 1835 dialah orang pertama yang mensintesis senyawa vinil klorida ini.

Pada mulanya Justus Von Liebig mereaksikan Dikloroetana yang sering disebut minyak oleh kimiawan Belanda dengan alkohol untuk membuat Vinyl Chlorida. Dalam penelitiannya ia dibantu oleh muridnya yang bernama Victor Regnault yang pada akhirnya mereka berdua mempublikasikannya pada tahun 1835. Pada tahun 1872, E. Baumann menemukan bahwa hujan serpihan putih akan terjadi jika senyawa vinil klorida lama disinari cahaya matahari pada tabung yang tertutup [2]. Ketika itu E. Baumann menemukan adanya padatan putih dari vinil klorida ketika terkena sinar matahari. Padatan putih ini bersifat sangat kuat karena tahan terhadap senyawa KOH atau air dan baru dapat meleleh dengan proses degradasi pada temperatur diatas 130 ⁰C.

Pada awal tahun 1926 senyawa vinil klorida mulai diproduksi secara besar-besaran untuk membentuk PVC yang beberapa tahun sebelumnya Fritz Klatte menemukan proses pembuatan vinil klorida dengan mereaksikan HCl dengan Asetilena menggunakan katalis Merkuri Klorida (HgCl) yang memperoleh hak paten pada tahun 1912. Melalui penemuan Klatte inilah industri vinil klorida pertama kali menjadi populer hingga saat ini [3].

Karakteristik fisik PVC

Senyawa PVC ini dapat berwujud padatan dalam cairan dengan perbandingan 50 % yang tersuspensi yang umumnya digunakan dalam bahan eksperimen dan penelitian, juga seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, wujudnya juga dapat berupa bubuk putih atau padatan krim yang berwarna. PVC memiliki range berat molekul dari 60000 hingga 140000 gram/mol.

Jika ditinjau dari segi kestabilan, senyawa ini sangat stabil karena berbentuk polimer sehingga fasanya berbentuk padatan yang keras sehingga hampir tidak berpengaruh (tak bereaksi) terhadap kehadiran oksidator kuat. Dari segi safety, senyawa ini hampir tidak berbahaya dan mengganggu lingkungan karen tidak berpotensi mencemari udara, air maupun tanah. Selain itu, senyawa ini juga bersifat mudah terbakar.

PVC memiliki beberapa karakteristik dalam morfologi (bentuk) sebagai sebuah polimer. Morfologi yang terbentuk selama polimerisasi akan mempengaruhi kemampuan prosesnya (processability) dan properti fisik yang dihasilkan. Dibawah ini disajikan tabel mengenai beberapa bentuk dari PVC:

Tabel Morfologi PVC [4]

Bentuk PVC	Ukuran	Deskripsi
droplet	30 -150 μm (diameter)	Terjadi karena adanya pendispersian monomer selama polimerisasi suspensi
membran	0,01 – 0,02 μm (ketebalan)	Membran pada lapisan monomer-air dalam suspensi PVC (biasanya pada Poly Vinyl Alkohol)
grains	100 – 200 μm (diameter)	Sesudah polimerisasi, free-flowing powder biasanya membuat droplet menjadi teraglomerasi pada polimerisasi massa
skins	0,5 – 5 μm (ketebalan)	Adanya shell pada grains akan membuat PVC yang terdeposit dalam membran selama proses polimerisasi suspensi
Partikel utama (primary particles)	1 μm (diameter)	Terbentuk sebagai tempat polimerisasi tunggal pada kedua suspensi dan polimerisasi massa oleh presipitasi polimer dari monomernya yang menjadikan lebih dari milyaran jumlah molekul
Aglomerasi dari partikel utama	3 – 10 μm (diameter)	Terbentuk selama polimerisasi dari penggabungan partikel utama
domains	0,1 μm (diameter)	Terbentuk pada kondisi tertentu yaitu pada temperatur cair yang tinggi (205 0C) dan pada temperatur kerja mekanis yang rendah (140 – 150 0C)
microdomains	0,01 μm (spacing)	Spacing yang terkristalisasi
Secondary criystallinity	0,01 μm (spacing)	Kristalinitas yang terbentuk dari amorphous melt dan berfungsi untuk penggabungan menjadi gelatin

Dari uraian pada tabel diatas PVC memiliki struktur yang dibangun di atas struktur lainnya yang akhirnya membentuk sebuah molekul raksasa yang disebut polimer. Lapisan yang saling terbentuk akan mempengaruhi performa dan semuanya saling berhubungan.

Kebanyakan dari PVC akan membentuk polimer yang bersifat kaku (rigid), tetapi ada PVC yang bersifat plastis dimana secara umum keduanya memiliki sifat struktur yang sama hanya saja perbedaanya adalah pada PVC yang plastis, plasticiser masuk pada fasa amorphous PVC yang menjadikan molekul elastomer berbentuk seperti dasi. Selanjutnya grains akan hancur menjadi partikel utama yang berukuran 1 μm yang menjadi unit melt flow. Akhirnya melting unit tadi membentuk belitan pada batas flow unit yang diikuti oleh proses rekristalisasi selama pendinginan yang membentuk struktur elastomer tiga dimensi yang kuat.

Karakteristik kimia PVC

PVC yang pembentukannya didasari pada reaksi polimerisasi kinetik massa dan suspensi dari PVC yang terjadi secara bersama-sama karena sebuah droplet monomer dalam polimerisasi suspensi bisa dianggap menjadi polimerisasi massa dalam sebuah reaktor yang kecil. Selama proses polimerisasi, polimer akan mengendap dari monomernya ketika ukuran rantainya mencapai 10 – 20 unit rantai.

Reaksi polimerisasi ini yang melibatkan dua fasa yaitu monomer dengan fasa cair dan polimer dengan fasa gel, akan membentuk basis untuk deskripsi kinetik dari polimerisasi PVC. Karena adanya laju polimerisasi yang lebih rendah pada monomer yang berfasa cair jika dibandingkan dengan polimer berfasa gel maka akan menghasilkan efisiensi pada tahap terminasi yang lebih besar.

Rantai transfer ke monomer merupakan reaksi utama pada polimerisasi yang mengontrol berat molekul dan distribusinya. Pada suhu 30 ⁰C rantai transfer ke monomer terjadi sekali setiap reaksi propagasi 1600 monomer, sedangkan Pada suhu 70 ⁰C rantai transfer ke monomer terjadi sekali setiap 420 monomer adisi. Dari sini suhu dari proses polimerisasi sangat berpengaruh pada berat molekul yang dimiliki PVC tersebut yaitu berat molekul PVC akan semakin besar pada suhu polimerisasi yang lebih rendah.

Proses Produksi PVC

Terdapat tiga metode umum yang biasa digunakan dalam pembuatan PVC dari VCM, yaitu polimerisasi suspensi, polimerisasi emulsi, dan polimerisasi bulk. Lebih dari 75% PVC di dunia diproduksi dengan menggunakan proses suspensi     (S-PVC). Proses suspensi ini terjadi dari VCM yang didispersikan dengan media air. Produk yang terbentuk bersifat porous dengan diameter butir antara 100-150 mm. Sedangkan sekitar 15% produksi PVC di dunia menggunakan polimerisasi emulsi dan polimerisasi kopolimer, dimana produknya dalam bentuk dispersi lateks encer dari PVC dengan diameter partikel 0,1-2 mm, sedangkan yang menggunakan teknologi polimerisasi bulk adalah sekitar 10% dimana produknya didapat dengan cara mengeliminasi molekul air.

Berikut beberapa metode umum polimerisasi VCM menjadi PVC:

1. Polimerisasi Suspensi

Monomer VCM didispersikan ke dalam air kemudian ditambahkan stabilizer antara lain talc atau bentonite. Inisiator ditambahkan di dalam suspensi monomer. PVC yang dihasilkan lebih murni, memiliki sifat isolasi listrik dan ketahanan panas yang baik serta lebih jernih dari PVC emulsi.

2. Polimerisasi Emulsi

Monomer VCM dicampur dengan air dan ditambahkan stabilizer (sabun) dan inisiator. Campuran dimasukkan ke dalam reaktor sehingga monomer teremulsi masuk ke dalam soapmicelle. Inisiator akan terurai menjadi radikal bebas sehingga berdifusi ke dalam soapmicelle untuk memulai polimerisasi PVC. Produk berbentuk lateks yang halus. Proses ini berlangsung relatif lebih cepat pada temperatur yang lebih rendah dibandingkan dengan metode lain. Produk yang dihasilkan memiliki daya tahan listrik rendah sehingga tidak dapat dipakai untuk isolasi listrik.

3. Polimerisasi Bulk.

Proses ini tidak menggunakan suspending agent atau emulsifier sehingga produk yang dihasilkan mempunyai kemurnian yang tinggi.

Berdasarkan uraian di atas, proses pembuatan PVC dari VCM mencakup tahap-tahap berikut:

1. Tahap Persiapan

Pada tahap ini dilakukan pelarutan VCM di dalam air, kemudian ditambahkan katalisator sehingga membantuk senyawa homogen.

2. Tahap Proses

Proses polimerisasi dilakukan dalam bejana tekan dan kondisi operasi dijaga pada parameter yang diinginkan.

3. Tahap Penyelesaian

Pada proses ini telah dicapai derajat yang telah ditentukan kemudian dilakukan pengambilan produk dengan penyemprotan dan pengeringan dengan cara koagulasi (penambahan asam).

Tujuan dari proses polimerisasi itu sendiri adalah untuk menghasilkan resin dengan cara aman dan efisien, sehingga dapat ditangani dan diproses dengan mudah yang kemudian akan membentuk produk akhir dengan sifat-sifat yang diinginkan. Sifat-sifat polimer yang harus dioptimalkan adalah:

1.  Berat molekul; menentukan proses polimerisasi dan sifat-sifat produk.

2.  Komposisi kimia; berhubungan dengan pembentukan kopolimer dan menentukan sifat aliran pada saat pencairan polimer.

3.  Ukuran butir dan lebarnya; menentukan cara penanganan bubuk dan prosesnya.

4.  Sifat menyerap dari butir harus maksimal unutk memudahkan pemindahan reaksi VCM.

5.  Kemurnian; resin harus bebas dari kotoran.

6.  Warna yang bagus dan stabilitas termal dibutuhkan untuk memungkinkan polimer tidak terdegradasi dan untuk memaksimalkan bentuk akhir produk.

Jenis-jenis PVC

Secara umum, plastisasi dapat dibedakanmenjadi PVC fleksibel dan PVC rigid (kaku). PVC kaku, sesuai namanya, adalah PVC murni dan memiliki kekakuan sangat tinggi. PVC murni lebih kuat dan lebih kaku dari polipropylene (PP) dan polyethylene (PE) [5]. PVC fleksibel diperoleh dengan menambahkan material dengan berat molekul lebih rendah (plasticiser). PVC fleksibel dapat diformulasikan menjadi bersifat seperti karet. Tabel berikut menampilkan perbandingan sifat kedua jenis PVC ini.

Tabel Perbandingan Sifat Mekanik PVC Rigid dan PVC Fleksibel [6]

Sifat Mekanik	PVC Rigid	PVC Fleksibel
Tensile strength (MPa)	44,4	9,6
Tensile Modulus (Gpa)	2,75	-
Impact Strength (J/m)	181	293
Density (g/cm3)	1,4	1,4
Dielectric Strength (MV/m)	34	25,6

2.1.6 Proses Fabrikasi PVC

Proses fabrikasi adalah proses pengolahan dari bijih plastik (pellet) ke bentuk yang diinginkan. Ada berbagai jenis proses fabrikasi PVC yang paling umum dilakukan antara lain:

- injection molding

Proses ini bersifat siklus, dapat menghasilkan produk dengan kepresisian yang tinggi. Contoh PVC hasil injection molding botol.

-         Ekstrusi

Proses ini bersifat kontinyu, massal, dan digunakan untuk produk yang tidak memerlukan tingkat presisi yang tinggi seperi pipa, framw jendela, dll.

-         Celendering

Proses ini menghasikan produk berupa film atau lembaran-lembaran tipis PVC.

-         Thermoforming

Proses ini mencetak produk PVC dengan memanaskan semacam lempengan PVC kemudian ditekan ke cetakan sehingga membentuk sesuai dengan cetakan. Contohnya cup untuk ice cream, kotak makanan, dll.

Kegunaan PVC

Produk PVC amat beragam. Namun secara garis besar dibagi menjadi dua yaitu unplasticised PVC (uPVC atau PVC-U) yang bersifat rigid dan plasticised PVC yang bersifat fleksibel.

Aplikasi PVC Rigid

PVC Rigid itu keras dan kaku. Salah satu penggunaan uPVC yang paling besar adalah untuk frame jendela (profil). Material ini mudah untuk dilas dan ditempelkan, bahkan dengan formulasi tertentu aman untuk digunakan pada aplikasi kemasan makanan.  Aplikasi uPVC termasuk:

- Bangunan / Konstruksi: frame jendela, pipa air, lantai, frame pintu, lembaran atap, genteng.

- Electrical engineering: pipa insulasi, rumah telepon, rumah stop kontak.

- Mechanical engineering: pipa bertekanan, rumah thermostat, pipa sambungan, ventilasi.

- Packaging: casing pulpen, botol oli dan makanan, kotak cream, dll.

Aplikasi PVC Fleksibel

PVC yang diberi plasticiser lebih fleksibel. Sifat mekanik dari PVC jenis ini bergantung pada tipe dan kuantitas plasticiser yang ditambahkan. Aplikasi PVC fleksibel meliputi:

- electrical engineering: insulasi kabel dan kawat, soket, kepala kabel.

- Mechanical engineering: pipa, komponen mobil dan komputer.

- bangunan/kosntruksi: cover lantai, perekat jendela dan pintu.

- Medis: Tas penyimpan Darah

- Lain-lain: selang, mainan anak-anak, masker penyelam, sepatu boot, jas hujan, sabuk pengaman, jok sepeda, kemasan makanan, sepatu, cover dinding,dll.

Referensi:

[1] Charless A. Harper, Modern Plastics Handbook, (McGraw Hill: New York, 1999). Hlm. 1.75

[2] Charles E Wilkes. et al, PVC Handbook (Munich: Hanser Publishers, 2005) hlm. 7

[3] Ibid hlm. 95

[4] Ibid hlm. 290

[5] Charless A. Harper, Modern Plastics Handbook, (McGraw Hill: New York, 1999). Hlm. 1.76

[6] Ibid. hlm. 1.80