Struktur Kimia Polimer

Polimer alam seperti halnya selulosa, pati dan protein, telah dikenal dan digunakan manusia berabad-abad lamanya untuk keperluan pakaian dan makanan, sedangkan industri polimer merupakan hal yang baru. Polietena, yang disebut juga  polietilena pertama kali ditemukan di laboratorium ICI di Winningthon, Cheshire pada tahun 1933. Sejak saat itu sejumlah terobosan baru banyak dilakukan untuk menciptakan berbagai sistem polimer baru maupun pengembangan yang telah ada. Hasilnya tampak sebagai produk industri polimer yang komersial, begitu  beragam  sebagaimana yang terlihat sekarang.

Polimer pertama kali ditemukan oleh Hermann Satudinger tahun 1920. Polimer terdiri dari makromolekul rantai panjang dengan unit-unit monomer yang berulang-ulang. Polimer dapat dijumpai dalam dua kategori besar, yaitu polimer termoplastik (thermoplastic polymer)yang merupakan material yang menjadi lunak pada saat terkena panas, dan polimer termoset (thermosetting polymer) yang menjadi semakin keras jika terkena panas.

Istilah polimer dihubungkan dengan suatu makromolekul yang strukturnya bergantung pada monomer yang dipakai dalam preparasinya. Jika polimer tersebut dipreparasi dari monomer tunggal A, maka produknya digolongkan sebagai “homopolimer” ( -A-A-A-A-A-A-A- ). Jika lebih dari satu monomer, maka produknya berupa kopolimer, monomer A dan B dipolimerisasi bersama, maka terbentuk empat jenis susunan. Bila dua unit struktur berselang-seling dalam susunan linear, maka produknya disebut “kopolimer alternasi” ( -A-B-A-B-A-B-), jika distribusinya acak, disebut “kopolimer acak” ( -A- A-B-A-B-B-A-B- ). Susunan yang ketiga adalah dimana blok A dan B muncul bersama, yang direferensikan sebagai “kopolimer blok” ( -A-A-A-A-B-B-B-B- ). Suatu susunan blok non linear, terdiri dari satu polimer dengan polimer lain yang bercabang darinya, disebut “kopolimer cangkok”, sebagai berikut,

Gambar 1  Kopolimer cangkok

Polimer juga bisa digambarkan sebagai linear, bercabang, dan jaringan. Polimer linear tidak memiliki cabang selain gugus yang digolongkan sebagai monomer. Sebaliknya, kopolimer cangkok merupakan polimer yang mempunyai cabang. Polimer bintang mengandung tiga atau lebih rantai polimer yang berasal dari unit struktur pusat. Polimer sisir mengadung rantai pendan (yang bisa sama panjang atau tidak sama panjang) dan strukturnya berkaitan dengan kopolimer cangkok. Polimer jaringan terjadi ketika rantai polimer terikat bersama atau ketika digunakan monomer polifungsional sebagai ganti monomer difungsional. Polimer jaringan secara umum direferensikan sebagai polimer ikat silang atau polimer termoset, sedangkan yang tidak berikat silang disebut “polimer termoplastik”.

Secara tradisional polimer diklasifikasi menjadi dua kelompok utama, polimer adisi dan polimer kondensasi. Polimer adisi memiliki atom yang sama seperti monomer dalam unit ulangnya, sedangkan polimer kondensasi mengandung atom yang lebih sedikit karena terbentuknya produk sampingan selama berlangsungnya proses polimerisasi. Sifat fisika dan mekanika dapat berbeda karena proses polimerisasi yang berbeda, sehingga terjadi perbedaan dalam berat molekul, gugus ujung, stereokimia atau kemungkinan bercabangnya rantai.

Terakhir polimerisasi terjadi dengan reaksi tahap dengan pendekatan yang mempunyai dua gugus fungsi reaktif dalam satu molekul, dan yang memiliki dua monomer difungsional. Sedangkan polimerisasi reaksi rantai melibatkan dua tahap kinetik yang berbeda, inisialisasi dan propagasi.

Isolasi polimer secara umum dibagi kedalam dua kelompok berikut,

1.      Termoplastik terdiri dari ikatan fisika yang linear atau cabang molekul besar yang pada temperatur ruang atau sekeliling berbentuk padat dan akan berubah bentuknya pada temperature lebih tinggi. Proses pengerasan dan pencairan sebagai fungsi dari temperatur bersifat dapat kembali  (reversible).

2.      Termoset pada temperature ruang atau sekeliling berbentuk cair, dapat berbentuk padat melalui pengerasan dengan proses reaksi kimia antara komponen yang berbeda pada temperatur ruang. Setelah padat tidak dapat kembali cair (irreversible).

Isolasi polimer mempunyai struktur kimia terdiri atas molekul makro rantai panjang dengan ulangan unit monomer atau mer yang biasanya diberi nama awalan poly pada muka nama monomer, contoh monomer ethylene adalah monomer ulangan pada polyethylene seperti rumus kimia berikut.

Gambar 2  Contoh penamaan polimer

Pemilihan polimer secara umum digunakan untuk isolasi listrik, dengan monomer-monomernya diperlihatkan dalam tabel 1. Unit-unit molekul yang berbeda terikat pada ujung-ujung rantai (CH₃ dalam polyethylene), karena n yaitu derajat polimerisasi dari suatu polimer nilainya sangat besar (umumnya berada diantara 10³ - 10⁵), maka unit-unit ujung biasanya tidak mempengaruhi sifat-sifat fisik polimer.

Bahan isolasi polimer yang dipergunakan dalam isolasi peralatan kelistrikan bersama dengan monomernya diberikan dalam tabel berikut.

Tabel 1  Struktur molekul polimer

Tabel 1 didalamnya termasuk polimer-polimer penting berdasarkan ikatan karbon (C) sepanjang “rangkaian utama” polimer. Hal ini dikenal sebagai homopolimers. Polimer heterochain, adalah bentuk lain dari homopolimer, dimana atom-atom karbon dalam rangkaian utamanya telah digantikan oleh elemen-elemen lain, dikategorikan berdasarkan karakteristik ikatan-ikatan kimia. Rantai-rantai polimer sederhana dapat membentuk cabang keluar dari rantai utama. Hal ini biasanya ditemukan dalam polyethylene pada Gambar 3

Gambar 3 Sisi cabang dalam struktur molekul polyethelene

Secara tradisional polimer dapat diklasifikasi menjadi dua kelompok,

1.        polimerisasi addisi memiliki atom yang sama seperti monomer dalam unit ulangnya,

2.      polimerisasi kondensasi mengandung atom yang lebih sedikit karena terbentuknya produk sampingan.

Polimer selain memiliki cabang, juga memiliki ikatan silang (cross-link), yang diikat oleh molekul pendek, panjang atau molekul cabang yang saling berhubungan. Ikatan silang ini biasanya terjadi karena tiga hal proses pematangan katalis, pengerasan, dan radiasi. Perkembangan material polimer dibagi tiga  kelompok,

1.      resin komiditi atau resin curah termasuk material termoplastik,

2.      resin teknik memiliki sifat mekanik, listrik, dan termal lebih baik dari plastik komiditi,

3.      resin kinerja tinggi adalah plastik teknik mutu tinggi.

Cabang-cabang tersebut dapat terjadi setiap 30 - 100 unit monomer sepanjang rantai utama polimer dan menghasilkan cabang-cabang samping yang pendek, misal : panjangnya hingga beberapa unit samping yang pendek (hanya beberapa unit monomer) dan dapat juga panjang (sepanjang rantai utama).

Percabangan dapat menghasilkan sampai jumlah yang besar dengan mengubah kondisi. Percabangan ini mengurangi tenaga / energi reguler molekul dan memperkecil   density. Sebagai contoh, pada polyethylene (PE) dengan jumlah percabangan yang besar akan menghasilkan low-density polyethylene (LDPE).