EBB 220/3 ELASTOMER

1. EBB 220/3ELASTOMER DR AZURA A.RASHID Room 2.19 School of Materials And Mineral Resources Engineering, Universiti Sains Malaysia, 14300 Nibong Tebal, P. Pinang Malaysia

2. Pengenalan • Sebutan getah berasal dari bahan yang diperolehi dari pokok getah “Havea Brasiliensis” • Perbezaan antara getah mentah dan getah tervulkan atau elastomer: • Getah mentah samada asli atau sintetik adalah bahan bersifat plastik yang boleh diubah bentuk pada suhu tinggi dan tidak sesuai untuk kegunaan. • Elastomer ialah sebutan yang digunakan untuk getah tervulkan, vulkanisat atau getah tersambung silang.

3. Getah mentah vs Elastomer Getah mentah – tiada sambung silang Elastomer –Sambung silang

4. Awalnya, kesemua produk berasaskan getah dibuat dari getah mentah asli yang diperolehi dari pokok getah dipanggil latex. • Getah sintetik dicipta secara tindak balas bahan-bahan yang mempunyai berat molekul rendah yang dipanggil monomer untuk membentuk molekul berantai panjang yang dipanggil polimer. • Sifat-sifat elastik perlu diperolehi secara penyebatian antara aditif tertentu di dalam getah mentah.

5. Apabila getah dipanaskan- tindakbalas kimia berlaku dipanggil pemvulkanan atau pematangan. • Proses dimana molekul-molekul getah akan diikat bersama pada tempat-tempat tertentu secara sambung-silang. • Sambung-silang ini akan menghalang gelinciran rantai melepasi satu sama lain. • Elastomer adalah bahan elastik yang boleh berubah bentuk apabila dikenakan sesuatu daya dan kembali ke bentuk asal apabila daya tersebut dibuang. • Sebutan elastomer berasal dari ‘elastic polymer’.

6. Function of crosslinks Stretch Retract

7. Getah tervulkan/ produk akhir Sebatian getah Getah mentah Rubber processing • Proses mastikasi • Penyebatian • Pembentukan • Pemvulkanan

8. Proses mastikasi • Mastikasi ialah proses ricihan mekanik menggunakan penggiling bergulung dua (two roll mill) atau pencampur dalaman (internal mixer) untuk • menurunkan berat molekul, • Menurunkan kelikatan dan • melembutkan getah mentah. • Kesannya: pemprosesan lebih mudah dan meningkatkan keberkesanan penyerakan pengisi. • Getah asli (NR) – ia perlu kerana berat molekulnya adalah dalam julat 105-106 secara semulajadi.

9. Proses penyebatiaon • Penyebatian getah ialah proses penghasilan produk daripada getah mentah • Proses melibatkan penambahan aditif untuk menukarkan getah mentah termastikasi kepada sebatian getah sebelum dilakukan pembentukan. • Kaedah yang sama digunakan seperti proses mastikasi - menggunakan penggiling bergulung dua atau pencampur dalaman.

10. Formula umum sebatian getah Elastomer/ Getah Mentah 100 Pengisi 50 Pelembut 5 Antioksidan 1 Asid Stearik 1 Zink Oksida 5 Pencepat 1 Sulfur 2 Jumlah165 ** Ramuan-ramuan ini digunakan dlm sebutan bahagian per berat getah iaitu berasaskan 100 bahagian getah mentah (bsg) (part per hundred rubber pphr).

11. Setiap ramuan mempunyai fungsi khusus samada dalam pemprosesan, pemvulkanan atau kegunaan produk akhir. • Ramuan-ramuan penyebatian dikelaskan berdasarkan fungsi tertentu: • Pengisi • hitam karbon & pengisi bukan hitam • Pemplastik /Pelembut • pembantu pemprosesan, pemplastik khusus • Penghalang penuaan/ anti perosotan- • Antioksidan, antiozonan dan lilin • Ramuan pemvulkanan / pematangan • agen pemvulkanan, pencepat dan pengaktif • Ramuan-ramuan khusus • pigmen pewarna, agen peniupan, perencat api, perencat, agen anti statik

12. Ramuan-ramuan pemvulkanan • Bahan-bahan kimia yang ditambah untuk memasukkan sambung-silang di antara rantaian polimer apabila stok getah yg tersebati dipanaskan pada suhu tertentu. • Sulfur ialah agen pemvulkanan utama untuk kebanyakan getah yang mengandungi ikatan dubel dalam molekul makronya. • Untuk menambah kadar pemvulkanan, pencepat dan pengaktif digunakan. • Kombinasi agen pemvulkanan, pencepat dan pengaktif dipanggil sistem pemvulkanan.

13. Pencepat - ramuan penyebatian yang ditambah dalam amaun yang kecil dengan agen pematangan untuk meningkatkan kelajuan pemvulkanan. Tanpa pencepat, pemvulkanan dengan sulfur memerlukan beberapa jam. • Dengan kehadiran pencepat, pemvulkanan dipendekkan menjadi beberapa minit dan sifat-sifat fizikal vulkanisat juga ditingkatkan. • Pengaktif – bahan yang ditambah dalam amaun yang kecil untuk meningkatkan keberkesanan pencepat. Pengaktif yang lazim digunakan ialah zink oksida dan asid stearik.

14. Pemvulkanan sulfur • Sambung-silang terhasil boleh mempunyai struktur monosulfida/ polisulfida atau kedua-duanya bergantung kepada sistem pemvulkananyang digunakan • Sistem pemvulkanan sulfur boleh dibahagikan kepada 3 sistem bergantung kepada amaun relatif sulfur, pengaktif dan pencepat yang digunakan.

15. Network structure of sulphur vulcanizate

16. Sistem –sistem ini ialah:- • Pemvulkanan lazim (conventional vulcanization –CV ) • Pemvulkanan cekap (efficient vulcanization –EV) • Pemvulkanan separa cekap (semi-efficient vulcanization -semi- EV) • Ketiga sistem ini dibezakan melalui jenis sambung-silang yang terbentuk dan pengubahsuaian kimia rantai utama yang berlaku selepas pematangan.

17. Sulphur vulcanization systems Sulphur donor  sulphur vulcanization systems without sulphur but gives a sulphur during vulcanization

18. Conventionalvulcanization Efficient vulcanization

19. Sistem pemvulkanan lazim (conventional vulcanization) –CV • Menghasilkan kebanyakan sambung-silang polisulfida melalui penggunaan sulfur yang tinggi dan pencepat yang rendah. • Polisulfida yang tinggi menyebabkan sistem ini tidak sesuai untuk aplikasi suhu tinggi kerana cenderung untuk mengalami pengubahsuaian rantai utama serta kurang ketahanan terhadap penuaan. • Vulkanisat ini cenderung untuk mengeras pada suhu tinggi kerana sulfur dibebaskan daripada sambung-silang polisulfida untuk membentuk sambung-silang tambahan.

20. Sistem pemvulkanan cekap (efficient vulcanization) - EV • Pada pematangan optimum- menghasilkan suatu rangkaian yng mengandungi banyak sambung-silang monosulfida (x=1) yang tahan kepada haba dan darjah pengubahsuaian rantai utama yang rendah. • Vulkanisat yang terhasil mempunyai ketahanan penuaan pada suhu tinggi dan lebih efektif berbanding sistem pemvulkanan sulfur lazim. • Sistem EV lebih mahal daripada sistem CV dan hanya digunakan apabila produk akhir yang diperolehi memerlukan ketahanan haba yang maksimum.

21. Pemvulkanan separa cekap (Semi –EV) • Sistem perantaraan di antara sistem EV dan CV. • Mengandungi kebanyakan sambung silang monosulfida, disulfida dan sedikit polisulfida. • Vulkanizat yang terhasil mempamerkan sifat-sifat mekanikal pertengahan antara sistem EV dan CV. • Sifat mekanikal yang lebih baik daripada sistem EV atau CV boleh diperolehi sekiranya formulasi yang sesuai digunakan.

22. Sistem pemvulkanan tanpa sulfur • Getah tepu tidak boleh disambung-silang dengan sulfur dan pencepat kerana ketidakhadiran ikatan dubel dalam rantaian polimer. • Ia boleh dimatangkan dengan peroksida organik (dikumil peroksida –DCP), TMTD (tetrametil tiuram disulfida), resin fenol formaldehid, oksida logam, diamina, bisfenol dan resin tertentu. Kesemua agen pemvulkanan ini memasukkan sambung-silang di antara rantaian polimer.

23. Ramuan penyebatian khusus • Ramuan khusus ditambah bagi tujuan tertentu tetapi tidak diperlukan dalam kebanyakan produk getah. • Contoh:- pigmen pewarna, agen peniupan, perencat api, agen antistatik, perencat dan peptizer. Pigmen pewarna • bahan yang ditambah untuk mewarna produk getah yang bukan bewarna hitam. • Pigmen pewarna dibahagikan kepada 2 kumpulan:- • Pigmen mineral / bukan organik • Pewarna organik

24. Proses percampuran • Ramuan- ramuan penyebatian seperti sulfur, pencepat, pengisi dan ramuan penyebatian lain mesti dicampurkan ke dalam getah. • Percampuran boleh dilakukan dengan menggunakan alat-alat seperti: • Penggiling bergulung dua (two roll mill) • Pencampur dalaman (internal mixer)

25. PERALATAN PENCAMPURAN Penyebatian dilakukan dengan :- • penggiling bergulung dua • pencampur dalaman.

26. Penggiling bergulung dua • Proses pencampuran di atas penggiling bergulung dua melibatkan mastikasi atau peruntuhan getah mentah melalui tindakan ricihan yang diwujudkan dalam ruangan di antara penggulung yang boleh dikawal. sehingga jaluran getah yang licin diperolehi. • Apabila getah mentah menjadi lembut dan berplastik, pengisi dan ramuan lain ditambah mengikut kitaran tertentu pada suhu dan masa yang telah ditetapkan. • Sistem pemvulkanan dicampurkan diakhir pencampuran untuk mengelakkan pemvulkanan berlaku yang akan menghalang pengaliran getah untuk proses pembentukan.

27. Pencampur dalaman • Pencampur dalaman digunakan dengan meluas dalam proses penyebatian getah dengan berbagai ramuan  dimana pencampuran dilakukan dalam alat tertutup • Kelebihannya ialah penyerakan ramuan getah yang lebih baik dan pengurangkan masa pencampuran tetapi suhu pencampuran adalah tinggi dengan kitar pencampuran yang ditentukan. • Untuk menggelakkan pemvulkanan yang tidak dikehendaki sistem pemvulkanan biasanya dicampurkan menggunakan penggulung bergulung dua.

28. Operasi pembentukan • Selepas kesemua ramuan dicampur & disebatikan dengan sempurna, getah yang tersebati adalah ‘tacky’ dan bersifat termoplastik. • Dalam keadaan berplastik ini, getah tersebati (stok) boleh dibentuk dengan menggunakan daya. • Proses untuk menukarkan sebatian getah kepada saiz dan bentuk yang dikehendaki dengan mengenakan daya yang kuat.

29. Pelbagai kaedah boleh digunakan seperti: • Pengekstrudan • Penyebaran • Pengkalenderan • Pengacuanan • Contohnya ~ menghimpitkannya antara penggulung (pengkalenderan) atau menolaknya menerusi suatu orifis yang mempunyai bentuk yang tertentu (‘tubing’ atau ‘extruding’). • Getah tersebati yang telah dibentuk perlu ditukarkan kepada bahan elastik dengan melakukan proses pemvulkanan di bawah tekanan pada suhu tinggi.

30. Pengekstrudan • Proses untuk menghasilkan getah dalam bentuk jalur yang panjang dengan suatu bentuk keratan lintang yang seragam (rod, tiub). • Dilakukan dengan memaksa campuran getah melalui suatu dai untuk memberikan bentuk yang selanjar. • Jenis pengekstrud ialah: • Pengekstrud ram • Pengekstrud skru • Pengekstrud suapan sejuk • Pengekstrud suapan panas • Pengekstrud suapan sejuk bolong

31. Pengekstrudan skru • Pengekstrudan yang amat banyak digunakan. • Proses:- • Getah akan disuapkan melalui corong tuang dan ditolak kedepan oleh skru yang berputar. • Suapan bergerak kedepan dan dilembutkan oleh haba geseran yang terhasil dan ditolak kearah dai. • Getah akan dipaksa keluar dari dai dgn bentuk keratan lintang jalur getah sama seperti keratan lintang dai.

32. Pengekstrud skru

33. Proses pemvulkanan • Proses pemvulkanan boleh dilakukan menggunakan berbagai teknik seperti pemvulkanan mampatan, pemvulkanan terbuka dan pervulkanan selanjar. • Ia melibatkan sambung-silang secara kimia diantara molekul makro polimer melalui tindakbalas ramuan-ramuan penyebatian. • Tindakbalas sambung-silang getah juga dipanggil pematangan kerana ia adalah suatu proses di mana bahan mentah ditukar menjadi hasilan berguna.

34. Teknik-teknik pemvulkanan • Selepas dibentuk kepada bentuk yang dikehendaki, getah tersebati perlu diubah menjadi produk akhir yang bersifat elastik. • Ini dilakukan melalui proses pemvulkanan menggunakan tekanan dan suhu yang tinggi ( antara 140°C – 200°C). • Terdapat beberapa kaedah pemvulkanan: • Pemvulkanan tekan • Pemvulkanan terbuka • Pemvulkanan selanjar • Pemvulkanan sejuk

35. Proses pemvulkanan tekan • Pemvulkanan ini melibatkan haba & tekanan yang tinggi. • Penekan/pres pemvulkanan mengandungi 2 @ > plat yang boleh digabungkan dan dipisahkan oleh tekanan hidraulik dan dipanaskan dengan stim & elektrik. • Getah divulkankan dalam acuan yang diletakkan antara plat panas di bawah tekanan. • Bentuk termudah acuan mengandungi dua plat logam dengan kaviti yang mempunyai bentuk produk getah akhir.

36. PRES UNTUK ACUAN MAMPATAN & PINDAHAN

37. Pengacuanan mampatan • Kebanyakan hasil getah dibuat menggunakan kaedah ini. • Sebatian getah diletakkan dalam rongga acuan logam dan ditutup dengan penutup. • Acuan dikenakan tekanan hidraulik malar (4-6 MPa) dan suhu yang tinggi (140-200°C) - masa pemvulkanan diperolehi dari rheometer curve. • Selepas acuan ditutup - sebatian getah akan memenuhi ruang mengikut bentuk acuan logam.

38. Selepas pemvulkanan – acuan akan dibuka dan hasil getah dikeluarkan. • Getah teracuan mengandungi jumlah getah yang lebih sedikit daripada apa yang diperlukan oleh hasil iaitu flash dan ia perlu dibuang. • Kaedah ini digunakan untuk menyediakan sampel tervulkan bagi: • ujian tensil, kekuatan cabikan, modulus, fatigue (kepingan 2-3 mm) • ujian rintangan lelasan dan kekerasan (ketebalan 8 mm)

39. SEBELUM SELEPAS

40. Operasi-operasi akhir • Kebanyakkan produk getah memerlukan operasi akhir selepas pemvulkanan. • Contohnya ‘flash’ yang terdapat pada bahagian teracu mesti dibuang. • Antara operasi akhir yang lain ialah proses mengecat sesetengah bahagian getah untuk menjadikan lebih menarik dan melindungi daripada ozon, minyak, asid dan bahan kimia. • Perawatan permukaan dengan klorin, bromin atau flourin di dalam air untuk produk-produk getah seperti ‘seal’ dan bilah untuk geseran yang lebih baik.

41. Kawalan kualiti • Kawalan kualiti perlu untuk menjaga kualiti produk akhir. • Penyemakan dilakukan pada bahan baru masuk / sampai, bahan yang akan digunakan dalam proses & produk akhir. • Pengeluar getah menguji bahan mentah (getah mentah & ramuan penyebatian) - memastikan ia seragam dengan kualiti yang dikehendaki. • Ujian kawalan dilakukan pada berbagai peringkat dalam proses pembuatan dan sensitif kepada perubahan dalam sebatian getah akibat kesilapan.

42. Antara kesilapan yang wujud ialah: • Ramuan penyebatian yang silap, • Kawalan suhu yang tidak baik, • Penyerakan yang buruk, • Kitaran pencampuran yang tidak betul • Kitaran pencampuran terlalu pendek/ terlalu panjang. • Skema kawalan - ujian fizikal piawai ke atas sebatian getah tervulkan & tidak tervulkan. • Ujian sebatian tidak tervulkan - pengukuran kelikatan, masa skorj dan kadar pematangan. • Ujian getah tervulkan - ketumpatan, kekerasan, tensil modulus, kekuatan tensil dan pemanjangan pada pemutusan dll.

43. Sifat-sifat tensil • Sifat-sifat tegasan-terikan tensil termasuklah • Kekuatan tensil, • Pemanjangan pada takat putus (EB) • Modulus tensil. • Kaedah piawai untuk menentukan sifat-sifat ini diberi dalam ISO 37, ASTM D412, BS 903: Part A2 & DIN 53504 • Ujian tensil melibatkan regangan spesimen ujian piawai sehingga putus pada kelajuan mantap menggunakan mesin ujian Instron. Spesimen ujian dipotong daripada kepingan teracuan & bentuk lazim yang digunakan ialah ‘dumbell’.

44. Kekuatan tensil (TS) Modulus pada pemanjangan tertentu (Mx) Pemanjangan pada takat putus (EB) Dengan: L0= Panjang diantara tanda pada sampel asal L= Panjang di antara tanda pada sampel yang telah diregangkan sehingga putus

45. Pengiraan stress-strain 2.0 4.0 6.0 8.0

46. Kepentigan ujian tensil (regangan) • Untuk tujuan kualiti & menentukan rintangan elastomer kepada perosotan oleh haba, cecair, gas, bahan kimia, ozon, persekitaran (cuaca) dll. • Sifat-sifat tensil diukur sebelum & selepas terdedah kepada agen-agen perosotan . • Jika terdapat sedikit perubahan  produk getah tersebut mempunyai servis hayat yang panjang & sebaliknya. • Penggunaan sifat-sifat tensil terhad untuk jurutera rekabentuk  hubungan sifat-sifat tensil yang sedikit dengan prestasi semasa servis & kebanyakan produk elastomer jarang diregang sewaktu dalam servis.

47. Sifat-sifat elastomer yang unik • Elastomer - bahan kompleks kerana menunjukkan kombinasi sifat-sifat yang unik yang amat berguna. • Sifat yang paling berguna ialah keelastikan • keupayaan elastomer untuk tercangga dengan banyak secara regangan, mampatan @ torsion & memantul/ kembali kepada bentuk asalnya apabila daya yang menyebabkan cangaan tersebut dibuang.

48. Antara sifat-sifat berguna yang lain: • Keterlapan yang rendah kepada udara, beberapa gas, air & stim • Penebat haba & elektrik yang baik • Sifat-sifat mekanik yang baik • Keupayaan untuk melekat kepada berbagai fiber, logam & plastik tegar

49. Kombinasi sifat-sifat yang berguna  faktor mengapa elastomer digunakan dalam bidang kejuruteraan seperti ‘sealing’, penyerapan gegaran, vibration damping, penebatan elektrik & haba dll. • Ia juga digunakan dalam berbagai bidang seperti tayar, tapak kasut, mats, belts, barang permainan, belon, barang-barang perubatan, barangan rumah, baju hujan, hos dll.