Plastik Polietilena: Penggunaan Sehari-hari, Jenis, dan Sifat

Dasar-dasar bahan modern yang ombak ini

Polietilena jauh merupakan jenis plastik konsumen yang paling umum, dan digunakan dalam banyak bahan sehari-hari. Ini adalah produk termoplastik, yang berarti dapat dilelehkan menjadi cair dan kemudian didinginkan kembali menjadi padat, berkali-kali. Kondisi pemrosesan yang berbeda menghasilkan grade polietilena yang berbeda yang dapat digunakan untuk tujuan yang sangat berbeda—mulai dari plastik cling wrap yang fleksibel di satu ujung spektrum, hingga penutup tiang bollard yang keras di ujung lainnya.

Salah satu properti yang paling menarik dari polietilena adalah daya tahannya. Tahan terhadap pewarnaan dan pengelupasan, sambil juga tidak terpengaruh oleh banyak zat kimia, seperti asam dan larutan kaustik. Polietilena adalah isolator listrik yang sangat baik. Mempertahankan propertinya dalam kondisi dingin yang sangat ekstrim, tetapi dapat dilelehkan pada suhu tinggi.

Plastik polietilena: molekula Karbon-Hidrogen

Plastik Polietilena: Penggunaan Sehari-hari, Jenis, dan Sifat

Struktur molekuler dan properti umum

Polietilena terdiri dari rantai hidrokarbon dengan komponen paling dasar yaitu molekula etilena, yang terdiri dari 2 karbon dan 4 atom hidrogen. Ketika molekul etilena digabungkan bersama dalam rantai lurus atau cabang, polietilena terbentuk. Proses ini melibatkan pemecahan ikatan ganda antara 2 atom karbon dan menciptakan radikal bebas untuk bergabung dengan molekul etilena berikutnya. Makromolekul tidak terikat kovalen, tetapi dijunjung bersama dalam struktur kristal melalui gaya antar molekula. Semakin rendah jumlah cabang samping, semakin rendah kristalinitas dan oleh karena itu semakin tinggi densitas seperti yang dapat diamati pada properti yang berbeda untuk berbagai jenis polietilena.

Polietilena tahan cuaca tetapi dapat menjadi rapuh saat terpapar sinar matahari dalam waktu yang lama. Keterbatasan ini dapat diatasi dengan penambahan stabilizer UV. Dapat terbakar dan akan terus terbakar setelah sumber ignisi dilepaskan dengan api biru ujung kuning, yang akan menyebabkan plastik menitik. Properti permukaan polietilena mencegahnya untuk menempel bersama atau dicetak tanpa perawatan awal. Polietilena dapat transparan, keruh-keruh, atau opak, tergantung pada grade materi, ketebalan produk, dan kehadiran aditif.

Klasifikasi polietilena

Low-density polyethylene (LDPE) dibentuk dengan cabang panjang dan pendek dalam rantai polimer. Kehadiran cabang ini mencegah rantai dari terkemas terlalu erat, memberikan LDPE fleksibilitas yang membuatnya cocok untuk aplikasi seperti kantong plastik, isolasi kawat, dan plastik cling wrap. LDPE sangat tahan terhadap sebagian besar kimia termasuk asam, basa, alkohol, aldehida, ketone, dan minyak sayur. Juga memiliki penyerapan air yang sangat rendah.

Linear Low-density polyethylene (LLDPE) mirip dengan LDPE, tetapi terdiri dari rantai yang sebagian besar lurus dengan banyak cabang samping pendek. Sering diproduksi menggunakan kopolimerisasi etilena dengan alpha-olefin seperti 1-butene, 1-hexene, dan 1-octene. Karakteristik produk akhir dapat dimanipulasi melalui penyesuaian rumus bahan baku.

High density polyethylene (HDPE) terdiri terutama dari molekul rantai lurus yang dijunjung bersama oleh gaya antar molekula. Ketidakhadiran cabang samping memastikan rantai terkemas erat. Densitas tinggi ini menghasilkan produk yang cukup kaku, membuatnya cocok untuk aplikasi seperti papan potong, wadah jus, kayu plastik, dan mainan. HDPE memiliki resistensi kimia yang baik, dan tetap tahan pada suhu sangat rendah (-76 derajat Fahrenheit). Memiliki tekstur permukaan lilin, yang tahan cuaca.

Ultrahigh molecular weight polyethylene (UWMPE) memiliki rantai yang sangat panjang dan dapat dipintal menjadi benang dengan kekuatan tarik yang lebih tinggi dari baja. Kekuatan gaya antar molekula antara rantai lurus panjang menciptakan materi yang kuat dengan kekuatan dampak yang sangat tinggi. Digunakan dalam aplikasi seperti jakal anti peluru. Seperti jenis polietilena lainnya, UHMWPE tahan terhadap sebagian besar kimia, dengan pengecualian asam oksidator. Juga memiliki penyerapan kelembaban yang rendah, tetapi properti pelumas sendiri membuatnya sangat tahan terhadap aus.

American Society for Testing and Measurement (ASTM) menentukan spesifikasi untuk berbagai grade polietilena termasuk spesifikasi untuk berbagai aplikasi. Properti utama dari berbagai grade polietilena diberikan dalam tabel berikut:

LDPE

HDPE

UHMWPE

Density (lb/in3)

.035

.034

Water absorption, 24 hrs (%)

< 0.01

Tensile Strength

1,800 – 2,200

4,600

3,100

Notched impact strength

No break

Coefficient of linear thermal expansion (x10^-5 in/in/deg F)

Max continued use temperature (def F)

160

180

Approx. melting temperature (deg F)

230

260

280

Dielectric strength (V/mil) short time, 1/8″ thick

460-700

450-500

900

LDPE

Density (lb/in3)

.035

Water absorption, 24 hrs (%)

< 0.01

Tensile Strength

1,800 – 2,200

Notched impact strength

No break

Coefficient of linear thermal expansion (x10^-5 in/in/deg F)

Max continued use temperature (def F)

160

Approx. melting temperature (deg F)

230

Dielectric strength (V/mil) short time, 1/8″ thick

460-700

HDPE

Density (lb/in3)

.035

Water absorption, 24 hrs (%)

Tensile Strength

4,600

Notched impact strength

Coefficient of linear thermal expansion (x10^-5 in/in/deg F)

Max continued use temperature (def F)

180

Approx. melting temperature (deg F)

260

Dielectric strength (V/mil) short time, 1/8″ thick

450-500

UHMWPE

Density (lb/in3)

.034

Water absorption, 24 hrs (%)

Tensile Strength

3,100

Notched impact strength

No break

Coefficient of linear thermal expansion (x10^-5 in/in/deg F)

Max continued use temperature (def F)

180

Approx. melting temperature (deg F)

280

Dielectric strength (V/mil) short time, 1/8″ thick

900

Bagaimana plastik polietilena dibuat?

Bahan baku dasar untuk polietilena adalah molekul etena, yang terdiri dari 2 atom karbon dan 4 atom hidrogen. Etena ditemukan dalam gas alam dan juga diproduksi selama pemurnian minyak mentah. Salah satu produk dari tahap pertama pemurnian minyak adalah Naphtha, yang diproses melalui cracker katalitik untuk menghasilkan bahan oktan yang lebih tinggi. Proses cracking ini juga menghasilkan etena, yang dipisahkan dari produk lain untuk pemrosesan lebih lanjut menjadi polietilena. Etena adalah gas.

Ada berbagai metode pemrosesan untuk polietilena sesuai dengan grade produk yang akan dihasilkan.

LDPE dibuat dengan mengompresi gas etena ke tekanan 50.000 psi, setelah itu didinginkan dan dimasukkan ke reaktor. Inisiator ditambahkan ke reaktor, yang menyebabkan reaksi polimerisasi berlangsung. Penggerakan konstan materi di reaktor memastikan tingkat konversi maksimum. Setelah reaksi, etena yang tidak terpisah dipisahkan dari produk dan dikembalikan ke kompresor. Polimer diekstrusi, dipotong menjadi pelet, dan dikeringkan sebelum masuk ke silo penyimpanan. Pelet biasanya dikemas untuk dikirim ke pelanggan di mana akan dilelehkan dan diproses menjadi produk konsumen jadi.

HDPE dibuat dalam proses katalitik, yang memungkinkan proses manufaktur polietilena terjadi pada suhu dan tekanan yang lebih rendah. Katalis Ziegler-Natta dan kromium adalah katalis awal yang digunakan, tetapi jenis katalis baru terus dikembangkan untuk meningkatkan proses produksi dan karakteristik produk. Beberapa proses bahkan mencampur berbagai jenis polietilena dalam satu batch, memburamkan garis antara apa yang sebelumnya adalah grade produk yang berbeda.

LLDPE juga diproduksi dalam proses katalitik dengan penambahan kopolimer seperti alpha olefin (butana, heksana). Struktur molekuler LLDPE adalah rantai panjang dengan banyak cabang pendek.

UHMWPE diproduksi menggunakan katalis metallocene, menghasilkan rantai hidrokarbon yang sangat panjang (lebih dari 100.000 molekul komponen monomer). Proses sekunder yang disebut gel-spinning mengambil gel panas UHMWPE dan mengekstrusinya melalui spinneret. Produk didinginkan dalam mandi air. Proses spinning ini menghasilkan serat dengan tingkat orientasi molekul yang tinggi (95%), yang memberikan kekuatan tarik yang sangat tinggi.

Cetak plastik menggunakan polietilena

Polietilena berasal dari pabrik dalam bentuk pelet dan diberi grade sesuai spesifikasinya. Pelanggan menggunakan pelet ini sebagai bahan baku dalam proses manufaktur mereka sendiri, yang melibatkan melelehnya dengan menerapkan panas dan tekanan, lalu mencetak cair plastik ke bentuk akhirnya. Ada berbagai metode cetak polietilena tergantung pada grade bahan baku dan jenis produk akhir yang diperlukan:

Injection molding
Injection molding adalah salah satu dari dua metode paling umum untuk membuat produk jadi dari polietilena. Pelet dimasukkan ke dalam silinder panas di mana auger berputar mendorong plastik meleleh melalui gate ke dalam cetakan. Kuantitas tetap polietilena diinjeksikan pada tekanan tinggi 10.000-30.000 psi. Setelah injeksi selesai, cetakan didinginkan sebelum dibuka dan produk akhir diambil. Ini adalah proses yang biasanya digunakan untuk memproduksi artikel yang diproduksi massal seperti ember dan tutup botol.
Blow molding
Blow molding digunakan untuk membuat produk seperti botol dan suntik, di mana ada rongga dalam produk. Dalam proses blow molding, tahap pertama melibatkan cetakan preform di sekitar pin inti menggunakan cetakan injeksi standar. Setelah preform didinginkan, ditempatkan di tengah cetakan kedua. Preform dipanaskan kembali dan udara terkompresi disuplai melalui pin inti untuk meniup plastik cair terhadap dinding dalam cetakan akhir sehingga menciptakan rongga internal. Setelah didinginkan, pin diambil.
Compression molding
Compression molding terutama digunakan untuk plastik termo-set, yaitu plastik yang tidak dapat dipanaskan kembali dan dicetak berkali-kali. Serbuk dan bahan lain dapat ditambahkan ke dalam campuran untuk menciptakan properti khusus atau memperkuat produk akhir. Dalam proses ini, plastik dicetak oleh plate panas yang memberikan tekanan pada plastik. Waktu siklus yang pendek dalam proses ini membuatnya menarik untuk aplikasi volume tinggi seperti bagian untuk industri otomotif.
Transfer molding
Transfer molding melibatkan pemanasan plastik ke dalam keadaan cair sebelum ditransfer ke proses compression molding. Ketika ada banyak lubang kecil atau inser logam, plastik cair lebih mudah terbentuk di sekitarnya tanpa mengganggu perpindahan.
Film insert molding
Proses ini melibatkan memasukkan film atau bahan kain ke dalam cetakan injeksi sebelum menyuntikkan plastik, sehingga film tertangkap dalam produk akhir.
Extrusion
Sama dengan injection molding, extrusion adalah salah satu metode paling populer untuk membentuk polietilena ke dalam bentuk yang diinginkan. Pelet diumpankan melalui hopper ke dalam ruangan panas, di mana auger mendorong plastik meleleh ke depan. Di akhir ruangan panas adalah die, yang membentuk plastik saat muncul ke atmosfer. Proses ini digunakan untuk membuat lembar, tabung, kabel, pipa, dan lebih banyak lagi yang berkelanjutan. Produk akhir mendarat di belt konveyor di mana didinginkan dengan air (kadang-kadang diasisti oleh blower). Produk juga dapat dimasukkan ke dalam air untuk mempercepat proses pendinginan.
Gas injection molding
Dalam gas injection molding, proses injection molding standar ditingkatkan melalui langkah tambahan. Cetakan diisi hingga 70% dari total plastik cair yang diperlukan, lalu gas dipompa ke dalam kamera untuk mendorong plastik ke akhir cetakan. Efek bersihnya adalah produk akhir memiliki lubang rongga di tengah karena gas meniup, dan kurang plastik digunakan.
Rotational molding
Serbuk plastik ditempatkan dalam cetakan rongga dan diamankan pada hub berputar. Hub berputar pada 2 sumbu di dalam furnace, menyebabkan plastik meleleh dan melapisi dinding dalam cetakan. Hub terus berputar melalui siklus pendinginan, yang sering melibatkan penyemprotan air di luar cetakan. Akhirnya, produk akhir diambil. Keuntungan metode ini adalah kesederhanaan cetakan, tidak perlu tekanan, dan tidak ada las dan sambungan dalam produk akhir.
Structural foam molding
Plastik cair diinjeksikan ke dalam akumulator bersama dengan gas terkompresi untuk menciptakan efek busa dalam plastik. Dari akumulator, plastik busa diinjeksikan ke dalam cetakan. Penurunan tekanan dari akumulator ke cetakan menyebabkan plastik mengembang dan mengisi cetakan. Setelah pendinginan, kulitnya halus, tetapi inti internal busa, memberikan produk akhir kekakuan yang tinggi.
Thermoforming
Thermoforming dan vacuum forming dilakukan dengan mengambil lembar plastik, memanaskannya hingga lunak, lalu melapiskannya di atas cetakan. Tekanan udara positif diterapkan dalam beberapa kasus, sementara dalam kasus lain vacum dibuat untuk menekan plastik terhadap cetakan. Setelah pendinginan, produk akhir dikeluarkan.
Reaction injection molding
Reaction injection molding adalah teknologi yang lebih baru dalam membentuk produk plastik. Plastik dicampur dengan komponen lain pada suhu yang lebih rendah daripada injection molding tradisional. Reaksi eksotermik terjadi di dalam cetakan untuk mengtekan plastik. Karena suhu dan tekanan yang lebih rendah diperlukan, biaya produksi dapat diturunkan. Serat kaca juga dapat ditambahkan ke dalam campuran untuk menambahkan kekuatan pada produk akhir.

Maintenance

Polietilena adalah bahan yang sangat awet, yang tidak mudah aus atau melemah. Namun, paparan berkelanjutan terhadap sinar matahari dapat menyebabkan rapuh dalam produk seiring waktu. Untuk pipa atau tangki yang terpapar elemen, siklus inspeksi direkomendasikan untuk mengidentifikasi jaring laba-laba atau retakan karena rapuhnya.

Kevabatan dan daya tahan produk polietilena begitu baik sehingga banyak produsen mendeskripsikannya sebagai bebas pemeliharaan.

Aplikasi

Polietilena adalah bentuk termoplastik paling umum yang digunakan dalam produk konsumen, dan memiliki berbagai aplikasi yang luas. Berikut adalah beberapa penggunaan yang lebih umum:

Bahan kemasan makanan: Karena polietilena sangat tahan terhadap penyerapan air dan kerusakan kimia, disahkan sebagai aman untuk digunakan untuk aplikasi kemasan makanan.
Tabung medis: Kehilangan porositas polietilena menjadikannya bahan yang ideal untuk digunakan untuk kateter dan produk medis lainnya karena resistensi terhadap kontaminasi.
Ember, botol, dan tong sampah: Karena kekerasan plastik dan daya tahannya di bawah stres, cocok untuk produk konsumen.
Jakal anti peluru: Serat UHMWPE memiliki kekuatan tarik tinggi, namun sangat ringan—membuatnya ideal untuk aplikasi keselamatan.
Kabel daya tarik tinggi: Ringan, sehingga mudah dipasang, tetapi kuat, sehingga berguna dalam aplikasi industri kompleks.

Daur ulang

Produk plastik telah mendapat banyak kabar buruk karena dampaknya pada lingkungan, tetapi seperti potensi polutan lainnya, adalah perilaku manusia—bukan produk itu sendiri—yang mengakibatkan kerusakan lingkungan. Polietilena tidak terurai secara biologis, membuatnya bahan yang tidak sesuai untuk dibuang melalui tempat pembuangan sampah.

Namun, properti polietilena membuatnya ideal untuk daur ulang, karena dapat dilelehkan kembali dan dicetak menjadi produk lain. Selain itu, resistensinya terhadap kontaminasi kimia dan penyerapan cairan berarti produk daur ulang tidak mengandung banyak kotoran. Kadang-kadang, bahan daur ulang dan bahan baku baru dicampur bersama dalam proses pembentukan produk konsumen jadi. Nomor daur ulang #2 berlaku untuk HDPE dan #4 untuk LDPE; banyak fasilitas daur ulang dapat memproses kedua grade ini untuk digunakan kembali.

Banyak bahan yang sebelumnya dianggap sebagai ancaman lingkungan (misalnya, karet) sedang didaur ulang pada tingkat yang lebih tinggi seiring dengan orang bergerak ke gaya hidup berkelanjutan dan teknologi daur ulang berkembang.