Evolusi Bahan Polimer: Bagian 6 – Dari Termoset ke Termoplastik
Pada tahun 1930, industri karet telah mencapai pertumbuhan selama satu abad, seluloid telah ada di pasar selama lebih dari 50 tahun, dan resin fenolik menjadi makanan pokok di banyak sektor. Sampai saat itu, kemajuan paling signifikan dalam ilmu polimer berakar pada sistem termoset yang bersilang.
Hari ini lanskap telah berubah secara dramatis, dengan termoplastik berada di panggung tengah. Polimer komoditas—polipropilena, polietilena, polistirena, dan PVC—membuat sebagian besar konsumsi global. Namun, untuk aplikasi suhu tinggi yang bersaing dengan polimer bersilang dan logam, termoplastik canggih seperti poliamida (nylon), policarbonat, polisulfona, dan PEEK mendominasi.
Melacak evolusi termoplastik kompleks karena temuan laboratorium seringkali tertinggal dari masuknya pasar. Polistirena, pertama kali diidentifikasi pada 1839, hanya memasuki produksi komersial pada 1931 setelah mengatasi tantangan dalam mengontrol polimerisasi eksotermiknya. PVC, ditemukan pada 1872, menghadapi hambatan komersial awal karena titik lelehnya melebihi suhu degradasi termalnya.
Pada 1926, Waldo Semon dari BF Goodrich menyelesaikan masalah ini. Sambil bereksperimen dengan dehidrogenasi PVC dalam pelarut berdidih tinggi untuk melekatkan karet pada logam, ia menemukan pelarut plastisasi PVC, mengurangi titik lembutnya dan memungkinkan pemrosesan leleh.
Kimiawan Jerman Hans von Pechmann pertama kali sintesis polietilena pada 1898 dengan mendekomposisikan diazometana, gas beracak dan meledak yang ia temukan sebelumnya. Karakter berbahaya diazometana mencegah produksi skala besar, meskipun polietilena sekarang mencapai angka konsumsi tahunan lebih dari 100 juta metrik ton (220 miliar lb).
Peneliti ICI Eric Fawcett dan Reginald Gibson secara independen meredemukan polietilena pada 1933 saat menguji campuran gas tekanan tinggi. Dengan menggabungkan etilena dengan benzaldehida di bawah tekanan ekstrim, mereka menghasilkan produk putih berbentuk lilin yang sekarang dikenal sebagai polietilena kepadatan rendah (LDPE). Proses awal tidak konsisten, tetapi pada 1935 kimiawan Michael Perrin menyempurnakan reaksi, memungkinkan produksi yang andal yang komersial pada 1939—lebih dari empat dekade setelah sintesis laboratorium pertama.
Polietilena kepadatan tinggi (HDPE) muncul pada awal tahun 1950 dengan hadirnya katalis baru. J. Paul Hogan dan Robert Banks dari Phillips Petroleum mengembangkan katalis oksida kromium pada 1951; paten mengikuti pada 1953, dan proses memasuki penggunaan komersial pada 1957, masih dikenal sebagai katalis Phillips. Secara bersamaan, Karl Ziegler memperkenalkan sistem organometalik halida titanium–alumunium, yang Giulio Natta selesaikan. Keluarga katalis ini menurunkan suhu dan tekanan untuk sintesis polietilena dan menghasilkan polimer linier, kristal tinggi yang lebih kuat, lebih kaku, dan lebih tahan panas daripada sejenis bercabangnya.
Temuan paralel seringkali mengakibatkan sengketa paten. Dalam hal ini, persaingan hukum atas paten HDPE diselesaikan hanya pada 1983 untuk pihak Phillips. Namun, Ziegler dan Natta, yang pertama kali menerbitkan sistem halida titanium mereka, menerima Hadiah Nobel pada 1963—20 tahun lebih awal—mengakui kontribusi dasar mereka.
Inovasi katalis ini membuka jalan untuk polipropilena, polimer komoditas keempat. Fawcett dan Gibson sebelumnya telah sintesis polipropilena pada pertengahan tahun 1930, tetapi produk awal mereka adalah polimer ataktik lengket yang tidak cocok untuk penggunaan struktural, hanya berfungsi sebagai perekat.
Polipropilena berbeda dari polietilena karena setiap unit pengulang memiliki grup metil samping yang besar bersama tiga hidrogen. Dalam polipropilena ataktik, grup metil menempati posisi acak, menghambat kristalisasi. Katalis baru memberlakukan stereokimia seragam—menempatkan grup metil secara konsisten—memungkinkan polimer untuk kristal.
Dengan memberlakukan stereokimia teratur, katalis baru menghasilkan polipropilena kristal dengan kekuatan, kekakuan, dan titik leleh yang lebih tinggi daripada HDPE. Keberhasilan ini menghasilkan dua polimer yang bersama-sama mewakili lebih dari 50% produksi polimer tahunan global. Terminologi—ataktik, isotaktik, dan sindiotaktik—dikuturnya oleh istri Giulio Natta, Rosita Beati, seorang non-kimiawan, untuk menggambarkan arsitektur stereoreguler yang sekarang standar dalam ilmu polimer.
Empat polimer komoditas semuanya muncul dari observasi laboratorium yang kebetulan, pola yang berulang dalam banyak bahan modern. Sebelum keberhasilan ini, kimia dasar yang dimulai oleh Hyatt pada tahun 1850 terus berkembang, mengarah pada inovasi signifikan lainnya.
Meskipun kemajuan berikutnya tidak menghasilkan volume massal dari empat polimer komoditas, mereka mengatasi tantangan kritis dan memanfaatkan kimia yang sekarang diklasifikasikan sebagai biopolimer—sejajar dengan tujuan keberlanjutan kontemporer. Kami akan menjelajahi perkembangan ini dalam edisi berikutnya.
TENTANG PENULIS: Michael Sepe adalah konsultan material dan pemrosesan independen yang bermarkas di Sedona, Ariz., dengan klien di Amerika Utara, Eropa, dan Asia. Ia memiliki lebih dari 45 tahun pengalaman dalam industri plastik dan membantu klien dengan pemilihan bahan, merancang untuk kemanufakturan, optimasi proses, troubleshooting, dan analisis kegagalan. Kontak: (928) 203‑0408 • mike@thematerialanalyst.com
