Menjelajahi Ekstrusi Reaktif:Memajukan Produksi &Fungsionalisasi Polimer

Ekstrusi reaktif (REX) adalah proses yang memungkinkan produksi atau fungsionalisasi polimer. Di sini, produksi mengacu pada polimer yang disintesis dari bahan penyusun paling dasar melalui polimerisasi, sedangkan fungsionalisasi mengacu pada polimer yang mengalami modifikasi kimia pasca-reaktor.

Contoh polimer yang diperoleh melalui polimerisasi REX meliputi poliuretan termoplastik dan poliamida (nilon) 6; yang diperoleh melalui fungsionalisasi REX termasuk mencangkokkan monomer ke poliolefin. Secara umum, ekstruder sekrup kembar memainkan peran penting dalam proses REX ini karena kemampuannya mencapai tingkat pencampuran yang tinggi dan kemampuannya menangani material yang menunjukkan viskositas tinggi. Oleh karena itu, ruang lingkup artikel ini adalah modifikasi poliolefin melalui fungsionalisasi REX menggunakan ekstruder sekrup kembar corotating.

Konten Unggulan

Gambar 1: Struktur kimia polietilen dan polipropilen. Struktur dalam tanda kurung mewakili unit berulang dasar dari setiap polimer; n mewakili jumlah unit berulang yang membentuk tulang punggung/rantai polimer. Sumber (semua):C. Escobar

Mengapa Compounder Tertarik dengan Fungsionalisasi?

Secara umum, poliolefin seperti polietilen dan polipropilen (Gambar 1) mempunyai sifat non-polar, yaitu muatan listrik di sepanjang tulang punggungnya terdistribusi secara merata, sehingga relatif inert. Sebaliknya, poliolefin yang difungsikan (Gambar 2) menunjukkan sifat polar, yaitu muatan listrik di sepanjang tulang punggungnya tidak terdistribusi secara merata. Karakteristik ini memberikan fungsionalitas baru pada poliolefin termasuk reaktivitas, yang pada gilirannya membantu memperluas penerapannya. Dengan kata lain, ekstrusi reaktif meningkatkan nilai poliolefin.

Gambar 2: Struktur kimia polietilen difungsikan dengan monomer seperti maleat anhidrida (MAH) dan viniltrimetoksisilana (VTMS).

Keselamatan Diutamakan       

Secara umum, proses ekstrusi poliolefin memiliki risiko fisik yang melekat seperti suhu dan tekanan pengoperasian yang tinggi. Selain risiko fisik tersebut, REX juga membawa risiko kimia yang perlu dipertimbangkan dan diatasi sebelum penerapan proses fungsionalisasi. Gambar 3 menunjukkan beberapa contoh risiko tersebut. Jenis risiko yang terakhir akan bergantung pada sifat kimia senyawa, yang juga dikenal sebagai monomer, yang akan dicangkokkan ke tulang punggung poliolefin. 

Gambar 3: Contoh risiko fisik dan kimia terdapat dalam beberapa proses ekstrusi reaktif yang digunakan untuk memfungsikan poliolefin.

Misalnya, dalam beberapa kasus mungkin ada kebutuhan untuk melarutkan monomer dalam pelarut tertentu untuk memasukkannya ke dalam proses REX, dan pelarut tersebut mungkin mudah terbakar. Dalam kasus lain, monomer itu sendiri mungkin mudah terbakar, beracun, korosif, atau semua hal di atas. Selain itu, tergantung pada jenis kimia/fungsionalisasi yang diinginkan, mungkin terdapat peluang pelepasan energi tinggi. Untuk memastikan penerapan dan pengoperasian proses REX yang aman, uji tuntas harus dilakukan untuk memahami sepenuhnya risiko-risiko ini, baik dari sudut pandang bahan mentah maupun proses. 

Metodologi seperti manajemen perubahan (MoC) dapat membantu memitigasi risiko tersebut. MoC membantu mengidentifikasi dan menerapkan tindakan pencegahan yang tepat seperti pengendalian teknis, pengujian dan karakterisasi, serta peralatan pelindung diri yang membantu meminimalkan risiko. Contoh tindakan pencegahan tersebut mencakup ventilasi yang memadai, atmosfer inert, peralatan dengan klasifikasi kelistrikan yang sesuai, kalorimetri pemindaian diferensial untuk memahami sifat termal dan perilaku bahan yang digunakan dalam proses, panas pencampuran untuk menilai peningkatan energi/suhu saat bahan mentah dicampur, unit penyaringan termal untuk menilai bahaya termal dan tekanan, sarung tangan tahan panas, kacamata pelindung, jas lab tahan api, respirator, dll. Secara keseluruhan, sangat penting untuk mendekati fungsi poliolefin dengan a pola pikir yang mengutamakan keselamatan.

Kelebihan dan Kekurangan REX

Keuntungan menggunakan REX untuk memfungsikan poliolefin mencakup, antara lain, proses berkelanjutan yang ekonomis, tidak memerlukan (atau dalam jumlah terbatas) pelarut, kemampuan menangani bahan dengan rentang viskositas yang lebih tinggi dan lebih luas, biaya investasi yang relatif rendah, dan fleksibilitas yang ditawarkan oleh sifat modular dari ekstruder sekrup ganda corotating.

Beberapa kekurangannya antara lain:

• variasi potensial dalam kinetika reaksi (yaitu, seberapa cepat bahan mentah bereaksi), yang bergantung pada sifat kimia dari proses yang ditargetkan
• waktu tinggal terbatas
• potensi degradasi polimer dan ikatan silang
• hasil okulasi yang rendah
• terkadang volatilitas monomer tinggi.

Secara umum, REX menawarkan manfaat untuk fungsionalisasi poliolefin, namun ada potensi keterbatasannya.

Gambar 4: Pilih contoh monomer yang digunakan untuk fungsionalisasi poliolefin melalui REX:maleat anhidrida (MAH), glisidil metakrilat (GMA), dan viniltrimetoksisilana (VTMS).

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi:Yang Perlu Dipertimbangkan

Parameter proses, sifat fisikokimia bahan baku dan konfigurasi peralatan merupakan faktor-faktor yang mempengaruhi hasil proses ekstrusi reaktif untuk fungsionalisasi poliolefin. Misalnya, suhu yang lebih tinggi dapat menyebabkan degradasi termal bahan mentah, berdampak pada viskositas poliolefin cair, dan mengubah kecepatan reaksi berbagai spesies kimia. Tekanan yang lebih tinggi dapat meningkatkan kelarutan dan difusi spesies kimia dalam poliolefin cair; jenis, berat molekul, dan struktur kimia poliolefin menentukan reologinya, dan hal ini mungkin berdampak pada seberapa cepat spesies kimia tersebut berdifusi melalui lelehan, sehingga memengaruhi hasil pencangkokan.

Yang juga penting, konfigurasi sekrup memainkan peran penting dalam seberapa erat spesies reaktif bercampur satu sama lain, yaitu memastikan distribusi dan dispersi homogen spesies kimia berbeda dalam lelehan poliolefin. Pada akhirnya, penting untuk dipahami bahwa semua faktor ini saling terkait dan pembuat kompon perlu menyeimbangkan sebagian besar faktor tersebut untuk mencapai hasil okulasi yang diinginkan.

Peran Kimia dalam REX

Biasanya fungsionalisasi poliolefin melalui proses REX akan mencakup penggunaan monomer dan inisiator. Yang pertama adalah spesies kimia yang akan dicangkokkan ke tulang punggung poliolefin. Yang terakhir adalah spesies kimia yang akan menghasilkan situs reaktif di sepanjang tulang punggung poliolefin tempat monomer akan dicangkokkan.

Gambar 5: Pilih contoh inisiator yang digunakan untuk fungsionalisasi poliolefin melalui REX:2,5-di(tert-butilperoksi)-2,5-dimetilheksana (DTBH), dikumil peroksida (DCP), dan OO-t-butil O-(2-etilheksil) monoperoksikarbonat (TBEC).

Dalam kebanyakan kasus, jenis monomer yang digunakan untuk memfungsikan poliolefin adalah monomer yang menunjukkan ikatan rangkap reaktif dalam strukturnya. Penggagasnya, secara umum, adalah penghasil radikal bebas yang dikenal sebagai peroksida yang mengandung ikatan oksigen-oksigen (OO) dalam strukturnya dan diaktifkan secara termal. Gambar 4 dan 5 masing-masing menunjukkan contoh monomer dan peroksida tertentu.

Mekanisme pencangkokan monomer pada poliolefin dapat diringkas, secara umum, sebagai berikut:Dalam keadaan meleleh poliolefin, pada suhu yang sesuai, inisiator akan terurai (menjadi aktif) dengan cara berdisosiasi pada ikatan O-O, menciptakan spesies kimia yang disebut radikal. Selanjutnya, radikal-radikal ini akan mengabstraksi hidrogen dari tulang punggung poliolefin dan, pada gilirannya, menciptakan situs reaktif. Tergantung pada jenis poliolefin (polietilen vs. polipropilen) yang difungsikan, keberadaan situs reaktif tersebut dapat mengakibatkan pencangkokan, pengikatan silang, atau pemotongan rantai.

Misalnya, dalam kasus polietilen, jika terdapat monomer dan berada di dekat lokasi reaktif, kemungkinan besar monomer tersebut akan dicangkokkan ke tulang punggung. Namun, jika monomer tidak ada atau tidak cukup reaktif dan ada rantai polimer lain dengan situs reaktif di dekatnya, maka kedua rantai ini akan bereaksi satu sama lain untuk membentuk ikatan silang. Dalam skenario terburuk, hal ini dapat menghasilkan gel jika parameter kimia dan proses tidak dioptimalkan.

Untuk polipropilena, mekanisme pencangkokan monomernya mirip dengan polietilen.

Gambar 6A (atas) dan 6B: Deskripsi tingkat tinggi tentang mekanisme di mana poliolefin difungsikan dengan anhidrida maleat melalui REX.

Namun, jika monomer tidak ada atau tidak langsung dicangkokkan ke situs reaktif, tulang punggung polipropilen akan lebih mudah mengalami pemotongan rantai (putus, juga dikenal sebagai pemotongan β) dibandingkan polietilen dan menghasilkan rantai polimer yang lebih pendek dengan berat molekul lebih rendah. Hal ini merupakan hasil yang tidak diinginkan karena akan berdampak buruk pada sifat mekanik polipropilena cangkok yang dihasilkan.

Gambar 6 menunjukkan deskripsi tingkat tinggi dari mekanisme yang baru saja dijelaskan. Secara keseluruhan, beragam monomer dan inisiator tersedia untuk fungsionalisasi poliolefin. Selain itu, jenis poliolefin dan bahan kimia yang diinginkan akan menentukan tingkat fungsionalisasi dan tingkat reaksi atau produk samping yang tidak diinginkan.

Aplikasi REX

Pengenalan fungsionalitas memperluas jangkauan aplikasi poliolefin. Misalnya, polietilen cangkok MAH dapat digunakan sebagai pengubah dampak untuk poliamida, bahan penghubung antara polietilen dan selulosa, dan sebagai penyesuai antara lapisan polietilen dan etilen vinil alkohol dalam film kemasan. Selain itu, potensi penerapan utama poliolefin yang difungsikan mencakup kompatibilitas aliran limbah dalam daur ulang plastik.

Ekstrusi reaktif adalah proses serbaguna yang memungkinkan modifikasi dan meningkatkan nilai poliolefin, namun juga merupakan proses yang mengandung risiko bawaan yang memerlukan tindakan pencegahan keselamatan. Fungsionalisasi poliolefin melalui ekstrusi reaktif merupakan proses dengan banyak faktor yang saling terkait (fisik, kimia, peralatan) yang mempengaruhi hasil pencangkokan. Selain itu, ia dapat memberikan poliolefin dengan beragam gugus fungsi dan kimia sehingga menghasilkan aplikasi yang lebih luas.

TENTANG PENULIS : Carlos Escobar  adalah seorang ilmuwan peneliti di bagian penelitian dan pengembangan inti di The Dow Chemical Co. di Midland, Michigan. Dalam peran ini, ia memimpin proyek yang berfokus pada teknologi berbasis ekstrusi seperti ekstrusi reaktif, dispersi mekanis, peracikan, dan pemrosesan khusus. Pengalamannya selama 11 tahun di Dow mencakup desain proses, penelitian dan pengembangan, pemecahan masalah, peningkatan proses, manufaktur eksternal, dan kualifikasi komersial untuk banyak produk berbasis ekstrusi. Hubungi:989-636-6442; EscobarMarin@dow.com; dow.com.