Pemilihan material plastik merupakan salah satu tahap penting dalam proses desain produk plastik. Material yang dipilih harus mampu memenuhi kebutuhan produk, baik dari sisi kekuatan mekanis, ketahanan terhadap temperatur, ketahanan kimia, stabilitas dimensi, maupun biaya. Saat ini tersedia puluhan ribu jenis senyawa plastik atau plastic compounds di pasaran. Setiap material memiliki karakteristik dan keunggulan yang berbeda. Karena itu, desainer produk plastik perlu memahami sifat material dan kondisi penggunaan produk sebelum menentukan jenis resin yang paling sesuai.

Pada praktiknya, tidak semua material plastik perlu dipertimbangkan. Untuk aplikasi tertentu biasanya hanya terdapat beberapa material yang benar-benar menjadi kandidat utama. Bahkan, beberapa industri telah memiliki material yang umum digunakan karena sifatnya paling sesuai dengan proses dan kebutuhan produknya. Sebagai contoh, sebagian besar komponen yang dibuat menggunakan proses rotational molding menggunakan polyethylene (PE). Sementara itu, polyester yang diperkuat serat kaca banyak digunakan untuk berbagai aplikasi thermoset, terutama pada produk yang membutuhkan ketahanan terhadap lingkungan luar.

Jenis Material Plastik

Secara umum, material plastik dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu thermoset dan thermoplastic.

Thermoset

Thermoset merupakan material plastik yang mengalami reaksi kimia permanen ketika dipanaskan. Setelah mengalami proses curing atau pembentukan ikatan silang, material tidak dapat dilelehkan kembali seperti kondisi awalnya. Struktur cross-linked membuat thermoset memiliki beberapa keunggulan, terutama dalam hal ketahanan terhadap temperatur dan bahan kimia. Karena karakteristik tersebut, thermoset banyak digunakan pada aplikasi yang membutuhkan ketahanan lingkungan yang baik. Salah satu contoh material thermoset adalah glass fiber reinforced polyester.

Thermoplastic

Thermoplastic merupakan kelompok material plastik yang paling banyak digunakan. Material ini dapat dilunakkan atau dilelehkan kembali dengan pemanasan sehingga lebih fleksibel dalam proses manufaktur. Meskipun dapat mengalami degradasi setelah beberapa siklus pemanasan, thermoplastic secara umum masih dapat diproses kembali. Karakteristik ini juga membuat beberapa jenis thermoplastic lebih memungkinkan untuk dimanfaatkan kembali melalui proses regrind dan daur ulang. Thermoplastic dapat dibagi lagi menjadi dua kelompok berdasarkan struktur molekulnya, yaitu amorphous dan semicrystalline.

Plastik Amorphous dan Semicrystalline

Perbedaan antara plastik amorphous dan semicrystalline berkaitan dengan susunan rantai molekulnya. Pada material amorphous, rantai molekul tersusun secara tidak teratur. Material ini biasanya melunak secara bertahap pada rentang temperatur tertentu. Sebaliknya, material semicrystalline memiliki bagian struktur molekul yang lebih teratur. Material ini memiliki karakteristik pelelehan yang lebih jelas dibandingkan plastik amorphous. Secara umum, plastik amorphous memiliki beberapa keunggulan seperti:

Transparansi yang lebih baik.
Penyusutan pascapencetakan yang relatif rendah.
Penyusutan pascapencetakan yang lebih seragam.

Sementara itu, plastik semicrystalline umumnya memiliki ketahanan kimia yang lebih baik dibandingkan material amorphous. Perbedaan sifat tersebut perlu dipertimbangkan ketika menentukan material untuk suatu produk.

Klasifikasi Material Plastik Berdasarkan Ketahanan Temperatur

Selain berdasarkan struktur molekul, material thermoplastic juga dapat dikelompokkan berdasarkan kemampuan terhadap temperatur. Secara umum, kelompok material tersebut dapat dibagi menjadi Standard, Engineering, Advanced Engineering, dan Imidized plastics.

1. Standard Plastics

Standard plastics atau yang sering disebut commodity plastics merupakan kelompok material dengan biaya relatif rendah dan volume penggunaan yang sangat besar. Material ini umumnya digunakan pada aplikasi dengan temperatur hingga sekitar 150°F atau 65,6°C. Contoh material yang termasuk kelompok commodity plastics adalah:

Polyethylene (PE)
Polypropylene (PP)
Polystyrene (PS)
Polyvinyl Chloride (PVC)

Material-material tersebut banyak digunakan untuk kemasan, produk rumah tangga, mainan, dan berbagai produk plastik lainnya.

2. Engineering Plastics

Engineering plastics memiliki performa yang lebih tinggi dibandingkan commodity plastics. Material ini dapat digunakan pada aplikasi dengan temperatur hingga sekitar 250°F atau 121°C, tergantung jenis resinnya. ABS sering dikategorikan sebagai engineering plastic karena memiliki kombinasi sifat mekanis dan karakteristik lainnya yang baik. Namun, kemampuan ABS terhadap temperatur tidak selalu mencapai batas temperatur kelompok engineering plastics secara umum.

3. Advanced Engineering Plastics

Untuk aplikasi yang membutuhkan ketahanan temperatur hingga sekitar 450°F atau 232°C, material advanced engineering plastics dapat menjadi pilihan. Material amorphous pada kelompok ini sering digunakan pada lingkungan yang melibatkan uap, sedangkan material semicrystalline biasanya menawarkan ketahanan kimia yang lebih baik.

4. Imidized Plastics

Imidized plastics merupakan kelompok material dengan performa temperatur yang sangat tinggi. Material ini dapat digunakan pada temperatur hingga sekitar 800°F atau 427°C. Selain ketahanan temperatur, material tersebut juga memiliki sifat ketahanan terhadap tegangan dan keausan yang sangat baik. Oleh karena itu, penggunaannya lebih ditujukan pada aplikasi khusus dengan tuntutan performa tinggi.

Pengaruh Reinforcement terhadap Sifat Material Plastik

Material plastik dapat diperkuat menggunakan bahan tambahan seperti serat kaca (glass fiber) atau serat karbon (carbon fiber). Penambahan reinforcement dapat meningkatkan beberapa sifat material, antara lain:

Kekuatan mekanis.
Temperatur penggunaan maksimum.
Ketahanan terhadap benturan.
Kekakuan atau stiffness.
Stabilitas dimensi.
Karakteristik penyusutan molding.

Karena itu, resin dengan harga lebih rendah yang telah diberi reinforcement terkadang dapat memberikan performa yang sebanding dengan resin yang memiliki harga lebih mahal. Namun, penambahan reinforcement juga perlu dipertimbangkan terhadap proses produksi, biaya material, desain mold, dan kebutuhan produk.

Bagaimana Memilih Material Plastik yang Tepat?

Jika tidak terdapat material tertentu yang secara khusus diwajibkan untuk suatu produk, pendekatan yang umum digunakan adalah memilih material dengan biaya paling rendah yang tetap mampu memenuhi seluruh persyaratan produk. Proses pemilihannya dapat dilakukan secara bertahap:

Tentukan kebutuhan dan fungsi produk.
Tentukan kondisi lingkungan kerja.
Tentukan kebutuhan kekuatan mekanis.
Tentukan temperatur kerja maksimum.
Evaluasi ketahanan terhadap bahan kimia.
Pertimbangkan kebutuhan terhadap benturan dan keausan.
Evaluasi stabilitas dimensi dan penyusutan.
Bandingkan beberapa kandidat resin.
Pertimbangkan biaya material dan proses produksi.
Pilih material yang memberikan kombinasi performa dan biaya terbaik.

Dengan pendekatan tersebut, pemilihan material tidak hanya didasarkan pada harga resin, tetapi juga mempertimbangkan kemampuan material dalam memenuhi kebutuhan produk.

Commodity Resin dan Penggunaan dalam Industri Plastik

Commodity resin merupakan resin dengan harga relatif rendah yang digunakan dalam volume besar. Material ini banyak ditemukan pada produk seperti kemasan, peralatan rumah tangga, mainan, dan berbagai produk plastik sehari-hari. Empat material yang umum dimasukkan ke dalam kelompok ini adalah:

Polyethylene (PE)
Polypropylene (PP)
Polystyrene (PS)
PVC

Keempat material tersebut memiliki karakteristik yang berbeda sehingga penggunaannya harus disesuaikan dengan kebutuhan produk. Sebagai contoh, pemilihan antara PE dan PP tidak hanya ditentukan berdasarkan harga, tetapi juga mempertimbangkan kekuatan, temperatur kerja, fleksibilitas, ketahanan kimia, proses molding, dan kebutuhan produk.

Perbandingan Thermoset dan Thermoplastic

Thermoset umumnya mampu memberikan sifat mekanis dan termal yang baik dengan biaya material yang relatif rendah. Namun, proses pembentukan komponen thermoset biasanya lebih lambat dan memiliki keterbatasan desain dibandingkan proses thermoplastic. Thermoplastic memiliki keunggulan dalam hal fleksibilitas proses. Material sisa atau regrind dari beberapa proses thermoplastic juga dapat dimanfaatkan kembali sesuai jenis material dan persyaratan produk. Sebaliknya, material thermoset yang telah mengalami curing tidak dapat dilelehkan kembali seperti thermoplastic. Hal ini membuat peluang penggunaan kembali dan daur ulang thermoset lebih terbatas. Meskipun demikian, glass fiber reinforced thermoset polyester masih menjadi material pilihan untuk berbagai aplikasi luar ruangan dengan kondisi lingkungan yang berat, seperti komponen perahu dan housing kendaraan atau truk.

Pentingnya Data Sheet Material Plastik

Dalam proses pemilihan material, desainer biasanya membandingkan berbagai resin berdasarkan data sheet yang diberikan oleh produsen material. Namun, data sheet tidak boleh dianggap sebagai gambaran lengkap mengenai performa material. Sifat polimer dapat berubah secara signifikan akibat perubahan temperatur, kelembapan, paparan bahan kimia, sinar ultraviolet, serta lamanya material menerima beban. Data pada data sheet pada dasarnya dapat dianggap sebagai gambaran material pada kondisi pengujian tertentu. Karena itu, engineer harus memahami metode pengujian dan kondisi ketika data tersebut diperoleh. Sebagai contoh, kekuatan tarik suatu material pada temperatur ruang dapat berbeda secara signifikan dibandingkan kekuatannya ketika digunakan pada temperatur tinggi. Ketika temperatur meningkat, banyak material plastik menjadi lebih lunak dan lebih ulet. Sebaliknya, pada temperatur rendah, material dapat menjadi lebih keras dan getas.

Pengaruh Kelembapan terhadap Material Plastik

Selain temperatur, kelembapan juga dapat memengaruhi sifat material plastik tertentu. Nylon merupakan salah satu contoh material yang cukup sensitif terhadap kelembapan. Kandungan air dalam material dapat menyebabkan perubahan pada kekuatan tarik dan sifat mekanis lainnya. Karena itu, data material harus dipahami berdasarkan kondisi kelembapan saat pengujian dilakukan. Hasil pengujian pada material kering belum tentu sama dengan performanya ketika material digunakan pada lingkungan yang memiliki kelembapan tinggi.

Pengaruh Waktu terhadap Sifat Material Plastik

Waktu juga merupakan faktor penting dalam menentukan performa material plastik. Beberapa jenis plastik mengalami perubahan hubungan stress-strain ketika menerima beban dalam waktu yang lama. Fenomena ini berkaitan dengan perilaku viskoelastis material. Artinya, respons material terhadap beban tidak hanya dipengaruhi oleh besar gaya, tetapi juga oleh durasi pembebanan dan temperatur. Semakin tinggi temperatur dan semakin lama material menerima beban, perubahan bentuk atau regangan pada beberapa jenis plastik dapat semakin besar. Karena itu, pengujian material untuk aplikasi jangka panjang perlu mempertimbangkan kondisi penggunaan sebenarnya.

Pengaruh Bahan Kimia dan Sinar UV

Selain temperatur, kelembapan, dan waktu, paparan bahan kimia dan sinar ultraviolet (UV) juga dapat mengubah sifat material plastik. Beberapa resin memiliki ketahanan kimia yang sangat baik, sedangkan resin lainnya dapat mengalami perubahan sifat ketika terkena pelarut atau bahan kimia tertentu. Paparan sinar UV juga dapat menyebabkan degradasi pada beberapa jenis plastik, terutama apabila produk digunakan dalam waktu lama di luar ruangan. Oleh sebab itu, pemilihan material untuk aplikasi outdoor harus mempertimbangkan ketahanan terhadap UV dan kondisi lingkungan lainnya.

Pengujian Sifat Material Plastik

Data hasil pengujian merupakan bagian penting dalam proses pemilihan material plastik. Namun, hasil tersebut harus dipahami berdasarkan standar dan kondisi pengujian yang digunakan. Beberapa standar ASTM yang umum digunakan untuk mengevaluasi material plastik antara lain:

Specific Gravity — ASTM D792

Specific gravity atau densitas merupakan salah satu parameter yang penting dalam menentukan karakteristik dan biaya aktual material. Pengujian dilakukan dengan menimbang sampel material, kemudian merendamnya dalam air dan melakukan penimbangan kembali. Nilai specific gravity juga dapat digunakan untuk membantu mengevaluasi tingkat packing pada komponen hasil molding.

Water Absorption — ASTM D570

Pengujian water absorption digunakan untuk mengetahui kemampuan material dalam menyerap air. Spesimen direndam dalam air dan perubahan beratnya diukur. Penyerapan air dapat memengaruhi sifat fisik maupun sifat elektrik material plastik.

Mold Shrinkage — ASTM D955

Mold shrinkage merupakan perbedaan antara dimensi mold dan dimensi komponen setelah proses molding. Penyusutan tidak hanya dipengaruhi oleh jenis resin. Faktor seperti ketebalan dinding, bentuk produk, ukuran produk, temperatur molding, waktu siklus, ukuran nozzle, dan proses packing juga dapat memengaruhinya. Karena itu, nilai shrinkage pada data sheet tidak selalu sama persis dengan penyusutan yang terjadi pada produk aktual.

Tensile Test — ASTM D638

Tensile test digunakan untuk mengetahui kekuatan tarik material. Pengujian ASTM D638 menggunakan spesimen berbentuk seperti tulang anjing atau dog bone specimen. Dari pengujian ini dapat diperoleh informasi seperti:

Tensile strength.
Tensile yield strength.
Elongation at break.
Stress-strain curve.
Modulus elastisitas.

Penambahan glass fiber atau carbon fiber dapat meningkatkan kekuatan mekanis material secara signifikan.

Flexural Test — ASTM D790

Flexural test digunakan untuk mengevaluasi perilaku material ketika menerima beban lentur. Pengujian dilakukan dengan menempatkan spesimen di antara dua penyangga dan memberikan beban pada bagian tengah. Dari pengujian tersebut dapat diperoleh informasi mengenai flexural strength dan flexural modulus. Flexural modulus merupakan salah satu parameter penting untuk mengetahui tingkat kekakuan suatu material plastik.

Fatigue Endurance — ASTM D671

Fatigue endurance menunjukkan kemampuan material dalam menahan kerusakan akibat beban atau tegangan yang diberikan secara berulang. Pengujian ini penting terutama untuk aplikasi yang mengalami pembebanan siklik. Namun, hasil pengujian hanya dapat digunakan secara langsung apabila kondisi pengujian benar-benar mewakili kondisi aplikasi produk.

Compressive Strength — ASTM D695

Compressive strength menunjukkan kemampuan material dalam menahan gaya tekan. Pada sebagian besar produk plastik, kegagalan akibat kompresi murni relatif jarang terjadi. Karena itu, parameter ini tidak selalu menjadi faktor utama dalam pemilihan material.

Rockwell Hardness — ASTM D785

Rockwell hardness digunakan untuk membandingkan kekerasan relatif berbagai material plastik. Pengujian dilakukan dengan memberikan beban pada indentor dan mengukur kedalaman penetrasi pada permukaan spesimen. Karena plastik memiliki rentang sifat yang sangat luas, hasil pengujian hardness harus dibandingkan menggunakan skala dan kondisi pengujian yang sama.

IZOD Impact Test — ASTM D256

IZOD impact test merupakan salah satu pengujian benturan yang paling umum digunakan pada material plastik. Pengujian ini menggunakan pendulum yang dijatuhkan untuk menghantam spesimen. Energi yang diserap ketika spesimen mengalami patah kemudian digunakan untuk menentukan nilai impact. Salah satu hal penting dalam pengujian IZOD adalah adanya beberapa metode pengujian. Bentuk notch, posisi spesimen, dan arah benturan dapat memengaruhi hasil. Oleh karena itu, hasil IZOD dari dua material tidak boleh dibandingkan begitu saja apabila metode pengujiannya berbeda.

Falling Dart Impact Test — ASTM D3029

Falling dart impact test digunakan untuk mengevaluasi perilaku material ketika menerima benturan. Pengujian ini dapat memberikan informasi yang lebih relevan untuk beberapa aplikasi seperti housing peralatan atau produk berbentuk sheet. Pada pengujian ini, sebuah beban atau dart dijatuhkan dari ketinggian tertentu untuk menghantam spesimen.

Tensile Impact Strength — ASTM D1822

Tensile impact test merupakan pengujian benturan yang memberikan pembebanan tarik pada spesimen. Pengujian ini dapat menjadi alternatif yang lebih sesuai dibandingkan IZOD untuk material tertentu yang terlalu elastis sehingga sulit mengalami kegagalan pada pengujian IZOD.

Heat Deflection Temperature — ASTM D648

Heat Deflection Temperature (HDT) merupakan salah satu parameter yang sering ditemukan pada data sheet material plastik. HDT menunjukkan temperatur ketika spesimen mengalami defleksi tertentu akibat beban tertentu. Namun, HDT tidak boleh dianggap sebagai batas maksimum temperatur penggunaan produk. Nilai HDT dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk jenis material, beban pengujian, ketebalan spesimen, serta metode dan proses pembuatannya. Karena itu, membandingkan nilai HDT harus dilakukan dengan memastikan kondisi pengujian kedua material sama.

Vicat Softening Point — ASTM D1525

Vicat softening point digunakan untuk menentukan temperatur pelunakan material plastik yang tidak memiliki titik leleh yang jelas. Dalam pengujian ini, sebuah jarum dengan beban tertentu diberikan pada permukaan spesimen. Temperatur pelunakan ditentukan ketika jarum mencapai kedalaman penetrasi yang telah ditentukan.

Glass Transition Temperature — ASTM D3418

Glass transition temperature (Tg) merupakan temperatur transisi ketika material polimer berubah dari kondisi yang relatif keras dan getas menjadi kondisi yang lebih lunak dan ulet. Nilai Tg bukan selalu satu titik temperatur yang mutlak. Nilainya dapat berbeda tergantung sifat material yang diukur dan metode pengujian yang digunakan. Karena itu, angka Tg pada data sheet sebaiknya dipahami sebagai nilai referensi, bukan satu-satunya dasar untuk menentukan temperatur kerja produk.

Relative Temperature Index — UL746B

Relative Temperature Index (RTI) digunakan untuk mengevaluasi ketahanan material terhadap penuaan akibat temperatur. Pengujian ini dilakukan dengan membandingkan material terhadap material referensi yang telah memiliki pengalaman penggunaan yang dapat diterima. Material dianggap mencapai akhir masa pakai ketika sifat kritisnya mengalami penurunan hingga sekitar setengah dari nilai awalnya.

Shear Strength — ASTM D732

Shear strength menunjukkan kemampuan material dalam menahan gaya geser. Parameter ini biasanya tidak menjadi faktor utama pada komponen plastik dengan dinding relatif tebal. Namun, shear strength dapat menjadi lebih penting pada produk seperti film dan sheet plastik.

Kesimpulan

Pemilihan material plastik tidak dapat dilakukan hanya berdasarkan harga atau satu nilai sifat material. Desainer perlu mempertimbangkan kombinasi berbagai faktor seperti kekuatan mekanis, ketahanan temperatur, ketahanan kimia, ketahanan benturan, stabilitas dimensi, penyusutan molding, kelembapan, paparan UV, umur penggunaan, proses produksi, dan biaya. Data sheet dari produsen resin dapat menjadi titik awal yang sangat berguna dalam membandingkan material. Namun, data tersebut harus dipahami berdasarkan metode pengujian, kondisi temperatur, kelembapan, ketebalan spesimen, dan parameter lainnya. Dengan memahami jenis thermoplastic dan thermoset, perbedaan material amorphous dan semicrystalline, klasifikasi material berdasarkan temperatur, serta berbagai metode pengujian ASTM, engineer dapat melakukan pemilihan material plastik yang lebih tepat dan sesuai dengan kebutuhan produk. Pada akhirnya, material terbaik bukan selalu material yang paling mahal atau memiliki nilai sifat paling tinggi, tetapi material dengan performa yang mampu memenuhi kebutuhan produk dengan biaya dan proses produksi yang sesuai. (PIC: AditiaN) #bumimulia #paletplastik #plasticpallet #higienis #recycleplastic #extrusionblowmolding #injectionstretchblowmolding #injectionmolding #extrusiontube #printingtube #shrinklabel #labellingmachine

Source: Modern Plastics Handbook (Charles A. Harper)