61. Polikarbonat

Sejarah Penemuan Polikarbonat

Sejarah penemuan polikarbonat bermula pada abad XIX. Polikarbonat ditemukan oleh Alfred Einhorn, kimiawan Jerman, tahun 1898. Pada waktu itu beliau bekerja di Universitas Munich. Saat beliau melakukan penelitiaannya dengan eter, beliau menemukan reaksi antara fosgen dengan tiga isomer dihidroksi-benzena, dan diperoleh polieter dari karbon dioksida yang berwujud transparan, tahan panas, dan zat yang tidak larut. 

Pada tahun 1953, seorang pekerja di perusahaan Jerman, Bayer Hermann Schnell memperoleh polikarbonat untuk percobaan pertamanya. Pada tahun yang sama, polikarbonat dipatenkan dengan nama dagang “Macrolon”.

Pada tahun yang sama, 1953, tetapi seminggu kemudian, material ini disintesis oleh pekerja perusahaan Amerika, General Electric Daniel Fox. Dua industri raksasa di dunia mengadakan negosiasi berhubungan dengan siapa yang akan memperoleh hak untuk menjadi penemu polikarbonat. Permasalahan diselesaikan dan pada tahun 1955 General Electric menetapkan material dibawah merek dagang Lexan. Berpuluh-puluh tahun telah berlalu dan pada tahun 1958 Bayer Company dan tahun 1960 General Electric memperoleh polikarbonat yang cocok dan memulai industry mereka.

Sekilas Tentang Polikarbonat

Polikarbonat adalah suatu kelompok polimer termoplastik, mudah dibentuk dengan menggunakan panas. Plastik jenis ini digunakan secara luas dalam industri kimia saat ini. Plastik ini memiliki banyak keunggulan, yaitu ketahanan termal dibandingkan dengan plastik jenis lain, tahan terhadap benturan, dan sangat bening. Dalam identifikasi plastik, polikarbonat berada pada nomor 7.

Polikarbonat disebut demikian karena plastik ini terdiri dari polimer dengan gugus karbonat (-O-(C=O)-O-) dalam rantai molekuler yang panjang. Tipe polikarbonat yang paling umum adalah bisfenol A (BPA). Polikarbonat adalah material yang tahan lama dan dapat dilaminasi menjadi kaca anti peluru. 

Meski memiliki ketahanan yang tinggi terhadap benturan, namun polikarbonat cukup mudah tergores sehingga dibutuhkan pelapisan keras (hard coating) untuk membuat lensa kaca mata dan eksterior otomotif menggunakan polikarbonat dan material optis lainnya karena polikarbonat sangat bening dan memiliki kemampuan mentransmisikan cahaya yang sangat baik dibandingkan dengan jenis kaca lainnya. Sifat polikarbonat mirip dengan polimetil metakrilat (akrilik), namun polikarbonat lebih kuat dan dapat digunakan pada suhu tinggi, meski lebih mahal.

Nomenklatur

IUPAC : 4-[2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl]phenol

Trivial : 4,4' Isopropylidinediphenol

CAS Number : 80-05-7

Rumus Kimia : C15H16O2

Nama dagang : Calibre, Iupilon, Lexan, Makrolon, Merlon

Sintesis Polikarbonat

Polikarbonat dapat dibuat dengan menggunakan bisfenol A dan fosgen (karbonil diklorida, COCl2). Langkah awal dalam sintesis polikarbonat adalah dengan melakukan deprotonisasi bisfenol A dengan natrium hidroksida sehingga terbentuk air. Reaksinya adalah sebagai berikut:

(CH3)2-C-(C6H6)2-(OH)2 + 2 NaOH ---> (CH3)2-C-(C6H6)2-O2- + 2 Na+ + 2 H2O

Molekul oksigen pada bisfenol yang terdeprotonisasi bereaksi dengan fosgen melalui adisi karbonil dan menghasilkan ion Cl-. Reaksinya adalah sebagai berikut:

(CH3)2-C-(C6H6)2-O2- + Cl-(C=O)-Cl ---> (CH3)2-C-(C6H6)2-(O-(C=O)-Cl)(O-) + Cl-

Lalu gugus kloroformat (O-(C=O)-Cl) yang terbentuk menempel pada gugus bisfenol yang lainnya sehingga rantai panjang polikarbonat terbentuk dan meninggalkan ion Cl-.

Sifat Fisik dan Mekanik

Polikarbonat terdiri dari bisphenol A (BPA). Dalam struktur molekul polikarbonat, terdapat dua gugus fenil dan dua gugus metil. Kehadiran gugus fenil dalam rantai molekul dan dua gugus metil berkontribusi terhadap kekekaran polikarbonat. Kekekaran ini memiliki pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat polikarbonat. 

Pertama, ketertarikan antar gugus fenil antara molekul yang satu dengan yang lain membuat kebebasan molekul individual berkurang. Ini menyebabkan polikarbonat memiliki ketahanan termal yang baik tapi kental atau berviskositas tinggi. Kebebasan yang sedikit membuat molekul-molekul polikarbonat tidak fleksibel dan mencegah polikarbonat menjadi struktur crystalline. Oleh karena itu, plolikarbonat bersifat transparan.

Polikarbonat secara natural tembus pandang dan dapat melewatkan cahaya hampir sama dengan gelas atau kaca. Polikarbonat memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi, ketahanan termal yang baik, juga stabilitas warna yang tinggi. Secara umum, polikarbonat memiliki sifat-sifat kekuatan yang lebih baik daripada polimer plastik lainnya. Akan tetapi, impact strength merupakan kelebihan polikarbonat yang paling utama. Gambar 2 menunjukkan perbandingan impact strength polikarbonat dengan plastik lainnya.

Polikarbonat tentu memiliki kekurangan. Polimer ini hanya memiliki ketahanan kimia yang biasa saja dan dapat terserang banyak pelarut organik. Harga polikarbonat cukup mahal dibandingkan plastik lainnya. Dalam aplikasi yang tidak memerlukan pengolahan termal dan impact yang tinggi, polikarbonat jarang digunakan dan kurang menjadi pilihan.

Sifat Fisik

Densitas = 1,2-1,22 g/cm3

Nomor Abbe = 34

Index Bias = 1,584

Kesetimbangan Absorpsi Air = 0,16-0,35 %

Titik Leleh = 265 - 267oC

Glass transition temperature(Tg) = 150 oC

Linear thermal expansion coefficient (α) = 65-70 × 10−6/K

Specific heat capacity (c) = 1.2-1.3 kJ/kg•K

Thermal conductivity (k) at 23 °C = 0.19-0.22 W/(m•K)

Heat transfer coefficient (h) = 0.21 W/(m2•K)

Sifat Mekanik

Poisson’s Ratio = 0,37

Coefficient of friction (μ) = 0,31

Young's modulus (E) = 2,38 Gpa

Specific Gravity = 1,2

Tensile strength (σt) = 62,8 – 72,4 Mpa

Yield Strength = 62,1 Mpa

Elongation (ε) at break = 110 – 150 %

Notch test = 20 – 35 kJ/m2

Sifat dan Ketahanan Kimia

E = excellent resistance: no etching 

B = Good res. little etching after 30 days exposure to reagent. 

S = Fair resistance, etching after 7 days exposure to reagent 

N = not recommended

Side by Side Material Comparison Chemical Resistance Chart (Note: Large File)

Tabel 1. Sifat dan Ketahanan Kimia Polikarbonat

Aplikasi dan Pengolahan Polikarbonat

Polikarbonat merupakan polimer resin yang sangat penting penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari, terutama pada alat-alat kesehatan (medical devices). Polikarbonat telah tersedia secara komersial sejak 1960-an dan aplikasinya juga berkembang hingga sekarang. Dengan sifat-sifat fisik yang memiliki rentang lebar, polikarbonat dapat dijadikan pengganti gelas atau logam sebagai bahan baku banyak produk. Polikarbonat menawarkan kombinasi yang tidak biasa dalam hal kekuatan, kepadatan, dan ketangguhan sehingga dapat mencegah kegagalan material yang potensial. Polimer ini memiliki sifat seperti gelas, yaitu transparan, dan bisa digunakan dalam perlakuan-perlakuan klinis dan diagnosa yang membutuhkan pengamatan jaringan, darah, dan fluida-fluida lainnya yang jelas.

Polikarbonat dapat diproses dengan peralatan cetakan dengan injeksi biasa dan dapat dibentuk menjadi film, lembaran, atau tubular tebal maupun tipis. Lembaran dan film polikarbonat sangat mudah dibentuk dengan pengolahan termal dan mekanik menjadi berbagai bentuk yang kompleks.

Sterilisasi

Dalam aplikasi medis, sterilisasi merupakan prosedur krusial dalam penggunaan peralatan yang membutuhkan kontak langsung dengan pasien. Keuntungan dari polikarbonat adalah polimer ini dapat disterilisasi dengan hampir semua metode umum, antara lain penggunaan etilen oksida, irradiasi dengan sinar gamma maupun elektron, juga steam autoclave. Polikarbonat juga dapat didesinfektasi dengan desinfektan klinis yang umum seperti isopropil alkohol. Berbagai macam metode yang dapat dipakai ini memberikan fleksibilitas dalam penentuan metode sterilisasi yang ekonomis untuk produk tertentu yang diinginkan. Perlu diketahui polikarbonat tetap kurang cocok digunakan untuk peralatan yang mengalami autoclave berulang kali.

Aplikasi Medis

Renal Dialysis. Pasien dengan penyakit renal seringkali membutuhkan penanganan eksternal untuk membersihkan darah mereka (hemodialisis). Ini disebabkan oleh gagal ginjal yang tidak bisa mengolah dan membuang kelebihan air dan senyawa-senyawa beracun dari darah. Hemodialisis dilakukan dengan cara melewatkan darah pasien melalui membran semipermeabel. Filter yang digunakan diproduksi dari polikarbonat yang menyokong dan melindungi membran hemodialisis. Bahan polikarbonat tidak mudah retak atau pecah selama pembuatan, distribusi, maupun penggunaan. Stabilitas termalnya memungkinkan proses sterilisasi uap single-pass lewat EtO atau sinar gamma. Transparansi dari polikarbonat dapat membuat teknisi dialisis dapat mengamati darah selama prosedur hemodialisis berlangsung. Cardiac Surgery Products. Operasi jantung melibatkan proses bypass arteri koroner dan pemindahan keran. Ketika bypass berlangsung, jantung dihentikan dan blood oxygenator (pengalir oksigen darah) mengambil alih fungsi jantung dan paru-paru. Polikarbonat telah digunakan dalam pengalir oksigen, reservoir, dan filter darah yang berada dalam rangkaian sirkuir bypass jantung lebih dari 20 tahun. Evaluasi visual dari aliran darah pada jantung dapat dilihat karena sifat gelas polikarbonat.

Dalam banyak operasi, darah pasien seringkali diolah, disaring, dan diinfus kembali ke dalam tubuh pasien untuk meminimalisasi donasi darah yang dibutuhkan. Pengolahan darah semacam ini menggunakan filter dan wadah sentrifugasi. Karena kecepatan sentrifugasi sangat kencang, bahan wadah tersebut harus cukup kuat untuk mempertahankan kecepatan dan ketangguhannya selama proses berlangsung agar wadah tidak pecah dan isinya tidak terbuang. Oleh karena itu, polikarbonat digunakan karena memiliki ketangguhan dan kekuatan yang baik. Surgical instruments. Peralatan-peralatan operasi banyak yang menggunakan polikarbonat dalam desain, bahan, dan penggunaan. Ketangguhan polikarbonat membuat polimer ini dapat menjadi pengganti logam. Beberapa alat operasi yang dimasukkan ke dalam tubuh pasien tidak boleh sampai bengkok atau bahkan patah dan transparan untuk memungkinkan pengamatan.

Safety Bahan Plastik Polikarbonat

Plastik yang terbuat dari polikarbonat sangat ringan dan keseimbangan unik antara ketangguhan, stabilitas dimensi, dan transparansi secara optikal seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Ketahanan plastik polikarbonat meliputi ketahanan terhadap panas dan listrik. Oleh karena itu, polikarbonat banyak digunakan secara luas dalam produk-produk dan dibutuhkan sehari-hari. Produk-produk tersebut meliputi media digital (CD, DVD, dll.), peralatan elektronik, bahan konstruksi, dan perlengkapan keselamatan olah raga. Jadi, polikarbonat tidak hanya digunakan dalam safety aplikasi medis, tetapi juga dalam barang-barang yang dipakai sehari-hari.

Polimer plastik polikarbonat terutama terbuat dari bisphenol A (BPA). Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mengamati potensi migrasi BPA dari produk-produk polikarbonat ke dalam makanan dan minuman. Studi-studi ini telah secara konsisten menunjukkan bahwa potensi migrasi BPA ke dalam makanan dan minuman sangat kecil, rata-rata lebih rendah dari 5 ppb dalam kondisi ruang. Hasil penelitian-penelitian ini telah membuktikan bahwa polikarbonat adalah plastik yang ringan dan aman untuk digunakan sebagai bahan produk-produk secara luas. Produk-produk tersebut meliputi termasuk peralatan rumah dan dapur yang melibatkan kontak langsung dengan makanan dan minuman, contohnya wadah-wadah penampung makanan dan minuman seperti botol minuman, botol bayi, dan tableware.

Penelitian The Japanese National Institute of Health Sciences (Kawamura et al, 1998) melakukan studi sensitif terhadap botol-botol bayi. Karena senyawa yang digunakan dalam prosedur analitik adalah campuran 20%-etanol, 4%-asam asetat dan heptan, limit pendeteksian BPA ditetapkan 0,5 ppb. Uji dilakukan selama 30 menit pada temperatur 95oC dan dilanjutkan dengan 24 jam pada temperatur kamar. Hasil menunjukkan migrasi BPA lebih kecil dari 1 ppb dan tidak ada BPA yang terdeteksi pada limit deteksi 0,5 ppb. Pengecualian hanya terjadi pada botol baru yang belum dicuci. Jumlah BPA yang termigrasi 3,9 ppb. Setelah pencucian, migrasi BPA turun hingga limit deteksi.

Penelitian yang sama dilakukan oleh United Kingdom’s Department of Trade and Industry (DTI) (Earls et al, 2000). Studi tersebut mengamati 21 botol bayi baru yang dibeli dari berbagai macam merk. Botol-botol itu dicuci dan disterilisasi, diisi dengan air mendidih atau 3% larutan asam asetat, kemudian dimasukkan ke dalam kukas selama 24 jam pada temperatur 15oC. Setelah itu, botol-botol dihangatkan dan dianalisis menggunakan metode dengan limit deteksi 10 ppb dan tidak ada BPA yang terdeteksi pada 21 isi botol-botol tersebut.

Dalam studi US FDA, air dari beberapa botol polikarbonat dianalisis dengan limit deteksi 0,05 ppb. Air tersebut disimpan selama 39 minggu. BPA hanya terdeteksi pada level yang sangat rendah, yaitu berkisar antara 0,1 sampai 4,7 ppb. Botol-botol tersebut dinyatakan aman karena migrasi BPA yang kecil. Jumlah BPA yang termigrasi mencapai 4,7 ppb dikarenakan waktu penyimpanan air-air tersebut sangat lama, yaitu 39 minggu. Dengan demikian, penggunaan botol-botol yang terbuat dari plastik polikarbonat yang pendek tidak berbahaya.

NIHS Jepang juga telah melakukan studi evaluasi untuk beberapa mug dan mangkok. Sama seperti penelitian terhadap botol bayi, senyawa yang digunakan untuk menganalisis adalah air dan 20%-etanol dengan limit deteksi 0,5 ppb. Hasilnya adalah tidak ada BPA yang terdeteksi setelah 3 dari 5 produk dikontakkan dengan air selama 30 menit pada temperatur 95oC dan dengan 20%-etanol selama 30 menit pada temperatur 60oC. Migrasi BPA terdeteksi pada dua produk lainnya, tapi tetap pada jumlah di bawah 5 ppb.

Dengan adanya bukti-bukti di atas, polikarbonat memiliki tingkat migrasi yang rendah ke dalam makanan dan minuman. Oleh karena itu, aplikasi polikarbonat sangat luas dalam produksi peralatan rumah dan dapur karena keamanannya. Banyak sekali produk-produk plastik yang terbuat dari polikarbonat telah digunakan dalam kehidupan sehari-hari.

Glass Fiber Reinforced Grade of Polycarbonates

Penambahan serat-serat gelas atau kaca (glass fiber) pada polikarbonat secara signifikan meningkatkan kuat tarik, kuat luluh, modulus fleksural (flexural modulus), dan temperatur batas panas dari polimer tersebut. Di samping itu, serat-serat ini akan menurunkan impact strength dan elongation (peregangan) yang terjadi. Penjualan polikarbonat yang telah diolah dengan serat gelas dibedakan karakteristiknya sesuai persentase serat dalam produksi plastik. Polikarbonat yang belum diolah sama sekali disebut virgin polycarbonat.