PROSES PENCAMPURAN Mixing dan Efisiensi

Presentasi berjudul: "PROSES PENCAMPURAN Mixing dan Efisiensi"— Transcript presentasi:

1 PROSES PENCAMPURAN Mixing dan Efisiensi
OLEH : Dr Ridha Arizal MSc PhD, Loughborough University of Technology, UK (Polymer Technology) MSc, University of Aston, Birmingham, UK (Polymer Chemistry) Dosen FMIPA , Universitas Nusa Bangsa, Bogor Dosen Kimia Polimer .Dosen Teknologi karet dan Plastik Compounding dan Rubber consultant DISAMPAIKAN PADA PELATIHAN Technical Training “FUNDAMENTAL OF RUBBER TECHNOLOGY” (PRODUCT DESIGN, COMPOUNDING, PROCESSING & TESTING) yang diadakan pada Februari 2015

2 Pickle machine oleh Tomas Hancock, 1820
                                                                         Pickle machine oleh Tomas Hancock, 1820 .

3 PROSES PENCAMPURAN PENDAHULUAN
Mastikasi dan proses pencampuran adalah proses pertama dalam mempersiapkan kompon karet. Efisiensi proses ini akan menentukan keberhasilan proses selanjutnya dan unjuk kerja dari barang jadi karetnya Standar mixing yang diperlukan ditentukan oleh viskositas kompon dan dispersi bahan aditif kompon terutama carbon black dan sistem vulkanisasi MASTIKASI Karet, spt karet alam adalah ‘kering’ , liat, dan harus mengalami mastikasi sebelum di proses. Mastikasi adalah pemutusan molekul karet agar menjadi plastis shg mudah untuk menambahkan bahan kimia atau ‘ingredienta’ Semua ini dapat dilakukan dengan cara mechanical shearing di open mill atau didalam internal mixer . Proses mastiksi dapat dipercepat dengan penambahan peptizer. Dengan bantuan panas dan tenaga, terjadilah perubahan fisik dan kimia yang bisa terlihat dari viskositas.

4 OPEN MILL Pada open mill proses dilakukan dengan meliwatkan karet berulang-ulang diantara rol mill (nip). Proses ini manual dan produktifitas rendah. Kontrol dari viskositas tidak efektif dan karena memerlukan waktu yang lama, pemutusan rantai molekul karet, sangat tinggi. INTERNAL MIXER Waktu mastikasi yang diperlukan serta temperatur, dapat dikontrol secara otomatis. Ada 2 tipe pengaturan untuk internal mixer (Misal: Banbury) 1. Internal mixer yang berhubungan dengan dump mill 2. Internal mixer dengan hubungan ekstruder Pada tipe 2, mastikasi dan straining dilakukan tanpa bantuan open mill, tetapi sraining temperatur bisa 20-30C lebih tinggi dari temperatur kompon keluar dari banbury. Temperatur tinggi dan pemutusan rantai molekul yang berlebihan akan berakibat buruk pada sifat mekanik produk karet. Karena itu perlu kompromi antara pelunakan karet dengan sifat mekanik yang diperlukan.

5 EFEK PLASTISITAS EFEK MASTIKASI PADA PROSES LANJUTAN
Efek maksimum dari penurunan viskositas adalah efektif (untuk karet alam) pada temperatur dibawah 55C (pada open mill) atau diatas 130C (didalam internal mixer) dan pemutusan rantai molekul sangat rendah pada mastikasi sekitar 100C Banyak karet sintetis yang di produksi pada viskositas yang diperlukan sehingga premastikasi tidak diperlukan EFEK MASTIKASI PADA PROSES LANJUTAN Karet keras (hard rubber) Yang Kurang ter mastikasi Karet lunak (soft rubber) yang terlalu ter mastikasi Panas yang terjadi terlalu banyak di semua tahap proses Pengkerutan banyak di ekstrusi Sulit di ekstruder Mudah scorch Banyak porous di ekstruder Hasil kalender buruk Proses friction di kalender buruk Pengkerutan kurang Die swell rendah Banyak kerusakan pada produk moulding karena cepat flow, dan udara terperangkap Karet suka lengket sesamanya Sifat dinamik vulkanisat berkurang Solvent yang perlu melarutkan berkurang Tegangan putus ketahanan sobek berkurang Barang bisa ‘jeber’

6 MASTERBATCH Pencampuran dengan Open Mill
Suatu masterbatch adalah kompon yang tidak lengkap. Biasanya belerang, bahan pencepat dan antioksidan ditambahkan belakangan dan dapat dibuat dalam bentuk masterbatch, yang kemudian sama-sama ditimbang dengan perhitungan. Keuntungan masterbatch adalah penimbangan akn lebih akurat, dan daerah debu di pabrik berkurang serta dapat di giling di open mill tanpa menyebarkan debu. Pencampuran dengan Open Mill 2 Roll mill biasanya terdiri dari 2 hollow cast iron yang dapat meliwatkan air untuk pendinginan atau uap untukpemanasan. Kecepatan roll depan dan belakang berada pada rasio 1:1,25 dimana untuk karet sintetis akan lebih cocok dengan rasio lebih kecil. Proses pencampuran berada diantara kedua roll atau nip. Efektifnya proses memerlukan adanya ‘bank’ karet diatas nip. Proses pencampuran 2 roll mill sangat tergantung dari keahlian operator. Roll seharusnya licin dan bebas dari torehan dan bunyi yang berirama. Pada peroses milling ini kontrol temperatur sangat penting, air dingin dialirkan didalam mill secara teratur untuk menghilangkan panas yang berlebihan yang dihasilkan selama mixing untukmenghindarkan ‘scorch’ pada kompon. Semua tipe kompon, kecuali kompon dengan bahan pengisi sangat tinggidapat dicampur dengan open mill. Lamanya pencampuran sangat lama (biasanya menit)

7 Urutan Proses Pencampuran Normal
(i) Loading (karet ) (ii) Pemanasan (iii) Penambahan powder dan ingredient lainnya seperti oil, antidegradant, dengan lambat sebagaimana karet dapat menerimanya. Penambahan sistem vulkanisasi Potong lepas Karet Roll depan lambat Roll belakng Lebih cepat Perbedaan kecepatan roll, biasa disebut ‘friction ratio’ Friction ratio = Kecepatan permukaan roll depan Kecepatan permukaan roll belakang Keuntungan open mill Lebih murah, sehingga investasi kecil Adaptasi lebih mudah untuk kompon speciality Karakteristik pendinginan sangat bagus Sangat luas penggunaannya Untuk batch kecil sangat disukai

8 Sifat Kompon di 2 Roll Mill
Karet alam, SBR kompon hitam, khloropren mempunyai respon yang baik bila digiling . Mereka tetap tinggal di roll yang lebih pelan (roll depan) dan dapat ditambahkan bahan pengisi dan oil pelan-pelan sampai mereka mulai pindah ke roll belakang. Pada tahap ini mixing harus di stop Sekarang karet sintetik sudah mulai digiling dengan open mill ratio lebih rendah (misal 1:1,1) untuk menghasilkan mixing yg efisien. EPDM tidak biasa digiling di open mill, tetapi begitu bahan pengisi dan proses oil sudah masuk, maka open mill o.k. . EPDM di Open mill selalu mulai di roll yang lebih pelan untuk mendispersikan bahan kimia yang sulit terdispersi, diikuti oleh bahan pengisi dan oil. Setelah roll/kompon mulai panas kompon mulai pindah ke roll yg lebih cepat. Kadang kadang beberapa kali switch pada ke 2 roll. EPDM dan butil cendrung diturunkan dari roll panas Beberapa tipe roll temperatur untuk operasi karet NBR, EPDM dengan sedikit bahan pengisi : 10-30C CR : 20-40C EPDM dgn bahan pengisi tinggi/banyak : 60-80C Shearing diantara roll mill, menyebabkan proses pencampuran, karena itu perawatan nip sangat penting. Tidak boleh ada goresan pada roll dan tidak boleh ada bunyi yang berirama. Selama proses pencampuran harus ada crossblending sehingga kompon menjadi benar-benar homogen

9 Mengatasi problem diatas
Kekurangan Open Mill Mixing secara manual sehingga sangat tergantung pada keahlian operator Banyak kehilangan powder, proses kotor Dispersi dan viskositas tidak konsisten, sulit memperoleh hasil yang uniform dan sulit di standar Output rendah dan konsumsi power tinggi Mengatasi problem diatas Lakukan stock blending untuk meningkatkan konsistensi Bila menggunakan campuran karet berbeda, mastikasi lebih dahulu untukmencapai viskositas Gunakan power integrator untuk mengurangi konsumsi energi Kadang-kadang mixing lebih lama untuk mendapatkan viskositas yang relatif sama

10 DISPERSIVE MIXING dengan KNEADER
Didalam Kneader yang juga disebut dispersion mixer , proses pencampuran dilaksanakan didalam closed chamber sehingga material yang hilang sangat berkurang. Sebuah metal penutup (floating ram) yang bertekanan akan bekerja menjaga agar campuran tetap berada diatas roll, gesekan lebih kuat terjadi diantara roll Berikut adalah beberapa ukuran Kneader: Kneader dapat diputar balik sehingga mudah untuk membersihkan dan menggiling kompon bewarna. Kneader juga dapat dilengkapi dengan termokopel dn pengatur waktu. Untuk kualitas kontrol pun dapat dilakukan lebih sering . Umumnya bahan kimia karet (ingredients) yang dimasukkan kedalam karet akan mengalami tahap sbb: 1. Incorporation (wetting stage) Karet akan mengalami gesekan menjadi lebih kecil-kecil meningkatkan luas permukaan untuk menerima ingredients 2. Dispersi. Aglomerat bahan pengisi menjadi terlepas dan menjadi partikel yang dapat mempunyai kontak yang lebih dalam dengan karet. 3. Distribusi / mixing. Smua partikel atau ingredients didistribusikan merata kesemua karet 4. Plastisasi. Pada tahap ini sifat kompon sudah termodifikasi untuk dapat melalui tahap berikutnya. Total ruang (Liter) Ruang efektif (liter) Rotor, rasio Depan/belakang 25 10 1,35 : 1 45 20 1,28 : 1 170 75 700 300 1,2 : 1 1150 500

11 KNEADER Pressure lid

12  .                                                                                                                     BANBURY MIXER Ukuran populer Banbury adalah 11D dengan volume dari mixing chamber 237liter dan volume efektif operasi 175liter kecepatan rotor bisa antara rpm, berat mesin 48 ton

13 PENCAMPURAN PROSES INTERNAL
Contoh: Banbury Mixer Didalam internal mixer pada dasarnya ada 2 rotor berotasi didalam chamber Diatas ada pembuka untuk karet dan ingredients, serta dibawah ada pembuka untuk menjatuhkan kompon yg sudah di mix Diatas juga ada ram penekan untuk meyakinkan bahwa terjadi kontak antara karet dengan powder. Sheared atau aksi pencampuran terjadi disemua bagian ruang/chamber, dimana sheared diantara rotor akan lebih kuat dibanding antara rotor dengan dinding chamber

14 Keuntungan Internal Mixer
Lebih aman, lebih bersih, ruang lebih sehat Menghemat ruang kerja, batch bisa sangat besar Hemat power dan labour, mixing time pendek, bisa 5 menit dengan batch lebih besar dibanding 30 menit dengan open mill dengan batch lebih kecil Batch lebih uniform Formula bisa lebih murah bila sama-sama menggunakan oil lebih banyak dibanding open mill Tidak terlalu tergantung kepada operator Kerugian internal mixer Karena temperatur operasiterlalu tinggi, penambahan sistem vulkanisasi harus pada tahap lain Untuk membersihkan banbury perlu waktu lama High capital cost Volume tetap, sehingga batch yang lebih kecil/besar tidak mungkin Ukuran batch Karakteristik internal mixer adalah hanya volume tertentu karet atau kompon yang dapat digiling, berbeda dengan open mill dimana batch dapat bervariasi ukurannya Overloading dapat mengurangi kualitas kompon Ukuran batch yang kekecilan memberikan dispersi yang buruk karena shear berkurang , agglomerat ‘tidak’ hancur Percobaan dan mendapatkan data sifat fisika produk karet diperlukan untuk hasil yang optimal

15 Urutan Penambahan Ingredients
Ada 3 tipe proses penambahan ingredients di internal mixer (i) Konvensional (ii) Penambahan oil cepat (iii) Cara terbalik (Upside down) Penambahan Cara konvensional , 1. Karet ditambahkan dan dimastikasi, (Tetapi bila karet sudah dalam bentuk viskositas yang diinginkan, maka bahan pengisi dan karet bisa ditambahkan bersamaan) 2. Powder ditambahkan, biasanya ZnO dan asam stearat 3. Oil dan carbon black (bahan pengisi) ditambahkan dengan beberapa variasi Penambahan oil cepat Saat ini jarang digunakan karena menybabkan wakti proses yang lama. Cara ini menambahkan semua powder dan bahan pengisi kedalam karet , dan sesudah beberapa menit, semua oil/liquid ditambahkan. Ini biasanya menyebabkan rotor slip dengan karet/kompon sehingga mixing menjadi lebih lama. Upside mixing Disini, pertama semua powder termasuk bahan pengisi ditambahkan, kemudian oil, dan akhirnya karet ditambahkan. Walaupun mixing lebih cepat, tetapi ini hanya cocok untuk bahan pengisi ukuran besar atau bahan pengisi high loading Cara ini sering digunakan untuk karet EPDM dengan konsentrasi oil yang tinggi

16 Kebiasan umum di industri karet
Karet ditambahkan sesegera mungkin. Secara ilmiah hal diatas dipahami karena high level shear diperlukan untuk mematahkan agglomerat dari pengisi agar menjadi partikel. Artinya bahan pengisi harus ditambahkan ketika karet masih dingin Penambahan bahan pengisi untuk banbury dalam satu atau 2 lot, tidak seperti open mill. Penambahan oil dilaksanakan sesudah proses dispersi cukup tercapai Penambahan bahan pengisi mulai dari 1 tahap sampai beberapa tahap untuk meningkatkan dispersi Bila penambahan oil dilakukan pada tahap akhir, dikawatirkan temperatur telah naik terlalu tinggi, kaena itu ada pabrik yang menambahkan oil setengah setengah bersama setengah bahan pengisi Sejauh ini yang dianggap berhasil mencapai dispersi yang baik adalah: Penambahan setengah atau 2/3 bahan pengisi, lalu setelah temperatur naik, semua oil ditambahkan, dan terakhir sisa karbon black ditambahkan Polikhloropren Karena panas yang ditimbulkan menyebabkan karet CR tidak bisa ditangani, kadang-kadang ada pabrik yang menambahkan oil bersamaan dengan CR

17 OPERASI PROSES PENCAMPURAN
Ingredients yang ditambahkan kedalam karet akan mengalami tahap sebagai berikut: Tahap Wetting Karet yang mengalami shear akan siap menerima bahan pengisi. Molekul karet akan menjadi kecil-kecil dan bahan pengisi masuk kedalam Tahap dispersi. Agglomerat bahan pengisi akan dipatahkan menjadi partikel kecil dan luas kontak antara karet dengan bahan pengisi meningkat. Distribusi / pencampuran . Partikel dibawa kesemua bagian sehing homogen dan semua sifat fisika produk karet juga akan homegen Plastisasi dimana dalam tahap inisifat reologidimodifikasi agar cocok untuk proses selanjutnya Salah satu tipe spesifikasi mixing (tiap pabrik karet berbeda) OPEN MILL ukuran 1,5 meter, roll temperatur 60C Menit ke: operasi 0. Tambahkan karet yang sudah dimastikasi secukupnya untuk membuat bank pada roll (nip no. 4) Tambahkan karet riklim (bila ada dlm formula) . Potong dan lipat Buka nip sedikit (no. 6) 3,5 Tambahkan powder ingredients, kecuali belerang. Potong, lipat blend Tambahkan carbon black ½ bagian, oil ½ bagian, campur Buka nip ke no. 7, Cek temperatur. LIhat air pendingin buka lagi bila perlu Tambahkan sisa carbon black dan oil, campur Buka nip ke no. 8. Cek temperatur tidak melebihi 70C Potong menjadi 4 pieces dan masukkan lagi ke roll 4 kali Potong slab 15mm tebal (4 slab) Lewatkan ke pendingin 30 Selesai. Kirim sampel ke laboratorium untuk di test (berat jenis misalnya)

18 Salah satu tipe spesifikasi internal mixing
Internal mixer no. 2, kecepatan rotor 40rpm, maksimium dump temperature 120C Cycle time, detik Mixing time (ram aktif), detik Operasi Tahap 1 20 50 80 140 - 245 30 60 100 120 Tambahkan karet mastikasi dan riklim, turunkan ram Turunkan ram, tambahkan ½ c.b., turunkan ram Naikkan ram, tambahkan ½ c.b. turunkan ram Apungkan ram , tambahkan oil, turunkan ram full psi Naikkan ram 2 detik Buka pintu jatuh, lepaskan kompon, temperatur 120C Tutup pintu jatuh, lepaskan kompon, dinginkan Tahap 2 105 Tambahkan stock 1,belerang, pencepat Tutup pintu hopper, turunkan ram Buka pintu jatuhlepaskan kompon Tutup drop door, turunkan ram Temperatur kompon 90C Buat take away batch 10-12mm tebal, rendam dalam air/ dinginkan

19 PROSES PENCAMPURAN DENGAN KHLOROPREN/NEOPREN
Walaupun dalam proses pencampuran sama dengan karet lain, tetapi pertimbangan paling penting dalam memproses CR adalah untuk menghindarkan precure atau scorch , dengan menjaga temperatur mixing serendah mungkin dan waktu yang pendek. Urutan mixing, sesudah karet adalah (I) penambahan peptizers, kemudian (II) stabilizers seperti MgO dan antioksidant, (III) bahan pengisi dan bahan pelunak (physical plastisizers). Terakhir barulah ZnO, bahan pencepat (accelerators) dan bahan pemvulkanisasi. Ini adalah urutan umum untuk CR di open mill atau internal mixer. Calender atau ekstruder dapat lebih cocok untuk kompon dengan kadar pengisi relatif tinggi. 3 roll kalender bisa menyetel temperatur top roll antara 70-90C, roll tengah 50-60C dan roll bawah 30-40C. CR di ekstruder biasanya dengan temperatur barrel yang rendah dan temp. head/die tinggi. PROSES PENCAMPURAN DENGAN EPDM OPEN MILL. Karet EPDM tidak terputus selama mastikasi, karena itu karet lunak dpat langsung dicampur dengan aditif begitu sudah melilit di roll. Kalau agak sulit, boleh menambah sedikit carbon agar karet melilit di roll sebelum menambahkan aditif lain. Kalau roll ratio terlalu tinggi , biasanya karet akan lengket ke roll yang cepat. Kalau itu terjadi, boleh menaikkan temperatur roll yang cepat C lebih tinggi. INTERNAL MIXING. Karet EPDM yang dicampur dengan cara upside- down harus dimasukkan terakhir sesudah semua aditif masuk kedalam internal mixer. Bila reometer menunjukkan scorch time yang pendek, maka belerang dan pencepat bisa ditambahkan ketika ‘sweep’. Kalau filler terlalu banyak maka penambahan karet bisa sesudah setengah filler ditambahkan dan sisanya sebelum ram diturunkan. Untuk kalender, top roll antara 80-95C, mid roll 70-80C, bottom roll temperatur kamar. Untuk ekstruder, head/die temp. 120C, barrell maksimum 80C

20 PROSES PENCAMPURAN KARET NITRIL OPEN MILL
Nitril dengan viskositas tinggi mengalami breakdown pada mulanya, tetapi kemudian tidak terpengaruh dengan lama mastikasi, sehingga berbeda dengan karet alam. Bertambah rendah viskositas karet aslinya, semakin sedikit mengalami breakdown. Dianjurkan breakdown pada suhu rendah dan menit sudah cukup sebelum aditif lain ditambahkan. Nitril tidak bersifat kristallin shg dispersi sangat penting untuk memperoleh sifat fisika yang baik.. Kelarutan belerang lebih rendah dibanding dengan karet alam shg penggunaan belerang yang ‘surface teated’ sangat dianjurkan , demikian pula penambahan belerang langsung sesudah ‘breakdown’. Bahan aditif yang paling sulit terdispersi harus ditambahkan pertama seperti belerang, ZnO, filler yang halus seperti carbon black N-220 dan N-110, silika, alumina. Bahan pelunak dan wax hendaklah ditahan sampai dispersi diyakini sudah OK, kecuali filler sangat banyak dan diperlukan menambahakan sebagian pelunak agak ‘awal’ dan sisanya tetap terakhir. Bila nitril yang digunakan adalah carboxilated nitril, maka ZnO dan Zn- peroxide haruslah yang terakhir ditambahkan.

21 Proses pencampuran kompon nitril INTERNAL MIXER
Breakdown dengan internal mixer tidaklah sehebat open mill sehingga viskositas akan lebih tinggi dibanding open mill. Karena itu hendaklah disadari bahwa ini juga berdampak pada proses lanjutan sehingga harus ada penyesuaian. Pendinginan maksimum diperlukan karena nitril akan menghasilkan panasyang tinggi selama mixing dan juga mixing yang dingin akan menghasilkan breakdown yang baik. Prosedur normal adalah menambahkan karet dikuti belerang dan menutup mixer, lalu breakdown selama 2-3 menit. Pigmen kering ditambahkan dalam 1 atau 2 rombongan tergantung jumlah dan tipe, lalu ram diatur pada setiap penambahan. Pelunak ditambahkan terakir, tetapi bisa dibagi 2 porsi bila pigmen terlalu banyak atau mix menjadi kering atau terlalu panas. Bahan pencepat ditambahkan sesudah batch di drop dan di slab karena drop temperatur bisa antara C (maksimum dan jangan lebih). Batch bisa di slab dan di liwatkan ke air untuk pendinginan, kecuali NBR Karboksilat karena dapat mempercepat ‘cure’ bila ada moisture. Ektruder. Suhu barrell 40-70C, head ±95C, die 120C. Kalender.Top and Bottom 80-90C,Midddle roll 60-70C. Moulding.Compression moulding C, injection moulding maksimum 220C.

22 PERBANDINGAN PROSES MIXING OPEN MILL, KNEADER dan BANBURY
OPEN MILL KNEADER BANBURY Biaya awal Rendah Tinggi Sangat mahal Kualitas mixing Baik Lebih baik Terbaik Dispersi Konstruksi Terbuka Tertutup Tertutup habis Keamanan Resiko Aman Tingkat Operator 3- 4 th pengalaman Semi Ahli Sangat ahli Waktu Mixing menit menit 3 - 5 menit Kemungkinan Dispersi yang Diperoleh Bagus untuk Karet dg Viskositas tinggi , bukan dg viskositas rendah Bagus dg karet viskositas tinggi dan Karet viskositas tinggi, bagus tetapi viskositas rendah tidak semua bagus Produksi/ Output Kecil Bagus Sangat tinggi Panas pencampuran Bagus pd temperatur rendah, tetapi temperatur tinggi tidak bisa temp. rendah dan tinggi Bagus pd temp. tinggi, tetapi temperatur rendah tdk mungkin Kapasitas batch Dapat diatur Konstant Merubah warna produksi Mudah Sulit

23 Problem dalam proses mixing dan dispersion rating dan kemungkinan penyebab
Biasanya problem dlm pencampuran adalah dispersi,scorch,kontaminasi, sulit di proses, variasi antar batch Dispersi (i) Size batch tidak sesuai (ii) Mixing time tidak cukup (iii) Penambahan filler tidak pada waktu yg tepat (iv) Karet sudah terlalu lama (v) Filler mengandung air (vi) Tekanan ram tidak cukup Scorchy Temperatur ketinggian Air pendingin tidak cukup, dan tidak cukup lama Temperatur dump terlalu tinggi Dispersi sistem vulkanisasi buruk Kecepatan rotor terlalu tinggi Kontaminasi Oil dari mesin yg bocor Ingredient terkontaminasi Kompon tersisa pada rotor dll Sulit di proses Roll temperatur sulit dikontrol Viskositas kompon terlalu tinggi / rendah Dispersi buruk Filler yang bersifat tertentu Terlalu tinggi Filler kurang/terlalu banyak Bahan pelengket terlalu banyak Variasi antar batch Temperatur loading bervariasi Tekanan ram bervariasi Temperatu dan waktu dump bervariasi Dispersi tidak sama

24 Keep Contact with us Web: Telp (Hunting), Fax Alamat: Office: Jl. Radin Inten II No. 62 Duren Sawit, Jakarta INDONESIA Workshop: Jl. Pahlawan Revolusi No. 22B Jakarta INDONESIA