BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Komposit Polimer Komposit merupakan bahan padatan yang dihasilkan dari dua gabungan atau lebih bahan yang berlainan untuk memdapatkan ciri-ciri yang lebih baik yang tidak dapat diperoleh dari setiap komponennya. Komposit yang dihasilkan bukan saja memiliki sifat mekanik yang lebih baik baik tetapi juga sifat kimia, sifat panas dan berbagai sifat yang lain. Sebenarnya komposit sudah digunakan sebelum abad ke 12. Pada saat ini berbagai jenis barang yang digunakan baik untuk keperluaan harian maupun untuk teknik dibuat dari komposit. Sebenarnya terdapat berbagai macam jenis komposit seperti komposit logam, keramik, komposit plastik dan sebagainya yang diperkuat dengan berbagai macam jenis serat. Jadi, komposit yang dihasilkan tergantung pada bahan matriks yang digunakan apakah logam, keramik, termoplastik atau termoset dan juga jenis pengisi organik ataupun anorganik yang digunakan Pembagian Komposit Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1, komposit dapat dibagi lima (5) berdasarkan konstituennya yaitu (Schwartz, 1992) : a. Komposit serat yang terdiri dari serat dengan atau tanpa matriks b. Komposit flake yang terdiri dari flake dengan atau tanpa matriks c. Komposit partikel yang terdiri dari partikel dengan atau tanpa matriks d. Komposit rangka (komposit terisi) yang terdiri dari matriks rangka selanjar yang terisi dengan bahan kedua e. Komposit laminat yang terdiri dari konstituen lapisan atau laminat.

2 Gambar 2.1. Pembagian Komposit (Schwartz, 1992) Komposit juga dapat dibagi berdasarkan sifat dan dimensi fase tersebarnya yaitu (Hull, 1992) : a. Mikrokomposit Dimensi fasa tersebarnya mikrokomposit yang memiliki ukuran antara m. Mikrokomposit ini dapat dibagi atas tiga bagian berdasarkan ukuran dan bentuk fasa tersebarnya yaitu : i. Mikrokomposit memnggunakan penguat sebaran ii. Mikrokomposit memnggunakan penguat partikel iii. Mikrokomposit memnggunakan penguat serat b. Makrokomposit Biasanya dimensi fasa tersebarnya memiliki ukuran di atas 10-6 m Fasa Matriks Pada Komposit Fasa matriks merupakan fasa selanjar yang terdapat pada suatu komposit dengan fasa penguat berada di dalamnya. Fasa matriks berfungsi sebagi pelekat untuk pengisi yang berada di dalamnya. Untuk mendapatkan pelekat yang baik antara fasa matriks dengan fasa penguat (pengisi) pembasahan yang sempurna

3 harus terjadi agar interaksi antara fasa matriks dan fasa penguat menghasilkan kekuatan interlamina yang baik. Peranan fasa matriks pada suatu komposit yaitu : a. Fasa matriks merupakan bahan padat yang mampu memindahkan tegasan yang dikenakan pada fasa penguat (Hull, 1992; Varma & Agarwal, 1991 dan Schwartz, 1992) b. Menjaga fasa penguat dari kerusakkan lingkungan seperti panas, cuaca dan kelembaban (Kennedy & Kelly, 1996) c. Sebagai pengikat antara fasa matriks dan fasa penguat (Kennedy & Kelly, 1996). Menurut Ismail (2004), terdapat berbagai bahan matriks yang dapat digunakan dalam komposit, yaitu polimer, logam, seramik, kaca, karbon dan sebagainya. Walau bagaimanapun, bahan yang digunakan sebagai fasa matriks harus memiliki peranan seperti yang telah disebutkan di atas dan pemilihan fasa matriks memiliki beberapa kriteria yaitu : a. Keserasian terhadap bahan pengisi karena akan menentukan interaksi antar muka fasa matriks dengan fasa pengisi b. Sifat akhir komposit yang dihasilkan c. Aplikasi dari komposit yang dihasilkan d. Kemudahan pemprosesan e. Biaya yang digunakan untuk menghasilkan komposit. Polimer lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan Ismail (2004) yaitu : a. Mudak diproses b. Memiliki sifat mekanik dan eletronik yang baik c. Memiliki berat jenis yang rendah d. Memiliki suhu pemprosesan yang lebih rendah dibandingkan suhu pemprosesan logam. Komposit jenis polimer dapat dibagikan atas 3 (tiga) bagian (Alger, 1989) yaitu : a. Komposit yang terdiri dari gabungan polimer dengan polimer

4 b. Komposit yang terdiri dari gabungan polimer dengan gas yaitu, polimer yang berkembang, berbentuk sel atau busa c. Komposit yang terdiri dari gabungan polimer dengan pengisi yang terdiri dari pada komposit polimer dengan serat atau polimer dengan partikel Fasa Penguat Dalam Komposit Fasa penguat atau fasa tersebar merupakan bahan yang bersifat lengai dalam bentuk serat, partikel, kepingan dan lamina yang ditambahkan untuk meningkatkan sifat mekanik dan sifat fisik komposit seperti meningkatkan sifat kekuatan, kekakuan, keliatan dan sebagainya. Beberapa sifat yang dapat dihasilkan dengan menggunakan fasa penguat yaitu (Ismail, 2004) : a. Peningkatan sifat fisik b. Penyerapan kelembaban yang rendah c. Sifat pembasahan yang baik d. Biaya yang rendah dan mudah diperoleh e. Ketahanan api yang baik f. Ketahanan kimia yang baik g. Sifat kelarutan dalam air dan pelarut yang rendah h. Ketahanan terhadap panas yang baik i. Sifat penyebaran yang baik j. Dapat diperoleh dalam barbagai ukuran. Diantara berbagai jenis pengisi yang umum digunakan dalam komposit ialah serat kaca, serat karbon, serat kevlar dan serat alamih seperti serat kelapa, serat nenas, serat kelapa sawit, serat pohon karet serbuk kayu dan sebagainya Antar Muka (Interface) Pengisi Matriks Umumnya semua bahan komposit terdapat dua fasa yang berlainan yang dipisahkan oleh antara muka bahan-bahan tersebut. Daya sentuh dan daya kohesif antar muka sangat penting karena antar muka pengisi matriks berfungsi untuk memindahkan tegasan dari fasa matriks ke fasa penguat (pengisi) (Hull, 1992 dan

5 Hollyday, 1996). Kemampuan pemindahan tegasan kepada fasa penguat tergantung pada daya ikat yang muncul pada antar muka komposit. Ada berbagai teori yang menerangkan pengikatan pada antar muka komposit umumnya melibatkan ikatan kimia ataupun ikatan mekanik. Menurut Hull (1992) dan Schwartz (1992) terdapat lima mekanisme yang dapat terjadi pada antara muka, baik secara sendirian maupun secara gabungan. Lima mekanisme tersebut yaitu : a. Penyerapan dan Pembasahan (Wetting) Gambar 2.2. menunjukkan mekanisme penyerapan dan pembasahan. Untuk pembasahan pengisi yang baik, leburan fasa matriks harus menutupi seluruh permukaan pengisi agar udara dapat disingkirkan. Mekanisme ini diberikan oleh persamaan termodinamik yang melibatkan tenaga permukaan dalam bentuk kerja pelekatan, (Ismail, 2004) yaitu : W A = γ SV + γ LV + γ SL (1) Di mana W A = Daya penyebaran antara molekul setempat yang dapat tersebar dan fasa tersebar (pengisi). γ SV = Energi bebas permukaan pada interface fasa solid vapour γ LV γ SL = Energi bebas permukaan pada interface fasa liquid vopour = Energi bebas permukaan pada interface fasa solid liquid γ SV γ LV θ Cair Uap γ SL Padat Gambar 2.2. Mekanisme Penyerapan dan Pembasahan (Ismail, 2004) b. Resapan (Absorption) Gambar 2.3. menunjukkan mekanisme penyerapan. Menurut mekanisme ini, suatu ikatan akan terbentuk apabila molekul-molekul polimer meresap dari suatu permukaan ke dalam struktur molekul permukaan yang satu lagi. Kekuatan ikatan

6 tergantung pada jumlah kekusutan molekul dan jumlah molekul yang terlibat. Jumlah penyerapan tergantung pada konformasi molekul, bagian yang terlibat dan kemudahan pergerakan molekul. Selain itu, penyerapan juga dapat ditingkatkan dengan menambahkan pelarut dan plactisizer (Ismail, 2004). Gambar 2.3. Mekanisme Penyerapan (Ismail, 2004) c. Daya Tarik Elektrostatis Gambar 2.4. menunjukkan mekanisme daya tarik elektrostatik. Pengikatan daya tarik elektrostatik akan dihasilkan apabila terjadi perbedaan arus elektrostatik antara dua komponen. Mekanisme tidak begitu berpengaruh kepada ikatan antar muka kecuali apabila agen penggandeng (coupling agent) yang digunakan (Ismail, 2004). Gambar 2.4. Mekanisme Daya Tarik Elektrostatik (Ismail, 2004) d. Ikatan Kimia Gambar 2.5. menunjukkan mekanisme ikatan kimia. Ikatan kimia terjadi apabila komposit digunakan dengan bahan penyerasi. Ikatan terbentuk sebagai hasil reaksi kimia antara kumpulan kimia di atas fasa tersebar (pengisi) dengan kumpulan kimia yang serasi dengan matriks. Kekuatan pengikatannya tergantung pada bilangan dan jenis ikatan kimia (Ismail, 2004).

7 Gambar 2.5. Mekanisme Ikatan Kimia (Ismail, 2004) e. Ikatan Mekanik Gambar 2.6. menunjukkan mekanisme pengikatan mekanik. Pengikatan mekanik terjadi secara interlocking mekanik apabila geometri permukaan fasa matriks dan fasa tersebar (pengisi) tidak rata. Bagaimanapun juga, kekuatan pada arah tegangan horizontal lebih lemah dibanding pada arah tegangan vertikal. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengikatan mekanik ialah kekasaran permukaan (faktor utama dan terpenting) dan aspek geometri selama proses fabrikasi (Ismail, 2004). Gambar 2.6. Mekanisme Pengikatan Mekanik (Ismail, 2004) 2.2 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Sifat Mekanik Komposit Secara umum terdapat dua faktor utama yang mempengaruhi sifat mekanik komposit yaitu : a. Keadaan pemprosesan b. Kesan mikrostrukur.

8 Tiga parameter yang penting pada keadaan pemprosesan yaitu suhu, waktu dan tekanan. Ketiga-tiga parameter ini sangat perlu untuk mencapai titik yang optimum agar peleburan polimer memiliki sifat keliatan dan aliran yang sempurna untuk membasahkan fasa matriks agar pemindahan tegasan dari fasa matriks ke fasa penguat (pengisi) juga berjalan sempurna. Tekanan pemprosesan yang digunakan juga harus sesuai untuk memastikan ruang-ruang udara atau cacat mikro yang terbentuk kecil terutama apabila menggunakan matriks termoset yang akan membebaskan bahan penguap sewaktu proses pematangan dan juga apabila menggunakan berbagai pengisi yang bersifat higroskopis. Sebenarnya kesan mikrostruktur pada komposit yang dihasilkan mempunyai hubungan yang erat dengan keadaan pemprosesan. Dimana pemilihan suhu dan tekanan yang digunakan akan mempengaruhi taburan orientasi dan taburan panjang fasa penguat khususnya pengisi alamiah ataupun sintetik. Sebagai contoh, suhu yang digunakann akan mempengaruhi kelikatan leburan matriks polimer dan menyebabkan serat patah. Tekanan yang tinggi juga akan meyebabkan serat patah tetapi akan menghasilkan orientasi yang tinggi. Selain keadaan pemprosesan dan mirostruktur, sifat matriks dan fasa pemguat (pengisi) yang digunakan juga mempengaruhi sifat mekanik komposit yang dihasilkan. Sebagai contoh, matriks termoset mempunyai kekuatan yang lebih baik dibandingkan termoplastik ataupun elastomer termoplastik. Begitu juga apabila menggunakan serat kevlar yang lebih liat dibandingkan dengan serat kaca ataupun serat alamiah. Faktor lain yang juga sangat penting yaitu geometri pengisi atau serat yaitu perbandingan antara panjang serat dengan diameter serat dan volume pengisi. Umumnya semakin kecil ukuran partikel pengisi atau semakin tinggi perbandingan aspek geometri maka semakin bagus pengisi tersebut maka akan meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan. Selain itu, pengolahan kimia yang dilakukan baik untuk fasa matriks maupun fasa penguat atau kedua-duanya maka akan meningkatkan keserasian antara kedua fasa melalui peningkatan kekuatan antara muka dan seterusnya akan meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan.

9 2.3 Ciri-Ciri Pengisi Berbagai jenis pengisi digunakan dalam polimer alamiah dan polimer sintetik untuk memperbaiki dan meningkatkan sifat-sifat fisik bahan. Penambahan pengisi bertujuan untuk mengurangi biaya, mewarnai atau menguatkankan bahan polimer. Secara umum, keupayaan penguat suatu pengisi dipengaruhi oleh tiga faktor utama yaitu ukuran dan luas permukaan, bentuk dan struktur permukaaan serta aktifitas dan sifat-sifat kimia permukaaan. Pengisi umunya memiliki ukuran yang kecil, permukaaan yang aktif secara kimia, permukaan yang poros dan bentuk yang tidak seragam dapat diterangkan seperti di bawah ini (Ismail, 2000) : a. Ukuran dan luas permukaan partikel Peningkatan sifat fisik bahan polimer dapat dikaitkan dengan ukuran partikel pengisi. Contohnya, tegasan dan modulus polimer berpengisi tergantung pada ukuran pertikel. Ukuran partikel pengisi yang kecil akan meningkatkan tingkat penguatan polimer dibandingkan dengan ukuran partikel yang besar (Leblanc, 2002). Ukuran partikel mempunyai hubungan secara langsung dengan permukaan per gram pengisi. Oleh sebab itu, ukuran partikel yang kecil akan memperluas permukaaan sehingga interaksi diantara polimer matrik dan pengisi seterusnya akan meningkatkan penguatan bahan polimer. Ringkasnya, semakin kecil ukuran partikel semakin tinggi interaksi antara pengisi dan matrik polimer. Kohls & Beaucage (2002) melaporkan bahwa luas permukaan dapat ditingkatkan dengan adanya permukaan yang poros pada permukaaan pengisi maka polimer dapat menembus masuk ke dalam permukaaan yang poros semasa proses pencampuran. Selain dari luas permukaan, kehomogen penyebaran di dalam matriks polimer juga penting untuk menentukan kekuatan interaksi diantara pengisi dan matriks polimer. Partikel yang berserakan secara homogen dapat meningkatkan interaksi mulai penyerapan polimer pada permukaan pengisi. Sebaiknya, partikel yang tidak berserakan secara homogen mungkin menghasilkan anglomerat dalam matriks polimer. Adanya aglomerat akan memperkecil luas permukaan dan seterusnya akan melemahkan interaksi diantara pengisi dan matriks dan mengakibatkan penurunan sifat fisik bahan polimer.

10 b. Bentuk dan Struktur Partikel Bentuk partikel pengisi merupakan ciri yang penting selain dari pada ukuran partikel. Pengisi organik dan mineral memiliki bentuk yang berbeda. Terdapat tiga bentuk partikel pengisi yang utama yaitu sfera, platelet dan rod. Bentuk partikel dapat mempengaruhi sifat mekanik polimer. Sifat akhir karet akan meningkat apabila bentuk pengisi berubah dari sfera menjadi platelet dan rod (Ismail, 2000). Aglomerat di kenal sebagai agregat sekunder. Walaupun aglomerat mudah dipecahkan sewaktu pencampuran disebabkan karena ikatan Van der Waals diantara agregat lemah. Gambar 2.7 memperlihatkan skematik struktur partikel, agregrat dan aglomerat dari pengisi. Gambar 2.7. Skema Struktur Partikel, Agregat dan Aglomerat (Sekutowski, 1996) c. Aktivitas dan Sifat Kimia Ukuran dan struktur partikel dikatagorikan sebagai ciri fisikal pengisi tetapi aktifitas permukaan dikatagorikan sebagai ciri kimia pengisi yang memberi

11 kesan terhadap penguatan polimer (Kohls & Beucage, 2002). Kimia permukaan pengisi merupakan keupayaan pengisi untuk berinteraksi dengan polimer yang seterusnya akan menghasilkan ikatan. Pembentukan ikatan diantara polimer dan pengisi akan meningkatkan kekuatan bahan. Ikatan diantara polimer dan pengisi dapat dibentuk apabila pengisi memiliki tempat yang aktif untuk berinteraksi dengan rantai polimer. Pengisi dapat diklasifikasikan menurut sifat - sifat kimia dan fisikanya. Pada awalnya pengisi dapat dibagi atas pengisi organik dan anorganik tetapi dapat juga dibagikan pada pengisi berserat dan partikulat seperti Gambar 2.8 berikut ini. Pengisi Organik Anorganik Berserat: -kapas -serbuk kayu -kelapa sawit -dsb Tidak berserat: -karbon hitam -grafit -abu sekam padi -dsb Berserat: -asbestos -serat kaca -serat kevlar -serat aramid -dsb Tidak berserat: -silika -tanah liat -kalsium -mika -dsb Gambar 2.8. Pengkelasan Pengisi 2.4 Poliolefin Poliolefin merupakan suatu polimer termoplastik yang umum digunakan. Poliolefin ini dihasilkan dari monomer olefin atau alkena. Banyak jenis-jenis poliolefin seperti polipropilena yang berasal dari monomer propilena, polietilena dari monomer etilen, isoprena, butena dan sebagainya. Poliolefin yang sering digunakan yaitu polietilena dan polipropilena.

12 Polipropilena (PP) Propilena memiliki taburan molekul diantara (Othmer, 1987) dan berstruktur molekul seperti Gambar 2.9. berikut ini: CH 2 -CH-CH 3 n Gambar 2.9. Struktur Molekul Polipropilena Kumpulan metil yang terdapat pada sisi rantai memberikan tiga jenis taktisiti iaitu ataktik, sindiotatik dan isotaktik. Untuk konfigurasi isotaktik, semua kumpulan sisi metil terletak pada sebelah yang sama pada rantai utama dan merupakan taktisiti yang biasa yaitu dalam % sedangkan konfigurasi ataktik setiap unit metil bersebelahan disusun berselang selang. Polipropilena mempunyai dua fasa amorfus dan fasa berhablur. Polipropipena isotaktik merupakan satu polimer yang sangat berguna yang memiliki sedikit atau tiada ikatan jenuh. Polipropilena isotaktik mempunyai indeks isotaktik 0.94 atau lebih. Indeks isotaktik yang tinggi ini menunjukan bahwa polipropilena mempunyai struktur hablur yang tinggi yang dapat meningkatkan sifat mekaniknya hal ini bermakna kestereonalaran polipropilena memainkan peranan penting dalam menentukan tingkat penghabluran. Polipropilena dapat digunakan dalam berbagai keadaan, begitu juga dengan kopolimernya contohnya yaitu etilena propilena. Polipropilena murni memiliki berat jenis yang rendah yaitu sekitar 0.90 gr/ cm 3. Selain dari pada itu biaya yang rendah, suhu peleburan yang tinggi, kekuatan, kekakuan, kekerasan, ketahanan terhadap kimia dan panas dan sifat elektrik yang baik, kekerasan permukaan yang baik yang merupakan kelebihan-kelebihan dari polipropilena Komposit Polipropilena Sejak akhir akhir ini pengunaan komposit polipropilena untuk keperluan teknik telah meningkat dengan pesat (Pritchard, 2004). Hal ini disebabkan karena komposit polipropilena mempunyai ciri-ciri modulus tinggi yang sangat baik sehingga dapat menggantikan bahan konvensional, terutama dalam bidang

13 automotif. Contohnya, polipropilena terisi talkum telah digunakan untuk menghasilkan bumper, ruang pemanasan, paket pintu dan lain-lain. Dalam bidang teknik, komposit polipropilena diperkuat kaca digunakan sebagai tangki pada mesin pencuci, tempat duduk untuk kursi dan penghubung ban truk. Untuk memperkuat lagi komposit polipropilena, pengisi-pengisi seperti kaolin, karbon hitam, serat karbon, asbestos, serbuk kayu, kalsium karbonat, silikat dan mika ditambahkan (Clemons, 2002 dan Pritchard, 2004). Perkembangan bidang komposit yang berpengisi telah menjadi perhatian para penyelidik. Clemon (2002) dan Pritchard (2004) mengkaji kegunaan polipropilena yang ditambahkan dengan elastromer dan polipropilena diperkuat serat kaca. Menurut mereka, strategi industri baru memerlukan transformasi pada komoditi plastik dan bidang-bidang khusus melalui teknologi sederhana seperti pembentukan pengisi dan teknologi pencampuran. Bigg (1987) juga telah mengkaji sifat-sifat polipropilena dan polipropilena terisi perubahan bentuk asam dengan bahan pengisi seperti talkum, silikon, kalbida dan aluminium flak. Mitsui dkk. (1991) juga telah mempraktekkan polipropilena untuk kegunaan automotif terisi 5 hingga 50 % pengisi (talkum dan mika) yang memiliki sifat-sifat daya pelekat, pelapis dan pencetakan yang sempurna tetapi juga memiliki sifat-sifat panas dan mekanik yang baik. Bahanbahan lain yang ditambahkan pada komposit adalah ester dan asam anhidrida dikarbosilat tak jenuh untuk memisahkan kepolaran dengan polipropilena sehingga dapat pemperbaiki sifat-sifat akhir permukaan untuk berbagai proses pembentukan atau percetakan. Jeffs (1988) melaporkan kesan kalsium karbonat, talkum dan kaolin yang telah dilakukan perawatan permukaan pada sifat-sifat pembentukan polipropilena dengan cara suntikan dan polipropilena diperkuat kaca untuk kegunaan automotif. Riley dkk. (1990) melakukan berbagai peyelidikan bahan pengisi talkum dan kalsium karbonat dalam homopolimer polipropilena dan kopolimer untuk menentukan faktor-faktor yang mempegaruhi sifat-sifat komposit. Menurut mereka, kekakuan daripada polipropilena terisi ditentukan sebagian besar oleh modulus dan perbandingan aspek partikel-partikel, dimana kekuatan benturantergantung pada ukuran dan bentuk pengisi. Mereka mendapati bahwa

14 kekuatan benturankomposit dapat ditingkatkan dengan perbandingan partikel yang kecil. Dharia & Wolkowicz (1992) mengkaji kesan penggunaan serat pada sifatsifat polipropilena diperkuat serat kaca pendek. Wildman dkk. (1992) mengkaji sifat-sifat polipropilena dan pengisi poliamida dengan silika Neuburg, suatu jenis silika dengan sifat-sifat komersil yang terdiri dari campuran kuart jenis kaolin laminar. Alonso dkk. (1993) mengkaji sifat-sifat penahan bunyi daripada polipropilena terisi talkum sedangkan Petrovic dkk. (2000) mengkaji sifat-sifat fisik dan elektrik polipropilena terisi karbon hitam dalam bentuk komposit konduktif. Meskipun penggunaan pengisi berasaskan kayu tidak popular dibandingkan pengisi mineral atau pengisi anorganik tetapi kepentingannya telah meningkat akhir-akhir ini dalam penghasilan komposit berasaskan kayu. Pengisi kayu memiliki beberapa kelebihan dibandingkan pengisi organik yaitu mempunyai berat jenis yang rendah, sifat fatique yang rendah untuk pemprosesan dan biaya yang lebih rendah (Clemon, 2002 dan Pritchard, Woodhams dkk. (1984) mengkaji pengaruh maleat anhidrida polipropilena dan perubahan komposisi pada sifat-sifat polipropilena/serbuk kayu. Kesan positif dan negatif dari kelembaban yang terserap oleh serbuk kayu pada sifat mekanik dan reologi untuk komposit polipropilena/kayu telah dilakukan oleh Rieveld & Simon (1992). 2.5 Pengisi Limbah Padat Campuran Organik dan Anorganik Sistem Hibrid Sistem hibrid di dalam teknologi komposit pada saat ini sangat berkembang pesat. Menurut Richardson (1987), komposit yang dihasilkan dari dua atau lebih bahan pengisi atapun matriks yang berlainan disebut sebagai komposit hibrid. Secara umum, sistem hibrid di dalam komposit adalah suatu sistem dimana matriksnya atau bahan pengisi atau kedua-duanya terdiri dari dua bagian. Maksudnya, matriks dengan dua serat/pengisi atau satu pengisi dengan dua matriks atau kedua-duanya matriks. Jadi pengisi limbah padat campuran organik dengan anorganik pada mikrokomposit disebut dengan komposit hibrid.

15 Konsep hibrid ini sebenarnya merupakan lanjutan pada bidang komposit yaitu untuk menggabungkan berbagai jenis bahan demi mengoptimumkan sifatsifat komposit yang dihasilkan. Sebagai contoh, penambahan serat kevlar 49 pada komposit yang diperkuat dengan serat karbon dimana serat karbon bersifat rapuh sedangkan serat kevlar 49 bersifat liat sehingga komposit yang dihasilkan memiliki sifat mekanik yang lebih baik dibanding tanpa penambahan serat kevlar 49 (Patrick, 1992). Selain itu, sistem hibrid juga digunakan untuk mengurangi biaya produksi. Misalnya, penambahan pengisi yang bermutu rendah pada komposit yang diperkuat serat karbon ataupun serat boron tanpa menyebabkan penurunan yang berarti sifat mekanik komposit tersebut (Schwartz, 1992) Limbah Padat Campuran Organik dan Anorganik Komposit termoplastik berasaskan limbah padat pulp mempunyai kelebihan seperti spesifikasi kekuatan dan kekerasan yang tinggi, sifat fleksibel sewaktu pemprosesan dengan kurang fatique terhadap peralatan, berat jenis yang rendah, memiliki sifat penurunan biologi dan biaya yang murah (Yuan dkk., 1999). Penggunaan serat selulosa pada matriks polipropilena meningkatkan sifatsifat mekanik komposit, selain biayanya yang murah. Limbah padat pulp, merupakan salah satu bahan selulosa yang dihasilkan dari pemprosesan pembuatan pulp. Limbah padat pulp merupakan hasil buangan pada proses pembuatan pulp yang menimbulkan masalah pada lingkungan kerana jumlah yang banyak dan akan terus bertambah, limbah padat ini memerlukan tempat untuk pembuangan dan hanya sebagian kecil yang digunakan untuk pertanian, didaur ulang sebagai pupuk, recovery energi pada proses pembuatan pulp tersebut (Jang dkk., 2000; Son dkk., 2001, Jang & Lee, 2001 dan Hojamberdiev, dkk., 2008). Limbah padat pulp mengandung dua komponen utama yaitu bahan organik (selulosa, hemisellulosa dan/atau lignin) dan bahan anorganik dan bahan pelapis seperti kaolin dan kalsium karbonat, talk dan sebagainya yang ditambahkan sewaktu pemprosesan yang bertujuan untuk mengurangi biaya (Hojamberdiev, dkk., 2008). Limbah padat pulp yang digunakan mengandung 41 % bahan organik

16 dan 59 % bahan anorganik, nilai ini tergantung dari pabrik pembuatnya. Gambar 2.10 menunjukkan struktur selulosa di dalam campuran limbah padat pulp. Gambar Struktur Molekul Selulosa (Bledzki & Gassan, 1999) Komposit Limbah Padat Campuran Organik dan Anorganik Pada fabrikasi komposit, serat selulosa menjadi pusat perhatian karena kemampuannya sebagai pengisi penguat untuk polimer-polimer termoplastik dengan titik lebur rendah seperti polipropolena (PP), polietilena berat jenis tinggi (HDPE) dan polietilena berat jenis rendah (LDPE). Sebagai pengisi di dalam termoplastik, limbah padat pulp mempunyai banyak kegunaan yang sangat luas dan berkembang, disamping mempunyai biaya yang murah dan sifat-sifat perubahan dari kedua pengisi organik dan anorganik, yang sangat penting masalah lingkungan dapat teratasi dari limbah yang terbuang menjadi suatu bahan yang bermanfaat. Son dkk. (2001) menyatakan bahwa ukuran partikel limbah padat pulp khususnya sludge dan suhu pada sifat-sifat fisik dan mekanik dari komposit sludge kertas-polimer termoplastik. Mereka menyatakan bahwa dengan semakin kecilnya ukuran partikel sludge kertas, penyerapan air, kekuatan tarik dan kekuatan lentur komposit meningkat. Qiao dkk. (2003 a) telah meneliti penggunaan sludge kertas sebagai pengisi pada komposit polipropilena dan membandingkannya dengan polipropilena berpengisi kalsium karbonat komersil (CaCO 3 ). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sludge kertas lebih baik dari pada CaCO 3 sewaktu penghabluran polipropilena pada pembebanan pengisi yang sama, sifat-sifat mekanik dari pada komposit PP terisi sludge kertas adalah lebih baik daripada

17 komposit PP/CaCO 3, kecuali untuk kekuatan benturandan pemanjangan pada saat putus. Qiao dkk. (2003 b) juga telah mengkaji kesan penggunaan sludge kertas sebagai pengisi pada komposit polipropilena dengan menggunakan berbagai bahan penggandeng. Mereka membuktikan bahwa sifat-sifat mekanik, kestabilan panas dan sifat penghabluran meningkat dengan penambahan berbagai bahan penggandeng. Qiao dkk. (2004) menyatakan bahwa penambahan polipropilena malaeted (PPMA) sebagai bahan penggandeng untuk komposit polipropilena terisi sludge kertas meningkat dengan adanya interaksi antara muka polipropilena dan sludge kertas dan juga meningkatkan sifat-sifat kekuatan tarik dan kekuatan lenturnya. 2.6 Bahan Penyerasi Pengolahan kimia dilakukan dengan merubah permukaan pengisi atau matriks dengan menggunakan bahan kimia tertentu. Umumnya perubahan permukaan pengisi dilakukan dengan penambahan bahan penggandeng sedangkan perubahan matriks dilakukan dengan menggunakan bahan penyerasi. Bahan penggandeng atau bahan penyerasi yang digunakan harus serasi atau dapat bereaksi dengan senyawa-senyawa kimia yang terdapat pada permukaan pengisi atau matriks. Bahan penyerasi adalah bahan kimia yang mempunyai satu segmen kimia untuk menyambungkan satu polimer dan segmen kimia yang kedua dengan polimer yang lain dengan cara membentuk ikatan kovalen antara dua fasa. Penggunaan bahan penyerasi akan mengurangi kedua fasa polimer terpisah dengan cara meningkatkan pelekatan antar muka antara kedua fasa. Umumnya bahan penyerasi merupakan kopolimer blok atau cangkok yang terdiri dari segmen berlainan dengan cara kimia akan serasi dengan fasa matriks polimer yang digunakan. Secara umum fungsi bahan penyerasi adalah untuk : a. Mengurangi tegangan antar muka peleburan polimer dengan memberikan pengemulsian dan seterusnya menyebarkan satu fasa ke dalam fasa yang lain b. Menambah pelekatan antar muka c. Menstabilkan fasa tersebar sewaktu pemprosesan.

18 2.6.1 Minyak Jarak Pagar Dalam eksperimen ini, bahan penyerasi yang digunakan ialah turunan minyak jarak pagar. Minyak jarak pagar (Jatropha curcas L., Euphorbiaceae) merupakan tumbuhan semak berkayu yang banyak ditemukan di daerah tropik. Walaupun telah lama dikenal sebagai bahan pengobatan dan racun, saat ini ia makin mendapat perhatian sebagai sumber bahan bakar hayati untuk mesin diesel karena kandungan minyak bijinya. Pemanfaatan minyak jarak pagar dan turunannya (derivat) sangat luas dalam berbagai industri: sabun, pelumas, minyak rem dan hidrolik, cat, pewarna, plastik tahan dingin, pelindung (coating), tinta, malam dan semir, nilon, farmasi (1% dari total produk dunia), dan parfum. Biji jarak pagar rata-rata berukuran 18 x 11 x 9 mm, berat 0,62 gram, dan terdiri atas 58,1 % biji inti berupa daging (kernel) dan 41,9 % kulit. Kulit hanya mengandung 0,8 % ekstrak eter. Biji (dengan cangkang) jarak pagar mengandung 20-40% minyak nabati, namun bagian inti biji (biji tanpa cangkang) dapat mengandung 45-60% minyak kasar. Kadar minyak (trigliserida) dalam inti biji ekuivalen dengan 55% atau 33% dari berat total biji. Asam lemak penyusun minyak jarak pagar terdiri atas 22,7% asam jenuh dan 77,3% asam tak jenuh. Kadar asam lemak minyak terdiri dari 17,0% asam palmiat, 5,6 % asam stearat, 37,1 % asam oleat, dan 40,2 % asam linoleat. Berdasarkan analisis terhadap komposisi asam lemak dari 11 provenans jarak pagar, diketahui bahwa asam lemak yang dominan adalah asam oleat, asam linoleat, asam stearat, dan asam palmitat. Komposisi asam oleat dan asam linoleat bervariasi, sementara dua asam lemak yang tersisa, yang kebetulan merupakan asam lemak jenuh, berada pada komposisi yang relatif tetap (Heller, 1996). Minyak jarak pagar berwujud cairan bening berwarna kuning dan tidak menjadi keruh meski disimpan dalam waktu yang lama. Umumnya para peneliti menggunakan bahan kimia sebagai bahan penyerasi. Penggunaan minyak jarak pagar sebagai bahan penyerasi diharapkan dapat lebih berinteraksi sehingga komposit yang dihasilkan memiliki sifat mekanik yang lebih baik dan juga produknya lebih ramah terhadap lingkungan. Struktur kimia dari minyak jarak pagar terdiri dari trigliserida dengan rantai asam lemak yang lurus (tidak bercabang), dengan atau tanpa rantai karbon

19 tak jenuh, mirip dengan CPO (crude palm oil). Struktur kimia dan buah dari minyak jarak pagar dapat dilihat pada Gambar dan di bawah ini (Sopian, 2005). H 2 C O C(O) (CH 2 ) 16 CH 3 HC O C(O) (CH 2 ) 7 CH = CH (CH 2 ) 7 CH 3 H 2 C O C(O) (CH 2 ) 7 CH = CH CH 2 CH CH (CH 2 ) 4 CH 3 Gambar Struktur Kimia Minyak Jarak Pagar (Sopian, 2005) Gambar Buah Jarak Pagar (Jatropha curcas L) (Sopian, 2005) Polipropilena Maleat Anhidrida (PPMA) Menurut Krul (1985), tujuan penambahan maleat anhidrida pada poliolefin adalah untuk meningkatkan poliritas, daya rekat, daya ikat dan kepekaan terhadap ikatan silang. Hasil akhir dari modifikasi tersebut menaikan keserasian polimer tersebut dengan bahan pengisi. Sedangkan menurut Mishra (2000) tujuan penambahan bahan penggandeng adalah untuk mengurangi kepolaran dari serat selulosa sehingga dapat berinteraksi dengan matriks polipropilena. Dalvag (1985) telah melaporkan bahwa penggunaan polipropilena maleat anhidrida (PPMA) dapat digunakan sebagai bahan penyerasi yang memberi ikatan

20 pada kedua serat yang mengandung kumpulan hidroksida dan matriks polimer melalui penambahan peroksida. Chen dkk., (1998) juga mengkaji penggunaan PPMA, dimana penggunaan PPMA telah meningkatkan sifat-sifat mekanikal seperti modulus tarik, kekuatan tarik dan kekuatan benturan pada komposit polipropilena diperkuat serat bambu. Ichazo dkk., (2001) melaporkan bahwa polipropilena anhidrida malaeted (PPMA) sebagai bahan penyerasi dan silana sebagai bahan penggandeng telah meningkatkan modulus tarik dan kekuatan komposit polipropilena/serbuk kayu serta mengurangi penyerapan air komposit. Wielega dkk, (2003) melakukan penyelidikan pada komposit polipropilena dengan diperkuat serat rami dengan menambahkan maleat anhidrida sebagai bahan penggandeng. Hasil penyelidikan didasarkan pada scanning electron microscope (SEM) didapati bahwa terjadi peningkatan adhesi setelah ditambahkan maleat anhidrida. Demikian juga menurut Yeh Wah dkk. (2003) mereka melakukan kajian tentang kefektifan dan adhesi pada komposit poliolefin dengan serbuk kayu dan menggunakan maleat anhidrida. Jenis poliolefin yang digunakan yaitu polietilena linier densitas rendah (LLDPE) dan polietilena densitas tinggi (HDPE). Dari hasil penelitian terhadap sifat mekanikal, morfologi, FTIR didapati peningkatan yang signifikan terhadap komposit yang dihasilkan. Dalam penelitian ini PPMA yang digunakan sebanyak 3% terhadap matriks. Hal ini didasari atas hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Yang dkk., (2007) dimana mereka mengkaji bahwa penggunaan bahan penyerasi yang maksimum hanya 3 % untuk komposit yang berisi serat lignoselulosa. Studi yang lain juga dilakukan oleh Jungil Son, dkk (2004) dimana penggunaan bahan penghubung Epolene G-303 TM sebanyak 3 % berat menunjukkan pengaruh yang hampir sama dengan penggunaan bahan penghubung sebanyak 5 % terhadap kenaikan sifat mekanik modulus fleksural polietilena densitas rendah yang berisi paper sludge. 2.7 Analisa Panas Analisa panas polimer merupakan satu objek yang sangat penting untuk dikaji terhadap polimer yang mempunyai ketahanan panas dan masalah kestabilan

21 polimer yang mempunyai keseimbangan panas. Analisis panas adalah menjadi kaedah analitik yang penting didalam memahami hubungan sifat struktur dan teknologi pembentukan melekul dan produk industri untuk berbagai bahan-bahan polimer yang berbeda, khususnya komposit berpenguat serat. Terlebih lagi teknik yang digunakan untuk menentukan kestabilan panas suatu bahan. Serat sellulosa mengalami penurunan lignin diantara suhu C, dan polisakarida yang lain, terutama selulosa teroksidasi yang turun pada suhu tinggi (Akita dan Kase, 1967). Salah satu kaedah yang digunakan untuk mengkaji sifatsifat panas dari bahan polimer adalah adalah analisis termal termogravimetri (TGA). Data termogravimetri menunjukan sejumlah urutan dari lengkungan panas, kehilangan berat bahan di dalam setiap tahapan, suhu awal penurunan, dan lain-lain (Mc Neill, 1989). Termogravimetri dan analisis differensial termal termogravimetri (DTG) akan menghasilkan informasi keadaan alamiah dan pemanjangan penurunan suhu bahan. Di dalam differential scanning calorymetry (DSC), kecepatan aliran panas dihubungkan dengan tahap panas yang dapat diukur sebagai fungsi waktu dan suhu untuk mengetahui peleburan dan fase peralihan sistem komposit. Mucha dkk. (2000) mengkaji kesan pengisi karbon hitam pada sifat-sifat kinetik penghabluran dari polipropilena isotaktik. Mereka mendapati bahwa kesan nukleus alamiah dan mekanisme habluran PP berubah tergantung pada suhu penghabluran (T) dan kandungan karbon hitam. Untuk komposit polimer dengan matriks semihablur, penghabluran merupakan faktor yang sangat penting untuk menentukan kekerasan rekahan dari pada matriks yang dihablurkan tersebut. Penghabluran tergantung pada parameter pemprosesan seperti suhu penghabluran, berat jenis dan waktu pemprosesan. Sebagaimana yang telah diteliti bahwa lapisan transcrystalline terbentuk pada permukaan serat/matriks (Wang & Hwang, 1996 dan Wang & Liu, 1997). Joseph dkk. (2003) telah mengkaji sifat panas dan penghabluran dari serat sisal yang dirawat dengan polipropilena glikol (PPG), PPMA, KmN04 sebagai penguat pada komposit polipropilena. Menurut mereka ketahanan panas, suhu lebur dan penghabluran meningkat dengan penambahan serat sisal yang terawat ke dalam matriks polipropilena.

22 2.7.1 Analisis Kalori Differensial (DSC) DSC merupakan pengujian yang baru, setelah menggantikan analisis termal differensial (DTA). Pada umumnya informasi sifat termal sampel dapat diperoleh dari data perubahan berat, suhu dan entalpi selama proses pemanasan (Wirjosentono, 1995). DSC mengukur perbedaan jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur sampel. Hal ini dapat dilihat dari perubahan komposit sebagai fungsi temperatur. DSC meliputi penentuan temperatur tansisi gelas (Tg), titik leleh, kristalisasi, panas reaksi dan panas fusi, kapasitas panas dan panas spesifik, kinetika reaksi dan kemurnian (purity) Analisis Termal Gravimetri (TGA) Analisis termal gravimetri merupakan metode analisis yang menunjukkan sejumlah urutan dari lengkungan termal, kehilangan berat dari bahan dari setiap tahap, dan suhu awal penurunan (Mc Neil, 1989). Analisis termal gravimetri dilakukan untuk menentukan kandungan pengisi dan kestabilan termal dari suatu bahan. 2.8 Spektroskopi Infra Merah (FTIR) Dua variasi intrumentasi dari spektroskopi IR yaitu metode dispersif yang lebih tua, dimana prisma atau kisis dipakai untuk mendispersikan radiasi IR, dan metode yang kedua Fourier Transform (FT) IR yang lebih akhir, yang menggunakan prinsip interferometri. Kelebihan FTIR ini ukuran sampel yang digunakan untuk diuji lebih kecil dan spektrum yang dihasilkan dapat lebih cepat terdeteksi karena telah tersimpan di dalam komputer. Spektrum-spektrum disfersif dari sebagian besar polimer komersial telah dicatat, oleh karena identifikasi kualitatif zat-zat yang tidak diketahui seringkali dapat diselesaikan melalui perbandingan. Ini mencakup polimer-polimer yang memiliki stereokimia atau distribusi rangkaian monomer yang bervariasi, karena perbedaan demikian biasanya menghasilkan spektrum-spektrum yang berbeda. Dimana spektrum-spektrum komparatif tidak tersedia, pengetahuan struktur polimer dapat diperoleh melalui pertimbangan yang wajar terhadap pita-pita gugus fungsional, ataudengan membandingkan spetruk dengan spektrum

23 senyawa-senyawa model berat molekul yang rendah yang siap terkarakterisasi dengan struktur yang mirip (Steven, 2001). Penggunaan spektroskopi FTIR untuk analisa banyak digunakan untuk identifikasi suatu senyawa. Hal ini disebabkan spektru FTIR suatu senyawa (misl senyawa organik) bersifat khas, artinya senyawa yang berbeda akan mempunyai spektrum yang berbeda pula. Vibrasi ikatan kimia pada suatu molekul menyebabkan pita serapan hampir seruhnya di daerah spektrum IR yakni cm -1. Formulasi bahan polimer komersial dengan kandungan aditif bervariasi sebagai kandungan pemplastis, pemantap dan anti oksidan, memberikan kekhasan pada spekturm IRnya. Analisis IR memberikan informasi tentang kandungan aditif, panjang rantai, dan struktur rantai polimer. Disamping itu, analisis Irdapat digunakan untuk karakterisasi bahan polimer yang terdegradasi oksidatif dengan munculnya gugus karbonil dan pembentukan ikatan rangkap pada rantai polimer. Gusus lain yang menunjukkan terjadinya degradasi oksidatif adalah gugus hidroksidasi dan karboksilat (Harjono, 1991). 2.9 Morfologi Bahan Komposit Morfologi bahan komposit merupakan keadaan yang disebabkan oleh penyerapan (dispersi) dari pengisi di dalam matriks. Permukaan patahan dari uji kekuatan tarik komposit dapat dipelajari dengan mikroskop elektron payaran (SEM), karena jauh lebih mudah untuk mempelajari struktur permukaan tersebut secara langsung. Pada dasarnya SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan elektron yang dipantulkan atau seberkas elektron sekunder. Prinsip utamanya adalah berkas elektro diarahkan pada titik-titik permukaan spesimen. Gerakan elektron tersebut disebut dengan scanning (gerakan membaca). Jika seberkas elektron ditembakkan pada permukaan spesimen maka sebagian dari lektron tersebut akan dipantulkan kembali dan sebagian lagi akan diteruskan. Jika permukaan spesimen tidak rata, banyak lekukan, atau lubanglubang, maka tiap begian dari permukan spesimen tersebut akan memantulkan elektron dengan jumlah dan arah yang berbeda dan jika ditangkap detektor akan diteruskan ke sistem layar dan akan diperoleh gambaran yang jelas dari

24 permukaan spesien tersebut dalam bentuk tiga dimensi. Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai permukaan dengan konduktivitas tinggi. Bahan polimer yang memeng memiliki konduktivitas yang rendah sehingga harus dilapisi dengan bahan konduktor yang tipis. Bahan yang biasa digunakan adalah emas atau campuran emas dan palladium.