BAB II TINJAUAN PUSTAKA. bahan konstituen yang berbeda bentuk maupun komposisinya dan tidak larut satu

Transkripsi

1 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Komposit Komposit adalah suatu bahan yang tersusun melalui pencampuran dua atau lebih bahan konstituen yang berbeda bentuk maupun komposisinya dan tidak larut satu sama lain. Penyusun komposit secara umum adalah logam, bahan organik dan anorganik. Bentuk bahan utama yang digunakan dalam pembentukan komposit adalah fiber, partikel, laminae atau layer, flakes, filler (pengisi) dan matriks. Matriks merupakan body constituent yang bertanggung jawab dalam pembentukan akhir komposit, sedangkan fiber, partikel, laminae, flake dan filler (pengisi), merupakan constituent pembentuk struktur internal komposit. Menurut Premasingan (2000) komposit dapat dikelompokkan sebagai berikut: 1. Komposit jenis serat yang mengandung serat-serat pendek dengan diameter kecil yang disokong oleh matriks yang berfungsi untuk menguatkan komposit, seperti serat tandan sawit, serat sintetis, kaca atau logam. 2. Komposit jenis lamina yaitu komposit yang mengandung bahan pelapis yang diikat bersama antara satu sama lain dengan menggunakan pengikat. 3. Komposit jenis partikel yaitu partikel tersebar dan diikat bersama oleh matriks polimer. 7

2 II.1.1 Fasa matriks komposit Fasa matriks adalah fasa cair yang terdapat dalam suatu komposit dengan fasa penguat tersebar di dalamnya. Pada umumnya komposisi matriks jauh lebih banyak dari pengisi (Hariadi,2000), hal ini disebabkan karena bahan komposit dibuat untuk mengoptimalkan sifat-sifat seperti mekanik, termal, kimia yang sulit menggunakan bahan tunggal. Fasa matriks berfungsi sebagai pelekat dimana pengisi terbenam di dalamnya. Untuk memperoleh suatu pelekatan yang baik antara fasa matriks dengan fasa penguat atau fasa tersebar dalam hal ini bahan pengisi, pembasahan yang sempurna oleh fasa matriks perlu dilakukan supaya interaksi yang baik antara fasa matriks dengan fasa penguat. Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada komposit yang diperkuat, agar dapat membentuk produk yang efektif, yaitu : komponen pengisi/ penguat harus memiliki modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matriksnya dan harus ada ikatan permukaan yang kuat antara komponen pengisi/ penguat dengan matriks. Secara umum fasa matriks haruslah berperan sebagai (Kennedy dan Kelly, 1966): a. Bahan yang mampu memindahkan beban yang dikenakan kepada fasa tersebar atau fasa penguat yang berfungsi sebagai media alas beban. b. Bahan yang dapat menjaga fasa penguat atau fasa tersebar dari kerusakan oleh faktor lingkungan seperti kelembaban dan panas. c. Pengikat yang memegang fasa penguat untuk menghasilkan antara muka fasa matriks dan fasa penguat yang kuat.

3 Menurut Richardson (1987), pemilihan suatu bahan sebagai fasa matriks bergantung pada faktor-faktor: a. Keserasiannya dengan fasa penguat atau fasa tersebar, karena ia akan menentukan interaksi antara muka fasa matriks dengan bahan pengisi. b. Sifat akhir komposit yang dihasilkan. c. Keperluan penggunaan seperti rentang suhu penggunaan. d. Kemudahan fabrikasi atau pemrosesan. e. Biaya pengolahan. Dibandingkan dengan logam, keramik, kaca atau karbon, matriks polimer lebih banyak digunakan karena mempunyai beberapa kelebihan, yaitu (Richardson, 1987): a. Lebih mudah diproses. b. Mempunyai sifat mekanik dan dielektrik yang baik. c. Merupakan bahan dengan kerapatan yang rendah. d. Mempunyai suhu pemrosesan yang lebih rendah dibandingkan suhu pemrosesan logam. II.1.2 Fasa penguat dalam komposit Fasa penguat atau fasa tersebar merupakan bahan yang bersifat lengai (inert) dalam bentuk serat, partikel atau kepingan yang ditambahkan ke dalam fasa matriks untuk meningkatkan sifat mekanik dan fisik komposit, seperti kekuatan, kekakuan dan keliatan.

4 Menurut Xanthos (2005), bahan pengisi pada komposit memiliki banyak fungsi dan dapat dibedakan berdasarkan fungsi utama dan fungsi tambahannya. Adapun fungsi utama pengisi adalah memperbaiki sifat-sifat mekanis pada komposit, sifat-sifat magnetik/kelistrikan dan sifat-sifat permukaan, meningkatkan ketahanan terhadap api dan mempermudah pemrosesannya. Sedangkan fungsi tambahan pada pengisi adalah mengontrol permeabilitas, bioaktivitas, kemampuan terurai, penyerapan radiasi, meningkatkan stabilitas dimensional, memperbaiki sifat-sifat optis dan pembasahan. Menurut Maulida, dkk (2000), penggunaan pengisi alamiah sebagai penguat pada material komposit memberikan beberapa keuntungan dibanding bahan pengisi mineral, yaitu: kuat dan pejal, ringan, ramah lingkungan, sangat ekonomis dan sumber dapat diperbaharui. Tetapi disisi lain menurut Belmares, dkk (1983), pengisi alamiah juga memiliki kelemahan dan kekurangan yaitu, mudah terurai karena kelembaban, adhesi permukaan yang lemah pada polimer hidrofobik, ukuran pengisi yang tidak seragam, tidak cocok dipakai pada temperatur tinggi dan mudah terpengaruh pada serangan serangga dan jamur. Telah banyak penelitian yang dilakukan dengan menggunakan bahan pengisi alami sebagai penguat pada komposit seperti: nenas, sisal, sabut kelapa, tempurung kelapa, rami, kapas, sekam padi, bambu dan tandan kosong kelapa sawit. Luo dan Netravali (1999) telah meneliti dan membuktikan bahwa sifat-sifat regangan dan fleksibilitas yang dihasilkan pada komposit dengan kandungan serat nenas yang berbeda-beda, lebih baik dibandingkan dengan resin tanpa pengisi. Belmeras, dkk

5 (1983), menemukan bahwa serat-serat sisal dan kelapa sawit memiliki sifat regangan, sifat kimia dan fisika yang sama sehingga baik digunakan sebagai bahan pengisi. Perkembangan teknologi dewasa ini yang menuntut dihasilkannya produk yang ramah lingkungan dan lebih ekonomis, membuat setiap industri berusaha memanfaatkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui. Di dalam pembuatan komposit, bahan pengisi yang mengandung selulosa menjadi perhatian yang besar karena kemampuannya sebagai penguat pada polimer polimer termoplastik dengan titik peleburan yang rendah, salah satu alternatif yang dapat digunakan sebagai bahan pengisi adalah selulosa yang diperoleh dari tandan kosong kelapa sawit. II.1.3 Antara muka pengisi matriks Pada umumnya suatu bahan komposit terdiri dari dua fasa yang berlainan yang dipisahkan oleh antara muka kedua fasa tersebut. Daya sentuh dan daya kohesif antara muka sangat penting, karena antara muka pengisi-matriks berfungsi untuk memindahkan beban (tegangan) dari fasa matriks ke fasa pengisi (Hull, 1992 dan Hollyday, 1996). Kemampuan pemindahan tegangan kepada fasa pengisi, tergantung pada daya ikat yang muncul pada antara muka komposit. Pada komposit-komposit yang diperkuat dengan pengisi alami, biasanya terdapat suatu kekurangan pada adhesi antara muka di antara serat-serat selulosa hidrofilik dengan resin-resin hidrofobik yang berpengaruh terhadap ketidakserasian (incompability). Ada berbagai teori yang menerangkan pengikatan pada antara muka komposit, umumnya melibatkan ikatan kimia ataupun ikatan mekanik. Menurut Schwartz (1992), terdapat lima mekanisme

6 yang dapat terjadi pada antara muka, baik secara sendirian maupun secara gabungan, yaitu: a. Penyerapan dan pembasahan. b. Resapan. c. Daya tarik elektrostatis. d. Ikatan kimia. e. Ikatan mekanik. II.2 Polimer Polimer berasal dari bahasa Yunani yaitu: poly berarti banyak dan mer berarti bagian. Polimer merupakan molekul besar yang terbentuk dari unit-unit berulang sederhana yang disebut dengan monomer. Perulangan unit-unit (monomer) dapat membentuk susunan rantai linier, bercabang dan jaringan (Stevens, 2001). Polimer disebut juga dengan makromolekul atau molekul besar, dimana stukturnya bergantung pada monomer-monomer yang dipakai dalam preparasinya. Berdasarkan monomer pembentuknya, polimer dapat dibedakan atas homopolimer dan kopolimer. Jika hanya ada beberapa unit monomer yang bergabung bersama dengan berat molekul rendah, maka polimer tersebut dinamakan oligomer. Homopolimer merupakan suatu polimer yang tersusun dari rantai-rantai berulang (monomer) yang sama sedangkan kopolimer adalah bahan polimer yang tersusun dari rantai-rantai berulang (monomer) yang berbeda.

7 Berdasarkan sumbernya, polimer dapat dibagi dua yaitu, polimer alam seperti pati, selulosa dan sutera yang dihasilkan oleh tanaman dan binatang, polimer lainnya adalah polimer sintetik yang dihasilkan di laboratorium, sedangkan berdasarkan reaksi pembentukannya, polimer dapat di klasifikasikan atas dua kelompok utama yaitu, polimer adisi dan polimer kondensasi. Perbedaan kedua polimer tersebut, pada polimer adisi memiliki atom yang sama seperti monomer dalam unit ulangnya, sedangkan pada polimer kondensasi, terbentuk produk sampingan selama berlangsungnya proses polimerisasi. Pengetahuan tentang teknologi polimer terus berkembang, karena pada saat ini kehidupan manusia sehari-hari disadari maupun tidak, telah menggunakan bahan polimer mulai dari pakaian, perkakas rumah tangga sampai dengan pesawat terbang. Hal ini dilakukan untuk menggantikan bahan-bahan logam dan keramik karena beberapa kelebihan bahan polimer adalah: ringan, tahan terhadap korosi, mudah dibentuk, murah dan biaya produksi rendah. II.2.1. Polietilena Polietilena merupakan suatu polimer yang terbentuk dari unit-unit berulang (monomer) dimana monomer dari polietilena adalah etilena ( C 2 H 4 ) seperti dalam gambar 2.1. Gambar 2.1. Monomer Polietilena

8 Polietilena dibuat dengan polimerisasi dari gas etilena (CH 2 =CH 2 ), seperti pada Gambar 2.2. Gambar 2.2. Reaksi Polimerisasi Polietilena Polietilena disebut juga dengan polietilen (PE) adalah bahan termoplastik yang transparan, berwarna putih, titik leleh antara C C, memiliki berat molekul dengan perbandingan C 85,7% dan H 14,3%. Pertama sekali Polietilena diperkenalkan di England tahun 1933 yang diproses dengan kondisi tekanan > 1000 atm dan temperatur C C ( PLASTIK.pdf). Sekitar tahun 1953 Karl Ziegler dari Jerman menemukan proses polimerisasi yang berlangsung pada temperatur dan tekanan kamar dengan menggunakan katalis yang disebut dengan katalis Ziegler Natta, yaitu merupakan senyawa kompleks yang terbentuk dari alkil aluminium yang dikombinasikan dengan titanium klorida. Polietilena yang dihasilkan mempunyai berat molekul yang tinggi dan lebih kaku dibandingkan dengan polimer yang dihasilkan pada tekanan tinggi. Kekakuan tersebut disebabkan tidak adanya rantai-rantai cabang pada rantai polimer dan merupakan polimer linier. Berdasarkan densitasnya, polietilena dibedakan atas: LPDE, HDPE dan LLDPE.

9 a. Polietilena densitas rendah (LDPE = Low Density Polyethylene). LDPE dihasilkan dengan cara polimerisasi pada tekanan tinggi, mudah dikelim dan harganya murah. Dalam perdagangan dikenal dengan nama alathon, dylan dan fortiflex. Kekakuan dan kuat tarik LDPE lebih rendah dari HDPE ( modulus Young psi dan kuat tarik psi), tetapi karena LDPE memiliki derajat elongasi yang tinggi ( % ), maka mempunyai kekuatan terhadap kerusakan dan ketahanan untuk putus yang tinggi. Titik lelehnya berkisar antara C. Banyak digunakan untuk film, mangkuk, kemasan. b. Polietilena densitas menengah (MDPE = Medium Density Polyethylene ). MDPE lebih kaku dari LDPE dan titik lelehnya lebih tinggi dari LDPE, yaitu antara C. c. Polietilena densitas tinggi (HDPE = High Density Polyethylene). HDPE dihasilkan dengan cara polimerisasi pada tekanan dan suhu yang rendah (10 atm, C). HDPE lebih kaku dibanding LDPE dan MDPE, tahan terhadap suhu tinggi sehingga dapat digunakan untuk produk yang akan disterilisasi. d. Polietilena densitas sangat rendah (LLDPE = Linear Low Density Polyethylene) yaitu kopolimer etilen dengan sejumlah kecil butana, heksana atau oktana sehingga mempunyai cabang pada rantai utama dengan jarak yang teratur. LLDPE lebih kuat dari LDPE.

10 Polietilena merupakan bahan polimer yang memiliki tingkat kekasaran yang baik, tahan terhadap bahan kimia kecuali oksida kuat dan halida, larut dalam hidrokarbon aromatik dan larutan hidrokarbon yang terklorinasi di atas 70 0 C. Polietilena cenderung tidak tahan terhadap cahaya sehingga mudah berubah warna oleh pengaruh cahaya matahari dan menghasilkan material yang berwarna hitam (Meyer, 1984). Sifat-sifat dari Polietilena sangat dipengaruhi oleh struktur rantai dan kerapatannya. LDPE bersifat lentur, ketahanan listriknya baik, kedap air, lebih lunak dari HDPE, bersifat absorbsi dan tembus cahaya yang kurang baik dibandingkan dengan HDPE. LDPE lebih elastis dibanding HDPE. Hal ini karena kristalinitasnya rendah disebabkan oleh adanya cabang-cabang dari rantai polimer, sedangkan HDPE mempunyai sifat kristalinitasnya lebih tinggi dan lebih kaku karena merupakan polimer yang linier. Perbedaan bentuk rantai dan kerapatan ini menyebabkan perbedaan sifat kedua jenis polietilena ini. Proses pembuatan rantai panjang dari polimer termoplastik polietilena secara umum dapat dilakukan dengan dua cara (Cowd, 1991) yaitu: a. Proses dengan kondisi pada tekanan tinggi yang menghasilkan LDPE. b. Proses dengan kondisi pada tekanan rendah yang menghasilkan HDPE. Polietilena banyak digunakan untuk peralatan laboratorium, insulator listrik, bahan pembungkus, peralatan dapur, pipa, pelapis kertas dan pada industri tekstil. Jenis polietilena yang banyak digunakan sebagai pengemas adalah LDPE yaitu sekitar 44,5% dari total plastik kemas, diikuti dengan HDPE sekitar 25,4% (Curlee, 1991 dalam Nurjana, 2007).

11 Sifat fisika dan sifat mekanik dari LDPE dan HDPE dapat dilihat pada tabel 2.1. berikut ini. Tabel 2.1 Sifat Fisika dan Mekanik Polietilena Sifat Fisika LDPE HDPE Kekuatan Tarik, MPa Modulus Young, MPa Berat Jenis 0,91-0,93 0,94 0,96 Titik Leleh C C Muai Termal, 0 C Perpanjangan 100% 500% Sumber: (Van Vlack, 2004) II.3 Tandan Kosong Kelapa Sawit Tandan Kosong Kelapa Sawit merupakan limbah terbesar dalam proses pengolahan kelapa sawit menjadi CPO. Secara umum pengelolaan limbah terdiri dari dua aspek yaitu penanganan limbah dan pemanfaatan limbah. Penanganan limbah untuk mengurangi daya cemar dan pemanfaatan limbah untuk mendapatkan nilai tambah. Beberapa penelitian yang sudah dilakukan untuk memanfaatkan tandan kosong kelapa sawit adalah sebagai bahan baku pembuatan pulp (Darnoko dkk, 1995), serbuk pulp tandan kosong kelapa sawit sebagai bahan pengisi polipropilena (Purwandari, 2001), pembuatan pupuk organik (Darnoko dkk,1995) dan penggunaan serat tandan kosong kelapa sawit sebagai bahan pengisi polietilen (Nurjana, 2007). Penelitian menunjukkan bahwa kandungan seratnya cukup tinggi sehingga tandan kosong kelapa sawit dapat digunakan sebagai bahan pengisi polimer, seperti bahan pengisi jenis kayu

12 dan turunan selulosa, karena harganya murah, ringan dan dapat diperbaharui (Wirjosentono, 1996). Tandan kosong kelapa sawit juga dapat diolah menjadi sumber bahan kimia seperti pemanfaatan sebagai sumber lignin ( Sulhatun, 2005 ). Sebagai sumber bahan kimia, tandan kosong kelapa sawit dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku produksi senyawa selulosa dan turunannya dimana selulosa merupakan komponen terbesar disamping hemiselulosa dan lignin. Komposisi serat tandan kosong kelapa sawit dapat dilihat pada Tabel 2.2. dimana, kandungan selulosa 37,76%, lignin 22,23% holoselulosa 68,88%, sehingga tandan kosong kelapa sawit dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku industri yang berbasis serat. Komposisi kimia dan sifat fisik serta morfologi serat tandan kosong kelapa sawit dapat dilihat pada Tabel 2.2 dan 2.3. Tabel 2.2 Komposisi dan Sifat Kimia Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit KOMPONEN KIMIA KOMPOSISI (%) Lignin 22,23 Ekstraktive 6,37 Pentosan 26,69 α selulosa 37,76 Holoselulosa 68,88 Abu 6,59 Kelarutan dalam -! % Na OH - 1 % NaOH - Air dingin - Air panas (Darnoko, dkk, ,96 29,96 13,89 16,17

13 Tabel 2.3 Sifat Fisik dan Morfologi serat Tandan Kosong Kelapa Sawit Parameter TKS bagian pangkal TKS bagian ujung Panjang serta, mm ,76 Rata-rata (L) Diamater serat, µm (D) 15,0 114,34 Diameter Lumen, µm (l) 8,04 6,99 Tebal dinding, µm (W) 3,49 3,68 Bilangan Rumkel (2 W/l) 0,87 1,05 Kelangsingan (L/D) 79,95 53,00 Kelemasan (l/d) 0,54 0,49 Kadar serat (%) 72,67 62,47 Bukan serat (%) 27,33 37,53 (Darnoko, dkk, 1995) II.4 Selulosa Selulosa berasal dari kata Selopan yang terdiri dari cello dan phane yaitu cellulose dan diaphane (bahasa Perancis) dimana cello artinya selulosa dan phane artinya transparan. Selulosa (C 6 H 10 O 5 )n adalah polimer rantai panjang dari karbohidrat polisakarida atau homopolisakarida yang tersusun atas unit-unit D glukopiranosa. Setiap unit D glukopiranosa dalam rantai selulosa mempunyai 3 gugus hidroksil (Sjostrom, 1998). Menurut Klug (1984), selulosa dapat dianggap sebagai senyawa polialkohol dimana setiap unit glukosa di dalam rantai molekul mengandung tiga gugus hidroksil. Struktur kimia pada selulosa mengandung 3 gugus OH, dimana gugus OH yang pertama di dalam makromolekul selulosa membentuk ikatan hidrogen. Gugus OH yang kedua membentuk ikatan antara molekul, sedangkan gugus OH yang

14 ke tiga membentuk ikatan hidrogen di antara molekul. Selulosa membentuk komponen serat dari dinding sel tumbuhan dan terikat erat dengan lignin, sehingga diperlukan perlakuan yang intensif untuk memisahkan selulosa dari lignin (Fengel, 1995). Struktur Selulosa dapat dilihat pada Gambar 2.3. Gambar 2.3. Struktur Selulosa Molekul-molekul selulosa seluruhnya berbentuk linier dan mempunyai kecenderungan kuat membentuk ikatan hidrogen intra dan intermolekul, sehingga selulosa tidak larut dalam air meskipun memiliki banyak gugus hidroksil dan polar (Seymour, 1975). Selulosa merupakan senyawa organik yang paling melimpah di atas bumi dan merupakan konstituen utama dari dinding sel tumbuh tumbuhan (Stevens, 2001). Penggunaan selulosa terutama dalam industri pakaian, cat, film atau foto, kosmetik, deterjen, industri kertas, vernis dan mainan anak anak (edconopianto.blogspot.com/2009). Untuk aplikasi yang lebih luas, selulosa dapat diturunkan menjadi beberapa produk antara lain; selulosa ester dari asam anorganik dan organik (seperti selulosa nitrat, selulosa propionat dan selulosa butirat), selulosa eter dan kopolimer cangkok. Penggunaan serat selulosa terutama dalam bidang tekstil,

15 pembuatan tali, pembuatan benang, pembuatan karung, pembalut, kertas tipe khusus dan pengisi alat keselamatan (Stevens, 2001). Sifat-sifat serat selulosa dapat dilihat pada Tabel 2.4. Tabel 2.4. Sifat- Sifat Umum Serat Selulosa Sifat Nilai Rumus Kimia (C 6 H 10 O 5 )n Kandungan selulosa 44 99,6% Densitas 1-1,1 g/cm 3 Temperatur bakar C Temperatur maksimum C Penggunaan Kandungan Kelembapan 2 10% Absorpsi Kelembapan % Kandungan abu 0,13 0,4% Ukuran Pori A ( hanya polimer BM<10.000) Panjang Serat µm Diameter serat 5 30 µm Luas Permukaan Spesifik 1 m 2 /g (kering) atau m 2 /g (basah) Sumber: Wypych, (2000) II.5 Modifikasi Kimia Modifikasi kimia pada pengisi alami yang mengandung selulosa didefinisikan sebagai reaksi antara beberapa bagian reaktif dari polimer dinding sel lignoselulosa dengan pelarut kimia tunggal, baik dengan katalis ataupun tanpa katalis untuk membentuk ikatan kovalen antara keduanya. Modifikasi kimia pada pengisi ini bertujuan untuk meningkatkan sifat-sifat dari pengisi tersebut (Rowell dkk, 1993). Secara umum, modifikasi kimia dapat mengurangi jumlah gugus OH pada pengisi, mengurangi lignin, pektin, wax dan minyak pada permukaan dinding sel pengisi (Bledzki dan Gasan, 1997). Modifikasi kimia menjadi sangat penting dengan melibatkan penggunaan suatu agen penggandeng (coupling agent).

16 Asam asetat merupakan pelarut yang bersifat polar (hidrofilik) seperti air dan etanol. Selain dapat melarutkan senyawa-senyawa polar seperti garam organik dan gula, asam asetat juga dapat melarutkan senyawa-senyawa non polar seperti minyak. Dengan sifat sifat yang dimiliki, asam asetat banyak digunakan dalam industri kimia. Menurut Rowell dkk (1993), modifikasi dengan asam asetat (asetilasi) pada selulosa kayu bertujuan untuk menstabilkan dinding sel, meningkatkan stabilitas dimensional dan degradasi pada lingkungan. Mwaikambo dan Ansell (1999) menyebutkan modifikasi kimia pada serat-serat alami bertujuan untuk menghilangkan lignin yang dikandung suatu bahan seperti pektin, senyawa-senyawa wax dan minyak alami yang berada pada permukaan dinding sel serat tersebut. Penggunaan asam asetat sebagai bahan penyerasi akan membentuk selulosa asetat (dari reaksi selulosa dengan asam asetat) yang merupakan termoplastik. Selulosa asetat pertama kali ditemukan oleh Schut Zenberger pada tahun Selain pada film fotografi, senyawa ini juga digunakan sebagai bahan komponen dalam bahan perekat, serta sebagai serat sintetik. Beberapa sifat selulosa asetat adalah: tidak mudah mengkerut jika dekat api, sangat jernih, mengkilap, lebih tahan terhadap benturan dibandingkan HDPE dan tahan abrasi. Banyak sistem reaksi kimia telah digunakan dalam modifikasi kimia suatu komposit antara lain, penggunaan maleat anhidrida polietilena sebagai bahan pengisi (Tanjung, 2008) dan penggunaan asam asetat 50% dan asam akrilik 3% dalam memodifikasi bahan pengisi tempurung kelapa (Hamid, 2008). Salmah dkk (2005b) menemukan bahwa penggunaan asam asetat 50% dan asam akrilik 3% dalam memodifikasi lumpur pada industri kertas sebagai pengisi komposit polipropilena

17 telah meingkatkan kekuatan tarik, perpanjangan dan modulus Young pada komposit tersebut. II.6 Reologi Reologi adalah ilmu yang mempelajari perubahan bentuk (deformasi) dan aliran suatu bahan (Nielsen, 1978). Untuk bahan polimer, tujuan mempelajari reologi adalah untuk mendapatkan kondisi pemrosesan yang sesuai bagi bahan tersebut ataupun campuran dari berbagai bahan polimer dengan sifat-sifat yang berbeda. Salah satu penelitian tentang pengaruh variasi bahan penambah terhadap sifat reologi dari polistirena atau polipropilene telah dilakukan oleh Halimatuddahliana (2001). Untuk fluida sederhana seperti air, kajian reologi menyangkut kepada pengukuran viskositas fluida tersebut yang umumnya tergantung kepada suhu dan tekanan, tetapi reologi untuk bahan polimer lebih kompleks karena fluida polimer menunjukkan sifat non ideal (Nielsen, 1978). Pada umumnya, morfologi merupakan karakteristik dari polimer-polimer amorfous dan kristal, dimana polimer amorfous mempunyai ciri-ciri tidak adanya urutan yang sempurna di antara molekul-molekulnya sedangkan pada kristal, molekulmolekul terorientasi atau lurus dalam suatu susunan teratur yang analog sampai tingkat tertentu. Karena polimer tidak pernah mencapai kekristalan 100%, maka morfologi polimer dikategorikan menjadi amorfous dan semi kristal. Ketika suatu polimer amorfous mencapai derajat kebebasan rotasi tertentu, ia bisa dideformasi dan ketika

18 terdapat cukup kebebasan, molekul-molekul polimer tersebut mulai bergerak mengalir melampaui molekul satu sama lain. Untuk menyebabkan suatu polimer berdeformasi atau mengalir, memerlukan penerapan suatu gaya, seperti terlihat pada Gambar 2.4. A Vy Vx F H Vz w Gambar 2.4. Skema aliran fluida dalam keadaan stedi Berbagai gaya bisa diterapkan untuk deformasi, tetapi dalam reologi, gaya yang diberikan berkaitan dengan geser (tegangan tangensial). Tegangan tangensial adalah suatu gaya yang dikenakan ke salah satu sisi permukaan dalam arah yang sejajar dengan permukaan tersebut, seperti jika suatu bujur sangkar dikenakan (diterapkan) tegangan tangensial, akan berubah menjadi jajaran genjang (Painter and Coleman, 1994). Jika gaya dikenakan, polimer akan tertarik dengan tiba-tiba dan jika gaya diputus maka molekul-molekulnya cenderung mengembalikan konfigurasinya yang mulamula dan stabil, suatu proses yang disebut relaksasi (Stevens, 2001). Dengan adanya gaya, maka molekul-molekul polimer akan dikacaukan atau dirusak sehingga terjadi sifat elastisitas. Jika gaya tersebut dikenakan secara tetap dan sedikit demi sedikit,

19 maka molekul-molekul mulai mengalir secara tak dapat balik. Karena belitan rantai dan efek gesekan, cairan yang mengalir tersebut menjadi sangat kental. Kombinasi sifat elastis dan aliran yang kental menyebabkan polimer mempunyai sifat viskoelastis. Untuk membuat bentuk atau memintal suatu serat, molekul-molekul polimer mesti mengalir dengan cepat, dimana semakin cepat aliran maka produksi akan semakin cepat dan prosespun akan mengurangi biaya. Viskositas, baik dalam larutan maupun dalam leburan merupakan ukuran dari ketahanan terhadap aliran (Stevens, 2001). Hal-hal yang harus diperhatikan pada deformasi bahan polimer adalah: 1. Suhu peralihan kaca (Tg) bahan polimer tersebut. 2. Bahan polimer biasanya mengalami pemelaran dan relaksasi regangan, terutama bagi polietilena dan propilena. 3. Ketahanan terhadap hantaman (impak) cenderung kecil kecuali pada bahan yang telah dimodifikasi, seperti polikarbonat, poliaetal dan sebagainya. 4. Ketahanan terhadap fatigue (lelah) cenderung kecil. 5. Ketahanan terhadap minyak, pelarut, air dan surfaktan tergantung terhadap waktu kontak dan apabila disertai dengan tegangan dapat terjadi retak dan akhirnya putus. Kecepatan mengalirnya molekul-molekul komposit merupakan fungsi dari suhu, berat molekul, dan struktur molekul. Suhu yang sangat berpengaruh terhadap sifat mekanik suatu bahan adalah suhu peralihan kaca (Glass Transition temperature, Tg). Suhu peralihan kaca (Tg) adalah suhu dimana terjadi perubahan sifat bahan

20 termoplastik/elastomer dari keadaan elastik (rubbery) menjadi tegas (rigid glass) yang berlangsung pada proses pendinginan bahan. Sebagai contoh bahan elastomer (karet) mempunyai kemampuan untuk memanjang jika ditarik dan akan kembali dengan cepat apabila tarikan dilepas. Hal ini terjadi tidak untuk semua suhu. Karakteristik volumesuhu bahan polimer dapat dilihat pada gambar 2.5. Gambar 2.5. Karakteristik Volume-Suhu Bahan Polimer Dari gambar tersebut di atas dapat dilihat bahwa polimer dengan struktur amorf tidak menunjukkan perubahan volume yang mendadak dalam mencapai titik leburnya (BA) sedangkan pada struktur kristal terjadi perubahan yang cukup jelas (CA). Di atas suhu peralihan kaca, Tg, struktur amorf menunjukkan sifat viskos (kental) dan di bawah Tg, bahan menunjukkan sifat tegas/rapuh karena gerakan rantai molekul sangat terbatas. Pada saat bahan polimer dengan stuktur semi kristal memadat dan dingin, penurunan secara mendadak volume spesifik terjadi seperti terlihat pada garis AC. Penurunan ini disebabkan karena susunan rantai polimer menjadi teratur membentuk kristal. Titik lebur polimer (Tf) merupakan suhu yang tertinggi dimana struktur kristal dalam bahan polimer dapat terdeteksi. Pengaruh suhu terhadap sifat-sifat bahan

21 polimer (plastik) secara umum dapat dilihat pada Gambar 2.6 dimana Tg adalah suhu peralihan kaca, Tp adalah suhu proses dan Tf adalah suhu lebur polimer (Nasir,1996). Gambar 2.6. Pengaruh Suhu Terhadap Sifat-Sifat Bahan Polimer (Plastik) II.7 Sifat-Sifat Mekanik Sifat-sifat mekanik bahan polimer adalah khas dan berbeda dengan bahan logam ataupun keramik, dimana kelakuan viskoelastiknya (kekentalan) sangat dominan, misalnya pemelaran (creep) dan relaksasinya mudah terjadi. Sifat-sifat mekanik polimer dapat dinyatakan dalam beberapa parameter, yaitu: 1. Kekuatan tarik (Tensile Strength). 2. Kekuatan lentur (Flexural Strength). 3. Kekuatan impak (Impact Strength). 4. Kekerasan (Hardness). 5. Ketahanan lelah (Fatigue).

22 II.7.1 Kekuatan tarik (tensile strength) Kekuatan tarik merupakan salah satu sifat bahan polimer yang terpenting dan sering digunakan untuk uji sifat suatu bahan polimer. Pengujian tarik (tensile test) dilakukan dengan pembebanan pada kedua ujung sampel melalui gaya tarikan. Penarikan suatu bahan biasanya menyebabkan terjadi perubahan panjang atau deformasi dan juga menyebabkan terjadinya penipisan pada tebal bahan yang diuji. Kekuatan tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum (besarnya gaya yang masih dapat ditahan oleh sampel sebelum putus) dengan luas penampang mula-mula, dimensinya sama dengan tegangan (Van Vlack, 1989). Persamaan untuk tegangan tarik adalah: Tegangan tarik Tegangan ( gaya) Luas Permukaan F (Pa)... (2.1) A Tegangan tarik (kekuatan tarik) tergantung pada gaya yang diberikan, waktu, suhu, struktur dan morfologi bahan polimer (non kristal, semi kristal atau kristal). Jika pada suatu bahan dikenakan beban tarik, maka bahan tersebut akan mengalami perubahan panjang yang disebut dengan perpanjangan (elongation). Persamaan untuk perpanjangan : Perpanjangan Perubahan Panjang panjang awal

23 l l l o o (100%)... (2.2) Sementara sifat elastisitas suatu bahan polimer (modulus young) merupakan perbandingan antara tegangan tarik dengan perpanjangan. Pada peregangan suatu bahan polimer, perpanjangan tidak selalu berbanding lurus dengan beban yang diberikan, dan pada penurunan kembali beban, sebahagian regangannya hilang, karena bahan polimer bukan merupakan bahan sepenuhnya elastis tetapi ada sifat viskositasnya. Gambar 2.7 menunjukkan kurva kekuatan tarikperpanjangan untuk bahan polimer. Polimer amorf dan semi kristal di bawah Tg B Polimer semi kristal di atas Tg A B, C Karet B ε Gambar 2.7. Kurva kekuatan tarik- perpanjangan untuk bahan polimer

24 A adalah titik dimana pemanjangan bertambah tanpa disertai dengan peningkatan daya (yield point) B adalah titik dimana bahan putus menjadi dua bahagian (break poin) C adalah titik dimana kekuatan tarikan terbesar yang dialami bahan sebelum putus. II.7.2 Kekuatan lentur (flexural strength) Kekuatan lentur merupakan kemampuan bahan untuk melentur, dimana pengujian biasanya dilakukan dengan menekuk bahan (sampel) menggunakan beban. Kekuatan lentur (τ) suatu bahan dapat dihitung dengan persamaan 3PL 2 2bd Pa (2.3) Dimana, P = beban patah b = lebar batang uji d = tebal batang uji L = jarak antara titik tumpu. II.7.3 Kekuatan impak (impact strength) Kekuatan impak adalah suatu kriteria penting untuk mengetahui ketegasan bahan atau ketahanan bahan terhadap daya dengan kecepatan tinggi (hantaman). Kekuatan impak suatu bahan polimer dapat diukur dengan menggunakan alat impact test. Untuk kekuatan impak, bahan dapat dibagi dalam dua klasifikasi, yaitu bahan yang rapuh (brittle) dan ductile. Kegagalan pada bahan yang rapuh dapat terjadi pada energi

25 yang rendah dimana keretakan bermula dan berlanjut sebelum terjadinya yelding. Ciriciri yang ditunjukkan biasanya bagian yang putus/patah menunjukkan permukaan yang halus dan kaku. Untuk bahan ductile, akan terbentuk yelding dimana akan tampak stress whitening pada daerah yang putus. Pengujian impak biasanya dilakukan dengan metode Charphy atau Izod, seperti pada Gambar 2.8. Gambar 2.8. Diagram untuk test Kekuatan impak II.8. Faurier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) FT-IR telah membawa tingkat keserbagunaan yang lebih besar ke penelitian penelitian struktur polimer, karena spektrum-spektrum bisa discan, disimpan, ditransformasikan dalam hitungan detik dan teknik ini memudahkan penelitian reaksireaksi polimer seperti degradasi atau ikat silang (Stevens, 2001). Teknik ini dilakukan dengan penambahan peralatan interferometer dan dilengkapi dengan cara perhitungan fourier transform. Penggunaan spektrofotometer FT-IR untuk analisa, banyak digunakan untuk identifikasi suatu senyawa. Hal ini disebabkan spektrum FT-IR suatu senyawa (misalnya senyawa organik) bersifat khas, artinya senyawa yang berbeda akan

26 32 mempunyai spektrum yang berbeda pula. Vibrasi ikatan kimia pada suatu molekul menyebabkan pita serapan hampir seluruhnya di daerah spektrum IR yakni cm -1. FT-IR teristimewa bermanfaat dalam meneliti paduan-paduan polimer. Paduan yang tidak dapat campur memperlihatkan suatu spektrum IR yang merupakan superposisi dari spektrum homopolimer (Stevens, 2001). Formulasi bahan polimer komersial dengan kandungan aditif bervariasi sebagai pemlastis dan anti oksidasi, memberikan kekhasan pada spektrum infra merahnya. Analisis inframerah memberikan informasi tentang kandungan aditif, panjang rantai dan struktur rantai polimer. Disamping itu, analisis IR dapat digunakan untuk karakterisasi bahan polimer yang terdegradasi oksidatif dengan munculnya gugus karbonil dan pembentukan ikatan rangkap pada rantai polimer. Gugus lain yang menunjukkan terjadinya degradasi oksidatif adalah gugus hidroksida dan karboksilat (Harjono, 1991). Umumnya pita serapan polimer pada spektrum inframerah adalah adanya ikatan C-H regangan pada daerah 2880cm cm -1 dan regangan dari gugus fungsi lain yang mendukung untuk analisis suatu material. Banyak faktor yang mempengaruhi frekwensi vibrasi suatu ikatan dalam molekul seperti perbedaan massa. Misalnya, serapan C=O dalam gugus keton (RCOCH 3 ) lebih rendah dari pada C=O dalam RCOCl, hal tersebut disebabkan perbedaan massa CH 3 dan Cl.