TINJAUAN PUSTAKA. Pembuatan dan Karakterisasi Serat Karbon dari Kayu dan Serat Alam

Transkripsi

1 TINJAUAN PUSTAKA Karbon Komersial Karbon merupakan unsur pokok pada semua bahan organik dari senyawa yang sangat besar dan kompleks. Unsur karbon tersebar luas di alam, ditemukan di kerak bumi dalam rasio 180 ppm, dan sebagian besar dalam bentuk senyawa. Banyak dari senyawa alami yang penting untuk produksi bahan karbon sintetik dan mencakup berbagai batubara (bitumen dan antrasit), kompleks hidrokarbon (minyak bumi, tar dan asphalt) dan gas hidrokarbon (metana dan lain-lain). Hanya dua polimorf karbon yang ditemukan di bumi sebagai mineral, yaitu grafit alam dan berlian (Pierson 1993). Seperti yang disebutkan di atas, semua produk karbon selain berlian dan grafit alam adalah buatan manusia dan berasal dari material awal (precursor) karbon. Serat karbon komersial dibuat dari dua macam material awal yaitu textile precursor dan pitch precursor (Mallick 2008). Untuk textile precursor yang umum digunakan adalah polyacrylonitrile (PAN). Pitch adalah hasil samping dari petroleum refining atau coal coking, sehingga harganya lebih murah dari PAN. Pembuatan serat karbon melalui beberapa proses seperti pemanasan, spinning, karbonisasi dan grafitisasi, sehingga menyebabkan harga serat karbon komersial menjadi mahal. Namun demikian, kedua jenis karbon komersial ini pun memiliki sifat mekanis dan sifat elektrik yang sangat baik. Modulus tarik serat karbon dari pitch maupun PAN berada pada kisaran nilai 207 GPa 1035 GPa atau setara dengan N mm -2. Konduktivitas listrik serat karbon dari kedua jenis serat komersial pun cukup tinggi. Konduktivitas listrik serat karbon PAN berkisar antara S m -1, sedangkan karbon pitch berkisar antara S m -1. Konduktivitas panas dari serat karbon PAN sebesar W m -1 K sedangkan dari pitch sebesar W m -1 K (Mallick 2008). Pembuatan dan Karakterisasi Serat Karbon dari Kayu dan Serat Alam Karena harga serat karbon komersial mahal, maka telah banyak dilakukan penelitian dalam mencari alternatif penggantinya. Salah satunya adalah dengan

2 8 membuat serat karbon yang berasal dari kayu dan serat alam. Pembuatan karbon dari kayu dan serat alam seperti bambu, serat sabut kelapa atau kelapa sawit telah banyak dilakukan (Pari & Abdurahim 2003, Pari 2004, Pari et al. 2004, Pari et al. 2005, Pari et al. 2006a, Pari et al. 2006b, Subyakto et al. 2004). Penelitian karbon dari serat alam selama ini banyak ditujukan untuk aplikasi seperti bidang kesehatan (penyerap gas-gas beracun, penyerap bau, pelindung gelombang elektromagnit), sebagai sumber energi, penjernih air, arang aktif, dan lain-lain. Konduktivitas listrik dari arang kayu sugi diteliti oleh Nishimiya et al. (1995). Dari penelitian ini didapatkan bahwa resistivitas listrik turun drastis pada suhu pengarangan 600 C sampai 800 C, dan arang kayu menjadi konduktor jika diarangkan pada suhu 800 C atau lebih. Bambu yang diarangkan pada suhu 800 C mempunyai tahanan listrik di bawah 10 ohms. Pada suhu karbonisasi 2200 C didapatkan konduktansi listrik untuk bagian-bagian kelapa sawit seperti tandan kosong, pelepah, batang, dan tempurung sebesar 272, 287, 377, dan 476 Ω -1 (Subyakto et al. 2004). Ishihara (1996) menyatakan bahwa semakin tinggi suhu karbonisasi kayu, maka kandungan karbonnya akan semakin tinggi sedangkan kandungan oksigen dan hidrogennya semakin berkurang. Hal yang sama juga terjadi dengan rendemen dari hasil karbonisasi. Semakin tinggi suhu karbonisasi, maka semakin rendah pula rendemen yang didapatkan seperti terlihat pada Tabel 1. Tabel 1 Suhu karbonisasi Jumlah dan komposisi arang kayu yang dibuat dengan suhu pengarangan berbeda (Ishihara 1996) Komposisi arang Karbon Hidrogen Oksigen Rendemen arang terhadap berat kering kayu C % % % %

3 9 Pembuatan karbon dari bahan alam seperti kayu ataupun serat alam dapat menghilangkan senyawa lamella tengah yang terdapat pada dinding sel ataupun mereduksi dinding sel sekundernya. Pembuatan karbon dari kayu Japanese cedar dengan menggunakan suhu karbonisasi 700 C, menyebabkan dinding selnya tampak semakin jelas, tanpa terlihatnya senyawa lamella tengah dan dinding sel sekunder (Ishimaru et al. 2007). Gambar 1 Gambar SEM dari dinding sel kayu (a) sebelum dan (b) setelah karbonisasi pada suhu 700 C (Ishimaru et al. 2007) Tahapan proses karbonisasi kayu terdiri dari empat tahap (Byrne & Nagle 1997) yaitu : 1. Pada suhu C terjadi penguapan air dan sampai dengan suhu 200 C mulai terjadi penguraian struktur hemiselulosa. 2. Pada suhu C berlangsung reaksi eksotermik dan terjadi penguraian hemiselulosa dan selulosa yang terdekomposisi menjadi larutan pirolignat, gas

4 10 kayu dan sedikit ter. Asam pirolignat merupakan asam organic dengan titik didih rendah seperti asam cuka dan methanol, sedangkan gas kayu terdiri dari CO dan CO Pada suhu C terjadi proses depolimerisasi dan pemutusan ikatan C- O dan C-C dan terdegradasinya selulosa. Pada suhu 280 C lignin mulai terurai menghasilkan lebih banyak ter, larutan pirolignat dan gas CO 2 menurun, sedangkan gas CO, CH 4 dan H 2 meningkat. 4. Pada suhu lebih dari 400 C terjadi pembentukan lapisan aromatic dan lignin masih terurai sampai suhu 500 C. Pada suhu di atas 600 C mulai terjadi proses pembesaran luas permukaan. Salah satu serat alam yang ketersediannya sangat berlimpah ialah serat sabut kelapa yang didapatkan dari pohon kelapa (Cocos nucifera). Berdasarkan data dari Direktorat Jenderal Perkebunan Tahun 2009, baik luas areal perkebunan kelapa maupun produksi kelapanya cenderung meningkat dari tahun 1970 sampai dengan tahun Luas lahan perkebunan kelapa dan produksi buah kelapa pada tahun 1970 berturut-turut adalah ha dan ton. Nilai ini meningkat cukup tinggi pada tahun 2009 dengan luas lahan perkebunan kelapa dan produksi buah kelapa berturut-turut sebesar ha dan ton. Dengan asumsi bahwa berat serat sabut kelapa sekitar 35% dari berat buah kelapa, maka ketersedian serat kabut kelapa ini sangat memadai apabila akan digunakan untuk berbagai macam keperluan, termasuk dalam penggunaannya sebagai bahan dasar dalam pembuatan karbon dari serat alam. Serat sabut kelapa merupakan salah satu serat alam terkuat di dunia. Hal ini dikarenakan bahwa serat kelapa kandungan lignin yang tinggi yaitu sekitar 32.8%. Kandungan lignin serat kelapa ini lebih tinggi dibandingkan dengan serat alam lainnya seperti serat nenas (10.5%), serat batang pisang (18.6%) dan serat pelepah kelapa sawit (20.5%) (Khalil et al. 2006). Girgis et.al. (2002), Hartoyo dan Pari (1993), dan Pari et.al. (2006a) melakukan aktivasi terhadap arang yang dihasilkan. Arang yang dibuat pada suhu rendah, direndam dengan menggunakan bahan pengaktif seperti KOH, NaOH, H 3 PO 4, dan ZnCl 2 yang berfungsi sebagai oxidants dan dehydrating agents untuk meningkatkan kualitas arang yang dihasilkan. Selanjutnya aktivasi arang

5 11 dilakukan pada suhu di atas 800 C dengan mengalirkan uap atau gas seperti uap air, gas nitrogen dan gas CO 2. Pengaruh utama aktivasi arang adalah untuk membuat dan memperluas pori arang, selain untuk menghilangkan material yang terdapat pada permukaan arang berupa senyawa-senyawa hidrokarbon atau tar yang melapisi permukaannya. Konduktivitas Listrik Karbon Hou dan Lynch (2005) menyatakan bahwa konduktivitas adalah ukuran ilmiah tentang bagaimana mudahnya arus listrik (pengangkutan elektron) mengalir dalam suatu material. Dengan mengikuti hukum Ohm, V = ir, hambatan listrik, R, suatu material dapat ditentukan berdasarkan potensi tegangan yang diberikan, V, dan arus listrik yang sesuai, i, yang melewatinya. Dalam mencirikan sifat-sifat konduktivitas alami dari bahan tertentu, tahanan jenis listrik, ρ, umumnya lebih banyak digunakan karena resistensi normal (yang tergantung pada ukuran benda uji) dengan dimensi geometris: ρ = RA / L di mana, A adalah luas penampang bahan tempat penjalaran arus listrik dan L adalah panjang perjalanan yang terjadi di dalam bahan. Konduktivitas (σ) adalah kebalikan dari tahanan jenis : σ = 1 / ρ. Konduktivitas listrik bahan yang mengandung semen tergantung pada berbagai parameter termasuk komposisi bahan, lingkungan, dan waktu. Secara umum, bahan yang sangat konduktif seperti logam memiliki konduktivitas listrik di atas 1x10 4 S cm -1, sementara isolator, seperti parafin, memiliki konduktivitas listrik di bawah 1x10-8 S cm -1. Berbeda dengan kedua contoh ekstrem tersebut, konduktivitas listrik semen berkisar antara 1x10-8 sampai dengan 1x10-4 S cm -1, yang sama dengan kisaran konduktivitas semikonduktor. Konduktivitas listrik pada material semen dapat diubah dengan dimasukkannya serat konduktif seperti karbon dan baja, di mana serat konduktif tersebut secara efektif dapat meningkatkan konduktivitas listrik bahan tersebut (Hou & Lynch 2005). Serat konduktif menyediakan jalur tambahan bagi arus listrik untuk melakukan perjalanan melalui matriks semen. Berbeda dengan arus listrik dalam logam dan semikonduktor yang didefinisikan sebagai aliran elektron. Arus pada

6 12 bahan bersemen adalah aliran ion bebas dalam material matriks berpori. Jika bahan tersebut merupakan komposit semen-serat atau FRCC (Fiber reinforced cementitious composite), arus listrik dalam serat konduktif sendiri dikenal sebagai aliran elektron. Oleh karena itu, sifat listrik bahan FRCC adalah kombinasi matriks semen dan serat konduktif yang ada di dalamnya. Antar permukaan yang terletak di antara serat konduktif dan matriks semen juga dikenal memainkan peran dalam sifat-sifat konduktif dari material komposit. Penelitian terdahulu telah menemukan bahwa konduktivitas listrik dari antarmuka serat-matriks tergantung dari frekuensi arus. Sebagai contoh, dari tes arus searah (DC) dan frekuensi rendah dari arus bolak balik (AC) terungkap bahwa antarmuka seratmatriks dicirikan oleh impedansi tinggi. Akibatnya konduktivitas komposit didominasi oleh sifat listrik semen. Selama frekuensi AC dinaikkan, impedansi antar-muka akan berkurang dan sifat listrik komposit sangat dipengaruhi oleh konduktivitas dari serat (Hou & Lynch 2005). Penelitian dan tinjauan komposit semen dari aspek elektronik (Chung 2001) dan aspek piezoelektrik (Huang et al. 2009, Wen et al. 2000) telah dilakukan. Sedangkan penelitian konduktivitas listrik dari komposit semen dengan penguatan serat karbon juga telah dilakukan (Wang et al. 2002, Wen & Chung 2007a, Chen et al. 2004). Konduktivitas listrik meningkat dengan meningkatnya fraksi volume serat karbon sampai batas nilai tertentu, demikian juga ukuran (panjang) serat karbon memberikan pengaruh meningkatkan konduktivitas listriknya. Konduktivitas listrik pada komposit semen dengan penguat serat karbon dapat dijelaskan berdasarkan teori perkolasi (percolation theory). Perkolasi adalah struktur dimana serat-serat yang berdekatan bersentuhan sehingga menghasilkan konduktivitas listrik yang kontinyu (Wen & Chung 2007a). Karena itu material akan sensitif terhadap adanya perubahan beban, sehingga material bisa mendeteksi perubahan ini dan berfungsi sebagai sensor.

7 13 Gambar 2 Perkolasi serat karbon dalam komposit semen Gambar 2 menunjukkan peristiwa perkolasi di mana terjadinya sentuhan antar serat karbon dalam komposit semen akibat dari adanya beban terhadap komposit tersebut. Penggunaan serat karbon dalam jumlah yang tepat dapat meningkatkan konduktivitas listriknya dengan tidak mengurangi kekuatan dari komposit tersebut. Penelitian Penggunaan Serat Karbon dalam Komposit Semen-Serat Penggunaan serat karbon dari pitch maupun PAN telah banyak dilakukan dalam penelitian pembuatan material. Wen et al. 2000, Wen dan Chung 2001, Wang et al. 2002, Yao et al. 2003, Chen et al. 2004, Chen et al. 2005, Kelly 2006, Cerny et al. 2007, Wen dan Chung 2007a, Wen dan Chung 2007b, dan Cui et al. 2008, telah melakukan penelitian dengan menggunakan serat karbon dalam pembuatan beton yang berfungsi untuk meningkatkan kekuatan serta dapat membuat sifat material beton tersebut menjadi cerdik dan fungsional (smart and functional material). Beton merupakan bahan struktural yang banyak digunakan untuk infrastruktur sipil. Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengetahui dan meningkatkan sifat struktural dari komposit dengan semen sebagai matriksnya. Namun hanya sedikit penelitian yang dilakukan terhadap sifat fungsional dari material tersebut. (Chung 2001). Dibandingkan dengan menggunakan alat yang dipasang atau ditanam pada material struktural untuk memberikan fungsi tertentu (seperti sensor), material struktural dapat dibuat dengan memberikan fungsi sensor tersebut. Konsekuensinya adalah mengurangi biaya, meningkatkan daya tahan, peningkatan volume fungsional dan tidak adanya degradasi sifat mekanik. Fungsi-fungsi yang

8 14 dibahas termasuk pendeteksian regangan, kerusakan, suhu, pengurangan getaran dan refleksi gelombang radio (Chung 2001). Untuk meningkatkan kekuatan serta bisa berfungsi sebagai material yang dapat mendeteksi kerusakan diri, telah dikembangkan beton dengan penguatan serat karbon (Wen et al. 2000, Wen & Chung 2001, Wang et al. 2002, Yao et al. 2003, Chen et al. 2004, Chen et al. 2005, Kelly 2006, Cerny et al. 2007, Wen & Chung 2007a, Wen & Chung 2007b, Cui et al. 2008). Dengan penambahan serat karbon dalam jumlah yang tepat maka akan meningkatkan kekuatan serta meningkatkan konduktivitas listriknya (electrical conductivity). Besarnya penambahan serat karbon yang pernah dilakukan adalah 0.2% sampai 1.2% berdasarkan fraksi volumenya (Yao et al. 2003). Penambahan serat yang bersifat konduktif seperti besi maupun karbon pada semen sebagai matriks sebesar kurang dari 2% berdasarkan fraksi volume dapat meningkatkan sifat mekanis dan elastis dari komposit yang dihasilkan. Penambahan serat dengan sedikit fraksi volume dari serat konduktif ini pun dapat menurunkan resistivitas listrik atau menaikkan konduktivitas listrik dari kompositnya (Hou & Lynch 2005). Pembuatan Komposit Semen-Serat Karbon dan Pengujian Sifatnya Pembuatan komposit semen dengan serat karbon komersial telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti. Wang et al. (2002) menggunakan serat karbon dari PAN yang memiliki kekuatan tarik 2928 N mm -2, modulus elastisitas N mm -2, diameter 7.2 m, berat jenis 1.76 g cm -3, dan resistivitas cm. Serat karbon dipotong dengan ukuran 1 mm sampai dengan 10 mm. Setelah itu dilarutkan dan diaduk ke dalam larutan pendispersi serat methylcellulose selama dua menit sampai dengan homogen. Pasir dan semen dengan perbandingan 2.0 dimasukkan secara perlahan ke dalam adonan dan diaduk secara terus menerus selama sekitar 3 menit. Perbandingan air dan semen yang digunakan adalah Setelah itu komposit dipindahkan ke hydrothermal hot-pressing autoclave untuk proses hidrotermal pada suhu 180 C selama satu jam. Setelah berada dalam autoclave selama 6-8 jam, komposit dikeluarkan untuk dikondisikan pada suhu ruang 25 C dengan kelembaban (RH) 100% selama 28 hari sampai dengan

9 15 pengujian. Ukuran komposit yang dibuat adalah lebar 6 mm x tebal 8 mm x panjang 36 mm. Pada saat pengujian, sampel dilapisi dengan pasta perak dan dibungkus dengan tembaga foil. Skema dari pengujian sifat mekanis dan listriknya seperti terlihat pada Gambar 3. Gambar 3 Skema pengujian sifat mekanis dan listrik komposit semen serat karbon (Wang et al. 2002) Hasil yang didapatkan oleh Wang et al. (2002) dari penelitian ini adalah pembedaan fraksi volume berpengaruh terhadap konduktivitas listrik komposit. Semakin tinggi fraksi volume yang diberikan, maka semakin besar nilai konduktivitas listriknya, dan mencapai nilai optimal pada penambahan serat karbon sekitar 2%. Sedangkan panjang serat tidak memberikan pengaruh terhadap konduktivitas listrik komposit. Wen dan Chung (2007b) menggunakan silica fume dan methyl cellulose dengan tujuan agar serat karbon tersebar secara merata sebelum dicampurkan dengan semen. Serat karbon yang digunakan adalah isotropic pitch dengan diameter 15 m dan panjang 5 mm. Sebelum dicampur dengan semen, terlebih dahulu serat diberikan perlakuan dengan dipanaskan pada suhu 110 C selama satu jam, untuk selanjutnya permukaan seratnya diberi perlakuan ozon dengan paparan gas O 3 (0.6% dari volume O 2 ) pada suhu 160 C selama 10 menit. Perlakuan ozon ini dilakukan untuk meningkatkan wettability (keterbasahan) dari serat terhadap air. Pasir yang digunakan adalah pasir alam (100% lolos saringan berukuran 2.36 mm dan mengandung 99.9% SiO 2 ). Perbandingan air dengan semen berdasarkan berat ditetapkan 0.4, sedangkan perbandingan pasir dengan semen divariasikan sebesar 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00, 1.50, 2.00, 2.50, dan 3.00 berdasarkan berat. Serat karbon yang digunakan untuk pembuatan komposit ini divariasikan antara 0% sampai dengan 3% dari berat semen yang digunakan. Pembuatan komposit dilakukan dengan mencampurkan semen portland Tipe I,

10 16 silica fume sebanyak 15% dari berat semen, methylcellulose sebanyak 0.4% dari berat semen, defoamer sebanyak 0.13 % dari volume sampel, dan serat karbon sebanyak 0.50% dari berat semen (setara dengan 0.48% berdasarkan volume). Hasil dari penelitian ini adalah pemberian serat karbon dapat digunakan untuk mendeteksi kerusakan diri dari komposit semen-serat karbon, melalui pengukuran terhadap resistivitas yang diukur seiring dengan beban yang diberikan terhadap sampel komposit. Chen et al. (2004) dan Chen et al. (2005) membuat komposit semen serat dengan menggunakan serat karbon berbasis isotropic pitch, semen protland Tipe III dan silica fume sejumlah 15% dari berat semen dan pasir yang sesuai dengan standar ISO. Perbandingan berat air dengan semen divariasikan sebesar 0.25, 0.35, 0.45 dan Perbandingan berat pasir dengan semen divariasikan sebesar 0, 1 dan 2. Pembuatan komposit ini dilakukan dengan menggunakan mixer mortar. Sebanyak 30% air digunakan untuk merendam serat supaya dapat menyebar secara merata. Carboxy methylcellulose (CMC) ditambahkan ke dalam campuran air sambil diaduk selama 20 menit dalam mixer. Sisa air sebanyak 70% dituangkan ke dalam mixer. Silica fume kemudian ditambahkan dengan mixer dijalankan dan diatur kecepatannya secara lamban selama kurang lebih sepuluh detik. Selanjutnya semua semen ditambahkan dan dicampur dengan memerlukan waktu sekitar 30 detik. Dengan mixer yang masih berjalan, pasir dituangkan selama kurang lebih 30 detik, untuk selanjutnya mixer tetap dijalankan selama 30 detik berikutnya dengan kecepatan yang lamban. Kecepatan mixer diubah menjadi kecepatan sedang selama satu menit. Adonan komosit tersebut dimasukkan ke dalam cetakan plexiglass dengan ukuran 40 x 40 x 160 mm. Dua buah elektroda tembaga dengan ketebalan 2 mm dimasukkan ke dalam adonan komposit yang masih basah. Setelah dikondisikan dalam suhu ruangan selama 24 jam, komposit kemudian diambil dalam cetakan untuk selanjutnya dikondisikan di ruang lembab sampai dengan waktu pengujian. Deskripsi gambar dari penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 4.

11 17 a b Gambar 4 (a) Komposit semen serat dengan dua elektroda yang ditanam dalam kompositnya (Chen et al. 2004), (b) Skema pengujian sifat mekanik dan konduktivitas listrik komposit semen serat karbon (Chen et al. 2005) Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa penambahan serat karbon dalam komposit semen meningkatkan konduktivitas listriknya, baik berdasarkan perbandingan air dengan semen maupun berdasarkan perbandingan pasir dengan semen yang berbeda. Nilai optimum dari penambahan serat karbon adalah sebesar 0.8% berdasarkan volume seperti pada Gambar 5. Gambar 5 Hubungan antara konduktivitas listrik dengan kandungan serat karbon berdasarkan (a) perbandingan air dengan semen yang berbeda dan (b) perbandingan pasir semen yang berbeda (Chen et al. 2004)