PENDAHULUAN Latar Belakang

Transkripsi

1 PENDAHULUAN Latar Belakang Komposit dengan menggunakan semen sebagai matriksnya dapat digunakan sebagai bahan untuk struktur bangunan maupun bukan untuk struktur bangunan. Contoh penggunaannya misalnya pada infrastruktur sipil seperti bangunan gedung serta prasarana transportasi misalnya jalan, jembatan, dan paving concrete. Meningkatnya permintaan akan bahan struktur maupun non struktur ini berpengaruh pada semakin meningkatnya kebutuhan untuk meningkatkan fungsi lain dari material ini. Pendeteksian terhadap kerusakan bangunan sangat diperlukan. Teknologi pendeteksian kerusakan bangunan yang sudah dilakukan adalah dengan menggunakan serat optik sebagai sensor beban yang terhubung dengan sistem monitoring kerusakannya (Lau et al. 2002). Hal tersebut terkendala dalam masalah biaya pembuatan. Apalagi jika sistem tersebut digunakan untuk infrastruktur kecil seperti bangunan rumah. Saat ini telah banyak penelitian yang dilakukan untuk pendeteksian kerusakan infrastruktur bangunan ditinjau dari materialnya sendiri. Salah satu contohnya adalah penelitian tentang pembuatan material beton yang dapat mendeteksi kerusakan diri. Penelitian tentang komposit semen-serat karbon, dalam hal ini beton, yang memiliki kemampuan untuk mendeteksi kerusakan diri dengan penguatan serat karbon (self detecting carbon reinforced concrete) mencoba menyelesaikan sekaligus masalah kekuatan dan fungsinya. Semen biasa yang juga disebut semen portland (Portland cement) diperkuat dengan serat karbon yang mempunyai sifat konduktif dan berkekuatan tinggi akan menghasilkan komposit beton yang kuat dan dapat berfungsi sebagai sensor untuk mendeteksi regangan (strain sensing), kerusakan (damage sensing), maupun suhu (temperature sensing) (Chung 2001). Untuk meningkatkan kekuatan serta bisa berfungsi sebagai material yang dapat mendeteksi kerusakan diri, telah dikembangkan beton dengan penguatan

2 2 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). Penambahan serat karbon dalam jumlah yang tepat akan meningkatkan kekuatan dan konduktivitas listriknya (electrical conductivity). Besarnya penambahan serat karbon yang pernah dilakukan adalah 0.2% sampai 1.2% berdasarkan fraksi volumenya (Yao et al. 2003). Penelitian dan tinjauan komposit semen dari aspek elektronik (Chung 2001a, Chung 2001b) dan aspek piezoelektrik (Huang et al. 2009, Wen et al. 2000) telah dilakukan. Sedangkan penelitian konduktivitas listrik (electrical conductivity) dari komposit semen dengan penguatan serat karbon juga telah dilakukan (Wang et al. 2002, Wen & Chung 2007a, Chen et al. 2004). Konduktivitas listrik meningkat seiring dengan meningkatnya fraksi volume serat karbon, 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 dan lain-lain, sehingga material bisa mendeteksi perubahan ini dan berfungsi sebagai sensor. Serat karbon (carbon fiber) komersial dibuat dari dua macam material awal (precursor) yaitu textile precursor dan pitch precursor (Mallick 2008). Untuk textile precursor yang umum digunakan adalah polyacrylonitrile (PAN). Sedangkan 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 membuat harga serat karbon cukup mahal. Bentuk serat karbon di pasaran ada tiga macam yaitu serat panjang, serat pendek (6-50 mm), dan serbuk ( µm). Serat karbon komersial memiliki kekuatan yang sangat tinggi, misalnya modulus tarik antara 207 GPa 1035 GPa. Serat karbon dari PAN mempunyai konduktivitas panas dan konduktivitas listrik yang lebih rendah dibandingkan dengan serat karbon dari pitch. Konduktivitas panas dari serat karbon PAN

3 3 sebesar W m -1 K sedangkan dari pitch sebesar W m -1 K. Konduktivitas listrik serat karbon PAN S m -1 lebih rendah dibandingkan dengan konduktivitas listrik karbon pitch S m -1. Modulus tarik dari serat karbon picth sangat tinggi, tetapi kekuatan tarik lebih rendah dari PAN (Mallick 2008). Karena sifat-sifat di atas, maka komposit semen dengan penguatan serat karbon biasanya yang berasal dari pitch. Chen et al. (2005) membuat komposit beton diperkuat serat karbon berasal dari pitch dengan sifat-sifat: diameter 7 µm, densitas 1.78 g cm -3, kekuatan tarik GPa, elongation at break 1,25-1,60 %, kandungan karbon >95%, dan resistivitas listrik Ω cm. Penggunaan serat karbon komersial terutama jenis pitch untuk pembuatan komposit dengan matriks semen telah banyak dilakukan (Chen et al. 2004, Cerny et al. 2007). Mahalnya harga serat karbon komersial baik PAN maupun pitch menyebabkan pencarian akan bahan alternatif pengganti serat karbon mulai dilakukan. Serat alam merupakan material yang potensial untuk dikembangkan sebagai bahan baku pada pembuatan komposit dengan semen sebagai matriksnya. Penelitian pemanfaatan berbagai serat alam seperti bambu, tandan kosong sawit, sisal untuk memperkuat komposit semen telah banyak dilakukan (Sulastiningsih & Subyakto 2003, Budiman et al. 2005, Budiman et al. 2006, Budiman et al. 2008, Budiman et al. 2009a, Budiman et al. 2009b). Adapun pembuatan karbon (arang) dari serat alam seperti kayu, bambu, serat sabut kelapa atau kelapa sawit juga telah banyak dilakukan (Pari & Abdurahim 2003, 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 nilai konduktansi listrik di bawah 10 Ω -1. Pada suhu karbonisasi 2200 C didapatkan konduktansi listrik untuk bagian-bagian kelapa sawit seperti tandan kosong, pelepah, batang, dan

4 4 tempurung sebesar 272, 287, 377, dan 476 Ω -1 (Subyakto et al. 2004). Dari hasilhasil penelitian di atas maka dapat ditarik kesimpulan bahwa arang dari serat alam yang dibuat pada suhu di atas 800 C akan mempunyai konduktivitas listrik yang baik. Beberapa penelitian 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 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. Aktivasi terhadap arang ini diharapkan dapat meningkatkan konduktivitas listrik arang dan material komposit yang dibuat dengan arang sebagai bahannya. Perumusan Masalah Permasalahan pertama dalam pembuatan komposit semen dengan penguatan serat karbon dari serat alam adalah bagaimana membuat serat karbon dari serat alam yang mempunyai sifat-sifat mendekati serat karbon komersial. Berdasarkan hal tersebut akan dibuat serat karbon dari sabut kelapa dengan proses pengarangan pada suhu rendah sampai tinggi ( C). Hasilnya akan dikarakterisasi sifat-sifat arang, struktur serat, topografi permukaan, serta sifat listriknya. Permasalahan kedua adalah bagaimana membuat komposit semen-serat dengan sifat yang diinginkan yaitu material cerdik dan fungsional yang dapat mendeteksi kerusakan diri. Untuk itu akan dibuat komposit semen dengan penguatan serat karbon dari serat alam dengan mengamati pengaruh persentase serat karbon, campuran (pasir, silica fume, carboxy methylcellulose), serta metode pembuatannya. Komposit akan dikarakterisasi sifat-sifat fisik, mekanik, dan konduktivitas listriknya serta respon deteksinya terhadap kerusakan yang ditimbulkan oleh beban yang diberikan padanya.

5 5 Tujuan Penelitian 1. Mengetahui pola perubahan struktur dari serat sabut kelapa menjadi karbon 2. Mendapatkan kondisi suhu dan waktu karbonisasi yang optimal berdasarkan pola struktur, penampakkan dan konduktivitas listriknya. 3. Mengetahui pengaruh perlakuan perendaman serat karbon sabut kelapa dengan larutan KOH terhadap pola struktur, penampakkan dan konduktivitas listriknya 4. Mengetahui pengaruh perlakuan perendaman serat karbon dengan larutan KOH terhadap kekuatan dan kemampuan pendeteksian kerusakan diri dari komposit semen karbon Hipotesis 1. Proses pembentukan arang akan menimbulkan perubahan pola struktur pada serat 2. Pembedaan kandungan serat karbon pada komposit menimbulkan perbedaan sifat listrik pada kompositnya Manfaat Penelitian 1. Menyediakan informasi mengenai sifat dan struktur sabut kelapa dan arangnya serta pemanfaatannya pada komposit semen-serat yang dapat memiliki kemampuan pendeteksian kerusakan diri. 2. Meningkatkan nilai tambah sabut kelapa