BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. POLIETILENA SEBAGAI POLIMER Polietilena (Polyetylene ) merupakan suatu polimer yang terbentuk dari banyak unit yang berulang dari monomer etilena. H H H H n C C C C H H H H Etilena (monomer ) Polietilena (Polimer ) Gambar 2.1. Etilena suatu monomer dan unit berulang polietilena Polietilena disebut juga polietena atau politena merupakan etena homopilimer memiliki berat molekul dengan perbandingan C (85,7%) dan H (14,3%), dapat dibuat melalui proses polimerisasi etilena cair pada suhu dan tekanan tinggi atau rendah. Polietilena adalah bahan termoplastik yang transparan berwana putih mempunyai titik leleh bervariasi antara 110 o C 137 o 6 C. Umumnya polietilena bersifat resisten terhadap zat kimia. Pada suhu kamar, polietilena tidak larut dalam pelarut organik dan anorganik (Bilmeyer, 1994). Polietilena dapat teroksidasi diudara pada temperatur tinggi atau dengan sinar UV. Struktur rantai polietilena dapat berupa linier atau berikatan silang.

2 Polietilena adalah bahan termoplastik yang kuat dan dapat dibuat dari yang lunak sampai yang kaku. Ada dua jenis polietilena yaitu polietilena densitas rendah (low-density polyethylene/ldpe) dan polietilen densitas tinggi (highdensity polyethylene/hdpe). LDPE relatif lemas dan kuat, digunakan antara lain untuk pembuatan kantong kemasan, tas, botol, industri bangunan, dan lain-lain. HDPE sifatnya lebih keras, kurang transparan dan tahan panas sampai suhu 170 o C. Campuran polietilena densitas rendah dan polietilena densitas tinggi dapat digunakan sebagai bahan pengganti karet, mainan anak-anak, dan lain-lain (Azizah, 2004). Low Density Polyetylene memiliki struktur rantai percabangan yang tinggi dengan cabang yang panjang dan pendek. Sedangkan High Density Polyetylene mempunyai struktur rantai lurus dan Linier Low Density Polyetylene (LLDPE) memiliki rantai polimer yang lurus dan rantai-rantai bercabang yang pendek. Sedikitnya cabang-cabang pada rantai akan memperkuat gaya ikatan antar molekul. Dengan berdekatannya rantai-rantai utama akan menaikkan kristalinitas, rapat massa dan kekuatannya. Adanya beberapa struktur dari polietilena akan memberikan sifat fisik yang berbeda dari bahan polimer. Struktur rantai bercabang mempunyai kekuatan yang lebih rendah karena cabang-cabang akan mengurangi gaya-gaya ikatan antar molekul. Proses pembuatan rantai dari polimer termoplastik polietilena secara umum dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu : a. Proses dengan kondisi pada tekanan tinggi yang menghasilkan LDPE. b. Proses dengan kondisi pada tekanan rendah yang menghasilkan HDPE. Polietilena adalah polimer yang termasuk golongan poliolefin, dengan berat molekul rata-rata (Mw) = Jenis polietilena yang banyak adalah LDPE, yang mepunyai rantai cabang, yanng banyak digunakan sebagai kemasan yaitu sekitar 44,5% dari plastik kemasan, kemudian HDPE yang tidak

3 7 mempunyai rantai cabang, tapi merupakan rantai utama yang lurus sekitar 25,4% (Cowd, 1991). Sifat-sifat dari polietilena sangat dipengaruhi oleh struktur rantai dan kerapatannya. LDPE lebih bersifat elastis dibanding HDPE. Hal ini karena sifat kristalinitasnya rendah disebabkan adanya cabang-cabang dari rantai polimer itu, sedangkan HDPE mempunyai sifat kristalinitas lebih tinggi dan lebih kaku, HDPE merupakan polimer linier. Dengan adanya perbedaan bentuk rantai dan kerapatan ini dapat menyebabkan perbedaan sifat kedua jenis polietilen tersebut. Sedangkan LLDPE merupakan suatu jenis polietilena yang paling prospektif karena kemudahan proses pembuatan dan diproduksi dalam berbagai pembuatan yaitu proses polimerisasi menggunakan berbagai jenis katalis Ziger Natta. Sifatsifat LLDPE sangat dipengaruhi oleh kromomer yang ditambahkan. LLDPE dapat digunakan dalam berbagai produk dan aplikasi sebagai kemasan berbentuk film, botol tabung dan penutup (Cowd, 1991) TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT SEBAGAI LIMBAH Sisa olahan berbentuk padatan dari pabrik kelapa sawit umumnya berbentuk tandan kosong, cangkang dan serat buah. Dari berbagai jenis komponen sisa olahan pabrik kelapa sawit yang dihasilkan itu, TKKS merupakan komponen yang paling banyak. Gambar 2.2. Pohon Kelapa Sawit, Tandan Kelapa Sawit dan Serat

4 TKKS banyak mengandung serat disamping zat-zat lainnya. Bagian dari tandan yang banyak mengandung serat atau selulosa adalah bagian pangkal dan ujungnya yang runcing dan keras. Secara umum sifat fisik dan morfologi serat TKKS diperlihatkan pada tabel berikut Tabel 2.1. Sifat Fisik dan Morfologi Tandan Kosong Kelapa Sawit Parameter Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Bagian Pangkal Bagian ujung Panjang Serat (mm) 1,20 0,76 Diameter Serat (µm) 15,0 114,34 Tebal dinding (µm) 3,49 3,68 Kadar serat (%) 72,67 62,47 Kadar non serat (%) 27,33 37,53 ( Darnoko, dkk, 1995) Sementara komposisi dan sifat kimia dari Serat TKKS seperti diperlihatkan tabel berikut. Tabel 2.2. Komposisi dan Sifat Kimia Tandan Kosong Kelapa Sawit Komponen Kimia Komposisi ( % ) Lignin 22,23

5 Ekstraktif 6,37 Pentosan 26,69 α- selulosa 37,76 Holoselulosa 68,88 Abu 6,59 Kelarutan dalam : 1% Na OH Air dingin Air panas 29,96 13,89 16,17 ( Darnoko, dkk, 1995) 2.3. KOMPOSIT Komposit adalah penggabungan dari dua atau lebih material yang berbeda sebagai suatu kombinasi yang menyatu. Bahan komposit pada umumnya terdiri dari dua unsur, yaitu serat (fiber) sebagai pengisi dan bahan pengikat serat tersebut yang disebut matrik. Didalam komposit unsur utamanya adalah serat, sedangkan bahan pengikatnya menggunakan bahan polimer yang mudah dibentuk dan mempunyai daya pengikat yang tinggi. Penggunaan serat sendiri yang utama adalah untuk menentukan karakteristik bahan komposit, seperti : kekakuan, kekuatan serta sifat-sifat mekanik lainnya. Sebagai bahan pengisi serat digunakan untuk menahan sebagian besar gaya yang bekerja pada bahan komposit, matrik sendiri mempunyai fungsi melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik terhadap gaya-gaya yang terjadi. Oleh karena itu untuk bahan serat

6 digunakan bahan yang kuat, kaku dan getas, sedangkan bahan matrik dipilih bahan-bahan yang liat, lunak dan tahan terhadap perlakuan kimia. Salah satu keuntungan material komposit adalah kemampuan material tersebut untuk diarahkan sehingga kekuatannya dapat diatur hanya pada arah tertentu yang kita kehendaki, hal ini dinamakan tailoring properties. Ini adalah salah satu sifat istimewa komposit yaitu ringan, kuat, tidak terpengaruh korosi dan mampu bersaing dengan logam, tidak kehilangan karakteristik dan kekuatan mekanisnya Klasifikasi Bahan Komposit Klasifikasi komposit dapat dibentuk dari sifat dan strukturnya. Bahan komposit dapat diklasifikasikan kedalam beberapa jenis. Secara umum klasifikasi komposit sering digunakan antara lain : 1. Klasifikasi menurut kombinasi material utama, seperti metal-organic atau metal anorganic. 2. Klasifikasi menurut karakteristik bulk-form, seperti sistem matrik atau laminate. 3. Klasifikasi menurut distribusi unsur pokok, seperti continous dan discontinous. 4. Klasifikasi menurut fungsinya, seperti elektrikal atau structural (Schwartz, 1984). Sedangkan klasifikasi untuk komposit serat (fiber-matrik composites) dibedakan menjadi beberapa macam antara lain ; 1. Fiber composites (komposit serat) adalah gabungan serat dengan matrik. 2. Flake composites adalah gabungan serpih rata dengan matrik. 3. Particulate composites adalah gabungan partikel dengan matrik.

7 4. Filled composites adalah gabungan matrik continous skeletal dengan matrik yang kedua. 5. Laminar composites adalah gabungan lapisan atau unsur pokok lamina (Schwartz,1984 : 16). Secara umum bahan komposit terdiri dari dua macam, yaitu bahan komposit partikel (particulate composite) dan bahan komposit serat (fiber composite). Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh matrik. Bahan komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat oleh matrik yang saling berhubungan Tipe Komposit Serat Untuk memperoleh komposit yang kuat harus dapat memempatkan serat dengan benar. Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat 11 pada komposit yaitu : 1. Continuous Fiber Composite Tipe ini mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara matriknya. Jenis komposit ini paling sering digunakan. Tipe ini mempunyai kelemahan pada pemisahan antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriknya. 2. Woven Fiber Composite (bi-directional) Komposit ini tidak mudah dipengaruhi pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan akan melemah. 3. Discontinuous Fiber Composite

8 4. Discontinuous Fiber Composite adalah tipe komposit dengan serat pendek. Tipe ini dibedakan lagi menjadi 3 jenis (Gibson, 1994 : 157) a) Aligned discontinuous fiber b) Off-axis aligned discontinuous fiber c) Randomly oriented discontinuous fiber Gambar Tipe discontinuous fiber (Gibson, 1994) 5. Hybrid Fiber Composite Hybrid fiber composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus dengan serat acak. Tipe ini digunakan supaya dapat menganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya. Gambar 2.4. Tipe komposit serat

9 Faktor-faktor yang mempengaruhi Performa Komposit Terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi performa Fiber- Matrik Composites antara lain : 1. Faktor Serat Serat adalah bahan pengisi matrik yang digunakan untuk dapat memperbaiki sifat dan struktur matrik yang tidak dimilikinya, juga diharapkan mampu menjadi bahan penguat matrik pada komposit untuk menahan gaya yang terjadi. a. Letak Serat Dalam pembuatan komposit tata letak dan arah serat dalam matrik yang akan menentukan kekuatan mekanik komposit, dimana letak dan arah dapat mempengaruhi kinerja komposit tersebut. Menurut tata letak dan arah serat diklasifikasikan menjadi tiga bagian yaitu: 1). One dimensional reinforcement, mempunyai kekuatan dan modulus maksimum pada arah axis serat. 2). Two dimensional reinforcement (planar), mempunyai kekuatan pada dua arah atau masing-masing orientasi serat. 3). Three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic. b. Panjang Serat Panjang serat dalam pembuatan komposit serat pada matrik sangat berpengaruh terhadap kekuatan. Ada dua penggunaan serat dalam campuran komposit yaitu serat pendek dan serat panjang. Ada serat alami dan ada juga serat sintetis. Serat alami jika dibandingkan dengan serat sintetis mempunyai panjang dan diameter yang tidak

10 seragam pada setiap jenisnya. Oleh karena itu panjang dan diameter sangat berpengaruh pada kekuatan maupun modulus komposit. Panjang serat berbanding diameter serat sering disebut dengan istilah aspect ratio. Serat pendek lebih mudah peletakannya dibanding serat panjang. Panjang serat mempengaruhi kemampuan proses dari komposit serat. Pada umumnya, serat panjang lebih mudah penanganannya jika dibandingkan dengan serat pendek. Sedangkan komposit serat pendek, dengan orientasi yang benar, akan menghasilkan kekuatan yang lebih besar jika dibandingkan continous fiber. c. Bentuk Serat Bentuk Serat yang digunakan untuk pembuatan komposit tidak begitu mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah diameter seratnya. Pada umumnya, semakin kecil diameter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang lebih tinggi. Selain bentuknya kandungan seratnya juga mempengaruhi (Schwartz, 1984 : 14). 2. Faktor Matrik Matrik dalam komposit berfungsi sebagai bahan mengikat serat menjadi sebuah unit struktur, yang melindungi dari perusakan eksternal, meneruskan atau memindahkan beban eksternal pada bidang geser antara serat dan matrik, sehingga matrik dan serat saling berhubungan. Bahan Polimer yang sering digunakan sebagai material matrik dalam komposit ada dua macam adalah thermoplastik dan termoset. Thermoplastik dan termoset ada banyak jenisnya yaitu:

11 a. Thermoplastik, bahan-bahan yang tergolong diantaranya Polyamide (PI), Polysulfone (PS), Poluetheretherketone (PEEK), Polyhenylene Sulfide (PPS) Polypropylene (PP), Polyethylene (PE) dan lain-lain. b. Thermoset, bahan-bahan yang tergolong diantaranya Epoksi, Polyester. Phenolic, Plenol, Resin Amino, Resin Furan dan lain-lain. 3. Faktor Ikatan Fiber-Matrik Komposit serat yang baik harus mampu menyerap matrik yang memudahkan terjadi antara dua fase (Schwartz, 1984 : 1.12). Selain itu komposit serat juga harus mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan yang tinggi, karena serat dan matrik berinteraksi dan pada akhirnya terjadi pendistribusian tegangan. Kemampuan ini harus dimiliki oleh matrik dan serat. Hal yang mempengaruhi ikatan antara serat dan matrik adalah void, yaitu adanya celah pada serat atau bentuk serat yang kurang sempurna yang dapat menyebabkan matrik tidak akan mampu mengisi ruang kosong pada cetakan. Bila komposit tersebut menerima beban, maka daerah tegangan akan berpindah ke daerah void sehingga akan mengurangi kekuatan komposit tersebut. Pada pengujian tarik komposit akan berakibat lolosnya serat dari matrik (Schwartz, 1984 : 1.13) ANHYDRIDA MALEAT SEBAGAI ADITIF Anhydrida maleat (2-5-furandion; cis-butenedioik anhidrat) dengan rumus umum C 4 H 2 O 3 dengan berat molekul 98,06 dapat dibuat dengan mensublimasi asam maleat dan P 2 O 5 dengan menurunkan tekanan. O O Gambar 2.5. Anhydrida maleat

12 Secara tradisional anhibrida maleat dibuat dengan mengoksidasi benzen atau senyawa aromatik. Karena harga benzen yang tinggi, sekarang pembuatan anhibrid maleat dilakukan dengan menggunakan n-butana dengan reaksi seperti berikut. CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 3,5 O 2 CH 2 (CO) 2 O + 4 H 2 O Anhydrida maleat larut dalam 100 gr pelarut pada suhu 25 o C. Anhydrida maleat digunakan pada proses sintesa diena (sintesa Diehls Alder), reaksi kopolimerisasi, pembuatan resin-alkil dan bidang farmasi. Bersifat sangat iritatif. Umumnya senyawa dengan dua karbon ikatan rangkap dan karbon oksigen. Anhydrida maleat dengan berat molekul 98,06 larut dalam air, meleleh pada temperatur 57 o C sampai 60 o C, mendidih pada 202 o C dan specific grafity 1,5 (Gaylord, 1981) BENZOIL PEROKSIDA SEBAGAI INISIATOR Benzoil peroksida merupakan senyawa peroksida yang berfungsi sebagai inisiator dalam proses polimerisasi dan dalam pembentukan ikatan silang dari berbagai material polimer. Senyawa peroksida ini dapat digunakan sebagi pembentuk radikan bebas. Peroksida organik seperti benzoil peroksida diuraikan dengan mudah untuk menghasilkan radikal bebas benzoil. Benzoil peroksida memiliki waktu paruh 0,37 jam pada suhu 100 o C. Penambahan sejumlah zat pembentuk radikal akan memberikan ikatan polimer (Al-Malaika, 1997) PENCAMPURAN POLIMER Proses pencampuran dalam pembuatan polimer secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu :

13 1. Proses fisika, terjadi pencampuran secara fisik antara dua jenis polimer atau lebih yang memiliki struktur yang berbeda, tidak membentuk ikatan ekivalen antara komponen-komponennya. 2. Proses kimia, menghasilkan kopolimer yang ditandai dengan terjadinya ikatan-ikatan kovalen antar polimer penyusunnya. Interaksi yang terjadi didalam campuran ini berupa ikatan vander walls, ikatan hidrogen atau interaksi dipol-dipol. Pencampuran polimer komersial dapat dihasilkan dari polimer sintetik dengan polimer alam. Pencampuran yang dihasilkan dapat berupa campuran homogen dan campuran heterogen Pencampuran Polietilena dengan Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit Proses pencampuran antar matriks dengan filler mencakup dua jenis pencampuran yaitu pencampuran distributif dan pencampuran dispersif. Contoh pencampuran distributif diantaranya pencampuran bahan aditif pada seperti antioksidan, pengisi, pigmen atau penguat kedalam matriks polimer. Proses pencampuran ini memerlukan bahan pendispersi dan bahan penghubung untuk mendapatkan hasil campuran yang homogen. Bahan pengisi kayu dan serat (selulosa) yang ringan, murah, dan tersedia dalam jumlah besar dapat diolah secara distributif dengan matriks polimer Kompatibilitas Pencampuran Polietilena dengan Serat Polietilena dan serat tandan kosong kelapa sawit merupakan dua bahan polimer yang sukar bercampur homogen, karena sifat kopolarannya berbeda. Karena itu proses pencampurannya adalah distributif. Untuk mendapatkan campuran yang homogen, prosesnya tidak dapat dilakukan dengan cara konvensional, yang hanya melibatkan interaksi fisik antar komponen polimer. Campuran polimer yang dihasilkan dengan metode

14 campuran lelehan (melt- mixing) lebih baik dari pada pencampuran dalam larutan. Buruknya interaksi antara bagian-bagian molekul menyebabkan tingginya tegangan antar muka pada lelehan yang mengakibatkan sulitnya mendispersikan komponen penyusun sebagaimana mestinya selama pencampuran dan rendahnya adhesi antar muka dari komponen-komponen tersebut. Gejala ini berakibat dininya kegagalan mekanik dan kerapuhan polimer. Cara untuk mengatasi hal ini disebut kompatibilisasi (Al-Malaika, 1997) KARAKTERISASI PAPAN PARTIKEL KOMPOSIT Karakterisasi dari papan partikel komposit dilakukan untuk mengetahui dan menganalisis campuran polimer dengan serat. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan pengujian berdasarkan pada standar SNI yang meliputi sifat fisik seperti kerapatan, kadar air, dan pengembangan tebal serta sifat mekanis seperti kuat patah (MOR), modulus elastis (MOE), kuat rekat internal, dan kuat impak. Karakteristik papan partikel komposit dari SNI sebagai acuan untuk menentukan kualitas diperlihatkan tabel berikut. Tabel 2.3. Sifat Fisis dan Mekanis dari Papan Partikel No. Sifat Fisik / Mekanik SNI Kerapatan (gr/cm 3 ) 0,40-0,90 2. Kadar air (%) < Pengembangan tebal (%) Maks Kuat Lentur (MOR) (kgf/cm 2 ) Min Modulus elastis (MOE) (kgf/cm 2 ) Min Kuat Rekat Internal (kg/cm 2 ) Min 1,5 7. Kuat Impak - (Sumber : Badan Standararisasi Nasional, 2006).

15 Pengujian Sifat Fisik Untuk mengetahui sifat fisik papan partikel komposit dilakukan pengujian kerapatan (ρ) dan kadar air (KA) dan pengembangan tebal (PT) seperti berikut : 1. Kerapatan (ρ) Pengujian kerapatan dilakukan pada kondisi kering udara dan volome kering udara, sampel berukuran 10cm x 10cm x 1cm ditimbang beratnya, lalu diukur rata-rata panjang, lebar dan tebalnya untuk menentukan volumenya. Kerapatan sampel panel komposit dihitung dengan rumus : ρ = (2.1) Dimana : ρ m V : kerapatan (gr/cm3) : berat sampel (gram) : volume sampel (cm3) 2. Kadar Air (KA) Kadar air dihitung dari massa sampel sebelum dan sesudah perendaman dalam air selama 24 jam pada sampel berukuran 5cm x 5cm x 1cm dengan rumus : Dimana : KA = (2.2)

16 KA : kadar air (%) m1 m2 : berat sampel sebelum perendaman (gram) : berat sampel sesudah perendaman (gram) Pada waktu perendaman sampel diletakkan pada kedalaman 3 cm dari atas permukaan air. 3. Pengembangan Tebal Pengembangan tebal dihitung atas tebal sebelum dan sesudah perendaman dalam air selama 24 jam pada sampel berukuran 5cm x 5cm x 1cm, dengan rumus : PT = (2.3) Dimana : PT : pengembangan tebal (%) T1 T1 : tebal sampel sebelum perendaman (cm) : tebal sampel sesudah perendaman (cm) Pengujian Sifat Mekanik Untuk mengetahui sifat-sifat mekanik dari suatu bahan harus dilakukan beberapa pengujian dengan cara yang berbeda-beda. 1. Pengujian Kuat Lentur (MOR).

17 Pengujian kuat lentur (Modulus of Rufture) dilakukan dengan Universal Testing Machine (Electric System) Type : CS-2 DE, MFG. No: 6079 Cap.: 2000 kgf, Tokyo Testing Machine MFG. Co. Ltd. Nilai MOR dihitung dengan rumus : σ = (2.4) Dimana : σ : Modulus of Rufture (kgf/cm 2 ) b : lebar sampel (cm) P : beban maksimum (kg) d : tebal sampel (cm) L : jarak sangga (cm) Gambar 2.6. Universal Testing Machine Pengujian Modulus Elastis (MOE). Pengujian modulus elastis (Modulus of Elastic) dilakukan bersama-sama dengan pengujian keteguhan atau kuat lentur, dengan menggunakan sampel yang sama. Besarnya defleksi yang terjadi pada saat pengujian dicatat pada setiap selang beban tertentu, nilai MOE dihitung dengan rumus: (2.5) Dimana :

18 E f : Modulus of Elastic (kgf/cm 2 ) b : lebar sampel (cm) P : beban (kg) d : tebal sampel (cm) L : jarak sangga (cm) : lenturan pada beban (cm) P L L d Gambar 2.7. Pemasangan sampel 3. Pengujian Kuat Rekat Internal Kuat Rekat Internal dilakukan untuk sampel uji berukuran 5cm x 5cm x 1cm direkatkan pada dua buah blok aluminium dengan perekat besi atau logam dan dibiarkan mengering selama 24 jam. Kedua blok ditarik tegak 22 lurus terhadap permukaan sampel sampai beban maksimum. Kuat rekat internal dihitung dengan menggunakan rumus : KRI = (2.6) Dimana : KRI : kuat rekat Internal (kgf/cm 2 ) P maks : berat beban maksimum (kgf) A : luas permukaan sampel uji (cm 2 ) 4. Pengujian Kuat Impak

19 Untuk pengujian kuat impak specimen berukuran 5cm x 10cm x 1cm. Kekuatan impak adalah suatu kriteria penting untuk mengetahui kegetasan bahan polimer. Pengujian impak dapat dilakukan dengan menggunakan alat model WOLPERT Type: CPSA Com. No.: /0000, Cap. Max: 4 joule, West Germany. Gambar 2.8. Alat Uji Kuat Impak