Konstituen Komposit Matriks KOMPOSIT

5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 KOMPOSIT

Orang-orang telah membuat komposit selama ribuan tahun. Salah satu contoh adalah lumpur batu bata. Lumpur dapat dikeringkan menjadi bentuk batu bata yang dapat digunakan sebagai bahan bangunan. Batu bata ini cukup kuat jika kita mencoba untuk memukulnya memiliki kuat tekan yang baik tapi akan patah dengan cukup mudah jika kita mencoba untuk menekuknya memiliki kekuatan tarik rendah. Jerami tampaknya sangat kuat jika kita mencoba untuk meregangkan itu, tetapi kita dapat meremas itu mudah. Dengan mencampurkan lumpur dan jerami bersama-sama adalah mungkin untuk membuat batu bata yang tahan terhadap kedua sifat ini dan membuat blok bangunan yang sangat baik. [20]. Komposit adalah material yang terdiri dari dua atau lebih bahan yang terpisah dikombinasikan dalam unit struktural makroskopik yang terbuat dari berbagai kombinasi dari tiga bahan [21]. Dari pencampuran tersebut akan dihasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Material komposit mempunyai sifat yang berbeda dari material yang umum atau biasa digunakan [22]. Tujuan pembuatan komposit yaitu sebagai berikut [23] : - Memperbaiki sifat mekanik danatau sifat spesifik tertentu - Mempermudah design yang sulit pada manufaktur - Keleluasaan dalam bentukdesign yang dapat menghemat biaya - Menjadikan bahan lebih ringan

2.1.1 Konstituen Komposit

Pada prinsipnya, komposit dibentuk berdasarkan kombinasi antara dua atau lebih material seperti bahan logam, organik ataupun nonorganik. Meskipun ada terdapat kombinasi bahan yang tidak terbatas, tetapi bentuk konstituen lebih terbatas. Bentuk konstituen yang umum digunakan dalam bahan komposit yaitu serat, partikel, laminae lapisan, serpihan flakes, pengisi, dan matriks. Matriks merupakan konstituen utama yang melindungi dan memberikan bentuk pada komposit. Serat, Universitas Sumatera Utara 6 partikel, laminae, serpihan, dan pengisi merupakan konstituen struktural. Hal ini berarti bahwa mereka menentukan struktur internal dari komposit. Secara umum, meskipun tidak selalu konstituen struktural dianggap sebagai fasa tambahan. Jenis komposit yang paling umum dijumpai adalah jenis dimana konstituen struktural dikelilingi dalam matriks, tetapi ada banyak komposit juga yang tidak memiliki matriks dan tersusun dari satu atau lebih bentuk konstituen yang merupakan gabungan dua atau lebih bahan. Sebagai contoh istilah sandwich dan laminates merupakan susunan dari beberapa lapis yang bila digabung akan memberikan bentuk komposit. Banyak barang tenunan tidak memiliki matriks konstituen tetapi terdiri dari serat dengan sejumlah komposisi dengan atau tanpa ikatan fasa [24].

2.1.2 Matriks

Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar dominan. Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut [23]. : 1. Mentransfer tegangan ke serat. 2. Membentuk ikatan koheren. 3. permukaan matrikserat. 4. Melindungi serat. 5. Memisahkan serat. 6. Melepas ikatan. 7. Tetap stabil setelah proses manufaktur Berdasarkan jenis matrik yang digunakan komposit dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama yaitu: 1. Komposit matrik logam Metal Matrix CompositesMMC, Komposit matrik logam Metal Matrix Composites ditemukan berkembang pada industri otomotif, Metal Matrix Composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida . Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah continous filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aerospace. Contoh : alumunium, titanium, magnesium. Universitas Sumatera Utara 7 Kelebihan MMC dibandingkan dengan komposit polimer yaitu : a. Transfer tegangan dan regangan yang baik. b. Ketahanan terhadap suhu tinggi c. Tidak menyerap kelembapan. d. Tidak mudah terbakar. e. Kekuatan tekan dan geser yang baik. f. Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik Kekurangan MMC : a. Biayanya mahal b. Standarisasi material dan proses yang sedikit c. Mempunyai keuletan yang tinggi d. Mempunyai titik lebur yang rendah e. Mempunyai densitas yang rendah 2. Komposit matrik keramik Ceramic Matrix CompositesCMC Komposit matrik keramik ceramic matrix composites digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai penguat dan 1 fasa sebagai matrik, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut whiskers dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida. Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah : a. Gelas anorganic. b. Keramik gelas c. Alumina d. Silikon Nitrida Keuntungan dari CMC : a. Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam b. Sangat tanggung , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron c. Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus d. Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi e. Tahan pada temperatur tinggi Universitas Sumatera Utara 8 f. Kekuatan ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi Kerugian dari CMC : a. Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar b. Relatif mahal dan non-cot effective c. Hanya untuk aplikasi tertentu 3. Komposit matrik polimer polymer matrix compositesPMC Komposit ini menggunakan bahan polimer sebagai matriknya. Secara umum, sifat-sifat komposit polimer ditentukan oleh sifat-sifat penguat. Sifat-sifat polimer,rasio penguat terhadap polimer dalam komposit fraksi volume penguat, geometri dan orientasi penguat pada komposit. Apapun komposit polimer yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut: a. Sifat-sifat mekanis yang bagus b. Sifat-sifat daya rekat yang bagus c. Sifat-sifat ketangguhan yang bagus d. Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus sifat-sifat mekanis yang bagus. Komposit matriks polimer merupakan komposit yang paling sering digunakan karena komposit polimer memiliki beberapa keunggulan yaitu biaya pembuatan lebih rendah, ketangguhan baik, tahan simpan, siklus pabrikasi dapat dipersingkat, kemampuan mengikuti bentuk, lebih ringan [23] Pada penelitian ini, matriks yang digunakan adalah resin epoksi. Resin epoksi merupakan polimer termoset yang paling penting karena ketahanan panas yang baik, kelembaban, ketahanan kimia, ketangguhan, kekuatan listrik dan mekanik yang baik. Resin epoksi mengalami proses curing menjadi jaringan tiga dimensi cross-linked dengan penambahan agent curing untuk membuat resin termoset keras [25]. 2.1.2.1 Epoksi Epoksi biasanya memiliki sifat mekanik dan ketahanan terhadap pengaruh akibat lingkungan dimana hampir semuanya sesuai untuk aplikasi dalam komponen- komponen pesawat terbang. Sebagai resin yang terlaminasi, peningkatan kemampuan Universitas Sumatera Utara 9 penyerapan adhesive dan ketahanan terhadap air membuat epoksi resin cocok untuk digunakan untuk membuat badan kapal. Epoksi banyak digunakan sebagai material konstruksi utama untuk perahu kemampuan tinggi atau dipakai sebagai pelapis dinding atau pengganti polyesterresin atau pelapis gel yang rusak oleh pengaruh air [26]. Epoksi dapat disebut sebagai oksida, seperti etilena oksida epoxy etana, atau 1,2-epoksida. Kelompok epoksi juga dikenal sebagai oksiran mengandung atom oksigen yang terikat dengan dua atom karbon [27]. Ethylene Oxide EO, kadang- kadang disebut sebagai oksiran, adalah eter siklik sederhana. Ethylene Oxide merupakaan gas atau cair yang tidak berwarna dan memiliki bau eterik manis. Karena cincin yang sangat tegang yang dapat dibuka dengan mudah, EO sangat reaktif [28]. Berikut ini adalah Tabel 2.1 yang menunjukkan spesifikasi resin epoksi Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Epoksi [28] No Spesifikasi SI Units Engineering Units 1 Berat Molekul 44.053 44.053 2 Titik Didih Normal 101.325kPa 1atm 283,6K 50.8F 3 Titik Lebur 160,65K -170.5F 4 Temperatur Kritik 469.15K 384.8F 5 Tekanan Kritik 7,191kPa 1.043psia Resin epoksi disusun oleh reaksi senyawa yang mengandung hidrogen aktif dengan epichlorohydrin diikuti oleh dehidrogenase-halogenasi. Bisphenol A BPA 80-057, pada reaksi dengan epichlorohydrin ECH, menghasilkan diglisidil eter bisphenol A DGEBPA. Adapun mekanisme curing dapat dilihat pada gambar dibawah ini [29] [30]: a Sebuah grup epoksi bereaksi dengan satu dari atom hidrogen pada amine, kemudian membentuk gugus hidroksil dan primary amine mengalami reduksi menjadi secondary amine, seperti pada gambar berikut Universitas Sumatera Utara 10 R 1 NH 2 + CH2 CH O R 2 R 1 NH CH 2 CH R 2 OH Gambar 2.1 Reaksi Curing Epoksi Tahap 1 b Selanjutnya secondary amine akan bereaksi dengan grup epoksi yang lain seperti pada gambar berikut. R 1 NHCH 2 CH R 2 CH 2 CH R 2 R 1 N CH 2 CH 2 CH CH OH OH OH O R 2 R 2 Gambar 2.2 Reaksi Curing Epoksi Tahap 2  Grup epoksi yang lain yang tidak bereaksi akan berikatan dengan gugus hidroksil dari rantai yang lain dan reaksi curing selesai seperti pada gambar berikut R 1 CH 2 CH R 2 R 1 N CH 2 CH R 3 R 3 + n CH 2 CH O R 2 R 2 N R 3 R 3 ----------- O a-1 Gambar 2.3 Reaksi Curing Epoksi Tahap 3 Sudah banyak penelitan yang telah dilakukan dengan menggunakan bahan- bahan alami yang terdapat di alam dengan komposit epoksi, untuk memperbaiki sifat nya maka ditambahkan pengisi yang berasal dari alam seperti yang telah dilakukan oleh: a Girisha dkk yang mengunakan pengisi hybrid yaitu campuran serat sisal dan serat kelapa untuk dijadikan pengisi pada resin epoksi untuk memperbaiki sifat kekuatan tarik dan penyerapan air pada komposit. Hasil kuat tarik dan kuat lentur terbaik yang didapat adalah sebesar 56 MPa dan 66 MPa pada komposisi pengisi sebesar 40 [6]. Universitas Sumatera Utara 11 b Chanap menggunakan abu cangkang kelapa sebagai pengisi pada komposit untuk meningkatkan nilai kekuatan tarik dan kekuatan lentur dari komposit, didapatkan hasil kuat tarik dan kuat lentur yang terbaik yaitu sebesar 36.95 MPa dan 65.98 MPa [7]. c Soemardi menggunakan serat rami sebagai pengisi pada komposit epoksi dengan variasi komposisi untuk meningkatkan sifat mekanik pada komposit, didapatkan nilai tegangan tarik dan elastisitas terbesar dari komposit yaitu 260 MPa dan 11.23 GPa pada komposisi pengisi 50 [8]. d Asy’ari menggunakan abu sekam padi dengan variasi komposisi tertentu digunakan sebagai pengisi, dengan kuat tarik maksimum pada komposit sebesar 4.45713 kgfmm 2 pada komposisi 10 pengisi [9]. e Bahrom menggunakan serat bambu sebagai pengisi untuk komposit epoksi pada penelitiannya [10] untuk memperbaiki sifat dari resin epoksi. f Priyadi dan Rusnoto memanfaatkan serat kayu sebagai pengisi untuk kompositnya. Hasil kuat tarik dan kuat lentur yang terbesar adalah 2,1703 kgfmm 2 dan 16,11 kgfmm 2 yaitu pada diameter pengisi sebesar 1.5 mm [11]. g Deya’a dkk menggunakan bahan pengisi berupa MgO dan TiO 2 murni dengan variasi komposisi tertentu untuk meningkatkan sifat mekanik dari komposit epoksi dengan nilai kuat bentur terbesar dari komposit adalah sebesar 11.333 KJm 2 pada komposisi MgO sebesar 10 [19]. 2.1.2.2 Polistirena Monomer stirena merupakan hidrokarbon aromatik, yang, dalam kondisi normal tidak berwarna, cairan yang mudah terbakar. Metode konvensional untuk memproduksi monomer stirena adalah alkilasi benzena dengan etilena [31]. Polistirena adalah polimer linear yang komersil dan bersifat amorf. Polistirena sangat mudah untuk diproses dan mempunyai suhu transisi gelas Tg sebesar 100 o C. [32]. Pada penelitian ini, polistirena ditambahkan ke dalam resin epoksi dengan perbandingan 10 : 90. Tujuan penambahan polistirena ini adalah sebagai penguat untuk lebih mengkakukan dan mengeraskan komposit epoksi yang sebelumnya cenderung terlalu lunak dan susah diproses. Universitas Sumatera Utara 12 Berikut adalah Gambar 2.4 yang menunjukkan struktur kimia dari polistirena: Gambar 2.4 Gambar Polistirena [32]

2.1.3 Pengisi