Pengaruh Komposisi Limbah Sekam Padi Dan Abu Sekam Padi Sebagai Pengisi Komposit Hibrid Limbah Botol Plastik Kemasan Minuman Dengan Penambahan Gliserol Sebagai Plasticizer
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. [15].
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 [16]. 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. Tujuan pembuatan komposit yaitu
sebagai berikut [17] :
- Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu
- Mempermudah design yang sulit pada manufaktur
- Keleluasaan dalam bentuk/design 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,
7
Universitas Sumatera Utara
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 [18].
2.2
KOMPOSIT MATRIK POLIMER (POLYMER MATRIX
COMPOSITES/ PMC )
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 [17]
2.2.1 Penguat (Reinforcement) Dalam Komposit
Fasa penguat atau fasa tersebar merupakan bahan yang bersifat lengai dalam
bentuk serat, partikel, kepingan dan lamina yang ditambahkan untuk meningkatkan
sifat mekanik dan sifat fisik komposit seperti meningkatkan sifat kekuatan,
kekakuan, keliatan dan sebagainya [19].
8
Universitas Sumatera Utara
Beberapa sifat yang dapat dihasilkan dengan menggunakan fasa penguat
yaitu :
a. Peningkatan sifat fisik
b. Penyerapan kelembaban yang rendah
c. Sifat pembasahan yang baik
d. Biaya yang rendah dan mudah diperoleh
e. Ketahanan api yang baik
f. Ketahanan kimia yang baik
g. Sifat kelarutan dalam air dan pelarut yang rendah
h. Ketahanan terhadap panas yang baik
i. Sifat penyebaran yang baik
j. Dapat diperoleh dalam barbagai ukuran.
[19].
Bentuk-bentuk konstituen yang berbeda dapat dilihat pada Gambar 2.1
berikut.
PARTICLE
FIBER
FLAKE
LAMINA
FILLER
Gambar 2.1 Bentuk-bentuk konstituen yang berbeda [20].
9
Universitas Sumatera Utara
2.2.2 Matriks Dalam Komposit
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi
volume terbesar (dominan).
Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :
a. Mentransfer tegangan ke serat.
b. Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.
c. Melindungi serat.
d) Memisahkan serat.
e) Melepas ikatan.
f) Tetap stabil setelah proses manufaktur
[19].
Fasa matriks dari komposit berserat adalah bisa saja logam, polimer atau
keramik. Secara umum logam dan polimer digunakan sebagai material matriks
karena sifat rapuhnya. Sementara itu, untuk komposit bermatriks keramik, komponen
penguat ditambahkan bertujuan untuk meningkatkan kekuatan bentur. Dibutuhkan
daya ikat rekat yang kuat antara serat dan matriks untuk mengurangi penarikan serat.
Sebenarnya kekuatan ikat merupakan pertimbangan yang sangat penting dilakukan
dalam kombinasi matriks serat [4].
2.2.3 Antarmuka dan Antarfasa Pengisi-Matriks
Dalam komposit polimer matriks, antarmuka antara fasa penguat dan fasa
matriks sangat penting bagi kelebihan dari komposit sebagai bahan struktural. Sifat
utama mekanis dari kekuatan serat polimer komposit tidak hanya tergantung pada
sifat dari serat dan matriks, tetapi juga pada tingkat adhesi antarmuka antar serat dan
polimer matriks [21].
Adanya pencampuran bahan yang berbeda dalam bahan komposit, maka
dalam komposit tersebut akan selalu terdapat daerah berdampingan (contiguous
region). Definisi sederhananya yaitu sebuah antarmuka (interfaces) atau dengan kata
lain permukaan membentuk batasan dalam konstituen. Pada beberapa kasus, daerah
berdampingan sering juga dianggap sebagai fasa tambahan yang dinamakan dengan
antarfasa (interphases). Sebagai contoh, pada lapisan serat gelas dalam plastik
berpengisi dan bahan adesif yang mengikat lapisan bersamaan. Ketika terdapat suatu
10
Universitas Sumatera Utara
antarfasa maka akan terdapat dua antarmuka, yaitu pada permukaan antarfasa dan
konstituen di tengahnya [20].
Umumnya semua bahan komposit terdapat dua fasa yang berlainan yang
dipisahkan oleh antara muka bahan-bahan tersebut. Daya sentuh dan daya kohesif
antar muka sangat penting karena antar muka pengisi – matriks berfungsi untuk
memindahkan tegasan dari fasa matriks ke fasa penguat. Kemampuan pemindahan
tegasan kepada fasa penguat tergantung pada daya ikat yang muncul pada antar muka
komposit [19]. Bentuk interface antara matriks dengan serat dapat dilihat pada
Gambar 2.2 berikut.
Gambar 2.2 Bentuk interface (Bonding Agent) antara matriks dengan serat [20]
2.3
HIBRID KOMPOSIT
Kata "hybrid" berasal dari bahasa Yunani-Latin dan dapat ditemukan dalam
berbagai bidang ilmiah. Serat dari jenis yang berbeda kadang-kadang dicampur
dalam matriks tunggal untuk menghasilkan komposit hibrid [3].
Komposit hibrid sering dihubungkan dengan material penguat serat, yang
umumnya berbahan baku resin yang mana dua jenis serat digabungkan menjadi
matriks tunggal. Konsepnya adalah perluasan sederhana dari prinsip komposit yang
menggabungkan dua atau lebih material untuk mengoptimasi nilai harga jual,
memanfaatkan kualitas terbaiknya sementara mengurangi pengaruh dari sifat-sifat
yang tidak diinginkan. Namun begitu, defenisi ini lebih terbatas dari nyatanya.
Kombinasi dari beberapa material saja pun sudah bisa dianggap sebagai hibrid [3].
Tujuan hibridisasi adalah untuk membentuk materi baru yang akan
mempertahankan keuntungan dari konstituennya dan meminimalisir kekurangannya.
Hibridisasi dapat memberikan
manfaat biaya dan peningkatan sifat mekanik.
11
Universitas Sumatera Utara
Dengan begitu kita bisa mengurangi biaya produksi dan membuat produk ramah
lingkungan [5].
Dalam kasus komposit polimer, sistem komposit hibrid ini adalah dimana
satu jenis penguatan bahan yang tergabung dalam campuran matriks yang berbeda
(campuran), atau dua atau lebih penguat dan bahan pengisi yang ada dalam matriks
tunggal atau kedua pendekatan tersebut digabungkan. Penggabungan dua atau lebih
serat menjadi matriks tunggal telah menyebabkan komposit hibrid berkembang.
Komposit hibrid yang terdiri dari dua atau lebih jenis serat, memberikan keuntungan
dimana dari satu jenis serat biasa melengkapi kekurangan dari serat lainnya.
Kekuatan komposit hibrid tergantung pada sifat-sifat serat, rasio perbandingan
komposisi serat, panjang serat, orientasi serat, tingkat pembaharuan serat, antar face
serat-matriks dari kedua serat dan juga kerusakan tegangan serat [22].
Berbagai jenis kombinasi serat dan material matriks yang digunakan tetapi
yang sering diterapkan secara umum adalah penggabungan dari karbon-serat gelas
menjadi resin polimerik. Terdapat banyak cara untuk menggabungkan dua serat yang
berbeda yang mana pada akhirnya akan mempengaruhi sifat-sifatnya. Misalnya,
semua serat disusun dan dicampurkan dengan yang lain; atau membuat lapisanlapisannya yang mana terdiri dari satu jenis serat, kemudian dilapisi dengan serat
yang lain. Pada hakikatnya semua sifat-sifat hibrid adalah anisotrop. Ketika komposit
hibrid tidak dapat ditarik kegagalan nya biasanya disebabkan oleh nonkatastropik
yaitu tidak terjadi secara tiba-tiba. Biasanya komposit hibrid ini diaplikasikan untuk
komponen struktural untuk transportasi udara, peralatan olah raga dan komponenkomponen orthopedic [4].
2.4
LIMBAH BOTOL PLASTIK KEMASAN MINUMAN
Plastik merupakan suatu bahan polimer yang tidak mudah terdekomposisi
oleh mikroorganisme pengurai, sehingga penumpukan plastik bekas akan
menimbulkan masalah bagi lingkungan hidup [9]. Sekarang , sampah plastik menjadi
masalah utama di kalangan masyarakat bisa ditemukan hampir di mana-mana
khususnya di tempat pembuangan sampah. Oleh karena itu, limbah plastik dapat
menyebabkan pencemaran lingkungan karena tidak biodegradable [7]. Jika sampah
basah lebih mudah diolah menjadi pupuk, tidak demikian dengan sampah kering
12
Universitas Sumatera Utara
terlebih lagi plastik, dimana membutuhkan waktu yang lama bagi bumi untuk
menguraikannya. Persoalannya sekarang adalah, bagaimana mengolah limbah botol
plastik agar dapat menjadi produk yang mempunyai nilai ekonomis [8].
Jenis polimer yang umum digunakan sebagai kemasan air minum adalah PET
(polietilen tereftalat). Polimer ini keras, kuat, materinya juga stabil dan tidak
menyerap air, memiliki sifat baik untuk pelindung terhadap gas dan bahan kimia,
kristalinitasnya bervariasi dari bentuk amorf hingga kristalin. PET sangat transparan
dan tidak berwarna tetapi dalam bentuk tipis, biasa berwarna putih dan gelap [10].
Struktur kimia Polietilen Tereftalat dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Struktur Kimia Polietilen Tereftalat [23]
Polietilen tereftalat (PET) merupakan poliester linier yang bersifat
termoplastik yang disintesis melalui proses esterifikasi asam tereftalat (TPA) dan
etilen glikol (EG) atau melalui proses transesterifikasi dimetil tereftalat (DMT) dan
etilen glikol. PET banyak diaplikasikan penggunaannya sebagai bahan tekstil, botol
minuman ringan dan film fotografi. Oleh karena fungsi yang bervariasi tersebut, PET
mengalami peningkatan produksi yang luar biasa. Pada tahun 2000 sampai 2010,
kebutuhan dunia akan PET meningkat dari 27.6 juta ton hingga 56 juta ton [24].
PET terbuat dari dimetil tereftalat yang direaksikan dengan etilen glikol
melalui reaksi transesterifikasi yang menghasilkan bis-(2-hidroksietil) tereftalat dan
metanol tetapi jika dipanaskan pada suhu 210 oC metanol akan menguap. Kemudian
bis-(2-hidroksietil) tereftalat dipanaskan hingga 270 oC dan reaksinya membentuk
polietilena tereftalat dan etilen glikol sebagai hasil akhir [10].
Asam Tereftalat
Etilen Glikol
Polietilen Tereftalat
Gambar 2.4 Reaksi Esterifikasi PET [9]
13
Universitas Sumatera Utara
Polietilen tereflatat (PET) memiliki kondisi stabilitas termal yang baik, sifat
listrik yang baik, penyerapan air yang sangat rendah, sifat permukaan yang sangat
baik [25].
Dalam produksi polietilena tereftalat, asam tereftalat dibuat dengan
mengoksidasi p-xylen. Tahap polimerisasinya sama dengan poliamida. Polimer
dihasilkan dari keadaan lebur menuju pada titik transisi gelasnya pada sekitar 80 oC
dan bentuknya amorf, kristalinitas meningkat dengan pemanasan. Titik lebur kristalin
adalah 265oC. Kekuatan regang dari lembaran polietilena tereftalat adalah sekitar
25.000psi, 2-3 kali daripada film selulosa asetat. Jika daerah spesimen pada titik
patah telah diperkirakan, kekuatan regang dari plastik ini sekitar 2 kali dari
aluminium dan hampir sama dengan baja lunak [9].
Kekakuan dari lembar polietilena tereftalat dapat dibandingkan dengan
lembaran-lembaran selulosa lainnya, ketahanan sobeknya juga lebih baik daripada
selulosa. Kekuatan dari material ini adalah 3-4 kali dibandingkan dengan lembaran
plastik lainnya. Kekuatan ini adalah keuntungan terbesar secara aplikasinya [9].
2.5.
SEKAM PADI
Padi merupakan produk utama pertanian di negara-negara agraris, termasuk
Indonesia. Beras yang merupakan hasil penggilingan padi menjadi makanan pokok
penduduk Indonesia. Sekam padi merupakan produk samping yang melimpah dari
hasil penggilingan padi, dan selama ini hanya digunakan sebagai bahan bakar untuk
pembakaran batu merah, pembakaran untuk memasak atau dibuang begitu saja [26].
Serat alami memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan serat
sintetis, seperti beratnya lebih ringan, dapat diolah secara alami dan ramah
lingkungan, merupakan bahan terbaharukan, mempunyai kekuatan dan kekakuan
yang relatif tinggi dan tidak menyebabkan iritasi kulit. Keuntungan-keuntungan
lainnya adalah kualitas dapat divariasikan dan stabilitas panas yang rendah [27].
Sekam padi adalah sisa dari proses penggilingan padi. Sekam padi merupakan bagian
terluar yang keras dari butir padi yang terdiri dari atas lapisan lemma dan pellea.
Sifat kekerasan pada sekam padi ini disebabkan oleh tingginya kandungan silika
[28].
14
Universitas Sumatera Utara
Sekam dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai
kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak dan energi atau bahan bakar.
Dari proses penggilingan padi biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30%, dedak
antara 8- 12% dan beras giling antara 50-63,5% data bobot awal gabah. Sekam
dengan persentase yang tinggi tersebut dapat menimbulkan problem lingkungan [29].
Ditinjau data komposisi kimiawi, sekam mengandung beberapa unsur kimia
penting seperti dapat dilihat pada tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Komposisi Kimia Sekam Padi [30]
Komponen
% Berat
Kadar air
32,40 – 11,35
Protein kasar
1,70 – 7,26
Lemak
0,38 – 2,98
Ekstrak nitrogen bebas
24,70 – 38,79
Serat
31,37 – 49,92
Abu
13,16 – 29,04
Pentosa
16,94 – 21,95
Sellulosa
34,34 – 43,80
Lignin
21,40 – 46,97
2.6
ABU SEKAM PADI
Menurut Mittal (1997) sekam padi merupakan salah satu sumber penghasil
silica terbesar setelah dilakukan pembakaran sempurna. Abu sekam padi hasil
pembakaran yang terkontrol pada suhu tinggi (500-600 oC) akan menghasilkan abu
silika yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai proses kimia dan pada suhu lebih
besar dari 1.000oC akan menjadi silika kristalin [31]. Abu sekam padi mengandung
silica sebanyak 86%-97% berat kering [32].
Ditinjau data komposisi kimiawi, abu sekam mengandung beberapa unsur
kimia penting seperti dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut.
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Abu Sekam [30]
Komponen
% Berat
SiO2
86,90 – 97,30
15
Universitas Sumatera Utara
K2O
0,58 – 2,50
Na2O
0,00 – 1,75
CaO
0,20 – 1,50
MgO
0,12 – 1,96
Fe2O3
0,00 – 0,54
P2O5
0,20 – 2,84
SO3
0,10 – 1,13
Cl
0,00 – 0,42
2.7
GLISEROL
Gliserol adalah senyawa gliserida yang paling sederhana, dengan hidroksil yang
bersifat hidrofilik dan higroskopik. Gliserol merupakan komponen yang menyusun
berbagai macam lipid, termasuk trigliserida. Gliserol terasa manis saat dikecap,
namun bersifat racun. Gliserol dapat diperoleh dari proses saponifikasi dari lemak
hewan, transesterifikasi pembuatan bahan bakar biodiesel dan proses epiklorohidrin
serta proses pengolahan minyak goreng [33].
Gliserol memiliki sifat fisik sebagi berikut:
•
Berat molekul : 92,02 g/mol
•
Titik didih
: 290oC
•
Titik beku
: 19oC
•
Densitas uap : 3,17 [30].
Gliserol memiliki sifat kimia yaitu:
•
Memiliki rasa yang manis
•
Larut dengan air
•
Larut dengan etanol
•
Berwarna bening [33].
Gambar 2.5 Struktur Gliserol
16
Universitas Sumatera Utara
Pencampuran sempurna diperlukan untuk memperoleh distribusi yang homogen
untuk menghasilkan hubungan yang kuat antara gliserol dengan polimer. Pada kadar
gliserol rendah, polimer yang terbentuk memiliki struktur yang rapuh menunjukkan
sifat yang tidak kuat dan tidak fleksibel [34].
Ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antar molekul yang terjadi antara dua
muatan listrik persial dengan polaritas yang berlawanan. Ikatan hidrogen terjadi
ketika sebuah melekul memiliki atom O, N atau F yang mempunyai pasangan
elektron bebas (Lone pair elektron). Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi
dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen dengan
besaran ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1 – 2 kJ.mol-1) hingga tinggi (> 155
kJ.mol-1) [34].
Alasan pemilihan gliserol sebagai plasticizer dikarenakan merupakan salah satu
plasticizer yang banyak digunakan dan cukup efektif mengurangi ikatan hidrogen
internal sehingga akan meningkatkan jarak intermolekuler. Secara teoritis plasticizer
dapat menurunkan gaya internal diantara rantai polimer, sehingga akan menurunkan
tingkat kekakuan dan meningkatkan permeabilitas terhadap uap air [35].
2.8
METODE EKSTRUSI
Ekstrusi adalah proses manufaktur kontinu yang digunakan untuk mencetak
produk yang panjang dengan penampang yang tetap. Teknik ini dapat digunakan
untuk memproses sebagian besar polimer termoplastik dan beberapa polimer
termoset. Biasanya plastik yang dapat diproses dengan metode ekstruksi memiliki
viskositas yang tinggi, sehingga produk yang baru mengalami ekstrusi dapat
mempertahankan bentuk hasil pencetakan hingga produk tersebut sampai pada tahap
pendinginan cepat (water bath, air quench atau chill roll) [36].
Extruder adalah suatu alat yang memaksa bahan mentah untuk mengalir dalam
suatu kondisi tertentu dimana bahan mengalami pencampuran, pengadukan, dan
pemasakan serta akhirnya mesin ini memaksa bahan keluar melalui suatu die dan terjadi
pembentukan dan pengembangan (puffing). Extruder juga sering digunakan pada
pengolahan bahan makanan karena extruder mampu menghasilkan energi mekanis yang
digunakan untuk proses pemasakan bahan. Extruder mendorong bahan/adonan dengan
cara memompanya melalui sebuah lubang dengan bentuk tertentu (die). Extruder mampu
melakukan proses pencampuran dengan baik yang bertujuan agar bahan homogen dan
17
Universitas Sumatera Utara
terdispersi dengan baik. Salah satu kunci dalam beranekaragamnya hasil produk ekstrusi
terletak pada bagian die-nya, dimana dari sinilah bahan akan didorong keluar. Fungsi die
dalam pembuatan produksi pasta telah meningkatkan keragaman penggunaannya dalam
menghasilkan produk dengan berbagai macam bentuk, kandungan air dan konsistensi
[37].
Prinsip kerja exstruder adalah merubah polimer bahan mentah dalam bentuk
tepung atau gritz pelet melalui serangkaian kombinasi proses seperti pencampuran,
penggilingan, pembentukan dan proses pencetakan menjadi bahan jadi atau bahan
setengah jadi. Teknologi ekstrusi menawarkan ekstrudat yang lebih seragam, lebih
mudah pengoperasionalan alat dan tidak menghasilkan banyak limbah [38].
Extruder harus memiliki ulir yang berputar di dalam sebuah barrel. Jika bahan
yang diolah menempel pada ulir dan tergelincir dari permukaan barrel, maka tidak akan
ada produk yang dihasilkan dari ekstruder karena bahan ikut berputar bersama ulir tanpa
terdorong ke depan. Untuk menghasilkan output produksi yang maksimal maka bahan
harus dapat bergerak dengan bebas pada permukaan ulir dan menempel sebanyak
mungkin pada dinding, jadi extruder sangat mengandalkan pada drag flow untuk
menggerakkan bahan dalam barrel dan menghasilkan tekanan pada die. Agar bahan
terdorong maju maka bahan tidak boleh ikut berputar dengan ulir. Sama saja seperti cara
kerja sebuah sekrup dan mur, agar sekrup bergerak maju maka mur harus dalam keadaan
diam bukannya ikut bergerak dengan sekrup [37]. Komponen ekstruder pada umumnya
dapat dilihat pada gambar 2.6 berikut.
Gambar 2.6 Komponen Extruder [37]
18
Universitas Sumatera Utara
2.9
PENGUJIAN/KARAKTERISTIK BAHAN KOMPOSIT
2.9.1 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
Pengujian tarik adalah salah satu uji stress strain mekanik yang bertujuan
untuk mengetahui kekuatan material terhadap gaya tarik. Dalam pengujiannya,
material uji ditarik sampai putus. Uji tarik adalah cara pengujian bahan yang paling
mendasar. Pengujian tarik sangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami
standarisasi diseluruh dunia. Dengan menarik suatu material kita akan mengetahui
bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tarikan dan sejauh mana material itu
bertambah panjang [39].
Penarikan suatu bahan biasanya menyebabkan terjadi perubahan bentuk
dimana penipisan pada tebal dan pemanjangan. Kekuatan tarik (tensile strength)
suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang
mula-mula, dimensinya sama dengan tegangan. Pada peregangan suatu bahan
polimer, pemanjangan 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
[40].
2.9.2 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength)
Pengujian impak bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap
suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impak merupakan respon
terhadap beban kejut atau beban tiba-tiba (beban impak) [41]. Dalam pengujian
impak terdiri dari dua teknik pengujian standar yaitu charpy dan izod. Pada
pengujian standar charpy dan izod, dirancang dan masih digunakan untuk mengukur
energi impak yang juga dikenal dengan ketangguhan takik [4]. Spesimen charpy
berbentuk batang dengan penampang melintang bujur sangkar dengan takikan V oleh
proses permesinan. Spesimen V-Notch Metoda charpy dan izod dapat dilihat pada
gambar 2.7 berikut.
19
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan izod [4]
Mesin pengujian Impak diperlihatkan secara skematik dengan beban
didapatkan dari tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari posisi ketinggian h.
Spesimen diposisikan pada dasar seperti pada gambar 2.6. Ketika dilepas, ujung
pisau pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen ditakikannya
yang bekerja sebagai titik konsentrasi tegangan untuk pukulan impak kecepatan
tinggi. Palu pendulum akan melanjutkan ayunan untuk mencapai ketinggian
maksimum h’ yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap dihitung dari perbedaan
h’ dan h (mgh –mgh’), adalah ukuran dari energi impak. Posisi simpangan lengan
pendulum terhadap garis vertikal sebelum dibenturkan adalah α dan posisi lengan
pendulum terhadap garis vertikal setelahmembentur spesimen adalah β . Dengan
mengetahui besarnya energi potensial yang diserap oleh material maka kekuatan
impak benda uji dapat dihitung (Standar ASTM D256-00) [42]. Skema pengujian
impak dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8 Skema Pengujian Impak [41]
20
Universitas Sumatera Utara
2.9.3 Uji Kekuatan Lentur (Flexural Strength)
Material komposit mempunyai sifat tekan lebih baik dibanding tarik,
pada perlakuan uji lentur spesimen, bagian atas spesimen terjadi proses tekan dan
bagian bawah terjadi proses tarik sehingga kegagalan yang terjadi akibat uji bending
yaitu mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu menahan tegangan tarik.
Banyak jenis pengujian lentur, tetapi yang paling umum adalah tes lentur tiga titik
tekuk (three point bend test), di mana sampel diatur pada dua pendukung, dan gaya
diberikan secara langsung di antara dua mendukung [43].
2.9.4 Uji Karakterisitik Fourier Transform Infra Red (FT – IR)
Fourier Transform-Infra Red Spectroskopy atau yang dikenal dengan FT-IR
merupakan suatu teknik yang digunakan untuk menganalisa komposisi kimia dari
senyawa-senyawa organik, polimer, coating atau pelapisan, material semikonduktor,
sampel
biologi,
senyawa-senyawa
anorganik,
dan
mineral.FT-IR
mampu
menganalisa suatu material baik secara keseluruhan, lapisan tipis, cairan, padatan,
pasta, serbuk, serat, dan bentuk yang lainnya dari suatu material. Spektroskopi FT-IR
tidak hanya mempunyai kemampuan untuk analisa kualitatif, namun juga bisa untuk
analisa
kuantitatif.
Dasar
lahirnya
spektroskopi
FT-IR
adalah
dengan
mengasumsikan semua molekul menyerap sinar infra merah, kecuali molekulmolekul monoatom (He, Ne, Ar, dll) dan molekul-molekul homopolar diatomik (H2,
N2, O2, dll). Molekul akan menyerap sinar infra merah pada frekuensi tertentu yang
mempengaruhi momen dipolar atau ikatan dari suatu molekul. Supaya terjadi
penyerapan radiasi inframerah, maka ada beberapa hal yang perlu dipenuhi, yaitu :
1. Absorpsi terhadap radiasi inframerah dapat menyebabkan eksitasi molekul ke
tingkat energi vibrasi yang lebih tinggi dan besarnya absorbsi adalah
terkuantitasi.
2. Vibrasi yang normal mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi radiasi
elektromagnetik yang diserap
3. Proses absorpsi (spektra IR) hanya dapat terjadi apabila terdapat perubahan
baik nilai maupun arah dari momen dua kutub ikatan
21
Universitas Sumatera Utara
Teknik spektroskopi infra merah terutama untuk mengetahui gugus
fungsional suatu senyawa, juga untuk mengidentifikasi senyawa, menentukan
struktur molekul, mengetahui kemurnian, dan mempelajari reaksi yang sedang
berjalan [44].
2.9.5 Uji Penyerapan Air (Water-Absorption)
Water-absorption dalam komposit merupakan kemampuan komposit dalam
menyerap uap air dalam waktu tertentu. Water-absorption pada komposit merupakan
salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit di luar ruangan. Semua
komposit polimer akan menyerap air jika berada di udara lembab atau ketika polimer
tersebut dicelupkan di dalam air. Water-absorption pada komposit berpenguat serat
alami memiliki beberapa pengaruh yang merugikan dalam propertiesnya dan
mempengaruhi kemampuannya dalam jangka waktu yang lama juga penurunan
secara perlahan dari ikatan interface komposit serta menurunkan sifat mekanis
komposit seperti kekuatan tariknya. Penurunan ikatan interface komposit
menyebabkan penurunan properties mekanis komposit tersebut. Karena itu,
pengaruh dari water-absorption sangat vital untuk penggunaan komposit berpenguat
serat alami dilingkungan terbuka. Daya tahan terhadap water-absorption dalam
komposit berpenguat serat alami dapat ditingkatkan dengan memodifikasi
permukaan serat alami tersebut [27].
2.9.6
Uji Scanning Electron Microscopy (SEM)
Analisa SEM dilakukan untuk memfelajari sifat morfologi sampel. SEM
adalah alat yang dapat membentuk bayangan specimen secara mikroskopik. Berkas
elektron dengan diameter 5-10 nm diarahkan pada spesimen. Interaksi berkas
elektron dengan spesimen menghasilkan beberapa fenomena yaitu hamburan balik
berkas elektron, sinar X, elektron sekunder, dan absorpsi elektron [2].
Teknik SEM pada hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisa
permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari
lapisan yang tebalnya sekitar 20 µm dari permukaan. Gambar permukaan yang
diperoleh merupakan tofografi dengan segala tonjolan, lekukan dan lubang pada
permukaan. Gambar toforgrafi diperoleh dari penangkapan elektron sekunder yang
22
Universitas Sumatera Utara
dipancarkan oleh spesimen. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh
detektor yang diteruskan ke monitor. Pada monitor akan diperoleh gambar yang khas
menggambarkan struktur permukaan spesimen. Selanjutnya gambar di monitor dapat
dipotret dengan menggunakan film hitam putih atau dapat pula direkam ke dalam
suatu disket. Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai
konduktifitas yang tinggi, karena polimer mempunyai konduktifitas rendah, maka
bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan pengantar) yang tipis [2].
Pada dasarnya SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan elektron yang
dipantulkan atau seberkas elektron sekundar. Prinsip utamanya adalah berkas
elektron diarahkan pada titik-titik pada permukaan spesimen. Gerakan elektron
tersebut dapat di scanning (gerakan membaca) [40].
2.10
APLIKASI DAN KEGUNAAN KOMPOSIT
Mengingat melimpahnya limbah padat dan limbah plastik serta
pemakaian kayu/papan yang meningkat, maka pembuatan produk komposit
merupakan salah satu alternatif dalam pemanfaatan limbah-limbah tersebut untuk
menghasilkan produk-produk inovatif dan kreatif sebagai bahan dasar pengganti
kayu/papan dan juga untuk bahan baku di indutri kreatif. Berbagai usaha telah
dilakukan untuk menggantikan pemakaian kayu/papan [45]. Saat ini kebutuhan
bahan papan terus mengalami peningkatan. Biasanya bahan papan ini merupakan
bahan yang diperoleh dari kayu-kayu yang berasal dari hutan. Meningkatnya
pemakaian kebutuhan akan papan ini dapat memberikan pengaruh yang kurang baik,
yaitu hasil hutan terutama bahan kayu lama kelamaan akan semakin berkurang.
Ketergantungan akan bahan kayu harus segera ditanggulangi, agar tidak mengurangi
hasil hutan. Salah satu upaya yang dilakukan adalah dengan menggantikan kayu
dengan material lain untuk memenuhi kebutuhan kayu pada bidang perumahan.
Material lain yang digunakan ini tentunya harus mempunyai kualitas yang lebih
unggul atau tidak kalah dengan produk kayu hutan tersebut [46]. Beberapa bahan
pengganti alternatif seperti pemakaian metal, baja, aluminium serta plastik telah
dicoba. Akan tetapi karena faktor berat jenis yang tinggi serta ketahanannya terhadap
lingkungan yang rendah ataupun harga yang tinggi mengakibatkan kurang diminati
dan kepopulerannya turun [45]. Salah satu penyelesaian untuk mengatasi
23
Universitas Sumatera Utara
permasalahan tersebut sangat diperlukan usaha-usaha yang tujuannya untuk
memanfaatkan limbah industri, baik yang berasal dari industri pertanian maupun non
pertanian, sehingga dapat dipergunakan sebagai salah satu bahan baku pada industri
pembuatan papan patikel/komposit [46].
Pemanfaatan papan partikel/komposit dapat digunakan dalam komponen
bahan bangunan rumah, peredam panas, dan tempat penyimpanan, seperti untuk
membuat meja, ceiling, cold strorage maupun fire wall. Dalam penelitian ini, produk
berupa papan komposit berpengisi sekam padi dan abu sekam padi dapat digunakan
sebagai bahan baku untuk pembuatan furnitur (perabotan rumah tangga) berupa
meja, laci, lemari dan lain-lain.
24
Universitas Sumatera Utara
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. [15].
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 [16]. 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. Tujuan pembuatan komposit yaitu
sebagai berikut [17] :
- Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu
- Mempermudah design yang sulit pada manufaktur
- Keleluasaan dalam bentuk/design 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,
7
Universitas Sumatera Utara
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 [18].
2.2
KOMPOSIT MATRIK POLIMER (POLYMER MATRIX
COMPOSITES/ PMC )
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 [17]
2.2.1 Penguat (Reinforcement) Dalam Komposit
Fasa penguat atau fasa tersebar merupakan bahan yang bersifat lengai dalam
bentuk serat, partikel, kepingan dan lamina yang ditambahkan untuk meningkatkan
sifat mekanik dan sifat fisik komposit seperti meningkatkan sifat kekuatan,
kekakuan, keliatan dan sebagainya [19].
8
Universitas Sumatera Utara
Beberapa sifat yang dapat dihasilkan dengan menggunakan fasa penguat
yaitu :
a. Peningkatan sifat fisik
b. Penyerapan kelembaban yang rendah
c. Sifat pembasahan yang baik
d. Biaya yang rendah dan mudah diperoleh
e. Ketahanan api yang baik
f. Ketahanan kimia yang baik
g. Sifat kelarutan dalam air dan pelarut yang rendah
h. Ketahanan terhadap panas yang baik
i. Sifat penyebaran yang baik
j. Dapat diperoleh dalam barbagai ukuran.
[19].
Bentuk-bentuk konstituen yang berbeda dapat dilihat pada Gambar 2.1
berikut.
PARTICLE
FIBER
FLAKE
LAMINA
FILLER
Gambar 2.1 Bentuk-bentuk konstituen yang berbeda [20].
9
Universitas Sumatera Utara
2.2.2 Matriks Dalam Komposit
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi
volume terbesar (dominan).
Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :
a. Mentransfer tegangan ke serat.
b. Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.
c. Melindungi serat.
d) Memisahkan serat.
e) Melepas ikatan.
f) Tetap stabil setelah proses manufaktur
[19].
Fasa matriks dari komposit berserat adalah bisa saja logam, polimer atau
keramik. Secara umum logam dan polimer digunakan sebagai material matriks
karena sifat rapuhnya. Sementara itu, untuk komposit bermatriks keramik, komponen
penguat ditambahkan bertujuan untuk meningkatkan kekuatan bentur. Dibutuhkan
daya ikat rekat yang kuat antara serat dan matriks untuk mengurangi penarikan serat.
Sebenarnya kekuatan ikat merupakan pertimbangan yang sangat penting dilakukan
dalam kombinasi matriks serat [4].
2.2.3 Antarmuka dan Antarfasa Pengisi-Matriks
Dalam komposit polimer matriks, antarmuka antara fasa penguat dan fasa
matriks sangat penting bagi kelebihan dari komposit sebagai bahan struktural. Sifat
utama mekanis dari kekuatan serat polimer komposit tidak hanya tergantung pada
sifat dari serat dan matriks, tetapi juga pada tingkat adhesi antarmuka antar serat dan
polimer matriks [21].
Adanya pencampuran bahan yang berbeda dalam bahan komposit, maka
dalam komposit tersebut akan selalu terdapat daerah berdampingan (contiguous
region). Definisi sederhananya yaitu sebuah antarmuka (interfaces) atau dengan kata
lain permukaan membentuk batasan dalam konstituen. Pada beberapa kasus, daerah
berdampingan sering juga dianggap sebagai fasa tambahan yang dinamakan dengan
antarfasa (interphases). Sebagai contoh, pada lapisan serat gelas dalam plastik
berpengisi dan bahan adesif yang mengikat lapisan bersamaan. Ketika terdapat suatu
10
Universitas Sumatera Utara
antarfasa maka akan terdapat dua antarmuka, yaitu pada permukaan antarfasa dan
konstituen di tengahnya [20].
Umumnya semua bahan komposit terdapat dua fasa yang berlainan yang
dipisahkan oleh antara muka bahan-bahan tersebut. Daya sentuh dan daya kohesif
antar muka sangat penting karena antar muka pengisi – matriks berfungsi untuk
memindahkan tegasan dari fasa matriks ke fasa penguat. Kemampuan pemindahan
tegasan kepada fasa penguat tergantung pada daya ikat yang muncul pada antar muka
komposit [19]. Bentuk interface antara matriks dengan serat dapat dilihat pada
Gambar 2.2 berikut.
Gambar 2.2 Bentuk interface (Bonding Agent) antara matriks dengan serat [20]
2.3
HIBRID KOMPOSIT
Kata "hybrid" berasal dari bahasa Yunani-Latin dan dapat ditemukan dalam
berbagai bidang ilmiah. Serat dari jenis yang berbeda kadang-kadang dicampur
dalam matriks tunggal untuk menghasilkan komposit hibrid [3].
Komposit hibrid sering dihubungkan dengan material penguat serat, yang
umumnya berbahan baku resin yang mana dua jenis serat digabungkan menjadi
matriks tunggal. Konsepnya adalah perluasan sederhana dari prinsip komposit yang
menggabungkan dua atau lebih material untuk mengoptimasi nilai harga jual,
memanfaatkan kualitas terbaiknya sementara mengurangi pengaruh dari sifat-sifat
yang tidak diinginkan. Namun begitu, defenisi ini lebih terbatas dari nyatanya.
Kombinasi dari beberapa material saja pun sudah bisa dianggap sebagai hibrid [3].
Tujuan hibridisasi adalah untuk membentuk materi baru yang akan
mempertahankan keuntungan dari konstituennya dan meminimalisir kekurangannya.
Hibridisasi dapat memberikan
manfaat biaya dan peningkatan sifat mekanik.
11
Universitas Sumatera Utara
Dengan begitu kita bisa mengurangi biaya produksi dan membuat produk ramah
lingkungan [5].
Dalam kasus komposit polimer, sistem komposit hibrid ini adalah dimana
satu jenis penguatan bahan yang tergabung dalam campuran matriks yang berbeda
(campuran), atau dua atau lebih penguat dan bahan pengisi yang ada dalam matriks
tunggal atau kedua pendekatan tersebut digabungkan. Penggabungan dua atau lebih
serat menjadi matriks tunggal telah menyebabkan komposit hibrid berkembang.
Komposit hibrid yang terdiri dari dua atau lebih jenis serat, memberikan keuntungan
dimana dari satu jenis serat biasa melengkapi kekurangan dari serat lainnya.
Kekuatan komposit hibrid tergantung pada sifat-sifat serat, rasio perbandingan
komposisi serat, panjang serat, orientasi serat, tingkat pembaharuan serat, antar face
serat-matriks dari kedua serat dan juga kerusakan tegangan serat [22].
Berbagai jenis kombinasi serat dan material matriks yang digunakan tetapi
yang sering diterapkan secara umum adalah penggabungan dari karbon-serat gelas
menjadi resin polimerik. Terdapat banyak cara untuk menggabungkan dua serat yang
berbeda yang mana pada akhirnya akan mempengaruhi sifat-sifatnya. Misalnya,
semua serat disusun dan dicampurkan dengan yang lain; atau membuat lapisanlapisannya yang mana terdiri dari satu jenis serat, kemudian dilapisi dengan serat
yang lain. Pada hakikatnya semua sifat-sifat hibrid adalah anisotrop. Ketika komposit
hibrid tidak dapat ditarik kegagalan nya biasanya disebabkan oleh nonkatastropik
yaitu tidak terjadi secara tiba-tiba. Biasanya komposit hibrid ini diaplikasikan untuk
komponen struktural untuk transportasi udara, peralatan olah raga dan komponenkomponen orthopedic [4].
2.4
LIMBAH BOTOL PLASTIK KEMASAN MINUMAN
Plastik merupakan suatu bahan polimer yang tidak mudah terdekomposisi
oleh mikroorganisme pengurai, sehingga penumpukan plastik bekas akan
menimbulkan masalah bagi lingkungan hidup [9]. Sekarang , sampah plastik menjadi
masalah utama di kalangan masyarakat bisa ditemukan hampir di mana-mana
khususnya di tempat pembuangan sampah. Oleh karena itu, limbah plastik dapat
menyebabkan pencemaran lingkungan karena tidak biodegradable [7]. Jika sampah
basah lebih mudah diolah menjadi pupuk, tidak demikian dengan sampah kering
12
Universitas Sumatera Utara
terlebih lagi plastik, dimana membutuhkan waktu yang lama bagi bumi untuk
menguraikannya. Persoalannya sekarang adalah, bagaimana mengolah limbah botol
plastik agar dapat menjadi produk yang mempunyai nilai ekonomis [8].
Jenis polimer yang umum digunakan sebagai kemasan air minum adalah PET
(polietilen tereftalat). Polimer ini keras, kuat, materinya juga stabil dan tidak
menyerap air, memiliki sifat baik untuk pelindung terhadap gas dan bahan kimia,
kristalinitasnya bervariasi dari bentuk amorf hingga kristalin. PET sangat transparan
dan tidak berwarna tetapi dalam bentuk tipis, biasa berwarna putih dan gelap [10].
Struktur kimia Polietilen Tereftalat dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Struktur Kimia Polietilen Tereftalat [23]
Polietilen tereftalat (PET) merupakan poliester linier yang bersifat
termoplastik yang disintesis melalui proses esterifikasi asam tereftalat (TPA) dan
etilen glikol (EG) atau melalui proses transesterifikasi dimetil tereftalat (DMT) dan
etilen glikol. PET banyak diaplikasikan penggunaannya sebagai bahan tekstil, botol
minuman ringan dan film fotografi. Oleh karena fungsi yang bervariasi tersebut, PET
mengalami peningkatan produksi yang luar biasa. Pada tahun 2000 sampai 2010,
kebutuhan dunia akan PET meningkat dari 27.6 juta ton hingga 56 juta ton [24].
PET terbuat dari dimetil tereftalat yang direaksikan dengan etilen glikol
melalui reaksi transesterifikasi yang menghasilkan bis-(2-hidroksietil) tereftalat dan
metanol tetapi jika dipanaskan pada suhu 210 oC metanol akan menguap. Kemudian
bis-(2-hidroksietil) tereftalat dipanaskan hingga 270 oC dan reaksinya membentuk
polietilena tereftalat dan etilen glikol sebagai hasil akhir [10].
Asam Tereftalat
Etilen Glikol
Polietilen Tereftalat
Gambar 2.4 Reaksi Esterifikasi PET [9]
13
Universitas Sumatera Utara
Polietilen tereflatat (PET) memiliki kondisi stabilitas termal yang baik, sifat
listrik yang baik, penyerapan air yang sangat rendah, sifat permukaan yang sangat
baik [25].
Dalam produksi polietilena tereftalat, asam tereftalat dibuat dengan
mengoksidasi p-xylen. Tahap polimerisasinya sama dengan poliamida. Polimer
dihasilkan dari keadaan lebur menuju pada titik transisi gelasnya pada sekitar 80 oC
dan bentuknya amorf, kristalinitas meningkat dengan pemanasan. Titik lebur kristalin
adalah 265oC. Kekuatan regang dari lembaran polietilena tereftalat adalah sekitar
25.000psi, 2-3 kali daripada film selulosa asetat. Jika daerah spesimen pada titik
patah telah diperkirakan, kekuatan regang dari plastik ini sekitar 2 kali dari
aluminium dan hampir sama dengan baja lunak [9].
Kekakuan dari lembar polietilena tereftalat dapat dibandingkan dengan
lembaran-lembaran selulosa lainnya, ketahanan sobeknya juga lebih baik daripada
selulosa. Kekuatan dari material ini adalah 3-4 kali dibandingkan dengan lembaran
plastik lainnya. Kekuatan ini adalah keuntungan terbesar secara aplikasinya [9].
2.5.
SEKAM PADI
Padi merupakan produk utama pertanian di negara-negara agraris, termasuk
Indonesia. Beras yang merupakan hasil penggilingan padi menjadi makanan pokok
penduduk Indonesia. Sekam padi merupakan produk samping yang melimpah dari
hasil penggilingan padi, dan selama ini hanya digunakan sebagai bahan bakar untuk
pembakaran batu merah, pembakaran untuk memasak atau dibuang begitu saja [26].
Serat alami memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan serat
sintetis, seperti beratnya lebih ringan, dapat diolah secara alami dan ramah
lingkungan, merupakan bahan terbaharukan, mempunyai kekuatan dan kekakuan
yang relatif tinggi dan tidak menyebabkan iritasi kulit. Keuntungan-keuntungan
lainnya adalah kualitas dapat divariasikan dan stabilitas panas yang rendah [27].
Sekam padi adalah sisa dari proses penggilingan padi. Sekam padi merupakan bagian
terluar yang keras dari butir padi yang terdiri dari atas lapisan lemma dan pellea.
Sifat kekerasan pada sekam padi ini disebabkan oleh tingginya kandungan silika
[28].
14
Universitas Sumatera Utara
Sekam dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai
kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak dan energi atau bahan bakar.
Dari proses penggilingan padi biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30%, dedak
antara 8- 12% dan beras giling antara 50-63,5% data bobot awal gabah. Sekam
dengan persentase yang tinggi tersebut dapat menimbulkan problem lingkungan [29].
Ditinjau data komposisi kimiawi, sekam mengandung beberapa unsur kimia
penting seperti dapat dilihat pada tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Komposisi Kimia Sekam Padi [30]
Komponen
% Berat
Kadar air
32,40 – 11,35
Protein kasar
1,70 – 7,26
Lemak
0,38 – 2,98
Ekstrak nitrogen bebas
24,70 – 38,79
Serat
31,37 – 49,92
Abu
13,16 – 29,04
Pentosa
16,94 – 21,95
Sellulosa
34,34 – 43,80
Lignin
21,40 – 46,97
2.6
ABU SEKAM PADI
Menurut Mittal (1997) sekam padi merupakan salah satu sumber penghasil
silica terbesar setelah dilakukan pembakaran sempurna. Abu sekam padi hasil
pembakaran yang terkontrol pada suhu tinggi (500-600 oC) akan menghasilkan abu
silika yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai proses kimia dan pada suhu lebih
besar dari 1.000oC akan menjadi silika kristalin [31]. Abu sekam padi mengandung
silica sebanyak 86%-97% berat kering [32].
Ditinjau data komposisi kimiawi, abu sekam mengandung beberapa unsur
kimia penting seperti dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut.
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Abu Sekam [30]
Komponen
% Berat
SiO2
86,90 – 97,30
15
Universitas Sumatera Utara
K2O
0,58 – 2,50
Na2O
0,00 – 1,75
CaO
0,20 – 1,50
MgO
0,12 – 1,96
Fe2O3
0,00 – 0,54
P2O5
0,20 – 2,84
SO3
0,10 – 1,13
Cl
0,00 – 0,42
2.7
GLISEROL
Gliserol adalah senyawa gliserida yang paling sederhana, dengan hidroksil yang
bersifat hidrofilik dan higroskopik. Gliserol merupakan komponen yang menyusun
berbagai macam lipid, termasuk trigliserida. Gliserol terasa manis saat dikecap,
namun bersifat racun. Gliserol dapat diperoleh dari proses saponifikasi dari lemak
hewan, transesterifikasi pembuatan bahan bakar biodiesel dan proses epiklorohidrin
serta proses pengolahan minyak goreng [33].
Gliserol memiliki sifat fisik sebagi berikut:
•
Berat molekul : 92,02 g/mol
•
Titik didih
: 290oC
•
Titik beku
: 19oC
•
Densitas uap : 3,17 [30].
Gliserol memiliki sifat kimia yaitu:
•
Memiliki rasa yang manis
•
Larut dengan air
•
Larut dengan etanol
•
Berwarna bening [33].
Gambar 2.5 Struktur Gliserol
16
Universitas Sumatera Utara
Pencampuran sempurna diperlukan untuk memperoleh distribusi yang homogen
untuk menghasilkan hubungan yang kuat antara gliserol dengan polimer. Pada kadar
gliserol rendah, polimer yang terbentuk memiliki struktur yang rapuh menunjukkan
sifat yang tidak kuat dan tidak fleksibel [34].
Ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antar molekul yang terjadi antara dua
muatan listrik persial dengan polaritas yang berlawanan. Ikatan hidrogen terjadi
ketika sebuah melekul memiliki atom O, N atau F yang mempunyai pasangan
elektron bebas (Lone pair elektron). Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi
dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen dengan
besaran ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1 – 2 kJ.mol-1) hingga tinggi (> 155
kJ.mol-1) [34].
Alasan pemilihan gliserol sebagai plasticizer dikarenakan merupakan salah satu
plasticizer yang banyak digunakan dan cukup efektif mengurangi ikatan hidrogen
internal sehingga akan meningkatkan jarak intermolekuler. Secara teoritis plasticizer
dapat menurunkan gaya internal diantara rantai polimer, sehingga akan menurunkan
tingkat kekakuan dan meningkatkan permeabilitas terhadap uap air [35].
2.8
METODE EKSTRUSI
Ekstrusi adalah proses manufaktur kontinu yang digunakan untuk mencetak
produk yang panjang dengan penampang yang tetap. Teknik ini dapat digunakan
untuk memproses sebagian besar polimer termoplastik dan beberapa polimer
termoset. Biasanya plastik yang dapat diproses dengan metode ekstruksi memiliki
viskositas yang tinggi, sehingga produk yang baru mengalami ekstrusi dapat
mempertahankan bentuk hasil pencetakan hingga produk tersebut sampai pada tahap
pendinginan cepat (water bath, air quench atau chill roll) [36].
Extruder adalah suatu alat yang memaksa bahan mentah untuk mengalir dalam
suatu kondisi tertentu dimana bahan mengalami pencampuran, pengadukan, dan
pemasakan serta akhirnya mesin ini memaksa bahan keluar melalui suatu die dan terjadi
pembentukan dan pengembangan (puffing). Extruder juga sering digunakan pada
pengolahan bahan makanan karena extruder mampu menghasilkan energi mekanis yang
digunakan untuk proses pemasakan bahan. Extruder mendorong bahan/adonan dengan
cara memompanya melalui sebuah lubang dengan bentuk tertentu (die). Extruder mampu
melakukan proses pencampuran dengan baik yang bertujuan agar bahan homogen dan
17
Universitas Sumatera Utara
terdispersi dengan baik. Salah satu kunci dalam beranekaragamnya hasil produk ekstrusi
terletak pada bagian die-nya, dimana dari sinilah bahan akan didorong keluar. Fungsi die
dalam pembuatan produksi pasta telah meningkatkan keragaman penggunaannya dalam
menghasilkan produk dengan berbagai macam bentuk, kandungan air dan konsistensi
[37].
Prinsip kerja exstruder adalah merubah polimer bahan mentah dalam bentuk
tepung atau gritz pelet melalui serangkaian kombinasi proses seperti pencampuran,
penggilingan, pembentukan dan proses pencetakan menjadi bahan jadi atau bahan
setengah jadi. Teknologi ekstrusi menawarkan ekstrudat yang lebih seragam, lebih
mudah pengoperasionalan alat dan tidak menghasilkan banyak limbah [38].
Extruder harus memiliki ulir yang berputar di dalam sebuah barrel. Jika bahan
yang diolah menempel pada ulir dan tergelincir dari permukaan barrel, maka tidak akan
ada produk yang dihasilkan dari ekstruder karena bahan ikut berputar bersama ulir tanpa
terdorong ke depan. Untuk menghasilkan output produksi yang maksimal maka bahan
harus dapat bergerak dengan bebas pada permukaan ulir dan menempel sebanyak
mungkin pada dinding, jadi extruder sangat mengandalkan pada drag flow untuk
menggerakkan bahan dalam barrel dan menghasilkan tekanan pada die. Agar bahan
terdorong maju maka bahan tidak boleh ikut berputar dengan ulir. Sama saja seperti cara
kerja sebuah sekrup dan mur, agar sekrup bergerak maju maka mur harus dalam keadaan
diam bukannya ikut bergerak dengan sekrup [37]. Komponen ekstruder pada umumnya
dapat dilihat pada gambar 2.6 berikut.
Gambar 2.6 Komponen Extruder [37]
18
Universitas Sumatera Utara
2.9
PENGUJIAN/KARAKTERISTIK BAHAN KOMPOSIT
2.9.1 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
Pengujian tarik adalah salah satu uji stress strain mekanik yang bertujuan
untuk mengetahui kekuatan material terhadap gaya tarik. Dalam pengujiannya,
material uji ditarik sampai putus. Uji tarik adalah cara pengujian bahan yang paling
mendasar. Pengujian tarik sangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami
standarisasi diseluruh dunia. Dengan menarik suatu material kita akan mengetahui
bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tarikan dan sejauh mana material itu
bertambah panjang [39].
Penarikan suatu bahan biasanya menyebabkan terjadi perubahan bentuk
dimana penipisan pada tebal dan pemanjangan. Kekuatan tarik (tensile strength)
suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang
mula-mula, dimensinya sama dengan tegangan. Pada peregangan suatu bahan
polimer, pemanjangan 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
[40].
2.9.2 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength)
Pengujian impak bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap
suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impak merupakan respon
terhadap beban kejut atau beban tiba-tiba (beban impak) [41]. Dalam pengujian
impak terdiri dari dua teknik pengujian standar yaitu charpy dan izod. Pada
pengujian standar charpy dan izod, dirancang dan masih digunakan untuk mengukur
energi impak yang juga dikenal dengan ketangguhan takik [4]. Spesimen charpy
berbentuk batang dengan penampang melintang bujur sangkar dengan takikan V oleh
proses permesinan. Spesimen V-Notch Metoda charpy dan izod dapat dilihat pada
gambar 2.7 berikut.
19
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan izod [4]
Mesin pengujian Impak diperlihatkan secara skematik dengan beban
didapatkan dari tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari posisi ketinggian h.
Spesimen diposisikan pada dasar seperti pada gambar 2.6. Ketika dilepas, ujung
pisau pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen ditakikannya
yang bekerja sebagai titik konsentrasi tegangan untuk pukulan impak kecepatan
tinggi. Palu pendulum akan melanjutkan ayunan untuk mencapai ketinggian
maksimum h’ yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap dihitung dari perbedaan
h’ dan h (mgh –mgh’), adalah ukuran dari energi impak. Posisi simpangan lengan
pendulum terhadap garis vertikal sebelum dibenturkan adalah α dan posisi lengan
pendulum terhadap garis vertikal setelahmembentur spesimen adalah β . Dengan
mengetahui besarnya energi potensial yang diserap oleh material maka kekuatan
impak benda uji dapat dihitung (Standar ASTM D256-00) [42]. Skema pengujian
impak dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8 Skema Pengujian Impak [41]
20
Universitas Sumatera Utara
2.9.3 Uji Kekuatan Lentur (Flexural Strength)
Material komposit mempunyai sifat tekan lebih baik dibanding tarik,
pada perlakuan uji lentur spesimen, bagian atas spesimen terjadi proses tekan dan
bagian bawah terjadi proses tarik sehingga kegagalan yang terjadi akibat uji bending
yaitu mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu menahan tegangan tarik.
Banyak jenis pengujian lentur, tetapi yang paling umum adalah tes lentur tiga titik
tekuk (three point bend test), di mana sampel diatur pada dua pendukung, dan gaya
diberikan secara langsung di antara dua mendukung [43].
2.9.4 Uji Karakterisitik Fourier Transform Infra Red (FT – IR)
Fourier Transform-Infra Red Spectroskopy atau yang dikenal dengan FT-IR
merupakan suatu teknik yang digunakan untuk menganalisa komposisi kimia dari
senyawa-senyawa organik, polimer, coating atau pelapisan, material semikonduktor,
sampel
biologi,
senyawa-senyawa
anorganik,
dan
mineral.FT-IR
mampu
menganalisa suatu material baik secara keseluruhan, lapisan tipis, cairan, padatan,
pasta, serbuk, serat, dan bentuk yang lainnya dari suatu material. Spektroskopi FT-IR
tidak hanya mempunyai kemampuan untuk analisa kualitatif, namun juga bisa untuk
analisa
kuantitatif.
Dasar
lahirnya
spektroskopi
FT-IR
adalah
dengan
mengasumsikan semua molekul menyerap sinar infra merah, kecuali molekulmolekul monoatom (He, Ne, Ar, dll) dan molekul-molekul homopolar diatomik (H2,
N2, O2, dll). Molekul akan menyerap sinar infra merah pada frekuensi tertentu yang
mempengaruhi momen dipolar atau ikatan dari suatu molekul. Supaya terjadi
penyerapan radiasi inframerah, maka ada beberapa hal yang perlu dipenuhi, yaitu :
1. Absorpsi terhadap radiasi inframerah dapat menyebabkan eksitasi molekul ke
tingkat energi vibrasi yang lebih tinggi dan besarnya absorbsi adalah
terkuantitasi.
2. Vibrasi yang normal mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi radiasi
elektromagnetik yang diserap
3. Proses absorpsi (spektra IR) hanya dapat terjadi apabila terdapat perubahan
baik nilai maupun arah dari momen dua kutub ikatan
21
Universitas Sumatera Utara
Teknik spektroskopi infra merah terutama untuk mengetahui gugus
fungsional suatu senyawa, juga untuk mengidentifikasi senyawa, menentukan
struktur molekul, mengetahui kemurnian, dan mempelajari reaksi yang sedang
berjalan [44].
2.9.5 Uji Penyerapan Air (Water-Absorption)
Water-absorption dalam komposit merupakan kemampuan komposit dalam
menyerap uap air dalam waktu tertentu. Water-absorption pada komposit merupakan
salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit di luar ruangan. Semua
komposit polimer akan menyerap air jika berada di udara lembab atau ketika polimer
tersebut dicelupkan di dalam air. Water-absorption pada komposit berpenguat serat
alami memiliki beberapa pengaruh yang merugikan dalam propertiesnya dan
mempengaruhi kemampuannya dalam jangka waktu yang lama juga penurunan
secara perlahan dari ikatan interface komposit serta menurunkan sifat mekanis
komposit seperti kekuatan tariknya. Penurunan ikatan interface komposit
menyebabkan penurunan properties mekanis komposit tersebut. Karena itu,
pengaruh dari water-absorption sangat vital untuk penggunaan komposit berpenguat
serat alami dilingkungan terbuka. Daya tahan terhadap water-absorption dalam
komposit berpenguat serat alami dapat ditingkatkan dengan memodifikasi
permukaan serat alami tersebut [27].
2.9.6
Uji Scanning Electron Microscopy (SEM)
Analisa SEM dilakukan untuk memfelajari sifat morfologi sampel. SEM
adalah alat yang dapat membentuk bayangan specimen secara mikroskopik. Berkas
elektron dengan diameter 5-10 nm diarahkan pada spesimen. Interaksi berkas
elektron dengan spesimen menghasilkan beberapa fenomena yaitu hamburan balik
berkas elektron, sinar X, elektron sekunder, dan absorpsi elektron [2].
Teknik SEM pada hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisa
permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari
lapisan yang tebalnya sekitar 20 µm dari permukaan. Gambar permukaan yang
diperoleh merupakan tofografi dengan segala tonjolan, lekukan dan lubang pada
permukaan. Gambar toforgrafi diperoleh dari penangkapan elektron sekunder yang
22
Universitas Sumatera Utara
dipancarkan oleh spesimen. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh
detektor yang diteruskan ke monitor. Pada monitor akan diperoleh gambar yang khas
menggambarkan struktur permukaan spesimen. Selanjutnya gambar di monitor dapat
dipotret dengan menggunakan film hitam putih atau dapat pula direkam ke dalam
suatu disket. Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai
konduktifitas yang tinggi, karena polimer mempunyai konduktifitas rendah, maka
bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan pengantar) yang tipis [2].
Pada dasarnya SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan elektron yang
dipantulkan atau seberkas elektron sekundar. Prinsip utamanya adalah berkas
elektron diarahkan pada titik-titik pada permukaan spesimen. Gerakan elektron
tersebut dapat di scanning (gerakan membaca) [40].
2.10
APLIKASI DAN KEGUNAAN KOMPOSIT
Mengingat melimpahnya limbah padat dan limbah plastik serta
pemakaian kayu/papan yang meningkat, maka pembuatan produk komposit
merupakan salah satu alternatif dalam pemanfaatan limbah-limbah tersebut untuk
menghasilkan produk-produk inovatif dan kreatif sebagai bahan dasar pengganti
kayu/papan dan juga untuk bahan baku di indutri kreatif. Berbagai usaha telah
dilakukan untuk menggantikan pemakaian kayu/papan [45]. Saat ini kebutuhan
bahan papan terus mengalami peningkatan. Biasanya bahan papan ini merupakan
bahan yang diperoleh dari kayu-kayu yang berasal dari hutan. Meningkatnya
pemakaian kebutuhan akan papan ini dapat memberikan pengaruh yang kurang baik,
yaitu hasil hutan terutama bahan kayu lama kelamaan akan semakin berkurang.
Ketergantungan akan bahan kayu harus segera ditanggulangi, agar tidak mengurangi
hasil hutan. Salah satu upaya yang dilakukan adalah dengan menggantikan kayu
dengan material lain untuk memenuhi kebutuhan kayu pada bidang perumahan.
Material lain yang digunakan ini tentunya harus mempunyai kualitas yang lebih
unggul atau tidak kalah dengan produk kayu hutan tersebut [46]. Beberapa bahan
pengganti alternatif seperti pemakaian metal, baja, aluminium serta plastik telah
dicoba. Akan tetapi karena faktor berat jenis yang tinggi serta ketahanannya terhadap
lingkungan yang rendah ataupun harga yang tinggi mengakibatkan kurang diminati
dan kepopulerannya turun [45]. Salah satu penyelesaian untuk mengatasi
23
Universitas Sumatera Utara
permasalahan tersebut sangat diperlukan usaha-usaha yang tujuannya untuk
memanfaatkan limbah industri, baik yang berasal dari industri pertanian maupun non
pertanian, sehingga dapat dipergunakan sebagai salah satu bahan baku pada industri
pembuatan papan patikel/komposit [46].
Pemanfaatan papan partikel/komposit dapat digunakan dalam komponen
bahan bangunan rumah, peredam panas, dan tempat penyimpanan, seperti untuk
membuat meja, ceiling, cold strorage maupun fire wall. Dalam penelitian ini, produk
berupa papan komposit berpengisi sekam padi dan abu sekam padi dapat digunakan
sebagai bahan baku untuk pembuatan furnitur (perabotan rumah tangga) berupa
meja, laci, lemari dan lain-lain.
24
Universitas Sumatera Utara