BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Komposit Polimer

Komposit merupakan bahan padatan yang dihasilkan dari dua gabungan

atau lebih bahan yang berlainan untuk memdapatkan ciri-ciri yang lebih baik yang

tidak dapat diperoleh dari setiap komponennya. Komposit yang dihasilkan bukan

saja memiliki sifat mekanik yang lebih baik baik tetapi juga sifat kimia, sifat

panas dan berbagai sifat yang lain. Sebenarnya komposit sudah digunakan

sebelum abad ke – 12. Pada saat ini berbagai jenis barang yang digunakan baik

untuk keperluaan harian maupun untuk teknik dibuat dari komposit.

Sebenarnya terdapat berbagai macam jenis komposit seperti komposit

logam, keramik, komposit plastik dan sebagainya yang diperkuat dengan berbagai

macam jenis serat. Jadi, komposit yang dihasilkan tergantung pada bahan matriks

yang digunakan apakah logam, keramik, termoplastik atau termoset dan juga jenis

pengisi organik ataupun anorganik yang digunakan.

2.1.1 Pembagian Komposit

Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1, komposit dapat dibagi lima

(5) berdasarkan konstituennya yaitu (Schwartz, 1992) :

a. Komposit serat yang terdiri dari serat dengan atau tanpa matriks

b. Komposit flake yang terdiri dari flake dengan atau tanpa matriks

c. Komposit partikel yang terdiri dari partikel dengan atau tanpa matriks

d. Komposit rangka (komposit terisi) yang terdiri dari matriks rangka

selanjar yang terisi dengan bahan kedua

e. Komposit laminat yang terdiri dari konstituen lapisan atau laminat.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1. Pembagian Komposit (Schwartz, 1992)

Komposit juga dapat dibagi berdasarkan sifat dan dimensi fase tersebarnya

yaitu (Hull, 1992) :

a. Mikrokomposit

Dimensi fasa tersebarnya mikrokomposit yang memiliki ukuran antara

10-8 – 10-6 m. Mikrokomposit ini dapat dibagi atas tiga bagian berdasarkan ukuran

dan bentuk fasa tersebarnya yaitu :

i. Mikrokomposit memnggunakan penguat sebaran

ii. Mikrokomposit memnggunakan penguat partikel

iii. Mikrokomposit memnggunakan penguat serat

b. Makrokomposit

Biasanya dimensi fasa tersebarnya memiliki ukuran di atas 10-6 m.

2.1.2 Fasa Matriks Pada Komposit

Fasa matriks merupakan fasa selanjar yang terdapat pada suatu komposit

dengan fasa penguat berada di dalamnya. Fasa matriks berfungsi sebagi pelekat

untuk pengisi yang berada di dalamnya. Untuk mendapatkan pelekat yang baik

antara fasa matriks dengan fasa penguat (pengisi) pembasahan yang sempurna

Universitas Sumatera Utara

harus terjadi agar interaksi antara fasa matriks dan fasa penguat menghasilkan

kekuatan interlamina yang baik.

Peranan fasa matriks pada suatu komposit yaitu :

a. Fasa matriks merupakan bahan padat yang mampu memindahkan

tegasan yang dikenakan pada fasa penguat (Hull, 1992; Varma &

Agarwal, 1991 dan Schwartz, 1992)

b. Menjaga fasa penguat dari kerusakkan lingkungan seperti panas, cuaca

dan kelembaban (Kennedy & Kelly, 1996)

c. Sebagai pengikat antara fasa matriks dan fasa penguat (Kennedy &

Kelly, 1996).

Menurut Ismail (2004), terdapat berbagai bahan matriks yang dapat

digunakan dalam komposit, yaitu polimer, logam, seramik, kaca, karbon dan

sebagainya. Walau bagaimanapun, bahan yang digunakan sebagai fasa matriks

harus memiliki peranan seperti yang telah disebutkan di atas dan pemilihan fasa

matriks memiliki beberapa kriteria yaitu :

a. Keserasian terhadap bahan pengisi karena akan menentukan interaksi

antar muka fasa matriks dengan fasa pengisi

b. Sifat akhir komposit yang dihasilkan

c. Aplikasi dari komposit yang dihasilkan

d. Kemudahan pemprosesan

e. Biaya yang digunakan untuk menghasilkan komposit.

Polimer lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan

Ismail (2004) yaitu :

a. Mudak diproses

b. Memiliki sifat mekanik dan eletronik yang baik

c. Memiliki berat jenis yang rendah

d. Memiliki suhu pemprosesan yang lebih rendah dibandingkan suhu

pemprosesan logam.

Komposit jenis polimer dapat dibagikan atas 3 (tiga) bagian (Alger, 1989)

yaitu :

a. Komposit yang terdiri dari gabungan polimer dengan polimer

Universitas Sumatera Utara

b. Komposit yang terdiri dari gabungan polimer dengan gas yaitu,

polimer yang berkembang, berbentuk sel atau busa

c. Komposit yang terdiri dari gabungan polimer dengan pengisi yang

terdiri dari pada komposit polimer dengan serat atau polimer dengan

partikel.

2.1.3 Fasa Penguat 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. Beberapa sifat yang dapat

dihasilkan dengan menggunakan fasa penguat yaitu (Ismail, 2004) :

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.

Diantara berbagai jenis pengisi yang umum digunakan dalam komposit

ialah serat kaca, serat karbon, serat kevlar dan serat alamih seperti serat kelapa,

serat nenas, serat kelapa sawit, serat pohon karet serbuk kayu dan sebagainya.

2.1.4 Antar Muka (Interface) Pengisi – Matriks

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 (pengisi) (Hull, 1992 dan

Universitas Sumatera Utara

Hollyday, 1996). Kemampuan pemindahan tegasan kepada fasa penguat

tergantung pada daya ikat yang muncul pada antar muka komposit. Ada berbagai

teori yang menerangkan pengikatan pada antar muka komposit umumnya

melibatkan ikatan kimia ataupun ikatan mekanik. Menurut Hull (1992) dan

Schwartz (1992) terdapat lima mekanisme yang dapat terjadi pada antara muka,

baik secara sendirian maupun secara gabungan. Lima mekanisme tersebut yaitu :

a. Penyerapan dan Pembasahan (Wetting)

Gambar 2.2. menunjukkan mekanisme penyerapan dan pembasahan. Untuk

pembasahan pengisi yang baik, leburan fasa matriks harus menutupi seluruh

permukaan pengisi agar udara dapat disingkirkan. Mekanisme ini diberikan oleh

persamaan termodinamik yang melibatkan tenaga permukaan dalam bentuk kerja

pelekatan, (Ismail, 2004) yaitu :

WA = γSV + γLV + γSL ………………………………………………(1)

Di mana WA = Daya penyebaran antara molekul setempat yang dapat tersebar

dan fasa tersebar (pengisi).

γSV = Energi bebas permukaan pada interface fasa solid – vapour

γLV = Energi bebas permukaan pada interface fasa liquid – vopour

γSL = Energi bebas permukaan pada interface fasa solid – liquid

θ

γLV

Cair

UapγSV

γSL Padat

Gambar 2.2. Mekanisme Penyerapan dan Pembasahan (Ismail, 2004)

b. Resapan (Absorption)

Gambar 2.3. menunjukkan mekanisme penyerapan. Menurut mekanisme ini,

suatu ikatan akan terbentuk apabila molekul-molekul polimer meresap dari suatu

permukaan ke dalam struktur molekul permukaan yang satu lagi. Kekuatan ikatan

Universitas Sumatera Utara

tergantung pada jumlah kekusutan molekul dan jumlah molekul yang terlibat.

Jumlah penyerapan tergantung pada konformasi molekul, bagian yang terlibat dan

kemudahan pergerakan molekul. Selain itu, penyerapan juga dapat ditingkatkan

dengan menambahkan pelarut dan plactisizer (Ismail, 2004).

Gambar 2.3. Mekanisme Penyerapan (Ismail, 2004)

c. Daya Tarik Elektrostatis

Gambar 2.4. menunjukkan mekanisme daya tarik elektrostatik. Pengikatan

daya tarik elektrostatik akan dihasilkan apabila terjadi perbedaan arus elektrostatik

antara dua komponen. Mekanisme tidak begitu berpengaruh kepada ikatan antar

muka kecuali apabila agen penggandeng (coupling agent) yang digunakan (Ismail,

2004).

Gambar 2.4. Mekanisme Daya Tarik Elektrostatik (Ismail, 2004)

d. Ikatan Kimia

Gambar 2.5. menunjukkan mekanisme ikatan kimia. Ikatan kimia terjadi

apabila komposit digunakan dengan bahan penyerasi. Ikatan terbentuk sebagai

hasil reaksi kimia antara kumpulan kimia di atas fasa tersebar (pengisi) dengan

kumpulan kimia yang serasi dengan matriks. Kekuatan pengikatannya tergantung

pada bilangan dan jenis ikatan kimia (Ismail, 2004).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5. Mekanisme Ikatan Kimia (Ismail, 2004)

e. Ikatan Mekanik

Gambar 2.6. menunjukkan mekanisme pengikatan mekanik. Pengikatan

mekanik terjadi secara interlocking mekanik apabila geometri permukaan fasa

matriks dan fasa tersebar (pengisi) tidak rata. Bagaimanapun juga, kekuatan pada

arah tegangan horizontal lebih lemah dibanding pada arah tegangan vertikal.

Faktor-faktor yang mempengaruhi pengikatan mekanik ialah kekasaran

permukaan (faktor utama dan terpenting) dan aspek geometri selama proses

fabrikasi (Ismail, 2004).

Gambar 2.6. Mekanisme Pengikatan Mekanik (Ismail, 2004)

2.2 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Sifat Mekanik Komposit

Secara umum terdapat dua faktor utama yang mempengaruhi sifat mekanik

komposit yaitu :

a. Keadaan pemprosesan

b. Kesan mikrostrukur.

Universitas Sumatera Utara

Tiga parameter yang penting pada keadaan pemprosesan yaitu suhu, waktu

dan tekanan. Ketiga-tiga parameter ini sangat perlu untuk mencapai titik yang

optimum agar peleburan polimer memiliki sifat keliatan dan aliran yang sempurna

untuk membasahkan fasa matriks agar pemindahan tegasan dari fasa matriks ke

fasa penguat (pengisi) juga berjalan sempurna. Tekanan pemprosesan yang

digunakan juga harus sesuai untuk memastikan ruang-ruang udara atau cacat

mikro yang terbentuk kecil terutama apabila menggunakan matriks termoset yang

akan membebaskan bahan penguap sewaktu proses pematangan dan juga apabila

menggunakan berbagai pengisi yang bersifat higroskopis.

Sebenarnya kesan mikrostruktur pada komposit yang dihasilkan

mempunyai hubungan yang erat dengan keadaan pemprosesan. Dimana pemilihan

suhu dan tekanan yang digunakan akan mempengaruhi taburan orientasi dan

taburan panjang fasa penguat khususnya pengisi alamiah ataupun sintetik. Sebagai

contoh, suhu yang digunakann akan mempengaruhi kelikatan leburan matriks

polimer dan menyebabkan serat patah. Tekanan yang tinggi juga akan

meyebabkan serat patah tetapi akan menghasilkan orientasi yang tinggi.

Selain keadaan pemprosesan dan mirostruktur, sifat matriks dan fasa

pemguat (pengisi) yang digunakan juga mempengaruhi sifat mekanik komposit

yang dihasilkan. Sebagai contoh, matriks termoset mempunyai kekuatan yang

lebih baik dibandingkan termoplastik ataupun elastomer termoplastik. Begitu juga

apabila menggunakan serat kevlar yang lebih liat dibandingkan dengan serat kaca

ataupun serat alamiah. Faktor lain yang juga sangat penting yaitu geometri pengisi

atau serat yaitu perbandingan antara panjang serat dengan diameter serat dan

volume pengisi. Umumnya semakin kecil ukuran partikel pengisi atau semakin

tinggi perbandingan aspek geometri maka semakin bagus pengisi tersebut maka

akan meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan.

Selain itu, pengolahan kimia yang dilakukan baik untuk fasa matriks

maupun fasa penguat atau kedua-duanya maka akan meningkatkan keserasian

antara kedua fasa melalui peningkatan kekuatan antara muka dan seterusnya akan

meningkatkan sifat mekanik komposit yang dihasilkan.

Universitas Sumatera Utara

2.3 Ciri-Ciri Pengisi

Berbagai jenis pengisi digunakan dalam polimer alamiah dan polimer

sintetik untuk memperbaiki dan meningkatkan sifat-sifat fisik bahan. Penambahan

pengisi bertujuan untuk mengurangi biaya, mewarnai atau menguatkankan bahan

polimer. Secara umum, keupayaan penguat suatu pengisi dipengaruhi oleh tiga

faktor utama yaitu ukuran dan luas permukaan, bentuk dan struktur permukaaan

serta aktifitas dan sifat-sifat kimia permukaaan. Pengisi umunya memiliki ukuran

yang kecil, permukaaan yang aktif secara kimia, permukaan yang poros dan

bentuk yang tidak seragam dapat diterangkan seperti di bawah ini (Ismail, 2000) :

a. Ukuran dan luas permukaan partikel

Peningkatan sifat fisik bahan polimer dapat dikaitkan dengan ukuran

partikel pengisi. Contohnya, tegasan dan modulus polimer berpengisi tergantung

pada ukuran pertikel. Ukuran partikel pengisi yang kecil akan meningkatkan

tingkat penguatan polimer dibandingkan dengan ukuran partikel yang besar

(Leblanc, 2002). Ukuran partikel mempunyai hubungan secara langsung dengan

permukaan per gram pengisi. Oleh sebab itu, ukuran partikel yang kecil akan

memperluas permukaaan sehingga interaksi diantara polimer matrik dan pengisi

seterusnya akan meningkatkan penguatan bahan polimer. Ringkasnya, semakin

kecil ukuran partikel semakin tinggi interaksi antara pengisi dan matrik polimer.

Kohls & Beaucage (2002) melaporkan bahwa luas permukaan dapat ditingkatkan

dengan adanya permukaan yang poros pada permukaaan pengisi maka polimer

dapat menembus masuk ke dalam permukaaan yang poros semasa proses

pencampuran.

Selain dari luas permukaan, kehomogen penyebaran di dalam matriks

polimer juga penting untuk menentukan kekuatan interaksi diantara pengisi dan

matriks polimer. Partikel yang berserakan secara homogen dapat meningkatkan

interaksi mulai penyerapan polimer pada permukaan pengisi. Sebaiknya, partikel

yang tidak berserakan secara homogen mungkin menghasilkan anglomerat dalam

matriks polimer. Adanya aglomerat akan memperkecil luas permukaan dan

seterusnya akan melemahkan interaksi diantara pengisi dan matriks dan

mengakibatkan penurunan sifat fisik bahan polimer.

Universitas Sumatera Utara

b. Bentuk dan Struktur Partikel

Bentuk partikel pengisi merupakan ciri yang penting selain dari pada

ukuran partikel. Pengisi organik dan mineral memiliki bentuk yang berbeda.

Terdapat tiga bentuk partikel pengisi yang utama yaitu sfera, platelet dan rod.

Bentuk partikel dapat mempengaruhi sifat mekanik polimer. Sifat akhir karet akan

meningkat apabila bentuk pengisi berubah dari sfera menjadi platelet dan rod

(Ismail, 2000). Aglomerat di kenal sebagai agregat sekunder. Walaupun aglomerat

mudah dipecahkan sewaktu pencampuran disebabkan karena ikatan Van der

Waals diantara agregat lemah. Gambar 2.7 memperlihatkan skematik struktur

partikel, agregrat dan aglomerat dari pengisi.

Gambar 2.7. Skema Struktur Partikel, Agregat dan Aglomerat (Sekutowski,

1996)

c. Aktivitas dan Sifat Kimia

Ukuran dan struktur partikel dikatagorikan sebagai ciri fisikal pengisi

tetapi aktifitas permukaan dikatagorikan sebagai ciri kimia pengisi yang memberi

Universitas Sumatera Utara

kesan terhadap penguatan polimer (Kohls & Beucage, 2002). Kimia permukaan

pengisi merupakan keupayaan pengisi untuk berinteraksi dengan polimer yang

seterusnya akan menghasilkan ikatan. Pembentukan ikatan diantara polimer dan

pengisi akan meningkatkan kekuatan bahan. Ikatan diantara polimer dan pengisi

dapat dibentuk apabila pengisi memiliki tempat yang aktif untuk berinteraksi

dengan rantai polimer.

Pengisi dapat diklasifikasikan menurut sifat - sifat kimia dan fisikanya.

Pada awalnya pengisi dapat dibagi atas pengisi organik dan anorganik tetapi dapat

juga dibagikan pada pengisi berserat dan partikulat seperti Gambar 2.8 berikut ini.

Anorganik Organik

Berserat: -kapas -serbuk kayu -kelapa sawit -dsb

Tidak berserat: -karbon hitam -grafit -abu sekam padi -dsb

Berserat: -asbestos -serat kaca -serat kevlar -serat aramid -dsb

Tidak berserat: -silika -tanah liat -kalsium -mika -dsb

Pengisi

Gambar 2.8. Pengkelasan Pengisi

2.4 Poliolefin

Poliolefin merupakan suatu polimer termoplastik yang umum digunakan.

Poliolefin ini dihasilkan dari monomer olefin atau alkena. Banyak jenis-jenis

poliolefin seperti polipropilena yang berasal dari monomer propilena, polietilena

dari monomer etilen, isoprena, butena dan sebagainya. Poliolefin yang sering

digunakan yaitu polietilena dan polipropilena.

Universitas Sumatera Utara

2.4.1. Polipropilena (PP)

Propilena memiliki taburan molekul diantara 38.000 – 60.000 (Othmer,

1987) dan berstruktur molekul seperti Gambar 2.9. berikut ini:

CH2-CH-CH3

n

Gambar 2.9. Struktur Molekul Polipropilena

Kumpulan metil yang terdapat pada sisi rantai memberikan tiga jenis

taktisiti iaitu ataktik, sindiotatik dan isotaktik. Untuk konfigurasi isotaktik, semua

kumpulan sisi metil terletak pada sebelah yang sama pada rantai utama dan

merupakan taktisiti yang biasa yaitu dalam 90 – 95 % sedangkan konfigurasi

ataktik setiap unit metil bersebelahan disusun berselang – selang. Polipropilena

mempunyai dua fasa amorfus dan fasa berhablur.

Polipropipena isotaktik merupakan satu polimer yang sangat berguna yang

memiliki sedikit atau tiada ikatan jenuh. Polipropilena isotaktik mempunyai

indeks isotaktik 0.94 atau lebih. Indeks isotaktik yang tinggi ini menunjukan

bahwa polipropilena mempunyai struktur hablur yang tinggi yang dapat

meningkatkan sifat mekaniknya hal ini bermakna kestereonalaran polipropilena

memainkan peranan penting dalam menentukan tingkat penghabluran.

Polipropilena dapat digunakan dalam berbagai keadaan, begitu juga dengan

kopolimernya contohnya yaitu etilena propilena. Polipropilena murni memiliki

berat jenis yang rendah yaitu sekitar 0.90 gr/ cm3. Selain dari pada itu biaya yang

rendah, suhu peleburan yang tinggi, kekuatan, kekakuan, kekerasan, ketahanan

terhadap kimia dan panas dan sifat elektrik yang baik, kekerasan permukaan yang

baik yang merupakan kelebihan-kelebihan dari polipropilena.

2.4.2 Komposit Polipropilena

Sejak akhir – akhir ini pengunaan komposit polipropilena untuk keperluan

teknik telah meningkat dengan pesat (Pritchard, 2004). Hal ini disebabkan karena

komposit polipropilena mempunyai ciri-ciri modulus tinggi yang sangat baik

sehingga dapat menggantikan bahan konvensional, terutama dalam bidang

Universitas Sumatera Utara

automotif. Contohnya, polipropilena terisi talkum telah digunakan untuk

menghasilkan bumper, ruang pemanasan, paket pintu dan lain-lain. Dalam bidang

teknik, komposit polipropilena diperkuat kaca digunakan sebagai tangki pada

mesin pencuci, tempat duduk untuk kursi dan penghubung ban truk. Untuk

memperkuat lagi komposit polipropilena, pengisi-pengisi seperti kaolin, karbon

hitam, serat karbon, asbestos, serbuk kayu, kalsium karbonat, silikat dan mika

ditambahkan (Clemons, 2002 dan Pritchard, 2004).

Perkembangan bidang komposit yang berpengisi telah menjadi perhatian

para penyelidik. Clemon (2002) dan Pritchard (2004) mengkaji kegunaan

polipropilena yang ditambahkan dengan elastromer dan polipropilena diperkuat

serat kaca. Menurut mereka, strategi industri baru memerlukan transformasi pada

komoditi plastik dan bidang-bidang khusus melalui teknologi sederhana seperti

pembentukan pengisi dan teknologi pencampuran.

Bigg (1987) juga telah mengkaji sifat-sifat polipropilena dan polipropilena

terisi perubahan bentuk asam dengan bahan pengisi seperti talkum, silikon,

kalbida dan aluminium flak. Mitsui dkk. (1991) juga telah mempraktekkan

polipropilena untuk kegunaan automotif terisi 5 hingga 50 % pengisi (talkum dan

mika) yang memiliki sifat-sifat daya pelekat, pelapis dan pencetakan yang

sempurna tetapi juga memiliki sifat-sifat panas dan mekanik yang baik. Bahan-

bahan lain yang ditambahkan pada komposit adalah ester dan asam anhidrida

dikarbosilat tak jenuh untuk memisahkan kepolaran dengan polipropilena

sehingga dapat pemperbaiki sifat-sifat akhir permukaan untuk berbagai proses

pembentukan atau percetakan. Jeffs (1988) melaporkan kesan kalsium karbonat,

talkum dan kaolin yang telah dilakukan perawatan permukaan pada sifat-sifat

pembentukan polipropilena dengan cara suntikan dan polipropilena diperkuat kaca

untuk kegunaan automotif.

Riley dkk. (1990) melakukan berbagai peyelidikan bahan pengisi talkum

dan kalsium karbonat dalam homopolimer polipropilena dan kopolimer untuk

menentukan faktor-faktor yang mempegaruhi sifat-sifat komposit. Menurut

mereka, kekakuan daripada polipropilena terisi ditentukan sebagian besar oleh

modulus dan perbandingan aspek partikel-partikel, dimana kekuatan

benturantergantung pada ukuran dan bentuk pengisi. Mereka mendapati bahwa

Universitas Sumatera Utara

kekuatan benturankomposit dapat ditingkatkan dengan perbandingan partikel yang

kecil.

Dharia & Wolkowicz (1992) mengkaji kesan penggunaan serat pada sifat-

sifat polipropilena diperkuat serat kaca pendek. Wildman dkk. (1992) mengkaji

sifat-sifat polipropilena dan pengisi poliamida dengan silika Neuburg, suatu jenis

silika dengan sifat-sifat komersil yang terdiri dari campuran kuart jenis kaolin

laminar. Alonso dkk. (1993) mengkaji sifat-sifat penahan bunyi daripada

polipropilena terisi talkum sedangkan Petrovic dkk. (2000) mengkaji sifat-sifat

fisik dan elektrik polipropilena terisi karbon hitam dalam bentuk komposit

konduktif.

Meskipun penggunaan pengisi berasaskan kayu tidak popular

dibandingkan pengisi mineral atau pengisi anorganik tetapi kepentingannya telah

meningkat akhir-akhir ini dalam penghasilan komposit berasaskan kayu. Pengisi

kayu memiliki beberapa kelebihan dibandingkan pengisi organik yaitu

mempunyai berat jenis yang rendah, sifat fatique yang rendah untuk pemprosesan

dan biaya yang lebih rendah (Clemon, 2002 dan Pritchard, 1994. Woodhams dkk.

(1984) mengkaji pengaruh maleat anhidrida polipropilena dan perubahan

komposisi pada sifat-sifat polipropilena/serbuk kayu. Kesan positif dan negatif

dari kelembaban yang terserap oleh serbuk kayu pada sifat mekanik dan reologi

untuk komposit polipropilena/kayu telah dilakukan oleh Rieveld & Simon (1992).

2.5 Pengisi Limbah Padat Campuran Organik dan Anorganik

2.5.1 Sistem Hibrid

Sistem hibrid di dalam teknologi komposit pada saat ini sangat

berkembang pesat. Menurut Richardson (1987), komposit yang dihasilkan dari

dua atau lebih bahan pengisi atapun matriks yang berlainan disebut sebagai

komposit hibrid. Secara umum, sistem hibrid di dalam komposit adalah suatu

sistem dimana matriksnya atau bahan pengisi atau kedua-duanya terdiri dari dua

bagian. Maksudnya, matriks dengan dua serat/pengisi atau satu pengisi dengan

dua matriks atau kedua-duanya matriks. Jadi pengisi limbah padat campuran

organik dengan anorganik pada mikrokomposit disebut dengan komposit hibrid.

Universitas Sumatera Utara

Konsep hibrid ini sebenarnya merupakan lanjutan pada bidang komposit

yaitu untuk menggabungkan berbagai jenis bahan demi mengoptimumkan sifat-

sifat komposit yang dihasilkan. Sebagai contoh, penambahan serat kevlar 49 pada

komposit yang diperkuat dengan serat karbon dimana serat karbon bersifat rapuh

sedangkan serat kevlar 49 bersifat liat sehingga komposit yang dihasilkan

memiliki sifat mekanik yang lebih baik dibanding tanpa penambahan serat kevlar

49 (Patrick, 1992).

Selain itu, sistem hibrid juga digunakan untuk mengurangi biaya produksi.

Misalnya, penambahan pengisi yang bermutu rendah pada komposit yang

diperkuat serat karbon ataupun serat boron tanpa menyebabkan penurunan yang

berarti sifat mekanik komposit tersebut (Schwartz, 1992).

2.5.2 Limbah Padat Campuran Organik dan Anorganik

Komposit termoplastik berasaskan limbah padat pulp mempunyai

kelebihan seperti spesifikasi kekuatan dan kekerasan yang tinggi, sifat fleksibel

sewaktu pemprosesan dengan kurang fatique terhadap peralatan, berat jenis yang

rendah, memiliki sifat penurunan biologi dan biaya yang murah (Yuan dkk.,

1999).

Penggunaan serat selulosa pada matriks polipropilena meningkatkan sifat-

sifat mekanik komposit, selain biayanya yang murah. Limbah padat pulp,

merupakan salah satu bahan selulosa yang dihasilkan dari pemprosesan

pembuatan pulp. Limbah padat pulp merupakan hasil buangan pada proses

pembuatan pulp yang menimbulkan masalah pada lingkungan kerana jumlah

yang banyak dan akan terus bertambah, limbah padat ini memerlukan tempat

untuk pembuangan dan hanya sebagian kecil yang digunakan untuk pertanian,

didaur ulang sebagai pupuk, recovery energi pada proses pembuatan pulp tersebut

(Jang dkk., 2000; Son dkk., 2001, Jang & Lee, 2001 dan Hojamberdiev, dkk.,

2008). Limbah padat pulp mengandung dua komponen utama yaitu bahan organik

(selulosa, hemisellulosa dan/atau lignin) dan bahan anorganik dan bahan pelapis

seperti kaolin dan kalsium karbonat, talk dan sebagainya yang ditambahkan

sewaktu pemprosesan yang bertujuan untuk mengurangi biaya (Hojamberdiev,

dkk., 2008). Limbah padat pulp yang digunakan mengandung 41 % bahan organik

Universitas Sumatera Utara

dan 59 % bahan anorganik, nilai ini tergantung dari pabrik pembuatnya. Gambar

2.10 menunjukkan struktur selulosa di dalam campuran limbah padat pulp.

Gambar 2.10. Struktur Molekul Selulosa (Bledzki & Gassan, 1999)

2.5.3 Komposit Limbah Padat Campuran Organik dan Anorganik

Pada fabrikasi komposit, serat selulosa menjadi pusat perhatian karena

kemampuannya sebagai pengisi penguat untuk polimer-polimer termoplastik

dengan titik lebur rendah seperti polipropolena (PP), polietilena berat jenis tinggi

(HDPE) dan polietilena berat jenis rendah (LDPE). Sebagai pengisi di dalam

termoplastik, limbah padat pulp mempunyai banyak kegunaan yang sangat luas

dan berkembang, disamping mempunyai biaya yang murah dan sifat-sifat

perubahan dari kedua pengisi organik dan anorganik, yang sangat penting masalah

lingkungan dapat teratasi dari limbah yang terbuang menjadi suatu bahan yang

bermanfaat.

Son dkk. (2001) menyatakan bahwa ukuran partikel limbah padat pulp

khususnya sludge dan suhu pada sifat-sifat fisik dan mekanik dari komposit

sludge kertas-polimer termoplastik. Mereka menyatakan bahwa dengan semakin

kecilnya ukuran partikel sludge kertas, penyerapan air, kekuatan tarik dan

kekuatan lentur komposit meningkat.

Qiao dkk. (2003 a) telah meneliti penggunaan sludge kertas sebagai

pengisi pada komposit polipropilena dan membandingkannya dengan

polipropilena berpengisi kalsium karbonat komersil (CaCO3). Hasil eksperimen

menunjukkan bahwa sludge kertas lebih baik dari pada CaCO3 sewaktu

penghabluran polipropilena pada pembebanan pengisi yang sama, sifat-sifat

mekanik dari pada komposit PP terisi sludge kertas adalah lebih baik daripada

Universitas Sumatera Utara

komposit PP/CaCO3, kecuali untuk kekuatan benturandan pemanjangan pada saat

putus.

Qiao dkk. (2003 b) juga telah mengkaji kesan penggunaan sludge kertas

sebagai pengisi pada komposit polipropilena dengan menggunakan berbagai

bahan penggandeng. Mereka membuktikan bahwa sifat-sifat mekanik, kestabilan

panas dan sifat penghabluran meningkat dengan penambahan berbagai bahan

penggandeng.

Qiao dkk. (2004) menyatakan bahwa penambahan polipropilena malaeted

(PPMA) sebagai bahan penggandeng untuk komposit polipropilena terisi sludge

kertas meningkat dengan adanya interaksi antara muka polipropilena dan sludge

kertas dan juga meningkatkan sifat-sifat kekuatan tarik dan kekuatan lenturnya.

2.6 Bahan Penyerasi

Pengolahan kimia dilakukan dengan merubah permukaan pengisi atau

matriks dengan menggunakan bahan kimia tertentu. Umumnya perubahan

permukaan pengisi dilakukan dengan penambahan bahan penggandeng sedangkan

perubahan matriks dilakukan dengan menggunakan bahan penyerasi. Bahan

penggandeng atau bahan penyerasi yang digunakan harus serasi atau dapat

bereaksi dengan senyawa-senyawa kimia yang terdapat pada permukaan pengisi

atau matriks.

Bahan penyerasi adalah bahan kimia yang mempunyai satu segmen kimia

untuk menyambungkan satu polimer dan segmen kimia yang kedua dengan

polimer yang lain dengan cara membentuk ikatan kovalen antara dua fasa.

Penggunaan bahan penyerasi akan mengurangi kedua fasa polimer terpisah

dengan cara meningkatkan pelekatan antar muka antara kedua fasa. Umumnya

bahan penyerasi merupakan kopolimer blok atau cangkok yang terdiri dari

segmen berlainan dengan cara kimia akan serasi dengan fasa matriks polimer yang

digunakan. Secara umum fungsi bahan penyerasi adalah untuk :

a. Mengurangi tegangan antar muka peleburan polimer dengan memberikan

pengemulsian dan seterusnya menyebarkan satu fasa ke dalam fasa yang lain

b. Menambah pelekatan antar muka

c. Menstabilkan fasa tersebar sewaktu pemprosesan.

Universitas Sumatera Utara

2.6.1 Minyak Jarak Pagar

Dalam eksperimen ini, bahan penyerasi yang digunakan ialah turunan

minyak jarak pagar. Minyak jarak pagar (Jatropha curcas L., Euphorbiaceae)

merupakan tumbuhan semak berkayu yang banyak ditemukan di daerah tropik.

Walaupun telah lama dikenal sebagai bahan pengobatan dan racun, saat ini ia

makin mendapat perhatian sebagai sumber bahan bakar hayati untuk mesin diesel

karena kandungan minyak bijinya. Pemanfaatan minyak jarak pagar dan

turunannya (derivat) sangat luas dalam berbagai industri: sabun, pelumas, minyak

rem dan hidrolik, cat, pewarna, plastik tahan dingin, pelindung (coating), tinta,

malam dan semir, nilon, farmasi (1% dari total produk dunia), dan parfum.

Biji jarak pagar rata-rata berukuran 18 x 11 x 9 mm, berat 0,62 gram, dan

terdiri atas 58,1 % biji inti berupa daging (kernel) dan 41,9 % kulit. Kulit hanya

mengandung 0,8 % ekstrak eter. Biji (dengan cangkang) jarak pagar mengandung

20-40% minyak nabati, namun bagian inti biji (biji tanpa cangkang) dapat

mengandung 45-60% minyak kasar. Kadar minyak (trigliserida) dalam inti biji

ekuivalen dengan 55% atau 33% dari berat total biji. Asam lemak penyusun

minyak jarak pagar terdiri atas 22,7% asam jenuh dan 77,3% asam tak jenuh.

Kadar asam lemak minyak terdiri dari 17,0% asam palmiat, 5,6 % asam stearat,

37,1 % asam oleat, dan 40,2 % asam linoleat. Berdasarkan analisis terhadap

komposisi asam lemak dari 11 provenans jarak pagar, diketahui bahwa asam

lemak yang dominan adalah asam oleat, asam linoleat, asam stearat, dan asam

palmitat. Komposisi asam oleat dan asam linoleat bervariasi, sementara dua asam

lemak yang tersisa, yang kebetulan merupakan asam lemak jenuh, berada pada

komposisi yang relatif tetap (Heller, 1996).

Minyak jarak pagar berwujud cairan bening berwarna kuning dan tidak

menjadi keruh meski disimpan dalam waktu yang lama. Umumnya para peneliti

menggunakan bahan kimia sebagai bahan penyerasi. Penggunaan minyak jarak

pagar sebagai bahan penyerasi diharapkan dapat lebih berinteraksi sehingga

komposit yang dihasilkan memiliki sifat mekanik yang lebih baik dan juga

produknya lebih ramah terhadap lingkungan.

Struktur kimia dari minyak jarak pagar terdiri dari trigliserida dengan

rantai asam lemak yang lurus (tidak bercabang), dengan atau tanpa rantai karbon

Universitas Sumatera Utara

tak jenuh, mirip dengan CPO (crude palm oil). Struktur kimia dan buah dari

minyak jarak pagar dapat dilihat pada Gambar 2.11. dan 2.12. di bawah ini

(Sopian, 2005).

H2C – O – C(O) – (CH2)16 – CH3

HC – O – C(O) – (CH2)7 CH = CH (CH2)7 CH3

H2C – O – C(O) – (CH2)7 CH = CH CH2 CH – CH (CH2)4 CH3

Gambar 2.11. Struktur Kimia Minyak Jarak Pagar (Sopian, 2005)

Gambar 2.12. Buah Jarak Pagar (Jatropha curcas L) (Sopian, 2005)

2.6.2 Polipropilena Maleat Anhidrida (PPMA)

Menurut Krul (1985), tujuan penambahan maleat anhidrida pada poliolefin

adalah untuk meningkatkan poliritas, daya rekat, daya ikat dan kepekaan terhadap

ikatan silang. Hasil akhir dari modifikasi tersebut menaikan keserasian polimer

tersebut dengan bahan pengisi. Sedangkan menurut Mishra (2000) tujuan

penambahan bahan penggandeng adalah untuk mengurangi kepolaran dari serat

selulosa sehingga dapat berinteraksi dengan matriks polipropilena.

Dalvag (1985) telah melaporkan bahwa penggunaan polipropilena maleat

anhidrida (PPMA) dapat digunakan sebagai bahan penyerasi yang memberi ikatan

Universitas Sumatera Utara

pada kedua serat yang mengandung kumpulan hidroksida dan matriks polimer

melalui penambahan peroksida. Chen dkk., (1998) juga mengkaji penggunaan

PPMA, dimana penggunaan PPMA telah meningkatkan sifat-sifat mekanikal

seperti modulus tarik, kekuatan tarik dan kekuatan benturan pada komposit

polipropilena diperkuat serat bambu.

Ichazo dkk., (2001) melaporkan bahwa polipropilena anhidrida malaeted

(PPMA) sebagai bahan penyerasi dan silana sebagai bahan penggandeng telah

meningkatkan modulus tarik dan kekuatan komposit polipropilena/serbuk kayu

serta mengurangi penyerapan air komposit.

Wielega dkk, (2003) melakukan penyelidikan pada komposit polipropilena

dengan diperkuat serat rami dengan menambahkan maleat anhidrida sebagai

bahan penggandeng. Hasil penyelidikan didasarkan pada scanning electron

microscope (SEM) didapati bahwa terjadi peningkatan adhesi setelah

ditambahkan maleat anhidrida. Demikian juga menurut Yeh Wah dkk. (2003)

mereka melakukan kajian tentang kefektifan dan adhesi pada komposit poliolefin

dengan serbuk kayu dan menggunakan maleat anhidrida. Jenis poliolefin yang

digunakan yaitu polietilena linier densitas rendah (LLDPE) dan polietilena

densitas tinggi (HDPE). Dari hasil penelitian terhadap sifat mekanikal, morfologi,

FTIR didapati peningkatan yang signifikan terhadap komposit yang dihasilkan.

Dalam penelitian ini PPMA yang digunakan sebanyak 3% terhadap

matriks. Hal ini didasari atas hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Yang dkk.,

(2007) dimana mereka mengkaji bahwa penggunaan bahan penyerasi yang

maksimum hanya 3 % untuk komposit yang berisi serat lignoselulosa. Studi yang

lain juga dilakukan oleh Jungil Son, dkk (2004) dimana penggunaan bahan

penghubung Epolene G-303TM sebanyak 3 % berat menunjukkan pengaruh yang

hampir sama dengan penggunaan bahan penghubung sebanyak 5 % terhadap

kenaikan sifat mekanik modulus fleksural polietilena densitas rendah yang berisi

paper sludge.

2.7 Analisa Panas

Analisa panas polimer merupakan satu objek yang sangat penting untuk

dikaji terhadap polimer yang mempunyai ketahanan panas dan masalah kestabilan

Universitas Sumatera Utara

polimer yang mempunyai keseimbangan panas. Analisis panas adalah menjadi

kaedah analitik yang penting didalam memahami hubungan sifat struktur dan

teknologi pembentukan melekul dan produk industri untuk berbagai bahan-bahan

polimer yang berbeda, khususnya komposit berpenguat serat. Terlebih lagi teknik

yang digunakan untuk menentukan kestabilan panas suatu bahan.

Serat sellulosa mengalami penurunan lignin diantara suhu 200 0C, dan

polisakarida yang lain, terutama selulosa teroksidasi yang turun pada suhu tinggi

(Akita dan Kase, 1967). Salah satu kaedah yang digunakan untuk mengkaji sifat-

sifat panas dari bahan polimer adalah adalah analisis termal termogravimetri

(TGA). Data termogravimetri menunjukan sejumlah urutan dari lengkungan

panas, kehilangan berat bahan di dalam setiap tahapan, suhu awal penurunan, dan

lain-lain (Mc Neill, 1989). Termogravimetri dan analisis differensial termal

termogravimetri (DTG) akan menghasilkan informasi keadaan alamiah dan

pemanjangan penurunan suhu bahan. Di dalam differential scanning calorymetry

(DSC), kecepatan aliran panas dihubungkan dengan tahap panas yang dapat

diukur sebagai fungsi waktu dan suhu untuk mengetahui peleburan dan fase

peralihan sistem komposit.

Mucha dkk. (2000) mengkaji kesan pengisi karbon hitam pada sifat-sifat

kinetik penghabluran dari polipropilena isotaktik. Mereka mendapati bahwa

kesan nukleus alamiah dan mekanisme habluran PP berubah tergantung pada suhu

penghabluran (T) dan kandungan karbon hitam.

Untuk komposit polimer dengan matriks semihablur, penghabluran

merupakan faktor yang sangat penting untuk menentukan kekerasan rekahan dari

pada matriks yang dihablurkan tersebut. Penghabluran tergantung pada parameter

pemprosesan seperti suhu penghabluran, berat jenis dan waktu pemprosesan.

Sebagaimana yang telah diteliti bahwa lapisan transcrystalline terbentuk pada

permukaan serat/matriks (Wang & Hwang, 1996 dan Wang & Liu, 1997).

Joseph dkk. (2003) telah mengkaji sifat panas dan penghabluran dari serat

sisal yang dirawat dengan polipropilena glikol (PPG), PPMA, KmN04 sebagai

penguat pada komposit polipropilena. Menurut mereka ketahanan panas, suhu

lebur dan penghabluran meningkat dengan penambahan serat sisal yang terawat

ke dalam matriks polipropilena.

Universitas Sumatera Utara

2.7.1 Analisis Kalori Differensial (DSC)

DSC merupakan pengujian yang baru, setelah menggantikan analisis

termal differensial (DTA). Pada umumnya informasi sifat termal sampel dapat

diperoleh dari data perubahan berat, suhu dan entalpi selama proses pemanasan

(Wirjosentono, 1995). DSC mengukur perbedaan jumlah panas yang dibutuhkan

untuk menaikkan temperatur sampel. Hal ini dapat dilihat dari perubahan

komposit sebagai fungsi temperatur. DSC meliputi penentuan temperatur tansisi

gelas (Tg), titik leleh, kristalisasi, panas reaksi dan panas fusi, kapasitas panas dan

panas spesifik, kinetika reaksi dan kemurnian (purity).

2.7.2 Analisis Termal Gravimetri (TGA)

Analisis termal gravimetri merupakan metode analisis yang menunjukkan

sejumlah urutan dari lengkungan termal, kehilangan berat dari bahan dari setiap

tahap, dan suhu awal penurunan (Mc Neil, 1989). Analisis termal gravimetri

dilakukan untuk menentukan kandungan pengisi dan kestabilan termal dari suatu

bahan.

2.8 Spektroskopi Infra Merah (FTIR)

Dua variasi intrumentasi dari spektroskopi IR yaitu metode dispersif yang

lebih tua, dimana prisma atau kisis dipakai untuk mendispersikan radiasi IR, dan

metode yang kedua Fourier Transform (FT) IR yang lebih akhir, yang

menggunakan prinsip interferometri. Kelebihan FTIR ini ukuran sampel yang

digunakan untuk diuji lebih kecil dan spektrum yang dihasilkan dapat lebih cepat

terdeteksi karena telah tersimpan di dalam komputer.

Spektrum-spektrum disfersif dari sebagian besar polimer komersial telah

dicatat, oleh karena identifikasi kualitatif zat-zat yang tidak diketahui seringkali

dapat diselesaikan melalui perbandingan. Ini mencakup polimer-polimer yang

memiliki stereokimia atau distribusi rangkaian monomer yang bervariasi, karena

perbedaan demikian biasanya menghasilkan spektrum-spektrum yang berbeda.

Dimana spektrum-spektrum komparatif tidak tersedia, pengetahuan struktur

polimer dapat diperoleh melalui pertimbangan yang wajar terhadap pita-pita

gugus fungsional, ataudengan membandingkan spetruk dengan spektrum

Universitas Sumatera Utara

senyawa-senyawa model berat molekul yang rendah yang siap terkarakterisasi

dengan struktur yang mirip (Steven, 2001).

Penggunaan spektroskopi FTIR untuk analisa banyak digunakan untuk

identifikasi suatu senyawa. Hal ini disebabkan spektru FTIR suatu senyawa (misl

senyawa organik) bersifat khas, artinya senyawa yang berbeda akan mempunyai

spektrum yang berbeda pula. Vibrasi ikatan kimia pada suatu molekul

menyebabkan pita serapan hampir seruhnya di daerah spektrum IR yakni 4000 –

400 cm-1.

Formulasi bahan polimer komersial dengan kandungan aditif bervariasi

sebagai kandungan pemplastis, pemantap dan anti oksidan, memberikan kekhasan

pada spekturm IRnya. Analisis IR memberikan informasi tentang kandungan

aditif, panjang rantai, dan struktur rantai polimer. Disamping itu, analisis Irdapat

digunakan untuk karakterisasi bahan polimer yang terdegradasi oksidatif dengan

munculnya gugus karbonil dan pembentukan ikatan rangkap pada rantai polimer.

Gusus lain yang menunjukkan terjadinya degradasi oksidatif adalah gugus

hidroksidasi dan karboksilat (Harjono, 1991).

2.9 Morfologi Bahan Komposit

Morfologi bahan komposit merupakan keadaan yang disebabkan oleh

penyerapan (dispersi) dari pengisi di dalam matriks. Permukaan patahan dari uji

kekuatan tarik komposit dapat dipelajari dengan mikroskop elektron payaran

(SEM), karena jauh lebih mudah untuk mempelajari struktur permukaan tersebut

secara langsung. Pada dasarnya SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan

elektron yang dipantulkan atau seberkas elektron sekunder. Prinsip utamanya

adalah berkas elektro diarahkan pada titik-titik permukaan spesimen. Gerakan

elektron tersebut disebut dengan scanning (gerakan membaca).

Jika seberkas elektron ditembakkan pada permukaan spesimen maka

sebagian dari lektron tersebut akan dipantulkan kembali dan sebagian lagi akan

diteruskan. Jika permukaan spesimen tidak rata, banyak lekukan, atau lubang-

lubang, maka tiap begian dari permukan spesimen tersebut akan memantulkan

elektron dengan jumlah dan arah yang berbeda dan jika ditangkap detektor akan

diteruskan ke sistem layar dan akan diperoleh gambaran yang jelas dari

Universitas Sumatera Utara

permukaan spesien tersebut dalam bentuk tiga dimensi. Sampel yang dianalisa

dengan teknik ini harus mempunyai permukaan dengan konduktivitas tinggi.

Bahan polimer yang memeng memiliki konduktivitas yang rendah sehingga harus

dilapisi dengan bahan konduktor yang tipis. Bahan yang biasa digunakan adalah

emas atau campuran emas dan palladium.

Universitas Sumatera Utara