Makalah Material Fungsional

“ Material Nanokomposit ( campuran polimer epoxy-resin dengan nanopartikel SiO2

(Silicon Dioxide) ) yang Superkuat, Ringan dan Transparan”

Nama : Bella Perucha

Jurusan : Mipa Kimia

Universitas : Sriwijaya

BAB 1

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Bidang material nanokomposit akhir-akhir ini mendapatkan perhatian yang serius dari para ilmuwan. Berbagai penelitian yang dilakukan dengan sangat cermat terus menerus dilakukan. Penelitian dilakukan berdasar pada pemikiran/ide yang sangat sederhana, yaitu menyusun sebuah material yang terdiri atas blok-blok partikel homogen dengan ukuran nanometer. Hasil penelitian tersebut sungguh mengejutkan. Sebuah material baru lahir dengan sifat-sifat fisis yang jauh lebih baik dari material penyusunnya. Hal ini memicu perkembangan material nanokomposit di segala bidang dengan memanfaatkan ide yang sangat sederhana tersebut.

Nanokomposit dapat dianggap sebagai struktur padat dengan dimensi berskala nanometer yang berulang pada jarak antar-bentuk penyusun struktur yang berbeda. Material-material dengan jenis seperti itu terdiri atas padatan inorganik yang tersusun atas komponen organik. Selain itu, material nanokomposit dapat pula terdiri atas dua atau lebih molekul inorganik/organik dalam beberapa bentuk kombinasi dengan pembatas antar keduanya minimal satu molekul atau memiliki ciri berukuran nano. Contoh nanokomposit yang ekstrim adalah media berporos, koloid, gel, dan kopolimer. Ikatan antar partikel yang terjadi pada material nanokomposit memainkan peranan penting pada peningkatan dan pembatasan sifat material. Partikel-partikel yang berukukuran nano tersebut memiliki luas permukaan interaksi yang tinggi. Semakin banyak partikel yang berinteraksi, semakin kuat pula material. Inilah yang membuat ikatan antar partikel semakin kuat sehingga sifat mekanik material bertambah. Namun, penambahan partikel-partikel nano tidak selamanya akan meningkatkan sifat mekaniknya. Ada batas tertentu dimana saat dilakukan penambahan, kekuatan material justru semakin berkurang. Namun pada umumnya, material nanokomposit menunjukkan perbedaan sifat mekanik, listrik, optik, elektrokimia, katalis, dan struktur dibandingkan dengan material penyusunnya.

Pembuatan material nanokomposit dapat dilakukan dengan melakukan pendekatan-pendekatan yang mudah dan kompleks. Salah satunya adalah menggunakan pendekatan simple mixing.

I.2 Tujuan

Pembuatan material nanokomposit ini bertujuan untuk mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan suatu material. Dengan memilih kombinasi material serat dan matriks yang tepat, kita dapat membuat material komposit dengan sifat yang tepat sama dengan kebutuhan sifat untuk struktur dan tujuan tertentu.

I.3 Rumusan permasalahan

1. Bahan apa saja yang digunakan dalam pembuatan material nanokomposit?

2. Bagaimana metode sintesis material nanokomposit tersebut?

3. Apa saja aplikasi dari material nanokomposit tersebut?

4. Apa saja parameter kondisi reaksi agar didapatkan hasil aplikasi optimum secara sensitif dan selektif?

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Polimer

Polimer merupakan molekul besar yang terbentuk dari unit-unit berulang sederhana (monomer) yang dihubungkan oleh ikatan kovalen. Nama ini berasal dari bahasa Yunani Poly, yang berarti “banyak”, dan mer, yang berarti “bagian”. Ada tiga metode utama sintesis polimer, yaitu sintesis organik di laboratorium dan pabrik, sintesis biologi pada sel dan organisme hidup, dan modifikasi kimia.

Metode yang digunakan dalam eksperimen ini adalah sintesis organik. Metode sintesis di laboratorium secara umum dibagi dua kategori, yaitu polimerisasi kondensasi dan polimerisasi addisi. Pengkategorian ini pertama kali diusulkan oleh Carothers, yang didasarkan pada kesamaan ataom-atom yang terkandung dalam polimer. Suatu polimer adisi memiliki atom yang sama seperti monomer dalam unit ulangnya, sedangkan polimer kondensasi mengandung atom-atom yang lebih sedikit karena terbentuknya produk sampingan selama berlangsungnya proses polimerisasi. Parameter fisis dari sebuah polimer yang penting adalah berat molekul polimer. Pada umumnya, polimer dengan berat molekul yang lebih tinggi bersifat lebih kuat, tetapi berat molekul yang terlalu tinggi bisa menyebabkan kesukaran-kesukaran dalam pemrosesannya. Sedangkan untuk polimer dengan berat molekul yang rendah, kekuatan polimer bergantung pada gaya-gaya antar molekul. Penentuan berat molekul polimer dapat dilakukan dengan beberapa cara, diantaranya adalah osmometri, hamburan cahaya (light scaterring), dan ultrasentrifugasi. Nilai berat molekul yang diperoleh bergantung pada besarnya ukuran dalam metode pengukurannya.

Metode yang bergantung pada analisis gugus ujung atau sifat-sifat koligatif (penurunan titik beku,kenaikkan titik didih, tekanan osmotis) menimbulkan apa yang dikenal sebagai berat molekul rata-rata jumlah karena bilangan atau jumlah molekul dari setiap berat dalam sampel yang bersangkutan dihitung.

Resin

Resin yang biasa digunakan dalam pembuatan komposit sering diidentikkan sebagai polimer. Semua polimer menampilkan karakterisasi yang umum yaitu tersusun dari rantai yang sangat panjang yang terbentuk dari unit-unit berulang yang sederhana. Polimer berdasarkan efek suhu terhadap sifatnya bisa diklasifikasikan menjadi dua, yaitu termoplastik dan termoset. Termoplastik, sifatnya mirip logam, meleleh jika dipanaskan dan mengeras jika didinginkan. Proses pengerasan dan pelelehan ini bisa berlangsung berulangulang bergantung kebutuhan kita. Contoh dari termoplastik adalah nilon,polipropilen,dan ABS. Termoset dibentuk lewat reaksi kimia secara in situ,dimana resin dan hardener atau resin dengan katalis dicampur dalam satu tempat kemudian terjadilah proses pengerasan (polimerisasi). Sekali terjadi pengerasan, termoset ini tidak bisa mencair lagi sekalipun dilakukan pemanasan. Meski demikian, pada temperatur tertentu terjadi perubahan sifat mekanik yang signifikan. Temperatur saat terjadi perubahan signifikan ini dikenal sebagai suhu transisi gelas (Tg). Diatas temperatur gelas tersebut, struktur molekul dari termoset berubah dari polimer kristal yang keras menjadi polimer yang lebihflexibel. Selain itu, modulus resin juga turun secaradrastis sehingga daya tekan dan kekuatannya berkurang. Ketahanan terhadap air dan stabilitas warna jugaberkurang pada saat suhu diatas temperatur gelas ini.

Dari sekian banyak resin yang ada di pasaran, ada tiga jenis resin yang banyak digunakan, yaitu poliester, vinil ester, dan epoxy. Pada penelitian ini resin yangdigunakan adalah jenis epoxy resin. Pemilihan epoxy resin sebagai bahan dasar disebabkan kekuatan dan kekakuan epoxy resin relatif lebih besar dibandingkandengan polimer jenis lainnya. Perbandingan kekuatan dantingkat kekakuan antar polimer-polimer resin ditunjukkanoleh Gbr 1.

Polimer Epoxy Resin Epoxy resin didefinisikan sebagai molekul yang mengandung lebih

dari satu epoxy group. Epoxy group ini biasa disebut, oxirane atau ethoxyline group, yang strukturnya ditunjukkan pada Gbr. 2,

Gambar 2. Struktur grup epoxy

Resin ini memiliki karakteristik listrik yang bagus, daya penyusut yang rendah, perekat yang bagus untuk banyak bahan logam, dan tahan terhadap kelembaban udara serta tahan terhadap tekanan. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa proses pengerasan terjadi jika polimer epoxy resin ini dicampurkan dengan hardenernya. Pengerasan atau polimerisasi terjadi karena pencampuran keduanya membentuk ikat silang (crosslink) yang kuat.Epoxy resin mengeras lebih cepat pada selang temperatur 5-150OC. Namun, hal ini bergantung pula pada jenis hardener yang digunakan.

Hardener mempunyai jenis yang cukup banyak, dan penggunaannya bergantung pada kebutuhan kita. Zat yang biasa dipakai sebagai hardener antara lain amines,polyamides, phenolic resins, anhydrides, isocyanates and polymercaptans. Pemilihan resin dan hardener bergantung pada aplikasi, pemilihan proses, dan sifat material yang diinginkan. Stoikiometri dari epoxy-hardener juga berpengaruh pada material yang dihasilkan.

Jenis amine dan phenolic, merupakan hardener yang paling banyak digunakan untuk epoxy resin. Plastik epoxy resin dapat digunakan sebagai bahan pembuat komponen elektronik, bahan perekat pada metal/logam, material kontruksi, dan bahan sintetik lainnya. Selain itu, epoxy resin cukup kuat untuk digunakan sebagai paku sumbat dan pengelasan/ penyatuan pada beberapa aplikasi industri.

Nanopartikel SiO2

Silikon dioksida (SiO) atau biasa juga disebut silika pada umumnya

ditemukan dialam dalam batu pasir, pasir silica atau quartzite. Zat ini merupakan material dasar pembuatan kaca dan keramik. Silika merupakan salah satu material oksida yang keberadaannya berlimpah di alam, khususnya di kulit bumi. Keberadaanya bisa dalam bentuk amorf , dan kristal. Ada tiga bentuk kristal silika, yaitu quartz, tridymite,

cristobalite, dan terdapat dua kristal yang merupakan perpaduan dari bentuk kristal tadi.

Material komposit merupakan suatu substansi yang tersusun dari kombinasi dua atau lebih material yang berbeda. Material baru ini diharapkan dapat memberikan sifat yang lebih baik dibandingkan dengan bahan-bahan penyusunnya. Ada dua istilah material dalam komposit, yaitu matrik dan penguat (reinforcement). Salah satu dari keduanya atau bisa juga gabungan keduanya dibutuhkan untuk membuat komposit. Fungsi utama matrik adalah melindungi komposit dari gangguan luar (berupa tekanan, suhu dan sebagainya), mentransfer beban yang diterima komposit kepada penguat yang digunakan sehingga membuat material lebih lebih kuat, dan mengikat penguat sehingga arah orientasinya stabil sesuai dengan yang diinginkan. Sedangkan penguat (reinforcement) merupakan suatu material yang mempunyai sifat fisik khas yang bisa membuat kekuatan komposit bertambah. Bahan yang biasa digunakan sebagai penguat adalah serat, baik serat alami maupun serat sintesis. Contoh serat alami adalah jerami, serat dari batang tanaman, serat daun, atau serat akar tanaman. Untuk serat sintesis, salah satu yang terkenal adalah serat karbon. Serat karbon ini dapat dikombinasikan dengan resin, lalu ditekan pada suhu dan tekanan yang tinggi, sehingga didapat suatu material baru yang sangat kuat. Material dari serat carbon ini biasa digunakan dalam mobil balapan F1.

Nanopartikel Komposit

Nanopartikel yang didispersi ke dalam polimer matriks menghasilkan sifat-sifat yang menarik. Permukaan nanopartikel yang sangat luas berinteraksi dengan rantai polimer sehingga mampu mereduksi mobilitas rantai polimer. Interaksi ini meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang bisa dicapai adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Mobil balap F1 terbuat dari komposit serat karbon yang didispersi ke dalam resin. Pencampuran yang sesuai menghasilkan kekuatan yang setara baja namun massa yang sekitar enam kali lebih ringan dari baja. Material dengan sifat demikian menjadi bahan utama pembuatan mobil F1 sehingga laju yang tinggi dapat dicapai tanpa mengabaikan faktor keamanan jika terjadi benturan (akibat kekuatan mekanik yang tinggi). Selain itu, pencampuran antara polimer dengan nano material SiO dapat menambah kristalinitas namun hanya sampai pada jumlah tertentu. Jika dilakukan penambahan terlalu banyak akan membuat polimer atau material menjadi ketas (mudah pecah).

Sintesis Material

Metode sintesis yang dilakukan pada penelitian ini adalah metode simple mixing. Polimer epoxy-resin dan epoxy-hardener dicampurkan dengan perbandingan massa 1:1. Kemudian nanopartikel SiO dicampurkan kedalam campuran tersebut dengan massa yang bervariasi. Campuran ketiga bahan tersebut kemudian dipanaskan di dalam oven bertemperatur 75o C selama 12 menit, lalu diaduk dengan mixer hingga campuran menjadi homogen. Pemanasan dilakukan untuk menghilangkan pelarut sehingga didapatkan polimer-nanokomposit dalam bentuk padatan. Diharapkan polimer-nanokomposit yang dihasilkan memiliki karakterisasi sebagai material superkuat. Diagram alir proses sintesis nanokomposit diperlihatkan pada Gbr 3. Dari berbagai variasi konsentrasi polimer dan jumlah nanopartikel yang digunakan akan didapatkan beberapa sampel yang mungkin memiliki hasil berbeda.

BAB III

PEMBAHASAN

Pembuatan material nanokomposit dapat dilakukan dengan

melakukan pendekatan-pendekatan yang mudah dan kompleks. Salah

satunya adalah menggunakan pendekatan simple mixing.

Hasil yang didapatkan berupa material polimer nanokomposit kuat dan transparan, seperti ditunjukkan oleh Gbr 4.

Transparansi dari material tersebut sudah cukup baik. Pada material juga masih terdapat gelembung. Adanya gelembung pada material berpengaruh pada kekuatan material.

Dalam metode ini, peningkatan kekuatan mekanik material terjadi akibat penambahan nanopartikel SiO2 pada epoxy resin. Permukaan nanopartikel yang sangat luas berinteraksi dengan rantai polimer, sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer.

Interaksi ini meningkatkan kekuatan mekanik komposisit

tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang diperoleh

adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Makin banyak

jumlah SiO2 yang dimasukkan, kekuatan material nanokomposit juga

bertambah sampai titik kritisnya.

Keunggulan Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan

dibandingkan dengan bahan konvensional seperti logam. Misalnya

memiliki density yang jauh lebih rendah daripada bahan konvensional. Hal

ini jelas memberi implikasi yang penting dalam konteks penggunaan.

Pasalnya, komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik

yang lebih tinggi dari bahan konvensional.

Dalam industri angkasa luar, ada kecenderungan untuk mengganti

komponen yang dibuat dari logam dengan komposit karena terbukti

komposit mempunyai rintangan terhadap fatigue yang baik, terutama

komposit yang menggunakan serat karbon. Penggunaan bahan komposit

pun sangat luas, yaitu untuk komponen kapal terbang, helikopter, satelit,

industri pertahanan, jembatan, terowongan, kaki palsu, dan yang

terpopular adalah penggunaan bahan baku mobil Formula One (F1).

Komposit juga memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability),

tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki

kekuatan jenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi.

Manfaat utama penggunaan komposit adalam mendapatkan

kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang

ringan. Dengan memilih kombinasi material serat dan matriks yang tepat,

kita dapat membuat material komposit dengan sifat yang tepat sama

dengan kebutuhan sifat untuk struktur dan tujuan tertentu.

Nanomaterial ini dapat menggantikan baja, sehingga di bidang transportasi berat kendaraan dapat dikurangi menjadi lebih ringan yang mengakibatkan terjadi penghematan bahan dan sekaligus juga

mengurangi penggunaan bahan bakar minyak antara 10-20% per kilometer. Berkurangnya penggunaan bahan bakar tentunya berarti mengurangi polusi udara. Nanometer ini tidak hanya terbatas penerapannya dibidang transportasi, tetapi juga dibidang sipil/pekerjaan umum seperti dihasilkannya material-material untuk jalan, jembatan, pipa, rel kereta api dan lain-lain yang tentunya dengan harga murah.

Penerbangan modern, baik sipil maupun militer, adalah contoh

utamanya. Keduanya akan menjadi sangat tidak efisien tanpa adanya

material komposit. Material komposit canggih kini telah umum digunakan

pada bagian sayap dan ekor, propeller, bilah rotor, dan juga struktur

internal pesawat terbang.

Selain aplikasi di industri dirgantara, dewasa ini material komposit telah

banyak juga digunakan untuk badan mobil F1, peralatan olah raga,

struktur kapal, dan industri migas.

Hambatan dalam aplikasi material komposit pada umumnya

masalah biaya. Meskipun seringkali proses manufaktur material komposit

lebih efisien, namun material mentahnya masih terlalu mahal. Material

komposit masih belum bisa secara total menggantikan material

konvensional seperti baja. Tetapi dalam beberapa kasus kita memiliki

kebutuhan akan hal itu.

Tidak diragukan, dengan teknologi yang terus berkembang,

pengunaan baru dari material komposit akan bermunculan.

Kekuatan Material

Kekuatan material semakin bertambah seiring dengan penambahan jumlah SiO2 pada campurannya. Namun, peningkatan ini hanya sampai nilai tertentu, dimana penambahan lebih lanjut jumlah SiO2 justru menurunkan kekuatan material.

Peningkatan kekuatan mekanik material ini, terjadi akibat penambahan nanopartikel SiO2 pada epoxy resin. Permukaan nanopartikel yang sangat luas berinteraksi dengan rantai polimer sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer (Gbr 6). Interaksi ini

meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang dapat dicapai adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Semakin banyak jumlah SiO2 yang dimasukkan, kekuatan dari material nanokomposit juga bertambah sampai titik kritisnya.

BAB IV

KESIMPULAN

Penambahan Silikon Dioksida (SiO2) pada polimer epoxy resin

dengan variasi komposisi bahan, waktu dan suhu, telah berhasil

menambah kekuatan polimer tersebut. Peningkatan kekuatan mekanik

material sebesar 24% dibandingkan dengan material tanpa penmabahan

nanopartikel, ini terjadi pada penambahan fraksi massa SiO2 sebesar

0,0087. Ini menunjukkan bahwa penambahan SiO2 pada polimer epoxy

resin berpengaruh pada kekuatan polimer. Pengaruh ini timbul karena

luas permukaan nanopartikel yang sangat besar berinteraksi dengan

rantai polimer sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer. Interaksi ini

meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas

kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang bisa dicapai adalah material yang

ringan dengan kekuatan tinggi. Semakin banyak jumlah SiO2 yang

dimasukkan, kekuatan dari material nanokomposit juga bertambah. Tapi

peningkatan sifat mekanik (sebagai efek dari penambahan SiO2) ini tidak

terjadi terus-menerus. Kekuatan mekanik material akan sampai pada titik

kritisnya kemudian turun.

Gelembung pada material nanokomposit membuat kekuatan

nanokomposit ini kurang maksimal. Adanya gelembung pada

nanokomposit ini terjadi akibat kontak dengan lingkungan terutama pada

saat pengadukan menggunakan mixer.

Uji tekan pada material nanokomposit berfungsi untuk melihat

perubahan kekuatan yang timbul akibat penambahan nanopartikel SiO2

pada polimer. Semakin banyak penambahan SiO2 pada polimer,

kekuatannya juga ikut bertambah. Tetapi pada titik tertentu, kekuatan

polimer ini turun. Penurunan ini timbul karena kadar SiO2 pada polimer

sudah jenuh sehingga kristalinitasnya berkurang.

Karakterisasi FT-IR berguna untuk menentukan jenis ikatan apa saja

yang ada pada material nanokomposit tersebut. Pada karakterisasi FT-IR

yang sudah dilakukan didapat bahwa material tanpa perlakuan memiliki

enam jenis ikatan, yaitu O-H, C-H, C-C, C=O, NO, dan C-O. Lalu pada

material dengan penambahan SiO2, terdapat lima jenis ikatan yaitu O-H,

C=O, NO dan C-H, serta ikatan baru yaitu SiO2.

Perbedaan yang timbul antara material tanpa perlakuan dan

dengan perlakuan menunjukkan bahwa penambahan SiO2 memberikan

perubahan pada jenis ikatan yang terjadi pada nanokomposit.

Penambahan SiO2 pada polimer Epoxy Resin berpengaruh akan kekuatan

polimer tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

Ajayan P.M., Schadler L.S., Braun P.V, Nanocomposite Science and Technology,

Willey (2003).

M. Abdullah, Pros. Simp. Mahasiswa Fisika Nasional, Surabaya (2005).

ijp.fi.itb.ac.id/index.php/nano/article/view/206/204

http://suaramerdeka.com/v1/index.php/read/cetak/2009/06/22/68923/Nanokomposi t-

Material-Superkuat-dan-Ringan

http://www.journaldatabase.org/articles/fabrikasi_material_nanokomposit.html