bab ii tinjauan pustaka 2.1. komposit - unud · 2019. 2. 28. · 7 b) membentuk ikatan koheren,...
TRANSCRIPT
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Komposit
Komposit adalah material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih
material sehingga dihasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik
dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Komposit memiliki
sifat mekanik yang lebih bagus dan kekuatan jenis lebih tinggi dibandingkan
dengan logam. Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk dengan arah orientasi
serat yang berbeda. Komposit suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri
dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama
lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir
bahan tersebut (bahan komposit). Dengan adanya perbedaan dari material
penyusunnya maka komposit antar material harus berikatan dengan kuat, sehingga
perlu adanya penambahan wetting agent [10].
Beberapa definisi komposit sebagai berikut
Tingkat dasar : pada molekul tunggal dan kisi Kristal, bila material yang
disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa,
paduan, polymer, dan keramik)
Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun dari
dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh paduan Fe
dan C)
5
6
Makrostruktur : material yang disusun dari campuran dua atau lebih
penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan tidak
larut satu sama lain material komposit (definisi secara makro ini yang
biasa dipakai)
2.1.1. Tujuan pembuatan material komposit
Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yaitu sebagai
berikut :
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
2.1.2. Penyusun Komposit
Komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa :
1. Matriks
Matriks adalah bagian dari komposit yang mengelilingi penyusun
komposit. Matrik berfungsi sebagai bahan pengikat partikel dan ikut membentuk
struktur fisik komposit, serta untuk mendistribusikan beban pada serat penguat.
Resin sebagai matrik dalam komposit memiliki keunggulan antara lain : tahan
terhadap pelarut organik, tahan terhadap panas, oksidasi, dan kelembapan, ringan,
serta mudah dalam modifikasi dan pembuatannya. Matriks adalah fasa dalam
komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (domain).
Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :
a) Mentransfer tegangan ke serat
7
b) Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat
c) Melindungi dan memisahkan serat
d) Melepas ikatan dan Tetap stabil setelah proses manufaktur
Gambar 2.1 Ilustrasi matriks pada komposit [11]
2. Reinforcement atau Filler
Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat)
yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit.
Gambar 2.2 Ilustrasi reinforcement pada komposit [11]
Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa
daerah dan istilah penyebutannya; Matrik (penyusun dengan fraksi volume
8
terbesar), Penguat (penahan beban utama), Interphase (pelekat antar dua
penyusun), interface (permukaan phase yang berbatasan dengan phase lain).
Gambar 2.3 Pengertian komposit [11]
Secara struktur mikro material komposit tidak merubah material
pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit
berbeda dengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan
antara matriks dan filter.
Syarat terbentuknya komposit adalah adanya ikatan permukaan antara
matriks dan filter, ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi
dan kohesi. Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara
utama :
o Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena kekasaran
bentuk permukaan partikel.
o Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik
antara atom yang bermuatan (ion).
o Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar
partikel.
9
Kualitas ikatan antara matriks dan filter dipengaruhi oleh beberapa
variable antara lain:
o Ukuran partikel
o Rapat jenis bahan yang digunakan
o Fraksi volume material
o Komposisi material
o Bentuk partikel
o Kecepatan dan waktu pencampuran
o Penekanan (kompaksi)
o Pemanasan (sintering)
2.1.3. Propertis Komposit
Sifat maupun karakteristik dari komposit ditentukan oleh : [12]
Material yang menjadi penyusun komposit
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material
penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara
proporsional.
Bentuk penyusunan structural dari penyusun
Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik
komposit.
Interaksi antar penyusun
Bila terjadi interkasi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari
komposit.
10
2.1.4. Klasifikasi komposit
Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga
kelompok besar yaitu :
a) Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik.
b) Komposit matrik logam (KML), logam sebagai matrik.
c) Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik.
Gambar 2.4 Klasifikasi komposit berdasarkan bentuk dari matriks [11]
Gambar 2.5 Matriks dari beberapa tipe komposit [11]
a. Fiber sebagai penguat (Fiber composites)
Composit
Metal matrix
composite
(MMC)
Polimer matrix
composite
(PMC)
Ceramic matrix
composite
(CMC)
11
Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit,
sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang
digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima
oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban
sampai beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik
dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit [11]
Fiber yang digunakan harus memiliki syarat sebagai berikut :
Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya
(matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.
Harus mempunyai tensile strength yang tinggi.
Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut :
a) Distribusi
b) Konsentrasi
c) Orientasi
d) Bentuk
e) Ukuran
Gambar 2.6 Parameter fiber dalam pembuatan komposit [11]
Proses produksi pada fiber-carbon yaitu sebagai berikut :
1) Open Mold Process
12
a) Hand Lay-Up
b) Spray Lay-Up
c) Vacuum Bag Moulding
d) Filament Winding
2) Closed Mold Process
a) Resin Film Infusion
b) Pultursion
Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu :
Gambar 2.7 Tipe serat pada komposit [11]
a) Continuous Fiber Composite
Continuous atau uni-directional, mempunyai susunan serat panjang dan
lurus, membentuk lamina diantara matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak
digunakan, kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar lapisan. Hal ini
dikarenakan kekuatan diantara lapisan dipengaruhi oleh matriksnya, seperti
gambar 2.7 .
b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional)
13
Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena
susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat
memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan
tidak sebaik tipe continous fiber [11].
c) Discontinuous Fiber Composite (shopped fiber composite)
Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi :
1) Aligned discontinuous fiber
2) Off-axis discontinuies fiber
3) Randomly oriented discontinuous fiber
Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan serat
pendek yang tersebar secara acak diantara matriksnya. Tipe acak sering digunakan
pada prosuksi dengan volume besar karena faktor biaya manufacturnya yang lebih
murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih
dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama , seperti
gambar 2.8
Gambar 2.8 Tipe discontinuous fiber [11]
d) Hibryd fiber composite
14
Hibryd fiber composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat
lurus dengan serat acak. Pertimbangannya supaya dapat mengeliminir kekurangan
sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.
Jenis fiber yang biasa digunakan untuk pembuatan komposit antara lain
sebagai berikut :
a) Serat gelas (Fiber-glass)
Sifat-sifat fiber-glass, yaitu sebagai berikut :
Density cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc).
Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa).
Biasanya stiffnessnya rendah (70 GPa).
Stabilitas dimensinya baik.
Resisten terhadap panas dan dingin serta tahan korosi.
Komposisi umum adalah 50-60 % SiO2 dan paduan lain yaitu Al,
Ca, Mg, Na dan lain-lain.
Keuntungan dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :
Biaya murah dan tahan korosi.
Biayanya relative lebih rendah dari komposit lainnya.
Biasanya digunakan untuk tanks, boats, alat-alat olahraga.
Kerugian dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :
Kekuatannya relative rendah.
Elongasi tinggi.
Kekuatan dan beratnya sedang (moderate).
Jenis-jenisnya antara lain :
15
1. E-glass
2. C-glass
3. S-glass
Tabel 2.1 Sifat-sifat dari jenis fiber-glass
No. Jenis Serat
E-glass C-glass S-glass
1. Isolator listrik yang
baik
Tahan terhadap korosi Modulus lebih tinggi
2. Kekakuan tinggi Kekuatan lebih rendah
dari E-glass
Lebih tahan terhadap
suhu tinggi
3. Kekuatan tinggi Harga lebih mahal dari
E-glass
Harga lebih mahal dari
E-glass
Sumber: Smallman, R.E. & Bishop, R.J. 2000 Metalurgi Fisik Modern dan
Rekayasa Material. Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta
Tabel 2.2 Komposisi senyawa kimia fiber-glass
Tipe
serat
Komposisi senyawa kimia (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O B2O3 K2O BaO
E-glass 52.4 14.4 0.2 17.2 4.6 0.8 10.6 - -
C-glass 64.4 4.1 0.1 13.4 3.3 9.6 4.7 0.4 0.9
S-glass 64.4 4.4 - - 10.3 0.3 - - -
Sumber: Smallman, R.E. & Bishop, R.J. 2000 Metalurgi Fisik Modern dan
Rekayasa Material. Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta
b) Serat nylon (Fiber-nylon)
Sifat-sifat fiber-nylon, yaitu sebagai berikut :
1. Dibuat dari polyamide.
2. Lebih kuat, lebih ringan, tidak getas dan tidak lebih kaku dari carbon.
3. Contoh merek nylon yaitu Kevlar (Dupont) dan Kwaron (Akzo).
c) Serat carbon (Fiber-carbon)
16
Sifat-sifat fiber-carbon, yaitu sebagai berikut :
1. Densitas carbon cukup ringan yaitu sekitar 2,3 g/cc.
2. Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti
Kristal intan.
3. Mempunyai karakteristik yang ringan, kekuatan yang sangat tinggi,
kekakuan (modulus elastisitas) yang tinggi.
4. Terdiri dari lebih dari 90 % carbon.
5. Dapat dibuat bahan turunan : grafit yang kekuatannya dibawah serat
carbon.
6. Diproduksi dari Polyacrylnitril (PAN) melalui tiga tahap proses
sebagai berikut :
a. Stabilitasi = Peregangan dan oksidasi.
b. Carbonisasi = Pemanasan untuk mengurangi O, H, N.
c. Grafitisasi = Meningkatkan modulus elastisitas.
Tabel 2.3 Kelebihan dan Kekurangan fiber
Fiber Kelebihan Kekurangan
Fiber-glass 1. Kekuatan tinggi
2. Relatif murah
Kurang elastis
Fiber-carbon 1. Kuat hingga sangat kuat
2. Stiffnessi (kuat+keras) besar
3. Koefisien pemuaian kecil
4. Menahan getaran
1. Agak getas
2. Nilai peregangan kurang
3. Agak mahal
Fiber-graphite 1. Lebih stiffness dari Carbon
2. Lebih ulet
Kurang kuat dibanding
Carbon
Fiber-nylon
(aramin)
1. Agak stiff (kuat+keras) &
sangat ulet
2. Tahan terhadap benturan
1. Kekuatan tekan lebih
rendah dari carbon
2. Ketahanan panas lebih
17
3. Kekuatannya besar (lebih kuat
dari baja)
4. Lebih murah dari carbon
rendah dari carbon
(hingga 180C)
Sumber: Smallman, R.E. & Bishop, R.J. 2000 Metalurgi Fisik Modern dan
Rekayasa Material. Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta
d) Hybrid Fiber (kombinasi dari berbagai jenis serat).
1. Glass Versus Carbon
a) Meningkatkan shock resistence (tahan benturan).
b) Meningkatkan fracture resistence (tahan patahan/ulet).
c) Mengurangi biaya.
2. Glass versus Nylon
a) Meningkatkan kekuatan tekan.
b) Memperbaiki pemrosesan (manufaktur).
c) Mengurangi biaya.
3. Carbon versus Nylon
a) Meningkatkan kekuatan tarik.
b) Meningkatkan kekuatan tekan.
c) Meningkatkan kekuatan pada pembengkokan.
a. Fiber sebagai structural (Structure composites)
Komposit structural dibentuk oleh reinforce-reinforce yang memiliki
bentuk lembaran-lembaran. Berdasarkan struktur, komposit dapat dibagi menjadi
dua yaitu struktur laminate dan sruktur sandwich, ilustrasi dari kedua struktur
komposit tersebut dapat dilihat pada gambar 2.9.
18
Gambar 2.9 Ilustrasi komposit berdasarkan strukturnya: a. Striktur laminate b.
Sandwich panel [11]
b. Laminate
Laminate adalah gabungan dari dua atau lebih lamina (satu lembar
komposit dengan arah serat tertentu) yang membentuk elemen struktur secara
integral pada komposit. Proses pembentukan lamina ini menjadi laminate
dinamakan proses laminai. Sebagai elemen sebuah struktur, lamina yang serat
penguatnya searah saja (unidirectional lamina) pada umumnya tidak
menguntungkan karena memiliki sifat yang buruk. Untuk itulah struktur komposit
dibuat dalam bentuk laminate yang terdiri beberapa macam lamina atau lapisan
yang diorientasukan dalam arah yang diinginkan dan digabungkan bersama
sebagai sebuah unit struktur dapat dilihat pada gambar 2.10. Mikrostruktur lamina
dan jenis-jenis dari arah serat dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
19
Gambar 2.10 Jenis-jenis dari fiber reinforced composites [11]
Terdapat beberapa lamina, yaitu :
a) Continous fiber laminate, lamina jenis ini mempunyai lamina penyusun
dengan serat yang tidak terputus hingga mencapai ujung-ujung lamina.
Continous fiber laminate:
1. Undirectional laminate (satu arah), yaitu bentuk laminate dengan tiap
lamina mempunyai arah serat yang sama. Kekuatan terbesar dari komposit
lamina ini adalah searah seratnya.
2. Crosspelin quasi-isotropic (silang), lamina ini mempunyai susunan serat
yang saling tegak lurus satu sama lain antar lamina.
3. Random/woven fiber composite, lamina ini mempunyai susunan serat.
b) Discontinous fiber composite, berbeda dengan jenis sebelumnya maka
laminate ini pada masing-masing lamina terdiri dari potongan serat pendek
yang terputus dan mempunyai dua jenis yaitu :
1. Short Aligned Fiber, potongan serat tersusun dalam arah tertentu, sesuai
dengan keperluan setiap lamina.
20
2. In-Plane Random Fiber, potongan serat disebarkan secara acak atau
arahnya tidak teratur.
2.1.5. Keunggulan Bahan Komposit
Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan berbanding dengan
bahan konvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat
dilihat dari beberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanikal dan fisikal,
keupayaan (reability), kebolehprosesan dna biaya, seperti yang diuraikan dibawah
ini :
Sifat-sifat mekanikal dan fisikal, pada umumnya pemilihan bahan
matriks dan serat memainkan peranan penting dalam menentukan sifat-sifat
mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks dan serat dapat menghasilkan
komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi dari bahan
konvensional [13]
Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding
dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam
konteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan
kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua
ialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih
rendah dari logam. Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam
industri pembuatan seperti automobile dan angkasa lepas. Ini karena
berhubungan dengan penghematan bahan bakar.
Dalam industri angkasa lepas terdapat kecenderungan untuk menggantikan
komponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti
21
komposit mempunyai rintangan terhadap fatigue yang baik terutamanya
komposit yang menggunakan serat carbon.
Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdaya
guna) yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yang
dapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang
digunakan. Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat dengan
matriks untuk menghasilkan komposit hybrid.
Massa jenis rendah (ringan).
Lebih kuat dan lebih ringan.
Perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan.
Lebih kuat (stiff), ulet (tough), dan tidak getas.
Koefisien pemuaian yang rendah.
Tahan terhadap cuaca.
Tahan terhadap korosi.
Mudah diproses (dibentuk).
Biaya, faktor biaya juga memainkan peranan yang sangat penting dalam
membantu perkembangan industri komposit. Biaya yang berkaitan erat dengan
penghasilan suatu produk yang seharusnya memperhitungkan beberapa aspek
seperti biaya bahan mentah, pemrosesan, tenaga manusia dan sebagainya.
2.1.6. Kelemahan Bahan Komposit
Tidak tahan terhadap beban shocki (kejut) dan crash (tabrak) dibandingkan
dengan metal.
Kurang elastic.
22
Lebih sulit dibentuk secara plastis.
2.1.7. Contoh Material Komposit
1. Plastik diperkuat fiber :
a. Diklasifikasikan oleh jenis fiber :
1) Wood (cellulose fibers in alignin and hemicelluloses matrix)
2) Carbon-fibre reinforced plastic atau CRP
3) Glass-fibre reinforced plastic atau GRP (informally, fiberglass)
b. Diklasifikasikan oleh matriks :
1) Komposit Thermoplastik
a) Long fiber thermoplastics or long fiber reinforced thermoplastics.
b) Glass mat thermoplastics.
2) Thermoset Composites
2. Metal matrix composite MMC :
a. Cast iron putih
b. Hardmetal (carbide in metal matrix)
c. Metal-inpanas lis laminate
3. Ceramic matrix composites :
a. Cermet (ceramic and metal)
b. Concrete
c. Reinforced carbon-carbon (carbon fibre in a graphite matrix)
d. Bone (hydroxyapatite reinforced with collagen fibers)
4. Organic matrix/ceramic aggregate composites
a. Mother of Pearl
23
b. Syntactic foam
c. Asphalt concrete
5. Chobham armour (lihat composite armour)
6. Engineered wood
a. Plywood
b. Oriented strand board
c. Wood plastic composite (recycled wood fiber in polyethylene matrix)
d. Pykrete (sawdust in ice matrix)
7. Plastic-impregnated or laminated paper or textiles
a. Arborite
b. Formica (plastic)
2.2. Resin epoxy
Resin adalah suatu material yang berbentuk cairan pada suhu ruang atau
berupa material padatan yang akan meleleh pada suhu diatas 200oC. Resin dapat
dibagi menjadi 2 (dua) bagian yaitu :
a. Resin Termoset
Resin termoset adalah resin yang akan mengeras jika dipanaskan, namun
jika dipanaskan lebih lanjut tidak akan melunak atau dengan kata lain proses
pengerasannya irreversible. Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu
(irreversible). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat
dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset
melainkan akan membentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian
sering digunakan sebagai penutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastik jenis
24
termoset tidak begitu menarik dalam proses daur uang karena selain sulit
penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis
plastik yang bersifat termoplastik. Contoh dari thermoset yaitu Epoxyda,
Bismaleimida (BMI), dan Poli-imida (PI) [10].
b. Resin termoplastik
Resin termoplastik adalah resin yang melunak jika dipanaskan dan akan
mengeras jika di dinginkan, atau dapat dikatakan bahwa proses pengerasannya
bersifat reversible. Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang
kali (recycle) dengan menggunakan pana. Thermoplastic merupakan polimer yang
akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu
tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik
(reversiblei) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan.
Contoh dari thermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PTFE, PET, Polieter sulfon,
PES dan Polieter eterketon (PEEK) [10].
Resin epoxy merupakan polimer termoset yang banyak digunakan
sebagai salah satu bahan dalam pembuatan komposit. Keunggulan yang dimiliki
resin epoxy adalah ketahanannya terhadap panas dan kelembapan, sifat mekanik
yang baik tahan terhadap bahan – bahan kimia, sifat isolator, sifat perekat yang
baik terhadap berbagai bahan, dan mudah diproses.
Karakteristik epoxy secara umum yaitu kemampuan mengikat paduan
metalik yang baik disebabkan oleh adanya gugus hidrolik yang memiliki
kemampuan membentuk ikatan melalui ikatan hydrogen. Gugusan hidrosil ini
dimiliki oleh oksida metal, dimana pada kondisi normal menyebar pada
25
permukaan metal sehingga menunjang terjadinya ikatan antara atom pada epoxy
dengan atom yang berbeda pada material metal. Perbandingan serat carbon antara
epoxy dan polyester dapat dilihat pada tabel 2.4
Tabel 2.4 Perbandingan Serat Carbon
Epoxy Polyester
Density (mg/m3) 1,1 – 1,4 1,1 – 1,5
Young’s modulus (GNm-2
) 3 – 6 2 – 4,5
Tensile strength (MNm-2
) 35 – 100 40 – 90
Poisson’s rasio 0,38 – 04 0,37 – 0,39
Compressive strength (MNm-2
) 100 – 200 90 – 250
Shrinkage on curing (%) 1 – 2 4 – 8
Water absorpastion 24h to 20oC (%) 0,1 – 0,4 0,1 – 0,3
Sumber: D. Hull, T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 1981
2.3. Serat Basalt
Basalt adalah batuan vulkanik beku yang ekstrusif, terbentuk dari
solidifikasi magma yang terjadi di permukaan bumi. Ciri-ciri utama batu basalt
terdiri dari atas kristal-kristal yang sangat kecil, berwarna hijau ke abu-abuan dan
berlubang-lubang. Material basalt adalah terdisi dari unsur unsur berat ;
52.8%SiO2, 17.5%Al2O3, 10.3Fe2O3, 4.63%MgO, 8.59CaO, 3.34%Na2O,
1.46%K2O, 1.38%TiO2, dan sisanya adalah P2O5, MnO, dan Cr2O3 masing -
masing 0.28%, 0.16%, dan 0.06%.
Serat basalt atau basalt fiber merupakan serat baru yang sifatnya lebih
kuat, lebih bersahabat dengan lingkungan dan manusia, lebih sehat dan dengan
biaya produksi yang lebih murah. Serat basalt diekstrak langsung dari batuan
beku basalt. Secara spesifik manfaat dari basalt fiber bisa diaplikasikan dalam
26
kontruksi bangunan, kontruksi jalan, kontruksi bawah tanah, menguatkan batang
(baja), geotekstil, pengerjaan teknik, agrikultur.
Gambar 2.11. a. Bahan Baku basalt, b. Serat basalt
Basalt fiber merupakan bahan campuran yang baik karena tidak ada
deformasi permanen jika dibengkokkan, sangat tahan terhadap korosi, sukar
bereaksi dengan senyawa kimia, tahan terhadap penyerapan air, tensil strengthnya
tinggi, panas konduktivitas rendah, memililki ketahanan yang baik terhadap
temperature tinggi, dan tidak beracun. Sifatnya yang ramah lingkungan menjadi
alasan basalt fiber bisa dipakai pesaing nomor satu pengganti baja dan plastik
untuk campuran bahan penguat (reinforcement material), temperatur meltingnya
saat diproduksi mencapai 600C.
2.4. Serat Carbon
Serat carbon merupakan salah satu bentuk material komposit. Komposit
serat carbon merupakan salah satu jenis meterial komposit yang menggunakan
fiber carbon sebagai salah satu penyusunnya. Material komposit tersusun atas dua
komponen yaitu matrik dan material penguat (reinforcement). Fiber carbon
bertugas sebagai material penguat pada komposit serat carbon. Sedangkan untuk
27
matriksnya biasanya digunakan resin polimer semacam epoxy. Matriks resin ini
berfungsi untuk mengikat material penguat.
Bahan baku carbon fiber biasanya terdiri dari 90% carbon yang dibuat
dari bahan dasar Polyacrylonitrile (PAN) sedangkan 10% sisanya diproduksi dari
minyak bumi. Semua bahan baku yang digunakan ini merupakan polimer organik,
memiliki karakter ikatan molekul panjang yang tersusun atas atom-atom carbon.
Bahan matrik thermoseting yaitu modified BPA epoxy resin (HTC-667C)
dengan harderner with a modified aliphatic amine hardener diproduksi oleh
perusahaan Jet Korea Co. (Korea). Karakteristik bahan ditunjukkan seperti Tabel
2.5 dan Tabel 2.6.
Tabel 2.5 Basic specification of plain woven serat carbon dan serat basalt [5,12]
Category/Unit Standard Carbon Standar Basalt
Used yarn
Product number
Weave
fabric thickness (mm)
Construction warp (tread count/inch)
Construction weft (tread
count/inch)
fabric weight (g/m2)
Width (mm)
TR 30S-3L
C120-3K
Plain
0.25 ± 0.02
12.5 ±1 carbon 3K
13.5 ±1 carbon 3K
200 ±10
1000
-
EcoB4-F210
Plain
0.19 – 0.20
22
26
210 ±10
1000
28
Tabel 2.6 Properties of epoxy resin (HTC-667C)
Category/Unit standard
Specific gravity [25˚C]
Viscosity (cps, 25˚C
Hardener
Tensile strength (MPa)
Compressive strength (MPa)
Flexural strength (MPa)
1.16 ±0.02
1200±500
Modified aliphatic amine
63.7
88.2
81.3
2.5. Konduktivitas Panas dari Komposit Polimer
Gambar 2.12. a.Uji susun mengunakan meter bar sebagai kalorimeter,
b. penjaga panas uji susun [21]
Ciri umum dari alat yang memenuhi metode uji konduktivitas panas
ditunjukan pada gambar 2.12 a dan b, alat ini membebankan pada kondisi
pengujian dan menyelesaikan pengukuran yang diperlukan. Alat ini dapat
dianggap sebagai salah satu teknik yang mungkin. sumber panas salah satunya
menggunakan pemanas listrik, tipe pemanas listrik dibuat dengan lilitan kawat.
a b
29
Standar ini mencangkup metode uiji untuk pengukuran impedansi panas
dan perhitungan konduktivitas panas yang jelas untuk konduktivitas panas bahan
isolasi listrik mulai dari senyawa cair ke padat. Istilah konduktivitas panas hanya
berlaku untuk bahan homogen.
Banyak model teoritik dan empirik yang telah diperkenalkan untuk
memprediksi efektivitas konduktivitas panas dari campuran dua serat. Untuk
komposit dua komponen, alternatif sederhana dengan menyusun material secara
parallel atau seri yang mengacu pada aliran panas yang memberikan batas atas
dan batas bawah efektivitas konduktivitas panas.
Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dalam bentuk panas
yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Ada
3(tiga) bentuk mekanisme perpindahan panas yaitu konduksi, konveksi, dan
raidiasi. Perpindahan panas secara konduksi adalah proses perpindahan panas
dimana panas mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah
bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair, atau gas) atau antara
medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga
terjadi pertukaran energy dan momentum.
Konduktivitas panas polimer diketahui bahwa perpindahan panas
meningkat secara signifikan dan menurun secara perlahan dalam arah tegak lurus.
Hasil penelitian tentang konduktivitas panas dari beberapa komposit polimer
tersedia dalam literatur eksperimental sebaik analisa numerik dan analitik [15,16].
30
Filter yang sering digunakan antara lain partikel aluminium, tembaga,
kuningan, fiber carbon pendek, carbon, grafik, aluminium nitrit, dan magnesit.
Mengkaji secara mendalam model dan metode untuk memprediksi konduktivitas
panas sistem komposit [17].Menggunakan model Nielsen sebagai prediksi
menyelidiki konduktivitas panas dari beberapa tipe lapisan komposit polimer
dimana dalam penerapannya filler berbeda telah ditentukan[18].
Menemukan bahwa kedua model Bruggeman untuk Al2O3 / sistem epoxy
dan bentuk modifikasi model Bruggeman untuk AIN / sistem epoxy sama baiknya
dalam memprediksi teori kondukstivitas panas[19] . Konduktivitas panas adalah
sifat bahan yang menggambarkan tingkat aliran panas didalam bahan karena
perubahan temperatur. Pengujian terhadap konduktivitas panas hybrid komposit
interplay serat carbon dan serat basalt dilakukan menurut standar ASTM D 5470-
12. Persamaan matematis untuk menentukan konduktivitas panas adalah
.........................................................................................................(1)
Keterangan :
K = konduktivitas panas (W/m.K)
Q = heat fluks / laju perpindahan panas (W)
A = luas penampang benda uji (m2)
T = perbedaan temperatur (K)
L = jarak keseluruhan (m)
Tetapan kesebandingan (K) adalah sifat fisik bahan atau material yang
disebut konduktivitas panas. Pada umumnya konduktivitas panas sangat
tergantung pada suhu.
31
2.6. Daya Penyerapan Fluida
Ketahanan material komposit pada lingkungan sangat ditentukan oleh
kemampuan komposit untuk menyerap fluida dari lingkungan. Semakin banyak
fluida yang diserap menunjukan ikatan interfacial serat dan matriks yang kurang
kuat, dan jika semakin sedikit fluida yang diserap menunjukan ikatan interfacial
serat dan matriks yang kuat.
Pengujian daya penyerapan fluida dilakukan untuk mengetahui
penyerapan fluida optimum yang dimiliki komposit yang seratnya mengalami
perlakuan maupun serat yang tidak mengalami perlakuan terhadap daya serap
fluida bertujuan untuk mengetahui kadar fluida (air laut, oli, aquades). Dengan
merendam komposit dalam fluida cair dengan jumlah tertentu dapat diketahui
besaran jumlah fluida yang diserap kedalam komposit. Pengukuran daya serap
fluida dilakukan dengan menghitung selisih berat sebelum dan sesudah
perendaman dalam (air laut, oli, aquades) selama pengujian. Pertambahan berat
komposit dicatat kemudian dihitung persentasenya dengan menggunakan
persamaan sebagai berikut.
Daya serap fluida dihitung dengan rumus :
................................................................. (2)
Keterangan : W = persentase daya serap (% pertambahan berat komposit gram)
Wo = berat spesimen sebelum perendaman (gram)
Wa = berat spesimen setelah perendaman (gram)
32
2.7. Resin Transfer Molding (RTM)
Pada proses ini resin ditransfer atau diinjeksikan ke dalam suatu tempat
yang berisi fiberglass reinforcement. Metode ini termasuk closed mold
process dimana reinforcement diletakkan di antara dua permukaan cetakan
yang terdiri dari dua bagian yang satu disebut bagian female dan yang
lainnya disebut male. Pasangan cetakan tersebut lalu ditutup, diberi klem,
lalu resin termoset berviskositas rendah diinjeksikan pada tekanan 50 - 100
psi ke dalam lubang cetakan melalui port injeksi. Resin diinjeksikan
sampai memenuhi seluruh rongga cetakan hingga meresap dan membasahi
seluruh material reinforcement.
2.8. Vacuum Infusion Processing
Metode ini adalah variasi dari vacuum bag molding dimana resin yang
dituang dalam ruang hampa masuk ke dalam cetakan dan membentuk
laminasi. Pada metode ini tekanan dalam rongga cetakan lebih rendah
dibandingkan tekanan atmosferik udara. Setelah cetakan dipenuhi resin
kemudian dilapisi dengan fiber reinforcement dapat menggunakan tangan
yang disebut dengan istilah lay-up dry, kemudian resin diinfusikan
kembali ke dalam cetakan untuk menyempurnakan sistem laminasi
komposit sehingga tidak terdapat ruang untuk kelebihan resin. Rasio resin
yang sangat tinggi terhadap fiber glass yang digunakan memungkinkan
penggunaan metode vacuum Infusion yang menghasilkan sifat mekanik
sistem laminasi yang sangat baik. Vacuum InfusionProcessing dapat
33
digunakan untuk pencetakan dengan struktur yang besar dan tidak
dianjurkan untuk proses dengan volume yang rendah.
Pada penelitian ini, penulis menggunakan Vacuum Assisted Resin Transfer
Molding (VARTM) yang merupakan pengembangan dari proses Resin
Transfer Molding (RTM).