BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.4 Material Komposit
Material komposit adalah material yang terbuat dari dua bahan atau lebih yang tetap terpisah dan berbeda dalam level makroskopik selagi membentuk
komponen tunggal [11]. Dapat juga dikatakan bahwa komposit adalah 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 sifat fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut [12]. Material komposit memiliki sifat mekanik yang lebih bagus dari pada logam, memiliki kekuatan bisa diatur yang tinggi (tailorability), memiliki kekuatan lelah (fatigue) yang baik, memiliki kekuatan jenis (strength/weight) dan kekakuan jenis (modulus Young/density) yang lebih tinggi daripada logam, tahan korosi, memiliki sifat isolator panas dan suara, serta dapat dijadikan sebagai penghambat listrik yang baik, dan dapat juga digunakan untuk menambal kerusakan akibat pembebanan dan korosi. Secara umum material komposit tersusun dari dua komponen utama, yaitu matrik (bahan pengikat) dan filler (bahan pengisi). Filler adalah bahan pengisi yang digunakan dalam pembuatan komposit, biasanya berupa serat atau serbuk. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.1.
+
Gambar 2.1. Fasa – fasa pembentuk komposit Keterangan gambar :
1. Matriks berfungsi sebagai penyokong, pengikat fasa, pelindung permukaan filler, dan media transfer tegangan.
2. Penguat/ serat merupakan unsur penguat kepada matriks.
3. Komposit merupakan gabungan dua atau lebih bahan yang terpisah.
Matriks biasanya memiliki kerapatan/densitas, kekukuhan dan kekuatan yang lebih rendah dibandingkan dengan serat. Tetapi jika matriks dan serat digabungkan bisa mempunyai kekuatan dan ketegaran yang tinggi meskipun kerapatannya masih rendah. Matriks yang sering digunakan untuk membuat komposit adalah dari bahan polimer, namun selain itu dapat juga digunakan dari bahan keramik dan logam. Polimer banyak digunakan karena tidak korosif, ringan, mempunyai bentuk yang kompleks, dan biayanya yang murah. Ada tiga faktor yang menentukan sifat-sifat dari material komposit, yaitu:
Komposit Penguat/ Serat
1. Material pembentuk. Sifat-sifat intrinsik material pembentuk memegang peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya.
2. Susunan struktural komponen. Dimana bentuk serta orientasi dan ukuran tiap-tiap komponen penyusun struktur dan distribusinya merupakan faktor penting yang memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara keseluruhan.
3. Interaksi antar komponen. Karena komposit merupakan campuran atau kombinasi komponen-komponen yang berbeda baik dalam hal bahannya maupun bentuknya, maka sifat kombinasi yang diperoleh pasti akan berbeda.
Sifat bahan komposit sangat dipengaruhi oleh sifat dan distribusi unsur penyusun, serta interaksi antara keduanya. Parameter penting lain yang mungkin mempengaruhi sifat bahan komposit adalah bentuk, ukuran, orientasi dan disribusi dari penguat (filler) dan berbagai ciri-ciri dari matriks. Sifat mekanik merupakan salah satu sifat bahan komposit yang sangat penting untuk dipelajari. Untuk aplikasi struktur, sifat mekanik ditentukan oleh pemilihan bahan. Sifat mekanik bahan komposit bergantung pada sifat bahan penyusunnya. Peran utama dalam komposit berpenguat serat adalah untuk memindahkan tegangan (stress) antara serat, memberikan ketahanan terhadap lingkungan yang merugikan dan menjaga permukaan serat dari efek mekanik dan kimia. Sementara kontribusi serat sebagian besar berpengaruh pada kekuatan tarik (tensilestrength) bahan komposit.
Secara umum serat yang sering digunakan sebagai filler (penguat) adalah serat buatan seperti serat gelas, karbon, dan grafit. Serat buatan ini memiliki keunggulan tetapi biayanya tinggi jika dibandingkan dengan serat dari alam. Pemakaian serat alam yaitu serat tandan kosong kelapa sawit sebagai pengganti serat buatan akan menurunkan biaya produksi. Hal ini dapat dicapai karena murahnya biaya yang diperlukan bagi pengolahan serat alam dibandingkan dengan serat buatan. Walaupun sifat-sifatnya kalah dari segi keunggulan dengan serat buatan, tetapi harus diingat bahwa serat alam lebih murah dalam hal biaya produksi dan dapat terus diperbaharui.
2.4.1 Klasifikasi Material Komposit
Berdasarkan pada matrik penyusunnya komposit terdiri dari beberapa jenis material komposit, yaitu :
1. Metal Matrix Composite (MMC)
Terdiri dari matrik logam seperti aluminium, timbal, tungsten, molibdenum, magnesium, besi, kobalt, tembaga dan keramik tersebar.
2. Ceramic Matrix Composite (CMC)
Terdiri dari matrik keramik dan serat dari bahan lainnya.
3. Polymers Matrix Composite
Terdiri dari matrik termoset seperti polyester tidak jenuh dan epoxiy atau termoplastik seperti Polycarbonate, polivinilklorida,
nylon, polysterene dan kaca, karbon, baja, serbuk kayu atau serat kevlar.
4. Concrete foam (CMC)
Terdiri dari matrik beton ditambah beberapa matrik material serbuk filler, pozolanic, serbuk/ serat kayu, serat bambu, stereofoam, baja, sebuk kertas, dan batu apung [13].
Berdasarkan pada bahan penguatnya maka material komposit dapat diklasifikasikan menjadi menjadi komposit serat, komposit lamina, komposit partikel, dan komposit serpihan. Komposit diklasifikasikan seperti yang terlihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Klasifikasi Struktur Komposit (Calliester, 1994)
1. Komposit Serat (Fiber Reinforced Composite)
Komposit serat adalah jenis komposit yang menggunakan serat sebagai penguat. Serat yang digunakan umumnya berupa serat gelas, serat karbon, serat aramid, serat alami dan sebagainya. Serat yang digunakan dapat disusun secara acak maupun dengan pola tertentu yang menyerupai anyaman.
Kekuatan dari komposit jenis ini sangat bergantung pada serat yang digunakan. Dalam meningkatkan kekuatan komposit maka komponen penguat dari komposit harus mempunyai rasio aspek yang besar, yaitu rasio panjang terhadap diameter harus tinggi agar beban yang ditransfer melewati titik dimana yang mungkin mengalmi perpatahan. Tegangan yang yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik dan akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban maksimum. Oleh sebab itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi dari pada matrik penyusun komposit.
Composite Structural Particle - Reinforced Fiber - Reinforced Laminates Sanwidch Panel Large - Particl Disper sion-Streng thened Continous (Aligned) Disontinous (Short) Randomly Aligned
Komposit yang diperkuat dengan serat terbagi menjadi dua, yaitu:
a. Komposit Serat Pendek (Short Fiber Composite)
Komposit serat pendek terbagi menjadi dua bagian yaitu serat acak (inplane random orientasi) dan serat satu arah. Tipe serat acak sering digunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biaya produksinya yang lebih murah. Kekurangan dari susunan serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama.
b. Komposit Serat Panjang (Long Fiber Composite)
Kelebihan dari komposit serat panjang adalah lebih mudah diorientasikan, jika dibandingkan dengan serat pendek. Secara teoritis serat panjang dapat menyalurkan pembebanan atau tegangan dari suatu titik pemakaiannya.
Perbedaan serat panjang dan serat pendek yaitu serat pendek dibebani secara tidak langsung atau kelemahan matrik akan menentukan sifat produk komposit tersebut yakni jauh lebih kecil dibandingkan dengan besaran yang terdapat pada serat panjang.
2. Komposit Partikel (Particle Reinforced)
Merupakan komposit yang diperkuat partikel, penguat dalam satu atau lebih partikel yang tersebar diikat oleh matriks yang berbeda fasa. Komposit partikel diperkuat oleh logam, polymer, keramik. Komposit partikel terdiri dari partikel besar dan partikel kecil. Partikel Besar (Large Particle), merupakan hubungan antar matriks dan partikel merupakan suatu rangkaian kesatuan yang memiliki sifat-sifat bahan fasa partikel lebih keras dan lebih kaku dari pada fasa matriks. Sebagai contoh bahan campuran semen dan kerikil. Partikel Kecil (Dispersion Strengthened), hubungan antar matriks dan partikel bukan merupakan suatu rangkaian kesatuan
yang memiliki sifat lebih kuat dan kaku dibandingkan komposit partikel besar.
3. Komposit/Struktur Laminat
Komposit yang terdiri dari dua bahan yang berlainan (lamina), terdiri atas susunan fasa penguat dan matriks dalam bentuk lamina bisa dalam arah searah, dan tegak lurus atau arah tidak beraturan tergantung pada keperluan terhadap beban. Arah serat tentunya akan mempengaruhi kekuatan dan kemampuan serat menahan beban pada suatu komposit [14].
2.4.2 Material Concrete foam
Material komposit concrete foam terdiri dari semen, pasir, air,
blowing agent, dan serat TKKS. Blowing Agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Polyol dan Isocyanate.
1. Semen
Material semen adalah material yang mempunyai sifat-sifat adhesif dan kohesif yang diperlukan untuk mengikat agregat-agregat menjadi suatu massa yang padat yang mempunyai kekuatan yang cukup. Semen merupakan hasil industri dari paduan bahan baku : batu gamping/kapur sebagai bahan utama, yaitu bahan alam yang mengandung senyawa Calcium Oksida (CaO), dan lempung/tanah liat yaitu bahan alam yang mengandung senyawa: Silika Oksida (SiO2), Alumunium Oksida (Al2O3), Besi Oksida (Fe2O3) dan Magnesium Oksida (MgO) atau bahan pengganti lainnya dengan hasil akhir berupa padatan berbentuk bubuk (bulk), tanpa memandang proses pembuatannya, yang mengeras atau membatu pada pencampuran dengan air. Untuk menghasilkan semen, bahan baku tersebut dibakar sampai meleleh,
sebagian untuk membentuk clinkernya, yang kemudian dihancurkan dan ditambah dengan gips (gypsum) dalam jumlah yang sesuai.
Fungsi utama dari semen adalah untuk mengikat partikel agregat yang terpisah sehingga menjadi satu kesatuan. Bahan dasar pembentuk semen adalah :
1. 3CaO.SiO2 (tricalcium silikat) disingkat C3S (58% - 69%)
2. 2CaO.SiO2 (dicalcium silikat) disingkat C2S (8% - 15%) 3. 3CaO.Al2O3 (tricalcium aluminate) disingkat C3A (2% -
15%)
4. 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (tetracalcium alummoferrit) disingkat C4AF(6-14%)
Faktor semen sangatlah mempengaruhi karakteristik campuran mortar. Kandungan semen hidraulis yang tinggi akan memberikan banyak keuntungan, antara lain dapat membuat campuran mortar menjadi lebih kuat, lebih padat, lebih tahan air, lebih cepat mengeras, dan juga memberikan rekatan yang lebih baik. Kerugiannya adalah dengan cepatnya campuran mortar mengeras, maka dapat menyebabkan susut kering yang lebih tinggi pula. Mortar dengan kandungan hidrulik rendah akan lebih lemah dan mudah dalam pergerakan .
2. Air
Air diperlukan pada pembuatan beton untuk memicu proses kimiawi semen, membasahi agregat dan memberikan kemudahan dalam pekerjaan beton. Air digunakan untuk membuat adukan menjadi bubur kental dan juga sebagai bahan untuk menimbulkan reaksi pada bahan lain untuk dapat mengeras. Oleh karena itu, air
sangat dibutuhkan dalam pelaksanaan pengerjaan bahan. Tanpa air, konstruksi bahan tidak akan terlaksana dengan baik dan sempurna. Nilai banding berat air dan semen untuk suatu adukan beton dinamakan water cement ratio (w.c.r). Air yang dapat digunakan dalam proses pencampuran beton adalah sebagai berikut:
a. Air yang digunakan pada campuran beton haruslah bersih dan bebas dari bahan – bahan yang merusak yang mengandung oli, asam, alkali, garam, bahan organik, atau bahan – bahan lainnya yang merugikan terhadap beton. b. Air pencampur yang digunakan pada beton prategang atau
pada beton yang di dalamnya tertanam logam aluminium, termasuk air bebas yang terkandung dalam agregat, tidak boleh mengandung ion klorida dalam jumlah yang membahayakan.
3. Pasir
Pasir merupakan jenis agregat alam. Agregat utamanya digunakan untuk mengisi bagian terbesar dari beton yang mana mengisi 75 % bagian dari beton. Semakin besarnya ukuran agregat yang digunakan maka akan semakin mengurangi jumlah semen yang digunakan. Hal ini juga akan mengurangi panas yang timbul pada saat pencampuran air dan hubungan antara thermal stresses
dan shrinkage cracks. Umumnya untuk beton dengan kekuatan lebih dari 20 MPa ukuran agregatnya lebih dari 40mm dan untuk kekuatan diantara 30 MPa agregat yang digunakan berukuran 20 mm.
4. Blowing Agent
Blowing agent adalah material yang digunakan untuk menghasilkan struktur berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah
polyurethane. Polyurethane adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan urethane yaitu -NH-CO-O. Polyurethane
dibentuk oleh reaksi senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hydrogen aktif seperti diol (polyol). Unsur nitrogen yang bermuatan negatif pada isosianat akan tertarik ke arah unsur oksigen yang bermuatan positif pada kelompok alkohol (polyol) akan membentuk ikatan urethane antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer urethane. Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida (CO
2). Gas ini yang kemudian akan membentuk busa pada material polymer yang terbentuk. Material yang terbentuk dari campuran Blowing Agent
dan polymer disebut dengan material Polymeric Foam. Material
Polymeric Foam banyak ditemukan sebagai busa kaku dan fleksibel yang digunakan sebagai pelapis atau perekat material.
5. Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Penguat komposit yang digunakan ialah dari bahan TKKS yang kemudian dibentuk menjadi ukuran halus dan dicampurkan dalam matriks. Ukuran serat TKKS yang belum dicacah adalah 13-18cm dan serat ini dihaluskan lagi hingga mencapai ukuran 0,1-0,8mm. Bahan-bahan penyusun TKKS dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Bahan penyusun tandan kosong kelapa sawit No Bahan-Bahan Kandungan Komposisi (%)
1. Uap air 5.40
2. Protein 3.00
3 Serat 35.00
4. Minyak 3.00
5. Kelarutan air 16.20
6. Kelarutan unsur alkali 1 % 29.30
Tabel 2.1 Bahan penyusun tandan kosong kelapa sawit (lanjutan)
No Bahan-Bahan Kandungan Komposisi (%)
8. K 1,71 9. Ca 0,14 10. Mg 0,12 11. P 0,06 12. Mn, Zn, Cu, Fe 1,07 TOTAl 100,00
Permasalahan yang dihadapi pada penggunaan limbah dari tandan kosong kelapa sawit adalah terdapat kandungan zat ekstraktif dan asam lemak yang sangat tinggi, sehingga dapat menurunkan sifat mekanik material yang dibentuk. Tandan kosong kelapa sawit segar dari hasil pabrik kelapa sawit umumnya memiliki komposisi lignoselulose 30,5%, minyak 2,5% dan air 67%, sedangkan bagian lignoselulose sendiri terdiri dari lignin 16,19%, selulose 44,14% dan hemiselulose 19,28%. Sehingga pada pembuatan material ini tandan kosong kelapa sawit terlebih dahulu direndam kedalam larutan NaOH 1% selama sehari, kemudian dicuci dengan air bersih dan dikeringkan pada suhu kamar selama kurang lebih 3 hari. Gambar serat TKKS yang telah dihaluskan dapat dilihat pada Gambar 2.3.