BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.5 Matrik
Matrik dalam komposit berfungsi sebagai bahan mengikat serat menjadi sebuah unit struktur, melindungi dari perusakan eksternal, meneruskan atau memindahkan beban eksternal pada bidang geser antara serat dan matrik, sehingga matrik dan serat saling berhubungan.
Pembuatan komposit serat membutuhkan ikatan permukaan yang kuat antara serat dan matrik. Selain itu matrik juga harus mempunyai kecocokan secara kimia agar reaksi yang tidak diinginkan tidak terjadi pada permukaan kontak antara keduanya. Untuk memilih matrik harus diperhatikan sifat-sifatnya antara lain seperti tahan terhadap panas, tahan cuaca yang buruk dan tahan terhadap goncangan yang biasanya menjadi pertimbangan dalam pemilihan material matrik.
Bahan Polimer yang sering digunakan sebagai material matrik dalam komposit ada dua macam yaitu thermoplastik dan termoset.
2.5.1 Resin
Resin adalah senyawa polymer rantai karbon. Polymer berasal dari kata – poly (banyak) dan –mer (ikatan). Senyawa polymer rantai karbon dapat didefinisikan sebagai senyawa yang mempunyai banyak ikatan rantai karbon.
Resin merupakan bahan pembuat Fiberglass yang berujud cairan kental seperti lem, berkelir hitam atau bening. Berfungsi untuk mengeraskan semua bahan yang akan dicampur. Resin biasanya digunakan sebagai bahan dasar dalam membuat kerajinan, gantungan, maupun action figure.
Tabel 2.4 Kekuatan tarik, tekan dan lentur bahan polimer.
Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 184.
Kekuatan Tarik (kgf/mm2) Perpanjangan (%) Modulus Elastisitas (kgf/mm2 x 102) Kekuatan Tekan (kgf/mm2) Kekuatan Lentur (kgf/mm2) Resin Termoset
Resin Fenol (Bakelin) :
Tanpa pengisi 4,9 - 5,6 1,0 - 1,5 5,2 - 7 7 - 21 8,4 - 10,5 Dengan bubuk kayu 4,5 -7 0,4 - 0,5 5,6 - 12 15,4 - 25,2 5,9 - 8,4 Dengan asbes 3,8 - 5,2 0,18 - 0,50 7 - 21 14 -24 5,6 - 9,8
Dengan serat gelas 3,6 - 7 0,2 23 - 1 12 -24 7 - 42
Resin melamin : Dengan pengisi - - - - - Dengan selulosa 4,9 – 9,1 0,6 – 1,0 8,4 – 9,8 17,5 – 30,1 7 – 11,2 Resin urea : Dengan selulosa 4,2 – 9,1 0,4 – 1,0 7 – 10,5 17,5 - 31 7 -11,2 Resin poliester : Dengan pengisi (coran kaku) 4,2 – 9,1 < 5 2,1 – 4,2 9,1 – 25 5,9 – 16,1 Dengan serat gelas 17,5 – 2,1 0,5 – 5,0 5,6 – 14 10,5 – 21 7 - 28
Dengan serat sintetik 3,1 – 4,2 - - 14 - 26 7 – 8,4
Resin Epoksi :
Dengan pengisi (coran) 2,8 – 9,1 3 – 6 2,4 10,5 – 17,5 9,3 – 13,3
Dengan serat gelas 9,8 – 2,1 4 2,1 21 - 26 14 - 21
Resin Silikon :
Dengan serat gelas 2,8 – 3,5 - - 7 – 10,5 7 – 9,8
Resin Termoplastik Stiren : G.P. 4,5 – 6,3 1,0 – 2,5 2,8 – 3,5 8 – 11,2 6,9 – 9,8 Dikopolimerkan dengan akrilonitril 6,6 – 8,4 1,5 - 3,5 2,8 – 3,9 9,8 – 11,9 9,8 – 13,3 Resin ABS 1,6 – 6,3 10 - 140 0,7 – 2,8 1,7 – 7,7 2,5 – 9,4 Nilon : Nilon 6 7,1 – 8,4 25 - 320 1,0 – 2,6 4,6 – 8,5 5,6 – 11,2 Nilon 66 4,9 - 8,4 25 - 200 1,8 – 2,8 5 – 9,1 5,6 – 9,6 Polietilen :
Masa jenis tinggi 2,1 – 3,8 15 - 100 0,4 – 1 2,2 0,7
Masa jenis rendah 0,7 – 1,4 90 - 650 0,14 – 0,24 - -
Polietilen : - 3,3 – 4,2 200 - 700 1,1 – 1,4 4,2 – 5,6 4,2 – 5,6 Resin PVC : Kaku 3,5 – 6,3 2 - 40 2,4 – 4,2 5,6 – 9,1 7 – 11,2 Dengan plastis 0,7 – 1,4 200 - 400 - 0,7 – 1,2 - Poliasetal : (Delrin) 6,1 - 7 15 – 40 ext. 75 2,4 – 2,8 12,6 8,4 – 9,8 Polikarbonat : - 5,6 – 6,6 60 - 100 22 7,7 7,7 – 9,1 Politetrafluoroetilen : (Teflon) 1,4 – 3,1 200 - 400 0,4 1,19 Baja Lunak Untuk kontruksi 0,1 - 0,2% C 38 30 300 38
2.5.2 Resin Termoset
Ada resin fenol, resin urea dan resin melamin yang dihasilkan dari kondensasi formalin pada pemanasan dan resin epoksi dihasilkan dari polimerisasi adisi pada pemanasan dengan adanya katalis amino. Dalam setiap hal resin yang dipanas awetkan mempunyai ikatan dengan struktur jaringan, sukar larut dalam pelarut dan tak dapat dilelehkan oleh panas. Bahan ini terutama digunakan untuk bahan-bahan teknik seperti komponen listrik dan mekanik, pelapis hiasan.
2.5.3 Resin Fenol
Fenol-fenol seperti, kresol, ksilenol, dsb, dikondensasikan denga formadehida untuk menghasilkan resin termoset. Seperti yang ditunjukkan pada Gb.2.16 bila suatu asam digunakan sebagai katalis pada reaksi fenol dan formaldehida, akan dihasilkan suatu novolak termoplastik yang larut dalam alkohol dan aseton. Bahan ini direaksikan dengan pengeras, heksametilentetramin, untuk membuat resin yang tak larut dan tak dapat dilelehkan. Ini disebut cara kering atau proses dua tahap. Dilain pihak dengan katalis basa dihasilkan suatu bahan seperti sirop yang disebut resol, yang tergolong resin yang tak larut dan tak dapat dilelehkan. Ini disebut cara basah atau proses satu tahap.
1) Pencetakan
Dibawah ini diberikan contoh proses dua tahap. Novola dicampurkan dengan heksametilentetramin 10-15%, terhadap 50 bagian campuran ini ditambah 50 bagian bubuk kayu, 0,5-1,2% bagian magnesia dan pelarut maupun zat
pewarna, dicampur dengan baik dan dirol panas pada 120-1300 C kemudian dihancurkan untuk membuat bubuk cetakan. Rol yang dipanaskan sebagian besar akan memberikan pengaruh pada sifat-sifat produknya. Dilain pihak, resol digunakan dalam bentuk larutan alkohol 30- 50% (pernis), sedangkan untuk barang cetakan, bubuk kayu secukupnya dijenuhkan dalam pernis (kira-kira 50%), dikeringkan dan dibubukkan untuk sebagai bahan mentah. Diperlukan waktu dan energi untuk pengeringan karena itu dalam banyak hal ini dilakukan menurut proses dua tahap.
Gambar 2.13 Reaksi Resin Fenol.
Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 253.
2.5.4 Resin urea-formaldehid (Resin Urea)
Ini adalah resin termoset yang didapat lewat reaksi urea dan formalin, dimana urea dan formaldehid (37% formalin) bereaksi dalam alkalin netral dan lunak. Untuk resin cetakan, ditambah 97-160 g formalin 37% (1,2-2,0 mol sebagai formaldehid pada 60 g (1 mol) urea, dan pH diatur sampai 7-8,5 dengan air amonia, larutan natrium hidroksida dalam air, trietanolamin, dsb, dan biarkan bereaksi berturut-turut untuk 2-3 jam pada 400 C atau 1,0-1,5 jam pada 700 C.
Larutkan kondensat awal yang didapat dalam heksametilentetramin 1-8% (heksamin), dan tambahkan 29-48 g puip/bubur selulosa dan campurkan secukupnya untuk kira-kira 1 jam. Semakin sedikit pulp yang terdapat sebagai pengisi, semakin transparan produk yang didapat, tetapi kurang kekuatannya, menyusut lebih banyak dan lebih mudah retak. Resin campuran ini dikeringkan untuk 2-3 jam mulai 600 C sampai 90-950 C, didehidrasi dan dikondensasi. Bahan yang kering kemudian dibubukan untuk 20-48 jam, lalu ditambahkan bahan pewarna, pemlastis, pengeras (asam oksolat, asam ftalat, amonium ftalat dan garam-garam lain). Disamping itu, bahan digunakan sebagai perekat, cat, pengubah kertas dan serat.
Resin urea sendiri lebih jelek dari pada resin fenol, resin melamin, dsb, dalam hal ketahanan air, kestabilan dimensi dan ketahanan terhadap penuaan, karena itu beberapa bahan lain ditambahkan atau diproses menjadi kopolimer dengan fenol, melamin, dsb, untuk memperbaiki sifat-sifat tersebut diatas.
1) Pencetakan
Proses yang dipakai yaitu pencetakan tekan, pengalihan dan injeksi. Dalam pencetakan tekan, bahan diproses pada temperatur cetakan 130-1500 C, tekanan 150- 300 kg/cm2, selama 30-40 detik/1 mm ketebalan dari benda cetakan.
2.5.5 Resin Melamin
Bahan ini lebih unggul dalam berbagai sifat dari pada resin urea. 1) Cara produksi
Karena melamin mempunyai 3 gugus amino, maka 6 mol formaldehid dapat bereaksi dengan 1 mol melamin, tetapi ada umumnya 3-5 mol formaldehid digunakan untuk membuat resin. Bahan bereaksi secara termal dengan katalis. Untuk membuat bahan cetakan, 6 g (1 mol) melamin direaksikan dengan 243 g formalin 37% (3 mol sebagai formaldehid) diatur sampai pH 8-9 dengan larutan natrium karbonat dalam air. Setelah 60-90 menit bahan dipindahkan ke alat penekan, dicampur dengan 55-85 g pulp untuk sekitar 1 jam, dikeringkan 80-1100
C dan dibubukkan. Pembubukan dihentikan setelah 10-15 jam. Karena bahan cetakan mengandung 60-70% resin, ditambahkan pulp 30-40%, pengeras 0,05-1% (bahan asam lemah seperti ftalatanhidrid atau garamnya) dan 0,5-2% bahan pewarna. Berbagai bahan dapat dibuat dengan kondensasi yang sesuai untuk memenuhi kegunaan yang bersangkutan, seperti perekat, lapisan hiasan,lembaran yang dilaminasi, cat, kertas dan serat.
2) Pencetakan
Seperti halnya resin urea, dilakukan pencetakan: tekanan, pengalihan, dan injeksi. Suhu pencetakan 10-200 C lebih tinggi dari pada resin urea. Sebagai kondisi pencetakan standar digunakan temperatur pencetakan 150-1700 C, tekanan pencetakan 150-250 kgf/cm2, waktu pencetakan 1 menit pada 1600 C atau 40 detik pada 1700 C per 1 mm tebal bahan. Dalam produksi alat-alat makan, pengerjaan yang kurang sesuai menghasilkan formalin sisa yang menggangu dan merusak kemampuan penggunaan, karena itu pada umumnya barang cetakan dibiarkan dalam termostat pada 80-1200 C selama 30-60 menit agar pemantapan dapat berlangsung secukupnya (pemanggangan akhir). Proses yang cocok
digunakan untuk pencetakan pelapis hiasan dan lembaran-lembaran yang dilapisi, perekat, pengecatan, pelapisan resin pada serat dan kertas.
2.5.6 Resin Epoksi
Resin ini mempunyai kegunaan yang luas dalam industri teknik kimia, listrik, mekanik dan sipil sebagai perekat, cat lapisan, pencetakan cor dan benda-benda cetakan.
1) Produksi
Pada saat ini produknya adalah kebanyakan merupakan kondensat dari bisfenol A (4-4’ dihidroksidifenil 2,2-propanon) dan epiklorhidrin. Bisfenol A diganti dengan novolak, atau senyawa tak jenuh, siklopentadien, dsb. Resin epoksi bereaksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan mekanik dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis, kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. Banyaknya campuran dihitung dari ekivalen epoksi (banyaknya resin yang mengandung 1 mol gugus epoksi dalam gram). 2) Resin bisfenol A
Kelekatannya terhadap bahan lain baik sekali. Bahan ini banyak digunakan dalam cat untuk logam, perekat, pelapis dengan serat glass, dsb. Pada pengawetan tidak dihasilkan produ tambahan seperti air, dan penyusutan volume kurang. Kestabilan dimensinya baik sangat tahan terhadap zat kimia dan stabil terhadap banyak asam kecuali asam pengaksid yang kuat dan asam alifatik rendah, alkali dangaram. Karena takdiserang oleh hampir semua pelarut bahan ini baik digunakan sebagai bahan yang non-korosif.
3) Resin sikloalifatik
Bahan ini viskositasnya rendah dan ekivalensi epoksinya kecil. Bahan berguna sebagai pengencer bisfenol karena mudah penaganannya, karena kaku dan rapuh terutama digunakan untuk alat isolasi listrik yang diperkuat dengan serat glass, untuk ketahanan busur dan sifat anti alurnya baik.
2.5.7 Resin Poliuretan
Poliuretan terutama dihasilkan oleh reaksi diisosianat dan senyawa polihidroksi (disebut poliol karena mempunyai lebih dari dua guus-OH akhir). Resin ini kuat, baik dalam ketahanan abrasi, ketahanan minyak dan ktahanan pelarut, maka digunakan untuk plastik busa, bahan elastis, cat, perekat, serat elastis dan kulit sintetik.
2.5.8 Resin Poliester Tak Jenuh
Dalam banyak hal ini disebut poliester saja karena berupa resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainya maka tidak perlu diberi tekanan untuk pencetakan. Berdasarkan karakteristik ini bahan dikembangkan secara luas sebagai plastik penguat dengan mengunakan serat glass.
