TINJAUAN PUSTAKA
MATRIX FIBER
2.3 PENGUJIAN DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT HIBRID .1Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
Kekuatan tarik merupakan salah satu sifat bahan polimer yang terpenting dan sering digunakan untuk uji sifat suatu bahan polimer. Pengujian tarik (tensile test) dilakukan dengan pembebanan pada kedua ujung sampel melalui gaya tarikan. Penarikan suatu bahan biasanya menyebabkan terjadi perubahan panjang atau deformasi dan juga menyebabkan terjadinya penipisan pada tebal bahan yang diuji. Kekuatan tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum (besarnya gaya yang masih dapat ditahan oleh sampel sebelum putus) dengan luas penampang mula - mula [51]. Regangan merupakan perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang mula - mula. Regangan merupakan ukuran untuk kekenyalan suatu bahan yang harganya biasanya dinyatakan dalam persen [46]. Persamaan untuk tegangan tarik dan regangan adalah sebagai berikut [51] :
% .100 l l l ε dan A F τ o o (2.1) Dimana : = Tegangan tarik (N/m2)
F = Tegangan (gaya) (N) A = Luas permukaan (m2)
= Regangan (%)
l = Panjang akhir sampel (m) lo = Panjang awal sampel (m)
Pada peregangan suatu bahan polimer, perpanjangan tidak selalu berbanding lurus dengan beban yang diberikan, dan pada penurunan kembali beban, sebahagian regangannya hilang, karena bahan polimer bukan merupakan bahan sepenuhnya elastis tetapi ada sifat viskositasnya [51].
2.3.2 Uji Kekuatan Lentur (Flexural Strength)
Material komposit mempunyai sifat tekan lebih baik dibanding tarik, pada perlakuan uji lentur spesimen, bagian atas spesimen terjadi proses tekan dan bagian bawah terjadi proses tarik sehingga kegagalan yang terjadi akibat uji
bending yaitu mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu menahan tegangan tarik [44].
Kekuatan lentur merupakan kemampuan bahan untuk melentur, dimana pengujian biasanya dilakukan dengan menekuk bahan (sampel) menggunakan beban. Kekuatan lentur (τ) suatu bahan dapat dihitung dengan persamaan berikut [51] : 2 2bd 3PL τ (2.2) Dimana : = Kekuatan lentur (N/m2)
P = Beban patah (N) L = Lebar batang uji (m) b = Tebal batang uji (m)
2.3.3 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength)
Kekuatan impak adalah suatu kriteria penting untuk mengetahui ketegasan bahan atau ketahanan bahan terhadap daya dengan kecepatan tinggi (hantaman). Kekuatan impak suatu bahan polimer dapat diukur dengan menggunakan alat
impact test. Untuk kekuatan impak, bahan dapat dibagi dalam dua klasifikasi, yaitu bahan yang rapuh (brittle) dan lentur (ductile) [51].
Pengujian ini biasanya mengikuti dua metoda yaitu metoda Charpy dan Izod yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan impak, yang kadang juga disebut sebagai ketangguhan ketok (notch toughness). Untuk metoda Charpy dan Izod, spesimen berupa dalam bentuk persegi dimana terdapat bentuk V - notch yang dapat dilihat pada gambar berikut [44] :
Gambar 2.18 Spesimen V - Notch Metoda Charpy dan Izod
Peralatan untuk melakukan kekuatan impak spesimen V - notch
ditunjukkan pada Gambar 2.19. Beban didapat dari tumbukan pendulum yang dilepas dari ketinggian h. Spesimen diletakkan di dasar seperti pada Gambar 2.18. Ketika dilepas ujung pisau pada pendulum akan menghantam dan mematahkan spesimen pada titik ketoknya (notch) yang bekerja sebagai titik tegangan untuk benturan kecepatan tinggi. Pendulum terus berayun, naik sampai ketinggian maksimum h' yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap, yang diukur dari perbedaan ketinggian h dan h' merupakan pengukuran kekuatan impak. Perbedaan antara metoda Charpy dan Izod yaitu bergantung pada peletakan support
Gambar 2.19 Skema Pengujian Impak
2.3.4 Analisa Penyerapan Air oleh Komposit (Water Absorption)
Pengujian serapan air didefinisikan sebagai jumlah air yang diserap oleh material komposit ketika direndam dalam air untuk jangka waktu ditetapkan atau juga dapat didefinisikan sebagai rasio berat air yang diserap oleh material dengan berat bahan kering. Penyerapan air pada komposit merupakan salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit di luar ruangan. Semua komposit polimer akan menyerap air jika berada di udara lembab atau ketika polimer tersebut dicelupkan di dalam air. Penyerapan air pada komposit berpenguat serat alami memiliki beberapa pengaruh yang merugikan dalam sifatnya dan mempengaruhi kemampuannya dalam jangka waktu yang lama juga penurunan secara perlahan dari ikatan antar muka komposit serta menurunkan sifat mekanis komposit seperti kekuatan tariknya. Semua bahan polimer organik akan menyerap air sampai batas tertentu yang mengakibatkan pembengkakan, melarutkan, pencucian, plastisizing dan / atau hidrolisis, peristiwa yang dapat menyebabkan perubahan warna, kehilangan sifat mekanik dan listrik, resistensi yang lebih rendah terhadap panas dan cuaca dan tekanan yang menakibatkan keretakan. Penurunan ikatan antarmuka komposit menyebabkan penurunan sifat mekanis komposit tersebut. Karena itu, pengaruh dari penyerapan air sangat
Starting Position Hammer Specimen Anvil End of Swing Pointer Scale
vital untuk penggunaan komposit berpenguat serat alami di lingkungan terbuka [53, 54]
2.3.5 Analisa Fraksi Volume Serat
Dalam penyusunan bahan komposit, distribusi pengisi dalam matriks dapat dideskripsikan berulang atau secara periodik. Meskipun susunan serat tidak teratur, tetapi asumsi pertama bahwa serat yang tersusun dalam cross section
dianggap sebagai bentuk persegi (square packed) atau heksagonal (hexagonal packed). Asumsi bahwa dua bentuk diatas mengikuti pola pada Gambar 2.18. Dengan mengarahkan perhatian pada unit sel model maka dapat dilihat luas penampang pada serat relatif terhadap luas permukaan total pada unit sel merupakan pengukuran volume serat terhadap volume total komposit. Fraksi ini merupakan parameter yang penting dalam bahan komposit dan dikenal dengan istilah fraksi volume serat dan nilainya diantara 0 - 1 [44].
Gambar 2.20 Susunan Geometri Serat dalam Matriks
2.3.6 Karakterisasi Fourier Transform Infra - Red (FTIR)
Pada saat ini spektrofotometer infra merah sering digunakan untuk keperluan analisa kuantitatif, akan tetapi sering juga digunakan untuk analisa kualitatif dengan spektrofotometer ultra - lembayung dan sinar tampak. Penggunaan spektrofotometer infra - merah dimaksudkan untuk analisa yang lebih banyak ditujukan untuk identifikasi senyawa organik [50].
Penggunaan spektrofotometer FTIR untuk analisa banyak diajukan untuk identifikasi suatu senyawa. Hal ini disebabkan spektrum FTIR suatu senyawa (misalnya senyawa organik) bersifat khas, artinya senyawa yang berbeda akan mempunyai spektrum yang berbeda pula. Vibrasi ikatan kimia pada suatu molekul
menyebabkan pita serapan hampir seluruhnya didaerah spektrum IR yakni 4000 - 400 cm-1 [50].
Pada temperatur biasa molekul organik frekuensi vibrasinya dalam keadaan tetap. Masing - masing ikatan mempunyai vibrasi regangan (stretching) dan vibrasi tekuk (bending) yang dapat mengabsorbsi energi radiasi pada frekuensi itu. Yang dimaksud vibrasi regangan adalah terjadinya terus menerus perubahan jarak antara dua atom didalam suatu molekul [50].
Formulasi bahan polimer komersil dengan kandungan aditif bervariasi seperti pemplastis, pengisi, pemantap dan antioksidan, memberikan kekhasan pada spektrum inframerahnya. Analisis inframerah memberikan informasi tentang kandungan aditif, panjang rantai, dan struktur rantai polimer. Disamping itu, analisis IR dapat digunakan untuk karakterisasi bahan polimer yang terdegradasi oksidatif dengan munculnya gugus karbonil dan pembentukan ikatan rangkap pada rantai polimer. Gugus lain yang menunjukkan terjadinya degradasi oksidatif adalah gugus hidroksida dan karboksilat. Umumnya pita serapan polimer pada spektrum inframerah adalah adanya ikatan C - H regangan pada daerah 2880 cm-1 - 2900 cm-1 dan regangan dari gugus fungsi lain yang mendukung untuk analisis suatu material [50].
Untuk memperoleh informasi struktur dari spektra inframerah lebih lanjut, maka seharusnya terbiasa dengan frekuensi atau panjang gelombang dimana berbagai gugus fungsional menyerap. Sebagai pelengkap informasi tersebut, dipakai tabel, yang disebut tabel korelasi inframerah yang memuat informasi dimana berbagai gugus fungsional menyerap [50].
2.3.7 Analisa Scanning Electron Microscopy (SEM)
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 [45]. SEM merupakan pencitraan material dengan mengunakan prinsip mikroskopi, mirip dengan mikroskop optik, namun alih - alih
menggunakan cahaya, SEM menggunakan elektron sebagai sumber pencitraan dan medan elektromagnetik sebagai lensanya [47].
Prinsip kerja SEM adalah menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi seperti diilustrasikan pada Gambar 2.21. Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkan kembali berkas tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah dimana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor di dalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan ke mana arah kemiringan [46].
Berkas Elektron
Pantulan Elektron
Permukaan Material
Gambar 2.21 Prinsip Kerja SEM
Elektron pantulan dan elektron sekunder dipancarkan kembali dengan sudut yang bergantung pada profil permukaan material .Pada saat dilakukan pengamatan, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron di -
scan ke seluruh area daerah pengamatan. Lokasi pengamatan dapat dibatasi dengan melakukan perbesaran (zoom - in) atau pengecilan (zoom - out). Berdasarkan arah pantulan berkas pada berbagai titik pengamatan maka profil permukan benda dapat dibangun menggunakan program pengolahan gambar yang ada dalam komputer. SEM memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada mikroskop optik. Hal ini disebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang dimiliki elektron lebih pendek daripada gelombang optik. Makin kecil panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop. Umumnya
Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai permukaan dengan konduktivitas tinggi. Karena polimer mempunyai konduktivitas rendah maka bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan pengantar) yang tipis. Bahan yang biasa digunakan adalah perak, tetapi juga dianalisa dalam waktu yang lama, lebih baik digunakan emas atas campuran emas dan palladium [54].