Polimer untuk gas sensor

LANDASAN TEOR

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

2.2.2 Polimer untuk gas sensor

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, penggunaan poly ethylene sebagai salah satu jenis polimer konduktif dapat digunakan sebagai bahan pembuat sensor. Namun, dalam penelitian ini, material polimer didoping dengan menggunakan zeolit yang teraktivasi. Penggunaan zeolit sebagai layer aktif dalam salah satu dasar pembuatan sensor merupakan hal yang sering dilakukan. Namun, di Indonesia hanya digunakan sebagai salah satu bahan kosmetik dan obat-obatan. Disamping itu, pemanfaatan zeolit hanya sebatas sebagai penyerapan secara kimia.

PEG merupakan salah satu jenis polimer yang memiliki sifat toksik yang kecil sehingga dapat digunakan dalam beberapa hal industri farmasi. Polimer jenis ini juga sering digunakan sebagai pelumas dalam pelapisan permukaan dalam suasana larutan dan lingkungan non-larutan. Sehingga PEG disebut dengan polimer yang fleksibel, polimer yang mudah larut terhadap air dan kemudian dapat digunakan sebagai surfaktan juga. Struktur PEG ditunjukkan pada gambar 2.1 di bawah

Gambar 2.1 Struktur PEG

Sensor gas pada dasarnya sering menggunakan polimer konduktif seperti poly aniline (PANI), poly pyrrole (PPY) dan Poly Ethylene (PE) sebagai layer aktif dari sensor yang dibuat. Telah diketahui bahwa, jenis polimer ini secara ideal memiliki ikatan ganda yang terkonjugasi dilihat dari strukturnya. Hal ini mampu membuat, jenis polimer ini memiliki konduktivitas listrik. Walaupun tidak sebesar jenis material konduktor lainnya, jenis polimer ini apabila dilakukan doping akan menghasilkan konduktivitas listrik yang mampu dijadikan sebagai bahan sensor. Namun, dalam penelitian ini, layer aktif didukung oleh dua jenis material yaitu zeolit

dan polimer yang memiliki sifat konduktif dan mampu dijadikan sebagai pengikat. (Johannes Karl Fink 2012)

2.3 MATERIAL KOMPOSIT

Material komposit adalah bahan yang diperoleh melalui kombinasi bahan yang berbeda untuk mencapai sifat yang masing-masing bahan tidak ada. Material komposit dibuat bertujuan untuk menciptakan bahan komposit yang memiliki sifat-sifat yang berasal dari bahan pembuatnya. Bahan komposit dibuat melalui cara yang berbeda, ada yang mengalami reaksi secara alami, perubahan fasa atau melalui fenomena lainnya. Contohnya adalah serat karbon yang diperkuat oleh polimer. Pembuatan material komposit dapat disesuaikan dengan mencari bahan-bahan yang diinginkan sifatnya dan diperkuat dengan sifat bahan yang diinginkan. Oleh karena sifatnya yang memiliki karakteristik tertentu, komposit merupakan material rekayasa yang paling komersial.

Material komposit sering dibuat dengan menggabungkan dua jenis bahan yaitu, pengisi atau filler dan pengikat atau polymer matrix. Filler pada umumnya sering digunakan serat yang bertujuan untuk mendapatkan sifat- sifat tertentu, sedangkan polimer bertujuan bukan hanya sebagai pengikat melainkan sifat yang diinginkan juga digunakan.

Kebanyakan pembuatan bahan komposit hanya bertujuan untuk mendapatkan berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi, tahan terhadap korosi dan memiliki biaya pembuatan yang murah. Secara umum, komposit dibuat untuk mendapatkan material yang memiliki karakteristik dari kekuatan mekanis yang tinggi dengan biaya yang murah. Padahal, kemampuan material komposit bukan hanya pada bidang kekuatan mekanis, melainkan bisa juga digunakan dalam material listrik. Hal ini yang menjadi daya jual dalam perkembangan material komposit sebagai salah satu material pengganti logam yang sifatnya konduktif.

Rekayasa material komposit sebagai bahan pengganti material listrik sekarang ini telah banyak digunakan. Dengan mengambil konsep komposit

konduktif membentuk material elektrik yang banyak kita kenal sekarang ini. Konsep ini sering kita jumpai dalam material seperti sensor. Perkembangan ini dapat kita lihat pada begitu banyaknya jenis sensor yang telah dibuat seperti cadmium-sulfida yang dijadikan sebagai bahan sensor cahaya; carbon nano tube yang sering dijadikan sebagai bahan pengganti konduktor; serat karbon yang juga memiliki sifat mekanik dan elektrikal yang baik.

Sifat komposit pada penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan sensor yang merupakan jenis material semikonduktor. Disinggung dari segi materialnya, sensor yang yang dibuat berdasarkan komposit yang berasal dari kombinasi polimer dan zeolit. Polimer yang digunakan merupakan polimer etilen glikol dengan sebutan PEG sebagai matrix dan zeolit aktif sebagai pengisi atau filler. Filler yang digunakan berupa serat partikel dengan ukuran 100 mesh. Maka, komposit yang akan dibuat akan menghasilkan sifat semikonduktor yang seperti diinginkan.

2.3.1 Komposit dengan Matrix Polimer

Komposit merupakan kombinasi dari beberapa material yang berbeda secara komposisi, dimana masing-masing material yang dikombinasikan memiliki perbedaan satu sama lain. Perbedaan ini ketika dikombinasikan justru membentuk sifat yang diinginkan, sebut saja seperti sifat listrik, sifat mekanik dan beberapa sifat lainnya dari bagian komposit. Material komposit dibuat terdiri dari dua atau lebih material yang berbeda fasa. Material tersebut berupa material pengisi dan pengikat atau matrix. Matrix pada komposit merupakan bagian terpenting dalam pembentukan komposit yang diinginkan. Biasanya matrix yang digunakan untuk komposit adalah material yang tidak terlalu keras, seperti polimer.

Umumnya, dalam pembuatan komposit komersil, penggunaan matrix polimer sering digunakan. Istilah umum untuk matrix polimers ini sering disebut dengan larutan resin. Saat ini, telah begitu banyak jenis polimer yang dijadikan matrix sebagai bahan baku pembuatan material tergantung dari jenis komposit yang ingin dibuat. Begitu banyak jenis

polimer yang telah dijadikan matrix dalam pembuatan komposit seperti polyester, vinil ester, epoksi, polietilen glikol, polipropilen dan lain sebagainya. Sedangkan, pada komposit, material yang ditambah atau disebut

filler sering disebut dengan serat atau fibre. Namun, tidak hanya serat yang

digunakan seperti serat tumbuhan tetapi batu-batuan alam berupa mineral juga sering digunakan.

Komposit yang terdiri dari matrix polimer dan mineral alam sangat populer saat ini. Pengembangan komposit tipe ini sedang dikembangkan, sebut saja seperti serat karbon yang memiliki aplikasi yang banyak. Hal tersebut dikarenakan, dalam pembuatan komposit tidak terlalu mahal biayanya dan metode pembuatannya sangat mudah. Disamping itu, produk komposit yang dihasilkan memiliki keuntungan. Keuntungan tersebut ditinjau dari karakteristik yang bagus, antara lain:

1. Kekuatan khusus tinggi 2. Kekakuan khusus tinggi 3. Ketahanan fraktur tinggi 4. Ketahanan abrasi baik 5. Ketahanan impak baik 6. Ketahanan korosi yang baik 7. Ketahanan fatigue yang baik 8. Biaya yang murah

Dalam penelitian ini, kombinasi mineral alam zeolit yang merupakan mineral aluminum silikat dengan matrix polimer polyethylene glycol memiliki keuntungan. Disamping harganya yang terjangkau dan metode fabrikasinya yang mudah, karakteristik yang didapat juga menguntungkan. Keuntungan tersebut berupa kombinasi dari karakteristik dari zeolit dan matrix polyethylene glycol. Karakteristik yang didapatkan pada penelitian ini nantinya berupa:

1. Sifat zeolit sebagai penyerap

2. Sifat polyethylene glycol sebagai pengikat

3. Sifat kombinasi berupa penyerapan yang dapat dibaca secara digital

Keuntungan dari matrix polimer komposit ini dihasilkan karena polyethylene glycol merupakan jenis polimer terkonjugasi yang memiliki kekuatan yang tinggi dalam ikatan intramolekuler. Sehingga, keuntungan lainnya berupa bisa diaplikasikan sebagai material yang mampu menahan suhu dan tekanan tertentu. Sehingga dapat digunakan sebagai komposit polimer konduktif.

2.3.2 Karakteristik resistivitas listrik komposit

Arus listrik ( I dengan satuan ampere, A) didefenisikan sebagai banyaknya jumlah arus (dalam coulomb, C) yang mengalir melalui luas penampang per satuan waktu. Maksudnya arus adalah jumlah muatan bukan besar muatan. Dengan demikian, arah arus adalah sama dengan aliran muatan positif dan berlawanan dengan arah aliran muatan negatif. Maka, dengan jumlah arus yang melewati luas permukaan disebut dengan rapat arus yang disimbolkan dengan J yaitu jumlah arus per luas penampang per satuan unit waktu. Satuan dari rapat arus adalah Ampere/ .

Adanya arus yang lewat dalam suatu material menunjukkan adanya muatan yang bergerak sehingga terjadi beda potensial atau tegangan. Muatan yang bergerak ini disebut dengan muatan pembawa atau disebut dengan carriers of electricity. Konsentrasi muatan pembawa didefenisikan sebagai jumlah dari muatan pembawa per satuan volume (dengan satuan

− _).

Material konduktor merupakan material yang memiliki jumlah muatan pembawa yang banyak. Sehingga, dalam hal ini muatan pembawa dialihkan kepada elektron (electron carrier). Sedangkan dalam material semikonduktor elektron dan holes atau lubang elektron memiliki peranan

penting dalam proses terjadinya arus listrik yang lewat. Sehingga dalam konteks semikonduktor, lubang-lubang yang kekurangan elektron akan diisi oleh elektron yang lewat. Maka, secara matematis, arus listrik berupa

=

2.3.1

Dimana n merupakan jumlah dari muatan yang dibawa, muatan elektron bernilai = , × − 9 _{. Dengan menurunkan persamaan 2.3.1 terhadap} kecepatan elektron dalam satu detik per luas penampang, akan didapat rapat arus berupa

=

_�

=

2.3.2

Dengan melakukan perbandingan dari persamaan muatan listrik berupa = � , maka persamaan 2.3.2 dapat diturunkan sebagai

�

=

�

2.3.3

Dimana, nilai rapat arus per satuan medan listrik dikenal dengan sebutan konduktivitas listrik yang disimbolkan dengan �. Sehingga dapat didefenisikan

� =

2.3.4

Dari persamaan diatas maka, nilai � = /� dimana � = merupakan resistivitas atau hambatan jenis dari suatu material. Dan satuan dari konduktivitas listrik adalah � = Ω⁄

Dalam penelitian ini, karakteristik komposit sebagai salah satu bentuk bahan semikonduktor dapat dilakukan. Melalui persamaan 2.3.3 dapat dicari hambatan jenis dari bahan polimer semikonduktor. Karakteristik hambatan jenis ini menjadi salah satu acuan dalam menentukan apakah material komposit ini layak untuk dijadikan bahan sensor. Melalui persamaan 2.3.4 didapat hubungan antara � = / dengan satuan _Ω atau dalam SI yaitu / .

Maka, persamaan yang didapat berupa

= �

_� 2.3.5

� =

_��

2.3.6

Dengan mengetahui bahwa nilai � =_� = /�, maka persamaan diatas dapat disubstitusi, menjadi

� =

_�

=

_�

=

�

��

=

�� 2.3.7

Dengan menganggap nilai � = / dan pada persamaan sebelumnya telah diketahui bahwa nilai dari / = / yang berarti rapat arus persatuan luas. Maka, dengan mengambil parameter ini dapat dihitung konduktivitas listrik melalui persamaan

�

=

��

→ =

�� 2.3.8