TINJAUAN PUSTAKA
2.4 FLAME RETARDANT
Polimer telah digunakan secara luas menggantikan bahan logam di kehidupan kita sehari-hari karena bahan polimer lebih murah dan ringan. Namun bahan polimer mempunyai satu kelemahan besar yaitu sangat mudah terbakar. Pengertian bahan anti bakar bukanlah dimaksudkan bahwa bahan tersebut tidak dapat terbakar. Untuk lebih memahami pengertian bahan anti bakar/flame retardant baiknya diketahui proses terbentuknya nyala api/life cycle of fire yang dijelaskan oleh Emmon melalui segitiga api/fire triangle [18], yang dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.4 Segitiga api yang dipresentasikan ke fungsi temperatur dan waktu [18] Proses terbentuknya nyala api secara umum melalui tiga tahapan proses yaitu inisiasi pembentukan api, pembentukan api secara maksimal dan proses pemadaman api [18], dimana tiga tahapan proses ini diatur oleh empat parameter yaitu:
1. Derajad dapat terbakarnya suatu bahan/combustibility
2. Derajad dapat tersulutnya suatu bahan/ignitability. Bila suatu bahan dapat terbakar maka berikutnya dipertanyakan bagaimana bahan tersebut tersulut.
3. Penyebaran nyala api, yaitu seberapa cepat nyala api tersebar setelah bahan tersulut.
4. Pelepasan panas, laju pelepasan panas/kalor dan jumlah kalor yang dilepas. Suatu inisiator sumber panas memulai penyulutan terhadap suatu bahan untuk terbakar dimana membutuhkan bahan bakar dan oksigen (yang diperoleh dari udara ambien) agar penyulutan api dapat bertahan dan bertumbuh. Kemampuan bahan bakar dalam menerima transfer panas dari sumber panas ke bahan bakar baik secara induksi maupun konveksi dan kemudahannya terurai/terdekomposisi menentukan derajad dapat-terbakarnya/combustibility serta derajad dapat-tersulutnya suatu bahan (sebagai bahan bakar pembentuk api). Campuran bahan bakar dan oksigen pada udara ambien akan menimbulkan nyala api. Laju pelepasan panas dan jumlah kalor yang dilepas akibat dekomposisi bahan bakar pembentuk api ini akan mempengaruhi temperatur udara ambien yang akan mempengaruhi penyebaran nyala api melalui pembentukan gas yang mudah terbakar dengan temperatur yang cukup tinggi [18].
Bahan flame retardant adalah bahan yang bersifat penghalang atau inhibitor terhadap salah satu tahapan proses atau lebih pada pembentukan nyala api. Apabila bahan flame retardant ini diaplikasikan pada polimer, proses terbentuknya nyala api dapat kita gambarkan sebagai berikut.
Gambar 2.5 Pembentukan Nyala Api Pada Penyulutan dan Pembakaran Polimer [18] Panas Bahan Bakar/ Polimer Udara Ambien / Oksigen Dekomposisi Polimer + Oksigen Nyala api Hasil Pembakaran
Dekomposisi polimer akibat pemanasan dikenal sebagai pirolisis secara endotermis yang akan membentuk fragmen radikal yang mempropagasi pembakaran melalui fragmen-fragmen polimer yang terbentuk dalam bentuk gas. Fragmen- fragmen gas yang dapat terbakar yang terbentuk bercampur dengan udara ambien yang mengandung oksigen yang juga menerima panas dan tersulut menghasilkan nyala api. Dalam proses pirolisis polimer, fragmen-fragmen gas yang tidak terbakar, produk cairan dan padatan yang mengarang juga terbentuk [19]. Skema penyebaran nyala api selama proses pembakaran polimer dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.6 Skema penyebaran nyala api selama proses pembakaran polimer [18]
2.4.1 Mekanisme Inhibisi Flame Retardant
Secara umum mekanisme hambatan penyalaan api, atau penyebaran api dan bahkan penekanan proses pembakaran oleh bahan anti bakar/flame retardant dapat melalui 3 cara yaitu [19]:
1. Secara Reaksi Kimiawi (mekanisme yang lebih effektif)
a. Inhibisi pada fasa gas: Inhibisi pembentukan gas fragmen radikal pada dekomposisi polimer oleh bahan anti bakar, sehingga gas fragmen radikal aktif yang mengikat oksigen dan atau radikal hidroksil yang mempengaruhi proses penyulutan akan berkurang. Dengan demikian suplai gas yang mudah terbakar dan umpan balik pemanasan dapat berkurang. Mekanisme ini lazim terjadi pada bahan anti bakar terhalogenasi. Selain itu inhibisi pada fasa gas dapat
terjadi dengan pengenceran konsentrasi oksigen di udara ambien dengan pelepasan gas-gas yang tidak terbakar.
b. Inhibisi pada fasa padat: Inhibisi dengan pembentukan lapisan arang/char pada permukaan bahan bakar sehingga bahan bakar terlindungi dari oksigen yang ada pada udara ambien serta memberikan hambatan terhadap transfer panas yang dikeluarkan oleh sumber panas. Selain pembentukan lapisan arang, mekanisme ini sering bersamaan dengan pelepasan gas (NH3 dan atau CO2) dan atau pembusaan secara terus menerus sehingga terbentuk lapisan berpori. Mekanisme inhibisi ini lazim pada bahan anti bakar yang mengandung fosfor, melamin dan senyawa yang bergugus alkohol yang banyak.
2. Secara Fisika (mekanisme yang kurang efektif)
a. Proses pendinginan: Proses penyerapan energi (endotermis) yang dipicu oleh pelepasan air oleh additif dan atau kimiawi bahan anti bakar sehingga temperatur bahan bakar/polimer berada di bawah temperatur yang dibutuhkan untuk melakukan proses pembakaran. Kemudian selanjutnya proses pembakaran akan terinhibisi.
b. Pemberian lapisan pelindung (coating): Bahan bakar/polimer diberi lapisan padat atau gas yang akan melindungi permukaan bahan bakar/polimer dari paparan panas dan oksigen yang dibutuhkan untuk proses pembakaran.
c. Pengenceran: Penambahan senyawa inert (sebagai bahan pengisi) dan additif yang akan mengeluarkan senyawa gas tidak terbakar sehingga akan mengencerkan bahan bakar/polimer baik dalam fasa padat maupun dalam fasa gas serta pengenceran oksigen pada udara ambien.
3. Kombinasi secara fisika dan kimia yang bersinergi
Terlihat bahwa keseluruhan mekanisme inhibisi tersebut menghambat pada tahapan-tahapan proses dan atau pada beberapa tahapan proses sekaligus seperti pada saat proses transfer panas/pemanasan, dekomposisi, saat penyulutan/ignition
2.4.2 Jenis Flame Retardant
Penurunan sifat flamabilitas dari polimer dapat melalui penambahan senyawa tahan api (flame retardant). Flame retardant yang biasa digunakan adalah hidroksida logam, senyawa posporus, senyawa yang mengandung halogen dan clay [18].
1. Metal Hydroxides
Filler anorganik menghambat pembakaran polimer dengan membuang panas dari polimer dan mengurangi suhu api. Contohnya adalah aluminium oksida hidrat, Al2O3.3H2O dan magnesium hidroksida, Mg(OH)2. Senyawa ini di dalam nyala api akan mengalami dekomposisi secara endotermik (menyerap panas), dan melepaskan sejumlah besar uap air ke permukaan polimer. Air akan melarutkan gas yang mudah terbakar. Salah satu kelemahan dari bahan-bahan tersebut adalah bahwa kadar yang tinggi diperlukan untuk mendapatkan sistem tahan api yang baik. Akibatnya sifat mekanik polimer akan menurun.
2. Phosphorus-containing Fire Retardants
Banyak retardants api tipe ini yang dikonversi menjadi asam fosfat, yang akan mengeringkan polimer yang berada dalam kondisi terbakar dan membentuk
char. Sebagai contoh fosfor oxynitride dan phospham pada 10-20% wt yang
ditambahkan ke poli (butylene terephthalate) memberikan peningkatan indeks oksigen dari 22 menjadi 29. Oxynitride fosfor juga ditemukan sebagai pembentuk char. Pembentukan char mempengaruhi sifat tahan api bahan polimer karena bertindak sebagai penghalang yang akan memperlambat transfer panas, mencegah masuknya oksigen ke dalam polimer dan juga mencegah degradasi polimer. Senyawa yang meningkatkan pembentukan char, seperti oxynitride fosfor dan phospham, atau alkohol polifungsional, tepung dan turunan glukosa, telah menunjukkan sifat tahan api pada komposit polimer. Dalam beberapa kasus, fire retardant yang mengandung fosfor dapat berfungsi pada fase uap dengan menghasilkan radikal yang dapat memadamkan api.
3. Halogenated Fire Retardants
Untuk memahami mekanisme pemadaman api oleh senyawa terhalogenasi, maka harus diketahui dua reaksi berikut yang terjadi ketika polimer dengan fire
retardant dibakar:
1. RX → R' + X" dimana X adalah Cl atau Br 2. X' + RH → R' + HX
Pada dua reaksi di atas, RX adalah halogenated fire retardant dan RH adalah polymer. Dalam kondisi terbakar, halogenated fire retardant akan menghasilkan radikal halogen dan halogen akan bereaksi dengan polimer untuk membentuk radikal baru dan HX. HX akan memadamkan api dengan bereaksi dengan hidroksil atau hidrogen yang dihasilkan selama dekomposisi polimer. Walaupun material ini dapat memberikan fire retardant yang baik pada loading rendah.
2.5 PENGUJIAN / KARAKTERISASI KOMPOSIT