BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit Polimer
Komposit polimer adalah polimer yang berfungsi sebagai matrik (Gibson,1994). Adapun definisi dari komposit adalah bahan gabungan dua atau lebih yang terdiri dari komponen bahan utama (matriks) dan bahan rangka (reinforcement) atau penguat. (Ginting,2006)
Matriks berfungsi sebagai pengikat dari isian/ penguat tadi, dan jika dikenai beban ia akan terdeformasi dan mendistribusikan beban (tegangan) tadi keseluruh unsur-unsur isian penguat,dan berfungsi sebagai unsur penguat struktur komposit. Sedangkan material-material penguat pada umumnya merupakan unsur kekuatan komposit. Selain itu, material juga tahan terhadap panas, reaksi kimia, tahanan, atau konduktor listrik, dan sifat-sifat yang lain (Sulaiman,1997) Dan bahan rangka (penguat) yang sering digunakan adalah serat alam selulosa dan serat sintesis. (Ginting, 2006)
Adapun sifat maupun karakteristik dari komposit ditentukan oleh : a. Material yang menjadi penyusun komposit
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional.
b. Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun
Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit.
c. Interaksi antar penyusun
Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit. (A.W. Urquhart,1991)
Pada umumnya komposit unggul mempunyai sifat-sifat yang tidak dimiliki oleh kelompok material lain. Disamping itu, material komposit mempunyai keistimewaan yaitu mudah dibentuk sesuai dengan keinginan.
Pemilihan matriks (material dasar) umumnya ditentukan oleh kondisi fisik dan mekanik, tempat komposit tersebut akan digunakan.(Sulaiman,1997) Berikut adalah tabel 2.1 pertimbangan pemilihan komposit
Tabel 2.1. Pertimbangan Pemilihan Komposit
Alasan Digunakan Material yang Dipilih Aplikasi Ringan, kaku, kuat Boron, semua karbon /
grafit, dan beberapa jenis aramid
Peralatan militer
Tidak mempunyai nilai ekspansi termal
Karbon / grafit yang
mempunyai nilai modulus yang sangat tinggi
Untuk peralatan luar angkasa, contohnya sensor optik pada satelit
Tahan terhadap perubahan lingkungan
Fiber glass, vinyl ester, bisphenol A
Untuk tangki dan sistem perpipaan, tahan korosi dalam industri kimia (Sumber: Harper, 2002._Handbook of Plastics, Elastomers and Composites)
2.2 Polietilen (PE)
Polietilena adalah bahan termoplastik yang transparan, berwarna putih mempunyai titik leleh bervariasi antara 1100C-1370
PE (polietilen) adalah plastik yang sering digunakan untuk kepentingan komersial dan plastik ini sudah ada sejak tahun 1930. PE menjadi istimewa karena sifat-sifatnya yang menarik seperti murah, inert, sifat listriknya yang bagus, dan pemrosesannya mudah.
C. Umumnya polietilena bersifat resisten terhadap zat kimia. Pada suhu kamar, polietilena tidak larut dalam pelarut organik dan anorganik. (Bilmeyer, 1994)
Umumnya pengklasifikasian PE didasarkan pada densitas dan viskositas pelelehan atau indeks pelelehan. Ini menghasilkan high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (HDPE), linear low density polyethylene (LHDPE) dan cross-linked polyethylene (XLPE) (Charrier, 1989) Berikut tabel
Tabel 2.2. Karakteristik Polietilen
Sifat Fisik dan Mekanik HDPE Rantai Cabang HDPE
Berat jenis (g/cm3) 0,91-0,94 0,95-0,97 Titik leleh (0C) 105-115 135 Kekerasan 44-48 55-70 Kapasitas panas (kj kg-1 K-1 1,916 1,916 Regangan (%) 150-600 12-700 Tegangan Tarik (N mm-2) 15,2-78,6 17,9-33,1 Modulus tarik (N mm-2) 55,1-172 413-1034 Tegangan impak >16 0,8-14 Konstanta dielektrik 2,28 2,32 Resitivitas (Ohm cm) 6 × 1015 6 × 105
2.2.1 Polietilen High Density Polyethylene (HDPE)
HDPE adalah polimer termoplastik linear yang dibuat dari monomer etilen dengan proses katalitik. HDPE dengan sedikit cabang menghasilkan struktur yang lebih rapat/terjejal dengan densitas yang lebih tinggi dan mempunyai ketahanan kimia yang lebih tinggi daripada HDPE. HDPE juga lebih kuat dan lebih tahan terhadap temperatur yang lebih tinggi. Banyak yang memilih HDPE dalam penelitian karena mempunyai kelebihan dibandingkan dengan HDPE. Parameter kinetik oksidasi pada 170 °C dalam oksigen, yang dihitung dari data luminisensi kimia, menunjukkan bahwa urutan kestabilan polietilen adalah HDPE > LHDPE > HDPE >> i-PE.
Kebanyakan aplikasi HDPE dipadukan dengan zat aditif yang diperlukan untuk memperbaiki sifat-sifat HDPE. Bahan aditif tersebut berupa zat-zat dengan berat molekul rendah yang dapat berfungsi sebagai filler, pewarna, antioksidan, penyerap sinar ultraviolet, anti lekat dan lain-lain. (Ni’mah,dkk., 2009)
Pada polietilen jenis low density terdapat sedikit cabang pada rantai antara molekulnya yang menyebabkan plastik ini memiliki densitas yang rendah, sedangkan high density mempunyai jumlah rantai cabang yang lebih sedikit
dibanding jenis low density, hal ini dikarenakan pemilhan jenis katalis dalam produksinya (katalis Ziegler-Natta) dan kondisi reaksi.
Dengan demikian, high density memiliki sifat bahan yang lebih kuat, keras, buram dan lebih tahan terhadap temperatur tinggi(120oC). Ikatan hidrogen antar molekul juga berperan dalam menentukan titik leleh plastik. Membutuhkan 1,75 kg minyak bumi (sebagai energi dan bahan baku) untuk membuat 1 kg HDPE. HDPE dapat didaur ulang, dan memiliki nomor 2 pada simbol daur ulang. Dapat dilihat pada gambar 2.1. Simbol HDPE
Gambar 2.1. Simbol HDPE
HDPE (high density polyethylene) mempuyai densitas 950 kg/m3
Besar kekuatan tarik, kekuatan tekan dan kekuatan lentur bahan polimer dapat dilihat dari tabel 2.3 berikut ini.
yang biasa dan sering dipakai untuk jerigen minyak pelumas, botol susu yang berwarna putih susu, kursi lipat, dan lain-lain. Hasil tarik plastik HDPE memiliki sifat keras, bahan mempuyai urutan kekuatan tarik ke dua setelah kekuatan tarik plastik PET, dibandingkan dengan Bahan PE dan HDPE, plastik HDPE lebih kuat tetapi ditinjau dari hasil pengukuran regangannya plastik HDPE sangat kecil, hal ini menunjukkan elastisitas HDPE sangat rendah atau cenderung getas (britle).
Tabel 2.3. Kekuatan Tarik, Tekan dan Lentur Bahan Polimer
Polietilena Kekuatan Tarik (MPa) Perpanjangan (%) Modulus Elastisitas (MPa) Kekuatan Tekan (MPa) Kekuatan Lentur (MPa) Polietilena Massa Jenis 21-38 15-100 4-10 22 7
Tinggi
(HDPE)
2.2.2 Karakteristik HDPE
Pada polietilen jenis low density terdapat sedikit cabang pada rantai antara molekulnya yang menyebabkan plastik ini memiliki densitas yang rendah, sedangkan high density mempunyai jumlah rantai cabang yang lebih sedikit dibanding jenis low density. Berikut Tabel 2.4, dan 2.5 tentang karakteristik HDPE dan sifat fisika, kimia, mekanika HDPE.
Tabel 2.4. Karakteristik HDPE dan sifat fisika, kimia HDPE
Parameter Keterangan
Nama Kimia High Density Polyethylen
Trade Name HDPE
Sinonim Polyethylen Rumus Molekul (C2H4) Fisik n Padat Melting Point 100-1350C / 212-2750F
Spesific Gravity (at 200 (water = 1)
C)
0,94-0,958
Tabel 2.5. Sifat Fisika Dan Mekanika HDPE Sifat fisika dan mekanik HDPE rantai Lurus
Titik leleh 125-1300C Derajat kristalinitas 85-95 % Berat jenis 0,95-0,96 Titik lunak 1240 Kekuatan tarik C 245 kgf/cm Perpanjangan 2 100 % (Sitepu,I.W., 2009)
2.3 Bahan Pengisi
Bahan Pengisi adalah suatu aditif padat yang ditambahkan ke dalam matrik polimer untuk meningkatkan sifat-sifat bahan, pengisi fungsional menghasilkan peningkatan spesifik dalam sifat mekanik dan sifat fisis. Perlakuan dari bahan pengisi memungkin menjadi pendukung beberapa mekanisme beberapa pengisi membentuk ikatan kimia dengan materik sebagai penguat; sebagai contoh, karbon hitam menghasilkan ikatan silang didalam elastomers dengan memakai reaksi radikal (Ketan, 2002). Berikut adalah pengelompokan bahan pengisi pada Tabel 2.6.
Tabel 2.6. Pengelompokan Bahan Pengisi
Tipe Organik Anorganik
Berserat Tepung kayu, kapas,
selulosa kayu murni
Asbestos, serat kaca
Tidak berserat Karbon hitam, grafit, serbuk gabus
Silika, kalsium karbonat, kalsium silikat, mika, barium sulfat, tanah liat
(Siagian, K.A., 2009)
Beberapa penelitian telah menunjukan bahan pengisi mempunyai peranan penting dalam memodifikasi sifat-sifat dari berbagai bahan polimer sebagai contoh, dengan cara menambahkan pengisi akan meningkatkan sifat mekanik, elektrik, termal, optik dan sifat-sifat pemrosesan dari polimer, sementara dapat juga mengurangi biaya produksi . Peningkatan sifat –sifat tergantung pada banyak faktor-faktor termasuk aspek rasio dari bahan pengisi, derajat disprsi dan orientasi dalam matriks, dan adhesi pada interface matriks - bahan pengisi (Cho dan Paul, 2000, Premphet dan Horanont, 1999). Partikel-partikel inorganik untuk bahan pengisi polimer telah digunakan secara luas oleh karena pada umumnya lebih murah dalam pembiayaan. Bahan pengisi yang sering digunakan adalah, fiber
glass, mika, talk, SiO₂ dan CaCO₃ biasanya membentuk mikro komposit dengan
peningkatan sifat-sifat
Berbagai jenis pengisi digunakan dalam polimer alam dan polimer sintetik adalah untuk memperbaiki dan meningkatkan sifat-sifat fisik bahan. Penambahan
pengisi bertujuan mengurangkan biaya, mewarnai, menguatkan, atau mengukuhkan bahan polimer. Secara umumnya, keupayaan penguatan sesuatu pengisi dipengaruhi oleh tiga ciri yang utama yaitu ukuran partikel dan luas permukaan, bentuk dan struktur permukaan serta aktivitas dan sifat-sifat kimia permukaan. Pengisi penguat pada umumnya mempunyai ukuran partikel yang kecil, permukaan yang aktif secara kimia, permukaan yang memiliki pori dan bentuk yang tidak seragam dapat meningkatkan adhesi).
Peningkatan sifat fisik bahan polimer dikaitkan dengan ukuran partikel pengisi. Contohnya, tegangan dan modulus polimer berpengisi bergantung kepada ukuran partikel. Ukuran partikel pengisi yang kecil meningkatkan darajat penguatan polimer berbanding dengan ukuran partikel yang besar. Ukuran partikel mempunyai hubungan secara langsung dengan luas permukaan persatuan massa bahan pengisi. Oleh itu, ukuran partikel yang kecil menyediakan luas permukaan yang besar bagi interaksi di antara polimer matrik dan bahan pengisi, seterusnya meningkatkan penguatan bahan polimer.secara umum, semakin kecil ukuran partikel semakin tinggi interaksi antara bahan pengisi dan matrik polimer. Kohls & Beaucage (2002) melaporkan jumlah luas permukaan dapat ditingkatkan dengan adanya permukaan yang berpori pada permukaan pengisi. Dimungkinkan bahwa polimer dapat menembus masuk ke dalam permukaan yang berpori ketika proses pencampuran. Selain dari luas permukaan, kehomogen sebaran partikel dalam matriks polimer juga penting bagi menentukan kekuatan interaksi di antara pengisi dan matriks polimer.
Partikel yang terserak secara homogen meningkatkan interaksi melalui penjerapan polimer di atas permukaan bahan pengisi. Sebaliknya, partikel yang tidak tersebar secara homogen memungkin menghasilkan aglomerat atau penggumpalan di dalam matriks polimer. Wujud aglomerat atau penggumpalan akan megurangi luas permukaan seterusnya melemahkan interaksi di antara pengisi dan matriks dan mengakibatkan penurunan sifat fisik bahan polimer.
Bentonit adalah clay yang sebagian besar terdiri dari montmorillonit dengan mineral-mineral seperti kwarsa, kalsit, dolomit, feldspars, dan mineral lainnya. Montmorillonit merupakan bagian dari kelompok smectit dengan komposisi kimia secara umum (Mg,Ca)O.Al2O3.5SiO2.nH2O. Nama monmorilonit itu sendiri berasal dari Perancis pada tahun 1847 untuk penamaan sejenis lempung yang terdapat di Monmorilon Prancis yang dipublikasikan pada tahun (1853 – 1856).
Mineral monmorillonit terdiri dari partikel yang sangat kecil sehingga hanya dapat diketahui melalui studi mengunakan XRD (X-Ray Difraction). Lempung merupakan komponen salah satu komponen tanah yang tersusun atas senyawa alumina slikat dengan ukuran partikel yang lebih kecil dari 2nm, struktur dasar merupakan filoslikat atau lapisan slikat yang terdiri ari lembaran tetrahedral silisiun- oksigan dan lembaran oktahedral aluminium - oksigen hidroksida.
Bentonit alam merupakan alumina slikat terhidrasi dengan unsur utama yang terdiri dari kation alkali dan alkali tanah dari senyawa yang dikandung nya Bentonit berarti Tanah liat yang mengadung senyawa hidrat alumiino slikat dengan unsur – unsur utama alkali tanah dan mempunyai sifat penukaran ion serta kemampuan absopsi yang tinggi. Sehingga mineral bentonit terdiri dari beberapa jenis mineral, berstuktur tiga dimensi dan mempunyai pori yang dapat diisi oleh molekul air.
Bentonit mempunyai potensi untuk di kembangkan pemanfaatannya menjadi bahan unggulan yang bernilai komunitas tinggi, baik dalam bidang industri (Farmasi, Kosmetik, Katalis, dan cat) agrobisnis maupun lingkungan selain dari penggunaannya di bidang pertanian, perternakan, perikanan, proses pencernihan air, penyerap logam – logam berat dan diterjen, gambar bentonit alam pahae
Gambar 2.2 Bentonit alam pahae
Berdasarkan kandungan alumino silikat hidrat yang terdapat dalam bentonit, maka bentonit tersebut dapat dibagi menjadi dua golongan :
a. Activated clay, merupakan lempung yang mempunyai daya pemucatan yang rendah.
b. Fuller’s earth, merupakan lempung yang secara alami mempunyai sifat daya serap terhadap zat warna pada minyak, lemak, dan pelumas.
Berdasarkan tipenya, bentonit dibagi menjadi dua, yaitu : 1. Na-bentonit
Na bentonit memiliki daya mengembang hingga delapan kali apabila dicelupkan ke dalam air, dan tetap terdispersi beberapa waktu di dalam air. Dalam keadaan kering berwarna putih atau kream, pada keadaan basah dan terkena sinar matahari akan berwarna mengkilap. Suspensi koloidal mempunyai pH: 8,5-9,8. 2. Ca-bentonit
Tipe bentonit ini kurang mengembang apabila dicelupkan ke dalam air, tetapi secara alami setelah diaktifkan mempunyai sifat menghisap yang baik. Suspensi koloidal mempunyai pH: 4-7. Dalam keadaan kering berwarna abu-abu, biru, kuning, merah, coklat. Na-bentonit dimanfaatkan sebagai bahan perekat, pengisi, lampur bor, sesuai sifatnya mampu membentuk suspensi koloidal setelah bercampur dengan air. Sedangkan Ca-bentonit banyak dipakai sebagai bahan penyerap. Bentonit disajikan dalam Tabel 2.7:
Tabel 2.7. Perbedaan sifat Na-Bentonit dan Ca-Bentonit
No Sifat fisik Na-Bentonit Ca-Bentonit
1 Daya mengembang Sangat baik Tidak baik
2 Kekuatan dalam keadaan basa Sedang Tinggi
3 Perkembangan daya ikat Sedang Cepat
4 Kekuatan tekan tinggi Sedang
6 Daya mengalirkan pasir Sedang Sangat baik 7 Warna dalam keadaan kering Putih atau Kerem Abu-abu,
biru,kuning,merah atau coklat
8 Perbandingan Na dan Ca Tinggi Rendah
9 pH supensi koloidal 8,5 – 9,8 4 -7
2.5 Komposisi bentonit alam pahae
Bentonit merupakan suatu kelompok mineral yang dihasilkan dari proses hidrotermal pada batuan baku basa, mineral ini biasanya dinjumpai mengisih celah-celah ataupun rekatan dari batuan tersebut, selain itu bentonit juga merupakan endapan dari aktivitas vulkanik yang banyak mengadung unsur slikat. Adapun Komposis bentonit alam pahae adalah sebagai berikut:
Tabel 2.8. Komposisi bentonit Alam pahae
Komposis Kimia - CaO, MgO, Al2O3, Fe2O3, Sio2, K2O, TiO
- SiO2 = 60,18% - Al2O3 = 14,25 %
Sifat fisik - Warna hijau kebiru-biruan, putih, dan coklat - Kekerasan 1-2
- Endapan Berlapis
Kegunaan - Bahan banggunan dan ornament
- Semen pozzolan, dan bahan agregat ringgan - Bahan pengembang dan pengisih pasta gigi
- Bahan pencernih air - Campuran makanan ternak
Keterdapatan Kecamatan Pahae, tapanuli utara Cadangan +/- 6000.000 Ton
Sumber: (Distampropus, 2004)
2.5.1 Struktur Bentonit
Bentonit mengandung mineral montmorillonite atau dikenal dengan mineral phyllosilicate 2:1 artinya silikat yang berbentuk lembaran yang strukturnya terdiri dari lapisan oktahedral yang disusun oleh Al(O,OH). Sedangkan kedua sisi lapisan oktahedral ini diapit oleh 2 (dua) lapisan tetrahedral yang disusun oleh Si(O,OH). Dengan adanya substitusi unsur dengan bilangan oksidasi lebih rendah, seperti; Si4+
digantikan dengan Al3+ (dalam lapisan tetrahedral) atau Al3+ digantikan dengan Mg2+ atau Fe2+ (dalamlapisan oktahedral) maka strukturnya bermuatan negatif secara permanen. Untuk mengimbangi muatan negatif ini, bahan ini mengikat kation-kation lain seperti kation monovalensi (Na+,K+,H+) dan kation divalensi(Ca2+
dan Mg2+
).
Kation-kation ini terikat secara longgar dan dapat dipertukarkan dengan kation-kation lain.
Kemampuan pertukaran ion dari bentonit ini bergantung pada jenis dan kuantitas dari kation-kation pengimbang ini, faktor lain seperti bentuk kisi kristal dapat juga mempengaruhi meskipun nilainya rendah (Alemder, 2005). Dengan rumus kimia bentonit adalah (Mg, Ca) xAl2O
3. ySiO2. n H2O dengan nilai n
sekitar 8, x,y adalah nilai perbandingan antara Al2O3. dan SiO2, dan ( Mg, Ca ) adalah M,. Fragmen sisa bentonit umumnya terdiri dari campuran kristoballit, feldspar, kalsit, gipsum, kaolinit, plagioklas.
Setiap struktur kristal bentonit mempunyai tiga lapisan yaitu lapisan oktahedral dari alumunium dan oksigen yang terletak antara dua lapisan tetrahedral dari silikon dan oksigen. Penyusun terbesar bentonit adalah silikat dengan oksida utama SiO2 (silika) dan Al2O3 (aluminat) yang terikat pada molekul air. Penggabungan pada satu lapisan tetrahedral silika dengan satu lapisan oktahedral alumina membentuk dua lapisan silika-alumina (Alemder,2005).
Gambar 2.3 Struktur Bentonit
Adanya atom-atom yang terikat pada masing-masing lapisan struktur montmorillonit memungkinkan air atau molekul lain masuk di antara unit lapisan. Akibatnya kisi akan membesar pada arah vertikal. Selain itu karena adanya pergantian atom Si oleh Al menyebabkan terjadinya penyebaran muatan negatif pada permukaan bentonit.
2.5.2 Sifat Fisik dan Kimia Bentonit
Dalam keadaan kering bentonit mempunyai sifat fisik berupa partikel butiran yang halus berbentuk rekahan-rekahan atau serpihan yang khas seperti tekstur pecah kaca (concoidal fracture), kilap lilin, lunak, plastis, berwarna kuning muda hingga abu-abu, bila lapuk berwarna coklat kekuningan, kuning merah atau coklat, bila diraba terasa licin, dan bila dimasukan ke dalam air akan menghisap air
A. Sifat fisik benonit
Sifat fisik bentonit yang sangat penting adalah sebagai Kapasitas Tukar Ion (KTK), daya luas permukaan, Reologi sifat mengikat dan melapas serta palstisitas
a) Kapasitas Tukar Ion
Sifat ini buntuk menentukan jumlah kadar air yang terseraf dalam bentonit (dalam hal ini mineral monmorollonit) dalam keseimbangan reaksi kimia, ini terjadi karena struktur kisi-kisi kristal mineral monmollonit serta adanya unsur (ion atau kation) yang mudah terbuka dan menarik air, kation atau ion Na mempunyai daya seraf air yang lebih baik dari ion lainya seperti: Mg,Ca, K
dan H dengan demikian maka bentonit yang dimasukkan dalam air akan menggembang dan akan membentuk larutan koloid, bila air tersebut di keluarkan dari larutan koloid tersebut maka akan terbentuk suatu massa, liat, keras dan tidak tembus air serta bersifat lembut atau tahan terhadap reaksi kimia, sifat ii di terapkan dalam pemboran dan teknik sipil
b) Luas permukaan
Yang dimaksud dengan luas permukaan adalah jumlah jumlah kristal atau butir-burir bentonit dinyatakan dalam m/gram, sifat ini sangat penting karena semakin besar jumlah luas permukaan, makin banyak zat kimia yang dapat terbawa (melekat) atau makin sempurna pori-pori yang dapat tersisa, sifat ini dimanfaatkan dalam industri kimia misalnya sebagakatals, pembawa racun dan jamur serta digunakan sebagai bahan pengisi dan pengembangannya di dalam industri kertas, cat dan lain sebagainya.
c) Daya serap
Sifat ini di sebabkan oleh ketidak seimbangan muatan listrik dalam ion serta adanya pertukaran ion, dalam mineral lempung daya seraf terjadi pada ujung dan permukaan kristal serta ruang diantara kation butir lampung, bentonitt mempunyai sifat mengadsorbsi karena ukuran partikel koloidnya sangat kecil mempunyai kapasitas pertukatan ion yang angat tinggi.
Daya seraf bentonit ini dapat dibangkitkan dengan penambahan larutan atau denga istilah yang sering kita pakai dengan cara aktifitas, bentonit digunakan sebagai bahan penyeraf dalam dua keadaan yaitu dalam keadaan basa (supensi) dan keadaan kering (bubuk).
Tabel 2.9 Karakterisasi Bentonit
Karakterisasi Nilai
Massa jenis 2,2 – 2,8 gram/ L Massa molekul relatif 549,07 gram/ L
Titik leleh 1330 – 1430 C
B. Sifat- sifat kimia
Bentonit mineral yang memiliki gugus aluminoslikat unsur-unsur kimia yang terkandung di dalam bentonit diperlihatkan pada Tabel 2.10
Tabel 2.10 Komposisi kimia
Senyawa Na- Bentonit (% ) Ca-Bentonit (% )
SiO2 61,3-61,4 62,12 Al2O3 19,8 17,33 Fe2O3 3,9 5,30 CaO 0,6 3,68 MgO 1,3 3,30 Na2O 2,2 0,50 K2O 0,4 0,55 H2O 7,2 7,22
