SIFAT TAHAN API DAN KEKUATAN BENDING KOMPOSIT
GEOPOLIMER: ANALISIS PEMILIHAN JENIS PARTIKEL
GEOMATERIAL
Kuncoro Diharjo1,∗, Agus Purwanto1, Syah Johan A. Nasir2, Bagus Hayatul Jihad3, Yudit Cahyantoro N Saputro4, Kaleb Priyanto4, Albert Raga Andika5,
Roy Aries P Tarigan5, Suryo Adiputro5, dan Ischiadica Elharomy5 1Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS
2
Sentra Teknologi Polimer BPPT 3Pusat Pengembangan Roket LAPAN 4Mahasiswa S2 Teknik Mesin Pascasarjana UNS 5Mahasiswa S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS
∗
e-Mail: kuncorodiharjo@uns.ac.id Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Paper ini bertujuan untuk melakukan analisis pemilihan jenis partikel terbaik untuk pembuatan komposit geopolimer yang memiliki ketahanan api dan kekuatan mekanik yang tinggi. Bahan geomaterial yang digunakan meliputi montmorillonit genteng Sokka, fly ash,clay lokal boyolali dan nano-silika sebagai pembanding, sedangkan resin yang digunakan adalah phenolic tipe LP-1Q-EX. Material geopolimer dilakukan karakterisasi dengan SEM dan XRF. Pencampuran phenolic, promoter P-EX, hardener MEKPO dan partikel dilakukan pada putaran 50 rpm selama 2-5 menit. Pembuatan spesimen uji komposit dilakukan dengan metode cetak tekan.Spesimen komposit geopolimer ini dilakukan pengujian bakar (time of burning dan rate of burning) dan pengujian four point bending, serta penampang patahannya di analisa dengan SEM. Partikel fly ash berbentuk bulat dan partikel serbuk genteng Sokka berbentuk campuran bulat dengan amorf, serta partikel clay lokal Boyolali bebentuk amorf ser-pih. Komposit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit geopolimer lainnya, namun ketahanan bakarnya paling rendah. Komposit yang memiliki ketahanan bakar (time of burning dan rate of burning) paling baik adalah MMt-GS/phenolic, dan kekuatan bendingnya lebih tinggi dari FA/phenolic dan clay/phenolic.
Kata Kunci: Time of burning, rate of burning, bending, phenolic, geomaterial
I.
PENDAHULUAN
Pada tahun 1979, Davidovits pertama kali mem-perkenalkan istilah ”geopolymer” untuk menunjuk ke-las baru bahan alumino-silicate. Geopolimer telah menarik minat para ilmuwan karena memiliki sifat mekanik dan sifat termal yang sangat baik. Geopolimer juga memiliki kepadatan rendah, biaya proses rendah, serta ketahanan kimia dan api. Thang dkk melakukan penelitian dan investigasi dengan membandingkan pe-ngaruh alumina (Al2O3) nanofibres aditif pada
keku-atan lentur (f), modulus lentur (Ef) dan deformasi re-latif (A) dari komposit geopolimer. Penambahan Al2O3
nanofibre 1.0% fraksi berat menghasilkan kekuatan lentur dan modulis lentur tertinggi.[1]
Teknologi komposit geopolimer mulai memasuki wilayah baru yang lebih luas dan memberi kon-tribusi yang lebih besar pada dunia transportasi, yakni
material komponen kendaraan yang rawan terhadap api/suhu tinggi dan goncangan berat, termasuk un-tuk material roket. Konsep dasar pembuatan komposit geopolimer adalah pencampuran polimer dengan lem-pung/ batuan alam, yang mengandung oksida silika (SiO2) dan oksida alumina (Al2O3) dalam jumlah
be-sar. Optimalisasi sifat tahan apinya juga dapat dilaku-kan menggunadilaku-kan polimer yang mengandung flame re-tardant (seperti phenolic).
Hasil penelitian yang dilakukan oleh Cornell Univer-sity/ National Institute of Standards and Technology (NIST) menunjukkan bahwa komposit plastik-lempung dengan komposisi 90% : 10% (w/w), dapat mem-pertahankan diri dari kerusakan akibat pembakaran api sebesar 60 – 80 %. Di samping itu, karakteristik mekanik-dinamiknya juga meningkat pesat dibanding-kan sebelumnya tanpa penambahan lempung.
Geomaterial lempung MMt (Montmorillonite) adalah segumpal tanah liat yang plastis dan mudah dibentuk. Unsur penyusun utama lempung MMt adalah silica (SiO2) dan alumina (Al2O3). Kandungan
silica dan alumina memberikan sifat tahan api yang
baik pada lempung MMt. Lempung MMt
mem-punyai kemampuan mengabsorbsi tinggi, memiliki sifat liat yang tinggi, berkerut jika dikeringkan dan butir-butirnya berkeping halus.[2]
Limbah FA (fly ash) didominasi oleh SiO2(48%) dan
Al2O3(32%). Semakin kecil partikel FA, semakin besar
kekuatan komposit GeCo. Kekuatan bending tertinggi komposit GeCo (Geopolymer Composite) FA-poliester diperoleh pada kandungan 40% FA (w/w). Hingga 60% FA, kekuatan tarik GeCo juga meningkat seiring dengan peningkatan kandungan FA.[3]
Sebagai bagian dari program untuk mengem-bangkan struktur tahan api eksterior komposit un-tuk subsonik masa depan pesawat komersial, peneli-tian ini menyelidiki resin epoxy tahan api. Epoxy yang mengandung fosfor disintesis dan digunakan un-tuk mempersiapkan epoxy formulasi. Fosfor meru-pakan inti dari epoxy resin dan tidak digunakan se-bagai aditif. Epoxy dihasilkan ditandai dengan termo-gravimetri analisis, propana burner test analysis, unsur dan kalorimetri pembakaran mikro. Beberapa formu-lasi menunjukkan ketahanan api yang sangat baik de-ngan isi fosfor serendah 1,5% berat total[4]
Paper ini bertujuan untuk melakukan analisis pemil-ihan jenis partikel terbaik untuk pembuatan komposit geopolimer yang memiliki ketahanan api dan kekuatan mekanik yang tinggi.
II.
METODOLOGI
A. Material dan Karakterisasi
Bahan resin phenolic adalah resin poliester bisfeno-lik dengan merek dagang Yukalac LP-1Q-EX, yangR diperoleh dari PT. Justus Kimia Raya Indonesia. Bahan partikel yang digunakan meliputi fly ash (dari PLTU Paiton, PT. Pembangkit Jawa-Bali (PT. PBJ) Probolinggo Jawa Timur), montmorillonite serbuk genteng Sokka (MMt-GS) dari PT. Agung Pratama Sokka Kebumen, Clay lokal dari Kabupaten Boyolali, dan nano-silica tipe hydrophobic yang diperoleh dari Xiushan Longfei New Materials Co. Ltd.
Bahan partikel FA, MMt-GS dan Clay lokal dilaku-kan karakterisasi dengan pengujian SEM dan XRF, un-tuk mengetahui kandungan senyawa di dalamnya dan mengetahui bentuk partikelnya. Untuk mengetahui waktu penguapan air yang terikat, partikel geomate-rial dilakukan karakterisasi pengeringan dengan meng-gunakan Moisture Analyzer pada suhu 105 ◦C sesuai
ASTM D-2216 dan Instruction Maual of Moisture An-alyzer (A &D Company Limited). Dari hasil ini maka dapat ditentukan suhu dan waktu pengeringan yang
sesuai untuk menguapkan uap air yang terikat. B. Pembuatan Spesimen
Pembuatan spesimen dimulai dengan penimbangan massa resin dan partikel dengan menggunakan timban-gan digital. Pencampuran awal dilakukan antara phe-nolic dengan promoter P-EX dan diaduk putaran 50 rpm selama 2-5 menit (German, 1994). Campuran terse-but ditambah hardener MEKPO dan diaduk kembali seperti di atas. Komposisi perbandingan volume an-tara resin phenolic : promoter P-EX : hardener MEKPO = 100 : 0,5 : 2. Selanjutnya, campuran resin phenolic tersebut diberi partikel (FA atau MMt-GS atau clay) dan diaduk kembali hingga campuran merata. Campuran tersebut dituangkan di dalam cetakan spesimen yang dibuat dari kaca dan dilakukan penekanan secara man-ual.
Spesimen dapat diambil dari cetakan setelah mengeras selama sekitar 1-2 jam. Lembaran spesimen komposit tersebut dibersihkan dan di-finishing dengan menggunakan menggunakan mesin poles. Spesimen yang sudah sesuai ukurannya dilakukan proses post curing di dalam oven pada suhu 100 ◦C selama 1
jam (Technical data Sheet Phenolic Resin, Showa Highpolymer Co. LTD, Japan).
C. Pengujian
Pengujian bakar dilakukan dengan menggunakan alat uji Rate of burning sesuai dengan ASTM D-635. Pe-ngujian dilakukan dengan metode uji rate of burning dan time of burning pada posisi sampel horisontal dan miring 45◦. Posisi tabung pembakaran juga miring
45◦ mengarah pada ujung spesimen uji. Bahan bakar
yang digunakan adalah gas metana dan tinggi api yang disyaratkan 20 mm dan jarak terdekat ujung burner de-ngan spesimen adalah 2 mm.
Pengamatan yang dilakukan meliputi pengamatan waktu penyalaan (time of burning) dan laju pem-bakaran (rate of burning) sepanjang 75 mm.
Pengujian mekanis yang dilakukan adalah uji four point bending, sesuai dengan ASTM D-6272.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Karakterisasi Material
Berdasarkan hasil uji pengeringan partikel FA, MMt, dan clay lokal maka suhu dan waktu pemanasan yang harus dilakukan adalah pemanasan selama 45 menit pada suhu 105◦C. Kadar air pada partikel setelah pe-manasan adalah berkisar antara 0-5%.
Hasil pengujian XRF ketiga bahan geomaterial pada tabel 1 menunjukkan bahwa SiO2 dan Al2O3
meru-pakan senyawa yang paling dominan dengan kon-sentrasi kandungan sebesar 61,76% – 75,77%. Hasil ini meyakinkan bahwa ketiga bahan tersebut meru-pakan bahan geomaterial yang mampu meningkat-kan ketahanan termal dan kekuatan bahan komposit
TABEL1: Kandungan unsur utama geomaterial berdasarkan hasil
uji XRF
Fly Ash MMt-GS Clay Lokal
Unsur Kadar Unsur Kadar Unsur Kadar
SiO2 41,96 SiO2 54,59 SiO2 56,93
Al2O3 19,80 Al2O3 19,62 Al2O3 18,84
Fe2O3 17,69 Fe2O3 13,30 Fe2O3 9,95
CaO 9,20 CaO 3,55 CaO 3,97
MgO 5,42 MgO 3,03 K2O 2,82
K2O 1,98 K2O 2,25 MgO 2,69
TiO2 1,47 TiO2 1,40 SO3 2,09
SO3 0,91 P2O5 0,69 TiO2 1,22
P2O5 0,45 SO3 0,37 P2O5 0,56
geopolimer. Unsur lain yang terkandung juga memi-liki fungsi meningkatkan tahan panas dan kekuatan mekanik, seperti CaO, MgO, K2O dan TiO2.
Secara umum, peningkatan kandungan partikel hingga 60% (v/v) mampu meningkatkan ketahanan komposit geopolimer terhadap waktu penyalaan (GAM
-BAR2a). Secara berurutan, komposit geopolimer yang memiliki sifat waktu penyalaan terbaik adalah MMt/Phenolic > Clay/Phenolic > fly-ash/phenolic > nano-silica/phenolic.
Hasil karakterisasi bentuk partikel dengan SEM me-nunjukkan bahwa partikel fly ash berbentuk bulat dengan diameter terbesar sekitar 4 µm (GAMBAR1a). MMt-GS memiliki kombinasi partikel berbentuk amorf dan bulat berdiameter sekitar 4 µm seperti flay ash (GAMBAR1b). Partikel MMt ini menunjukkan sifat mu-dah ter-aglomerasi. Untuk clay lokal dari Boyolali, par-tikelnya berbentuk amorf (GAMBAR1c).
B. Sifat Tahan Bakar
Secara umum, peningkatan kandungan partikel hingga 60% (v/v) mampu meningkatkan ketahanan komposit geopolimer terhadap waktu penyalaan (GAM
-BAR2a). Secara berurutan, komposit geopolimer yang memiliki sifat waktu penyalaan terbaik adalah MMt/Phenolic > Clay/Phenolic > fly-ash/phenolic > nano-silica/phenolic.
Pada komposit MMT-SGS/Phenolic, kandungan senyawa utama SiO2dan Al2O3yang tinggi secara
ny-ata mampu menghasilkan komposit dengan ketahanan waktu penyalaan terbaik (paling lama). Senyawa yang lebih berpengaruh terhadap sifat tahan api ini adalah Al2O3. Pada MMt, kandungan Al2O3 dengan
kon-sentrasi 19,62% dan dukungan konkon-sentrasi SiO2 yang
tinggi (54,59%) mampu memberikan sifat tahan api komposit yang terbaik.
Hasil uji rate of burning (laju pembakaran) komposit geopolimer menunjukkan karakteristik yang mirip de-ngan hasil uji waktu penyalaan (time of burning). Kom-posit geopolimer dengan partikel MMt, FA dan clay
a. Partikel fly ash
b. Partikel MMt-GS
c. Clay lokal boyolali
a. Kurva waktu penyalaan
b. Kurva laju pembakaran
GAMBAR2: Kurva ketahanan bakar komposit geopolimer
lokal memiliki kurva laju pembakaran yang berimpi-tan. Hal ini juga sangat rasional karena komposit terse-but memiliki partikel (MMt, FA, clay) yang kandungan SiO2dan Al2O3yang hampir sama.
Pada komposit nano-silica/phenolic, kurva laju pembakarannya berada di atas (lebih tinggi nilainya) dibandingkan dengan komposit phenolic dengan par-tikel MMt, FA dan clay lokal. Hal ini terjadi karena pada serbuk nano-silica cenderung berupa silika murni dan tanpa Al2O3. Padahal, senyawa Al2O3memiliki fungsi
utama sebagai material anti api. Dengan tanpa senyawa Al2O3maka komposit tersebut akan menjadi lebih
mu-dah terbakar.
C. Kekuatan Bending
Hasil pengujian bending menunjukkan bahwa kom-posit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan yang lebih baik dibandingkan dengan komposit geopolimer yang lain. Kekuatan tertinggi dicapai pada kandungan
nano-silika 30% (v/v). Hal ini sesuai dengan kaidah ilmiah bahan komposit dimana semakin kecil par-tikel dan semakin bulat bentuk parpar-tikel maka keku-atan mekanis komposit partikel tersebut akan semakin tinggi.
GAMBAR3: Kurva kekuatan bending komposit geopolimer
Komposit FA/phenolic dan MMt-GS/phenolic memiliki kekuatan tertinggi pada kandungan partikel 40%. Secara umum, kedua komposit tersebut memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit clay/phenolic. Hal ini juga dipengaruhi oleh bentuk partikel FA dan MMt yang bulat dan ukuran partikel yang lebih kecil.
Kandungan partikel yang semakin besar ditunjuk-kan oleh jumlah partikel di permukaan patahan yang lebih banyak (GAMBAR4). Pada kandungan partikel yang lebih besar, tingkat homogenitas campuran antara MMt dengan phenolic juga semakin merata. Hal ini memberikan kepastian akan kevalidan data yang lebih akurat pada kandungan partikel yang lebih besar.
Pada daerah interface antara partikel dengan resin tidak menunjukkan adanya pengelupasan partikel oleh resin. Jadi, partikel dengan resin diikat dengan kuat oleh resin. Hal ini juga menunjukkan bahwa proses pengeringan partikel sebelum dicampur dengan resin sudah dilakukan dengan baik. Namun, penyebaran partikel juga kurang merata (ada yang besar dan ke-cil). Hal ini dapat disebabkan oleh bentuk partikel MMt yang amorf dan cenderung berbentuk serpih.
Hasil SEM penampang patahan komposit nano-silica/phenolic tidak menunjukkan dengan jelas mate-rial nano silika, baik dengan kandungan partikel 30% maupun 60%. Hal ini disebabkan oleh ukuran par-tikel yang sangat kecil (berukuran nano), pencampu-ran yang lebih homogen (tidak ada yang mengumpul/ menggumpal) dan pembasahan oleh resin yang sem-purna. Namun material nano-silika juga tampak ada
a. Vf = 20%, MMt-Phenolic
b. Vf = 40%, MMt-Phenolic
GAMBAR 4: SEM penampang patahan komposit MMT-GS/Phenolic
dalam kondiri terbungkus resin. Dari hasil pengamatan ini meyakinkan bahwa pada ukuran partikel yang lebih kecil maka proses pembasahan oleh resin akan semakin sempurna.
a. Vf = 30%, nanosilica-Phenolic
b. Vf = 60%, nanosilica-Phenolic
GAMBAR 5: SEM penampang patahan komposit nano-silica/Phenolic
IV.
KESIMPULAN
Partikel fly ash berbentuk bulat dan partikel ser-buk genteng Sokka berbentuk campuran bulat dengan amorf, serta partikel clay lokal Boyolali bebentuk amorf serpih.
Komposit nano-silica/phenolic memiliki keku-atan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit geopolimer lainnya, namun ketahanan bakarnya paling rendah. Komposit yang memiliki ketahanan bakar (time of burning dan rate of burning) paling baik adalah MMt-GS/phenolic, dan kekuatan bendingnya
lebih tinggi dari FA/phenolic dan clay/phenolic.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Thang,X.N., Kroisova,D., Louda,P., Bortnovsky, O,. (2010); Microstructure and Flexural Properties of Geopolymer Matrix-Fibre Reinforced Composite With Additive of Alumina (Al2O3) Nanofibre,
In-ternational conference 7th –TEXSCI, Czech Repub-lic.
[2] Roy A.P., (1998): Penentuan Jenis Mineral Lem-pung Serta Pengaruhnya pada Genting Keramik, UNDIP Semarang.
[3] Diharjo,K., Jamasri, Feris, F., (2007); Fire Resistance of Fly ash – Polyester Geopolymer Composite, Ju-rnal Teknik Gelagar, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
[4] Thomson, C.M., Smith Jr., Connell,J.W., Hergen-rother, P.W.,; ; Flame Retardant Epoxy Resin.; NASA Research Centre.
