SIDANG TUGAS AKHIR. Aninda Trimarsa P Dosen Pembimbing : Dr. Hosta Ardhyananta, ST, M.Sc

SIDANG TUGAS AKHIR

Pengaruh Kadar Serbuk Aluminium Terhadap Sifat Mekanik dan Konduktivitas Listrik

Komposit Polidimetilsiloksan/Aluminium Untuk Pelat Bipolar Sel Bahan Bakar

Membran Elektrolit Polimer (Polymer Exchange Membran (PEMFC))

Aninda Trimarsa P. 2709 100 070

Dosen Pembimbing :

Latar Belakang

FUEL CELL

Kebutuhan akan sumber energi alternatif tinggi dikarenakan makin berkurangnya

energi fosil

Fuel cell merupakan sumber energi yang dapat mengubah energi kimia (berasal

dari hidrogen) menjadi listrik dengan keluaran/buangan berupa air sehingga

Latar Belakang

PELAT BIPOLAR PEM FUEL CELL

+/- 90% total volume dan 60% total biaya dari PEMFC

Grafit Baja tahan karat Aluminium

Tahan korosi tahan korosi Tahan korosi

Getas Sifat mekanik yang baik Sifat mekanik yang baik Ringan:

1. Mempelajari pengaruh komposisi antara serbuk aluminium dan matriks PDMS terhadap sifat mekanik komposit aluminium-pdms.

2. Mempelajari pengaruh komposisi antara serbuk aluminium dan matriks PDMS terhadap

konduktivitas listrik dan kompositaluminium-pdms.

menghasilkan komposit aluminium yang mempunyai karakteristik sifat mekanik dan konduktivitas listrik yang baik sehingga dapat digunakan untuk aplikasi pada pelat bipolar PEMFC serta untuk penelitian lain yang relevan.

Manfaat

Penelitian

Tujuan

Batasan Masalah

•

Temperatur dan tekanan udara sekitar

dianggap konstan

Tinjauan Pustaka

Sel bahan bakar adalah komponen

elektrokimia yang mengubah energi kimia

menjadi energi listrik, air dan panas,dengan

hidrogen sebagai bahan bakar utama.

Anoda :H₂  2H+ _{+ 2e}

-Katoda : ½ O2 +2H+ + 2e-  H2O

Reaksi total: H₂ + ½ O  H₂O + Energi listrik +panas

Tinjauan Pustaka

Cara kerja Sel Bahan bakar:

1. Hidrogen sebagai bahan bakar

dihembuskan pada anoda

2. Menghasilkan elektron dan

hidrogen.

3. Hidrogen dapat mengalir ke

katoda lewat elektrolit, sedangkan elektron harus mengalir lewat jembatan penghubung.

4. Pada katoda oksigen

dihembuskan dan bereaksi dengan elektron dan proton

5. Menghasilkan air, aliran listrik

dan kalor

Tinjauan Pustaka

•

PEMFC bekerja pada

temperatur operasi yang

rendah 60- 80

o

_C

•

Kerapatan daya tinggi

•

Emisi rendah

• Elektroda :Tempat terjadinya reaksi elektrokimia

• Lapisan difusi gas : Berfungsi untuk menyediakan kontak listrik antara elektroda dan plat bidang alir • Plat bipolar :Memisahkan reaktan

dari unit sel disampingnya. Pelat bipolar terdiri lebih dari 80% dari massa dan hampir semua dari volume

• Membran: berfungsi untuk

menghantarkan proton menuju ke katoda, memisahkan hidrogen dengan molekul oksigen. Juga bertindak sebagai insulator elektronik antara plat bipolar.

Tinjauan Pustaka

Sifat yang harus dimiliki pelat bipolar :

• harus memiliki sifat mekanik yang baik, • hambatan listrik rendah,

• kerapatan rendah, • ketahanan korosi

• konduktivitas listrik yang baik.

Bahan yang paling umum digunakan adalah grafit karena memiliki konduktivitas listrik yang baik dan sangat tahan korosi. Namun, grafit tidak memiliki kekuatan mekanik yang baik (getas). Bahan logam seperti stainless steel memiliki sifat mekanik dan konduktivitas listrik yang baik, tetapi mudah terkorosi dan berat

standar ketentuan untuk pelat bipolar (Antunes dkk , 2010)

Tinjauan Pustaka:

Daftar Perbandingan Konduktivitas (ohm

-1

_{. m}

-1

₎

Zat Konduktivitas Zat Konduktivitas

Air biasa 10-2 _{Platina 0,09 x 10}8

Air Suling 10-2 _{– 10}-5 _{Karet 10}-13 _{– 10}-15

Alkohol 0.2 x 10-4 _{Mika 10}-13

Aluminium 0,38 x 108 _{Minyak Tanah 10}-14

Asam Sulfat 0,4 x 10-2 _{Perak 0,63 x 10}8

Besi 0,1 x 108 _{Porselen 10}-12 _{– 10}-14 Ebonit 10-13 _{– 10}-16 _{Tembaga 0,595 x 10}8 Emas 0,435 x 108 _{Timbal 0,476 x 10}7 Kaca 10-9 _{– 10}-12 _{Wolfram 0,18 x 10}8 Karbon (3-60) x 105 _{Silikon 0,017 - 10} Sumber: belajar.kemendiknas.co.id

Tinjauan Pustaka : PDMS

• temperatur transisi glass yang rendah (-120°C) • Fleksibilitas rantai yang sangat tinggi

• oksidatif yang baik

• stabilitas termal dan sinar UV • Hidropobisitas

• Biokompatibilitas

• Permeabilitas gas yang tinggi • energi permukaan yang rendah • lubrikasi yang tinggi

• ketahanan plasma atom oksigen yang sangat baik.

Poli (dimetilsiloksan) (PDMS)

adalah polimer dengan ikatan

silikon oksigen (siloksan) yang

memiliki dua gugus metil

Sifat-sifat penting yang dimiliki

aluminium sehingga banyak

digunakan sebagai material teknik:

• Berat jenisnya ringan, hanya 2.7 gr/cm³, sedangkan baja ± 8,1 gr/ cm³,

• Tahan korosi

• Penghantar listrik dan panas yang baik

• Mudah di fabrikasi/di bentuk • Kekuatannya rendah tetapi

pemaduan (alloying)

kekuatannya bisa ditingkatkan

Tinjauan Pustaka : Aluminium

Nomor Atom 13

Massa Atom 12.011 g.mol-1

Keelektronegativan 1.61

Hambatan listrik 28.2 nΩ·m pada 200_C

Densitas 2.70 g·cm−3 pada 200_C

Titik cair 933.47 °K, 660.32 °C, 1220.58 °F

Titik didih 2792 K, 2519 °C, 4566 °F Radius Vanderwaals 184 pm

Kulit elektron [Ne] 3s2 3p1 Energi ionisasi

pertama

577.5 kJ·mol−1

Energi ionisasi kedua 1816.7 kJ·mol−1 Energi ionisasi ketiga 2744.8 kJ·mol−1

Timbangan digital Vibratory siever Aluminium Mercks Cetakan aluminium Pengaduk aluminium Alat dan Bahan Gelas plastik PDMS Aluminium 1xxx

Data yang diperoleh: Uji Tarik

Hasil pengujian tarik menujukkan penurunan kekuatan tarik seiring dengan bertambahnya penguat. Gambar a menunjukkan nilai kuat tarik dan keuletan yang lebih dibandingkan gambar b. Hal ini disebabkan perbedaan ukuran serbuk Aluminium yang lebih kecil pada Gambar b. Ukuran serbuk yang lebih kecil menyebabkan komposit lebih mudah jenuh.

(a) (b)

Gambar a : Komposit serbuk Aluminium mercks Gambar b : komposit serbuk Aluminium 6061

Data yang diperoleh: Uji Tarik

Kode Sampel Elongasi _(%) Kekuatan Tarik (MPa) Modulus Young (Gpa) PDMS 534,27 1,309 0,00033 PDMS/AlP (20) 242,42 1,002 0,00055 PDMS/AlP (40) 117,48 0,946 0,00094 PDMS/AlP (60) 19,68 0,276 0,00326 PDMS/AlM (20) 189,61 0,644 0,00088 PDMS/AlM (40) 38,13 0,140 0,00161

Data yang diperoleh: Uji FTIR

•

Grafik sampel komposit dan matriks

yang tidak berubah menunjukkan

tidak ada ikatan kimia yang terbentuk

(hanya terikat secara mekanik),

sedangkan grafik yang berubah

bentuk mengindikasikan adanya

ikatan kimia dan mekanik dalam

komposit. Hasil pengujian FTIR

menunjukkan tidak terbentuknya

ikatan kimia dalam komposit

PDMS/Aluminium, dimana matriks

dan filler hanya terbentuk dan terikat

secara mekanik.

Pembahasan data pengujian FTIR

• Tabel adalah nilai peak dari hasil

pengujian FTIR dimana tabel ini menunjukkan tidak adanya perubahan puncak pada hasil

pengujian FTIR dalam kedua sampel yang diuji. Matriks PDMS dan

komposit Aluminium memiliki range serapan di daerah yang sama,

sehingga ikatan kimia yang terbentuk didalam komposit tidak berbeda dengan matriksnya. Perbedaan antara komposit dan matriks hanya terdapat pada komposisi filler.

Data yang diperoleh: uji TGA

Sample T (0_{C) 5% loss T (}0_{C) 10% loss Berat sisa}

(%wt) PDMS 100% 419,333 453,167 69,608 PDMS/Al 80/20 482,333 >500 92,645 PDMS/Al 40/60 454,333 >500 90,12 PDMS/Al powder 80/20 378,833 419 62,7 PDMS/Al powder 60/40 349.667 384.667 60,286

Gambar adalah kurva pengujian TGA yang dilakukan dengan memanaskan sample dari

temperatur 40 0_{C sampai 500} 0_{C untuk mengetahui}

perubahan massa komposit berdasarkan naiknya temperatur.

Dari Tabel bisa disimpulkan bahwa jenis Aluminium berpengaruh pada stabilitas

termal komposit. Penambahan Aluminium serbuk mercks mengurangi stabilitas termal komposit. Namun penambahan Aluminium paduan 6061 justru meningkatkan stabilitas termal komposit. Pada Aluminium powder mercks, stabilitas termal jauh lebih rendah dari Aluminium 6061.

Data yang diperoleh: uji SEM

Gambar 1 adalah Serbuk Aluminium Mercks, serbuk tampak pipih dengan bentuk yang homogen satu sama lain.

Gambar 2 adalah Serbuk Aluminium 6061 terlihat memanjang, bulat dan bentuk satu sama lain terlihat tidak homogen.

Data yang diperoleh: uji SEM

Komposit yang terbuat dari Serbuk Aluminium 6061 sebagai penguatnya seluruhnya terlingkupi oleh matriks PDMS.

Data yang diperoleh: uji SEM

Pada komposit Aluminium serbuk mercks,

Data yang diperoleh: Uji Konduktifitas Listrik

Pengujian Konduktivitas Listrik ini menggunakan alat potensiostat. Dimensi pengujian 15 x 5 mm dengan tebal 4 mm.

Perhitungan konduktivitas listrik berdasarkan persamaan 3.4 dan 3.5 Yaitu:

𝜌 = 𝑅 𝐴_𝐼

𝜎=

_𝜌1

Konduktivitas listrik ditentukan pada kemungkinan kontak antar serbuk di dalam matriks polimer.

Data yang diperoleh: Uji Konduktifitas Listri

k

No. Konduktivitas bahan (σ)

PDMS/AlP

20% PDMS/AlP 40% PDMS/AlP 60% PDMS/AlP 80%

1 2,847 x 10-7 _{4,902 x 10}-7 _{0.121345 0.980392} 2 2,831 x 10-7 _{5,227 x 10}-7 _{0.122594 0.934579} 3 2,820 x 10-7 _{4,983 x 10}-7 _{0.121462 0.943396} 4 2,847 x 10-7 _{5,255 x 10}-7 _{0.121699 0.952381} 5 2,821 x 10-7 _{4,831 x 10}-7 _{0.121625 0.952381} 6 2,840 x 10-7 _{4,876 x 10}-7 _{0.122444 0.934579}

No. Konduktivitas bahan (σ)

PDMS/AlM

20% PDMS/AlM 40% PDMS/AlM 60% PDMS/AlM 80%

1 2.527 x10-6 _{3.23 x10}-6 _{1.61 x10}-6 ₀ 2 2.573 x10-6 _{3.17 x10}-6 _{1.58 x10}-6 ₀ 3 2.534 x10-6 _{3.23 x10}-6 _{1.57 x10}-6 ₀ 4 2.555 x 10-6 _{3.15 x10}-6 _{1.58 x10}-6 ₀ 5 2.56 x10-6 _{3.21 x10}-6 _{1.58 x10}-6 ₀ 6 2.581 x10-6 _{3.2 x10}-6 _{1.57 x10}-6 ₀ (Ω.mm)-1 _(S/cm) AlP 20% 2,834.10-7 _2,834.10-5 AlP 40% 5,012.20-7 _5,012.20-5 AlP 60% 0,121862 12,1862 AlP 80% 0,949618 94,9618 AlM 20% 2,555.10-6 _2,555.10-4 AlM 40% 3,198.10-6 _3,198.10-4 AlM 60% 1,582.10-6 _1,582.10-4

Nilai Konduktivitas Listrik komposit Aluminium

Perhitungan konduktivitas listrik komposit Aluminium Paduan 6061 semua dalam satuan (Ω.mm)-1

Perhitungan konduktivitas listrik komposit Aluminium murni Mercks semua dalam satuan (Ω.mm)-1

Pembahasan data hasil pengujian Konduktifitas Listrik

• Nilai konduktivitas listrik bergantung pada fraksi volume serbuk, dan kandungan minimum dari serbuk aluminium, dimana serbuk aluminium tersebut membentuk jaringan kerja yang bersambung, yang menentukan komposit Aluminium menjadi konduktif secara elektrik.

• Faktor-faktor penentu adalah: konduktivitas dari serbuk, fraksi volume dan karakteristik serbuk,

• Karakteristik serbuk yang dimaksud seperti: ukuran, bentuk, luas permukaan, distribusi dan orientasi dari serbuk pengisi.

• Metode fabrikasi dan kondisi pembuatan komposit memainkan peranan penting

dalam konduktivitas karena mempengaruhi penyebaran, orientasi dan jarak antar serbuk di dalam matriks polimer.

Kesimpulan

• Penambahan Aluminium pada komposit menyebabkan peningkatan pada Modulus young namun menurunkan elastisitas dan kekuatan tarik dari komposit.

• Kekuatan tarik komposit tertinggi didapatkan pada komposisi 20% Aluminium 6061 yaitu sebesar 1,002 MPa. Elongasi komposit tertinggi didapatkan pada komposisi 20% Aluminium 6061, yaitu sebesar 242,42%. Modulus young tertinggi diperoleh pada komposisi 40% Aluminium serbuk Mercks dengan nilai 0,00161 GPa.

• Konduktivitas listrik komposit Aluminium tertinggi yang telah dibuat yaitu 94,9618 S/cm pada komposisi 80% Aluminium serbuk 6061.

• Penambahan Aluminium serbuk mercks menurunkan stabilitas Thermal pada komposit. Komposit Aluminium 6061 memiliki stabilitas termal lebih baik dibandingkan komposit Aluminium serbuk Merck.

• Komposisi 20% komposit Aluminium 6061 memiliki berat sisa 92,645% berat awal pada temperatur 500o_{C, sedangkan dengan komposisi yang sama}

komposit Aluminium Mercks memiliki berat sisa 62,7% berat awal di temperatur yang sama.

Saran

•

Pada proses pencetakan spesimen sebaiknya

menggunakan proses pencetakan yang melibatkan

kompresi/penekanan.

•

Proses pembuatan sebaiknya menggunakan metode

yang membuat matriks dan filler tercampur lebih

merata, contohnya alat mixing.

•

Perlunya inovasi yang dapat mengurangi gelembung

udara yang terjebak didalam spesimen sehingga dapat

mengurangi porositas.

Diagram Fasa Paduan Aluminium

Paduan Aluminium-Magnesium

Preparasi Spesimen

•

Menguji kandungan yang

terdapat di dalam

aluminium 6061

•

Menyiapkan PDMS dengan

Aluminium sebagai penguat

sebanyak 20%,40%,60% dan

80%

•

Mencampur PDMS dengan

Aluminium, lalu dicetak dan

didiamkan hingga curing.

Cara kerja SEM



_{Elektron dilepaskan oleh ujung}

‘electron gun’



_{Lensa elektromagnet}

menyearahkan dan memfokuskan

berkas elektron



Koil pemindai mengarahkan berkas

elektron terfokus pada spesimen



_{Detektor menangkap sinyal dari}

Scanning



Berkas

elektron

terfokus

digunakan

untuk

memindai

bahan yang

diamati

Studi sebelumnya

NO. PENELITI, JUDUL, TAHUN METODE SPESIMEN HASIL

1 Jung-Pyo Hong,dkk . High Thermal Conductivity epoxy composites with bimodal Distribution of Aluminium Nitride and Boren Nitride Fillers. 2012

Bi modal distribution AlN-BN-Epoxy Konduktivitas termal mak-simum

AlN : BN 1:1 dengan partikel seukuran. 2 Krzysztof Strzelec.

Improvement of mechanical properties and electrical

conductivity of

polythiourethane-modified epoxy coatings filled with aluminium powder. 2008

konvensional Al-epoxy Paling sedikit filler memiliki konduk-tivitas rendah. Perekatan kurang kuat perlu diperbaiki dengan hardener.