Pengaruh Penambahan Karbon Bambu terhadap Kekuatan Tarik, Stabilitas Thermal dan Konduktivitas Listrik Komposit Epoksi/Karbon
Bambu Sebagai Bahan Komponen Listrik
Oleh:
Adam Aldino R 2710100087
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Dosen Pembimbing:
Dr. Hosta Ardhyananta, S.T., M.Sc
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Karbon Hitam
Karbon Hitam dari Bambu
Aplikasi Pelat Bipolar
Epoksi
Komposit
Rumusan Masalah
1.
Bagaimana pengaruh komposisi antara karbon bambu dan epoksi terhadap sifat mekanik komposit epoksi/karbon bambu?
2.
Bagaimana pengaruh komposisi antara karbon bambu dan epoksi terhadap sifat thermal dan konduktivitas listrik komposit epoksi/karbon bambu?
Temperatur dan tekanan udara sekitar dianggap konstan Proses pencampuran dianggap homogen
Batasan Masalah
Tujuan Penelitian
1.
Menganalisis dan mempelajari pengaruh komposisi antara karbon bambu dan epoksi terhadap sifat mekanik komposit epoksi/karbon bambu.
2.
Menganalisis dan mempelajari pengaruh komposisi antara karbon bambu dan epoksi terhadap sifat thermal dan konduktivitas listrik komposit
epoksi/karbon bambu.
Untuk menghasilkan komposit karbon bambu yang mempunyai karakteristik sifat mekanik, stabilitas thermal, dan konduktivitas listrik yang baik sehingga dapat digunakan untuk aplikasi pada bahan dari komponen listrik serta
untuk penelitian lain yang relevan.
Manfaat Penelitian
TINJAUAN PUSTAKA
Bambu
Tinggi pohon (m) 10
Densitas pohon (pohon/m2) 10
Densitas (gr/cm3) 0.69
Kadar air (%) 5.98
Panjang kulm (mm) 248
Diameter luar kulm (mm) 174
Tebal kulm (mm) 35
Diameter cabang kulm (mm) 16
Densitas serat (%) 41
Kekuatan tarik (Mpa) 105±8 Modulus elastisitas (Gpa) 26±5 Elongasi patahan (%) 16±1
Kekuatan fleksural (Mpa) 153±11
Kekerasan (VHN) 5±1
Kekuatan impak (J/mm2)
0.15±0.
7
Bambu petung (Dendrocalamus
asper)
Bambu petung ialah bambu yang amat kuat, dengan jarak ruas pendek, tetapi memiliki dinding
yang tebal sehingga tidak begitu liat.
Bambu adalah sejenis tumbuhan berkayu yang memiliki batang berongga dan beruas-ruas dan tergolong keluarga Graminae (rumput-rumputan).
Bambu memiliki keunikan berbunga sekali seumur hidupnya lalu langsung ditandai dengan kematian setelah berbunga.
Daur hidup tumbuhan bambu yaitu 4 hingga 100 tahun lamanya.
Macam Bambu:
+ bambu petung (Dendrocalamus asper)
+ bambu wulung atau hitam (Gigantochloa verticillite),
+ bambu legi (Bambusa vulgaris schrad),
+ bambu apus, tali (Gigantochloa apus),
+ bambu Ori (Bambusa arundinacea),
Bambu
Bambu dapat dianggap sebagai komposit, karena bambu terdiri dari matriks dan penguat. Yang berperan sebagai penguat ialah serat bambu atau selulosa,
sedangkan matriksnya berupa senyawa lignin
LIGNIN
-Tidak dapat diuraikan menjadi satuan monomer -Berfungsi pengikat antar sel serta menguatkan dinding sel kayu.
-Senyawa amorf total (non kristalin).
-Kadar lignin di dalam kayu bekisar antara 15-35%
SELULOSA
-Komponen utama penyusun dinding sel yang kandungannya berkisar antara 40-45% dari bahan kering kayu.
-Struktur kimia rantai lurus, memanjang, dan tidak bercabang.
-Penyusunan serat-serat selulosa menghasilkan daerah kristalin .
SELULOSA
LIGNIN
Karbon Hitam
-Suatu bahan amorf yang dihasilkan melalui proses pemanasan yang biasa digunakan pada karet sebagai penguat, pigmen dan lain-lain.
- Karbon hitam berbentuk padat, serbuk berwarna hitam, tidak berbau, berat molekul 12,01, rumus molekul C, titik didih 4200 oC, titik lebur 3680 oC, titik nyala lebih dari 500 oC, tidak larut dalam air, tidak larut dalam pelarut organik, kerapatan relatif (air=1): 1,8-2,1
Sifat-sifat karbon hitam berbeda dari bentuk
grafit dan intan, dikarenakan susunan atom
karbon tidak teratur.
Karbon Hitam
Karbon hitam merupakan konduktor listrik dengan skala 0.1-100 S/cm pada
temperatur kamar
Kunci untuk menentukan konduktifitas yang baik yakni dari ukuran partikel, struktur, dan kemurniannya
Karbon Bambu
Karbon Hitam yang terbuat dari Bambu
PROSES PEMBUATAN
Karbon Bambu
terjadi penguapan air dan sampai dengan temperatur 200 0C mulai terjadi penguraian
hemiselulosa
PROSES PEMBUATAN
Karbon Bambu
berlangsung reaksi eksotermik dan terjadi penguraian hemiselulosa dan selulosa yang
terdekomposisi menjadi larutan pirolignat, gas kayu dan sedikit ter.
PROSES PEMBUATAN
Karbon Bambu
proses depolimerisasi dan pemutusan ikatan C-O dan C-C
dan terdegradasinya selulosa.
Lignin mulai terurai
menghaislkan lebih banyak ter, larutan piroglinat dan gas CO2
menurun, sedangkan gas CO, CH4, dan H2 meningkat.
PROSES PEMBUATAN
Karbon Bambu
pembentukan lapisan aromatik dari lignin masih terurai sampai temperatur 500 0C. Pada temperatur
di atas 600 0C mulai terjadi proses pembesaran
luas permukaan. Proses tersebut berlanjut hingga membentuk arang karbon.
PROSES PEMBUATAN
Karbon Bambu
Pembuatan bambu dengan cara pemanasan mampu menghasilkan jumlah karbon yang banyak
Epoksi
Property Value
Glass transition temperature (Tg), oC (oF) 51 (123) Heat distortion temperature, oC (oF) 49 (120)
Tensile strength, Mpa (ksi) 51 (7.45)
Tensile modulus, Mpa (ksi) 2979 (432)
Tensile elongation, % 2.8
Hardness, Shore D 81
Epoxy thermosets termasuk kelompok polimer yang digunakan sebagai bahan pelapis, perekat, dan sebagai matrik pada material komposit
chemical reactive adhesives, thermal conductive adhesive, corrosion
resistance, kekuatan tarik dan kekuatan bending
getas
(+)
(-)
Epoksi
Sintesa Epoksi
• mereaksikan epiklorohidrin dengan bisphenol A atau dilarutkan dalam pelarut
• sering diproses pada temperatur sekitar 50-1000C
Potensi Aplikasi dari Komposit Epoksi/Karbon Bambu (Pelat Bipolar)
Fungsi
•Mengalirkan elektron ke seluruh sirkuit
•Mengumpulkan dan memindahkan elektron dari anoda ke katoda
•Mengalirkan dan mendistribusikan gas ke elektroda secara merata
•Memisahkan oksidan dan bahan bakar gas, memasukkan H2 ke anoda dan O2 ke katoda serta membuang air hasil reaksi
•Sebagai penguat mekanik sekaligus penahan membran tipis dan elektroda
•Sebagai konduktor panas untuk meregulasikan temperatur sel bahan bakar dan memindahkan panas dari elektroda ke saluran pendingin.
Plat bipolar seringkali dikenal dengan flow field plate atau pelat separator. Dikatakan pelat bipolar (dua kutub) karena pelat bipolar digunakan sebagai penghubung elektrik antara dua elektroda dengan kutub yang berbeda. Pelat bipolar terdiri lebih dari 80% dari total massa PEMFC
Potensi Aplikasi dari Komposit Epoksi/Karbon Bambu (Pelat Bipolar Proton Exchange Membrane Fuel Cell )
Dimensi 12x14x0.3 cm
Jenis Material Sifat
Grafit • Impregnasi dengan
polimer
• Rapuh dan Tebal
• Konduktivitas Tinggi Logam
(Stainless steel, Ni-Cr alloy, Baja titanium,)
• Konduktivitas listrik tinggi
• Mudah terkorosi
Komposit Karbon/grafit
• Ringan dan relatif murah.
• Konduktivitas listrik lebih rendah dibandingkan grafit dan logam
Plastil konduktif
(Liquid Crystal Polymer )
• Konduktivitas listrik relatif rendah
Property Value
Berat (kg) <0.4
Kekuatan tarik (MPa) >10
Fleksibilitas (%) 3-5
Konduktivitas listrik (S.Cm-1) >100 Konduktivitas thermal (W (mK)-1 ) >10 Permeabilitas (cm3cm-2s-1 at 80
oC and 3 atm) <2.10
Corrosion resistance μA cm-2 -6 < 1 Target Departement of Energy (DOE)
untuk pelat bipolar Material pelat bipolar
Penelitian Sebelumnya tentang Komposit untuk Pelat Bipolar
Nama Tahun Bahan Metode Hasil
Rizkyta 2013 Epoxy/
Graphite
Mixing Hasil konduktivitas listrik tertinggi didapat pada komposisi 80wt%
karbon dengan nilai konduktifitas listrik sebesar 424.8 S/cm
Ronkay dan Kiraly 2011 Polypropylene/
Graphite and Carbon Black
Mixing Hasil yang didapat yaitu konduktifitas listrik akan bertambah dengan adanya penambahan grafit dan karbon hitam pada PP. Hasil tertinggi didapat dengan komposisi 48.6vol% PP, 10.6vol% karbon hitam, dan 42.6vol%
grafit.
Kim, M.K 2013 Phenolic/Carbon Fabric
Mixing Metode pemanasan dalam pembuatan menggunakan plasma sprays 1000oC dengan komposisi 4wt% karbon.
Konduktivitas listrik yang didapat yakni sebesar 27ohm/cm
METODOLOGI
PENELITIAN
Diagram Alir
Bahan Penelitian
Epoksi
Bambu
Epoksi jenis Diglycidyl ether of bisphenol A dan poliamino amid, yang diproduksi oleh Eposchon didapatkan dari distributor PT. Justus Kimia
Bambu petung (Dendrocalamus asper). Spesimen dari material bambu diambil dari ruas bawah pohon
bambu (belum dilakukan proses apapun) yang berumur 3-4 tahun
Peralatan Penelitian
Gergaji dan Parang
Timbangan Digital
Mortar
Pengaduk Aluminium
Saringan
Cetakan Aluminium
Furnace
Penjepit
Mesin Uji TGA
Mesin Uji FT-IR
Mesin Uji SEM
Mesin Uji Tarik
Tungku Wadah plastik Mesin Uji
Konduktivitas Listrik
Loyang
Pelaksanaan Penelitian
Epoksi PAA CB
E/CB (40%)
Analisa Data dan
Pembahasan
Hasil Uji FT-IR
Epoksi
Daerah Serapan (cm-1) Ikatan Gugus Fungsi 824 C-O-C stretch of oxyrane
group epoksi
1028 C-O-C stretch of ether eter 1507 C-C stretch aromatic hidroksil 1603 C=C stretch aromatic hidroksil N-H deformation amina
2848 C-H stretch hidroksil
Hasil Uji FT-IR
Epoksi/Karbon Hitam 30%
Daerah Serapan (cm-1) Ikatan Gugus
Fungsi 825 C-O-C stretch of oxyrane
group epoksi
1031 C-O-C stretch of ether eter 1507 C-C stretch aromatic hidroksil 1605 C=C stretch aromatic hidroksil N-H deformation amina
2850 C-H stretch hidroksil
2922 C-C stretch alkana
Hasil Uji FT-IR
Epoksi/Grafit 30%
Daerah Serapan (cm-1) Ikatan Gugus
Fungsi 824 C-O-C stretch of oxyrane
group epoksi
1033 C-O-C stretch of ether eter 1502 C-C stretch aromatic hidroksil 1606 C=C stretch aromatic hidroksil
N-H deformation amina
2848 C-H stretch hidroksil
2924 C-C stretch alkana
Hasil Uji Tarik
E/CB
Hasil Uji Tarik
E/Gr
Hasil Uji SEM
Epoksi 100%
Epoksi/CB 30%
Hasil Uji SEM
Epoksi/Grafit 30%
Hasil Uji SEM
Hasil Uji TGA
Epoksi/Karbon Hitam 30%
Sample T (oC) 5%
loss
T (oC) 10%
loss
Berat Sisa (wt%)
Epoksi 351.50 361.83 6.16
E/CB (30%) 342.33 366.83 48.72
CB Bambu 54.67 95.00 84.35
Hasil Uji TGA
Epoksi/Grafit 30%
Sample T (oC) 5%
loss
T (oC) 10%
loss
Berat Sisa (wt%)
Epoksi 351.50 361.83 6.16
Epoksi/Grafit (30%) 351.67 362.83 35.71
Grafit - - 107.53
Hasil Uji Konduktivitas Listrik
Sampel Volt (V) Arus (A) Resistansi (MΩ)
E 0 0 0
E/CB (30%) 0.8 4.05 x 10-10 1974.75
E/Gr (30%) 1 6.38 x 10-10 1568 Nilai
E 0
E/CB 30% 1579.8x106
E/Gr 30% 1254.4x106
(Ω.mm)-1 (S/cm)
E 0 0
E/CB 30% 6.33x10-10 6.33x10-8 E/Gr 30% 7.97x10-10 7.97x10-8
Sifat Kelistrikan Komposit
Resistivitas
Konduktivitas
Kesimpulan dan Saran
Penambahan karbon hitam pada komposit menurunkan kekuatan tarik, modulus young dan elongation. Kekuatan tarik epoksi tertinggi terdapat pada komposisi 100% epoksi yaitu 64.69 MPa, sedangkan pada 30% karbon hitam yaitu 5.14 MPa,
Kesimpulan
Penambahan karbon hitam pada komposit dapat meningkatkan stabilitas thermal. Pada komposisi 30% dapat meningkatkan stabilitas thermal dengan memiliki berat sisa sebanyak 48.72%
Penambahan karbon pada komposit dapat menaikkan konduktivitas listrik dengan nilai sebesar 6.33x10-8 S/cm pada komposisi karbon hitam 30%
Saran
Penambahan coupling agent untuk meningkatkan kekuatan tarik dari komposit
