BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Serat Alam
Serat alam merupakan serat yang cocok digunakan dalam pembuatan komposit sebagai pengganti serat kaca. Penggunaan serat alam sebagai penguat didalam polimer mempunyai keuntungan karena serat alam merupakan serat yang ramah lingkungan. Keuntungan dari serat alam yaitu densitasnya rendah, mudah terurai, kekakuannya tinggi, dan harganya yang relatif rendah (Uma, 2010).
Keuntungan dari penggunaan serat alam yang lain adalah berasal dari sumber yang dapat didaur ulang, keuntungan penting lainnya memiliki energi masuk yang rendah dalam proses pembuatannya, dan serat alam dapat dibuang dengan mudah jika serat telah tua melalui proses pembuatan kompos atau dengan menggunakan nilai kalorinya didalam perapian yang tidak akan sama dengan penggunaan serat kaca. Bagaimanapun serat alam menunjukkan karakteristik yang tidak diiinginkan. Beberapa kerugian dari penggunaan serat alam seperti penyerapan lembab yang tinggi, ketahanan panas yang rendah, dan sifat kekristalan yang rendah (Al-Kanbashi, 2005).
Serat alam telah digunakan sebagai penguat dengan temoplastik dan termoset. Penting untuk mengetahui sifat fisika kimia dan sifat mekanik dari serat alam untuk menghasilkan komposit yang optimum. Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk menjelaskan pengaruh tolak ukurnya seperti struktur kristalnya, derajat kristalinitas, sudut putar dari serabut, derajat polimerisasi, nilai porositas, dan ukuran dari gelembung pusat dan komposisi kimianya (Al-Kanbashi, 2005).
2.2 Nenas
Nenas merupakan tanaman buah berupa semak yang memiliki nama ilmiah Ananas Comosus. Nenas berasal dari Brasilia (Amerika Selatan) yang telah di domestikasi disana sebelum masa Colombus. Pada abad ke-16 orang Spanyol membawa nanas ini ke Filipina dan Semenanjung Malaysia, masuk ke Indonesia pada abad ke-15, (1599). Di Indonesia pada mulanya hanya sebagai tanaman pekarangan, dan meluas dikebunkan di lahan kering (tegalan) di seluruh wilayah nusantara. Tanaman ini kini dipelihara di daerah tropik dan sub tropik.
( http://www.warintek.ristek.go.id/pertanian/nenas.pdf)
Gambar 2.2.1 Buah nenas
sampai 0,27 cm.Karena daun nenas tidak mempunyai tulang daun,adanya serat-serat dalam daun nenas tersebut akan memperkuat daun nanas dalam pertumbuhannya.
Dari berat daun nenas hijau segar akan dihasilkan kurang lebih sebanyak 2,5 sampai 3,5% serat daun nenas. Serat yang berasal dari daun nenas yang masih muda pada umumnya tidak panjang dan kurang kuat. Sedang serat yang dihasilkan dari tanaman nenas yang terlalu tua, terutama tanaman yang pertumbuhannnya di alam terbuka dengan intensitas matahari cukup tinggi tanpa pelindung, akan menghasilkan serat yang pendek kasar dan getas atau rapuh (Hidayat, 2008).
2.3 Serat Nenas
Serat daun nenas (pine-apple leaf fibres) adalah salah satu jenis serat yang berasal dari tumbuhan (vegetable fibres) yang diperoleh dari daun-daun tanaman nanas (Hidayat, 2008). Serat daun nenas mempunyai sifat mekanik yang unggul karena mengandung selulosa yang tinggi (72-82%) dibandingkan dengan sudut seratnya (14o). Serat dapat diambil dari daun Ananas Comosus termasuk dalam famili bromeliaceae dengan cara perendaman (Uma, 2010).
Tabel 2.3.1. Sifat Fisik dan Mekanik Serat Nenas
Sumber: Uma 2010
Sifat Ukuran
Adapun kandungan dan sifat mekanik dari serat nenas sebagai berikut : Tabel 2.3.2. Komposisi Serat Nenas
Kandungan Kimia Jumlah (%)
α – selulosa
68,5-71
Hemiselulosa 18,8
Lignin 6,04
Pektin 1,1
Lemak dan wax 3,2
Abu 0,9
Protein, asam organik 5,73 Sumber : Eriningsih 2009
Sama halnya dengan serat-serat alam lainnya yang berasal dari daun (leaf fibers), secara morfologi jumlah serat dalam daun nanas terdiri dari beberapa ikatan serat dan masing-masing ikatan terdiri dari beberapa serat. Sel-sel dalam serat daun nanas mempunyai ukuran diameter rata-rata berkisar 10 µm dan panjang rata-rata 4,5 mm dengan rasio perbandingan antara panjang dan diameter adalah 450 (Hidayat,2008).
2.4 Alkalisasi
satu metode modifikasi permukaan serat yang dilakukan untuk memperoleh ikatan yang baik antara permukaan matriks dan serat (Maryanti, 2011).
Reaksi dari perlakuan alkali terhadap serat sebagai berikut :
Serat OH + NaOH Serat O- Na+ + H2O (1)
Dampak dari proses alkali pada serat selulosa adalah reaksi penggembungan dimana struktur kristalin alam dari selulosa akan melemas. Jenis alkali (KOH, LiOH, NaOH) dan konsentrasi akan mempengaruhi dari derajat penggembungan (John, 2008).
Proses alkalisasi menghilangkan komponen penyusun serat yang kurang efektif dalam menentukan kekuatan antarmuka yaitu hemiselulosa, lignin atau pektin. Dengan berkurangnya hemiselulosa, lignin atau pektin, kekerasan serat oleh matriks akan semakin baik, sehingga kekuatan antarmuka pun akan meningkat. Selain itu, pengurangan hemiselulosa, lignin atau pektin, akan meningkatkan kekasaran permukaan yang menghasilkan ikatan mekanik yang lebih baik (Maryanti, 2011).
2.5 Polipropilena
Sifat dari polipropilena sama dengan polythene, tapi polipropilen telah mengalami perubahan sifat tahan panasnya, sifat fisikanya yang baik dan ketahanan terhadap bahan kimia yang luar biasa. Polipropilena tahan terhadap asam, alkali, dan garam meskipun pada suhu yang tinggi (Cook,1964).Struktur dari propilena dapat terlihat dari gambar :
CH
2CH
CH
3Pada suhu ruang, beberapa sifat, seperti daya regang dan kekakuan, sama dengan sifat polietena bermassa jenis tinggi, tetapi sifat itu berubah pada suhu yang lebih tinggi. Sifat kelarutan polipropilena sama dengan sifat kelarutan yang dimiliki polietena, yakni tak larut pada suhu ruang.Produk polipropilena lebih tahan terhadap goresan daripada produk polietena yang bersesuaian polipropilena digunakan untuk bagian dalam mesin cuci, komponen mobil, kursi, tangkai pegangan, kotak, keranjang, pipa, isolator listrik, kemasan, (berupa lembaran tipis) makanan dan barang (Cowd,1991)
Polipropilena mempunyai titik lebur yang lebih tinggi dibandingkan dengan polietilen (170 banding 140) begitu juga kekuatan dari rantainya yang lebih besar terhadap gangguan dan perputaran terhadap beban karena adanya gugus metil (Allen, 1983).Struktur dari polipropilena, polipropilena dapat berbentuk isotaktik, sindiotaktik, atau ataktik. Kristalinitas dari polipropilen isotaktik membuatnya berbentuk padat dengan sifat komersil yang menarik. Polipropilen isotaktik merupakan rantai linear, merupakan polimer kristalin yang tinggi, dengan titik lebur 165oC.
Sifat polipropilen. Polipropilen merupakan plastik yang berkilat, dengan densitas 0,905. Karena kristalinitasnya yang tinggi berpengaruh kepada kekuatannya yang tinggi, kekakuan dan kekerasannya. Hasil dari perbandingan daya tarik dan beratnya menguntungkan diberbagai aplikasi. Titik lebur propilena yang tinggi dapat membuat polipropilena dicetak dengan baik dan merupakan polimer dengan daya regangan yang tinggi pada temperatur yang tinggi.
beberapa aplikasi untuk permadani diluar atau didalam ruangan, tetapi harganya sedikit mahal (Billmeyer, 1984).
Kehadiran dari polipropilena merupakan salah satu termoplastik yang paling penting di bidang komersil, dan total penggunaannya masih bertambah dengan cepat untuk semua termoplastik. Situasi ini bagus dilanjutkan ke dapannya dengan beberapa alasan berikut :
1. Produknya dengan harga yang relatif rendah dan begitu juga harga monomernya yang rendah dan teknologi polimerisasi yang efisien, dibandingkan dengan termoplastik yang lain. Persaingan teknologi dan penawaran metode produksi dengan pengurangan harga dengan pengubahan teknik
2. Polimernya dapat dimodifikasi dengan berbagai macam aplikasi. Melalui polimerisasi, orientasi, dan teknik lain dari sifat fisika produknya yang dapat divariasikan dengan jarak suhu dan keperluan mekanik.
3. Proses yang mudah dari polimer ini membuat penggunaannya lebih ekonomis
( Kroschwitz,1990)
2.6 Maleat Anhidrat
Monomer polifungsional maleat anhidrat (2,5-furan-dion atau cis-butenedionic anhidrat), asam maleat (asam (z)-2-butenedion) merupakan senyawa kimia yang dibutuhkan di dalam dunia komersil. Dengan adanya ikatan rangkap yang reaktif dan anhidrat atau bagian asam yang menunjukkan sifat yang unik dari maleat anhidrat, asam maleat.
acrylonitrile butadine styrene copolymer. Penggunaan maleat anhidrida sebagai kompatibilitas telah dilakukan pada beberapa pembuatan komposit dan berefek positif seperti komposit berbahan kayu-PP dan PF, komposit berbahan baku pinus-polymeric diphenylmethane diisocyanate dan komposit berbahan baku serbuk batang kelapa sawit-PP ( Dhini, 2011).
Pada tahun 1961, telah ditunjukkan bahwa maleat anhidrat dapat berhomopolimerisasi dengan radiasi uv, dengan adanya inisiator radikal, anion dengan berbagai dasar, elektrokimia dan pengaruh gelombang. Maleat anhidrat merupakan polimer yang dihasilkan dengan cara inisiator radikal. Maleat anhidrat dihasilkan dengan adanya dehidrasi dari asam maleat. Sifat-sifatnya berwarna putih, memiliki berat molekul yang rendah, larut dalam air, sedikit larut dalam alkali, keton, asetonitril, alkohol, ester. Struktur dari maleat anhidrat :
HC CH
C
O O
C
O
Gambar 2.6.1 Struktur maleat anhidrat (Kroschwitz, 1990).
2.7 Bahan Pengisi
akan terbentuk dengan adanya panas dan tekanan atau keduanya. Ada tiga jenis pengisi yaitu :
1. Pengisi yang memperkuat
Akan memperkuat polimer dengan adanya tarikan yang tinggi dari serat yang dikenal dengan serat plastik yang memperkuat (fibre reinforced plastic / FRP). FRP memiliki modulus elastisitas yang tinggi, kekuatan yang tinggi, tahan terhadap korosi dan mudah untuk dibentuk. Serat penguat yang utamanya adalah kaca, grafit, alummina, carbon, boron dan berytha.
2. Pengisi aktif
Serat yang mempunyai kekuatan mekanik disebut serat aktif dan yang tidak mempunyai kekuatan mekanik disebut serat tidak aktif. Serat aktif (carbon black, silika gel) lebih kuat 10 hingga 20 kali dibandingkan elastromer sintetik dan karet.
3. Pengisi tidak aktif
Serat ini digunakan untuk menekan harga lebih rendah sebaik mungkin seperti hasil bercampurnya yang baik. Serat ini terdiri dari kayu dan material yang hampir sama dengan bentuk dan ukuran yang berbeda. Serat ini juga mengisi volume lebih besar lagi. Oleh karena itu perbandingan serat dengan matiksnya sangatlah penting agar tidak terjadinya kesalahan metode (Bhatnaghar, 2004).
Tiga cara untuk mempreparasi kopolimer cangkok yaitu :
1. Monomer dipolimerisasi dalam hadirnya suatu polimer dengan percabangan yang terjadi dari transfer rantai
2. Monomer dipolimerisasi dalam hadirnya polimer yang memiliki gugus-gugus fungsional reaktif atau letak-letak yang bisa diaktifkan, misalnya radiasi
3. Dua polimer yang memiliki gugus-gugus fungsional reaktif direaksikan bersama
Diperlukan tiga komponen untuk berlangsungnya pencangkokan lewat transfer rantai : polimer, monomer, dan inisiator. Fungsi inisiator adalah untuk mempolimerisasi monomer sehingga membantu radikal, ion atau kompleks koordinasi polimerik yang kemudian bisa menyerang polimer asal atau untuk bereaksi dengan polimer asal untuk membentuk spesies inisiator diatas kerangka polimer yang menginisiasi polimerisasi monomer.
Pecangkokan biasanya terjadi pada letak-letak yang bisa menerima reaksi-reaksi transfer, seperti pada karbon-karbon yang bersebelahan dengan ikatan rangkap dua dalam polidiena atau diatas arbon-karbon yang bersebelahan dengan gugus karbonil. Efisiensi pencangkokan akan menjadi baik jika suatu gugus yang menjalani dengan segera transfer radikal. Radiasi paling banyak digunakan untuk memberikan letak-letak aktif untuk kopolimerisasi cangkok (Steven, 2001).
2.9 Kopolimer Cangkok Matrik
itu bagaian radikal dari selulosa diberi perlakuan dengan larutan yang sesuai (cocok dengan matriks).
Perlakuan dari serat selulosa dengan polipropilena-maleat anhidrat (PP-g-MA) yang memberikan ikatan kovalen antarmukanya. Mekanisme reaksinya terbagi menjadi 2 yaitu aktivasi kopolimer dengan pemanasan dan esterifikasi dari selulosa. Setelah perlakuan energi permukaan dari serat akan meningkat menjadi level tinggi mendekati dari energi permukaan matriks. Maka akan terbentuk kekuatan yang lebih tinggi dan tarik menarik antar molekul yang berbeda akan lebih tinggi (Malkapuram,2009). Berikut adalah mekanisme reaksi selulosa dengan PP-g-MA :
Gambar 2.9.1. Mekanisme reaksi serat dengan PP-g-Ma (sumber : Malkapuram, 2009)
2.10 Komposit
plastik yang memperkuat, karbon black yang diisi karet dan sebagainya (Bhatnagar, 2004). Pada dasarnya ada tiga poin utama yang mendekati yang dapat diambil sebagai defenisi dari material komposit,yaitu :
1. Terdiri dari dua atau lebih material yang berbeda secara fisik dan dapat dipisahkan secara mekanik
2. Dapat dibuat melalui pencampuran material yang berbeda dimana salah satu material yang berupa terdispersi ke material lainnya yang dapat diawasi pada saat mencapai sifat optimum.
3. Sifatnya harus unggul, dan mempunyai sifat tunggal, dari sifat masing-masing komponen (Hull, 1981).
Material komposit terdiri atas penguat yang sangat kuat dan serat yang kaku didalam sebuah resin matrik polimer atau pengikat. Pada masalah ini material harus mempunyai pengecualian sifat mekanik dan sering dibatasi pada keuntungan komposit yang bdikenal dari serat yang dicacah atau pengisi polimer lainnya. Jenis serat 50 kali lebih kuat dan 20-150 kali lebih kaku dibandingkan dari matrik polimer. Keuntungan komposit lebih tepat digambarkan material serat pengikat yang lebih kuat dibadingkan dengan plastik yang memperkuat (Kroschwitz, 1990).
Adapun pembagian komposit berdasarkan bentuk penguatnya yaitu :
1. Komposit partikal (particulate composites) merupakan komposit yang menggunakan partikel serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriknya.
2. Komposit serat merupakan komposit yang terdidi dari serat dan matrik dimana fungsi serat sebagai penopang kekuatan dari komposit sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit tergantung dari serat yang digunakan. Jenis komposit serat dapat terbagi atas :
a. Continous fiber composite (komposit diperkuat serat kontinu)
c. Chopped fiber composite (komposit diperkuat serat pendek/acak) d. Hybrid composite (komposit diperkuat serat kontinyu dan serat acak)
3. Komposit lapis (laminates composite) merupakan komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya mempunyai karakteristik sifat sendiri,berdasarkan jenis matrik yang digunakan komposit ini terbagi atas :
(a) Komposit matrik logam (metal matrix composites/MMC) merupakan salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam seperti aluminium sebagi matriknya dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida
(b) Komposit matrik keramik (ceramic matrix composites/CMC) merupakan komposit yang menggunakan keramik sebagai matriknya
(c) Komposit matrik polimer (polymer matrix composites/PMC) merupakan komposit yang menggunakan polimer sebagai matriknya (Jones, 1975).
Serat yang digunakan ada serat alami dan serat sintetis. Menggunakan serat alami sebagai pengisi pada matrik polimer yang biasanya menggunakan bahan pengisi anorganik seperti serat gelas yang menunjukkan beberapa keuntungan dengan sifat tergoresnya yang rendah pada saat prosesnya, ramah lingkungan, harganya rendah, kemampuan pengubahan bentuk yang lebih mudah, kemampuan mudah terurai, dapat diperbaharui, tidak beracun, penggunaanya yang fleksibel, mempunyai kekuatan yang tinggi, harganya yang lebih murah, dan mudah didaur ulang (Shinoj, 2010).
Faktor-faktor yang mempengaruhi performa fiber-matrik komposit adalah sebagai berikut :
1. Faktor serat, dimana serat merupakan filler yang dapat memperbaiki sifat dan struktur matrik yang tidak dimilikinya
maksimum pada arah axiz serat, yang kedua two dimensional reinforcement (planar) mempunyai kekuatan pada dua arah atau masing-masing orientasi arah serat, yang ketiga three dimensional reinforcement mempunyai sifat isotropik kekuatannya lebih tinggi
3. Panjang serat, serat panjang akan lebih kuat dibandingkan serat pendek. Serat panjang (continous fiber) lebih efisien dalam peletakannya daripada serat pendek akan tetapi serat pendek lebih mudah peletakannya
4. Bentuk serat, bentuk serat tidak terlalu berpengaruh yang mempengaruhinya adalah diameter seratnya. Pada umumnya, semakin kecil diamter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang lebih tinggi
5. Faktor matrik, pembuatan komposit serat membutuhkan ikatan permukaan yang kuat antar serat dan matrik, selain itu matrik juga harus mempunyai kecocokan secara kimia
6. Faktor ikatan fiber-matrik, komposit serat yang baik harus mampu untuk menyerap matrik yang memudahkan terjadi antara dua fase
7. Katalis, banyak sedikitnya katalis yang diguankan juga berpengaruh pada sifat mekanik komposit yang dihasilkan
8. Void atau gelembung udara merupakan akibat yang tidak bisa dihindari pada saat proses pembuatan (Schwartz,1984).
2.11. Karakterisasi Campuran Polimer
Mengkarakterisasi polimer jauh lebih rumit daripada mengkarakterisasi senyawa-senyawa dengan berat molekul rendah. Metode yang paling sering digunakan untuk analisis polimer yaitu metode spektroskopik dan termik. Metode kimia bermanfaat mencakup identifiaksi poliester dan poliamida, atau polimer-polimer lainnya yang mengandung gugus-gugus fungsi dan pengujian rutin untuk polimer bahan tambahan.
Karakterisasi bahan polimer dengan menggunakan spekttroskopi inframerah merupakan salah satu pemeriksaan yang spesifik, meskipun yang paling penting adalah konsep frekuensi gugusnya ( Bark, 1982).Teknik FTIR sama dengan spektroskopi inframerah biasa, dimana pada spektroskopi infra merah serapan radiasi inframerah oleh suatu molekul terjadi karena interaksi vibrasi ikatan kimia yang menyebabkan perubahan polaribilitas dengan gelombang listrik elektromagnetik. Dalam teknik spektroskopi inframerah sampel molekul disinari dengan radiasi inframerah dengan bilangan gelombang antara 200-4000cm-1 (Wirjosentono, 1995).
Sistem optik sekarang yang kebanyakan digunakan adalah sistem sinar ganda. Radiasi dari sumbernya akan berpisah menjadi dua sinar, salah satunya akan melewati sampel. Panjang gelombang yang diserap akan dibandingkan dengan sinar yang kedua, dan referensi yang lain (Bark, 1992)
Beda spektroskopi inframerah dengan FTIR, pada FTIR dilengkapi dengan cara penghitungan Fourier Transform dan pengolahan data untuk mendapatkan resolusi dan kepekaan yang lebih tinggi. Kelebihan dari FTIR mencakup ukuran sampel partikel yang kecil, perkembangan spektrum yang cepat, dan karena instrumen ini memiliki komputer yang terdedikasi kemampuan untuk menyimpan dan memanipulasi spektrum (Steven, 2001).
2.11.2. Uji Tarik
Kekuatan tarik diartikan sebagi besarnya beban maksimum (Fmaks) yang
(2) Keterangan :
σ = kekuatan tarik (Mpa) F = beban tarik (N)
A = luas penampang (m2) (Wirjosentono,1995).
Pada uji tarik benda diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar secara kontinu,bersamaan dengan bertambahnnya besar diamati perpanjangan yang dialami benda yang diuji. Hasil dari suatu uji tarik yang berupa nilai merupakan tegangan tarik ( Dieter,1986). Berdasarkan ASTM D-638, bentuk spesimen dumbbell (tipe 1) dibutuhkan untuk uji kekuatan komposit. Detail bentuk ditunjukkan gambar berikut :
Wo
Gambar 2.11.2.1. Bentuk Spesimen Dumbbell Tipe I ASTM D-638
Tabel 2.11.2.1 Ukuran Spesimen Bentuk Dumbbell Tipe I ASTM D-638
Ukuran Nilai (mm)
Tebal, T 1,00 ± 0,4
Lebar pada daerah berbatas, W 13
Panjang pada daerah berbatas, L 57
Lebar seluruhnya, WO 19
Panjang seluruhnya, LO 165
Panjang pada daerah cekung, G 50
A F
(Sumber: American Standart of Testing and Material, 2003)
2.11.3. Kerapatan Papan Komposit
Kerapatan papan komposit merupakan salah satu sifat fisis yang sangat berpengaruh terhadap kualitas papan komposit. Karena itu kerapatan papan komposit diupayakan seseragam mungkin, sehingga perbedaan sifat-sifat papan komposit yang dianalisis sedapat mungkin tidak disebabkan oleh perbedaan kerapatan (Dina, 2006).
Kerapatan papan komposit dihitung berdasarkan berat dan volume keringnya. Kerapatannya dihitung berdasarkan rumus :
ρ =
mv
(3)
Keterangan :
ρ = kerapatan (gr/cm3
)
m = berat contoh uji kering (gr)
v = volume contoh uji kering (cm3) (Danu, 2009)
Jarak antara pegangan, D 115
2.11.4 Uji Daya Serap Air
Nilai daya serap air mencerminkan kemampuan papan untuk menyerap air setelah direndam selama 2 jam dan 24 jam. Air yang masuk terdiri dari air yang langsung masuk melalui rongga-rongga kosong di dalam papan dan air yang masuk ke dalam partikel-partikel penyusun. Pengujian ini bertujuan untuk melihat bagaimana ketahanan papan terhadap pengaruh cuaca jika digunakan untuk penggunaan eksterior.
Daya serap air papan komposit dihitung berdasarkan berat sebelum dan sesudah perendaman dalam air selama 2 dan 24 jam. Besarnya daya serap air papan dihitung berdasarkan rumus:
DSA =
B −BB
x
%
(4)
Keterangan :
DSA = Daya serap air (%)
B1 = berat contoh uji sebelum perendaman (gr)
