Bio- nanokomposite Sellulosa Bakteri/Mater-Bi

(1)

LAPORAN PENELITIAN

Dana Masyarakat Lembaga Penelitian USU

Bio- nanokomposite Sellulosa Bakteri/Mater-Bi

^®

Saharman Gea, PhD

Dibiyai oleh:

Dana Masyarakat Penelitian USU T.A. 2011 Sesuai Surat Perjanjian Penugasan Penelitian

No: 36/UN5.2.3.1/SP4/PPM/2011, Tanggal 01 Agustus 2011

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MED

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI NANOKOMPOSIT POLYVINYL ALKOHOL DENGAN PARTIKULAT ZnS

SEBAGAI PENGUAT

DISERTASI

Oleh

MAKMUR SIRAIT NIM. 098108008

PROGAM STUDI DOKTOR ILMU FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

(2)

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI NANOKOMPOSIT POLYVINYL ALKOHOL DENGAN PARTIKULAT ZnS

SEBAGAI PENGUAT

DISERTASI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dalam Program Studi Doktor Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana

Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara

Oleh

MAKMUR SIRAIT NIM. 098108008

PROGAM STUDI DOKTOR ILMU FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

(3)

PENGESAHAN DISERTASI

Judul Disertasi : Pembuatan Dan Karakterisasi Nanokomposit Polyvinyl Alkohol Dengan Partikulat ZnS Sebagai Penguat

Nama : Makmur Sirait NIM. : 098108008

Program Studi : Doktor Ilmu Fisika

Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Menyetujui : Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc Promotor

Saharman Gea, M.Sc, Ph.D Prof. Drs. Motlan, M.Sc, Ph.D

Co-Promotor Co-Promotor

Mengetahui :

Ketua Program Studi Doktor Ilmu Fisika Dekan FMIPA USU

Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc Dr. Sutarman, M.Sc

(4)

PERNYATAAN ORISINALITAS

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI NANOKOMPOSIT POLYVINYL ALKOHOL DENGAN PARTIKULAT ZnS

SEBAGAI PENGUAT

DISERTASI

Dengan ini saya nyatakan bahwa saya mengakui semua karya disertasi ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar.

Medan, 29 April 2014

Makmur Sirait NIM. 098108008

(5)

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini :

Nama : Makmur Sirait

NIM : 098108008

Program Studi : Doktor Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Disertasi

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty Free Right) atas Disertasi saya yang berjudul :

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI NANOKOMPOSIT POLYVINYL ALKOHOL DENGAN PARTIKULAT ZnS

SEBAGAI PENGUAT

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non- Eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data base, merawat dan mempublikasikan disertasi saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.

Makmur Sirait

(6)

PENETAPAN PANITIA PENGUJI DISERTASI

Telah diuji pada

Tanggal : 29 April 2014

PANITIA PENGUJI DISERTASI

Ketua : Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc Anggota : 1. Saharman Gea, M.Sc, Ph.D

2. Prof. Drs. Motlan, M.Sc, Ph.D 3. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc 4. Dr. Susilawati, M.Si

(7)

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

I. DATA PRIBADI

Nama lengkap berikut gelar : Dr. Makmur Sirait, M.Si Tempat dan Tanggal lahir : Lumbanjulu, 6 Maret 1963

Alamat Rumah : Jl. Turi Ujung Gg. Setia II No. 1 A Medan

HP : 081361666037

Email : [email protected]

Instansi Tempat Bekerja : Universitas Negeri Medan

Alamat Kantor : Jl. Willem Iskandar Pasar V Medan Estate

Telepon/Faks : (061) 6632195/(061) 6614002

II. DATA PENDIDIKAN Jenjang

Pendidikan

Nama Sekolah/PT Jurusan/Bidang Studi

Tahun Lulus

SD SD Negeri

Lumbanjulu

- 1975

SMP SMP Negeri

Lumbanjulu

- 1979

SMA SMA Negeri 2

P. Siantar

IPA 1982

Strata-1 IKIP Negeri Medan Pendidikan Fisika 1987

Strata-2 UGM Yogyakarta Fisika 1994

Strata-3 USU Medan Fisika 2014

III. PENGALAMAN PENELITIAN

No Judul Penelitian Sumber Dana Tahun

1 Sistem Pemetaan dan Deteksi Perubahan Wilayah Propinsi Nanggroe Aceh Darussalam Dengan Memanfaatkan Teknologi Inderaja

Dikti

Hibah Bersaing

2006-2007

(8)

2 Penerapan Model Pembelajaran Berdasarkan Masalah Untuk Meningkatkan Proses Dan Hasil Belajar Mata Kuliah

Termodinamika

Unimed

Research Grand

2009

3 Upaya Peningkatan Aktivitas dan Hasil Belajar Mahasiswa dengan Penerapan Model Pembelajaran Kooperatif Tipe STAD pada Mata Kuliah Termodinamika

Unimed

Research Grand

2010

4 Pengembangan Model Pembelajaran E-Learning Untuk Meningkatkan Proses dan Hasil Belajar Mata Kuliah Termodinamika

Diknas Pempropsu 2011

5 Penerapan Model Pembelajaran Kooperatif Tipe STAD

Untuk Meningkatkan Proses dan Hasil Belajar

Mata Kuliah Fisika Umum I

Unimed

Research Grand

2012

6 Pengaruh campuran sari jeruk nipis dan Asam Format sebagai bahan penggumpal lateks terhadap sifat mekanik karet

Dikti

Fundamental

2012

7 Pengaruh campuran

nanopartikel ZnS dan Polyvinyl Alkohol (PVA) terhadap sifat mekanik nanokomposit PVA/ZnS

Dikti

Hibah Doktor

2013

8 Pembentukan nanokomposit Polyvinyl Alkohol (PVA) dan zeolit alam Pahae sebagai filler

Dikti

Hibah Bersaing

2014

IV. PUBLIKASI ILMIAH/JURNAL No Judul Karya Ilmiah Nama

Penerbit

Nasional/

Internasional

Tahun Terbit 1 Program Komputer Model

CAI Sebagai Media Pengajaran Fisika

Jurnal Pendidikan Matematika dan Sains

Nasional 2007

2 Kajian algoritma deteksi perubahan wilayah

Jurnal Jurnal Sains

Nasional 2008

(9)

3 Inovasi Pembelajaran Mata Kuliah Algoritma dan Pemrogram Komputer dengan Menggunakan LCD

Nasional 2008

4 Inovasi Pembelajaran Mata Kuliah Algoritma dan Pemrogram Komputer dengan Menggunakan LCD

Nasional 2008

5 Pembuatan dan Pengujian Mekanik Komposit

Epoksi dengan Serat Daun Nanas

Semirata bidang MIPA BKS Wil.

Barat

Nasional 2010

6 Pengaruh Campuran Sari Jeruk Nipis dan Asam Format sebagai Bahan Penggumpal Lateks terhadap Sifat Vulkanisasi Karet

Jurnal Penelitian Saintika

Nasional 2011

7 Growth and

Characterization of ZnS Nanoparticle

Nasional 2013

(10)

V. PUBLIKASI YANG BERHUBUNGAN DENGAN DISERTASI

No Judul Seminar Tahun Keterangan

1 Sintesis dan karakterisasi sifat optik nanopartikel ZnS dengan metode kopresipitasi

Semirata bidang MIPA BKS Wil.

Barat

Medan, 11-12 Mei 2012

Pemakalah dan Prosiding 2 Structure and morphological

of ZnS nanoparticles prepared by coprecipitation method

International Seminar of Analytical Sciencies 2012

Medan, 12-13 November 2012

Pemakalah dan Prosiding

3 Growth and characterization of ZnS nanoparticle

Vol.13(2):

90-93,2013

Nasional

4 Mechanical and thermal properties of ZnS-reinforced Polyvinyl Alcohol

nanocomposite

International Conference on Innovation in Polymer Science Technology 2013 (IPST2013)

Jogyakarta, 7-10 Oktober 2013

Pemakalah

5 Effect of mixed nanoparticles ZnS and Polyvinyl Alcohol (PVA) against

nanocomposite mechanical properties of PVA/ZnS

American Journal of Physical Chemistry

Vol.3(1);

5-8, 2014

Jurnal Internasional

(11)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala berkat dan rahmatNya sehingga dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan disertasi yang berjudul : Pembuatan dan Karakterisasi Nanokomposit Polyvinyl Alkohol Dengan Partikulat ZnS Sebagai Penguat.

Disertasi ini dimaksudkan untuk memenuhi sebagian dari persyaratan guna memperoleh gelar Doktor Fisika pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Kami menyadari sepenuhnya bahwa dalam pengungkapan, penyajian dan penyusunan kata-kata maupun pembahasan materi dalam disertasi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu dengan penuh kerendahan hati, kami mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari semua pihak untuk perbaikan disertasi ini.

Kami menyadari bahwa dalam proses penyelesaian disertasi ini, banyak pihak yang dengan tulus ikhlas telah memberikan bantuan baik itu langsung maupun tidak langsung. Untuk itu, pada kesempatan ini kami menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada :

1. Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H., M.Sc. (CTM), Sp.A. (K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Doktor Ilmu Fisika.

2. Prof. Dr. Ibnu Hajar, M.Si, selaku Rektor Universitas Negeri Medan, dan mantan Rektor Prof. Dr. Syawal Gultom, M.Pd, yang telah memberikan kesempatan dan ijin belajar kepada saya untuk mengikuti program pendidikan Doktor Ilmu Fisika pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara dan berkenan memberikan bantuan pendidikan.

3. Dr. Sutarman, M.Sc, selaku Dekan FMIPA Universitas Sumatera Utara yang juga telah memberi kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Doktor.

4. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc, selaku Ketua Program Studi S2 dan S3 Ilmu Fisika FMIPA USU dan Dr. Anwar Dharma Sembiring, M.S selaku Sekretaris Program Studi S2 dan S3 Ilmu Fisika dan seluruh karyawan/ti program Pascasarjana

(12)

Universitas Sumatera Utara atas motivasi, perhatian serta bantuan administrasi selama pendidikan Program Doktor Ilmu Fisika.

5. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc, selaku Promotor yang selama ini telah memberikan kesempatan, dorongan, saran serta perhatian sehingga dapat menyelesaikan penulisan disertasi ini.

6. Saharman Gea, M.Sc, Ph.D, sebagai Co-Promotor atas segala bantuan, motivasi, arahan dan bimbingan selama perencanaan penelitian, pelaksanaan penelitian sampai penyelesaian disertasi ini.

7. Prof. Drs. Motlan, M.Sc, Ph.D, sebagai Co-Promotor atas segala bantuan, motivasi, arahan dan bimbingan selama penyelesaian disertasi ini.

8. Kepala Laboratorium Kimia Fisika USU dan Unimed atas segala fasilitas dan bantuan yang diberikan.

9. Kepada semua Dosen Program Doktor Ilmu Fisika FMIPA Universitas Sumatera Utara dan semua pihak yang telah membantu selama pendidikan, penelitian dan penulisan disertasi ini.

10. Kedua orang tuaku, E. Sirait (Alm) dan Bunda S. Sijabat, Mertua St. Drs. Letkol (Purn). E. Manalu/M.Pakpahan, isteri dr. Fera Margaretha Manalu dan anak-anak yang kukasihi : Christopel P. Sirait, Christian P. Sirait dan Chrisyanto P. Sirait yang turut memotivasi penulis untuk segera menyelesaikan disertasi ini.

Semoga amal yang telah mereka berikan, mendapatkan berkah dari Tuhan Yang Maha Kuasa. Amin

Hormat saya,

Makmur Sirait.

(13)

Pembuatan Dan Karakterisasi Nanokomposit Polyvinyl Alkohol Dengan Partikulat ZnS Sebagai Penguat

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan dan karakterisasi nanokomposit polyvinyl alkohol (PVA) dengan nanopartikel ZnS sebagai penguat. Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan mengkarakterisasi nanokomposit PVA/ZnS yang dilakukan dalam dua tahap. Pertama, nanopartikel ZnS disiapkan dari zinc asetat dan thiourea dengan metode kopresipitasi. Kedua, nanopartikel ZnS dalam berbagai konsentrasi dicampur dengan PVA menggunakan pengaduk magnet pada suhu 80^oC dengan kecepatan putar 500 rpm untuk membentuk nanokomposit PVA/ZnS dengan metode sol-gel. Berdasarkan difraktogram dari XRD diperoleh bahwa struktur ZnS yang terbentuk adalah struktur wurtzite dengan bentuk hexagonal dan struktur blende dengan bentuk kubik. Dengan menggunakan persamaan Scherer ukuran rata-rata partikel ZnS 49 nm. Hasil uji tarik menunjukkan bahwa rata-rata kekuatan tarik terbesar diperoleh pada komposisi berat ZnS 0% yaitu 34,390 MPa, perpanjangan putus terbesar diperoleh pada komposisi berat ZnS 1% yaitu 430,81%, dan modulus elastisitas terbesar diperoleh pada komposisi berat ZnS 2% yaitu 190,73 MPa. Dari analisa morfologi menggunakan SEM diperoleh campuran yang lebih merata pada permukaan nanokomposit PVA/ZnS pada komposisi berat ZnS 2%. Hasil uji termal diperoleh suhu leleh maksimum dari nanokomposit PVA/ZnS pada komposisi berat ZnS 3% sebesar 224,39 ^oC dengan entalpi 15,1036 J/g dan kalor sebesar 93,642 mJ.

Kata kunci : Nanokomposit, PVA, ZnS, uji tarik, uji termal, dan morfologi

(14)

Synthesis and Characterizing Nanocomposite of Polyvinyl Alcohol with ZnS Nanoparticles as Reinforcing

ABSTRACT

It has been conducted research about synthesis and characterizing nanocomposite of polyvinyl alcohol (PVA) with ZnS nanoparticles as reinforcing. This research aims to make and characterize nanocomposite PVA/ZnS that conducted in two phases.

First, ZnS nanoparticles prepared from zinc acetate and thiourea by the coprecipitation method. Second, ZnS nanoparticles in various concentrations were mixed with PVA using a magnetic stirrer at a temperature of 80 °C with a rotary speed of 500 rpm to form a nanocomposite PVA/ZnS by sol-gel method. Based on the difractogram from XRD, obtained that the ZnS structure which formed is wurtzide structure with a hexagonal shape and blende structure with a cubic shape.

By using Scherer equation, the average of ZnS particle size is 49 nm. Tensile test results showed that average the maximum tensile obtained on ZnS 0% weight composition is 34.390 MPa, maximum of elongation at obtained on ZnS 1% weight composition is 430.81%, and maximum modulus elasticity obtained in ZnS 2%

weight composition is 190.73 MPa. From morphological analysis using SEM obtained mixture evenly over the surface of the nanocomposite PVA/ZnS in ZnS on weight composition 2% weight. Thermal test results obtained maximum melting temperature of nanocomposite PVA/ZnS in ZnS composition by weight 3% wt at 224.39 °C with enthalpy 15.1036 J/g and heat 93.642 mJ.

Keywords: Nanocomposite, PVA, ZnS, tensile test, thermal test, and morphology.

(15)

DAFTAR ISI

Halaman LEMBAR PENGESAHAN

KATA PENGANTAR ABSTRAK

ABSTRACT DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN BAB I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah 1.2. Perumusan Masalah 1.3. Pembatasan Masalah 1.4. Tujuan Penelitian 1.5. Manfaat Penelitian BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Komposit 2.2. Pengisi

2.3. Sifat-sifat Bahan Komposit 2.4. Polimer Nanokomposit 2.5. Partikulat ZnS

2.6. Metode Kopresipitasi 2.7. Metode Sol-gel

2.8. Polyvinyl Alkohol BAB III. METODE PENELITIAN

3.1. Lokasi dan Waktu Penelitian 3.2. Alat dan Bahan Penelitian

3.3. Pembuatan Nanopartikel Zinc Sulfat 3.4. Pembuatan Nanokomposit PVA/ZnS 3.5. Diagram Alir Penelitian

i ix xi xii xiii xv xvi xix 1 1 6 6 7 7 8 8 9 15 17 20 21 23 25 33 33 33 34 35 35

(16)

3.6. Pengujian dan Analisis Sampel 3.6.1. X-Ray Difraction

3.6.2. Scanning Electron Microscopy 3.6.3. Uji Mekanik

3.6.4. Uji Termal

BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Sintesis Nanopartikel Zinc Sulfat

4.2. Hasil Sintesis Nanokomposit PVA/ZnS

4.3. Hasil Karakteristik Uji Tarik Nanokomposit PVA/ZnS 4.4. Hasil Karakteristik Uji Termal Nanokomposit PVA/ZnS 4.5. Morfologi dari Nanokomposit PVA/ZnS

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan

5.2. Saran

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN

38 38 39 41 43 46 46 49 51 58 63 71 71 72 73 77 .

(17)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1.

Tabel 2.2.

Tabel 4.1.

Tabel 4.2.

Perbandingan antara PVA (Polyvinyl Alcohol), Cellulose (viscose) dan PU (Polyurethane Foam)

Sifat Fisis dari Polyvinyl Alkohol

Data Hasil Pengujian Kekuatan Tarik, Perpanjangan Putus dan Modulus Young dari campuran PVA dan nanopartikel ZnS Data Hasil Pengujian Termal nanokomposit PVA/ZnS

28 31

55 62

(18)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Diagram klasifikasi bahan komposit 9

Gambar 2.2. Ilustrasi komposit berdasarkan reinforcement 10

Gambar 2.3. Orientasi Serat 10

Gambar 2.4. Parameter serat dalam pembuatan komposit 11

Gambar 2.5. Ilustrasi komposit berdasarkan Struktur 12

Gambar 2.6. Mikrostruktur lamina 12

Gambar 2.7. Struktur komposit sandwich panels 13

Gambar 2.8. Ilustrasi komposit pada tiga dimensi (a) partikel (b) serat pendek

sebagai penguat 15

Gambar 2.9. Gambar penggabungan komposit partikel dengan komposit serat

pendek untuk menghasilkan komposit hybrid 17

Gambar 2.10. Seng Blende dan Wurtzite 20

Gambar 2.11.

Gambar 2.12.

Metode sintesis nanopartikel top down-bottom up Diagram proses metode sol-gel

22 23

Gambar 2.13. Teknik pembuatan sol-gel dan aplikasi 25

Gambar 2.14. Struktur ikatan kimia PVA 25

Gambar 2.15. Absorbansi-Panjang gelombang dari PVA 27

Gambar 2.16. Pengaruh berat molekul dan hidrolisis pada sifat-sifat polyvinyl

alkohol 29

Gambar 2.17. Hubungan tingkat kelarutan terhadap derajat hydrolysis dari PVA

pada suhu 20 ^oC dan 40 ^oC 30

Gambar 3.1. Diagram Alir Pembuatan Nanopartikel ZnS 36

Gambar 3.2. Diagram Alir Pembuatan Nanokomposit PVA/ZnS 37

Gambar 3.3. Peralatan X-Ray Difraction 39

Gambar 3.4. Peralatan Scanning Electron Microscopy 40

Gambar 3.5. Alat uji tarik model UCT-5T 41

Gambar 3.6. Grafik Tegangan – Regangan 42

Gambar 3.7. Alat dan skema peralatan DSC 44

(19)

Gambar 4.1. Nanopartikel ZnS 46

Gambar 4.2. Hasil XRD Nanopartikel ZnS 48

Gambar 4.3. Morfologi nanopartikel ZnS dengan perbesaran 10.000 X 49 Gambar 4.4. Morfologi nanopartikel ZnS dengan perbesaran 15.000 X 49 Gambar 4.5. Sampel untuk uji tarik dengan berbagai campuran antara PVA dan

nanopartikel ZnS : S1) ZnS 0%; S2) ZnS 1%; S3) 2%; S4) ZnS

3% dan S5) ZnS 4% 51

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara tegangan terhadap regangan dengan

komposisi PVA (tanpa nanopartikel ZnS) 52

Gambar 4.7. Grafik hubungan antara tegangan terhadap regangan dengan

komposisi campuran PVA dan nanopartikel ZnS 1% 52 Gambar 4.8. Grafik hubungan antara tegangan terhadap regangan dengan

komposisi campuran PVA dan nanopartikel ZnS 4% 54 Gambar 4.11. Grafik hubungan antara tegangan terhadap regangan dari beberapa

komposisi campuran PVA dan nanopartikel ZnS 56

Gambar 4.12. Diagram Batang kekuatan tarik terhadap komposisi nanopartikel

ZnS 56

Gambar 4.13. Diagram Batang perpanjangan putus terhadap komposisi

nanopartikel ZnS 57

Gambar 4.14. Diagram Batang Modolus Young terhadap komposisi

nanopartikel ZnS 57

Gambar 4.15 Hasil Termogram DSC dari nanokomposit PVA/ZnS dengan

komposisi ZnS 0% 58

Gambar 4.16. Hasil Termogram DSC dari nanokomposit PVA/ZnS dengan

komposisi ZnS 1% 59

komposisi ZnS 2% 60

(20)

komposisi ZnS 3% 60

komposisi ZnS 4% 61

komposisi nanopartikel ZnS 0%; 1%; 2%; 3% dan 4% 62 Gambar 4.22. Morfologi nanokomposit PVA/ZnS dengan PVA (ZnS 0%) untuk

perbesaran (a) 500 X dan (b) 1000 X 63

Gambar 4.23. Hasil EDS dari nanokomposit PVA/ZnS dengan PVA (ZnS 0%) 64 Gambar 4.24. Morfologi nanokomposit PVA/ZnS dengan campuran ZnS 1%

untuk perbesaran (a) 500 X dan (b) 1000 X 65

Gambar 4.25. Hasil EDS dari nanokomposit PVA/ZnS dengan campuran

ZnS 1% 65

Gambar 4.26. Morfologi nanokomposit PVA/ZnS dengan campuran ZnS 2%

ZnS 2% 67

ZnS 3% 68

ZnS 4% 69

(21)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran-1.

Lampiran-2.

Lampiran-3.

Lampiran-4.

Lampiran-5.

Lampiran-6.

Lampiran-7.

Lampiran-8.

Lampiran-9.

Lampiran-10.

Lampiran-11.

Lampiran-12.

Hasil Rekaman XRD dan Analisis

Hasil Rekaman Uji Tarik Nanokomposit PVA dan ZnS dengan komposisi (100:0)%

Hasil Rekaman Uji Termal DSC Nanokomposit PVA dan ZnS dengan komposisi (100:0)%

Hasil Rekaman Uji Termal Nanokomposit PVA dan ZnS dengan komposisi (97:3)%

Hasil Rekaman Uji Termal Nanokomposit PVA dan ZnS dengan komposisi (96:4)%

Foto-foto Penelitian

77

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94 95

(22)

Pembuatan Dan Karakterisasi Nanokomposit Polyvinyl Alkohol Dengan Partikulat ZnS Sebagai Penguat

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan dan karakterisasi nanokomposit polyvinyl alkohol (PVA) dengan nanopartikel ZnS sebagai penguat. Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan mengkarakterisasi nanokomposit PVA/ZnS yang dilakukan dalam dua tahap. Pertama, nanopartikel ZnS disiapkan dari zinc asetat dan thiourea dengan metode kopresipitasi. Kedua, nanopartikel ZnS dalam berbagai konsentrasi dicampur dengan PVA menggunakan pengaduk magnet pada suhu 80^oC dengan kecepatan putar 500 rpm untuk membentuk nanokomposit PVA/ZnS dengan metode sol-gel. Berdasarkan difraktogram dari XRD diperoleh bahwa struktur ZnS yang terbentuk adalah struktur wurtzite dengan bentuk hexagonal dan struktur blende dengan bentuk kubik. Dengan menggunakan persamaan Scherer ukuran rata-rata partikel ZnS 49 nm. Hasil uji tarik menunjukkan bahwa rata-rata kekuatan tarik terbesar diperoleh pada komposisi berat ZnS 0% yaitu 34,390 MPa, perpanjangan putus terbesar diperoleh pada komposisi berat ZnS 1% yaitu 430,81%, dan modulus elastisitas terbesar diperoleh pada komposisi berat ZnS 2% yaitu 190,73 MPa. Dari analisa morfologi menggunakan SEM diperoleh campuran yang lebih merata pada permukaan nanokomposit PVA/ZnS pada komposisi berat ZnS 2%. Hasil uji termal diperoleh suhu leleh maksimum dari nanokomposit PVA/ZnS pada komposisi berat ZnS 3% sebesar 224,39 ^oC dengan entalpi 15,1036 J/g dan kalor sebesar 93,642 mJ.

Kata kunci : Nanokomposit, PVA, ZnS, uji tarik, uji termal, dan morfologi

(23)

Synthesis and Characterizing Nanocomposite of Polyvinyl Alcohol with ZnS Nanoparticles as Reinforcing

ABSTRACT

It has been conducted research about synthesis and characterizing nanocomposite of polyvinyl alcohol (PVA) with ZnS nanoparticles as reinforcing. This research aims to make and characterize nanocomposite PVA/ZnS that conducted in two phases.

First, ZnS nanoparticles prepared from zinc acetate and thiourea by the coprecipitation method. Second, ZnS nanoparticles in various concentrations were mixed with PVA using a magnetic stirrer at a temperature of 80 °C with a rotary speed of 500 rpm to form a nanocomposite PVA/ZnS by sol-gel method. Based on the difractogram from XRD, obtained that the ZnS structure which formed is wurtzide structure with a hexagonal shape and blende structure with a cubic shape.

By using Scherer equation, the average of ZnS particle size is 49 nm. Tensile test results showed that average the maximum tensile obtained on ZnS 0% weight composition is 34.390 MPa, maximum of elongation at obtained on ZnS 1% weight composition is 430.81%, and maximum modulus elasticity obtained in ZnS 2%

weight composition is 190.73 MPa. From morphological analysis using SEM obtained mixture evenly over the surface of the nanocomposite PVA/ZnS in ZnS on weight composition 2% weight. Thermal test results obtained maximum melting temperature of nanocomposite PVA/ZnS in ZnS composition by weight 3% wt at 224.39 °C with enthalpy 15.1036 J/g and heat 93.642 mJ.

Keywords: Nanocomposite, PVA, ZnS, tensile test, thermal test, and morphology.

(24)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia telah mengembangkan nanoteknologi dengan dibentuknya Masyarakat Nano Indonesia (MNI) yang dibentuk pada tanggal 28 April 2005.

Nanoteknologi telah menjadi harapan ummat manusia dalam menyelesaikan berbagai permasalahan teknologi yang dihadapi saat ini. Dengan nanoteknologi, material dapat dirancang sedemikian rupa dalam orde nanometer, sehingga sifat-sifat yang belum dikenal dapat diakses. Aplikasi nanoteknologi akan membuat revolusi baru dalam dunia industri, dan diyakini bahwa pemenang persaingan global di masa yang akan datang adalah negara-negara yang dapat menguasai nanoteknologi dan mengintegrasikannya dalam seluruh aspek ilmu pengetahuan dan teknologi di negaranya. Untuk menguasai nanoteknologi, bangsa Indonesia memerlukan kerjasama berbagai pihak dan mensinergikan berbagai potensi yang ada.

Nanoteknologi mendeskripsikan ilmu mengenai sistem serta peralatan berproporsi nanometer. Satu nanometer sama dengan sepersejuta millimeter.

Nanoteknologi berdampak di bidang ilmu pengetahuan dan kerekayasaan serta setiap sisi kehidupan manusia dalam dekade pertama abad ke-21 ini. Banyak yang percaya produk nanoteknologi mampu menyembuhkan sebagian besar penyakit medis pada manusia. Memang aplikasi sebagian besar inovasi di bidang nanoteknologi saat ini tidak hanya bersifat spekulatif dan teoritis, tapi sudah banyak juga yang menjadi aplikatif praktis. Misalnya tabung nanokarbon, molekul karbon berbentuk pipa yang berstruktur unik serta mempunyai sifat-sifat arus listrik yang lebih baik. Tabung nanokarbon sudah diaplikasikan pada layar beresolusi tinggi dan memperkuat materi- materi di bidang industri. Aplikasi praktis nanoteknologi yang lainnya adalah untuk packing, bidang kesehatan dan bidang otomotif (Mancini, dkk. 2008; Kumar, dkk.

2009).

Nanopartikel digunakan pencegah kotor pada pakaian dimana pada permukaan direkatkan bulu-bulu dengan ukuran nanometer sehingga mirip permukaan daun talas. Polimer ukuran nanometer mulai dari 10 nm hingga 100 nm

(25)

kosmetik sebagai penahan sinar UV. Penahan cahaya matahari juga merupakan contoh penggunaan nanopartikel. Karena ukuran yang kecil sehingga mudah didispersikan dan mengabsorb sinar UV. Penggunaan penahan cahaya ini sangat luas di Australia hingga menguasai pasar hingga 60%. Nanopartikel aluminium dipergunakan untuk campuran propelan (bahan bakar) yang mampu mempercepat pembakaran hingga dua kali lipat. Nanotembaga dicampurkan minyak pelumas untuk mencegah keausan mesin. Nanokalsium dan posfat komposit dipergunakan sebagai tulang sintetis sebagai pengganti tulang manusia. Penggunaan komposit mempunyai keuntungan antara lain: ringan, tahan korosi, umur pakai lebih panjang dan memiliki sifat elastisitas yang tinggi. Teknologi nanopartikel, khususnya dalam semikonduktor telah memperluas aplikasi dalam bidang biologi dan biomedik. Senyawa semikonduktor yang berdimensi nanometer ini dapat dipergunakan sebagai sensor untuk sel-sel tubuh manusia, mampu mendeteksi kanker sehingga pengobatan akan lebih efektif (Chang, dkk. 2000; Bielecki, dkk. 2005; Bhushan, 2007; Busnaina, 2007; Abdullah, 2008).

Nanopartikel dapat terjadi secara alamiah ataupun melalui proses sintesis oleh manusia. Sintesis nanopartikel bermakna pembuatan partikel dengan ukuran yang kurang dari 100 nm dan sekaligus mengubah sifat atau fungsinya. Orang umumnya ingin memahami lebih mendalam mengapa nanopartikel dapat memiliki sifat atau fungsi yang berbeda dari material sejenis dalam ukuran besar (bulk).

Dua hal utama yang membuat nanopartikel berbeda dengan material konvensional dalam ukuran partikel penyusunnya yaitu: (a) karena ukurannya yang kecil, nanopartikel memiliki nilai perbandingan antara luas permukaan dan volume yang lebih besar jika dibandingkan dengan partikel sejenis. Ini membuat nanopartikel bersifat lebih reaktif. Reaktivitas material ditentukan oleh atom-atom di permukaan, karena hanya atom-atom tersebut yang bersentuhan langsung dengan material lain;

(b) ketika ukuran partikel menuju orde nanometer, maka hukum fisika yang berlaku lebih didominasi oleh hukum-hukum fisika kuantum (Garces, dkk. 2000; Jordan, dkk. 2005, Abdullah, 2008).

Sifat-sifat yang berubah pada nanopartikel biasanya berkaitan dengan fenomena-fenomena berikut ini. Pertama adalah fenomena kuantum sebagai akibat keterbatasan ruang gerak elektron dan pembawa muatan lainnya dalam partikel.

(26)

Fenomena ini berimbas pada beberapa sifat material seperti perubahan warna yang dipancarkan, transparansi, kekuatan mekanik, konduktivitas listrik, dan magnetisasi.

Kedua adalah perubahan rasio jumlah atom yang menempati permukaan terhadap jumlah total atom. Fenomena ini berpengaruh pada perubahan titik didih, titik beku, dan reaktivitas kimia. Perubahan-perubahan tersebut diharapkan dapat menjadi keunggulan nanopartikel dibandingkan dengan partikel sejenis dalam keadaan bulk (Ubale, dkk. 2007; Abdullah, dkk. 2008; Deerinck, 2008).

Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dalam fasa padat, cair, maupun gas.

Proses sintesis juga dapat berlangsung secara fisika atau kimia. Proses sintesis secara fisika tidak melibatkan reaksi kimia, yang terjadi hanya pemecahan material besar menjadi material berukuran nanometer, atau penggabungan material berukuran sangat kecil, seperti kluster, menjadi partikel berukuran nanometer tanpa mengubah sifat bahan. Proses sintesis secara kimia melibatkan reaksi kimia dari sejumlah material awal (precursor) sehingga dihasilkan material lain yang berukuran nanometer, contohnya adalah pembentukan nanopartikel garam dengan mereaksikan asam dan basa yang bersesuaian (Warad, 2004; Abdullah, dkk. 2008).

Pembentukan nanopartikel telah dibuat dengan berbagai metode, tetapi proses terbentuknya nanopartikel tersebut sangat tergantung pada kondisi sintesis. Dalam hal ini, beberapa kondisi sintesis yang memberikan efek pada pembentukan nanopartikel yaitu berupa temperatur reaksi, lama pengadukan reaksi, suhu plasma, atmosfir sintesis dan ada tidaknya modifikasi permukaan partikel serta zat penstabil.

Metode preparasi atau sintesis menjadi faktor yang sangat penting. Metode sintesis nanopartikel sangat mempengaruhi ukuran, bentuk, beserta distribusi ukuran partikel yang dihasilkan, ikatan kimia pada permukaan partikel dan sifat lainnya.

ZnS adalah logam semikonduktor II-VI yang materialnya biasa diaplikasikan di dunia industri optoelektronik (untuk perangkat elektroluminisens, sel surya dan peralatan optoelektronik lainnya). Sifat optik dan listrik dari seng sulfida bergantung pada ukuran partikel. Seng sulfida mempunyai lebar celah antara 3,50- 3,70 eV dalam rentang UV. Hal ini digunakan sebagai bahan utama untuk memancarkan dioda cahaya (Rema, dkk. 2007; Murugadoss, dkk. 2009).

Wageh, dkk. (2003) telah membuat nanopartikel zinc sulfida (ZnS) dengan

(27)

sekitar 4,2 eV. Dari hasil UV-Vis absorbsi dan Photoluminisens bahwa pancaran band edge diperbaiki dengan meningkatnya waktu pengadukan. Kousik Dutta, dkk.

(2009), menghasilkan ZnS nanopartikel dengan ukuran 5 nm dengan menggunakan thioglycerol. Dari hasil photoluminescene diperoleh puncak intensitas gelombang berada sekitar 270 sampai 330 nm. Hasil penelitian Borah, dkk. (2008), membentuk semikonduktor ZnS nanopartikel yang dilekatkan di dalam matriks polimer Polyvinyl Alcohol (PVA) dengan reaksi kimia, diperoleh ukuran partikel 5-7 nm dan puncak intensitas gelombang sekitar 315 nm dan 425 nm pada suhu kamar. Penelitian lain adalah nanopartikel ZnS dengan metode suhu rendah dimana Zn(CH₃COO)_2.2H₂O ditambahkan air kemudian diaduk dan ditambahkan thioasetamid, menghasilkan fase padatan putih yang diisolasi dalam ruangan vakum filtrasi. Hasil yang diperoleh adalah seng sulfida dalam bentuk bubuk dan agregat kristalin yang membentuk nanopartikel yang merata. X-ray Diffraction (XRD) dan Scaning Electron Microscopy (SEM) menghasilkan struktur kubik bertipe blende. Hasil spektrum infra merah diperoleh seng sulfida memiliki transmitansi yang baik dengan bilangan gelombang dari 400 sampai 4000 cm^-1. UV-Vis dari seng sulfida memiliki daya absorbsi yang kuat dengan panjang gelombang dari 250 sampai 300 nm (Dumbrava, dkk. 2009).

Ada beberapa cara untuk menghasilkan nanopartikel, yaitu dengan menggunakan Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) dan Molekul Beam Epitaxy (MBE). Cara ini cukup mahal karena menggunakan peralatan yang canggih. Maka pada saat ini banyak peneliti dengan menggunakan sintesis koloid (colloidal synthesis) karena ini hanya menggunakan proses kimia dan biaya relatif murah. Metode proses larutan dapat dibagi 5 kategori : (1) sol-gel processing, (2) precipitation method, (3) water-oil microemulsions method, (4) polyol method dan (5) hydrothermal synthesis (Guozhong, 2004; Hosokawa, dkk. 2007; Abdullah, 2008).

Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode kopresipitasi dan metode sol-gel. Metode kopresipitasi digunakan untuk membuat nanopartikel ZnS, sedangkan metode sol-gel digunakan untuk membuat nanokomposit PVA/ZnS.

Kedua metode ini menggunakan larutan di dalam proses pembuatannya sehingga disebut juga ”wet method”. Metode kopresipitasi adalah metode yang menggunakan

(28)

dua zat atau lebih dalam larutan yang mengalami pengendapan. Pada metode sol-gel, sesuai namanya larutan mengalami perubahan fase sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi memiliki fraksi solid yang lebih besar daripada sol). Bahan-bahan yang digunakan sebagai katalis atau pelarutnya adalah urea, etanol, PVA, atau asam sitrat. Metode sol-gel dilakukan melalui proses kimia dimulai dari zat dalam bentuk ion dengan ukuran angstrom (10^-10 m) kemudian ditambahkan suatu pereaksi kimia sehingga ion tersebut bereaksi menghasilkan partikel yang lebih besar sampai dicapai ukuran nano (Brinker dan Scherer, 1990; Sakka, 2003).

PVA merupakan salah satu jenis polimer yang hidrofilik yang banyak digunakan dalam berbagai bidang khususnya kimia, farmasi dan kesehatan. PVA dapat dicampur dengan materi lain untuk mendapatkan komposit yang lebih baik sesuai dengan kegunaannya. Gea (2010) telah mencampur PVA dengan selulosa bakteri untuk mendapatkan modulus elastisitas yang tinggi, Campos, dkk. (2012) mencampur PVA dengan perak (Ag) untuk mendapatkan sifat konduktivitas yang lebih tinggi. Zhang (2011) menambah graphene oxide pada PVA untuk menghasilkan komposit yang memiliki kekuatan tarik yang tinggi. Produk yang dihasilkan akibat proses ini umumnya mempunyai sifat fisik yang baik, tidak beracun dan mempunyai kemampuan menyerap air yang relatif tinggi dan biokompatibel (Sun, dkk. 2009). Hidrogel PVA berikatan silang (crosslink) merupakan salah satu hasil modifikasi polimer PVA. Hidrogel ini mempunyai struktur jaringan berbentuk tiga dimensi yang memungkinkan masuknya zat-zat lain ke dalamnya. Oleh karena itu matriks hidrogel banyak digunakan untuk immobilisasi obat, sel, enzim, dan polisakarida (Erizal dan Rahayu, 2009)

Hidrogel PVA merupakan salah satu jenis hidrogel yang pada beberapa tahun belakangan ini dikembangkan untuk aplikasi, baik untuk keperluan di bidang kimia maupun kesehatan dan biomedis. Hal ini disebabkan hidrogel ini mempunyai sifat yang unik antara lain mempunyai suhu transisi 58^oC dengan derajat hidrolisis sebagian dan 85^oC dengan derajat hidrolisis penuh. Karena titik leleh PVA ini relatif rendah, maka diperlukan suatu penguat yang dapat memperbaiki sifat fisis dari material tersebut. PVA ini juga peka terhadap suhu, sehingga beberapa peneliti

(29)

ZnS sebagai penguat dan PVA sebagai matriks, sehingga terbentuk nanokomposit PVA/ZnS. Penelitian ini menggunakan metode kopresipitasi untuk mendapatkan nanopartikel ZnS dan metode sol-gel untuk mendapatkan nanokomposit PVA/ZnS.

Metode sol-gel merupakan salah satu metode yang cukup mudah dan sederhana dalam pembuatan nanopartikel dengan menggunakan peralatan yang tidak memerlukan dana yang terlalu tinggi. Nanopartikel ZnS dicampur dengan PVA menggunakan pengaduk magnet untuk menghasilkan nanokomposit PVA/ZnS.

Sampel yang sudah terbentuk dikarakterisasi dengan menggunakan XRD untuk menguji struktur dan phase yang terbentuk; peralatan SEM untuk mengetahui morfologi permukaan; Universal Testing Mechanic model UTC untuk menguji mekanis dan DSC untuk uji termal.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka perumusan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Bagaimana cara pembuatan nanopartikel ZnS dengan metode kopresipitasi.

2. Bagaimana struktur dan morfologi dari nanopartikel ZnS.

3. Bagaimana cara pembuatan nanokomposit PVA/ZnS dengan metode sol-gel.

4. Bagaimana pengaruh campuran nanopartikel ZnS dan PVA terhadap sifat mekanik nanokomposit PVA/ZnS.

5. Bagaimana pengaruh campuran nanopartikel ZnS dan PVA terhadap sifat termal nanokomposit PVA/ZnS.

1.3. Pembatasan Masalah

Mengingat luasnya permasalahan dalam penelitian ini, keterbatasan waktu dan kemampuan peneliti sehingga sasaran yang dicapai lebih sesuai maka penelitian ini dibatasi:

1. Matriks yang digunakan pada penelitian ini adalah PVA dan penguatnya adalah nanopartikel ZnS

2. Komposisi campuran antara PVA dan ZnS dibatasi pada komposisi berat 0%, 1%, 2%, 3% dan 4% untuk ZnS

(30)

3. Karakterisasi nanopartikel ZnS yang dilakukan adalah uji XRD untuk menentukan struktur dan ukuran dari nanopartikel ZnS, dan SEM untuk mengetahui morfologi

4. Karakterisasi nanokomposit PVA/ZnS yang dilakukan adalah uji mekanik yaitu kekuatan tarik, perpanjangan putus dan modulus Young. Uji SEM dan EDS untuk mengetahui morfologi dan kandungan zat pada nanokomposit.

Uji termal dengan DSC untuk menentukan titik leleh.

1.4. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk :

1. Mengetahui cara pembuatan nanopartikel ZnS dengan metode kopresipitasi.

2. Menentukan struktur, ukuran dan morfologi dari nanopartikel ZnS

3. Mengetahui cara pembuatan nanokomposit PVA/ZnS dengan metode sol-gel.

4. Menentukan pengaruh campuran nanopartikel ZnS dan PVA terhadap sifat mekanik nanokomposit PVA/ZnS

5. Menentukan pengaruh campuran nanopartikel ZnS dan PVA terhadap sifat termal nanokomposit PVA/ZnS

1.5. Manfaat Penelitian

Pembuatan sampel-sampel yang berskala nanometer memberikan informasi yang dapat ditindaklanjuti sesuai dengan karakteristik yang dihasilkan.

Dengan adanya studi awal ini diharapkan dapat memberikan kesempatan untuk menghasilkan material yang dapat digunakan sesuai karakteristik yang akan dihasilkan. Apabila hasil-hasil ini dikembangkan bersama dengan industri maka dihasilkan suatu alat yang siap pakai. Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan chasing, packing, film tipis dan bahan plastik yang mempunyai kekuatan mekanik yang lebih kuat dan mempunyai titik leleh yang lebih tinggi.

(31)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Komposit

Komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material, dimana sifat mekanik dari material pembentuknya berbeda-beda. Oleh karena karakteristik pembentuknya berbeda-beda, maka akan dihasilkan material baru yaitu komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material-material pembentuknya. Secara umum bentuk dasar suatu bahan komposit adalah tunggal dimana merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur bahan penyusunnya. Pada prakteknya komposit terdiri dari 2 bagian utama yaitu fase kontinu (matriks) dan fase diskontinu (penguat). Matriks berfungsi untuk perekat atau pengikat dan pelindung. Matriks yang umum digunakan adalah polimer, metal, keramik, dan lain-lain. Penguat (reinforcing) dapat berupa serat atau partikel, yang berfungsi sebagai penguat dari matriks. Penguat yang umum digunakan adalah glass, karbon, aramid, keramik alami dan kevlar seperti yang ditunjukkan Gambar 2.1.

Pembentukan komposit bertujuan untuk (Deborah, 2010):

a. Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu b. Mempermudah design yang sulit pada manufaktur

c. Keleluasaan dalam bentuk/disain yang dapat menghemat biaya d. Menjadikan bahan lebih ringan

Ciri-ciri bahan komposit adalah energi retakan besar, mudah dibuat dari berbagai zat penguat dan matriks, dengan sifat-sifat sebagai berikut:

- Memiliki kekuatan yang besar.

- Dapat dibuat sangat tegar (kaku) - Rapatannya rendah (ringan) - Kuat lelehan (fatigue) besar

- Sifat produk dapat diatur, disesuaikan terapannya (Hartomo,1995).

Bahan komposit dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa jenis, bergantung pada penyusunan dan jenis seratnya. Serat merupakan bahan utama dalam komposit

(32)

tersebut. Sifat-sifat mekanik bahan komposit seperti kekuatan, kekakuan, keliatan dan ketahanan tergantung dari penyusunan dan sifat-sifat seratnya.

Gambar 2.1. Diagram klasifikasi bahan komposit (Nicolais, dkk. 2011).

Serat merupakan bahan yang kuat, kaku, dan getas. Karena serat yang terutama menahan gaya yaitu: perekatan (bonding) antara serat dan matriks (interfacial bonding) sangat baik dan kuat. Sehingga serat tidak mudah lepas dari matriks (debonding). Kelangsingan (aspect ratio) yaitu perbandingan antara panjang dan diameter serat cukup besar.

2.2. Pengisi

Pengisi (filler) berfungsi sebagai penguat dari matriks. Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat (reinforcement) yang digunakannya, yaitu komposit serat, komposit laminat atau komposit struktur dan komposit partikel.

Adapun ilustrasi dari komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat pada Gambar

(33)

Gambar 2.2. Ilustrasi komposit berdasarkan reinforcement a. Partikel b. Fiber c. Struktur (Ashby, dkk. 1980).

2.2.1. Komposit Serat

Komposit serat merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat. Serat yang digunakan bisa berupa serat gelas, serat karbon, serat aramid (polyaramide), dan sebagainya.

Serat ini dapat disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan dapat juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman. Komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat oleh matriks. Komposit serat juga terdiri dari dua macam yaitu serat panjang (Continuous fiber) dan serat pendek (short fiber).

a) b) c)

Gambar 2.3. Orientasi serat: a) Searah b) Anyam c) Acak.

(34)

Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matriks akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matriks penyusun komposit.

Serat yang digunakan harus memiliki syarat sebagai berikut :

a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.

b) Harus mempunyai kekuatan tarik yang tinggi.

Parameter serat dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut :

Gambar 2.4. Parameter serat dalam pembuatan komposit (Ashby, dkk, 1980) 2.2.2. Komposit Laminat atau komposit struktur

Komposit laminat merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri. Komposit struktural dibentuk oleh penguat-penguat yang memiliki bentuk lembaran-lembaran. Berdasarkan struktur, komposit dapat dibagi menjadi dua yaitu struktur laminate dan struktur sandwich, ilustrasi dari kedua struktur komposit tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.5.

(35)

a b

Gambar 2.5. Ilustrasi komposit berdasarkan Struktur : a. Struktur laminate b. Sandwich panel (Ashby, dkk. 1980)

1) Laminate

Laminate adalah gabungan dari dua atau lebih lamina (satu lembar komposit dengan arah serat tertentu) yang membentuk elemen struktur secara integral pada komposit. Proses pembentukan lamina ini menjadi laminate dinamakan proses laminai. Sebagai elemen sebuah struktur, lamina yang serat penguatnya searah saja (unidirectional lamina) pada umumnya tidak menguntungkan karena memiliki sifat yang buruk. Untuk itulah struktur komposit dibuat dalam bentuk laminate yang terdiri dari beberapa macam lamina atau lapisan yang diorientasikan dalam arah yang diinginkan dan digabungkan bersama sebagai sebuah unit struktur. Mikrostruktur lamina dan jenis-jenis dari arah serat dapat dilihat pada Gambar 2.6 di bawah ini :

Gambar 2. 6. Mikrostruktur lamina (Ashby, dkk, 1980)

(36)

2) Sandwich panels

Komposit sandwich merupakan salah satu jenis komposit struktur yang sangat potensial untuk dikembangkan. Komposit sandwich merupakan komposit yang tersusun dari 3 lapisan yang terdiri dari komposit plat sebagai kulit permukaan (skin) serta material inti (core) di bagian tengahnya. Inti yang biasa dipakai adalah core import, seperti polyuretan (PU), polyvinyl clorida (PVC), dan honeycomb. Komposit sandwich dibuat dengan tujuan untuk efisiensi berat yang optimal, namun mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Sehinggga untuk mendapatkan karakteristik tersebut, pada bagian tengah di antara kedua skin dipasang core.

Komposit sandwich merupakan jenis komposit yang sangat cocok untuk menahan beban lentur, impak, meredam getaran dan suara. Komposit sandwich dibuat untuk mendapatkan struktur yang ringan tetapi mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Biasanya pemilihan bahan untuk komposit sandwich, syaratnya adalah ringan, tahan panas dan korosi, serta harga juga dipertimbangkan.

Dengan menggunakan material inti yang sangat ringan, maka akan dihasilkan komposit yang mempunyai sifat kuat, ringan, dan kaku. Komposit sandwich dapat diaplikasikan sebagai struktural maupun non-struktural bagian internal dan eksternal pada kereta, bus, truk, dan jenis kendaraan yang lainnya.

(37)

2.2.2. Komposit Partikel

Komposit partikel merupakan komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusikan secara merata dalam matriksnya. Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh matriks. Bentuk partikel ini dapat berupa bulatan, kubik, tetragonal atau bahkan bentuk-bentuk yang tidak beraturan tetapi secara rata-rata berdimensi sama.

Keuntungan dari komposit yang disusun oleh penguat berbentuk partikel:

- Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah

- Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material

- Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan menghalangi pergerakan dislokasi.

Proses produksi pada komposit yang disusun oleh penguat berbentuk partikel:

a) Metalurgi Serbuk

Metalurgi serbuk adalah metode yang terus dikembangkan dari proses manufaktur yang dapat mencapai bentuk komponen akhir dengan mencampurkan serbuk secara bersamaan dan dikompaksi dalam cetakan, dan selanjutnya disinter di dalam dapur. Tahapan metalurgi serbuk meliputi pencampuran, penekanan dan sintering. Pencampuran adalah menggabungkan 2 bahan serbuk atau lebih agar lebih homogen. Penekanan adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk tertentu yang sesuai dengan cetakannya. Sintering merupakan teknik untuk memproduksi material dengan densitas yang terkontrol dan komponen logam dan atau serbuk keramik dengan aplikasi termal.

b) Stir Casting

c) Infiltration Process d) Spray Deposition e) In-Situ Process

Panjang partikel dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai berikut : 1) Large particle

Komposit yang disusun oleh penguat berbentuk partikel, dimana interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular. Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata. Contoh dari large particle

(38)

composite adalah cemet dengan sand atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai partikel, sphereodite steel (cementite sebagai partikulat), tire (carbon sebagai partikulat), oxide-base cermet (oksida logam sebagai partikulat).

Gambar 2.8. Ilustrasi komposit pada tiga dimensi (a) partikel (b) serat pendek sebagai penguat (Yun Fu, dkk. 2009).

2) Dispersion strengthened particle

a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.

b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.

2.3. Sifat-sifat Bahan Komposit

Perkembangan teknologi komposit menjadi nanokomposit membuat kemajuan yang sangat pesat dalam membuat material baru yang memiliki sifat lebih baik dari komposit awalnya. Kemajuan ini telah mendorong peningkatan dalam permintaan terhadap bahan komposit. Perkembangan bidang sains dan teknologi mulai menyulitkan bahan konvensional seperti logam untuk memenuhi keperluan aplikasi baru. Bidang antariksa, perkapalan, automobile dan industri pengangkutan merupakan contoh aplikasi yang memerlukan bahan-bahan yang berdensity rendah, tahan karat, kuat, kokoh dan tegar. Pada kebanyakan bahan konvensional seperti keluli atau baja, walaupun kuat tetapi mempunyai densitas yang tinggi dan rapuh.

Sifat maupun karakteristik dari komposit ditentukan oleh : a. Material yang menjadi penyusun komposit

Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun

(39)

Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit (Schadler, 2003).

c. Interaksi antar penyusun

Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.

Beberapa penelitian telah menunjukkan bahan pengisi mempunyai peranan penting dalam memodifikasi sifat-sifat dari berbagai bahan polimer. Penambahan bahan pengisi akan meningkatkan sifat mekanik, termal, elektrik, optik dan sifat- sifat pemrosesan dari polimer. Peningkatan sifat-sifat ini tergantung pada banyak faktor, termasuk aspek rasio dari bahan pengisi, derajat dispersi dan orientasi dalam matriks, dan adhesi pada interface matriks-filler (Makadia, 2000).

Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan dibanding dengan bahan konvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat dilihat dari beberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanik dan fisik, kegunaan, kemudahan pemrosesan dan biaya. Komposit dibentuk dengan tujuan untuk memperbaiki sifat mekanik atau sifat spesifik tertentu sehingga manfaatnya sesuai dengan yang diharapkan. Di samping ini juga bertujuan untuk mempermudah disain, leluasa dalam bentuk yang dapat menghemat biaya dan menjadikan bahan lebih ringan.

Pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat mempunyai peranan penting dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks dan serat dapat menghasilkan komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi dari bahan tanpa campuran. Bahan komposit mempunyai densitas yang jauh lebih rendah dibanding dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam konteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam. Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam industri pembuatan seperti automobile dan pesawat. Ini karena berhubungan dengan penghematan bahan bakar.

Pada industri pesawat terdapat kecenderungan untuk menggantikan komponen yang dibuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti komposit mempunyai rintangan terhadap kelelahan (fatigue) yang baik terutama komposit

(40)

yang menggunakan serat karbon. Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari sisi daya guna yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik dapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang digunakan.

Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat dengan matriks untuk menghasilkan komposit hybrid seperti Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Gambar penggabungan komposit partikel dengan komposit serat pendek untuk menghasilkan komposit hybrid (Yun Fu, dkk. 2009).

Komposit mempunyai massa jenis rendah, lebih kuat dan lebih ringan, tidak getas, koefisien pemuaian yang rendah, tahan terhadap cuaca, korosi, mudah diproses (dibentuk), lebih mudah dibanding metal.

2.4. Polimer Nanokomposit

Nanokomposit merupakan gabungan antara pengisi dan matriks. Pengisi yang digunakan harus berdimensi nanometer. Jika pelbagai pengisi digunakan dalam penyediaan komposit, sekurang-kurangnya satu daripada pengisi tersebut berdimensi nanometer untuk dinyatakan komposit itu dikelaskan sebagai nanokomposit (Manias, dkk. 2007; Kumar, dkk. 2009).

Polimer Nanokomposit merupakan gabungan matriks polimer dan bahan pengisi yang berukuran nanometer. Apabila bahan pengisi berukuran nanometer ditambahkan kepada matriks polimer, bahan tersebut tersebar sebagai partikel halus,

(41)

langsung, kehadiran bahan pengisi ini mempengaruhi kekuatan komposit yang dihasilkan.

Jumlah bahan pengisi yang bertipe sangat kecil atau dalam dimensi nanometer hanya perlu digunakan dalam jumlah yang sedikit saja karena zarah nanometer menyediakan luas permukaan yang tinggi dan kebanyakan atom pada partikel tersebut berada pada permukaannya. Hal ini memberikan suatu kelebihan yang mempengaruhi sampel/partikel karena kereaktifan permukaan atom dapat digunakan sepenuhnya. Sebagai contoh, interaksi sebagian getah dengan pengisi tertentu boleh terbentuk melalui penyerapan fisika, penyerapan kimia dan interaksi mekanika antara pengisi dan matriks getah.

Bahan pengisi yang sering digunakan adalah silika. Kumpulan hidroksil pada permukaan silika menyebabkan interaksi yang kuat antara pengisi-pengisi dan penyerapan bahan berpolar melalui ikatan hidrogen (Choi, 2002). Ikatan hidrogen yang terbentuk melalui kumpulan silanol pada permukaan silika menyebabkan pembentukan struktur sekunder yaitu agregat dan aglomerat antara partikel-partikel silika. Hal ini menyebabkan penyebaran silika yang tak seimbang dan sifat pembalikan asal yang lemah jika dibandingkan dengan pengisi karbon hitam. Maka untuk mengatasi masalah ini alkil-silana digunakan bagi menggantikan silika. Ini bertujuan untuk mengurangi kumpulan silanol per unit luas permukaan dan secara tidak langsung dapat mengurangkan pembentukan agregat dan aglomerat sesama partikel silika melalui pengurangan kumpulan silanol. Semenjak akhir 1980-an, nanokomposit polimer telah dipelopori secara komersil oleh organisasi dan badan penelitian.

Toyota merupakan organisasi yang pertama mengkomersilkan nanokomposit melalui penggunaan komposit pada model keretanya. Semenjak itu, kebanyakan organisasi otomobil dan bukan otomobil mulai mengkaji nanokomposit secara meluas. Nanokomposit polimer menunjukkan sifat-sifat termal dan ketahanan yang lebih baik sesuai dengan polimer induknya. Diantaranya adalah memperbaiki ketahanan polimer, menghasilkan bahan yang lebih ringan, ketahanan suhu yang tinggi, memperbaiki permukaan polimer agar lebih cantik, memperbaiki kelemahan suatu polimer induk, pemprosesan yang lebih mudah dibanding resin konvensional (Lagashetty, dkk. 2005).

(42)

Nanokomposit logam-polimer merupakan salah satu contoh dari nanokomposit, yang menggunakan nanopartikel (nanostruktur logam) sebagai aditif dalam matriks polimer. Kegunaan nanomaterial ini diantaranya untuk devais optikal, filter warna, sensor, polizares, magnetic data storage nano-system dan lainnya.

Nanokomposit yang berupa nanopartikel logam yang didispersi ke dalam matriks polimer telah menarik minat para peneliti karena potensi aplikasinya yang sangat besar dalam bidang optoelektronika, piranti optik non-linier dan filler warna. Dalam komposit tersebut, partikel logam yang berukuran beberapa nanometer memperlihatkan sifat elektronik dan optik yang berbeda dengan logam dalam bentuk bulk yang dapat „ditune‟ dengan mudah dengan mengontrol ukuran partikel dan jarak antara partikel. Matriks polimer berperan sebagai pelindung nanopartikel terhadap kemungkinan perubahan kimiawi dan bersama-sama nanopartikel berperan meningkatkan kekuatan mekanik.

Komposit yang mengandung sebuah matriks polimer yang terinsulasi dan pengisi nanopartikel akan memiliki keuntungan berupa stabilitas jangka panjang yang baik dan juga akan menstimulasi timbulnya pengembangan lebih lanjut akan interaksi matriks dengan nanopartikel. Dengan mengintegrasikan dua atau lebih material dengan sifat yang saling melengkapi, material komposit menawarkan potensi yang lebih baik dibandingkan material utamanya. Sebagai contoh, keramik ferroelektrik memiliki konstanta dielektrik yang besar, tetapi rapuh dan kekuatan dielektriknya yang lemah. Di sisi lain, polimer cukup fleksibel, mudah di proses dengan temperatur rendah dan memiliki medan breakdown dielektrik tinggi. Dengan mengkombinasikan keduanya, dapat dikembangkan material baru yang memiliki konstanta dielektrik tinggi dan medan breakdown dielektrik yang tinggi.

Nanopartikel logam akan berpengaruh terhadap polimer tertentu dalam sifat mekanik dan fisiknya (glass transition, crystallinity, dan lain-lainl) yang akan berpotensi luasnya aplikasi (barrier properties, mechanical and fire resistance). Pada tahap ini, nanokomposit polimer-logam akan diaplikasikan pada devais optik, sensor optik, dan filter warna cahaya (Abdullah, 2008).

(43)

2.5. Partikulat ZnS

Zinc sulfat (seng sulfida) adalah senyawa kimia berupa bubuk berwarna kuning atau kristal dengan rumus ZnS. Hal ini biasanya ditemui dalam bentuk kubik yang lebih stabil, yang dikenal juga sebagai blende atau sfalerit. Bentuk heksagonal juga dikenal sebagai bahan sintetis dan mineral wurtzite. Bentuk tetragonal juga dikenal sebagai mineral yang sangat langka seperti polhemusite (Zn, Hg)S. Sfalerit dan wurtzite memiliki lebar celah pita semikonduktor sesuai dengan struktur kristalnya. Bentuk kubik memiliki lebar celah 3,54 eV pada 300 K sedangkan bentuk heksagonal memiliki lebar celah 3,91 eV. Transisi dari bentuk sfalerit ke bentuk wurtzite terjadi pada suhu sekitar 1020°C.

Gambar 2.10. Seng Blende dan Wurtzite (Heyes, 1999)

Struktur dari ZnS pertama kali diamati oleh kimiawan Perancis Théodore Sidot pada tahun 1866. Temuannya dilanjutkan oleh ahli kimia terkenal AE Becquerel yang terlibat dalam penelitian struktur dan morfologi ZnS. ZnS digunakan oleh Ernest Rutherford pada fisika nuklir sebagai detektor kilau, karena memancarkan cahaya pada eksitasi oleh sinar-X atau sinar elektron, sehingga berguna untuk layar sinar-X dan tabung sinar katoda (Hans, 2009).

Zinc sulfat dapat ditambahkan beberapa ppm untuk digunakan sebagai pemendar dalam banyak aplikasi. Misalnya tabung sinar katoda melalui sinar-X pada layar dapat bersinar dalam ruang gelap. Ketika perak digunakan sebagai penggerak, warna yang dihasilkan adalah biru terang, dengan panjang gelombang maksimum sebesar 450 nm. Mangan menghasilkan sebuah warna oranye-merah di sekitar 590 nm. Tembaga memerlukan waktu lama untuk bercahaya pada ruang gelap dan

(44)

cahaya yang dipancarkan berwarna kehijauan. Tembaga sulfida doping seng (ZnS + Cu) digunakan sebagai panel elektroluminisens.

Zinc sulfat juga digunakan sebagai bahan optik inframerah, transmisi terlihat dari panjang gelombang yang berubah menjadi lebih dari 12 mikrometer. Hal ini dapat digunakan planar sebagai jendela optik atau dibentuk menjadi sebuah lensa.

Hal ini dibuat sebagai lapisan mikrokristalin oleh sintesis dari hidrogen sulfida gas dan uap seng dan dijual sebagai Forward Looking IR (FLIR). ZnS dapat diolah karena keduanya jenis semikonduktor tipe-n dan semikonduktor tipe-p, yang tidak biasa untuk semikonduktor II-VI. Hal ini mudah dihasilkan dengan mencampur sejumlah seng dan belerang sebagai pemercepat reaksi. Seng sulfida tidak larut dalam air dan larutan yang mengandung Zn²⁺ mudah mengendap di dalam ion sulfide, misalnya dari H2S.

Zn²⁺(s) + S²⁻(s) → ZnS(s) ………(2.1)

Hal ini telah membentuk dasar dari suatu analisis gravimetri untuk seng.

Sehingga dihasilkan seng sulfida yang jumlahnya lebih banyak dari oksida seng dan sebagai produk sampingan dari sintesis adalah amonia dan metana.

ZnS adalah logam semikonduktor II-VI yang materialnya dapat diaplikasikan di dunia industri optoelektronik (untuk perangkat elektroluminisens, sel surya, dan peralatan optoelektronik lainnya). Sifat optik dan listrik dari seng sulfida bergantung pada ukuran partikel. Seng sulfida adalah semikonduktor II-VI dengan lebar celah yang besar 3,50-3,70 eV dalam rentang UV. Hal ini digunakan sebagai bahan utama untuk memancarkan dioda cahaya.

2.6. Metode Kopresipitasi

Pembuatan nanopartikel dapat dibagi dua bagian yaitu secara top-down dan bottom-up. Top-down merupakan metode pembuatan nanopartikel dengan cara memecah partikel berukuran besar menjadi partikel berukuran nanometer. Contoh metode top-down adalah penggerusan dengan alat ball-milling. Bottom-up merupakan pembuatan nanopartikel dengan cara merangkai atom-atom atau molekul-

(45)

membentuk partikel berkuran nanometer (Greiner, 2009). Sintesis nanopartikel dengan metode top-down dan bottom-up dapat dilihat pada Gambar 2.11. Metode sintesis nanopartikel dengan bottom-up menggunakan larutan dalam proses pembuatannya. Beberapa metode proses larutan untuk sintesis nanopartikel yaitu sol-gel processing, co-precipitation method, water-oil microemulsions method, polyol method dan hydrothermal synthesis (Dutta dan Hofmann, 2005; Kosa, dkk.

2009).

Gambar 2.11. Metode sintesis nanopartikel top down- bottom up (Abdullah, 2008).

Metode kopresipitasi merupakan salah satu metode sintesis senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama–sama ketika melewati titik jenuhnya. Metode kopresipitasi dilakukan dengan cara zat aktif dilarutkan ke dalam pelarut, lalu ditambahkan larutan lain yang bukan pelarut (anti-solvent). Hal ini menyebabkan larutan menjadi jenuh dan terjadi nukleasi yang cepat sehingga membentuk nanopartikel (Kenth, 2009). Kelebihan metode ini adalah prosesnya sederhana dan biaya rendah. Menurut Haskell (2005), metode kopresipitasi dilakukan dengan mengendalikan kelarutan bahan di dalam larutan melalui perubahan pH, suhu, atau pelarut. Beberapa zat yang paling umum digunakan sebagai zat pengendap dalam kopresipitasi adalah hidroksida, karbonat, sulfat dan oksalat. Endapan yang dihasilkan dari kondisi sangat jenuh memiliki