BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Bahan Komposit
Komposit berasal dari kata kerja “to compose“ yang berarti menyusun atau
menggabung. Jadi secara sederhana bahan komposit berarti bahan gabungan dari dua atau lebih bahan yang berlainan yang tersusun dengan fasa matrik dan penguat yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat mekanik dan fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material penyusun [9-10].
Adapun kelebihan-kelebihan material komposit dibandingkan material yang lain adalah [11]:
- Mempunyai ketahan terhadap degradasi lingkungan dan korosi yang baik. - Mempunyai nilai kekuatan dan kekakuan yang cukup tinggi.
- Mudah diproses sesuai dengan kebutuhan produk, misalnya diproses membuat profil aerodinamis.
- Komposit lebih stabil dengan konduktivitas termal yang rendah
Pembuatan atau perakitannya termasuk sederhana, sehingga dapat mengurangi biaya pembuatan.
2.2ANTARMUKA DAN ANTARFASA
2.3RESIN EPOKSI
Resin epoksi didefinisikan sebagai molekul yang terdiri atas lebih dari satu gugus epoxide. Gugus epoxide juga disebut sebagai oxirane atau gugus ethoxyline
yang memiliki struktur seperti pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Struktur gugus epoxide
Resin epoksi termasuk dalam jenis polimer termoset. Terdapat dua tipe utama dari resin epoksi, yaitu epoksi glycidyl dan epoksi non-glycidyl. Glycidyl merupakan epoksi yang dibuat melalui reaksi kondensasi campuran antara dihydroxy, dibasic acid
atau diamine dengan epichlorohydrin. Epoksi glycidyl diklasifikasikan menjadi
glycidyl-ether, glycidyl ester, dan glycidyl-amine. Sedangkan epoksi non-glycidyl dibuat dari peroksidasi ikatan ganda olifinic. Epoksi non-glycidyl dapat berupa resin epoksi aliphatic atau cycloaliphatic.
Epoksi yang biasa digunakan adalah jenis epoksi glycidyl-ether seperti diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA) dan resin epoksi novolac.
1. Diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA) Resin epoksi komersial pertama dan paling umum digunakan adalah resin epoksi Diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA) yang disentesis dari reaksi antara bishphenol-A dengan ephichlorohydrin. Struktur resin epoksi DGEBA ditunjukkan pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Struktur DGEBA
2. Resin Epoksi Novolac
Resin epoksi novolac berasal dari resin phenolic novolac dari glycidyl ether. Fenol direaksikan dalam jumlah berlebih dengan formaldehid dan dengan batuan katalis asam untuk menghasilkan resin phenolic novolac. Resin epoksi novolac
disintesis dengan mereaksikan resin phenolic novolac dengan epichlorohydrin dengan batuan natrium hidroksida sebagai katalis. Struktur resin epoksi novolac ditunjukkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Struktur resin epoksi novolac
Resin epoksi novolac secara umum terdiri atas banyak gugus epoxide. Jumlah gugus epoxide per molekul bergantung pada jumlah gugus phenolic hydroxide di dalam resin phenolic novolac. Gugus epoxide yang banyak memungkinkan resin ini mencapai tingkat cross-link yang besar sehingga menghasilkan ketahanan terhadap temperatur, kimia, dan pelarut yang sangat baik. Resin epoksi novolac biasa digunakan untuk memformulakan pencetakan campuran dalam pengemasan mikroelektronik karena menunjukkan performance yang sangat baik pada temperatur tinggi, sifat mekanik, sifat kelistrikan, resistan terhadap panas dan kelembaban [3].
2.4Bentonit
Bentonit merupakan mineral clay yang dihasilkan dari hasil pelapukan dan reaksi hidrotermal batuan lava (vulkanik). Sebagian besar bentonit merupakan mineral smektit, biasanya montmorillonite. Selain montmorillonite, bentonit juga mengandung mineral pengotor lain, seperti kuarsa, illite, kristobalit, feldspar, kalsit, gipsum, kaolinit dan plagioklas.
Terdapat beberapa tipe bentonit yang penamaannya berdasarkan pada unsur-unsur dominan penyusunnya, seperti K, Na, Ca, dan Al. Yang pertama adalah tipe
dalam air, maka bentonit akan mengembang hingga delapan kali volume awal dan akan terdispersikan cukup lama sehingga sulit untuk disedimentasi. Karena kemampuan mengembangnya, maka sodium bentonite dapat digunakan sebagai
sealant, khususnya untuk menutup sistem pembuangan subsurface untuk bahan bakar nuklir dan untuk mengkarantina logam pengotor pada air bawah tanah. Selain itu, karena sifat koloidnya yang sangat baik, Na-bentonit juga terkadang digunakan dalam lumpur bor pada sumur minyak dan gas.
Tipe bentonit lainnya adalah non-swelling atau calcium bentonite yang lebih banyak kandungan Ca2+ pada interlayernya. Ca-bentonit biasa digunakan sebagai bahan pemucat warna, penjernih minyak goreng, serta bahan perekat pasir cetak. Dengan penambahan zat kimia pada kondisi tertentu, Ca-bentonit dapat dimanfaatkan sebagi bahan lumpur bor setelah melalui pertukaran ion, sehingga terjadi perubahan menjadi Na-bentonit dan diharapkan terjadi peningkatan sifat reologi dari suspensi mineral tersebut agar mencapai persyaratan sebagai bahan lumpur sesuai dengan spesifikasi standar.
Bentonit mengandung montmorilonit, dan sisanya sebagai mineral pengotor yang terdiri dari campuran mineral kuarsa, feldspar, kalsit, gipsum, dan lain-lain. Bentonit dapat digunakan sebagai material paduan karena merupakan
nanoreinforcement yang memiliki lapisan-lapisan berukuran nano [13].
Penelitian tentang penggunaan bentonit sebagai pengisi pada bahan-bahan polimer telah banyak dilakukan diantaranya :
1. Juliani (2013) melakukan penelitian tentang penggunaan bentonit sebagai pengisi pada matriks high density polyethylene (HDPE) [14].
2. Othman (2007) membuat komposit polipropilen berpengisi bentonit [1].
3. Motawie dkk (2014) menggunakan bentonit yang telah dimodifikasi dengan surfaktan sebagai pengisi pada poliester tidak jenuh [15].
2.5Surfaktan
menunjukkan sifat yang berbeda. Bagian kepala bersifat hidrofilik (suka air) dan bagian ekor bersifat hidrofobik (tidak suka air). Bagian hidrofilik surfaktan merupakan ion logam atau senyawaan logam, sedangkan bagian hidrofobik surfaktan merupakan rantai hidrokarbon alkil atau alkilaril. Karena surfaktan terbentuk daru dua bagian yang memiliki kecenderungan yang berbeda itulah maka surfaktan dapat dikatakan memiliki kepribadian ganda. Surfaktan dapat dikelompokkan berdasarkan muatan pada gugus hidrofiliknya, antara lain:
1. Surfaktan non-ionik
Surfaktan non-ionik memiliki gugus hidrofilik yang tidak bermuatan di dalam larutan. Umumnya surfaktan non-ionik merupakan senyawa alkohol. Contoh surfaktan non-ionik adalah eter alkohol
2. Surfaktan kationik
Surfaktan kationik memiliki gugus hidrofilik yang bermuatan positif di dalam larutan. Umumnya surfaktan kationik merupakan senyawa amonium kuartener. Contoh surfaktan kationik adalah heksadesiltrimetil amonium bromida (HDTMA+Br-) C
16H33N+(CH3)3Br- dan oktadesiltrometil amonium bromida (OTMABr) C18H37N+(CH3)3Br-.
3. Surfaktan anionik
Surfaktan anionik memiliki gugus hidrofilik yang bermuatan negatif di dalam larutan. Surfaktan anionik mengandung gugus sulfat, sulfonat, atau karboksilat. Contoh surfaktan anionik diantaranya adalah alkyl sulphates, alkyl ethoxylate sulphate dan sabun.
4. Surfaktan zwitter ionik (amfoter)
Surfaktan zwitter ionik memiliki gugus hidrofilik yang dapat bermuatan positif (kationik), negatif (anionik) maupun tidak bermuatan (non-ionik) di dalam larutan, bergantung pada pH larutan. Umumnya surfaktan zwitter ionik merupakan senyawa betain dan asam amino. Contoh surfaktan zwitter ionik adalah alkyl betaine.
bentonit yang semula bersifat hidrofilik berubah menjadi organofilik. Perubahan sifat bentonit merupakan hasil dari penggantian kation anorganik pada bentonit dengan kation organik surfaktan. Dengan masuknya surfaktan ke dalam bentonit, d-spacing pada bentonitpun bertambah besar (terinterkalasi) [6].
2.6 Cetyltrimethylammonium Bromida
Cetyltrimethylammonium Bromida (CTAB) merupakan surfaktan yang sedang dikembangkan dalam pengaruhnya terhadap ukuran dan bentuk dari nanopartikel. Dari hasil penelitian Nakahara., dkk (2011) diketahui juga bahwa CTAB dapat menurunkan tegangan permukaan pada suatu bahan . Selain itu, CTAB juga merupakan surfaktan kationik yang digunakan secara luas sebagai antiseptik, dan dapat ditemukan dalam banyak produk rumah tangga seperti shampo, kondisioner rambut dan kosmetik [16-18]. Sedangkan pada komposit, CTAB merupakan surfaktan ionik yang digunakan dalam mensintesis zat silika yang digunakan sebagai nanopartikel dan juga CTAB digunakan sebagai pemodifikasi permukaan dalam pembuatan komposit clay
Gambar 2.4 Rumus Molekul CTAB
Permukaan clay yang bermuatan negatif dapat dimodifikasi dengan surfaktan melalui reaksi pertukaran ion. Modifikasi ini menyebabkan clay yang semula hidrofilik menjadi organofilik. Banyak penelitian memodifikasi bentonit dengan menggunakan alkil amoniun kuarterner sebagai surfaktan kation salah satunya menggunakan CTAB. Reaksi pertukaran ion memudahkan surfktan kationik terinterkalasi ke dalam lapisan clay, sehingga menambah jarak basal spacing
antarlapis clay. Reaksi antara CTAB dengan bentonit ditunjukkan sebagai berikut: C19H42N+Br++ Na+-bentonit C19H42N+-bentonit + Na+Br-
Proses pertukaran kation terjadi bersamaan dengan proses swelling dari bentonit. Pada saat bentonit berada pada lingkungan air, maka ion-ion positif akan meninggalkan matrik bentonit. Karena molekul air bermuatan polar maka molekul air akan tertarik pada matrik bentonit dan kation akan terlepas dari bentonit. Apabila terjadi proses balik yaitu penarikan kation oleh bentonit, molekul air yang bermuatan positif akan tertarik menuju bentonit. Sehingga terjadi proses mengembang dari bentonit yang lebih dikenal dengan sebutan swelling.
Ada beberapa penyebab yang mengakibatkan bentonit memiliki kapasitas pertukaran kation yaitu :
1. Karena adanya ikatan yang terputus disekeliling sisi silika-alumina sehingga menimbulkan muatan yang tidak seimbang, dan untuk menyeimbangkannya kembali diperlukan penyerapan kation.
2. Terjadinya substitusi alumina bervalensi tiga didalam kristal bentonit. [21]
2.7 Titanium Dioksida
Titanium dioksida (TiO2) juga bisa disebut Titania atau Titanium (IV) oksida merupakan bentuk oksida dari titanium secara kimia dapat dituliskan TiO2. Senyawa ini dimanfaatkan secara luas dalam bidang anatas sebagai pigmen, bakterisida, pasta gigi, fotokatalis dan elektroda dalam sel surya. Titanium dioksida (TiO2) dapat dihasilkan dari reaksi antara senyawa titanium tetraklorida (TiCl4) dan O2 yang dilewatkan melalui lorong silika pada suhu 700oC. Senyawa TiO2 bersifat amfoter, terlarut secara lambat dalam H2SO4(aq) pekat, membentuk kristal sulfat dan menghasilkan produk titanat dengan alkali cair. Sifat senyawa TiO2 adalah tidak tembus cahaya, mempunyai warna putih, lembam, tidak beracun, dan harganya relatif murah. Titanium dioksida dapat dihasilkan dari proses sulfat ataupun klorin.
yang lebih tinggi akan menghasilkan luas permukaan aktif yang lebih besar sehingga menghasilkan fotoaktivitas yang lebih efektif.
Serbuk TiO2 dengan struktur rutil paling luas penggunaanya karena indeks biasanya yang tinggi, warna yang kuat, dan sifat kimianya yang inert. Struktur anatas lebih baik untuk aplikasi sel surya berbasis sensitiser zat warna pada lapis tipis TiO2 [22].
2.8 Metoda Penyediaan Komposit
Salah satu metoda penyediaan komposit yaitu metoda hand lay-up merupakan metoda yang digunakan untuk mencetak bahan polimer termoset yang mengalami pengeringan (curing) pada suhu ruangan. Reaksi kimia pada resin polimer diawali dengan adanya penambahan katalis yang mengakibatkan resin mengeras. Dalam pencetakan, sebuah cetakan terbuka (open mold) digunakan. Untuk mendapatkan permukaan yang baik, maka terlebih dahulu disemprotkan sebuah pigmen gel coat pada permukaan cetakan. Resin dan pengisi kemudian ditempatkan di cetakan. Udara yang masih ada dihilangkan dengan menggunakan kuas, roller, ataupun brush dabbing. Lapisan pengisi dan resin ditambahkan dengan tujuan untuk penebalan kemudian ke dalamnya ditambahkan katalis atau akselerator yang akan mengeringkan resin tanpa perlu adanya penambahan panas. Oleh karena itu, proses curing pada metoda hand lay-up dikatakan berlangsung pada suhu ruangan. Metoda hand lay up
sangat cocok digunakan untuk keperluan produksi yang rendah karena menggunakan peralatan dan biaya yang tidak begitu besar [12].
2.9 Pengujian/Karakterisasi Bahan Komposit 2.9.1 Analisa Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
Kekuatan tarik merupakan salah satu sifat bahan polimer yang terpenting dan sering digunakan untuk uji sifat suatu bahan polimer. Penarikan suatu bahan biasanya menyebabkan terjadi perubahan bentuk dimana penipisan pada tebal dan pemanjangan. Kekuatan tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang mula-mula, dimensinya sama dengan tegangan.
Pada peregangan suatu bahan polimer, pemanjangan tidak selalu berbanding lurus dengan beban yang diberikan, dan pada penurunan kembali beban,sebahagian regangannya hilang, karena bahan polimer bukan merupakan bahan sepenuhnya elastis tetapi ada sifat viskositasnya, [23].
2.9.2 Analisa Kekuatan Bentur (Impact Strength)
Pengujian impak dilakukan untuk mengetahui karakteristik patah dari bahan. Pengujian ini biasanya mengikuti dua metoda yaitu metoda Charpy dan Izod yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan impak, yang kadang juga disebut seabgai ketangguhan ketok (notch toughness). Untuk metoda Charpy dan Izod, spesimen berupa dalam bentuk persegi dimana terdapat bentuk V-notch (Gambar 2.6).
Peralatan untuk melakukan kekuatan impak spesimen V-notch ditunjukkan pada Gambar 2.6. Beban didapat dari tumbukan pendulum yang dilepas dari ketinggian h. Spesimen diletakkan di dasar seperti pada Gambar 2.6. Ketika dilepas ujung pisau pada pendulum akan menghantam dan mematahkan spesimen pada titik ketoknya (notch) yang bekerja sebagai titik tegangan untuk benturan kecepatan tinggi. Pendulum terus berayun, naik sampai ketinggian maksimum h' yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap, yang diukur dari perbedaan ketinggian h dan h' merupakan pengukuran kekuatan impak. Perbedaan antara metoda Charpy dan Izod yaitu bergantung pada peletakan support spesimen seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6 [24]
Gambar 2.7 Skema Pengujian Impak 2.9.3 Analisa Penyerapan Air oleh Komposit
Menurut Lokantara dan Suardana (2009), penyerapan air (water-absorption) dalam komposit merupakan kemampuan komposit dalam menyerap uap air dalam waktu tertentu. Penyerapan air pada komposit merupakan salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit di luar ruangan. Semua komposit polimer akan menyerap air jika berada di udara lembab atau ketika polimer tersebut dicelupkan di dalam air. Salah satu sifat bentonit adalah dapat mengembang atau
swelling, ketika struktur dari montmorillonit yang merupakan penyusun utama Specimen
Anvil End of Swing
Pointer
Scale
bentonit mengalami kontak dengan air, akan terjadi pertukaran ion dan air akan masuk ke antara lapisan. Hal ini dapat mengakibatkan pengembangan pada lapisan struktur montmorillonit. Hal ini membuktikan bahwa struktur dari clay dapat mempercepat laju penyerapan air [25]. Penurunan dari ikatan interface yang diakibatkan oleh penyerapan air dapat menurunkan sifat mekanis komposit [26]. Oleh karena itu perlu dilakukan analisa penyerapan air pada komposit karena pengaruh penyerapan air yang sangat penting.
2.9.4 KARAKTERISASI FOURIER-TRANSFORM INFRA-RED (FT – IR). Spektrofotometer infra merah terutama ditujukan untuk senyawa organik yaitu menentukan gugus fungsional yang dimiliki senyawa tersebut. Pola pada daerah sidikjadi sangat berbeda satu dengan yang lain, karenanya hal ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi senyawa tersebut. Penetapan secara kualitatif dapat dilakukan dengan membandingkan tinggi peak (transmitansi) pada panjang gelombang tertentu yang dihasilkan oleh zat yang diuji dan zat yang standar. Dalam ilmu material analisa ini digunakan untuk mengetahui ada tidaknya reaksi atau interaksi antara bahan-bahan yang dicampurkan. Selain itu, nilai intensitas gugus yang terdeteksi dapat menentukan jumlah bahan yang bereaksi atau yang terkandung dalam suatu campuran [27].
2.9.5 ANALISA SCANNING ELECTRON MICROSCOPY (SEM)
Analisa SEM dilakukan untuk mempelajari sifat morfologi terhadap sampel. SEM adalah adalah alat yang dapat membentuk bayangan permukaan spesimen secara mikroskopik. Berkas elektron dengan diameter 5-10 nm diarahkan pada spesimen. Interaksi berkas elektron dengan spesimen menghasilkan beberapa fenomena yaitu hamburan balik berkas elektron, sinar X, elektron sekunder, dan absorpsi elektron.
menggambarkan struktur permukaan spesimen. Selanjutnya gambar di monitor dapat dipotret dengan menggunakan film hitam putih atau dapat pula direkam ke dalam suatu disket.
Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai konduktifitas yang tinggi, karena polimer mempunyai konduktifitas rendah, maka bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan pengantar) yang tipis. Bahan yang biasa digunakan adalah perak, tetapi jika dianalisa dalam waktu yang lama, lebih baik digunakan emas atau campuran emas dan pallladium [28].
2.10 Aplikasi Produk
Komposit epoksi-clay menunjukkan peningkatan sifat termo mekanik bahkan dengan jumlah lapisan silikat yang sedikit (≤5%). Peningkatan meliputi nilai modulus yang lebih tinggi, peningkatan kekuatan, ketahanan panas, pengurangan permeabilitas gas, pengurangan koefisien ekspansi termal. Alasan utama dalam peningkatan sifat-sifat komposit adalah besarnya interaksi interfasa antara matriks dan lapisan silikat dan juga aspek rasio yang tinggi dari partikel clay yang terdispersi.
Karena besarnya peningkatan yang teramati dalam sifat mekanik, termal, dan pelindung, komposit epoksi-clay dapat digunakan pada berbagai aplikasi yang spesifik di industri aerospace, industri pertahanan dan mobil. Komposit ini juga digunakan di struktural kinerja tinggi dan juga aplikasi fungsional seperti laminasi dan komposit, perekat, perkakas, cetakan, pengecoran, elektronik dan konstruksi [29].
