“Struktur/Morfologi Serat Karbon dan Perlakuan Untuk Memperbaiki Kualitas Permukaan”
Serat karbon merupakan penguat yang tangguh dan kuat untuk komposit polimer serta paling sering digunakan setelah serat gelas. Penguatan dalam komposit hanya dapat dicapai jika terjadi pemidahan beban tegangan antara serat dan matrik.
Serat karbon memiliki sifat memindahkan tegangan yang baik pada arah beban memanjang atau beban tarik karena susunan lapisan karbon atau orientasi struktur kristalnya cenderung dalam arah paralel terhadap sumbu serat [1]. Dengan kata lain, serat karbon memiliki tensile energy absorption yang tinggi pada kondisi beban tarik [2]. Selain kekuatan tarik yang tinggi, serat karbon banyak diterapkan sebagai penguat karena memiliki densitas rendah, tahan terhadap korosi dan fatik [3].
Secara natural, serat karbon komersiil (precursor PAN (polyacrylionitrile) dan pich) tipe I (HM = high modulus) maupun tipe II (HT = high tension) memiliki struktur morfologi yang mampu mengikat matrik secara mekanik dengan keberadaan micro- porous di dalamnya [4]. Porositas dalam serat karbon diukur dengan menggunakan penghamburan (scaterring) sinar X. Data hasil pengukuran sinar X bisa dipakai untuk mengestimasikan ukuran, bentuk dan orientasi rongga. Karakteristik porositas ini biasanya akan mengalami perubahan pada saat srat mengalami heat treatment dan tarikan
Bagian-bagian detail dari struktur serat karbon tipe I precursor PAN ditampilkan pada Gambar 1 [5][6]. Basic structural units (BSU) serat karbon mengikuti kristal grafit dengan lateral extension 2 – 6 nm dan stacking high 1 – 10 nm tergantung pada suhu akhir grafitisasi PAN [7]. Secara umum, struktur microcrystalline dengan orientasi tertinggi terdapat pada daerah selubung (kulit) serat karbon. Permukaan kulit serat karbon biasanya memiliki densitas lebih tinggi atau lebih padat dibandingkan pada bagian dalamnya. Pembentukan permukaan kulit terkait dengan kondisi koagulasi selama proses spinning. Pembentukan microdomain saat koagulasi memungkinkan struktur serat mengalami bending dan twist sehingga menyebabkan serat karbon mengalami cacat, rongga, dislokasi dan mengandung impurities [8]. Namun, hanya bergeser sedikit ke bagian dalam dari kulit struktur kristal menunjukkan orientasi yang tidak beraturan. Distribusi dan orientasi lembaran kristal berperan penting dalam
menentukan kekuatan dan kekakuan serat karbon. Struktur kristalin yang tersusun searah dengan sumbu serat dan tanpa adanya cacat akan menghasilkan kekakuan dan kekuatan serat yang tinggi namun keuletannya rendah [9].
Gambar 1. Struktur serat karbon tipe I – PAN [5] dan microdomain dalam serat karbon: (A) daerah kulit (selubung), (B) daerah inti (core); (C) cacat hairpin, (D) pasak (wedge) [6].
Struktur kristal pada kulit serat karbon membentuk bidang basal dan sisi (edge).
Panel energi atom karbon sp2 yang memiliki atom bebas dapat membentuk ikatan kuat karbon-oksigen (senyawa karboksil) secara chemisorbing yang selanjutnya berkontribusi dalam mengikat resin matrik atau binder [10]. Bidang basal pada permukaan juga mampu berinteraksi dengan resin tetapi tidak sekuat senyawa karboksil. Gugus senyawa karboksil pada permukaan serat jumlahnya terbatas yakni hanya 13% [11], maka perlu upaya untuk memperbaiki kualitan ikatan antara serat karbon dan resin matrik.
Perbaikan adesifitas matrik dan serat dapat diatasi dengan memodifikasi permukaan (surface treatment/modification) serat karbon atau mengubah gugus kimianya (grafting) [10]. Surface treatment umumnya dilakukan untuk mengubah fisik permukaan serat dengan memperkasar permukaan serat yang akan menghasilkan penambahan luas permukaan, yakni memperbanyak jumlah contact point dan microporous. Modifikasi permukaan yang berhasil akan (a) meningkatkan wetability permukaan serat oleh resin matrik, (b) memungkinkan molekul matrik secara fisik
mengikat atau berdifusi ke dalam jaringan molekul permukaan serat, (c) memperbaiki mechanical interlocking antara serat dan matrik, (d) menambah kekasaran dengan membentuk tapak baru yang aktif pada permukaan [12]. Surface treatment serat karbon dilakukan dengan beberapa metode seperti yang diuraikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Metode perlakuan untuk modifikasi permukaan serat carbon.
Metode Prinsip Hasil Perlakuan
Oksidasi Memasukan serat karbon pada media gas (udara, oksigen atau ozon) atau larutan (HNO3 atau asam hidroklorik) kemudian suhu media dinaikkan hingga skala tertentu.
Hasil perlakuan tergantung pada kualitas serat, konsentrasi media oksidasi, suhu dan waktu perlakuan. Umumnya didapat peningkatan surface area yang cukup signifikan hingga sepuluh kali tetapi kekuatan tarik serat menurun [13].
Plasma
Treatment Menembakkan gelombang atau sinar plasma yang berasal dari eksitasi gas (udara, oksigen atau nitrogen) pada permukaan serat karbon.
Perlakuan hanya terjadi pada permukaan serat dengan membentuk radikal bebas, ion dan unsur meta-stabil yang bisa membantu terjadinya ikatan kimia atau cross link dengan matrik [14].
Kontaminan dapat dihilagkan dengan sempurna dan meningkatkan surface energy sehingga memperbaiki wetability serat karbon [15].
Gama Treatment Memaparkan serat karbon pada radiasi sinar gama atau laser dengan intensitas tertentu.
Sinar gama menghasilkan pengkasaran yang cepat dan membentuk radikal bebas carboxyl dan hydroxyl pada permukaan serat karbon [16].
Alcoholic
Treatmnet Merendam serat karbon di dalam larutan senyawa alkali (alcoholic solution)
Perlakuan ini paling sederhana dan dapat menghasilkan peningkatan kekasaran dan luas permukaan serat karbon yang memungkinkan menambah mechanical interlocking [17].
Electrochemical
Oxydation Mengelektrolisa serat karbon dalam larutan elektrolit (NaOH atau H2SO4 atau KNO3)
Oksidasi elektro-kimia merupakan metode yang paling banyak diterapkan pada industri. Metode ini menghasilkan gugus karboksil yang dominan pada permukaan serat serta peningkatan luas permukaan serat dengan membentuk jaringan microporous yang ukuran porous-nya mengalami pembesaran melalui mekanisme solvation-pore penetration-swelling [18].
Pada intinya, ikatan interfacial antara matrik-serat yang lebih baik didapat pada komposit yang diperkuat dengan serat karbon yang dioksidasi dan medapat perlakuan panas tambahan dibandingkan diperkuat serat karbon tanpa perlakuan [19]. Kekuatan ikatan serat-matrik sangat ditentukan oleh kekasaran permukaan dan microporosity sedangkan penambahan zat reaktif tidak berkontribusi secara signifikan dalam memperbaiki kekuatai ikatan [20].
Referensi
1. Kumar S, Anderson D. P, Crasto AS. Carbon fibre compressive strength and its dependence on structure and morphology. Journal of Materials Science 1993;
28(2): 423–439. DOI: 10.1007/BF00357820.
2. Bajpai P (P. Update on carbon fibre electronic resource]. 2013.
3. Deng J, Xu L, Zhang L, Peng J, Guo S, Liu J, et al. Recycling of carbon fibers from CFRP waste by microwave thermolysis. Processes 2019; 7(4): 1–12. DOI:
10.3390/pr7040207.
4. Guigon M, Oberlin A. Heat-treatment of high tensile strength PAN-based carbon fibres: Microtexture, structure and mechanical properties. Composites Science and Technology 1986; 27(1): 1–23. DOI: 10.1016/0266-3538(86)90060-6.
5. Barnet FR, Norr MK. A three-dimensional structural model for a high modulus pan-based carbon fibre. Composites 1976; 7(2): 93–99. DOI: 10.1016/0010- 4361(76)90019-7.
6. Park SJ. Carbon Fibers. Springer Series in Materials Science; 2018. DOI:
10.1007/978-981-13-0538-2.
7. Frank O, Tsoukleri G, Riaz I, Papagelis K, Parthenios J, Ferrari AC, et al.
Development of a universal stress sensor for graphene and carbon fibres. Nature Communications 2011; 2(1): 255–262. DOI: 10.1038/ncomms1247.
8. Minus ML, Kumar S. The processing, properties, and structure of carbon fibers.
Jom 2005; 57(2): 52–58. DOI: 10.1007/s11837-005-0217-8.
9. Babu NS, Tiwari SB, Nageswara RB. Structural and Morphological Features of Graphitised Carbon Fibres. Trends in Applied Sciences Research 2006; 1(3):
204–213. DOI: 10.3923/tasr.2006.204.213.
10. Raphael N, Namratha K, Chandrashekar BN, Sadasivuni KK, Ponnamma D, Smitha AS, et al. Surface modification and grafting of carbon fibers: A route to better interface. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 2018; 64(3): 75–101. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2018.07.001.
11. Ehrburger P. Surface properties of carbon fibres. In: Figueiredo JL, editor.
Carbon Fibres Filaments and Composites, Kluwer Academic; 1990.
12. Tiwari S, Bijwe J. Surface Treatment of Carbon Fibers - A Review. Procedia Technology 2014; 14: 505–512. DOI: 10.1016/j.protcy.2014.08.064.
13. Rand B, Robinson R. Surface characteristics of carbon fibres from PAN. Carbon 1977; 15(4): 257–263. DOI: 10.1016/0008-6223(77)90011-2.
14. Li R, Ye L, Mai YW. Application of plasma technologies in fibre-reinforced polymer composites: A review of recent developments. Composites Part A:
Applied Science and Manufacturing 1997; 28(1): 73–86. DOI: 10.1016/S1359- 835X(96)00097-8.
15. Mujin S, Baorong H, Yisheng W, Ying T, Weiqiu H, Youxian D. The surface of carbon fibres continuously treated by cold plasma. Composites Science and Technology 1989; 34(4): 353–364. DOI: 10.1016/0266-3538(89)90004-3.
16. Wan YZ, Wang YL, Huang Y, Luo HL, Chen GC, Yuan CD. Effect of surface treatment of carbon fibers with gamma-ray radiation on mechanical performance of their composites. Journal of Materials Science 2005; 40(13): 3355–3359.
DOI: 10.1007/s10853-005-2844-4.
17. Zhang XR, Zhao P, Pei XQ, Wang QH, Jia Q. Flexural strength and tribological properties of rare earth treated short carbon fiber/polyimide composites. Express Polymer Letters 2007; 1(10): 667–672. DOI: 10.3144/expresspolymlett.2007.91.
18. Liu HP, Lu CX, Li YH, Yang Y, Li KX, He F. Surface properties of electrochemically oxidized PAN-based carbon fibers. Xinxing Tan Cailiao/New Carbon Materials 2005; 20(1): 39–44.
19. Fitzer E, Geigl KH, Hüttner W, Weiss R. Chemical interactions between the carbon fibre surface and epoxy resins. Carbon 1980; 18(6): 389–393. DOI:
10.1016/0008-6223(80)90029-9.
20. Lopattananon N, Kettle AP, Tripathi D, Beck AJ, Duval E, France RM, et al.
Interface molecular engineering of carbon-fiber composites. Composites Part A:
Applied Science and Manufacturing 1999; 30(1): 49–57. DOI: 10.1016/S1359- 835X(98)00109-2.
