SIDANG TUGAS AKHIR
Pengaruh Kadar Serbuk Aluminium Terhadap Sifat Mekanik dan Konduktivitas Listrik Komposit Polidimetilsiloksan/Aluminium Untuk Pelat Bipolar Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer (Polymer Exchange Membran (PEMFC))
Aninda Trimarsa P. 2709 100 070 Dosen Pembimbing : Dr. Hosta Ardhyananta, ST, M.Sc
Latar Belakang FUEL CELL Kebutuhan akan sumber energi alternatif tinggi dikarenakan makin berkurangnya energi fosil
Fuel cell merupakan sumber energi yang dapat mengubah energi kimia (berasal dari hidrogen) menjadi listrik dengan keluaran/buangan berupa air sehingga lebih ramah lingkungan
Latar Belakang PELAT BIPOLAR PEM FUEL CELL +/- 90% total volume dan 60% total biaya dari PEMFC
Grafit
Baja tahan karat
Aluminium
Tahan korosi
tahan korosi
Tahan korosi
Getas
Sifat mekanik yang baik
Sifat mekanik yang baik
Ringan: 2.09–2.23 g/cm3
Berat: 7,83 g/cm3
Ringan: 2,7 g/cm3
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
1.
2.
Mempelajari pengaruh komposisi antara serbuk aluminium dan matriks PDMS terhadap sifat mekanik komposit aluminium-pdms. Mempelajari pengaruh komposisi antara serbuk aluminium dan matriks PDMS terhadap konduktivitas listrik dan kompositaluminiumpdms.
menghasilkan komposit aluminium yang mempunyai karakteristik sifat mekanik dan konduktivitas listrik yang baik sehingga dapat digunakan untuk aplikasi pada pelat bipolar PEMFC serta untuk penelitian lain yang relevan.
Batasan Masalah • Temperatur dan tekanan udara sekitar dianggap konstan
Tinjauan Pustaka Sel bahan bakar adalah komponen elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik, air dan panas,dengan hidrogen sebagai bahan bakar utama. Anoda :H2 Katoda : ½ O2 +2H+ + 2e- Reaksi total: H2 + ½ O
Sumber gambar: en.wikipedia.org
2H+ + 2eH2O H2O + Energi listrik +panas
Tinjauan Pustaka Cara kerja Sel Bahan bakar: 1. Hidrogen sebagai bahan bakar dihembuskan pada anoda 2. Menghasilkan elektron dan hidrogen. 3. Hidrogen dapat mengalir ke katoda lewat elektrolit, sedangkan elektron harus mengalir lewat jembatan penghubung. 4. Pada katoda oksigen dihembuskan dan bereaksi dengan elektron dan proton Menghasilkan air, aliran listrik 5. dan kalor Skema Sel Bahan bakar. Sumber: comsol.com
Tinjauan Pustaka • • •
•
• •
PEMFC bekerja pada temperatur operasi yang rendah 60- 80 oC Kerapatan daya tinggi Emisi rendah
•
Elektroda :Tempat terjadinya reaksi elektrokimia Lapisan difusi gas : Berfungsi untuk menyediakan kontak listrik antara elektroda dan plat bidang alir Plat bipolar :Memisahkan reaktan dari unit sel disampingnya. Pelat bipolar terdiri lebih dari 80% dari massa dan hampir semua dari volume Membran: berfungsi untuk menghantarkan proton menuju ke katoda, memisahkan hidrogen dengan molekul oksigen. Juga bertindak sebagai insulator elektronik antara plat bipolar.
Tinjauan Pustaka Sifat yang harus dimiliki pelat bipolar : • harus memiliki sifat mekanik yang baik, • hambatan listrik rendah, • kerapatan rendah, • ketahanan korosi • konduktivitas listrik yang baik. Bahan yang paling umum digunakan adalah grafit karena memiliki konduktivitas listrik yang baik dan sangat tahan korosi. Namun, grafit tidak memiliki kekuatan mekanik yang baik (getas). Bahan logam seperti stainless steel memiliki sifat mekanik dan konduktivitas listrik yang baik, tetapi mudah terkorosi dan berat
standar ketentuan untuk pelat bipolar (Antunes dkk , 2010)
Tinjauan Pustaka: Daftar Perbandingan Konduktivitas (ohm-1. m-1) Zat
Konduktivitas
Zat
Konduktivitas
Air biasa
10-2
Platina
0,09 x 108
Air Suling
10-2 – 10-5
Karet
10-13 – 10-15
Alkohol
0.2 x 10-4
Mika
10-13
Aluminium
0,38 x 108
Minyak Tanah
10-14
Asam Sulfat
0,4 x 10-2
Perak
0,63 x 108
Besi
0,1 x 108
Porselen
10-12 – 10-14
Ebonit
10-13 – 10-16
Tembaga
0,595 x 108
Emas
0,435 x 108
Timbal
0,476 x 107
Kaca
10-9 – 10-12
Wolfram
0,18 x 108
Karbon
(3-60) x 105
Silikon
0,017 - 10
Sumber: belajar.kemendiknas.co.id
Tinjauan Pustaka : PDMS • temperatur transisi glass yang rendah (-120°C) • Fleksibilitas rantai yang sangat tinggi • oksidatif yang baik • stabilitas termal dan sinar UV • Hidropobisitas • Biokompatibilitas • Permeabilitas gas yang tinggi • energi permukaan yang rendah • lubrikasi yang tinggi • ketahanan plasma atom oksigen yang sangat baik.
Poli (dimetilsiloksan) (PDMS) adalah polimer dengan ikatan silikon oksigen (siloksan) yang memiliki dua gugus metil (CH3)
Tinjauan Pustaka : Aluminium Sifat-sifat penting yang dimiliki aluminium sehingga banyak digunakan sebagai material teknik: • • • • •
Berat jenisnya ringan, hanya 2.7 gr/cm³, sedangkan baja ± 8,1 gr/ cm³, Tahan korosi Penghantar listrik dan panas yang baik Mudah di fabrikasi/di bentuk Kekuatannya rendah tetapi pemaduan (alloying) kekuatannya bisa ditingkatkan
Nomor Atom Massa Atom Keelektronegativan Hambatan listrik
13 12.011 g.mol-1 1.61 28.2 nΩ·m pada 200C
Densitas Titik cair
2.70 g·cm−3 pada 200C 933.47 °K, 660.32 °C, 1220.58 °F
Titik didih Radius Vanderwaals Kulit elektron Energi ionisasi pertama Energi ionisasi kedua
2792 K, 2519 °C, 4566 °F 184 pm [Ne] 3s2 3p1 577.5 kJ·mol−1
Energi ionisasi ketiga
2744.8 kJ·mol−1
1816.7 kJ·mol−1
Metodologi
Alat dan Bahan
Timbangan digital
Cetakan aluminium
Vibratory siever
Aluminium Mercks
Pengaduk aluminium
Aluminium 1xxx
Gelas plastik
PDMS
Data yang diperoleh: Uji Tarik Gambar a : Komposit serbuk Aluminium mercks Gambar b : komposit serbuk Aluminium 6061
(a)
(b)
Hasil pengujian tarik menujukkan penurunan kekuatan tarik seiring dengan bertambahnya penguat. Gambar a menunjukkan nilai kuat tarik dan keuletan yang lebih dibandingkan gambar b. Hal ini disebabkan perbedaan ukuran serbuk Aluminium yang lebih kecil pada Gambar b. Ukuran serbuk yang lebih kecil menyebabkan komposit lebih mudah jenuh.
Data yang diperoleh: Uji Tarik
Elongasi (%)
Kode Sampel PDMS PDMS/AlP (20) PDMS/AlP (40) PDMS/AlP (60) PDMS/AlM (20) PDMS/AlM (40)
534,27 242,42 117,48 19,68 189,61 38,13
Kekuatan Tarik (MPa) 1,309 1,002 0,946 0,276 0,644 0,140
Modulus Young (Gpa) 0,00033 0,00055 0,00094 0,00326 0,00088 0,00161
Data yang diperoleh: Uji FTIR • Grafik sampel komposit dan matriks yang tidak berubah menunjukkan tidak ada ikatan kimia yang terbentuk (hanya terikat secara mekanik), sedangkan grafik yang berubah bentuk mengindikasikan adanya ikatan kimia dan mekanik dalam komposit. Hasil pengujian FTIR menunjukkan tidak terbentuknya ikatan kimia dalam komposit PDMS/Aluminium, dimana matriks dan filler hanya terbentuk dan terikat secara mekanik.
Pembahasan data pengujian FTIR •
Tabel adalah nilai peak dari hasil pengujian FTIR dimana tabel ini menunjukkan tidak adanya perubahan puncak pada hasil pengujian FTIR dalam kedua sampel yang diuji. Matriks PDMS dan komposit Aluminium memiliki range serapan di daerah yang sama, sehingga ikatan kimia yang terbentuk didalam komposit tidak berbeda dengan matriksnya. Perbedaan antara komposit dan matriks hanya terdapat pada komposisi filler.
Data yang diperoleh: uji TGA
Gambar adalah kurva pengujian TGA yang dilakukan dengan memanaskan sample dari temperatur 40 0C sampai 500 0C untuk mengetahui perubahan massa komposit berdasarkan naiknya temperatur.
Sample
T (0C) 5% loss
T (0C) 10% loss
Berat sisa (%wt)
PDMS 100% PDMS/Al 80/20
419,333 482,333
453,167 >500
69,608 92,645
PDMS/Al 40/60
454,333
>500
90,12
PDMS/Al 80/20
powder 378,833
419
62,7
PDMS/Al 60/40
powder 349.667
384.667
60,286
Dari Tabel bisa disimpulkan bahwa jenis Aluminium berpengaruh pada stabilitas termal komposit. Penambahan Aluminium serbuk mercks mengurangi stabilitas termal komposit. Namun penambahan Aluminium paduan 6061 justru meningkatkan stabilitas termal komposit. Pada Aluminium powder mercks, stabilitas termal jauh lebih rendah dari Aluminium 6061.
Data yang diperoleh: uji SEM
1. a
1. b
2. a
2. b
Gambar 1 adalah Serbuk Aluminium Mercks, serbuk tampak pipih dengan bentuk yang homogen satu sama lain. Gambar 2 adalah Serbuk Aluminium 6061 terlihat memanjang, bulat dan bentuk satu sama lain terlihat tidak homogen.
Data yang diperoleh: uji SEM
Komposit yang terbuat dari Serbuk Aluminium 6061 sebagai penguatnya seluruhnya terlingkupi oleh matriks PDMS. Terlihat komposit Aluminium 6061 yang tidak homogen
Data yang diperoleh: uji SEM
Pada komposit Aluminium serbuk mercks, terlihat pada komposisi 40% filler, serbuk tidak terlingkupi oleh matriks
Data yang diperoleh: Uji Konduktifitas Listrik Pengujian Konduktivitas Listrik ini menggunakan alat potensiostat. Dimensi pengujian 15 x 5 mm dengan tebal 4 mm. Perhitungan konduktivitas listrik berdasarkan persamaan 3.4 dan 3.5 Yaitu: 𝑅𝐴 1 𝜎= 𝜌= 𝜌 𝐼
Konduktivitas listrik ditentukan pada kemungkinan kontak antar serbuk di dalam matriks polimer.
Data yang diperoleh: Uji Konduktifitas Listrik Perhitungan konduktivitas listrik komposit Aluminium murni Mercks semua dalam satuan (Ω.mm)-1 No. 1 2 3 4 5 6
PDMS/AlP 20% 2,847 x 10-7 2,831 x 10-7 2,820 x 10-7 2,847 x 10-7 2,821 x 10-7 2,840 x 10-7
Konduktivitas bahan (σ) PDMS/AlP PDMS/AlP 40% 60% 4,902 x 10-7 0.121345 5,227 x 10-7 0.122594 4,983 x 10-7 0.121462 5,255 x 10-7 0.121699 4,831 x 10-7 0.121625 4,876 x 10-7 0.122444
PDMS/AlP 80% 0.980392 0.934579 0.943396 0.952381 0.952381 0.934579
Perhitungan konduktivitas listrik komposit Aluminium Paduan 6061 semua dalam satuan (Ω.mm)-1 No. 1 2 3 4 5 6
PDMS/AlM 20% 2.527 x10-6 2.573 x10-6 2.534 x10-6 2.555 x 10-6 2.56 x10-6 2.581 x10-6
Konduktivitas bahan (σ) PDMS/AlM PDMS/AlM 40% 60% 3.23 x10-6 1.61 x10-6 3.17 x10-6 1.58 x10-6 -6 3.23 x10 1.57 x10-6 -6 3.15 x10 1.58 x10-6 -6 3.21 x10 1.58 x10-6 -6 3.2 x10 1.57 x10-6
PDMS/Al M 80% 0 0 0 0 0 0
Nilai Konduktivitas Listrik komposit Aluminium AlP 20% AlP 40% AlP 60% AlP 80% AlM 20% AlM 40% AlM 60%
(Ω.mm)-1 2,834.10-7 5,012.20-7 0,121862 0,949618 2,555.10-6 3,198.10-6 1,582.10-6
(S/cm) 2,834.10-5 5,012.20-5 12,1862 94,9618 2,555.10-4 3,198.10-4 1,582.10-4
Pembahasan data hasil pengujian Konduktifitas Listrik •
• • •
Nilai konduktivitas listrik bergantung pada fraksi volume serbuk, dan kandungan minimum dari serbuk aluminium, dimana serbuk aluminium tersebut membentuk jaringan kerja yang bersambung, yang menentukan komposit Aluminium menjadi konduktif secara elektrik. Faktor-faktor penentu adalah: konduktivitas dari serbuk, fraksi volume dan karakteristik serbuk, Karakteristik serbuk yang dimaksud seperti: ukuran, bentuk, luas permukaan, distribusi dan orientasi dari serbuk pengisi. Metode fabrikasi dan kondisi pembuatan komposit memainkan peranan penting dalam konduktivitas karena mempengaruhi penyebaran, orientasi dan jarak antar serbuk di dalam matriks polimer.
Kesimpulan • •
• • •
Penambahan Aluminium pada komposit menyebabkan peningkatan pada Modulus young namun menurunkan elastisitas dan kekuatan tarik dari komposit. Kekuatan tarik komposit tertinggi didapatkan pada komposisi 20% Aluminium 6061 yaitu sebesar 1,002 MPa. Elongasi komposit tertinggi didapatkan pada komposisi 20% Aluminium 6061, yaitu sebesar 242,42%. Modulus young tertinggi diperoleh pada komposisi 40% Aluminium serbuk Mercks dengan nilai 0,00161 GPa. Konduktivitas listrik komposit Aluminium tertinggi yang telah dibuat yaitu 94,9618 S/cm pada komposisi 80% Aluminium serbuk 6061. Penambahan Aluminium serbuk mercks menurunkan stabilitas Thermal pada komposit. Komposit Aluminium 6061 memiliki stabilitas termal lebih baik dibandingkan komposit Aluminium serbuk Merck. Komposisi 20% komposit Aluminium 6061 memiliki berat sisa 92,645% berat awal pada temperatur 500oC, sedangkan dengan komposisi yang sama komposit Aluminium Mercks memiliki berat sisa 62,7% berat awal di temperatur yang sama.
Saran • Pada proses pencetakan spesimen sebaiknya menggunakan proses pencetakan yang melibatkan kompresi/penekanan. • Proses pembuatan sebaiknya menggunakan metode yang membuat matriks dan filler tercampur lebih merata, contohnya alat mixing. • Perlunya inovasi yang dapat mengurangi gelembung udara yang terjebak didalam spesimen sehingga dapat mengurangi porositas.
TERIMA KASIH
Diagram Fasa Paduan Aluminium
Paduan Aluminium-Magnesium
Paduan Aluminium-Silikon
Preparasi Spesimen • Menguji kandungan yang terdapat di dalam aluminium 6061 • Menyiapkan PDMS dengan Aluminium sebagai penguat sebanyak 20%,40%,60% dan 80% • Mencampur PDMS dengan Aluminium, lalu dicetak dan didiamkan hingga curing.
Cara kerja SEM Elektron dilepaskan oleh ujung ‘electron gun’ Lensa elektromagnet menyearahkan dan memfokuskan berkas elektron Koil pemindai mengarahkan berkas elektron terfokus pada spesimen Detektor menangkap sinyal dari elektron
Scanning Berkas elektron terfokus digunakan untuk memindai bahan yang diamati
Scanning
Studi sebelumnya NO.
PENELITI, JUDUL, TAHUN
METODE
SPESIMEN
HASIL
1
Jung-Pyo Hong,dkk . High Thermal Conductivity epoxy composites with bimodal Distribution of Aluminium Nitride and Boren Nitride Fillers. 2012
Bi modal distribution
AlN-BN-Epoxy
Konduktivitas termal mak-simum AlN : BN 1:1 dengan partikel seukuran.
2
Krzysztof Strzelec. Improvement of mechanical properties and electrical conductivity of polythiourethane-modified epoxy coatings filled with aluminium powder. 2008
konvensional
Al-epoxy
Paling sedikit filler memiliki konduktivitas rendah. Perekatan kurang kuat perlu diperbaiki dengan hardener.
