SINTESIS KOMPOSIT POLYSTYRENE/KARBON (PS/C) BERBASIS ARANG KAYU JATI DENGAN VARIASI KOMPOSISI DAN PENGARUHNYA TERHADAP POROSITAS, KONDUKTIVITASLISTRIK, DAN MIKROSTRUKTUR Frebina Hesty Mentari, Hartatiek, Yudyanto Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang Jalan Gombong 06 Malang 65145 Telp. 0341-552125 Email:
[email protected] ABSTRAK Pelat bipolar merupakan komponen utama dari Polimer Electrolyte membrane Fuel Cell (PEMFC) memiliki fungsi utama untuk mengumpulkan dan memindahkan elektron dari anoda dan katoda. Material untuk pelat bipolar memiliki konduktivitas listrik tinggi dan porositas rendah. Untuk mendapatkan pelat bipolar dengan konduktivitas listrik tinggi, dan porositas rendah, dikembangkan pelat bipolar yang terbuat dari komposit Polystyrene/Karbon. Komposit Polystyrene/Karbon dibuat dengan compression moulding. Serbuk karbon dibuat melalui proses karbonisasi serbuk kayu jati sebagai bahan baku pada temperatur 600°C selama 1 jam. Perlakuan pertama yaitu pembuatan Polystyrene secara kimia. Membutuhkan tiga bahan yaitu Styrofoam, chlorofoam, dan Asam Sulfat (H2SO4). Serbuk karbon dicampurkan dengan Polystyrene dengan rasio komposisi Polystyrene dan Karbon adalah 0 : 100, 10 : 90, 20 : 80, dan 30 : 70 (% berat). Kemudian dikompaksi dengan berbentuk pelet dengan tekanan 3 kali gaya tekan. Pelet yang terbentuk kemudian diukur sifat elektriknya menggunakan I-V meter merk Keithley, persentase porositas ditentukan dengan keporian semu, dan mikrostruktur. Hasil penelitian menunjukkan penambahan Polystyrene menurunkan persentase porositas dan nilai konduktivitas komposit PS/C. Pada komposisi 80% Karbon : 20% Polystyrene persentase porositas 0.63% dan nilai konduktivitas listrik 7.5964 S/cm. Kata kunci: pelat bipolar, arang kayu jati, komposit Polystyrene/Karbon, konduktivitas listrik, porositas, dan mikrostruktur
PENDAHULUAN Kebutuhan akan energi tidak pernah menurun seiring dengan bertambahnya populasi penduduk. Kebutuhan energi tersebut sebagian besar dipenuhi dengan memanfaatkan sumber energi dari bahan bakar fosil. Namun tidak mungkin selamanya bahan bakar fosil menjadi sumber energi utama yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi, karena bahan bakar fosil tergolong sumber energi yang tidak dapat terbarukan. Selain keberadaannya yang terbatas, bahan bakar fosil juga menyebabkan karbon monoksida
(CO) dan karbondioksida (CO2) dari sisa pembakaran. Oleh karena itu, belakangan ini pengembangan energi alternatif yang dapat diperbarui, ramah lingkungan, dan murah terus dikembangkan. Salah satu energi alternatif yang berkembang saat ini adalah sel bahan bakar (fuel ceel) (Simbolon, 2011). Jenis fuel cell yang banyak dikembangkan saat ini adalah Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) atau dikenal dengan sebutan Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. PEMFC 1
mempunyai empat komponen penting antara lain: pelat bipolar, pelat penutup, Membrane Electrolyte Assembly (MEA) dan penyimpan arus. Diantara keempat komponen tersebut komponen pelat bipolar berkontribusi sebesar 80% volume, 70% berat, dan 60% biaya produksi fuel cell. Salah satu cara untuk mereduksi biaya produksi pelat bipolar dari PEMFC adalah dengan mengembangkan material komposit berbasis polimer termoset yang diharapkan mampu mengurangi volume, berat, dan biaya produksi (Prihandoko, 2013). Pelat bipolar terbuat dari material konduktif serta tidak tembus gas, untuk itu umumnya menggunakan material grafit dan logam (Alumunium, Baja, dan Nikel) melalui proses permesinan yang cukup rumit dan mahal. Hal ini tentu tidak diharapkan dalam komersialisasi PEMFC untuk aplikasi transportasi dan portable lainnya. Pelat bipolar seharusnya seringan mugkin dengan biaya yang relatif murah. Oleh sebab itu komposit polimer dengan partikel konduktif dari karbon dapat dipandang sebagai pemecahan masalah (Wisojodharmo dkk, 2012). Saat ini polimer merupakan bahan yang sangat bermanfaat dalam dunia teknik, khususnya dalam industri. Polimer dalam industri dapat digunakan baik berdiri sendiri, misalnya sebagai perekat, pelapis maupun bergabung dengan bahan lain (Kartini dkk, 2002). Dalam beberapa tahun terakhir, komposit polimer konduktif telah mendapatkan perhatian luas karena penggunaannya dalam berbagai aplikasi teknologi termasuk perangkat elektronik, lapisan konduktif, penangkal gelombang, dan sensor (Rohman dkk, 2013). Pelat bipolar yang sedang dikembangkan adalah dengan menggunakan komposit Polystyrene/Karbon (PS/C). Tujuan dipilih komposit PS/C untuk menggabungkan sifatsifat yang baik dari kedua material tersebut,
sehingga akan didapatkan material baru dengan sifat yang baik (Zulfia dkk, 2011). Selain itu pemanfaatan karbon saat ini telah berkembang, yaitu pemanfaatan pada komponen elektronik, optik dan mekanik. Salah satu contoh pemanfaatan secara elektronik yaitu sebagai bahan dalam komponen bahan bakar (fuel cell). Dalam penelitiaan ini akan dibuat karbon berbahan dasar dari serbuk kayu jati sebagai matrik dalam komposit PS/C. Karbon yang diperoleh dari serbuk kayu jati dengan proses karbonisasi pada suhu 600°C. Data SEM-EDX menunjukkan bahwa di dalam arang serbuk kayu jati yang dikarbonisasi pada suhu 600°C selama satu jam terdapat 92% wt karbon. Selain unsur karbon juga ditemukan unsur lain seperti Na, Mg, Al, Si dan Ca. Pada saat ini pemanfaatan serbuk kayu jati dalam industri meubel belum dimanfaatkan secara maksimal. Umumnya sebagian limbah serbuk kayu jati ini hanya digunakan sebagai bahan bakar tungku atau dibakar begitu saja, sehingga akan menimbulkan pencemaran lingkungan. Padahal serbuk kayu jati merupakan material organik yang memiliki unsur karbon yang relatif tinggi dan nilai kalor yang relatif besar (Yudanto dkk, 2005). Dengan komposit Polystyrene/Karbon diharapkan dapat meningkatkan konduktivitas listrik dan memperkecil persentase porositas sehingga dapat diaplikasikan pada material pelat bipolar dalam komponen Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC).
METODE EKSPERIMEN Langkah awal yang dilakukan adalah sintesis serbuk karbon yang dibuat melalui proses karbonisasi serbuk kayu jati sebagai bahan baku dengan menggunakan furnace pada temperatur 600°C selama 1 jam dalam kondisi inert. Langkah kedua pembuatan 2
Gambar 1. Nanovoltmeter, AC/DC Current Source dan LCZ meter merk Keithley
Polystyrene secara kimia. Proses pengolahan Polystyrene ini membutuhkan tiga bahan utama yaitu Styrofoam, chlorofoam, dan asam sulfat (H2SO4) dengan perbandingan 1:5:2. Pembuatan Polystyrene yaitu dengan memotong Styrofoam menjadi bagianbagian kecil kemudian dilarutkan kedalam cairan chlorofoam, setelah kedua bahan larut seluruhnya maka ditambahkan dengan cairan H2SO4. Proses ini berlangsung pada tabung sterer selama 2 jam dengan suhu 45°C sampai campuran tersebut berubah menjadi kental. Selanjutnya membuat komposit Polystyrene/Karbon dengan rasio komposisi Karbon dan Polystyrene 100 : 0, 90 : 10, 80 : 20, dan 70 : 30 (% berat) dengan berat total 5 gram. Pencampuran dilakukan dengan menggunakan magnetic stirrer dengan kecepatan 150 putaran/menit dengan suhu 45°C selama 30 menit. Setelah homogeny, larutan didinginkan pada suhu ruang selama 48 jam sampai solvent terevaporasi. Kemudian dibentuk pelet dengan compression moulding menggunakan alat hot press. Setelah terbentuk pelet, dulakukan pemanasan pada temperatur 200°C dengan tekanan hot pressing 3 kali gaya tekan selama 15 menit. Pelet yang terbentuk kemudian diukur sifat elektriknya menggunakan I-V meter merk Keithley dengan metode four point probe. Selain itu dilakukan uji porositas yang dihitung dengan keporian semu. Dan uji mikrostruktur menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk mengetahui distribusi Polystyrene di dalam matriks serbuk kayu jati.
Dalam penelitian ini pengukuran konduktivitas listrik menggunakan pengujian four point probe Gambar 1. Metode ini menggunakan 4 titik yang terdiri dari titik 1 dan 4 sebagai pengukur arus yang akan dibaca di amperemeter, sedangkan titik 2 dan 3 sebagai pengukur tegangan yang akan di baca di voltmeter. Data yang diperlukan adalah nilai arus (I) dan tegangan (V). dari hasil pengujian ini akan dihasilkan resistivitas listrik (ρ), yang kemudian akan diubah menjadi nilai konduktivitas listrik, sesuai dengan persamaan.
dengan σ adalah konduktivitas (S/cm), dan ρ adalah resistivitas (Ω.cm). Jika tebal sampel lebih besar dibandingkan dengan jarak antar probe d, maka ρ dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
3
Komposit PS/C
Styrofoam
Chlorofoam
Sirrerer 2 jam Suhu 45°C
H2SO4
Karbon kayu jati
Stirrer 30 menit Suhu 45°C Evaporasi Pelarut 48 jam Molding Kompaksi, 3 kali gaya tekan Sintering pada suhu 200°C selama 15 menit
Gambar 3. Hasil SEM-EDX dari Serbuk kayu jati setelah dikarbonisasi
Pengujian porositas dan konduktivitas listrik
Hasil Uji XRD serbuk kayu jati setelah dikarbonisasi pada suhu 600°C
Karakteristik menggunakan SEM Analisis Gambar 2. Diagram Alir Komposit PS/C
HASIL DAN PEMBAHASAN HASIL UJI SEM-EDX Serbuk Kayu Jati Hasil uji SEM-EDX Serbuk kayu jati setelah dikarbonisasi ditunjukkan dengan Gambar 3 .
Gambar 4. Hasil uji XRD serbuk kayu jati setelah dikarbonisasi pada suhu 600°C
4
Dari analisis menunjukkan kandungan karbon pada serbuk kayu hasil dikarbonisasi sebesaa 92.67%. Berdasarkan Gambar 3 dan Gambar 4 menunjukkan bahwa serbuk kayu jati setelah dikarbonisasi pada suhu 600°C memiliki struktur amorf dan berporous.
Dapat disimpulkan dari hasil pengujian yang dilakukan maka tingkat porositas terendah teradapat pada sampel ketiga yaitu komposisi C/PS 80 : 20% dengan tingkat porositas 0.63%. semakin kecil nilai porositas menunjukkan semakin sedikit rongga-rongga mikro (micro void) di dalam komposit C/PS.
Porositas Komposit PS/C Dari hasil pengujian, didapatkan data keporian semu masing-masing komposisi. Data tersebut disajikan pada Tabel 1.
Konduktivitas Listrik Komposit PS/C Dari hasil uji konduktivitas listrik yang telah dilakukan pada beberapa komposisi komposit PS/C didapatkan data konduktivitas listrik seperti disajikan pada tabel 2.
Tabel 1. Hasil Porositas Komposit Karbon untuk Penambahan Polystyrene
No
Komp osisi PS:C
Berat Bakar jenuh/ Wbj (±0.005 gram)
Berat Bakar/Wb (± 0.005 gram)
Berat Plastis/ Wp (± 0.005 gram)
Kepo rian Semu (%) ± ∆Ks
1
100:0
1.15
0.97
1.11
16.21
2
90:10
1.57
1.42
1.60
9.37
3
80:20
1.43
1.42
1.60
0.63
4
70:10
1.39
1.38
1.56
0.64
Tabel 2. Data Konduktivitas Listrik Komposit Karbon/Polystyrene
No 1 2 3 4
Gambar 5. Grafik Pengaruh Komposisi Polystyrene pada Karbon Serbuk Kayu Jati Terhadap Keporian Semu
Komposisi Karbon : Polystyrene (%) 100 : 0 90 : 10 80 : 20 70 : 30
Konduktivitas Listrik (S/cm) 10.834 8.8826 7.5964 5.374
Gambar 6. Grafik Pengaruh Komposisi Polystyrene pada Karbon Serbuk Kayu Jati terhadap Konduktivitas Listrik
Dari Tabel 1 dan Gambar 5 terlihat adanya kecenderungan penurunan porositas dengan penambahan komposisi Polystyrene. Penurunan ini disebabkan pada saat proses pencampuran dan penggerusan tidak terjadi secara sempurna yang menyebabkan distribusi butiran tidak merata sehingga pada saat sintering terjadi pertumbuhan butir yang tidak merata pula.
Dari Tabel 2 dan Gambar 6 terlihat adanya kecenderungan penurunan nilai konduktivitas listrik dengan penambahan komposisi Polystyrene. Penyebab turunnya konduktivitas listrik karena Polystyrene merupakan bahan yang konduktivitasnya sangat rendah yaitu sekitar 10 -14-10-17, 5
sehingga karbon tidak dapat melakukan fungsinya untuk menghantarkan arus listrik dengan baik karena terselimuti oleh Polystyrene. Terselimutinya karbon oleh Polystyrene, mengakibatkan pergerakan elektron akan terhambat dan arus yang mengalir di antara material akan terhalang. Dapat disimpulkan dari hasil pengujian listrik dengan metode four point probe didapatkan nilai konduktivitas listrik tertinggi pada sampel pertama (tanpa penambahan Polystyrene) dengan nilai konduktivitas 10.8340 S/cm.
c
Mikrostruktur Komposit PS/C Hasil pengamatan dengan menggunakan SEM untuk perbesaran 10000 kali untuk masing-masing komposisi dapat ditunjukkan pada Gambar 7.
d
a
Gambar 7. Komposit C/PS (a) Komposisi 100% C : 0% PS (b) Komposisi 90% C : 10% PS (c) 80% C : 20% PS (d) 70% C : 30% PS
Pada Gambar 7 menunjukkan distribusi antara karbon dan Polystyrene. Gambar (a) terlihat memiliki pori yang cukup banyak yang ditunjukkan dengan anak panah, hai ini menunjukkan bahwa struktur karbon kayu jati yang berporous sehingga dapat mengurangi sifat porositas. Gambar (b) terdapat gumpalan atau kumpulan di lokasi tertentu pada komposit Karbon dan Polystyrene. Gumpalan-gumpalan PS ini dikarenakan pada proses pendistribusian bahan yang tidak merata sehingga
b
6
membentuk kumpulan-kumpulan bahan di tempat tertentu. Gmbar (c) distribusi antara Karbon dan Polystyrene lebih merata dan homongen jika dibandingkan dengan gambar (a) dan (b). hal ini berefek pada konduktivitas yang menurun. Akan tetapi pada komposisi tersebut persentase porositas rendah. Pada gambar (d) terlihat distribusi dari partikel Karbon dan Polystyrene yang semakin merata. Pada komposisi ini nilai konduktivitas paling kecil, hal ini dikarenakan penambahan Polystyrene yang lebih besar dibandingkan dengan komposisi lainnya.
Pada Gambar 8 diperlihatkan grafik hubungan antara komposisi komposit Karbon dan Polystyrene terhadap porositas dan konduktivitas listrik. Diperoleh komposisi Karbon dan Polystyrene yang baik, yang mana secara teori untuk bahan pelat bipolar dibutuhkan sifat yang mempunyai porositas yang rendah dan mempunyai nilai konduktivitas listrik yang tinggi. Syarat tersebut dimiliki pada perbandingan komposit Karbon/Polystyrene komposisi 80% : 20%. Komposit Karbon/Polystyrene pada komposisi 80% : 20 % diperoleh persentase porositas sebesar 0.63% dan nilai konduktivitas listrik 7.5964 S/cm. Nilai tersebut belum memenuhi standar Departement of Energi (DOE) untuk nilai konduktivitas listrik pada pelat bipolar. Target utama karakteristik dari pelat bipolar adalah tingginya konduktivitas dan rendahnya porositas, yang mana berdasarkan standart DOE nilai konduktivitas listrik untuk pelat bipolar sebesar 100 S/cm. Sedangkan rendahnya porositas ditentukan dengan banyaknya binder atau perekat (Polystyrene) yang dicampurkan pada karbon, namun dengan penambahan Polystyrene otomatis akan menurunkan nilai konduktivitas listrik pada komposit Karbon/Polystyrene.
Komposit Polystyrene/Karbon terhadap Porositas dan Konduktivitas Listrik Data komposisi komposit Polystyrene dan Karbon terhadap porositas dan konduktivitas listrik pada beberapa sampel komposit PS/C disajikan pada Tabel 3. Tabel 3. Komposit Karbon/Polystyrene terhadap Porositas dan Konduktivitas Listrik
No
Komposisi Karbon/Polystyr ene (%)
Porositas (%)
Konduktivit as Listrik (S/cm)
1
100 : 0
16.21
10.8340
2
90 : 10
9.37
8.8826
3
80 : 20
0.63
7.5964
4
70 : 30
0.64
5.3774
KESIMPULAN 1. Ada pengaruh variasi komposisi Karbon dengan Polystyrene terhadap persentase porositas. Peningkatan persentase Polystyrene sebagai bahan pengikat menurunkan porositas komposit Karbon/Polystyrene. Persentase porositas terbesar ketika tidak ada tambahan Polystyrene, yaitu pada komposisi 100% Karbon : 0% Polystyrene sebesar 16.21%. Sedangkan untuk persentase porositas terkecil terdapat pada komposisi 80% Karbon : 20% Polystyrene sebesar 0.63%.
Gambar 8. Grafik Pengaruh Komposisi C/PS terhadap Porositas dan Konduktivitas listrik
7
2. Ada pengaruh variasi komposisi Karbon dengan Polystyrene terhadap nilai konduktivitas listrik. Secara fisis peningkatan persentase Polystyrene sebagai bahan pengikat menurunkan nilai konduktivitas listrik komposit Karbon/Polystyrene. Nilai konduktivitas terbesar ketika tidak ada tambahan Polystyrene, yaitu pada komposisi 100% Karbon : 0% Polystyrene sebesar 10.834 S/cm. Sedangkan untuk nilai konduktivitas listrik terkecil terdapat pada komposisi 70% Karbon : 30% Polystyrene sebesar 5.374 S/cm. 3. Pada mikrostruktur variasi komposisi Karbon dan Polystyrene terlihat bahwa pori-pori yang sedikit terdapat pada perbandingan komposisi 80% Karbon : 20% Polystyrene dan perbandingan komposisi 70% Karbon : 30% Polystyrene. Semakin tidak adanya pori yang terbentuk, semakin sedikit penyusutan dan semakin sedikit persentase porositasnya. 4. Komposisi komposit Karbon/Polystyrene yang optimum yaitu pada perbandingan komposisi 80% Karbon dan 20% Polystyrene, yang mana mempunyai persentase porositas terkecil yaitu 0.63% dan nilai konduktivitas listrik sebesar 7.5964 S/cm. Akan tetapi untuk nilai konduktivitas listrik pada komposisi tersebut belum memenuhi standart Departement of Energi (DOE) untuk bahan pelat bipolar sebesar 100 S/cm.
sekitar ± 10 jam untuk mendapatkan hasil yang homongen. 3. Pada proses pengepresan pembuatan pellet, sebaiknya member tanda pada pengangan alat proses agar diketahui banyak putaran pada bahan yang pertama, sehingga pada saat mengepres bahan yang kedua, tekanan yang diberikan sama. 4. Diharapkan dapat dilakukan penelitian lanjutan dengan menambahkan bahan Grafit dan polimer konduktif sehingga diperoleh sifat konduktivitas listrik yang lebih baik. DAFTAR RUJUKAN Kartini, R., H. Darmasetiawan, A. Karo, Sudirman. 2002. Pembuatan dan Karakterisasi Komposit Polimer Berpenguat Serat Alam. Journal Sains Materl Indonesia, 3 (3): 30-38. Prihandoko, B. 2013. Pengaruh Variasi Komposisi Ukuran Partikel Carbon Black terhadap Distribusi Sifat-Sifat Pelat Bipolar PEMFC Berbasis Komposit Grafit/Epoksi. Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi, 31 (1): 112. Rohman, M., A. Subagio. 2013. Studi Karakteristik Kelistrikan Komposit Carbon Nanotube-polyvynilideneFlouride (CNT-PVDF). Youngster Physics Journal, 1 (3): 35-40. Simbolon, O. 2011. Pembuatan dan Karakteisasi Komposit Pelat Bipolar PEMFC dengan Panambahan 0 – 0,87%wt Alumunium Powder. Skripsi gelar sarjana Fakultas Reknik: Universitas Indonesia.
SARAN 1. Pada proses karbonisasi serbuk kayu jati diusahakan tidak ada oksigen yang masuk agar didapatkan karbon yang lebih maksimal. 2. Pada saat melakukan penggerusan komposit Karbon dan Polystyrene, sebaiknya dilakukan dengan waktu
Wisojodharmo, L.A., D. K. Arti, E. L. Dewi. 2012. Karakterisasi Grafit Matriks Polistiren sebagai Material untuk Separator Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Jurnal Sains Materi Indonesia, 14 (2) : 103-107. 8
Yudanto, A., K. Kusumaningrum. 2005. Pembuatan Briket Bioarang dari Arang Serbuk Gergaji Kayu Jati. Laporan Penelitian Proses Kimia, Jurusan Teknik Kimia. Yogyakarta: UGM. Zulfia, A., T. Abimanyu, V.W. Dalam. 2011. Penambahan Tembaga pada Komposit PP/C dan Pengaruhnya pada Sifat Mekanik dan Konduktivitas Listrik Pelat Bipolar Komposit PP/C-Cu. Makara Teknologi, 15 (2): 101-106.
9
