Grafit

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) ISSN : 1-5

1

Pengaruh Penambahan Grafit Terhadap Kekuatan Tarik, Konduktivitas Listrik Dan Stabilitas Termal Pada Komposit Polidimetilsiloksan/Grafit Rizky Maghrifandi dan Hosta Ardhyananta Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia E-mail: [email protected]

Abstrak— Polidimetilsiloksan (PDMS) memiliki beberapa keunggulan, yaitu mempunyai sifat stabilitas termal yang baik, kemampuan temperatur rendah, sifat release dan aktifitas permukaan yang sangat baik, permeabilitas yang tinggi terhadap gas. Permasalahan dalam penelitian ini adalah pengaruh penambahan grafit terhadap kekuatan tarik, stabilitas termal, dan konduktivitas termal dari komposit polidimetilsiloksan/grafit. Pada penelitian ini dilakukan proses pembuatan komposit polidimetilsiloksan/grafit dengan variasi fraksi berat. Lalu akan dilakukan analisis termal dengan pengujian TGA, pengujian tarik untuk melihat kekuatan dari komposit, pengujian FTIR untuk mengetahui ikatan kimia yang terbentuk, serta pengujian SEM untuk melihat morfologi dari hasil pencampuran. Hasilnya adalah penambahan komposisi grafit dapat menaikkan modulus young. Tetapi dapat menurunkan kekuatan tarik dan elongasi. Selain itu penambahan grafit juga dapat meningkatkan stabilitas termal komposit polidimetilsiloksan/grafit dan dapat meningkatkan konduktivitas listrik.

konduktif dengan penambahan karbon hitam dengan konsentrasi diatas 10 wt % [7]. Penelitian ini menggunakan komposit grafit/ polidimetilsiloksan sebagai bahan utama. Komposit yang digunakan berupa polimer polidimetilsiloksan sebagai matriks serta grafit sebagai bahan penguat. Selanjutnya variasi rasio pencampuran diberikan untuk mendapatkan komposit dengan sifat optimum. Penelitian ini menjadi menarik karena dari beberapa jurnal dan artikel penelitian tentang komposit polidimetilsiloksan/grafit, hanya sedikit yang membahas tentang sifat stabilitas termal dari komposit ini. Dengan sifat grafit yang mempunyai stabilitas termal yang tinggi diharapkan mampu meningkatkan stabilitas termal dari polidimetilsiloksan.

Kata Kunci— Karet silikon, Grafit, Kekuatan Tarik, Stabilitas Termal, Konduktivitas Listrik

II. EKSPERIMEN

I. PENDAHULUAN

P

olidimetilsiloksan (PDMS) memiliki keunggulan stabilitas termal, kemampuan temperatur rendah, efek karena temperatur yang rendah, ketahanan yang baik terhadap radiasi sinar UV, sifat release dan aktifitas permukaan yang sangat baik, permeabilitas yang tinggi terhadap gas, hydrophobic dan physiological inertness, dan insulator panas dan listrik [1]. Grafit merupakan salah satu bentuk karbo yang memiliki konduktivitas listrik yang baik tetapi rapuh, sedangkan logam memiliki sifat mekanik, stabilitas termal dan konduktivitas listrik yang baik tetapi rapuh. Komposit grafit-polimer dapat menghilangkan kerapuhan grafit, tetapi dapat menurunkan konduktivitas listrik grafit [2]. Sifat polidimetilsiloksan sebagai insulator listrik dapat diperbaiki dengan penambahan material dengan konduktivitas listrik yang tinggi. Hal ini ditunjukkan dengan pernyataan Unger et al polidimetilsiloksan dapat menjadi material

Silikon Rubber Rhodorsil RTV-585 sebagai matriks dan katalis Red 683 diperoleh dari PT. Justus Kimia Raya. Sebagai penguat digunakan Grafit DESULCO 9010 dan Grafit SGL Carbon berukuran ± 330μm dengan variasi % berat 20,40,60 dan 80%. Spesifiasi dari karbon DESULCO 9010 ditunjukkan Tabel 1. Chemical Properties Carbon Sulfur Ash Moisture Particle size Nitrogen Hydrogen Oxygen Cristallinity

Tabel 1. Properti karbon DESULCO 9010 Spesification Typical Analysis 99.7 % minimum 99.87 % 0.03% maximum 0.009 % 0.30% maximum 0.13 % 0.20% maximum Trace Min 95% > 0.2 mm See below Max 5% > 4.75 mm 180 ppm max 29 ppm 120 ppm max 2 ppm 720 ppm max 40 ppm Typical values N/A 82-89 %

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) ISSN : 1-5

2

Proses pencampuran dimulai dengan proses pencampuran PDMS dengan Grafit kemudian digunakan katalis Red 683 sebanyak 2 wt%. Kemudian curing time yang dibutuhkan selama 120 menit. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi uji FT-IR menggunakan mesin Thermo Scientific, Uji Tarik menggunakan alat Instron UTM. Pengujian tarik dilakukan dengan kecepatan tarik 50 mm/min sesuai standar ASTM D638M dengan dimensi spesimen ditunjukkan pada Gambar 1. Kemudian untuk pengamatan SEM menggunakan alat FEI INSPECT S50, Uji TGA menggunakan alat mettler toledo dan Konduktivitas listrik menggunakan Automatic LCR Meter.

B. Pengujian FT-IR Pengujian Fourier transform Infrared Spectroscopy (FTIR) menggunakan alat Thermo Scientific di Laboratorium Karakterisasi Material Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS dengan sampel berbentuk padatan. Pada penelitian ini, pengujian FT-IR digunakan untuk mengetahui gugus fungsi PDMS dan Grafit sebelum dicampurkan dan setelah menjadi komposit. Grafik hasil pengujian FTIR menghasilkan puncak grafik yang berada pada range 500-4000.Gambar 3 menunjukkan grafik hasil mpengujian FTIR komposit PDMS/grafit.

R=60

wo=20

W=10

Lo=60 Lt= 150

T=8

Gambar 1. Dimensi spesimen uji tarik

III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengujian XRD dari Grafit Pengujian XRD menggunakan alat XRD PW 3040/60 X’Pert PRO Instrumen Enclosure di Laboratorium Karakterisasi Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. Pengujian ini dilakukan untuk melihat derajat kristalinitas pada grafit. Sampel yang digunakan adalah grafit desulco 9010 dan grafit SGL Carbon. Gambar 2 menunjukkan hasil pengujian XRD dua grafit yang berbeda. Grafit D memiliki nilai derajat kristalinitas lebih tinggi dibandingkan Grafit S sebesar 90,5%, sedangkan nilai dari Grafit S sebesar 57,3%. Puncak tertinggi muncul pada 2theta 26,4328 dengan unsur C (Carbon).

Gambar 3. Grafik Pengujian FT-IR Komposit PDMS/Grafit Komposisi 0% dan 60%

Berdasarkan hasil FTIR dapat dilihat bahwa pada komposit PDMS/grafit, ikatan antara matriks dengan filler terjadi ikatan mekanik. Hal ini ditunjukkan dengan tidak adanya perubahan puncak pada hasil penguian FTIR sebelum ditambah dengan grafit maupun sesudah ditambah dengan grafit. Yang membedakan hanyalah jumlah PDMS yang terkandung dalam komposit. Selain itu, grafit dengan PDMS hanya berikatan mekanik juga ditunjukkan dengan tidak adanya puncak baru. Jika PDMS dengan grafit berikatan secara kimia maka akan muncul. Tabel 2 menunjukkan analisa daerah serapan pada komposit 60% PDMS/grafit. Jika dibandingkan dengan analisa daerah serapan pada PDMS 100%, muncul puncak ikatan C-C stretch yang menunjukkan ikatan kimia dari grafit. Tabel 2. Daerah Serapan Komposit PDMS/Grafit 60%

Gambar 2. Spektrum XRD dari grafit

Daerah serapan (cm-1)

Ikatan

Gugus Fungsi

2962

C-C stretch

Alkana

1412

O-H bend

Hidroksil

1258

C-H

Alkana

1007

Si-O strech

Siloksan

864

Si-O

Siloksan

787

Si-O bend

Siloksan

694

Si-O Bend

Siloksan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) ISSN : 1-5

C. Sifat Tarik Komposit Pengujian tarik menggunakan alat Instron UTM di Laboratorium Metalurgi Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. Bertujuan untuk mengetahui sifat mekanik pada komposit serta mengetahui pengaruh penambahan serbuk grafit terhadap properti tarik komposit PDMS/grafit. Sampel yang digunakan pada uji tarik adalah sampel yang mengalami pematangan sempurna. Tabel 3 menunjukkan bahwa penambahan grafit dapat meurunkan kekuatan tarik dan elongasi komposit PDMS/grafit namun dapat menaikkan modulus young komposit itu sendiri. Dengan komposisi 65% natural grafit (NG) dan 5% karbon hitam. Cara untuk meningkatkan kekuatan tarik dapat dilakukan dengan memvariasikan ukuran serbuk dan jenis penguat yang digunakan. Karena ukuran serbuk yang tidak homogen dapat menutupi rongga dalam komposit [4]. Secara umum sifat mekanik dapat dipengaruhi oleh tiga kondisi, peretakan (pelepasan ikatan) ikatan antarmuka matriks dan serbuk grafit, ikatan antara matriks dan serbuk gtafit, dan keberadaan rongga pada matriks yang mendorong terjadinya pelepasan ikatan antarmuka [5]. Tabel 3. Properti Tarik Komposit/Grafit Tensile Elongation Kode Sampel Strength (%) (Mpa) PDMS/Grafit D 0% 534.2 1.3

Modulus Young (Gpa)

Gambar 4. Pengaruh penambahan grafit terhadap kekuatan tarik

Gambar 5. Pengaruh penambahan grafit terhadap regangan

0.00033

PDMS/Grafit D 20%

237.6

PDMS/Grafit D 40%

188.3

0.4

0.00173

PDMS/Grafit D 60%

31.9

0.3

0.00260

PDMS/Grafit D 80%

0

0

0

PDMS/Grafit S 0%

534.2

1.3

0.00033

PDMS/Grafit S 20%

273.9

0.8

0.00061

PDMS/Grafit S 40%

135.2

0.5

0.00120

PDMS/Grafit S 60%

57.5

0.3

0.00159

PDMS/Grafit S 80%

0

0

0

0.7

3

0.00058

Gambar 6. Pengaruh penambahan grafit terhadap modulus young

Gambar 4 menunjukkan kekuatan tarik komposit menurun terhadap penambahan grafit, hal ini dikarenakan sifat grafit lebih getas dibandingkan PDMS. Gambar 5 menunjukkan penurunan regangan seiring dengan bertambahnya grafit. Kemampuan PDMS mengikat grafit semakin menurun seiring dengan bertambahnya kadar grafit komposit PDMS/grafit dan hal ini yang menyebabkan menurunnya kekuatan tarik dan regangan komposit PDMS/grafit Gambar 6 menunjukkan kenaikan modulus young seiring dengan bertambahnya grafit, hal ini disebabkan sifat grafit yang kaku sehingga meningkatkan ketangguhan dari komposit.

D. Hasil Pengamatan SEM Pengamatan Scanning Electron Microscopy (SEM) menggunakan alat FEI INSPECT S50 dengan tegangan 10.000 V di Laboratorium Karakterisasi Material Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. Sampel yang diuji adalah sampel hasil pengujian tarik. Gambar 7 (a) dan 6 (b) menunjukkan persebaran grafit merata dan terlihat perbedaan banyak grafit yang ada pada kandungan 20% dan 60%. Pada gambar 7 (a) menunjukkan bahwa pada komposit dengan 20% grafit memiliki kandungan grafit yang lebih sedikit dibandingkan dengan komposit dengan 60% grafit seperti yang ditunjukkan pada gambar 7 (b).

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) ISSN : 1-5

4

Pada gambar 7 (b) terlihat adanya rongga serbuk grafit yang terkelupas. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi antara PDMS dengan grafit kurang baik. Hal ini juga diperkuat dengan perbesaran 800x yang menunjukkan adanya rongga disekitar serbuk grafit. Berdasarkan teori perekatan secara mekanik, perekat harus mempenetrasi rongga-rongga pada permukaan dan menggantikan udara yang terjebak pada ikatan antarmuka tersebut. Teknik yang disarankan untuk meningkatkan ikatan interlocking mekanik dengan cara menutup atau mengisi rongga-rongga pori dalam komposit dengan cara meningkatkan kekasaran permukaan butiran serbuk, meningkatkan rongga permukaan butiran serbuk, sehinggan dapat menyerap matriks. Teknik ini akan meningkatkan sifat mekanik secara keseluruhan komposit [6].

terhadap perubahan panas yang berkaitan dengan perubahan temperatur pemanasan. Dilakukan pada temperatur 40 0C sampai 800 0C. Tabel 4 menunjukkan pengurangan berat 5% dengan komposisi grafit D 20% terjadi pada temperatur 463,5 oC dengan berat sisa saat temperatur 800 oC adalah 47%. Sedangkan pada komposit dengan komposisi grafit D sebesar 60% pengurangan 5% berat terjadi pada temperatur 508 oC dengan berat sisa saat temperatur 800 oC sebesar 75%. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan grafit dalam komposit dapat meningkatkan stabilitas termal dengan melihat berat sisa saat temperatur 800oC. Pada PDMS tanpa penambahan grafit tersisa 36,9% saat temperatur 800oC namun setelah ditambah dengan grafit banyak berat sisa bertambah seiring bertambahnya grafit. Selain bertambahnya berat sisa saat 800oC, temperatur saat komposit mulai terdegradasi juga bertambah, dari semula saat terjadi pengurangan 5% berat terjadi pada temperatur 419,5oC menjadi 463,5oC saat dilakukan penambahan grafit.

Grafit

(a)

Grafit

(b) Gambar 7. Hasil pengamatan SEM (a) 20% grafit dan (b) 60% grafit

E. Stabilitas Termal dari Komposit Pengujian Thermogravimetric Analysis (TGA) menggunakan alat Mettler Toledo di Laboratorium Karakterisasi Material Jurusan teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. TGA adalah untuk mengetahui sifat berat bahan

Tabel 4. Hasil Pengujian TGA Komposit Grafit Sampel T(oC) T(oC) Berat Sisa 5% loss 10% loss 800oC (wt%) 6,3 PDMS 100% 419,5 453,3 (36,9%) 13,36 PDMS/Grafit D 20% 463,5 502 (47,73%) 21,13 PDMS/Grafit D 60% 508 543,5 (75,47%) 12,83 PDMS/Grafit S 20% 478,5 510 (45,84%) 20,46 PDMS/Grafit S 60% 511,1 540,8 (73,07%)

Gambar 8 menunjukkan kurva setelah pengujian TGA. Berdasarkan Gambar 8 terdapat perbandingan hasil pengujian TGA antara PDMS yang ditambah dengan grafit D dengan grafit S, terjadi perbedaan namun tidak terlalu signifikan. Pada penambahan 20% grafit S pengurangan 5% berat terjadi pada temperatur 478,5oC. Sedikit lebih tinggi dibandinkan dengan komposit dengan grafit D. Begitu pula pada komposit PDMS dengan penambahan 60% grafit S, pengurangan 5% berat terjadi pada temperatur 511oC. Pada temperatur 419 oC merupakan titik dimana PDMS mulai terdegradasi. Setelah PDMS mulai melalui titik degradasi maka seiring bertambahnya temperatur massa yang berkurang semakin drastis hingga PDMS akan stabil kembali. Banyaknya massa yang berkurang pada temperatur setelah titik degradasi kebanyakan disebabkan oleh bentuk dari gugus siloksan yang terdegradasi [7]. Berdasarkan data yang didapatkan dari hasil TGA, matriks menunjukkan stabilitas thermal yang baik, meskipun sifat komposit sering kali didominasi oleh sifat penguat, tetapi beberapa sifat, seperti konduktivitas thermal, konduktivitas listrik, densitas dan porositas dapat dipengaruhi oleh matriks atau proses pembentukan matriks. Sehingga, sifat utama komposit bahan matriks dan prosesnya tidak dapat diabaikan [8]. Dan pada komposit PDMS/grafit ini stabilitas termal dapat bertambah dikarenakan grafit mempunyai stabilitas termal

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) ISSN : 1-5

5

lebih baik dibandingkan dengan PDMS. Parameter proses, seperti temperatur, tekanan, waktu curing, adalah faktor kritis terhadap keberhasilan pembuatan interkoneksi mekanik dan elektrik. Sambungan adesif konduktif bisa gagal, antara lain karena tegangan termal yang disebabkan oleh ketidaksesuaian koefisien muai panas antara matriks dan serbuk, oleh ketidaksesuaian antara matriks terhadap serbuk selama siklus karakteristik komposit [9].

menunjukkan berat sisa pada 800oC sebesar 75,47%. Untuk stabilitas termal Grafit D lebih baik dibandingkan Grafit S. Penambahan grafit dapat meningkatkan konduktivitas listrik hanya pada komposisi grafit D 60% sebesar 102,5%. Data pada 60% grafit menunjukkan nilai konduktivitas listrik sebesar 1,025 S/cm. Pada konduktivitas listrik Grafit D jauh lebih baik dibandingkan komposit dengan Grafit S. DAFTAR PUSTAKA [1]

Gambar 8. Kurva Hasil Pengujian TGA

F. Sifat Konduktivitas Listrik Komposit Pada komposit PDMS/Grafit D sampel yang muncul nilai konduktivitasnya hanya pada komposit dengan persentase grafit 60%. Sedangkan pada komposit dengan PDMS/Grafit S tidak muncul nilai konduktivitasnya. Nilai konduktivitas yang muncul dari komposit PDMS/Grafit D 60% sebesar 0,01025 Ω/mm atau sebesar 1,025 S/cm. Dengan penambahan grafit sebanyak 60% maka nilai konduktivitas listrik dari PDMS akan meningkat. Nilai konduktivitas listrik bergantung pada fraksi volume serbuk, dan kandungan minimum serbuk grafit, dimana serbuk grafit tersebut membentuk jaringan kerja yang bersambung, yang menentukan komposit grafit menjadi konduktif secara elektrik. Faktor-faktor penentu adalah: konduktivitas serbuk, fraksi volume dan karakteristik serbuk, seperti: ukuran, bentuk, luas permukaan, distribusi dan orientasi serbuk pengisi. Konduktivitas listrik ditentukan pada kemungkinan kontak antar serbuk di dalam matriks polimer.Metode fabrikasi dan kondisi pembuatan komposit memainkan peranan penting dalam konduktivitas karena mempengaruhi penyebaran, orientasi dan jarak antar serbuk di dalam matriks polimer [10].

IV. KESIMPULAN Penambahan komposisi grafit dapat menaikkan modulus young komposit polidimetilsiloksan/grafit. Tetapi dapat menurunkan kekuatan tarik dan elongasi. Kekuatan tarik tertinggi pada komposisi grafit 20wt% dengan 0.86 Mpa. Untuk kekuatan tarik Grafit S lebih baik dibandingkan Grafit D. Penambahan grafit dapat meningkatkan stabilitas termal komposit polidimetilsiloksan/grafit. Data pada 60% grafit

Kuo, Alex C. M. Polymer Data Handbook. Oxford : Oxford University Press, Inc (1999) [2] Altobelli,R. Investigation on the corrosion resistance of carbon black graphite-poly(vinylidene fluoride) composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells. Federal. University of ABC (UFABC), Santo Andre´: Brazil Vol.6 12474-12485 (2011). [3] M. A. Unger, H. P. Chou, T. Thorsen, A. Scherer, S. R. Quake, Science, 288, 11 (2000). [4] Venkat, et al. Effect of architecture on mechanical properties of carbon/carbon composites.Composite Structure. 83-18 (2008). [5] Shen, L., J. Li, B. M. Liaw, F. Delale, J. H. Chung, Modeling and analysis of the electrical resistance measurement of carbon fiber polymer–matrix composites, Composites Science and Technology 67, 2513–2520 (2007). [6] Priyotomo,Gadang. Perubahan Struktur Kristal Material berbasis Karbon Terhadap Sifat Konduktivitas. Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI: Tangerang Vol.22 No.1 (2007). [7] Deshpande, Girish dan Mary E. Rezac. “Kinetic Aspect of Thermal Degradation of Poly(Dimethyl Siloxane) and Poly(Dimethyl Diphenyl Siloxane)”. Polymer Degradation and Stability 76 : 17-24 (2002). [8] Manocha, L. M. High performance carbon–carbon composites, Sadhana Vol. 28, Parts 1 & 2, pp. 349–358 (2003). [9] Sancakstar, E and L. Bai., “Electrically Conductive Epoxy Adhesives” Polymers, 3, 427-466 (2011). [10] Kalaitzidou, dkk. A Route for Polymer Nanocomposites with Engineered Electrical Conductivity and Percolation Threshold. Materials.3. 1089-1103 (2007).