Pengaruh Karbon Hitam Bambu Terhadap Kekuatan Tarik, Stabilitas Thermal Dan Konduktivitas Listrik Komposit Epoksi/Karbon Hitam Bambu Sebagai Bahan Komponen Listrik Adam Aldino Ramadhan dan Hosta Ardhyananta Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia E-mail:
[email protected]
Abstrak— Karbon hitam adalah suatu bahan amorf yang dihasilkan melalui proses pemanasan yang biasa digunakan pada karet sebagai penguat, pigmen dan lain-lain. Bambu merupakan alternatif penghasil karbon hitam yang tepat karena merupakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui. Karbon hitam dari bambu dapat dihasilkan dari pemanasan dengan furnace. Salah satu aplikasi dari karbon hitam yang paling menarik yaitu pada aplikasi pelat bipolar PEM fuel cell. Umumnya, pelat ini terbuat dari grafit, logam (titanium, stainless steel, dan nikel), atau dapat juga dibuat dari komposit. Pada penelitian ini dilakukan proses pembuatan komposit epoksi/karbon bambu dengan variasi fraksi berat sebesar 10,20, dan 30% berat karbon hitam bambu. Hasil pengujian TGA menunjukkan adanya stabilitas thermal, pengujian tarik dengan nilai 5.14 MPa pada komposisi tertinggi, pengujian FTIR menunjukkan adanya ikatan mekanik dari epoksi dengan karbon bambu, serta pengujian SEM menunjukkan adanya porositas dari komposit dan filler yang tidak berikatan dengan matriks., dan pengujian konduktifitas epoksi/karbon bambu 30% sebesar 6.33x10-8 S/cm. Kata Kunci— Epoksi, Karbon Hitam, Bambu, Kekuatan Tarik, Konduktivitas Listrik
I. PENDAHULUAN arbon hitam adalah suatu bahan amorf yang dihasilkan melalui proses pemanasan yang biasa digunakan pada karet sebagai penguat, pigmen dan lain-lain. Karbon hitam sering digunakan dalam aplikasi komposit yang memiliki konduktifitas listrik baik. Hal ini dikarenakan luas permukaan spesifiknya yang besar, sehingga tak perlu banyak bahan yang ditambahkan dalam matriks [1]. Bambu tergolong keluarga Graminae (rumputrumputan) memiliki sebutan “The Giant Grass”. Di Indonesia potensi tanaman bambu ini cukup tingginamun data resmi belum diketahui. Studi mengenai sifat bambu tropik Indonesia masih sedikit. Studi mengenai sifat bambu tropik perlu dilakukan untuk mengoptimalkan penggunaan bambu. Pohon bambu di Indonesia juga masih ditanam secara tidak teratur. [2].
K
Kegunaan inovatif dari karbon hitam adalah pada bidang kelistrikan, salah satunya pada pelat bipolar Polimer Membran Elektrolit fuel cell (PEMFC). Pelat bipolar memberikan peranan yang penting, karena berkontribusi 80% dari total volume, 70% dari total berat, dan 60% dari total biaya produksi pada perangkat PEMFC. [3] Penelitian ini menggunakan komposit epoksi/karbon hitam sebagai bahan utama. Komposit yang digunakan berupa polimer epoksi sebagai matriks serta karbon hitam sebagai bahan penguat. Selanjutnya variasi rasio pencampuran diberikan untuk mendapatkan komposit dengan sifat optimum. II. EKSPERIMEN Epoksi jenis Diglycidyl ether of bisphenol A dan poliamino amid, yang diproduksi oleh Eposchon sebagai matriks. Karbon hitam yang digunakan bersumber dari bambu. Bambu yang digunakan adalah bambu dari daerah jawa, yaitu bambu petung (Dendrocalamus asper). Spesimen dari material bambu diambil dari ruas bawah pohon bambu (belum dilakukan proses apapun) yang berumur 3-4 tahun. Carbon berukuran ± 26.89 μm dengan variasi % berat 10, 20, dan 30%. Proses pencampuran dimulai dengan proses pencampuran epoksi dengan PAA kemudian ditambahkan karbon hitam. Kemudian dipanaskan pada temperatur 50, 100, 150, 200, hingga 240 masing-masing selama 1 jam. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi uji FT-IR menggunakan mesin Thermo Scientific, Uji Tarik menggunakan alat Autograph. Pengujian tarik dilakukan sesuai standar ASTM D638M. Kemudian untuk pengamatan SEM menggunakan alat FEI INSPECT S50, Uji TGA menggunakan alat mettler toledo dan Konduktivitas listrik menggunakan multi meter DT830D dan adaptor sebesar 12 volt.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. 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 epoksi dan karbon hitam sebelum dicampurkan dan setelah menjadi komposit. Grafik hasil pengujian FTIR menghasilkan puncak grafik yang berada pada range 5004000.Gambar 3 dan 4 menunjukkan grafik hasil mpengujian FTIR komposit epoksi/karbon hitam.
Gambar 2. Spektra Inframerah Komposit Epoksi/Karbon Hitam
Berdasarkan hasil FTIR dapat dilihat bahwa pada komposit epoksi/karbon, 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. Selain itu, karbon dengan epoksi hanya berikatan mekanik juga ditunjukkan dengan tidak adanya puncak baru. Jika epoksi dengan karbon berikatan secara kimia maka akan muncul. Tabel 2 dan 3 menunjukkan analisa daerah serapan pada komposit 30% epoksi/karbon. Jika dibandingkan dengan analisa daerah serapan pada epoksi, muncul puncak ikatan CC stretch yang menunjukkan ikatan kimia dari karbon. Tabel 1.Daerah Serapan Komposit epoksi/karbon hitam 30% Daerah Serapan (cm-1)
Ikatan
Gugus Fungsi
825
C-O-C stretch of oxyrane group
1031
C-O-C stretch of ether
1507
C-C stretch aromatic
hidroksil
C=C stretch aromatic
hidroksil
epoksi eter
1605 N-H deformation
amina
2850
C-H stretch
hidroksil
2922
C-C stretch
alkana
B. Sifat Tarik Komposit Pengujian tarik menggunakan alat Autograph. Bertujuan untuk mengetahui sifat mekanik pada komposit serta mengetahui pengaruh penambahan serbuk karbon terhadap properti tarik komposit epoksi/karbon. Sampel yang digunakan pada uji tarik adalah sampel yang mengalami pematangan sempurna. Tabel 2 menunjukkan bahwa penambahan grafit dapat meurunkan kekuatan tarik modulus young, dan elongasi komposit epoksi/karbon hitam. Peningkatan kekuatan tarik dapat dilakukan dengan memvariasikan ukuran serbuk dan jenis filler. Karena ukuran serbuk yang bervariasi dapat menutupi rongga-rongga dalam komposit yang mengakibatkan penurunan kekuatan.Secara umum, sifat mekanik dapat dipengaruhi oleh tiga kondisi, ikatan antara matriks dan serbuk karbon, peretakan (pelepasan ikatan) pada ikatan antarmuka (interface) matriks dan serbuk karbon, dan keberadaan rongga matriks yang mendorong pelepasan ikatan antarmuka sebagai penyebab kelemahan sifat mekanik secara umum. [4]. Tabel 2. Properti Tarik Komposit/Karbon Hitam Tensile Elongation Kode Sampel Strength (%) (Mpa) Epoksi/Karbon Hitam 4.74 64.69 (0%) Epoksi/Karbon Hitam 2.31 7.63 (10%) Epoksi/Karbon Hitam 1.88 6.24 (20%) Epoksi/Karbon Hitam 1.68 5.14 (30%)
Modulus Young (Gpa) 1.36 0.33 0.33 0.32
Gambar 4 menunjukkan kekuatan tarik komposit menurun terhadap penambahan grafit, Kekuatan tarik komposit menurun dengan adanya penambahan karbon hitam dan lebih rendah dibandingkan dengan matriksnya. Begitu juga dengan komposit epoksi/grafit. Adhesivitas antara matriks dan filler berpengaruh dalam kekuatan tarik komposit. Epoksi tidak dapat mengikat sempurna partikel filler karbon hitam sehingga banyak karbon hitam yang terlepas pada komposit. Hal ini menyebabkan kekuatan tarik dari komposit epoksi/karbon hitam akan menurun. Selain itu, porositas juga berpengaruh terhadap kekuatan tarik dari epoksi. Porositas akan menyebabkan terjadinya internal stress yang besar pada daerah poros saat pengujian tarik komposit, sehingga kekuatan tarik komposit akan menurun. [5] Gambar 5 menunjukkan penurunan modulus young seiring dengan bertambahnya karbon. Gambar 6 menunjukkan penurunan regangan seiring dengan bertambahnya grafit. Kemampuan epoksi mengikat karbon semakin menurun seiring dengan bertambahnya kadar karbon komposit epoksi/karbon dan hal ini yang menyebabkan menurunnya kekuatan tarik dan regangan komposit epoksi/karbon hitam.
Gambar 4. Pengaruh penambahan grafit terhadap kekuatan tarik
(a)
Gambar 5. Pengaruh penambahan grafit terhadap modulus young
(b)
Grafit
Gambar 6. Pengaruh penambahan grafit terhadap regangan
C. 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) menunjukkan hasil uji tarik dari sampel epoksi, terlihat bahwa hasil patahan adalah patahan ulet. Pada gambar 7 (b) terlihat adanya rongga serbuk karbon hitam yang terlepas. Banyak porositas yang terjadi pada sampel. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi antara epoksi dengan karbon hitam kurang baik. Dalam gambar tidak tampak serbuk karbon yang terikat dengan epoksi sebagai matriksnya. Pada gambar 7 (c) juga terlihat bahwa persebaran karbon tidak merata. Porositas juga terjadi meskipun lebih sedikit bila dibandingkan dengan komposit epoksi/karbon hitam
(c) Gambar 7. Hasil pengamatan SEM (a) epoksi (b) epoksi/karbon hitam (c) epoksi/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]. D. 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 terhadap perubahan panas yang berkaitan dengan perubahan temperatur pemanasan. Dilakukan pada temperatur 40 0C sampai 800 0C. Tabel 4. Hasil Pengujian TGA Komposit Epoksi/Karbon Sampel T(oC) T(oC) Berat Sisa 5% loss 10% loss 800oC (wt%) Epoksi 351.50 361.83 6.16 Karbon Hitam 54.67 95.00 84.35 Epoksi/Karbon Hitam 342.33 366.83 48.72 (30%)
Tabel 4. menunjukkan stabilitas thermal komposit epoksi/karbon. Pengurangan massa epoksi sebanyak 5% terjadi pada temperatur 351.5oC dan memiliki berat sisa pada temperatur 800oC sebanyak 6.16%. Pada komposit epoksi/karbon hitam (30%), pengurangan massa 5% terjadi pada temperatur 342.33oC dan memiliki berat sisa sebanyak 48.72%. Karbon hitam memiliki kehilangan massa 5% pada temperatur 54.67oC dengan berat sisa sebanyak 84.35%. %. Pada komposit epoksi/grafit (30%) terjadi pengurangan massa 5% pada temperatur 351.5oC dan memiliki berat sisa sebanyak 35.71%. Hal ini menunjukkan bahwa karbon hitam memiliki stabilitas thermal yang baik, dan dengan adanya penambahan karbon hitam dalam komposit epoksi/karbon hitam akan meningkatkan stabilitas thermalnya. 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 [7]. Pada temperatur 60-80oC, berat sisa dari komposit epoksi/karbon hitam menjadi 99.93%. dan mulai terdegradasi pada temperatur 354oC. Hal ini menunjukkan bahwa komposit epoksi/karbon hitam cocok dalam aplikasi pelat bipolar PEMFC karena pada temperatur tersebut hampir tidak terjadi degradasi termal.
Gambar 8. Kurva Hasil Pengujian TGA Komposit Epoksi/Karbon Hitam
E. Sifat Konduktivitas Listrik Komposit Pengujian Konduktivitas Listrik ini menggunakan metode four power probe dengan menggunakan alat multi meter DT830D dan adaptor sebesar 12 volt.Dimensi pengujian 12,7 x 127 mm dengan tebal 3 mm. Tabel 5 Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Epoksi/Karbon (Ω.mm)-1 (S/cm) Epoksi 0 0 Epoksi/Karbon Hitam 10% 0 0 Epoksi/Karbon Hitam 20% 0 0 Epoksi/Karbon Hitam 30% 6.33x10-10 6.33x10-8
Pada komposit epoksi/karbon, sampel muncul nilai konduktivitas hanya pada komposit dengan persentase karbon tertinggi. Pada komposit epoksi/karbon hitam, nilai konduktivitas listriknya 6.33x10-8 S/cm. Komposit epoksi/grafit memiliki nilai konduktivitas listrik 7.97x10-8 S/cm. Dengan penambahan karbon akan meningkatkan nilai konduktivitas listrik dari epoksi. Nilai konduktivitas listrik bergantung pada fraksi volume serbuk, dan kandungan minimum serbuk grafit. 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 kemungkinan ditentukan oleh 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 [8]. 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. [7]
IV. KESIMPULAN Penambahan karbon hitam pada komposit menurunkan kekuatan tarik, modulus young dan elongation. Kekuatan tarik epoksi tertinggi terdapat pada komposisi 100% epoksi yaitu 64.69 MPa, sedangkan pada 30% karbon hitam yaitu 5.14 MPa, Penambahan karbon hitam pada komposit dapat meningkatkan stabilitas thermal. Pada komposisi 30% dapat meningkatkan stabilitas thermal dengan memiliki berat sisa sebanyak 48.72% Penambahan karbon pada komposit dapat menaikkan konduktivitas listrik dengan nilai sebesar 6.33x10-8 S/cm pada komposisi karbon hitam 30% DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3] [4] [5]
[6]
[7] [8]
Anett Kiraly dan Ferenc Ronkay. Effect of Graphite and Carbon Black Fillers on the Processability, Electrical Conductivity and Mechanical Properties of Polypropylenebased Bipolar Plates. Polymers & Polymer Composites, Vol. 21, No. 2, 2013 Hosta Ardhyananta, Arif Fahmi, dan Moh. Farid. Sifat Mekanik dan Termal Bambu Ori dan Bambu Petung Indonesia: Efek Perlakuan Panas. Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi. 263-268 (2012) E. Planes, L. Flandin, N. Alberola. Polymer composites bipolar plates for PEMFC’s. Energy Procedia 20 (2012) 311-323 Venkat, et al. Effect of architecture on mechanical properties of carbon/carbon composites.Composite Structure. 83-18 (2008). 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). Priyotomo,Gadang. Perubahan Struktur Kristal Material berbasis Karbon Terhadap Sifat Konduktivitas. Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI: Tangerang Vol.22 No.1 (2007). Sancakstar, E and L. Bai., “Electrically Conductive Epoxy Adhesives” Polymers, 3, 427-466 (2011). Kalaitzidou, dkk. A Route for Polymer Nanocomposites with Engineered Electrical Conductivity and Percolation Threshold. Materials.3. 10891103 (2007).
