PENELITIAN AWAL PENGARUH LAMA POST CURING TERHADAP KEKUATAN TARIK DAN KEKERASAN MIKRO SKALA VICKERS PADUAN POLIMER EPOXY DGEBA DAN HARDENER DIAMINE 1)
E. Marsyahyo1), Heru S.B. Rocharjo2), R. Soekrisno3), Jamasri4) Mahasiswa Sekolah Pascasarjana Program Doktor, Universitas Gadjah Mada Jogjakarta; Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Nasional Malang Email:
[email protected] 2), 3), 4) Promotor/Co-promotor/Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada, Jogjakarta ABSTRACT
Epoxy is a well-known thermosetting polymer material that has been utilized for many kind structural end products. In this preliminary study, the effect of various post curing time( 1,2 and 3 hour) at constant temperature 1100 C to tensile strength, Vickers hardness number and their tensile fracture modes were investigated in order to related mechanical response within various composition of epoxy resin and hardener. The composition was varied from 50%: 50%, 60%: 40% and 40%: 60% of epoxy resin blended to hardener. The specimens for tensile test were designed according to micromechanic polymer matrix in single fiber fragmentation test from National Physic Laboratory England. Tensile strength and microhardness relationship as mechanical response and its surface fracture modes play an important role in utilizing the polymer material for practical application.. In addition, the effects of epoxy/hardener blended were also examined chemically by performing FTIR. This result will be continued for assessing micromechanic aspects of epoxy/hardener blended as a matrix in natural cellulose fiber reinforced composite polymer. Keywords: epoxy, hardener, post curing, tensile strength, Vickers hardness, fracture modes, FTIR, microphotograph
1.
PENDAHULUAN Epoxy merupakan senyawa kimia thermosetting yang tersusun dari ikatan atom oksigen dan karbon. Epoxy diproduksi melalui reaksi antara epichlorohydrin dan bisphenol A. Secara sederhana, epoxy dapat dikenali dari gugus atom yang tersusun dari struktur cincin dengan tiga anggota atom atau 1,2 epoxy seperti gambar 1 berikut ini (Stevens, 1989):
O CH
CH
Gambar 1. Struktur Gugus Fungsi Epoxy (Ethylene Oxide) Sebagai kemudahan untuk identifikasi, struktur yang lebih komplek dari epoxy memiliki gugus atom tersebut. Sebagai contoh ikatan molekul epoxy resin berikut ini:
Gambar 2. Struktur Epoxy Resin
Ikatan molekul epoxy tersebut tersusun dari dua group cincin di tengah-tengah yang memberikan pengaruh pada sifat mekanis dan thermal lebih baik dibandingkan dengan group linier. Epoxy akan mengeras (mengalami curing) jika dikombinasikan dengan hardener atau katalis untuk berbagai aplikasi yang luas seperti pada peralatan rumah tangga, komponen permesinan, otomotif, tanki dan pipa, komponen bodi pesawat terbang, komponen pesawat ruang angkasa, struktur jembatan dan lain-lain (Barrere, dkk., 2002; Pilato dan Michino, 1994). 2.
TINJAUAN PUSTAKA
Untuk mengetahui struktur kimia polimer, dalam hal ini resin epoxy dan hardener, dapat dilakukan melalui uji gugus-gugus fungsional menggunakan alat Fourier Transform Infrared (FTIR). Prinsip FTIR memanfaatkan radiasi infrared yang diserap oleh molekul-molekul penyususn polimer pada frekwensi tertentu dengan kisaran frekuensi vibrasi rentangan dan vibrasi bengkokan dari ikatan molekul. Hanya ikatan yang memiliki momen dipole yang dapat menyerap radiasi ini. Satuan radiasi yang diserap oleh molekul dinyatakan dalam panjang gelombang yang berbanding lurus dengan energi. Bilangan panjang gelombang akan memberikan informasi gugus-gusus fungsi suatu
Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin IV, Universitas Udayana, Bali, 21-22 Nopember 2005
7
molekul yang menyusun polimer (Sastrohamidjojo, H.,1992). Gambar 3 dan 4 menunjukan reaksi ikatan molekul antara resin epoxy dan hardener. Resin epoxy jenis DGEBA memiliki gugus fungsi CH-O-CH sedangkan hardener jenis diamine memiliki gusus fungsi phenolik NH. Setiap molekul diamine mengikat silang empat molekul epoxy.(www. Nationmaster.com: Chemical formula).
(ikatan antar atom carbon dan hydrogen) maka semakin keras sehingga sulit mengalami deformasi mekanis. Proses pengerasan (curing) pada polimer juga sangat erat kaitannya dengan sifat mekanis bahan tersebut (Stevens.1989 dan Courtney, 2000).
σ(MPa) x 60 brittle failure plastic failure
40
x
20 0 0
elastomer
2
initial: amorphous chains are kinked, heavily cross-linked.
Gambar 3. Reaksi lengkap 4 Epoxy resin dan Hardener (MP-diamine)
3.
-
Resin epoxy DGEBA
Gambar 4. Skematik molekul epoxy (DGEBA) dengan hardener (diamine) Hardener diamine berfungsi mempercepat tahap pengerasan atau curing. Didalam aplikasinya, proses curing akan mempengaruhi sifat-sifat mekanis, kimia dan thermal dari polimer epoxy (Barerre, dkk, 2002). Epoxy (resin dan hardener) memiliki fase gel pada suhu kamar dan akan berubah menjadi keras pada fase gelas, yakni terjadi pada suhu gelas (Tg). Tahap post curing diperlukan untuk memperoleh sifat-sifat mekanis yang lebih baik dimana pada proses ini terjadi ikat-silang (crosslinked) antar molekul lebih sempurna (Dang, dkk, 2002). Secara umum, perilaku mekanis polimer ditunjukan oleh grafik tegangan regangan dalam Gambar 5 (Courtney, 2000). Perilaku hubungan tegangan regangan bahan polimer memiliki sifat viskoelastik (perilaku strain softening dan strain hardening) yang ditentukan oleh struktur ikatan kimianya, laju tegangan-regangan dan perubahan temperatur (Van Melick, 2002). Pada umumnya, semakin kristal dan ikatan silang tinggi 8
6
ε
8
final: chains are straight, still cross-linked
Deformation is reversible!
Gambar 5. Grafik hubungan tegangan-regangan viskoelastik bahan polimer
-
• Diamine NH2 –R- NH2
4
x
-
CARA PENELITIAN Bahan: Resin Epoxy, Brataco Chem. nomer batch J509/04 Hardener epoxy, Brataco Chem. nomer batch J510/04 Wax/white oil moulding releaser Alat: Gelas reaksi Spatula Cetakan spesimen Oven listrik, Memmert Max 200C Pencekam spesimen Mesin uji tarik, Hung-Ta UTM Mesin uji kekerasan mikro Vickers, Mitutoyo MVK-E3 Mikroskop optik Mesin uji FTIR, IRPrestige 21 Kondisi lingkungan pengujian: Temperatur temperatur ruang 32 ± 2 Kelembaban relatif sebesar 85 ± 5 %
Tabel 1. Persentase paduan resin epoxy (RE) dan hardener (HE) serta lama post curing Komposisi EpoxyResin : Hardener 50:50 60:40 40:60
Lama waktu post curing (pada temperatur konstan 1100C) 60 menit
120 menit
180 menit
Tanpa post curing
Prosiding SNTTM IV - 2005
Mulai
Timbang fraksi berat komposisi epoxy dan hardener: 50:50; 60:40; 40:60
Kekuatan Tarik paduan resin epoxy dan hardener tanpa Post Curing , MPa
40 6040
30
5050
20
4060
Uji FTIR komposisi persentase epoxy dan hardener
Persiapan cetakan standar NPL microtensile
10 0
Gambar 8. Kekuatan tarik paduan resin epoxy dan hardener tanpa post curing Kekuatan Tarik Paduan Epoxy/Hardener
Oven spesimen selama 1, 2 dan 3 jam pd temperatur 1100 C
60:40 1jam 70
60:40 2 jam
60
60:40 3 jam
50 40
Pengujian tarik microtensile, setting beban tarik F=200N
30 20 10 0
50:50 1jam 50:50 2 jam 50:50 3 jam 40:60 1jam 40:60 2 jam 40:60 3 jam
Pengujian kekerasan mikro Vickers, setting gaya tekan F=0,2452 N (0,025 kg)
Foto mikro pembesaran 200 X dan 500X
Berhenti
Gambar 6. Diagram alir cara penelitian
Gambar 9. Hasil uji tarik paduan resin epoxy dan hardener post curing Hubungan tegangan - regangan menunjukkan perilaku viskoelastik yakni sifat getas muncul pada komposisi 50:50 dan 40:60. Sedangkan elastomer atau kenyal terjadi pada komposisi 60:40 dimana persentase hardener lebih rendah dibandingkan dengan persentase resin epoxy. Grafik hubungan tegangan regangan dicontohkan pada gambar 10. Perilaku bahan yang diuji pada temperatur ruang 32 ± 2 dan kelembaban relatif sebesar 85 ± 5 % menunjukkan sifat viskoelastis dimana memiliki kurva tegangan-regangan lunak-ulet, keras-getas dan keras-ulet akibat laju pembebaban, perlakuan post curing dan komposisi paduan resin epoxy/hardener.
40:60
Gambar 7. Cetakan dan dimensi spesimen microtensile standar NPL (Lodeiro, 2001)
4.
HASIL DAN PEMBAHASAN Kekuatan tarik setiap paduan epoxy dan hardener akibat pengaruh lama post curing ditunjukkan pada grafik berikut ini:
Teknologi, Pengembangan dan Pengujian Material
50:50
60:40
Gambar 10. Grafik tegangan-regangan paduan epoxy/hardener
9
Kekerasan Vickers, HV
Kekerasan Vickers Paduan Epoxy/Hardener 60:40 1jam 60:40 2jam 60:40 3 jam 50:50 1 jam 50:50 2 jam 50:50 3 jam 40:60 1jam 40:60 2jam 40:60 3 jam
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Gambar 11. Harga kekerasan mikro skala Vickers (HV) Kekuatan tarik tertinggi dicapai oleh paduan epoxy dan hardener 40:60. Perilaku getas terjadi pada penambahan persentase hardener. Penambahan hardener juga meningkatkan kekerasannya. Perlakuan post curing optimal dicapai pada lama waktu tiga jam. Peningkatan kekuatan tarik dan kekerasan paduan resin epoxy dan hardener antara tanpa post curing (gambar 8) dengan perlakuan post curing (gambar 9 dan 11) mencapai sekitar 50-60%. Kekerasan mikro skala Vickers menunjukkan harga tertinggi dicapai komposisi epoxy/hardener 40:60 dengan lama waktu post curing 3 jam. Kekerasan yang tinggi disebabkan penambahan hardener dan lama waktu reaksi saat post curing yang mencukupi terjadinya ikat silang lebih seragam. Foto hasil identasi Vickers terdapat di lampiran 1. Hasil foto mikro menunjukkan semakin tinggi komposisi persentase hardener dan lama waktu post curing, maka spesimen cenderung memiliki sifat patahan getas dengan permukaan patahan lebih halus. Pola retakan mikro tampak pada komposisi 50:50 dan 40:60. Retak terjadi lebih intensif disekitar void. Void atau terperangkapnya gelembung udara (terlihat seperti bulatan bola kecil) muncul ketika proses pencampuran resin epoxy dan hardener serta reaksi curing kurang sempurna. Tahap pengerasan paduan yang kurang sempurna juga menghasilkan permukaan patahan seperti kulit ikan hiu (sharkskin pattern) atau kerutan-kerutan (Migler,2001). Xie dan Yang, 2001, melaporkan hasil uji SEM paduan epoxy DGEBA/diamine-polysulfon menunjukkan distribusi butiran lebih halus dengan waktu post curing terlama. Hal ini membuktikan bahwa paduan tersebut mengalami ikat-silang lebih sempurna. Selain proses post curing, berat molekul polimer juga menentukan sifat-sifat mekanis paduan.
Void
Kerutan
Void
(c) 60:40 1jam, 200X
(d) 60:40 1jam, 500X
Retak mikro/halus Void
(e) 40:60 1jam, 200X
(f) 40:60 1jam, 500X
Gambar 12. Hasil foto mikro pemukaan perpatahan spesimen
Pada gambar 13 terlihat spectrum gugus fungsi resin epoxy (a) sebelum dicampur dengan hardener (b). Resin epoxy mengalami pergeseran puncak bilangan gelombang antara 3000-3500 cm-1 setelah dipadukan dengan hardener. Paduan 50:50, 40:60 dan 60:40 memiliki pola intensitas dan bilangan gelombang yang relatif sama, hal ini menunjukkan secara kimiawi paduan tersebut memiliki gugusgugus fungsi relatif identik meskipun terdapat pegeseran bilangan gelombang pada batas gugus fungsi. Hasil penelitian ini akan dilanjutkan pada optimalisasi bahan komposit matrik polimer epoxy penguatan serat alam ramie (Boehmeria nivea) melalui tinjauan aspek mikromekanika bahan.
(a) Resin epoxy saja
Retakan
(b)Hardener diamine (a) 50:50 1jam, 200X 10
(b) 50:50 1jam, 500X Prosiding SNTTM IV - 2005
antara paduan resin epoxy dan hardener diamine.
REFERENSI 1.
Barrere, C.T., Halary, J.L., DalMaso, F., Relationship between Epoxy resin properties and weepage of glass reinforced filament wound pipes, Oil and Gas Science and Technology, vol. 57, pp. 169-175, Editions Technip, (2002).
2.
Courtney, T.H., Mechanical Behaviour of Materials, ed.2, Materials science/Mettalurgy Series, pen.McGraw Hill, Singapore, (2000).
3.
Van Melick, H.G.H.,Deformation and Failure of Polymer Glasses, laporan thesis, Univ. Eindhoven, pp. 5-7, ISBN.90-386-2923-0, Netherland, (2002).
4.
Dang, W., Kubouchi, M., Yamamoto, S., Sembokuya, H., Tsuda, K., An Approach to chemical recycling of epoxy resin cured with amine using nitrid acid, Polymer 43, pp. 29532958, Elsevier, (2002).
5.
Lodeiro, M.J., Single fibre fragmentation test for the characterization of interfacial phenomena in PMCs, National Physic Laboratory, Matc(MN)07, Crown Copyright, Middlesex, (2001).Migler, K.B., Technical Highlight: The Mechanism of Sharkskin, Materials Science and Engineering Laboratory, Polymer Division , Dept.of Commerce, USA, pp.16-17, (2001).
6.
Pochert, C.J., Handbook: The Aldrich Library of Infrared Spectra, ed.2, pen. Aldrich Chemical Company, Wisconsin, (1975).
7.
Stevens, M.P., Polymer Chemistry: An Introduction, 2nd edition, Oxford publ, Oxford, (1989).
8.
Xie, X., Yang, H., Phase structure control of Epoxy/Polysulfon blend effect of molecular weight of Epoxy resin, Material and design, vol.22, pp. 7-9, pen. Elsevier, (2001).
9.
___________________, Plastics Handbook, Plastic Magazine, ed. By Toensmeier, McGraw Hill Publ., London, (1996).
(c) 40:60
(d) 60:40 Gambar 13. Pola spectrum hasil uji FTIR 5.
KESIMPULAN Perilaku tegangan-regangan bahan polimer yakni paduan resin epoxy dan hardener dengan komposisi persentase 40:60, 50:50 dan 60:40 menunjukkan bahwa:
1.
Pengaruh lama waktu post curing dapat meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan resin epoxy/hardener diamine Pada komposisi resin epoxy/hardener 40:60 3 jam memiliki harga kekuatan tarik maksimal sebesar 106 MPa dan rata-rata sebesar 62,5 MPa. Harga kekuatan tarik terendah rata-rata sebesar 25,5 pada paduan 60:40 1 jam Nilai kekerasan Vickers rata-rata tertinggi dicapai oleh paduan resin epoxy/hardener 40:60 3 jam yakni sebesar 19,306 HV. Paduan ini bersifat keras dan getas karena persentase hardener lebih tinggi daripada resin. Komposisi paduan 60:40 memiliki perilaku kenyal dimana respon tegangan –regangan bersifat elastomer. Bahan bersifat lunak dan ulet. Sedangkan paduan 50:50 cenderung bersifat keras dan ulet. Hasil uji FTIR tidak menunjukan perubahan pola spektrum puncak gugus fungsi paduan resin epoxy /hardener, baik 50:50, 40:60 maupun 60:40. Pergeseran spectrum puncak terjadi antara rujukan resin epoxy sendiri dan hardener sendiri setelah dipadukan. Hasil foto mikro permukaan patahan menunjukkan semakin lama waktu post curing dan penambahan hardener maka paduan menjadi getas, dimana tekstur permukaan patahan terlihat lebih halus Void selalu muncul pada semua paduan, hal ini menunjukkan proses pencampuran dan tahapan curing yang kurang sempurna saat terjadi reaksi
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Teknologi, Pengembangan dan Pengujian Material
10. ___________________, Nation master Encyclopedia Chemical formula, www. Nationmaster.com, akses tgl 25 Juni 2005 11. ___________________, Table for Vickers Hardness Number, spesifikasi MVK-E3 Mitutoyo, Jepang
11
LAMPIRAN 1. FOTO POLA IDENTASI KEKERASAN VICKERS (F=0,2452 N/0,025 KG, T=5 Detik)
(A) 60:40, Lunak-ulet
(B) 40:60, Keras-getas
(C) 50:50, Keras-ulet
12
Prosiding SNTTM IV - 2005
