0993: Kuncoro Diharjo dkk.
HK-67
SIFAT TAHAN API DAN KEKUATAN BENDING KOMPOSIT GEOPOLIMER: ANALISIS PEMILIHAN JENIS PARTIKEL GEOMATERIAL Kuncoro Diharjo1,∗ , Agus Purwanto1 , Syah Johan A. Nasir2 , Bagus Hayatul Jihad3 , Yudit Cahyantoro N Saputro4 , Kaleb Priyanto4 , Albert Raga Andika5 , Roy Aries P Tarigan5 , Suryo Adiputro5 , dan Ischiadica Elharomy5 1
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS 2 Sentra Teknologi Polimer BPPT 3 Pusat Pengembangan Roket LAPAN 4 Mahasiswa S2 Teknik Mesin Pascasarjana UNS 5 Mahasiswa S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS ∗
e-Mail:
[email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Paper ini bertujuan untuk melakukan analisis pemilihan jenis partikel terbaik untuk pembuatan komposit geopolimer yang memiliki ketahanan api dan kekuatan mekanik yang tinggi. Bahan geomaterial yang digunakan meliputi montmorillonit genteng Sokka, fly ash,clay lokal boyolali dan nano-silika sebagai pembanding, sedangkan resin yang digunakan adalah phenolic tipe LP-1Q-EX. Material geopolimer dilakukan karakterisasi dengan SEM dan XRF. Pencampuran phenolic, promoter P-EX, hardener MEKPO dan partikel dilakukan pada putaran 50 rpm selama 2-5 menit. Pembuatan spesimen uji komposit dilakukan dengan metode cetak tekan.Spesimen komposit geopolimer ini dilakukan pengujian bakar (time of burning dan rate of burning) dan pengujian four point bending, serta penampang patahannya di analisa dengan SEM. Partikel fly ash berbentuk bulat dan partikel serbuk genteng Sokka berbentuk campuran bulat dengan amorf, serta partikel clay lokal Boyolali bebentuk amorf serpih. Komposit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit geopolimer lainnya, namun ketahanan bakarnya paling rendah. Komposit yang memiliki ketahanan bakar (time of burning dan rate of burning) paling baik adalah MMt-GS/phenolic, dan kekuatan bendingnya lebih tinggi dari FA/phenolic dan clay/phenolic. Kata Kunci: Time of burning, rate of burning, bending, phenolic, geomaterial
I.
PENDAHULUAN
Pada tahun 1979, Davidovits pertama kali memperkenalkan istilah ”geopolymer” untuk menunjuk kelas baru bahan alumino-silicate. Geopolimer telah menarik minat para ilmuwan karena memiliki sifat mekanik dan sifat termal yang sangat baik. Geopolimer juga memiliki kepadatan rendah, biaya proses rendah, serta ketahanan kimia dan api. Thang dkk melakukan penelitian dan investigasi dengan membandingkan pengaruh alumina (Al2 O3 ) nanofibres aditif pada kekuatan lentur (f), modulus lentur (Ef) dan deformasi relatif (A) dari komposit geopolimer. Penambahan Al2 O3 nanofibre 1.0% fraksi berat menghasilkan kekuatan lentur dan modulis lentur tertinggi.[1] Teknologi komposit geopolimer mulai memasuki wilayah baru yang lebih luas dan memberi kontribusi yang lebih besar pada dunia transportasi, yakni
material komponen kendaraan yang rawan terhadap api/suhu tinggi dan goncangan berat, termasuk untuk material roket. Konsep dasar pembuatan komposit geopolimer adalah pencampuran polimer dengan lempung/ batuan alam, yang mengandung oksida silika (SiO2 ) dan oksida alumina (Al2 O3 ) dalam jumlah besar. Optimalisasi sifat tahan apinya juga dapat dilakukan menggunakan polimer yang mengandung flame retardant (seperti phenolic). Hasil penelitian yang dilakukan oleh Cornell University/ National Institute of Standards and Technology (NIST) menunjukkan bahwa komposit plastik-lempung dengan komposisi 90% : 10% (w/w), dapat mempertahankan diri dari kerusakan akibat pembakaran api sebesar 60 – 80 %. Di samping itu, karakteristik mekanik-dinamiknya juga meningkat pesat dibandingkan sebelumnya tanpa penambahan lempung.
Prosiding InSINas 2012
0993: Kuncoro Diharjo dkk.
HK-68 Geomaterial lempung MMt (Montmorillonite) adalah segumpal tanah liat yang plastis dan mudah dibentuk. Unsur penyusun utama lempung MMt adalah silica (SiO2 ) dan alumina (Al2 O3 ). Kandungan silica dan alumina memberikan sifat tahan api yang baik pada lempung MMt. Lempung MMt mempunyai kemampuan mengabsorbsi tinggi, memiliki sifat liat yang tinggi, berkerut jika dikeringkan dan butir-butirnya berkeping halus.[2] Limbah FA (fly ash) didominasi oleh SiO2 (48%) dan Al2 O3 (32%). Semakin kecil partikel FA, semakin besar kekuatan komposit GeCo. Kekuatan bending tertinggi komposit GeCo (Geopolymer Composite) FA-poliester diperoleh pada kandungan 40% FA (w/w). Hingga 60% FA, kekuatan tarik GeCo juga meningkat seiring dengan peningkatan kandungan FA.[3] Sebagai bagian dari program untuk mengembangkan struktur tahan api eksterior komposit untuk subsonik masa depan pesawat komersial, penelitian ini menyelidiki resin epoxy tahan api. Epoxy yang mengandung fosfor disintesis dan digunakan untuk mempersiapkan epoxy formulasi. Fosfor merupakan inti dari epoxy resin dan tidak digunakan sebagai aditif. Epoxy dihasilkan ditandai dengan termogravimetri analisis, propana burner test analysis, unsur dan kalorimetri pembakaran mikro. Beberapa formulasi menunjukkan ketahanan api yang sangat baik dengan isi fosfor serendah 1,5% berat total[4] Paper ini bertujuan untuk melakukan analisis pemilihan jenis partikel terbaik untuk pembuatan komposit geopolimer yang memiliki ketahanan api dan kekuatan mekanik yang tinggi.
II.
METODOLOGI
A. Material dan Karakterisasi Bahan resin phenolic adalah resin poliester bisfenoR LP-1Q-EX, yang lik dengan merek dagang Yukalac diperoleh dari PT. Justus Kimia Raya Indonesia. Bahan partikel yang digunakan meliputi fly ash (dari PLTU Paiton, PT. Pembangkit Jawa-Bali (PT. PBJ) Probolinggo Jawa Timur), montmorillonite serbuk genteng Sokka (MMt-GS) dari PT. Agung Pratama Sokka Kebumen, Clay lokal dari Kabupaten Boyolali, dan nano-silica tipe hydrophobic yang diperoleh dari Xiushan Longfei New Materials Co. Ltd. Bahan partikel FA, MMt-GS dan Clay lokal dilakukan karakterisasi dengan pengujian SEM dan XRF, untuk mengetahui kandungan senyawa di dalamnya dan mengetahui bentuk partikelnya. Untuk mengetahui waktu penguapan air yang terikat, partikel geomaterial dilakukan karakterisasi pengeringan dengan menggunakan Moisture Analyzer pada suhu 105 ◦ C sesuai ASTM D-2216 dan Instruction Maual of Moisture Analyzer (A &D Company Limited). Dari hasil ini maka dapat ditentukan suhu dan waktu pengeringan yang
sesuai untuk menguapkan uap air yang terikat. B.
Pembuatan Spesimen Pembuatan spesimen dimulai dengan penimbangan massa resin dan partikel dengan menggunakan timbangan digital. Pencampuran awal dilakukan antara phenolic dengan promoter P-EX dan diaduk putaran 50 rpm selama 2-5 menit (German, 1994). Campuran tersebut ditambah hardener MEKPO dan diaduk kembali seperti di atas. Komposisi perbandingan volume antara resin phenolic : promoter P-EX : hardener MEKPO = 100 : 0,5 : 2. Selanjutnya, campuran resin phenolic tersebut diberi partikel (FA atau MMt-GS atau clay) dan diaduk kembali hingga campuran merata. Campuran tersebut dituangkan di dalam cetakan spesimen yang dibuat dari kaca dan dilakukan penekanan secara manual. Spesimen dapat diambil dari cetakan setelah mengeras selama sekitar 1-2 jam. Lembaran spesimen komposit tersebut dibersihkan dan di-finishing dengan menggunakan menggunakan mesin poles. Spesimen yang sudah sesuai ukurannya dilakukan proses post curing di dalam oven pada suhu 100 ◦ C selama 1 jam (Technical data Sheet Phenolic Resin, Showa Highpolymer Co. LTD, Japan). C. Pengujian Pengujian bakar dilakukan dengan menggunakan alat uji Rate of burning sesuai dengan ASTM D-635. Pengujian dilakukan dengan metode uji rate of burning dan time of burning pada posisi sampel horisontal dan miring 45◦ . Posisi tabung pembakaran juga miring 45◦ mengarah pada ujung spesimen uji. Bahan bakar yang digunakan adalah gas metana dan tinggi api yang disyaratkan 20 mm dan jarak terdekat ujung burner dengan spesimen adalah 2 mm. Pengamatan yang dilakukan meliputi pengamatan waktu penyalaan (time of burning) dan laju pembakaran (rate of burning) sepanjang 75 mm. Pengujian mekanis yang dilakukan adalah uji four point bending, sesuai dengan ASTM D-6272.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Karakterisasi Material Berdasarkan hasil uji pengeringan partikel FA, MMt, dan clay lokal maka suhu dan waktu pemanasan yang harus dilakukan adalah pemanasan selama 45 menit pada suhu 105 ◦ C. Kadar air pada partikel setelah pemanasan adalah berkisar antara 0-5%. Hasil pengujian XRF ketiga bahan geomaterial pada tabel 1 menunjukkan bahwa SiO2 dan Al2 O3 merupakan senyawa yang paling dominan dengan konsentrasi kandungan sebesar 61,76% – 75,77%. Hasil ini meyakinkan bahwa ketiga bahan tersebut merupakan bahan geomaterial yang mampu meningkatkan ketahanan termal dan kekuatan bahan komposit Prosiding InSINas 2012
0993: Kuncoro Diharjo dkk.
HK-69
TABEL 1: Kandungan unsur utama geomaterial berdasarkan hasil uji XRF
Fly Ash Unsur Kadar SiO2 41,96 Al2 O3 19,80 Fe2 O3 17,69 CaO 9,20 MgO 5,42 K2 O 1,98 TiO2 1,47 SO3 0,91 P 2 O5 0,45
MMt-GS Unsur Kadar SiO2 54,59 Al2 O3 19,62 Fe2 O3 13,30 CaO 3,55 MgO 3,03 K2 O 2,25 TiO2 1,40 P2 O5 0,69 SO3 0,37
Clay Lokal Unsur Kadar SiO2 56,93 Al2 O3 18,84 Fe2 O3 9,95 CaO 3,97 K2O 2,82 MgO 2,69 SO3 2,09 TiO2 1,22 P2 O5 0,56
geopolimer. Unsur lain yang terkandung juga memiliki fungsi meningkatkan tahan panas dan kekuatan mekanik, seperti CaO, MgO, K2 O dan TiO2 . Secara umum, peningkatan kandungan partikel hingga 60% (v/v) mampu meningkatkan ketahanan komposit geopolimer terhadap waktu penyalaan (G AM BAR 2 a). Secara berurutan, komposit geopolimer yang memiliki sifat waktu penyalaan terbaik adalah MMt/Phenolic > Clay/Phenolic > fly-ash/phenolic > nano-silica/phenolic. Hasil karakterisasi bentuk partikel dengan SEM menunjukkan bahwa partikel fly ash berbentuk bulat dengan diameter terbesar sekitar 4 µm (G AMBAR 1a). MMt-GS memiliki kombinasi partikel berbentuk amorf dan bulat berdiameter sekitar 4 µm seperti flay ash (G AMBAR 1b). Partikel MMt ini menunjukkan sifat mudah ter-aglomerasi. Untuk clay lokal dari Boyolali, partikelnya berbentuk amorf (G AMBAR 1c). B.
Sifat Tahan Bakar Secara umum, peningkatan kandungan partikel hingga 60% (v/v) mampu meningkatkan ketahanan komposit geopolimer terhadap waktu penyalaan (G AM BAR 2 a). Secara berurutan, komposit geopolimer yang memiliki sifat waktu penyalaan terbaik adalah MMt/Phenolic > Clay/Phenolic > fly-ash/phenolic > nano-silica/phenolic. Pada komposit MMT-SGS/Phenolic, kandungan senyawa utama SiO2 dan Al2 O3 yang tinggi secara nyata mampu menghasilkan komposit dengan ketahanan waktu penyalaan terbaik (paling lama). Senyawa yang lebih berpengaruh terhadap sifat tahan api ini adalah Al2 O3 . Pada MMt, kandungan Al2 O3 dengan konsentrasi 19,62% dan dukungan konsentrasi SiO2 yang tinggi (54,59%) mampu memberikan sifat tahan api komposit yang terbaik. Hasil uji rate of burning (laju pembakaran) komposit geopolimer menunjukkan karakteristik yang mirip dengan hasil uji waktu penyalaan (time of burning). Komposit geopolimer dengan partikel MMt, FA dan clay
a. Partikel fly ash
b. Partikel MMt-GS
c. Clay lokal boyolali G AMBAR 1: SEM bahan geomaterial
Prosiding InSINas 2012
0993: Kuncoro Diharjo dkk.
HK-70
nano-silika 30% (v/v). Hal ini sesuai dengan kaidah ilmiah bahan komposit dimana semakin kecil partikel dan semakin bulat bentuk partikel maka kekuatan mekanis komposit partikel tersebut akan semakin tinggi.
a. Kurva waktu penyalaan
G AMBAR 3: Kurva kekuatan bending komposit geopolimer
b. Kurva laju pembakaran G AMBAR 2: Kurva ketahanan bakar komposit geopolimer
lokal memiliki kurva laju pembakaran yang berimpitan. Hal ini juga sangat rasional karena komposit tersebut memiliki partikel (MMt, FA, clay) yang kandungan SiO2 dan Al2 O3 yang hampir sama. Pada komposit nano-silica/phenolic, kurva laju pembakarannya berada di atas (lebih tinggi nilainya) dibandingkan dengan komposit phenolic dengan partikel MMt, FA dan clay lokal. Hal ini terjadi karena pada serbuk nano-silica cenderung berupa silika murni dan tanpa Al2 O3 . Padahal, senyawa Al2 O3 memiliki fungsi utama sebagai material anti api. Dengan tanpa senyawa Al2 O3 maka komposit tersebut akan menjadi lebih mudah terbakar. C.
Kekuatan Bending Hasil pengujian bending menunjukkan bahwa komposit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan yang lebih baik dibandingkan dengan komposit geopolimer yang lain. Kekuatan tertinggi dicapai pada kandungan
Komposit FA/phenolic dan MMt-GS/phenolic memiliki kekuatan tertinggi pada kandungan partikel 40%. Secara umum, kedua komposit tersebut memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit clay/phenolic. Hal ini juga dipengaruhi oleh bentuk partikel FA dan MMt yang bulat dan ukuran partikel yang lebih kecil. Kandungan partikel yang semakin besar ditunjukkan oleh jumlah partikel di permukaan patahan yang lebih banyak (G AMBAR 4). Pada kandungan partikel yang lebih besar, tingkat homogenitas campuran antara MMt dengan phenolic juga semakin merata. Hal ini memberikan kepastian akan kevalidan data yang lebih akurat pada kandungan partikel yang lebih besar. Pada daerah interface antara partikel dengan resin tidak menunjukkan adanya pengelupasan partikel oleh resin. Jadi, partikel dengan resin diikat dengan kuat oleh resin. Hal ini juga menunjukkan bahwa proses pengeringan partikel sebelum dicampur dengan resin sudah dilakukan dengan baik. Namun, penyebaran partikel juga kurang merata (ada yang besar dan kecil). Hal ini dapat disebabkan oleh bentuk partikel MMt yang amorf dan cenderung berbentuk serpih. Hasil SEM penampang patahan komposit nanosilica/phenolic tidak menunjukkan dengan jelas material nano silika, baik dengan kandungan partikel 30% maupun 60%. Hal ini disebabkan oleh ukuran partikel yang sangat kecil (berukuran nano), pencampuran yang lebih homogen (tidak ada yang mengumpul/ menggumpal) dan pembasahan oleh resin yang sempurna. Namun material nano-silika juga tampak ada Prosiding InSINas 2012
0993: Kuncoro Diharjo dkk.
HK-71
a. Vf = 30%, nanosilica-Phenolic a. Vf = 20%, MMt-Phenolic
b. Vf = 60%, nanosilica-Phenolic G AMBAR 5: silica/Phenolic
b. Vf = 40%, MMt-Phenolic G AMBAR 4: GS/Phenolic
SEM penampang patahan komposit MMT-
dalam kondiri terbungkus resin. Dari hasil pengamatan ini meyakinkan bahwa pada ukuran partikel yang lebih kecil maka proses pembasahan oleh resin akan semakin sempurna.
IV.
SEM penampang patahan komposit nano-
KESIMPULAN
Partikel fly ash berbentuk bulat dan partikel serbuk genteng Sokka berbentuk campuran bulat dengan amorf, serta partikel clay lokal Boyolali bebentuk amorf serpih. Komposit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit geopolimer lainnya, namun ketahanan bakarnya paling rendah. Komposit yang memiliki ketahanan bakar (time of burning dan rate of burning) paling baik adalah MMt-GS/phenolic, dan kekuatan bendingnya Prosiding InSINas 2012
HK-72
0993: Kuncoro Diharjo dkk.
lebih tinggi dari FA/phenolic dan clay/phenolic.
DAFTAR PUSTAKA [1] Thang,X.N., Kroisova,D., Louda,P., Bortnovsky, O,. (2010); Microstructure and Flexural Properties of Geopolymer Matrix-Fibre Reinforced Composite With Additive of Alumina (Al2 O3 ) Nanofibre, International conference 7th –TEXSCI, Czech Republic. [2] Roy A.P., (1998): Penentuan Jenis Mineral Lempung Serta Pengaruhnya pada Genting Keramik, UNDIP Semarang. [3] Diharjo,K., Jamasri, Feris, F., (2007); Fire Resistance of Fly ash – Polyester Geopolymer Composite, Jurnal Teknik Gelagar, Universitas Muhammadiyah Surakarta. [4] Thomson, C.M., Smith Jr., Connell,J.W., Hergenrother, P.W.,; ; Flame Retardant Epoxy Resin.; NASA Research Centre.
Prosiding InSINas 2012
