0993: Kuncoro Diharjo dkk. HK-67

SIFAT TAHAN API DAN KEKUATAN BENDING KOMPOSITGEOPOLIMER: 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

1Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS2Sentra Teknologi Polimer BPPT

3Pusat Pengembangan Roket LAPAN4Mahasiswa S2 Teknik Mesin Pascasarjana UNS

5Mahasiswa S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS

∗e-Mail: kuncorodiharjo@uns.ac.id

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Paper ini bertujuan untuk melakukan analisis pemilihan jenis partikel terbaik untuk pembuatan komposit geopolimeryang memiliki ketahanan api dan kekuatan mekanik yang tinggi. Bahan geomaterial yang digunakan meliputi montmorillonitgenteng Sokka, fly ash,clay lokal boyolali dan nano-silika sebagai pembanding, sedangkan resin yang digunakan adalah phenolictipe 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 dilakukandengan 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 danpartikel serbuk genteng Sokka berbentuk campuran bulat dengan amorf, serta partikel clay lokal Boyolali bebentuk amorf ser-pih. Komposit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan komposit geopolimer lainnya, namunketahanan bakarnya paling rendah. Komposit yang memiliki ketahanan bakar (time of burning dan rate of burning) paling baikadalah 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. PENDAHULUANPada tahun 1979, Davidovits pertama kali mem-

perkenalkan istilah ”geopolymer” untuk menunjuk ke-las baru bahan alumino-silicate. Geopolimer telahmenarik minat para ilmuwan karena memiliki sifatmekanik dan sifat termal yang sangat baik. Geopolimerjuga memiliki kepadatan rendah, biaya proses rendah,serta ketahanan kimia dan api. Thang dkk melakukanpenelitian dan investigasi dengan membandingkan pe-ngaruh alumina (Al2O3) nanofibres aditif pada keku-atan lentur (f), modulus lentur (Ef) dan deformasi re-latif (A) dari komposit geopolimer. Penambahan Al2O3

nanofibre 1.0% fraksi berat menghasilkan kekuatanlentur dan modulis lentur tertinggi.[1]

Teknologi komposit geopolimer mulai memasukiwilayah baru yang lebih luas dan memberi kon-tribusi yang lebih besar pada dunia transportasi, yakni

material komponen kendaraan yang rawan terhadapapi/suhu tinggi dan goncangan berat, termasuk un-tuk material roket. Konsep dasar pembuatan kompositgeopolimer adalah pencampuran polimer dengan lem-pung/ batuan alam, yang mengandung oksida silika(SiO2) dan oksida alumina (Al2O3) dalam jumlah be-sar. Optimalisasi sifat tahan apinya juga dapat dilaku-kan menggunakan polimer yang mengandung flame re-tardant (seperti phenolic).

Hasil penelitian yang dilakukan oleh Cornell Univer-sity/ National Institute of Standards and Technology(NIST) menunjukkan bahwa komposit plastik-lempungdengan komposisi 90% : 10% (w/w), dapat mem-pertahankan diri dari kerusakan akibat pembakaranapi sebesar 60 – 80 %. Di samping itu, karakteristikmekanik-dinamiknya juga meningkat pesat dibanding-kan sebelumnya tanpa penambahan lempung.

Prosiding InSINas 2012

HK-68 0993: Kuncoro Diharjo dkk.

Geomaterial lempung MMt (Montmorillonite)adalah segumpal tanah liat yang plastis dan mudahdibentuk. Unsur penyusun utama lempung MMtadalah silica (SiO2) dan alumina (Al2O3). Kandungansilica dan alumina memberikan sifat tahan api yangbaik pada lempung MMt. Lempung MMt mem-punyai kemampuan mengabsorbsi tinggi, memilikisifat liat yang tinggi, berkerut jika dikeringkan danbutir-butirnya berkeping halus.[2]

Limbah FA (fly ash) didominasi oleh SiO2 (48%) danAl2O3 (32%). Semakin kecil partikel FA, semakin besarkekuatan komposit GeCo. Kekuatan bending tertinggikomposit GeCo (Geopolymer Composite) FA-poliesterdiperoleh pada kandungan 40% FA (w/w). Hingga60% FA, kekuatan tarik GeCo juga meningkat seiringdengan peningkatan kandungan FA.[3]

Sebagai bagian dari program untuk mengem-bangkan struktur tahan api eksterior komposit un-tuk subsonik masa depan pesawat komersial, peneli-tian ini menyelidiki resin epoxy tahan api. Epoxyyang mengandung fosfor disintesis dan digunakan un-tuk mempersiapkan epoxy formulasi. Fosfor meru-pakan inti dari epoxy resin dan tidak digunakan se-bagai aditif. Epoxy dihasilkan ditandai dengan termo-gravimetri analisis, propana burner test analysis, unsurdan kalorimetri pembakaran mikro. Beberapa formu-lasi menunjukkan ketahanan api yang sangat baik de-ngan isi fosfor serendah 1,5% berat total[4]

Paper ini bertujuan untuk melakukan analisis pemil-ihan jenis partikel terbaik untuk pembuatan kompositgeopolimer yang memiliki ketahanan api dan kekuatanmekanik yang tinggi.

II. METODOLOGIA. Material dan Karakterisasi

Bahan resin phenolic adalah resin poliester bisfeno-lik dengan merek dagang Yukalac R© LP-1Q-EX, yangdiperoleh dari PT. Justus Kimia Raya Indonesia. Bahanpartikel yang digunakan meliputi fly ash (dari PLTUPaiton, PT. Pembangkit Jawa-Bali (PT. PBJ) ProbolinggoJawa Timur), montmorillonite serbuk genteng Sokka(MMt-GS) dari PT. Agung Pratama Sokka Kebumen,Clay lokal dari Kabupaten Boyolali, dan nano-silica tipehydrophobic yang diperoleh dari Xiushan Longfei NewMaterials Co. Ltd.

Bahan partikel FA, MMt-GS dan Clay lokal dilaku-kan karakterisasi dengan pengujian SEM dan XRF, un-tuk mengetahui kandungan senyawa di dalamnya danmengetahui bentuk partikelnya. Untuk mengetahuiwaktu penguapan air yang terikat, partikel geomate-rial dilakukan karakterisasi pengeringan dengan meng-gunakan Moisture Analyzer pada suhu 105 ◦C sesuaiASTM D-2216 dan Instruction Maual of Moisture An-alyzer (A &D Company Limited). Dari hasil ini makadapat ditentukan suhu dan waktu pengeringan yang

sesuai untuk menguapkan uap air yang terikat.

B. Pembuatan SpesimenPembuatan spesimen dimulai dengan penimbangan

massa resin dan partikel dengan menggunakan timban-gan digital. Pencampuran awal dilakukan antara phe-nolic dengan promoter P-EX dan diaduk putaran 50rpm selama 2-5 menit (German, 1994). Campuran terse-but ditambah hardener MEKPO dan diaduk kembaliseperti di atas. Komposisi perbandingan volume an-tara resin phenolic : promoter P-EX : hardener MEKPO= 100 : 0,5 : 2. Selanjutnya, campuran resin phenolictersebut diberi partikel (FA atau MMt-GS atau clay) dandiaduk kembali hingga campuran merata. Campurantersebut dituangkan di dalam cetakan spesimen yangdibuat dari kaca dan dilakukan penekanan secara man-ual.

Spesimen dapat diambil dari cetakan setelahmengeras selama sekitar 1-2 jam. Lembaran spesimenkomposit tersebut dibersihkan dan di-finishing denganmenggunakan menggunakan mesin poles. Spesimenyang sudah sesuai ukurannya dilakukan proses postcuring di dalam oven pada suhu 100 ◦C selama 1jam (Technical data Sheet Phenolic Resin, ShowaHighpolymer Co. LTD, Japan).

C. PengujianPengujian bakar dilakukan dengan menggunakan alatuji Rate of burning sesuai dengan ASTM D-635. Pe-ngujian dilakukan dengan metode uji rate of burningdan time of burning pada posisi sampel horisontal danmiring 45◦. Posisi tabung pembakaran juga miring45◦ mengarah pada ujung spesimen uji. Bahan bakaryang digunakan adalah gas metana dan tinggi api yangdisyaratkan 20 mm dan jarak terdekat ujung burner de-ngan spesimen adalah 2 mm.

Pengamatan yang dilakukan meliputi pengamatanwaktu penyalaan (time of burning) dan laju pem-bakaran (rate of burning) sepanjang 75 mm.

Pengujian mekanis yang dilakukan adalah uji fourpoint bending, sesuai dengan ASTM D-6272.

III. HASIL DAN PEMBAHASANA. Karakterisasi Material

Berdasarkan hasil uji pengeringan partikel FA, MMt,dan clay lokal maka suhu dan waktu pemanasan yangharus dilakukan adalah pemanasan selama 45 menitpada suhu 105 ◦C. Kadar air pada partikel setelah pe-manasan adalah berkisar antara 0-5%.

Hasil pengujian XRF ketiga bahan geomaterial padatabel 1 menunjukkan bahwa SiO2 dan Al2O3 meru-pakan senyawa yang paling dominan dengan kon-sentrasi kandungan sebesar 61,76% – 75,77%. Hasilini meyakinkan bahwa ketiga bahan tersebut meru-pakan bahan geomaterial yang mampu meningkat-kan ketahanan termal dan kekuatan bahan komposit

Prosiding InSINas 2012

0993: Kuncoro Diharjo dkk. HK-69

TABEL 1: Kandungan unsur utama geomaterial berdasarkan hasiluji XRF

Fly Ash MMt-GS Clay LokalUnsur Kadar Unsur Kadar Unsur KadarSiO2 41,96 SiO2 54,59 SiO2 56,93Al2O3 19,80 Al2O3 19,62 Al2O3 18,84Fe2O3 17,69 Fe2O3 13,30 Fe2O3 9,95CaO 9,20 CaO 3,55 CaO 3,97MgO 5,42 MgO 3,03 K2O 2,82K2O 1,98 K2O 2,25 MgO 2,69TiO2 1,47 TiO2 1,40 SO3 2,09SO3 0,91 P2O5 0,69 TiO2 1,22P2O5 0,45 SO3 0,37 P2O5 0,56

geopolimer. Unsur lain yang terkandung juga memi-liki fungsi meningkatkan tahan panas dan kekuatanmekanik, seperti CaO, MgO, K2O dan TiO2.

Secara umum, peningkatan kandungan partikelhingga 60% (v/v) mampu meningkatkan ketahanankomposit geopolimer terhadap waktu penyalaan (GAM-BAR 2a). Secara berurutan, komposit geopolimeryang memiliki sifat waktu penyalaan terbaik adalahMMt/Phenolic > Clay/Phenolic > fly-ash/phenolic >nano-silica/phenolic.Hasil karakterisasi bentuk partikel dengan SEM me-nunjukkan bahwa partikel fly ash berbentuk bulatdengan diameter terbesar sekitar 4 µm (GAMBAR 1a).MMt-GS memiliki kombinasi partikel berbentuk amorfdan bulat berdiameter sekitar 4 µm seperti flay ash(GAMBAR 1b). Partikel MMt ini menunjukkan sifat mu-dah ter-aglomerasi. Untuk clay lokal dari Boyolali, par-tikelnya berbentuk amorf (GAMBAR 1c).

B. Sifat Tahan BakarSecara umum, peningkatan kandungan partikel

hingga 60% (v/v) mampu meningkatkan ketahanankomposit geopolimer terhadap waktu penyalaan (GAM-BAR 2a). Secara berurutan, komposit geopolimeryang memiliki sifat waktu penyalaan terbaik adalahMMt/Phenolic > Clay/Phenolic > fly-ash/phenolic >nano-silica/phenolic.

Pada komposit MMT-SGS/Phenolic, kandungansenyawa utama SiO2 dan Al2O3 yang tinggi secara ny-ata mampu menghasilkan komposit dengan ketahananwaktu penyalaan terbaik (paling lama). Senyawa yanglebih berpengaruh terhadap sifat tahan api ini adalahAl2O3. Pada MMt, kandungan Al2O3 dengan kon-sentrasi 19,62% dan dukungan konsentrasi SiO2 yangtinggi (54,59%) mampu memberikan sifat tahan apikomposit yang terbaik.

Hasil uji rate of burning (laju pembakaran) kompositgeopolimer menunjukkan karakteristik yang mirip de-ngan hasil uji waktu penyalaan (time of burning). Kom-posit geopolimer dengan partikel MMt, FA dan clay

a. Partikel fly ash

b. Partikel MMt-GS

c. Clay lokal boyolaliGAMBAR 1: SEM bahan geomaterial

Prosiding InSINas 2012

HK-70 0993: Kuncoro Diharjo dkk.

a. Kurva waktu penyalaan

b. Kurva laju pembakaranGAMBAR 2: Kurva ketahanan bakar komposit geopolimer

lokal memiliki kurva laju pembakaran yang berimpi-tan. Hal ini juga sangat rasional karena komposit terse-but memiliki partikel (MMt, FA, clay) yang kandunganSiO2 dan Al2O3 yang hampir sama.

Pada komposit nano-silica/phenolic, kurva lajupembakarannya berada di atas (lebih tinggi nilainya)dibandingkan dengan komposit phenolic dengan par-tikel MMt, FA dan clay lokal. Hal ini terjadi karena padaserbuk nano-silica cenderung berupa silika murni dantanpa Al2O3. Padahal, senyawa Al2O3 memiliki fungsiutama sebagai material anti api. Dengan tanpa senyawaAl2O3maka komposit tersebut akan menjadi lebih mu-dah terbakar.

C. Kekuatan BendingHasil pengujian bending menunjukkan bahwa kom-

posit nano-silica/phenolic memiliki kekuatan yanglebih baik dibandingkan dengan komposit geopolimeryang lain. Kekuatan tertinggi dicapai pada kandungan

nano-silika 30% (v/v). Hal ini sesuai dengan kaidahilmiah bahan komposit dimana semakin kecil par-tikel dan semakin bulat bentuk partikel maka keku-atan mekanis komposit partikel tersebut akan semakintinggi.

GAMBAR 3: Kurva kekuatan bending komposit geopolimer

Komposit FA/phenolic dan MMt-GS/phenolicmemiliki kekuatan tertinggi pada kandungan partikel40%. Secara umum, kedua komposit tersebut memilikikekuatan lebih tinggi dibandingkan dengan kompositclay/phenolic. Hal ini juga dipengaruhi oleh bentukpartikel FA dan MMt yang bulat dan ukuran partikelyang lebih kecil.

Kandungan partikel yang semakin besar ditunjuk-kan oleh jumlah partikel di permukaan patahan yanglebih banyak (GAMBAR 4). Pada kandungan partikelyang lebih besar, tingkat homogenitas campuran antaraMMt dengan phenolic juga semakin merata. Hal inimemberikan kepastian akan kevalidan data yang lebihakurat pada kandungan partikel yang lebih besar.

Pada daerah interface antara partikel dengan resintidak menunjukkan adanya pengelupasan partikel olehresin. Jadi, partikel dengan resin diikat dengan kuatoleh resin. Hal ini juga menunjukkan bahwa prosespengeringan partikel sebelum dicampur dengan resinsudah dilakukan dengan baik. Namun, penyebaranpartikel juga kurang merata (ada yang besar dan ke-cil). Hal ini dapat disebabkan oleh bentuk partikel MMtyang amorf dan cenderung berbentuk serpih.

Hasil SEM penampang patahan komposit nano-silica/phenolic tidak menunjukkan dengan jelas mate-rial nano silika, baik dengan kandungan partikel 30%maupun 60%. Hal ini disebabkan oleh ukuran par-tikel yang sangat kecil (berukuran nano), pencampu-ran yang lebih homogen (tidak ada yang mengumpul/menggumpal) dan pembasahan oleh resin yang sem-purna. Namun material nano-silika juga tampak ada

Prosiding InSINas 2012

0993: Kuncoro Diharjo dkk. HK-71

a. Vf = 20%, MMt-Phenolic

b. Vf = 40%, MMt-PhenolicGAMBAR 4: SEM penampang patahan komposit MMT-GS/Phenolic

dalam kondiri terbungkus resin. Dari hasil pengamatanini meyakinkan bahwa pada ukuran partikel yang lebihkecil maka proses pembasahan oleh resin akan semakinsempurna.

a. Vf = 30%, nanosilica-Phenolic

b. Vf = 60%, nanosilica-PhenolicGAMBAR 5: SEM penampang patahan komposit nano-silica/Phenolic

IV. KESIMPULANPartikel fly ash berbentuk bulat dan partikel ser-

buk genteng Sokka berbentuk campuran bulat denganamorf, serta partikel clay lokal Boyolali bebentuk amorfserpih.

Komposit nano-silica/phenolic memiliki keku-atan lebih tinggi dibandingkan dengan kompositgeopolimer lainnya, namun ketahanan bakarnya palingrendah. Komposit yang memiliki ketahanan bakar(time of burning dan rate of burning) paling baikadalah 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 ofGeopolymer Matrix-Fibre Reinforced CompositeWith Additive of Alumina (Al2O3) Nanofibre, In-ternational conference 7th –TEXSCI, Czech Repub-lic.

[2] Roy A.P., (1998): Penentuan Jenis Mineral Lem-pung Serta Pengaruhnya pada Genting Keramik,UNDIP Semarang.

[3] Diharjo,K., Jamasri, Feris, F., (2007); Fire Resistanceof Fly ash – Polyester Geopolymer Composite, Ju-rnal Teknik Gelagar, Universitas MuhammadiyahSurakarta.

[4] Thomson, C.M., Smith Jr., Connell,J.W., Hergen-rother, P.W.,; ; Flame Retardant Epoxy Resin.;NASA Research Centre.

Prosiding InSINas 2012