POLIMER KOMPOSITGROUP 1CHAPTER 2ANGGOTA KELOMPOK :FAKIH NURROHMAN HADI [ 2113105004 ]PUNGKY INDRA KUSUMA [ 2113105022 ]NEVA DWI PRASTIWI [ 2113105011 ]

Unsur Utama Material KompositCoupling agentfillerseratmatrikslaminalaminate

SERATPemilihan yang tepat dari jenis, fraksi volume, panjang, dan orientasi sangat penting. Karena mempengaruhi karakteristik dari komposite:DensityKekuatan dan modulus tekanKekuatan dan modulus tarikKonduktivitas termal dan listrikbiaya

Jenis serat tergantung penggunaannya. Ketika material komposit untuk struktur ringan, maka kekuatan dan kekauan spesifiknya akan lebih di utamakan.Menurut Brandy dan Clavier (1991), panjang serat harus memiliki sekurang-kurangnya 100 kali diameter atau lebarnya untuk memperoleh penguatan yang optimal.Fraksi volume terbesar dalam komposit laminate adalah seratOrientasi serat: orientasi unidirectional, orientasi bidirectional, dan orientasi multidirectional.

Serat GelasKeuntungan: biaya rendah.kekuatan tarik tinggi.Kerugian: modulus tarik relatif rendah. density tinggi.

Serat KarbonKeuntungan:Kekuatan kelelahan tinggi.Konduktivitas termal yang tinggi. Kerugian:Regangan rendah.Daya tahan impact rendah.Biaya tinggi.

Serat AramidKevlar 49 adalah salah satu nama dagang dari serat aramid yang tersedia dipasaran.Keuntungan:Density ringanKekuatan tarik tinggiKerugian:Kekuatan tekan rendahSulit untuk proses machining atau pemotongan.

Serat Polyethylene Chain ExtendedNama dagang yang dijual dipasaran adalah spectra.Keuntungan:Penyerapan kelembaban rendahKetahanan abrasi yang tinggiKerugian:Titik leleh rendah

Serat NaturalKeuntungan:Serat natural lebih ramah lingkungan dibandingkan serat glass dan karbon.Density lebih ringan dibandingkan serat E-glass dan karbon.Serat natural sangat kompetitif dengan serat E-glass dalam perancangan kekakuan-kritis.Kerugian:Kekuatan tarik relatif rendahTitik leleh dan penyerapan air rendah.

Serat BoronKeuntungan:Modulus tarik tinggi (379-414 GPa)Kerugian:Biaya lebih tinggi dari serat karbon

Serat CeramicSerat silicon carbide (SiC) dan aluminum oxide (Al2O3) adalah contoh serat ceramic untuk aplikasi suhu tinggi.Serat alumunium oxide memiliki konduktivitas termal dan listrik yang lebih rendah daripada serat silicon carbide.Serat alumunium oxide memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih tinggi daripada serat silicon carbide.

2.2 MATRIX

JENIS MATRIX1. POLYMER MATRIX2. METAL MATRIX3. CERAMIC MATRIX

PERAN MATRIX1. Menjaga serat tetap di tempatnya2. Mentransfer tegangan diantara serat3. Memberikan penghalang terhadap lingkungan yang merugikan seperti bahan-bahan kimia dan kelembaban4. Melindungi permukaan serat dari penurunan sifat mekanik. Contohnya: abrasi

2.2.1 POLYMER MATRIXDEFINISI : Merupakan molekul rantai panjang yang mengandung satu atau lebih unit atom yang bergabung melalui ikatan kovalen yang kuat.Polymer Matrix terbagi menjadi 2 kategori, yaitu :1. Thermoplastik2. Termoset

Contoh ikatan molekul polymer pada nylon

Pada materi Polymer Matrix ini akan dibahas tentang :1. Thermoplastic dan Thermoset Polymer2. Unique Charasteristics of Polymer Solid3. Creep and Stress Relaxation4. Heat Deflection Temperature5. Selection of Matrix : Thermoplastic vs Thermoset

1. Termoplastic and Termoset Polymera. Polimer Termoplastikb. Polimer TermosetMolekul individu tidak bergabung menjadi ikatan kimia karena tertahan oleh ikatan sekunder atau gaya antar molekulnya yang lemahMolekul secara kimiawi bergabung menjadi cross links untuk membentuk sifat kaku dan struktur jaringan 3 dimensi

Polimer TermoplastikApabila termoplastik solid dikenai pemanasan,maka ikatan sekunder bisa sementara rusak dan molekul-molekul nya mampu berpindah secara relatif atau mengalir ke konfigurasi yang baru jika terjadi pressureApabila termoplastik solid dikenai pembekuan, molekulnya mampu dibekukan pada konfigurasi yang baru dan ikatan sekundernya bisa kembali seperti semula, sehingga menghasilkan bentuk solid yang baruKesimpulan : Pada dua kejadian diatas yaitu antara pemanasan dan pembekuan bisa diketahui bahwa termoplastik bisa melunak , meleleh dan dibentuk kembali (post formed) sebanyak yang diinginkan

b. Polimer Termoset Pada polimer termoset, cross links terbentuk selama reaksi polimerisasi atau yang biasa disebut reaksi curingCuring merupakan proses pengeringan untuk merubah material pengikat (resin) dari kondisi cair menuju kondisi padatPada polimer termoset tidak sama dengan termoplastik apabila terkena pemanasan. Karena termoset tidak bisa meleleh apabila terkena pemanasan.Tetapi, apabila jumlah cross links nya sedikit, kemungkinan masih bisa melunak dengan naiknya temperatur.

2. Unique Charasteristics of Polymer SolidsAda dua karakteristik yang unik pada polimer solid yang tidak ditemukan pada logam, yaitu sifat mekaniknya tergantung terhadap suhu lingkungan dan tingkat pembebanan (loading rate)Pada grafik dibawah ini ditunjukkan trend dengan variasi tensile modulus pada berbagai jenis polimer dengan variasi temperaturea.Pada grafik a (amorphous Thermoplastic) terdapat Tg (Glass Transition Temperature) yang merupakan suhu pada saat polimer berubah dari semula bersifat kaca (getas) menjadi seperti karet (lunak). Pada grafik ini terbentuklah bahan berbentuk amorph.

Gambar disamping merupakan bahan amorf atau seperti gelas yang dalam banyak kasus terjadi karena pendinginan yang terlalu cepat sehingga atom-atomnya tidak dapat mencapai lokasi kisinyab.Pada grafik b (semicrystaline thermoplastic) terdapat Tm (temperature Melting) yaitu saat polimer berwujud cairan. Dalam grafik ini terjadi peningkatan temperatur sehingga membuat sebuah daerah cairan yang sangat kental. Setelah itu ketika temperatur maksimal terjadi maka terjadi transisi yang begitu tajam yakni terjadi pada titik leleh kristal yang dilambangkan Tm.

Gambar disamping ini adalah struktur semicrystalin yang merupakan zat padat yang tersusun dari kristalin dan amorf. Contohnya : Avicell, Parafin, Selilose Mikrokristalin)C.Pada grafik c (Thermoset) tidak terjadi melting atau leleh dan malah sebaliknya, yaitu terbakar pada temperatur yang sangat tinggi.

GRAFIK EFEK TEMPERATUR DAN LAJU PEMBEBANAN TERHADAP SIFAT STRESS-STRAIN PADA POLIMER SOLIDPada temperatur rendah, sifat stress-strain lebih seperti material yang getas. Namun dengan meningkatnya temperatur terjadi luluhan (yielding), tetapi kekuatan tariknya menurun. Di sisi lain, dengan naiknya temperatur maka berubah juga polimer dengan material getas pada temperatur rendah menjadi material yang ulet pada temperatur yang tinggi.

3. Creep and Stress RelaxationPada Creep and Stress Relaxation tests bisa memperlihatkan karakteristik viscoelastic pada suatu polimer solid.Dalam creep tests (grafik a), tegangan konstan diberikan pada spesimen uji sementara deformasi (strain) yang terjadi diamati sebagai fungsi waktu. Sehingga meningkatkan regangan sesuai dengan pertambahan waktu.

Dalam Stress Relaxation tests (grafik b), deformasi akibat regangan kostan diberikan, sementara tegangan diamati sebagai fungsi waktu. Sehingga stress menurun seiring pertambahan waktu.

Pada umumnya stress dan strain pada termoset lebih rendah daripada termoplastik.

4. Heat Deflection Temperature (HDT)Karakteristik/sifat pelunakan berbagai jenis polimer sering dibandingkan berdasarkan HDTPengukuran HDT sesuai standar ASTM D648

Prosedur pengukuran HDT :Pada tes HDT ini, polimer bar dengan penampang berbentuk persegi panjang dibebankan sebagai balok di dalam media non reacting liquid seperti mineral oil. Beban pada bar disesuaikan untuk membuat stress yang maksimum pada serat yaitu pada 1,82 MPa (264 Psi) atau 0,455 Mpa (66 Psi). Pusat defleksi bar diamati seiring temperatur media cair yang naik dengan laju 2 0,2 C/min. Temperatur pada bar, defleksi nya naik sebesar 0,25mm(0,01 in). Maka dari itu defleksi temperatur awal kamar disebut HDT yaitu pada tegangan serat spesifik.

5. Selection of Matrix : Thermosets vs ThermoplasticsPada pemilihan komposit yang membutuhkan high performance,maka sifat mekanis yang harus dimiliki oleh matrix adalah :High Tensile Modulus, yang berpengaruh pada compressive strength kompositHigh Tensile Strength, yang mengontrol retakan pada lapisan kompositHigh Fracture Toughness, yang mengontrol delaminasi (terkelupasnya lapisan tipis permukaan sampai sekitar 5mm) dan pertumbuhan retakan

Untuk polimer matrix komposite terdapat banyak pertimbangan untuk pemilihannya, antara lain:Stabilitas dimensi yang bagus pada temperatur tinggi Harus punya Tg yang tinggi, sehingga pada kenyataannya Tg harus lebih tinggi dari temperatur maksimum yang digunakanTahan terhadap kelembaban dan pelarut artinya polimer jangan sampai larut, membengkak, retak, menurun pada lingkungan yang panas maupun basah atau bila terkena pelarut

Tensile stress-strain diagrams pada polimer termoset (epoxy) dan polimer termoplastik (polysulfane)

Dari grafik sebelumnya, bisa diamati keuntungan dan kerugian polimer termoset dan polimer termoplastik,yaitu :a. Termoset Keuntungan dari termoset adalah : - creep dan stress relaxation yang kecil daripada termoplastik - kemampuan deformasi plastis yang baik - Thermal stability dan chemical resistance yang bagusKerugian dari termoset adalah : - Umur penyimpanan yang terbatas (sebelum pencetakan) pada temperatur kamar - Waktu fabrikasi yang lama saat pencetakan - Low strain to failure, yang sangat berpengaruh pada kekuatan impact

b. Termoplastik Keuntungan dari termoplastik adalah : - impact strength nya yang tinggi dan fracture resistance yang bagus - mempunyai strain to failure yang lebih tinggi dari termoset yang berperan pada ketahanan yang lebih baik dalam mengatasi microcracking pada matrix yang terdapat di dalam lapisan komposit - umur penyimpanan yang tidak terbatas pada suhu kamar - Waktu fabrikasi yang pendek - kemudahan dalam joining dan repair dengan welding, ikatan pelarut, dsb. - Bisa diproses kembali atau didaur ulang

Kerugian dari termoset adalah : - Penggabungan serat continuous sangat sulit karena temperatur cair nya tinggi - Creep resistance dan thermal stability nya lebih rendah dari termoset, seperti nylon dan polycarbonate

2.2.2 METAL MATRIX Keuntungan Metal Matrix adalah : - memiliki keunggulan yang lebih dari polimer untuk aplikasi yang memerlukan ketahanan jangka panjang untuk lingkungan yang parah, seperti suhu yang tinggi. - Yield strength dan modulus pada metal matrix lebih tinggi daripada polimer, dan hal itu merupakan pertimbangan yang sangat penting untuk aplikasi yang memerlukan high transverse strength dan modulus compressive strength pada komposit.

Kerugian metal matrix adalah : - Memiliki density yang lebih tinggi sehingga berpengaruh pada berat komposit - Titik melting yang tinggi sehingga membutuhkan temperatur proses yang tinggi juga - Mempunyai kecenderungan korosi pada interface fiber matrix

Dua matriks logam yang paling umum digunakan yaitu Aluminium dan Titanium karena kedua logam tersebut memiliki density yang relatif rendah dan tersedia dalam berbagai bentuk paduan

2.2.3 CERAMIC MATRIXPada ceramic matrix diketahui memiliki stabilitas temperatur tinggi, kekerasan yang tinggi, ketahanan korosi yang tinggi dan density yang rendah.Tetapi, bagaimanapun ceramic merupakan material yang brittle/getas dan memiliki ketahanan yang rendah untuk mecegah perambatan crack yang timbul dan berpengaruh pada ketangguhan fracture yang rendahCara untuk memperkuat ceramic matrix yaitu dengan menaikkan ketangguhan fracture (patahan) nya.

Ceramic matrix composites (CMC) digunakan pada aplikasi material yang membutuhkan high strength, high temperature resistance, armor or ballistic properties, and erosion or wear resistance. Sebagai material tambahan jet engines dan rocket engines, ceramic matrix composites digunakan pada internal combustion engines untuk automobiles, gas turbines, process equipment, furnaces, refractory components, nuclear components, spacecraft re-entry shielding, welding nozzles and tools, and brazing fixtures. Ceramic matrix composites juga digunakan untuk mengganti superalloys.

2.3 THERMOSET MATRIXPada materi yang akan dibahas pada subbab ini meliputi :EPOXYPOLYESTERVINYL ESTERBISMALEIMIDES and OTHERCYANATE ESTER

1. EPOXYBahan awal untuk matriks epoxy adalah resin cair dengan molekul dan berat yang rendah dan mengandung sejumlah kelompok epoksida, yaitu three member rings of one oxygen atom and two carbon atoms

Umumnya pada aplikasi, bahan awal dalah DGEBA (pada gambar a) dan curing agent nya adalah DETA (pada gambar b).

Keuntungan Epoxy : - Terdapat banyak variasi properties, karena adanya curing agents dan modifiers - Tidak ada penguapan zat selama curing - Rendahnya shrinkage selama curing - Ketahanan yang bagus terhadap unsur kimia dan pelarut - Adhesi yang sangat baik pada berbagai jenis filler, fiber, dan substrat lainnya Kerugian Epoxy sangat relatif seperti harga yang mahal dan waktu curing yang lama

2. POLYESTERBahan awal matrix polyester adalah Unsaturated Polyester Resin yang mengandung C = C dengan double bonds

Curing time polyester bergantung pada laju dekomposisi yang meningkat seiring naiknya temperatur curing. Pada suhu di bawah optimum , reaksi curingnya lambat. Sifat pada resin polyester tergantung juga pada kepadatan cross link. Faktor utama kepadatan nya adalah jumlah unsaturation points di dalam molekul uncured polyester. Keuntungan Resin Polyester : - Viskositas yang rendah - Fast Cure Time - Biaya yang rendah Kerugian Resin Polyester : - High Volumetric Shrinkage - Perbedaan skrinkage antara resin dan serat menyebabkan hasilnya tidak merata

3. VINYL ESTER Bahan awal Vinyl Ester matrix adalah unsaturated vinyl resin yang diproduksi oleh reaksi carboxylic acid, seperti methacrylic epoxy.Karena cross links lebih sedikit, maka vinyl ester lebih fleksibel dan memiliki ketangguhan patah tinggi daripada cured polyester resin.Resin vinyl ester karakteristiknya sama baiknya dengan epoksi, seperti chemical resistance dan tensile strength.Untuk meningkatkan HDT dan thermal stability dapat digunakan epoxy tahan panas seperti fenlok-novolac.

4. BISMALEIMIDES and OTHER BMI, PMR15, dan ACTP merupakan contoh Termoset Polymides BMI digunakan pada temperatur 1278-2328 C sedangkan PMR dan ACTP pada keperluan temperatur 1278-2328 CTermoset polymides tersedia dalam bentuk larutan atau cairan.Pada banyak aplikasi yang paling sering digunakan adalah BMI

5. CYANATE ESTER Resin Cyanate Ester mempunyai Tg = 265CKeuntungan Cyanate Ester adalah penyerapan airnya lebih rendah dari epoxy, good chemical resistance, dan good dimensional stability.Kerugian Cyanate Ester adalah ketangguhan patah nya rendah dan untuk memperbaikinya dengan dicampur polycaril sulfane dan polieter sulfaneAplikasi Cyanate Ester : - dirgantara - papan sirkuit - encapsulants - komponen elektronik

2.4 THERMOPLASTIC MATRIXTABEL BERIKUT MENJELASKAN TENTANG SIFAT MEKANIK DARI POLYMER YANG DIGUNAKAN SBG APLIKASI KOMPOSIT :

2.4.1 Polyether Ether Ketone (PEEK)KARAKTERISTIK :Dikenal sebagai polimer komposit aromatic (APC)Proses quenching menghasilkan PEEK yg tidak berbentukMengandung kristalinitas antara 30% dan 35% Mempunyai temp.transisi gelas pada suhu 143 CKELEBIHAN :Ketangguhan pecah yang tinggi (50-100 kali lebih baik dari epoxy)Daya serap air rendah (< 0,5% pada suhu 23 C)Hanya larut dalam pelarut methylene chloride

2.4.2 Polyphenylene Sulfide (PPS)KARAKTERISTIK :Tersusun dengan unit molekul PPS yang diulangPPS terdiri dari 65% kristalinTempeatur transisi gelas hingga 85 C dan titik leleh kristalinitas hingga 285 CPPS akan leleh pada temp 300-345 C

2.4.3 Polysulfone (PSUL)KARAKTERISTIK :Mempunyai temp. transisi gelas 185 CProses melelehkan berada antara temp 310 C dan 410 CMempunyai ketahanan strain-to-failure yang tinggi (50%-100%)Ketahanan terhadap gaya hidrolis dengan kondisi uap panas yang baikKetahanan terhadap asammineral,alkalis dan larutan garam.KELEMAHAN :Polysulfone akan membengkak, retak akibat terlarut dalam polar organic seperti ketones,chlorinated hydrocarbons dan aromatic hydrocarbon

2.4.4 Thermoplastic PolyimidesBerasal dari kondensasi polimerisasi acid dan alkoholPolyetherimide (PEI)Polyamide-imide (PAI)KARAKTERISTIK :Menghasilkan polimer tak berbentukTemperatut transisi gelas PEI 217 C dan 280C untuk PAI

Thermoplastic Polyimides (continued)KARAKTERISTIK :Mempunyai viskositas yang rendah Tempeatur transisi gelas K polymer dan LARC-TPI adalah 250 C dan 265 CKELEBIHAN :Mempunyai ketahanan panas yang baik dan ketahanan pelarutTidak getas bila digunakan sebagai thermoset polymer

Untuk meningkatkan wetability dengan serat matriksMenciptakan ikatan yang kuat pada serat interface matriks

2.5 FIBER SURFACE TREATMENTS

2.5.1 Serat Kaca (Glass Fiber)TUJUAN :Meningkatkan serat matriks interface melalui ikatan kimia dan fisikMelindungi permukaan serat dari kelembaban dan reaksi fluidaPROSES TREATMENT :Permukaan glass fiber di treatment dengan silanes dalam lautan air dan membentuk R-Si(OH)3.Permukaan glass fiber harus dibersihkan dahulu,Glass fiber dipanaskan didalam oven bersirkulasi udara pada suhu 340 C dengan waktu 15-20 jamSaat proses pemanasan , serat direndam dalam larutan silane .Ketika glass fiber digabungkan dengan matriks resin, kegunaan grup R didalam lapisan silane akan bereaksi dengan resin dan membentuk chemical coupling antara serat dan matriks

2.5.2 Serat Karbon (Carbon Fiber)DUA TIPE TREATMENT PADA CARBON FIBER:OxidativeMenghasilkan kelompok acidic seperti carboxylic,phenolic dan hydroxylic. Dapat diproses dalam gas yang mengandung oksigen atau dalam cairan asam nitrat, sodium hypochloride. Fase oksidasi dilakukan padda temp.250C dan dilakukan pada temp tinggi.Nonoxidative Treatment dilakukan dengan cara dilapisi dengan polimer organik yang mempunyai gugus fungsi yang mampu bereaksi dengan matrik resin, contoh : styrene-maleic anhydride copolymers, methyl acylate-acrylonitile copolymer dan polyamides

2.5.3 Serat Kevlar (Kevlar Fiber)DUA METODE YANG DITERAPKAN :Oksidasi permukaan filamen atau plasma etsa, yaitu dengan mereduksi kekuatan tarik tapi cenderung untuk meningkatkan kekuatan serat-axis komposit, yang bergantung pada kualitas kekuatan interfacial serat matriks.Pembentukan kelompok reaktif, seperti amina (-NH2) pada permukaan serat. Kelompok reaktif tersebut terbentuk dari ikatan kovalen dengan kelompok epoksida di seluruh interface.

2.6 FILLERS AND OTHER ADDITIVESVinil Ester ResinPoliesterFungsi Filler :Mengurangi biaya (karena sebagian besar filler jauh lebih murah dari resin)Meningkatkan modulusMengurangi penyusutan saat di cetakMengontrol viskositas/kekentalanMenghasilkan permukaan yang lebih halusKERUGIAN :Mengurangi kekuatan dan ketahanan impak. Solusinya dengan mencampur sedikit komposisi larutan elastometric toughener seperti carboxyl-terminated polybutadiene acrylonitrile (CTBN)

2.7 INCORPORATION FIBER INTO MATRIXProses menyatukan serat kedalam matrik polimer dapat dikelompokkan menjadi dua kategori. :Kategori pertama, serat dan matrik diproses langsung dengan cara dimasukkan kedalam produk jadi atau struktur. Kategori kedua, serat dimasukkan kedalam matriks untuk persiapan pembentukan lembaran dan kemudian diproses untuk membentuk struktur laminasi dengan cetakan autoclave atau cetakan kompresi.

PERSIAPAN PEMBENTUKAN LEMBARAN :PREPREGSSHEET MOULDING COMPOUNDS

2.7.1 PREPREGSKARAKTERISTIK :Epoxy adalah bahan matriks utama dalam lembaran prepregsVariasi ketebalan prepregs yaitu < 25 mm (1 inch) sampai > 457 mm (18 inch)Resin yang diperlukan antara 30% dan 45% dari ketebalannyaPROSES :Serat preimperg dengan cairan resin dan dipanaskan dg pemanas yg bisa dikontrol untuk meningkatkan reaksi menuju stage BSaat akhir stage-B sheet mengeluarkan lapisan atau lilin kertas da masuk ke take-up rollKemudian lapisan tersebut dipisahkan dari prepreg dan diletakkan kedalam cetakan untuk pembuatan bag.komposit

2.7.2 SHEET-MOULDING COMPOUNDS (SMC) KARAKTERISTIK :Sheet moulding compounds (SMC) lembaran tipis dari serat precoumpounded dengan thermoset resin dan banyak digunakan di proses cetakan kompresi.Thermoset resin yang digunakan adalah polyester dan vinylester

2.7.2 SMC (continued) JENIS-JENIS SMC:SMC-R, mengandung serat discontinous yang acak. Kandungan serat (dalam jumlah persen) biasanya ditandai dengan dua digit nomor setelah huruf R. Contohnya kandungan serat SMC-R 30 adalah 30% dari beratnya.SMC-CR, mengandung lapisan serat kontinu searah di atas lapisan serat terputus yang berorientasi secara acak. Kandungan serat (dalam jumlah persen) biasanya ditandai dengan dua digit nomor setelah huruf C dan R. Contohnya kandungan serat SMC-C40R30 adalah 40% dari berat serat kontinu searah dan 30% dari berat serat terputus yang berorientasi acak.XMC (salah satu merk dari industri PPG), mengandung serat kontinu diatur dalam pola X, dimana sudut antara serat interlace adalah 5 dan 7.