Perlakuan permukaan serat rami (Boehmeria nivea) dan kompatibilitas serat matrik pada komposit matrik polimer

MARSYAHYO, Eko, Promotor Ir. R. Soekrisno, MSME., Ph.D

2009 | Disertasi |

Pengetahuan dasar tentang serat rami (Boehmeria nivea) sebagai salah satu kandidat media penguatan pada bahan komposit polimer yang berkaitan dengan karakterisasi hasil perlakuan permukaan dan aspek-aspek kompatibilitas antara serat dengan matrik polimer diteliti secara mendalam. Persiapan bahan serat rami yang diteliti dimulai dari proses dekortikasi, persiapan pemilihan sampel serat dan cara perlakuan yang menggunakan media pelarut kimia yakni larutan alkali/NaOH, ethanol, acetone, methyl ethyl ketones (MEK) dan silane coupling agent yang kemudian dikelompokkan dalam sampel serat RAGREEN, RAMOL, RAMETON, RAMEK dan RASILA. Sampel serat yang telah dikelompokkan tersebut akan diamati untuk mengungkap dan menemukan sifat fisika, kimia, mekanis, model patahan serta interaksi antara permukaan serat dengan matrik polimer yakni aspek kompatibilitas serat-matrik yang meliputi tinjauan mechanical interlock, kekuatan geser interfacial (IFSS,) distribusi tegangan interfacial (ISS), topografi permukaan, model kimia permukaan serat dan wettability antara permukaan serat dengan matrik epoksi dan polipropelina (PP). Hasil perlakuan awal serat dengan media larutan alkali/NaOH dengan persentase antara 5% hingga 20% menunjukkan penurunan kekuatan tarik serat tunggal yang mencapai 50% dibandingkan dengan serat tanpa perlakuan alkali dan model patahan serat bersifat getas meskipun secara kualitatif permukaan serat dengan persentase perlakuan alkali lebih tinggi menunjukkan permukaan serat yang lebih bersih atau bebas dari kotoran sisa dekortikasi. Meskipun pada lama waktu perlakuan tertentu yang divariasikan selama 30, 60, 90, 120 dan 180 menit di dalam media pelarut kimia tidak menunjukkan pengaruh terhadap kekuatan tarik serat tunggal namun beberapa kelompok serat menunjukkan perilaku kekuatan tarik terendah dan tertinggi, kombinasi model patahan serat tunggal, kekuatan geser interfacial dan sudut kontak yang memiliki keunikan akibat dari heterogenitas alami serat. Karakteristik dan modulus Weibull untuk kekuatan tarik serat tunggal rami menunjukkan bahwa kelompok serat RASILA30 memiliki kekuatan tarik 1171,83 MPa dengan modulus Webull m=9,88; RAMEK90 919,77 MPa (m=6,04); RAMOL90 1044,79 MPa (m=10,69) dan RAMETON120 1073,57 MPa (m=11,89). Dari hasil uji pull-out serat yang tertanam di dalam matrik epoksi dan PP, karakteristik kekuatan geser interfacial/IFSS Weibull menunjukkan korelasi bahwa peningkatan IFSS diikuti oleh peningkatan ukuran aspect ratio dan sudut kontak cos θ antara serat-matrik. Perilaku ini ditunjukkan oleh kelompok sampel PPRAMEK (IFSS=14-23 MPa; cos θ=0,72-0,78; lc/D=12-16); PPRASILA (IFSS=17-23 MPa; cos θ=0,71-0,81; lc/D=11-16); ERASILA (IFSS=26-33 MPa; cos θ=0,54-0,64; lc/D=12-14) dan ERAMOL (IFSS=23-33 MPa; cos θ=0,54-0,64; lc/D=8-13) yang mengindikasikan kompatibilitas seratmatrik kelompok tersebut lebih optimum daripada kelompok serat-matrik yang lain. Hubungan antara perlakuan permukaan serat dengan topograpi permukaan serat yang diukur dengan BET menunjukkan penyebaran pori-pori optimal dihasilkan oleh kelompok serat RASILA180 yang memiliki ukuran luas permukaan spesifik tertinggi yakni 22,4 m2/g. Dari besar ukuran pori-pori serat sebagai material padat, semua kelompok serat yang diteliti diketahui bahwa ukuran pori-pori antara 20 – 500 Angstrom yang diklasifikasikan dalam mesoporous. Permukaan serat hasil perlakuan kimia yang diamati dengan FTIR juga memiliki karakteristik susunan molekul yang berbeda yakni gugus-gugus fungsi yang tersusun dari atom karbon/C, hidrogen/H dan oksigen/O membentuk ikatan kimia yang komplek antara lain ikatan C=C, C-C, C-O, C-H, C=H, Si-O dan Si-H yang secara kimiawi terjadi pertukaran ion dan akan berpengaruh terhadap kualitas ikatan di daerah interface serat-matrik. Sebagai kesimpulan bahwa perlakuan permukaan serat rami dan kompatibilitas dengan matrik polimer tidak memberikan pengaruh terhadap kekuatan tarik dan kekuatan geser interfacial serat-matrik tetapi secara mikromekanika komposit terjadi ikatan mechanical interlocking dan kimia Van der Walls yang menghasilkan kompatibilias serat rami dan matrik epoksi maupun PP. Secara mikromekanis, nilai optimum kompatibilitas permukaan serat dan matrik PP yakni hubungan antara kekuatan geser interfacial, sudut kontak dan aspect ratio serat yang tertanam di dalam matrik diperoleh dari penggunaan media perlakuan yakni serat yang dikenai perlakuan acetone selama 180 menit, silane 60 menit, MEK 90-120 dan ethanol 120 menit. Sedangkan interaksi kelompok serat yang tertanam di dalam matrik epoksi yakni perlakuan acetone 30 menit, silane 90 menit, MEK 60 dan ethanol 120 menit menunjukkan kompatibilitas yang lebih baik daripada kelompok lainnya. Lebih lanjut, karakteristik Weibull panjang kritis serat yang tertanam di dalam matrik epoksi berkisar antara 0,33 – 0,41 mm dengan modulus Weibull antara 5,30 – 11,23. Kelompok serat yang tertanam di dalam matrik polipropelina memiliki panjang kritis antara 0,35-0,40 mm dengan modulus Weibull 4,47 – 6,55 Hasil dari penelitian ini dapat menjadi dasar acuan yang penting dalam perlakuan permukaan serat rami dan pemilihan bahan dengan kemungkinan terbaik untuk memanfaatkan serat rami hasil perlakuan permukaan yang mampu memberikan fungsi penguatan secara efektif dalam bentuk serat panjang (continouos form) maupun serat pendek (chopped strands) pada komposit matrik polimer.

Fundamental aspects of ramie (Boehmeria nivea) fiber as a candidate composite reinforcement materials were to be investigated and dealing with surface treatment characterization and fiber-matrix compatibility. During decortication, preparation and treatment process, the fiber surface was modified by chemical treatment using solvent based materials that were alkali NaOH, ethanol, acetone, methyl ethyl ketones (MEK) and silane coupling agent, and classified into five groups of samples namely RAGREEN, RANOH5, RAMOL, RAMETON, RAMEK and RASILA. These fiber-treated would reveal physical and chemical properties, mechanical properties, single fiber fracture modes and fibermatrix interaction compatibility aspects such as mechanical interlock, interfacial shear strength (IFSS) and stress (ISS) distribution, surface topography, modes of chemical surface and wettability between the fibers and polymer matrix combination using epoxy and polypropylene (PP). At the certain time period 30, 60, 90, 120 and 180 minutes of solvent based treatment, some fibers determining the response of the lowest and highest tensile strength and bonding strength with their unique physical and chemical surface characteristic of the fibers because of fiber heterogenity properties in nature. As fiber pretreatment, higher percentage of NaOH range 5% to 20% concentrated solution showed single fiber tensile strength was decreased to around 50% but the surface was cleaner and become opener. Single fiber fracture modes tended to be brittle. From Weibull maximum tensile strength characteristics showed that tensile strength of RASILA30 was 1171.83 MPa, RAMEK90 919.77 MPa, RAMOL90 1044.79 MPa and for RAMETON120 1073.57 MPa. From the pull-out test, Weibull interfacial shear strength characteristics showed the behavior that both rami-epoxy and ramie-PP had an increasing aspect ratio followed by increasing contact angle cos θ especially for PPRAMEK (IFSS=14-23 MPa; cos θ=0.72- 0.78; lc/D=12-16); PPRASILA (IFSS=17-23 MPa; cos θ=0.71-0.81; lc/D=11-16); ERASILA (IFSS=26-33 MPa; cos θ=0.54-0.64; lc/D=12-14) and ERAMOL (IFSS=23-33 MPa; cos θ=0.54-0.64; lc/D=8-13) and indicated ramie fiber-matrix had compatibility more optimum among the others. Related to BET, RASILA180 had an optimal specific surface area of 22.4 m2/g . In term of surface porosity of solid materials, all ramie fiber treated should be classified into mesopores fiber which has porosity dimension range from 20 – 500 Angstrom. The fiber-treated surfaces also indicated by FTIR changing in functional groups of cellulose molecules which were built-up by C, H and O atoms and interact into a complex arrangement of the main chemical bond such as C=C, C-C, C-O, C-H, C=H, Si-O and Si-H in the fiber-matrix interface region. To be concluded, there was no significant effect of solvents to tensile strength of the fibers and interfacial shear strength between the fibers and polymers matrix. However, micromechanically there were mechanical interlocking and chemical bonding or Van der Walls bonding to gain compatibility between ramie fibers and polymers matrix. Ramie and polymeric matrix compatibility relationship among variables of the wettability, interfacial shear strength and also the fiber aspect ratio showed that the fibers treated by acetone 180 minutes, silane 60 minutes, MEK 90-120 and ethanol 120 minutes showed relatively having optimum compatibility to polypropylene matrix. For the group of the fibers treated by acetone 30 minutes, silane 90 minutes, MEK 60 and ethanol 120 minutes relatively had the highest compatibility to epoxy as a matrix among the others. Moreover, Weibull characteristic of the fibers critical length embedded in epoxy matrix resulting 0.33 – 0.41 mm with Weibull modulus m=5.30 – 11.23 and fibers embedded in polypropylene have an average critical length range 0.35-0.40 mm and Weibull modulus 4.47 – 6.55. It was also essential to understanding as the best possible for material selection that all ramie fiber-treated offered effectiveness to be utilized in both continuous form and short or chopped strands to meet reinforcement functionally in polymer matrix composite.

Kata Kunci : Serat rami,Perlakuan permukaan,Epoksi,Polipropelina,Pelarut kimia,Kompatibilitas serat-matrik