Tangerang Selatan, Humas BRIN. Yogi Angga Swasono, periset Pusat Riset Teknologi Polimer – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (14/6) mempresentasikan risetnya berjudul ‘The Optimization of Tensille Strength Property of Polypropylene/Clay Composite Prepared in a Twin Screw Extruder’ (Optimasi Sifat Tensile Strength Polypropylene/Clay yang Dipreparasi Menggunakan Alat Twin Screw Extuder). Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ORNAMAT seri #4 tahun 2022 di lingkungan Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.
Riset ini dimulai dari pengertian komposit itu sendiri secara dominan terdiri dari polimer sebagai matriks dan serat atau filler (pengisi) sebagai material untuk penguat. Ada pun aplikasi untuk komposit polimer ini ada di beberapa bidang antara lain: otomotif, aeronautical, material untuk bangunan, peralatan rumah tangga, dan kemasan.
Keunggulan dari komposit polimer ini adalah resistensi terhadap korosi, lebih mudah proses manufakturnya, ringan, kuat, dan ductile sifatnya.
Lalu polypropylene (PP) adalah salah satu jenis termoplastik polimer yang digunakan sebagai matriks dalam komposit polimer. Kemudian clay atau tanah liat, digunakan luas sebagai filler pada komposit polimer.
Ada beberapa keunggulan PP dibandingkan dengan termoplastik polimer lainnya antara lain kemudahan dalam prosesnya, rigidity yang baik, murah biaya produksinya, ringan, dan memiliki sifat mekanis yang baik.
Sedangkan keunggulan dari penggunaan clay pada komposit, antara lain memiliki rasio area permukaan dan volume yang besar, reaktivitas yang tinggi, struktur lapisannya yang berskala nano, penggunaannya yang rendah atau komposisinya yang rendah yang digunakan untuk komposit, dan peningkatan mechanical properties dari polimer yang ditambahkan clay.
Di samping keunggulan-keunggulan PP dan clay, terdapat tantangan atau yang perlu diperhatikan dalam pencampuran atau penggabungan PP dan clay, antara lain dispersi, clay dalam matriks PP, kemudian ikatan antara PP dan clay itu sendiri, kemudian penggunaan dari compatibilizer atau kopling agent, lalu komposisi dari PP Clay dan compatibilizer, serta kondisi dari proses.
Lalu setelah dilakukan studi literatur, Yogi menemukan beberapa jenis compatibilizer itu sendiri, antara lain polypropylene-methyl polyhedral oligomeric silsesquioxane (PP-POSS), styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer grafted maleic anhydride (SEBS-g-MA), dan polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MA).
Yogi menjelaskan dari beberapa jenis compatibilizer, PP-g-MA memiliki peningkatan mekanikal properti yang paling baik dari komposit PP Clay dibandingkan dengan jenis compatibilizer lainnya. Sehingga pada riset ini digunakan PP-g-MA sebagai compatibilizer atau penghubung antara PP yang memiliki sifat hidrofobik dan clay yang memiliki sifat yang lebih hidrofilik.
“Dari beberapa literatur-literatur yang telah distudi, ada tiga parameter proses yang mempengaruhi kenaikan dari tensile strength polimer atau komposit polimer . Pertama, rasio clay, dan compatibilizer sebagai penghubung antara PP dan clay, kedua, temperatur proses, dan ketiga screw speed atau kecepatan pengadukan,” terang Yogi.
“Ada tiga material yang digunakan pada riset ini antara lain: Pertama, polypropylene (PP) sebagai matrik dalam polymer composites. Kedua, clay sendiri sebagai filler/reinforcement agent yang mengandung 25 – 50% organic compound. Ketiga, Polypropylene-grafted-Maleicanhydride (PP-g-MA) sebagai compatibilizer/penghubung antara PP dengan clay,” jelas Yogi.
Preparasi Sampel
Berdasarkan studi literatur yang dilakukan Yogi, ada tiga variabel untuk preparasi sampel antara lain rasio, kecepatan putar screw atau kecepatan pengadukan, dan temperatur proses.
“Dari ketiga variabel ini saya atur level-level per variabel yaitu rasionya 1:1, 1:2, dan 1:3. Untuk screw speed-nya saya variasikan dari 30, 40, dan 50 rpm, lalu temperatur dari 180, 200, dan 220 0C,” kata Yogi.
“Dari tiga variabel dan tiga level dari variasi ini, dihasilkan kurang lebih ada 15 sampel untuk variasi, rasio, kecepatan, dan temperatur,” lanjutnya.
Tahapan dari riset yang lakukan, yaitu PP, clay, dan 6 wt % dari PPgMA, dicampur menggunakan twin screw extruder, kemudian terbentuklah komposit PP/Clay. Lalu komposit PP/Clay yang dihasilkan dari twin screw extruder dicetak menggunakan alat injection molding, sehingga memenuhi standar ASTM D-638 spesimen pengujian ASTM D-638, kemudian dilakukan pengujian tensile strength.
Setelah didapatkan data-data dari pengujian tensile strength dari 15 sampel tersebut dilakukan optimasi menggunakan software Minitab 16. Yang terakhir dilakukan analisis dari struktur clay yang berada didalam matrik PP itu menggunakan alat analisis XRD.
Hasil
Hasil dari 15 sampel yang telah diuji tensile strength, didapatkan nilai terendah untuk nilai tensile strength rata-rata sebesar 30,359 N/mm2, kemudian yang tertinggi nilai tensile strength rata-rata sebesar 32,353 N/mm2. Jika dilihat ke-15 sampel dengan tidak ditambahkan clay dan tidak ditambahkan PPgMA, maka nilai dari tensile strength rata-ratanya sebesar 27,895 N/mm2.
“Dengan penambahan clay dan adanya compatibilizer di dalam komposit clay ini, meningkatkan sifat tensile strength dari 30,359 N/mm2 yang paling rendah sampai 32,353 N/mm2,” ungkap Yogi.
Lanjutnya, dari ke-15 data tensile strength ini diolah menggunakan software Minitab16, kemudian dihasilkan data-data untuk Analysis of Variance (Anova) yang dihasilkan antara lain rasio clay compatibilizer (X1), screw speed (X2), dan temperatur (X3).
X1, X2, X3 yang merupakan suku-suku yang terdapat di polynomial equation. Kemudian polynomial equation digunakan untuk proses response optimizer dalam menentukan titik optimum dari variasi yang dilakukan di riset ini.
Dari Anova didapatkan 4 suku yang berpengaruh signifikan antara lain rasio clay compatibilizer (X1), screw speed (X2), kemudian X1*X1 yang merupakan kuadratik dari komponen/suku X1, serta X1*X2 yang merupakan koefisien untuk interaksi antara rasio Clay/compatibilizer (X1) dan Screw speed (X2).
Selain penentuan secara Anova, dilakukan uji lack of fit atau kesesuaian model dengan kesesuaian data-data tensile strength dengan model yang dihasilkan. Jadi lack of fit yang dihasilkan pada model ini memiliki nilai sebesar 0,379 artinya di atas nilai confidence level (0,05) sehingga persamaan polinomial dapat digunakan untuk memprediksi nilai tensile strength.
Optimasi
Setelah dilakukan analisis Anova, lalu dilakukan response optimizer dengan menggunakan software Minitab dihasilkan faktor atau variabel rasio dari clay compatibilizer sebesar 1:1,25, lalu variabel screw speed sebesar 60 RPM, dan temperatur proses di suhu 2200C dihasilkan nilai dari sampel verfikasi tersebut adalah sekitar 32,84 N/mm2.
“Nilai composite dari PP clay yang dihasilkan sebesar 32,84 N/mm2 didapat pada rasio clay compatibilizer sebesar 1:1,25 , lalu screw speed 50 rpm, dan temperatur proses di 220 0C sebagai kondisi yang optimum,” papar periset muda ini.
Hasil yang terakhir adalah analisis dari struktur clay di dalam PP dilakukan dengan menggunakan analisis XRD.
Dengan dianalisis dari program XRD pada karakteristik clay mengalami penurunan intensitas pada 2-theta 3,53 deg, kemudian pergeseran puncak ke sudut 2 theta yang lebih kecil/rendah, dan perubahan dari jarak antar lapisan (d-spacing change) di dalam clay.
Oleh karena adanya difusi dari PP, lapisan-lapisan yang ada di dalam struktur clay itu mengalami perubahan dengan semakin bertambah jarak antar lapisan. Hal ini terkonfirmasi dari nilai jarak antar lapisan ini mengalami peningkatan jika sebelum ditambahkan PP, yaitu sekitar 24,8 Å menjadi 31,5 Å , artinya bertambah tebal atau bertambah tinggi jarak antar lapisannya. Pun demikian dengan sampel verifikasi yang mengalami perubahan ketebalan lapisan sebesar 34,1 Å
“Dari hasil XRD dikonfirmasi bahwa peningkatan dari tensile strength disebabkan oleh adanya lapisan-lapisan clay yang terinterkalasi atau bertambah tebal lapisan clay-nya,” tutur alumni Teknik Kimia UGM tahun 2021. (hrd/ ed: adl)