by

Aplikasi Biokomposit Pada Bidang Otomotif

Komposit

Komposit merupakan perpaduan dari dua material atau lebih yang memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki sifat lebih baik dari keduanya. Jika perpaduan ini terjadi dalam skala makroskopis maka disebut sebagai komposit. Namun, jika perpaduan ini terjadi secara mikoroskopis (molecular level) maka disebut sebagai alloy atau paduan[1].

Dalam bidang rekayasa, di mana kekuatan mekanik dan kekakuan merupakan persyaratan utama, istilah “komposit” dikaitkan dengan campuran filamen yang berfungsi sebagai fasa penguat (penguatan). Komposit dikembangkan dari gagasan sederhana dan praktis di mana dua atau lebih material homogen dengan sifat yang berbeda digabungkan. Umumnya, filamen penguat untuk komposit berdiameter sekitar 10 µm. Filamen tersebut kontinu, dan terbentang sepanjang komponen, atau pendek (diskontinu) dengan orientasi yang sama atau orientasi acak bahkan berupa tenunan  kain[2].

Istilah “komposit” seringkali juga mencangkup material dimana fasa kedua mempunyai bentuk partikel atau lamina. Pada kasus seperti ini struktur komposit menjanjikan keuntungan khusus, selain kekuatan, juga memiliki nilai ekonomi dan ketahanan korosi (contoh: bahan pengisi dalam plastik, lembaran baja berlapis plastik). Sejarah perkembangan teknologi komposit mencatat berbagai temuan yang bersifat inovatif, bahkan ide yang menakjubkan[2].

Komposit terdiri dari matriks dan penguat / reinforcement. Secara ideal, matriks dari sebuah komposit seharusnya mampu:

  1. menginfiltrasi serat dan cepat membeku pada temperatur dan tekanan yang wajar,
  2. membentuk suatu ikatan koheren, umumnya dalam bentuk ikatan kimia di semua antarmuka matriks/serat,
  3. menyelubungi serat yang biasanya sangat peka-takik, dan melindunginya dari kerusakan antar-serat berupa abrasi dan melindungi serat terhadap lingkungan (serangan zat kimia, kelembaban),
  4. mentransfer tegangan kerja ke serat,
  5. memisahkan serat sehingga kegagalan serat-individu dibatasi dan tidak merugikan integritas komponen secara keseluruhan,
  6. melepas ikatan (debond) dari serat individu, dengan cara absorpsi energi regangan, apabila kebetulan terjadi perambatan retak dalam matriks yang mengenai serat, dan
  7. tetap stabil secara fisika dan kimia setelah proses manufaktur[2].

Ada tiga jenis komposit yang membedakan dari komposit lainnya yaitu komposit dikuatkan oleh bentuk penguatnya, yaitu partikel, fiber dan struktural.

Gambar 1. Skema klasifikasi perbedaan jenis-jenis komposit berdasarkan bentuk penguatnya[3].

Adapun berdasarkan matriksnya komposit dapat dibedakan menjadi 3 yaitu:

Metal Matrix Composite (MMC) atau komposit dengan matriks logam

Kelebihan MMC:

  1. Transfer tegangan dan regangan yang bagus.
  2. Memiliki ketahanan terhadap temperatur tinggi.
  3. Tidak menyerap kelembaban.
  4. Tidak mudah terbakar.
  5. Memiliki kekuatan tekan dan geser yang baik.

Kekurangan MMC:

  1. Biayanya mahal.
  2. Standarisasi material dan proses yang sedikit.

Polymer Matrix Composite(PMC) atau komposit dengan matriks polimer

Kelebihan PMC:

  1. Ringan.
  2. Memiliki nilai specific stiffness yang tinggi.
  3. Memiliki nilai specific strength yang tinggi.
  4. Anisotropy.

Kekurangan MMC:

  1. Rentan terhadap suhu tinggi.
  2. Mudah terbakar.

Ceramic Matrix Composite(CMC) atau komposit dengan matriks keramik

Kelebihan CMC:

  1. Dimensinya stabil, bahkan lebih stabil daripada logam.
  2. Sangat tangguh, bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari besi tuang.
  3. Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus.
  4. Unsur  kimianya stabil pada temperatur tinggi.

Kekurangan CMC:

  1. Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar.
  2. Relatif mahal dan non-cost effective.
  3. Hanya untuk aplikasi tertentu[1].

Gambar 2. Skema klasifikasi perbedaan jenis-jenis komposit berdasarkan matriksnya[1].

 

Biokomposit

Biokomposit atau green komposit didefinisikan sebagai material komposit yang tersusun dari biofiber atau serat alami yang dapat terdegradasi sebagai penguatnya dan polimer yang tidak dapat terdegradasi (non-biodegradable) atau yang dapat terdegradasi (biodegradable) sebagai matriksnya. Serat alami yang digunakan terdiri dari:

  1. Serat nabati: merupakan serat yang paling banyak digunakan, karena jumlahnya di alam berlimpah dan tidak mahal. Contohnya adalah katun, rami, goni dan serat selulosa lain yang berasal dari tumbuhan.
  2. Serat hewani: merupakan jenis yang kurang banyak digunakan tetapi memiliki potensi. Serat hewani yang sering digunakan adalah sutra, dan wool[4].

Gambar 3. Skema klasifikasi serat alami yang berasal dari tumbuhan[4].

Tabel 1. Perbandingan nilai modulus antara glass dan beberapa serat alami[5].

Gambar 4. Skema sederhana pembentukan biokomposit[4].

 Material biokomposit tentu memiliki beberapa keunggulan apabila dibandingkan dengan material dasar seperti logam, keramik dan polimer atau material komposit lainnnya. Keunggulan tersebut antara lain:

  1. Mengurangi berat.
  2. Dapat didaur ulang.
  3. Merupakan material yang berfungsi sebagai langkah untuk bumi hijau (green movement).
  4. Mengurangi molding cycle.
  5. Biaya produksi yang lebih kompetitif.
  6. Sifat material yang lebih baik.
  7. Merupakan material sintetik.
  8. Tidak abrasif terhadap permesinan.
  9. Penampilan yang alami.
  10. Memiliki nilai koefisien ekspansi termal yang rendah.
  11. Memiliki nilai susut (shrinkage) yang rendah.
  12. Mudah dilakukan pewarnaan.
  13. Mudah dibentuk.
  14. Konsumsi energi pembuatan yang rendah.
  15. Terbuat dari bahan yang dapat diperbarui[6].

Oleh karena biokomposit memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan material lainnya, maka pada saat ini penggunaan material biokomposit sudah sangat banyak digunakan, contohnya seperti interior-interior pada bidang otomotif yang akan banyak dikaji pada paper ini.

 

Biokomposit pada otomotif

Sebuah mobil yang terbuat dari rumput mungkin terdengar aneh, tetapi pada saat ini mobil berbasis tanaman telah banyak diteliti serta dikembangkan dalam menghadapi tantangan untuk menuju bumi hijau (green movement). Penelitian-penelitian di bidang material komposit telah banyak mencoba mengembangkan material dari tanaman seperti hemp, kenaf, jagung, rumput jerami serta serat sellulosa dari tumbuhan lainnya untuk mengganti komponen mobil yang biasanya berbahan dasar plastik dan logam. Serat alami banyak diteliti karena memiliki strength to weight yang lebih tinggi dibandingkan dengan baja dan juga jauh lebih murah dalam hal memproduksinya. Komposit serat alam muncul sebagai alternatif yang realistis untuk komposit yang sebelumnya biasa diperkuat dengan fiber glass. Komposit tersebut dapat memberikan kinerja yang sama namun dengan berat yang lebih rendah atau juga dapat mencapai kekuatan sekitar 25-30 persen lebih tinggi dengan berat yang sama. Selain itu, komposit serat alam juga menunjukkan fraktur non-getas pada hasil pengujian impak[7].

Di Amerika Serikat, 10-11 juta kendaraan setiap tahunnya mencapai akhir dari masa fungsionalitasnya. Penyortiran komponen-komponen bekas atau limbah dan fasilitas pengkoyak limbah yang sudah tidak terpakai memproses sekitar 96 persen komponen dari mobil-mobil tua, 25 persen komponen dari kendaraan berat, termasuk plastik, serat, kaca, busa dan karet, yang semuanya merupakan limbah dari mobil-mobil tersebut. Ide penggunaan material biokomposit untuk diterapkan pada dunia otomotif berasal dari pemikiran bahwa apabila sebuah mobil didesain dengan sebagian besar materialnya terbuat dari biofiber, maka limbah-limbah komponen mobil yang sudah tidak digunakan lagi tersebut hanya tinggal dikuburkan saja tanpa perlu membutuhkan proses daur ulang terlebih dahulu, karena material biokomposit tersebut selanjutnya akan dikonsumsi atau diuraikan secara alami oleh bakteri di dalam tanah[7].

Kehadiran biokomposit pada perkembangan material di dunia otomotif telah menjadi sebuah alternatif yang dapat digunakan untuk mengganti komposit yang biasanya diperkuat dengan fiber glass. Serat alami, yang secara tradisional digunakan sebagai pengisi untuk termoset, sekarang menjadi salah satu aditif yang memiliki kinerja tercepat untuk termoplastik. Keuntungan dari serat alami yaitu adalah: biaya rendah, kepadatan rendah, sifat mekanik kompetitif, konsumsi energi berkurang, karbon dioksida sequesterization, dan biodegradasi. Serat alami menawarkan peluang yang besar untuk negara-negara berkembang dalam hal memanfaatkan sumber daya alam yang mereka miliki sendiri untuk diolah menjadi industri pengolahan komposit[7].

Kombinasi biofiber seperti kenaf, hemp, flax, jute, henequen, serat daun nanas, sisal dan sellulosa dengan matriks polimer dari sumber daya tidak terbarukan dan terbarukan untuk memproduksi bahan komposit yang kompetitif dengan komposit sintetik memerlukan perhatian khusus pada proses pembuatannya. Serat alami yang memperkuat thermoset telah menciptakan daya tarik secara komersial di bidang industri otomotif. Teknik pembuatannya pada umumnya yaitu dengan teknik ekstrusi yang diikuti dengan injection molding[7].

 

Metode fabrikasi

Big blue stem grass fiber (BBSGF) yang digunakan sebagai penguat pada biokomposit thermoplastik dibuat dengan metode ekstrusi yang diikuti dengan injection molding. Material yang digunakan antara lain:

  1. Big blue steam grass fiber (BBSGF) dengan panjang 3-6 mm.
  2. High density polyethylene powder.
  3. Polyethylene grafted maleic anhydride (PE-g-MA) (EPOLENE G2608)[8].

Sebelum pemrosesan, big blue stem grass fiber dan PE-g-MA dikeringkan pada suhu 80 oC pada kondisi vakum selama 16 jam. HDPE dicampurkan dengan coupling agent (EPOLENE G2608) dengan rasio 47/3 kemudian dimasukkan ke ZSK-30 Werner dan Pfleiderer Twin-screw Extruder (L/D=30) dengan suhu barrel sekitar 190 oC dan kecepatan rotasi screw 100 RPM. Laju pengumpanan matriks dan grass fiber 23 g/min untuk setiap pemberiannya dengan rasio 50 wt% / 50 wt%. Kemudian proses pelletized untuk proses selanjutnya[8].

Pada tahapan selanjutnya, dilakukan proses injection molding dengan menggunkan 85 ton Cincinnati Milacron injection molder dengan sebuah screw L/D ratio 17:1. Pada proses ini suhu barrel sekitar 190 oC dan suhu cetakan yang digunakan sekitar 30 oC[8]. Adapun detail mengenai proses pada injection molding yaitu dimulai dengan pelapisan cetakan dengan gel secara konvensional apabila diperlukan. Kemudian penguat / reinforcement dan matriks diposisikan dalam cetakan, dan selanjutnya cetakan tersebut ditutup dan di clamp. Resin diinjeksikan di bawah tekanan menggunakan perlatan mix / meter injection dan komponen di curing dalam cetakan[4].

Gambar 5. Alat injection molding beserta cetakannya[4].

 

Kesimpulan

Material biokomposit memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan material lainnya termasuk material komposit yang telah banyak dan biasa digunakan pada aplikasi kehidupan sehari-hari. Alasan utama biokomposit digunakan dalam aplikasi komersial adalah karena biokomposit terbuat dari sumber yang terbaharui (renewable resources), dapat mereduksi biaya material, memiliki kemampuan recyclability yang baik (biodegradable) dan legislasi. Oleh karena itu, aplikasi dari material biokomposit pada saat ini telah merambat luas sampai kepada dunia otomotif.

 

Referensi

[1] Slide Kuliah Komposit, Prof. Dr. Ir. Anne Zulfia MSc, Pengantar Komposit, Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia. (2010).

[2] Smallman, R. E. and R. J. Bishop. Modern Physical Metallurgy & Materials Engineering, 6th Edition. Reed Educational & Professional Publishing Ltd., Oxford, United Kingdom. (1999).

[3] Jr., William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 7thEdition.  John Wiley & Sons, Inc., United States of America. (2007).

[4] Slide Kuliah Komposit, Prof. Dr. Ir. Anne Zulfia MSc, Biocomposite and Nature Fiber Composite, Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia. (2010).

[5] W. D. Brouwer, “Natural Fiber Composites: Where Flax Compete with glass?”, SAMPE Journal; 36(6), 18-23 (2000).

[6] Lecture Note, Prof. Lawrence T. Drzal, Sustainable Bio-Based Structural Materials: Opportunities and Challenges, Department of Chemical Engineering and Materials Science Michigan State University.

[7] Drzal, Lawrence T., A. K. Mohanty and M. Misra. Bio-Composite Materials as Alternatives to Petroleum-based Composites for Automotive Applications.

[8] Liu, Wanjun, Kelby Thayer, Mansuri Mirsa, Lawrence T. Drzal, Amar K. Mohanty. Processing Methods and Physical Properties of Native Grass Reinforced Biocomposites.

Leave a comment