1
Pembuatan Nanokomposit Semikonduktor (Naseko) Bermatrix Limbah Botol Plastik Polietilen Tereftalat (PET) dengan Penambahan Cu dan Fe BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Masalah
Semikonduktor merupakan komponen yang penting di dalam alat-alat elektronik. Semikonduktor umumnya berbahan silikon (Si) ataupun germanium (Ge). Karena sifat mekanik Si dan Ge yang terbatas maka dilakukan pengembangan semikonduktor menggunakan material yang lebih kuat dan ringan. Semikonduktor yang sedang dikembangkan umumnya berbentuk komposit, karena sifatnya dapat mudah dimodifikasi tergantung dengan dopingnya. Komposit yang umumnya digunakan adalah polimer matrix composite (PMC) (Purnama, 2013). Penelitian yang menggunakan polyprophylene (PP) sebagai matriks dan Cu sebagai filler berhasil meningkatkan sifat mekanik komposit namun belum menghasilkan kenaikan nilai konduktivitas yang signifikan, disebabkan ikatan antara polimer dan Cu yang kurang baik (Zulfia, 2011). Untuk meningkatkan ikatan antara matriks dengan filler maka digunakan filler yang berukuran nano. Nanokomposit menggunakan partikel nano dalam pembuatanya, penggunaan partikel nano dapat memberikan hasil yang baik dengan biaya yang lebih murah. Penambahan nanopartikel dapat meningkatkan konduktivitas listrik dari PMC hingga mencapai 108-1012 S cm-1 bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah (Mutiso, 2012). Salah satu jenis polimer yang paling banyak digunakan saat ini adalah polyethilene tereftalat (PET). Disisi lain limbah botol plastik yang ada saat ini telah menjadi masalah serius. Dari perkiraan Kementrian Lingkungan Hidup penduduk Indonesia menghasilkan 28,4 ribu ton sampah plastik/hari (Surono, 2013). Dari jumlah tersebut sekitar 2,3% sampah plastik yang ada di kota besar merupakan botol plastik minuman atau produk lain yang terbuat dari PET (Sahwan, 2005). Penelitian ini dilakukan untuk memanfaatkan limbah plastik sebagai bahan baku dari nanokomposit semikonduktor. Sasaran dari penelitian ini adalah untuk melihat pengaruh jenis filler terhadap konduktivitas listrik yang dihasilkan, struktur permukaan, dan juga porositas dari nanokomposit yang dihasilkan. Nanokomposit Semikonduktor (Naseko) dibuat dengan menggunakan limbah botol plastik PET sebagai matriks dan serbuk Cu dan Fe yang berukuran nano sebagai fillernya. Pada pembuatan Naseko ditambahkan Xylene dan Maleic Anhydride (MA) sebagai pelarut dan compatibilizer.
2
1.2
Rumusan Masalah
Semikonduktor merupakan komponen yang penting didalam alat-alat elektronik. Kebutuhan yang terus meningkat menyebabkan perlu dikembangkan material semikonduktor yang ringan dan kuat. Semikonduktor yang sedang dikembangkan umumnya berbentuk komposit bermatrix polimer. Salah satu jenis polimer yang berlimpah dan tidak termanfaatkan adalah limbah botol plastik berbahan PET. Penelitian ini akan memanfaatkan limbah plastik berbahan PET sebagai bahan baku pembuatan nanokomposit yang bersifat semikonduktor. Dalam pembuatan Naseko juga akan diuji pengaruh jenis filler terhadap kenaikan nilai konduktivitas listrik yang dihasilkan. 1.3
Tujuan dan Manfaat Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : Menciptakan suatu material komposit baru yang memanfaatkan limbah botol plastik yang berbahan baku Polietilen Tereftalat (PET). Menganalisa mikrostruktur, porositas, dan konduktivitas listrik dari nanokomposit yang dibuat. Mengurangi dampak dari pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh limbah botol plastik.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Plastik
Plastik merupakan salah satu jenis polimer yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, umumnya material plastik yang digunakan berjenis PET, polyprophylene (PP), poliyvinyl clorida (PVC), low density polyethylene (LDPE), dan high density polyethylene (HDPE). Jenis plastik yang paling banyak digunakan adalah jenis PET. Plastik PET bersifat termoplastik dan memiliki titik lebur 80oC, plastik ini umumnya digunakan sebagai botol kemasan minuman. 2.1.1
Limbah Botol Plastik
Limbah botol plastik merupakan salah satu limbah yang tidak dapat terurai oleh mikroorganisme, sebagian besar limbah botol plastik merupakan plastik berjenis PET. Karena sifatnya yang tidak terurai oleh mikroorganisme, limbah botol plastik umumnya didaur ulang menjadi produk baru (Surono, 2013). Namun daur ulang plastik yang dilakukan hanya mampu mengurangi total limbah plastik sekitar 17%,
3
limbah plastik yang tidak di daur ulang menumpuk di tempat pembuangan dan dapat mencemari lingkungan. Limbah botol plastik yang menumpuk di tempat pembuangan akhir memiliki potensi yang besar untuk dimanfaatkan kembali, khususnya pada industri pembuatan komposit.
Gambar 1. Limbah Botol Plastik 2.2
Komposit
Komposit merupakan material yang terbentuk dengan penggabungan dua atau lebih material yang berbeda (tidak homogen), dimana sifat mekanik dari masingmasing material pembentuknya yang berbeda. Sifat bahan komposit bergantung pada beberapa proses yang mempengaruhinya, seperti jenis material komposit yang digunakan, fraksi volume penguat, dimensi penguat, dan beberapa variable-variabel proses yang lain (Zainuri, 2008 dan Anugraha, 2014). Menurut matriks (perekat) yang digunakan, bahan komposit dapat dikelompokkan kedalam tiga bagian yaitu MMC (Metal Matrix Composite), CMC (Ceramic Metrix Composite), dan PMC (Polymer Matrix Composite) (Purnama, 2013). Bagian yang paling penting didalam komposit adalah matriks dan filler. 2.2.1
Matriks
Matriks merupakan material yang digunakan sebagai perekat pada pencampuran beberapa material sehingga membentuk komposit dengan sifat yang diinginkan, komposit terdiri dari beberapa jenis jika dilihat dari perekatnya yaitu MMC yang merupakan komposit berbahan matriks logam yang tidak mudah terbakar dan memiliki temperature operasi tinggi, CMC atau komposit berbahan matriks keramik dan PMC yang merupakan komposit yang menggunakan matriks polimer. Dari ketiga jenis komposit tersebut, PMC memiliki beberapa kelebihan karena memiliki sifat yang lebih tahan karat dan jauh lebih ringan jika dibandingkan dengan kedua jenis komposit yang lain, selain itu komposit jenis PMC merupakan matriks
4
yang paling umum digunakan pada material pembuatan komposit karena menggunakan perekat berbahan polymer. PMC dapat juga dikelompokkan menjadi polimer termoset dan polimer termoplastik, perbedaan antara keduanya jika pada polimer termoset tidak dapat didaur ulang sedangkan untuk polimer termoplastik dapat didaur-ulang yang menyebabkan polimer jenis termoplastik lebih banyak digunakan, contoh termoplastik yaitu polypropylene (PP) dan PET (Purnama, 2013). 2.2.2
Filler
Filler atau bahan pengisi merupakan material tertentu yang dicampurkan pada suatu matriks (perekat) untuk mendapatkan karakterisasi komposit yang diinginkan, seperti sifat konduktivitas listrik , sifat mekanik dan porositas komposit. Penambahan filler pada matriks tergantung pada karakterisasi komposit yang diinginkan, seperti pada uji konduktivitas listrik filler dapat berasal dari bahan-bahan logam seperti besi (Fe) dan tembaga (Cu). Tembaga merupakan unsur kimia dengan warna kemerahan dan mempunyai nilai konduktivitas listrik yang baik dengan konduktivitas thermalnya 401 W/m.K, kawat tembaga dan paduan tembaga digunakan untuk tabung microwave, sakelar, generator, instalasi listrik rumah , radiator mobil dan sebagainya (Junaidi, 2011). 2.3
Nanokomposit
Nanokomposit merupakan komposit yang ditambahkan filler berukuran nano, material nano dikarakterisasi menggunakan SEM untuk melihat mikrostrukturnya. Penambahan partikel nano bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik dan nilai konduktivitas dari komposit yang dihasilkan (Firmansyah, 2013). 2.3.1
Konduktivitas Listrik Nanokomposit
Konduktivitas listrik merupakan kemampuan suatu bahan untuk menghantakan listrik dengan baik. Pengukuran konduktivitas listrik bahan konduktor yang baik (logam) tidak dapat dilakukan dengan hanya mengukur nilai arus dan tegangan listriknya saja, karena akan menyebabkan terjadinya hubung pendek listrik, pengukuran konduktivitas listrik bahan konduktor secara akurat biasanya tidaklah mudah, dan kerap memerlukan penggunaan teknik yang rumit (Setiawan, 2009). Pada penelitian ini, uji konduktivitas listrik dilakukan pada material komposit bermatriks polimer jenis PET dengan bahan pengisi tembaga (Cu) dan besi (Fe). Penelitian sebelumnya menggunakan PP sebagai matriks untuk mengikat Cu didapati adanya peningkatan dari nilai mekanik bahan namun nilai peningkatan konduktivitas listriknya masih jauh dari hasil yang diinginkan, hal ini dikarenakan kompatibilitas PP-g-MA tidak berfungsi dengan baik untuk mengikat PP dengan C serta Cu karena
5
terbukti konduktivitas listrik komposit tidak meningkat secara signifikan (Zulfia, 2011). Untuk itu dibutuhkan penelitian lebih lanjut mengenai jenis polimer dan komposisi bahan yang tepat untuk meningkatkan nilai konduktivitas listrik dari komposit yang dihasilkan. 2.5
Scanning Elektron Microscope ( SEM )
Scanning Elektron Microscope adalah suatu jenis mikroskop elektron yang menghasilkan berbagai gambar dari proses tumbukan elektron dengan energy yang tinggi terhadap permukaan suatu sampel dan kemudian mengidentifikasi sinyal-sinyal hamburan elektron dari permukaan. SEM mampu menghasilkan gambar dengan resolusi yang sangat tinggi dengan perbesaran gambar berkisar antara 15 kali hingga 200000 kali. SEM dapat digunakan untuk mengetahui struktur permukaan dan porositas Nanokomposit. Struktur permukaan komposit dipengaruhi oleh mikrostruktur bahan , dimana mikrosturktur berpengaruh pada sifat kimia material komposit, mikrostruktur bahan ditentukan oleh jumlah fase yang ada, perbandingan fase, dan bagaimana mikrostruktur tersebut terdistribusi didalam material. Perubahan mikrostruktur material salah satunya dipengaruhi oleh adanya perlakuan (treatment) panas dalam pembentukannya. Sedangkan Porositas berpengaruh pada sifat fisik material komposit. Semakin rapat struktur nanokomposit, berarti jarak antar molekul dalam permukaan semakin rapat sehingga mempunyai kekuatan tarik dan daya jebol yang besar.SEM juga dapat digunakan untuk melihat pori nanokomposit sehingga dapat ditentukan standar keseragaman struktur komposit (Al, 2003) BAB III METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental/rekayasa. Model penelitian yang akan digunakan adalah penelitian lapangan dimana dilakukan beberapa pengukuran data variabel secara langsung, kemudian data yang diperoleh dari hasil uji laboratorium akan disajikan dalam bentuk grafik. 3.1
Variabel Penelitian
3.1.1
Variabel Terikat
Variabel terikat dalam penelitian ini adalah konduktivitas mikrostruktur, dan porositas dari nanokomposit semikonduktor.
listrik,
6
3.1.2
Variabel Tetap
3.1.3
: 1 atm, 85oC : Xylene : botol plastik bekas minuman berjenis PET : Maleic Anhydride : 90oC
Variabel Bebas
3.2
Kondisi Operasi (P,T) Jenis Pelarut Jenis botol plastik Compatibilitor Temperatur hot press
Konsentrasi filler Jenis filler
: 1%wt, 3%wt, 5%wt, 7%wt, & 10%wt : Cu dan Fe
Rancangan Penelitian Diagram pengerjaan penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut:
Mulai
Pengumpulan bahan baku (limbah botol plastik)
Pembuatan Nanokomposit Semikonduktor (Naseko)
Uji konduktivitas listrik
Uji SEM
Persiapan bahan baku
Analisa data
Pembuatan laporan
Gambar 2. Diagram pengerjaan penelitian 3.3
Prosedur Penelitian
Persiapan peralatan (rangkaian peralatan terlampir di lampiran 4) Dilakukan penimbangan serbuk filler dengan persentase berat yang telah ditentukan, dalam penelitian ini jenis filler yang digunakan adalah Cu dan Fe. Selanjutnya potongan botol plastik PET dimasukkan ke dalam labu leher tiga dan ditambahkan pelarut xylene untuk melarutkan plastik PET. Campuran
7
3.4
dipanaskan dengan temperatur 85oC . Setelah botol plastik PET mencair ditambahkan serbuk filler dan diaduk hingga homogen selama 15 menit. Tahap selanjutnya ditambahkan MA sebanyak 8% dari berat botol plastik PET sambil diaduk selama 10 menit. Setelah campuran homogen, campuran dituang ke dalam cetakan alumunium dan dibiarkan terbuka selama 72 jam dengan tujuan menguapkan pelarut xylene. Kemudian campuran dikempa menggunakan hot press pada suhu 90oC selama 20 menit. Papan komposit yang sudah dicetak dibiarkan selama 4-5 hari. Tahap akhir dilakukan pengujian sifat mekanis dan konduktivitas listriknya.
Pengumpulan Data dan Analisa Data
Pengumpulan data dilakukan dengan melakukan observasi langsung dilapangan dengan eksperimen nyata. Data kuantitaif yang diperoleh dianalisa dengan mambandingkan setiap variabel penelitian. 3.5
Penyimpulan Hasil Penelitian
Dari data hasil penelitian yang didapatkan, dapat disimpulkan variabel mana yang paling optimum untuk digunakan dalam pembuatan polimer nanokomposit semikonduktor. BAB IV BIAYA DAN JADWAL PENELITIAN 4.1
Anggaran Penelitian
Anggaran penelitian selengkapnya dapat dilihat pada bagian lampiran 2. Berikut adalah pembagian dan persentase rincian pengeluaran. Tabel 1. Jenis Pengeluaran No 1 2 3 4
Jenis Pengeluaran Biaya Habis Pakai (46,4%) Biaya Peralatan Penunjang (34,7%) Biaya Transportasi (11%) Biaya Kesekretariatan (7,9%) Jumlah
Biaya Rp. 4.425.000,Rp. 3.310.000,Rp. 1.050.000,Rp. 750.000,Rp. 9.535.000,-
8
4.2
Jadwal Penelitian
Penelitian ini direncanakan akan berlangsung selama 4 bulan, dengan rincian tahapan penelitian sebagai berikut. Untuk pembagian tugas masing-masing anggota terlampir pada lampiran 3. Tabel 2. Jadwal Penelitian Kegiatan Penelitian Tahap I : Persiapan Pengadaan Alat dan Bahan Tahap II : Pembuatan Sampel Komposit Pembuatan sampel menggunakan serbuk Cu Pembuatan sampel menggunakan serbuk Fe Pencetakan Nanokomposit Tahap III: Pengujian Analisa Sampel Menggunakan SEM Analisa Konduktivitas Listrik
Bulan 1
Bulan 2
Bulan 3
Bulan 4
Tahap IV: Pengolahan Data Pengolahan Data Pembuatan Laporan Penyimpulan dan Perbaikan Pembuatan Laporan Akhir DAFTAR PUSTAKA
Al, H.P. 2003 . Pembuatan Dan Katakterisasi Membrane Komposit Polisulfon Selulosa Alsetat Untuk Proses Ultrafiltrasi. Jurnal Pendidikan dan Sains 3 : 168-173. Anugraha, V.G., dan Widyastuti. 2014 . Pengaruh Komposisi Sn Dan Variasi Tekanan Kompaksi Terhadap Densitas Dan Kekerasan Komposit Cu-Sn Untuk Aplikasi Proyektil Peluru Frangible Dengan Metode Metalurgi Serbuk. Jurnal Teknik Pomits 3 : 102-107.
9
Junaidi, Ahmad dan Dicky Seprianto. 2011 . Pengaruh Temperatur Sinter Terhadap Kekerasan Elektroda Tembaga -5% Karbon Yang Dibuat Dengan Metode Serbuk Metalurgi. Jurnal Austenit 3 (2) : 53-64. Lu, M., Gong, H., Song, T., Wang, J.P, Zhang, H.W., dan Zhou, T.J. 2006. Nanoparticle Composites: Fept With Wide-Band-Gap Semiconductor. Journal Of Magnetism And Magnetic Materials 303 : 323-328. Mutiso, R.M., dan Winey, K.I. 2012. Polymer Science: A comprehensive reverence, Volume 7. U.S.A: Elsevier. Hlm 327-344. Purnama, H., Purnomo, J.K., dan Wibowo., T.W. 2013 . Pengaruh Jenis Serat Terhadap Kuat Tarik Dan Kuat Benturan Pada Material Komposit Resin Epoksi. Simposium Nasional RAPI XII : 64-69 Junaidi, A., dan Seprianto, D. 2011 . Pengaruh Temperatur Sinter Terhadap Kekerasan Elektroda Tembaga -5% Karbon Yang Dibuat Dengan Metode Serbuk Metalurgi. Jurnal Austenit 3 (2) : 64-69. Sahwan, F.L., Martono, D.H., Wahyono, S., dan Wisoyodharmo, L.A. 2005 . Sistem Pengelolaan Limbah Plastik Di Indonesia. Jurnal Teknik Ling. P3TL-BPPT 6 (1) : 311-318. Setiawan, I., Abraha, K., dan Utomo, A.B.S. 2009 . Pembuatan Alat Ukur Konduktivitas Listrik Konduktor Logam Menggunakan Metode Induksi Dan Penabiran Magnetic. Seminar nasional penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA , FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta : Yogyakarta, hlm. 1-9. Surono, U.B. 2013. Berbagai Metode Konversi Sampah Plastik Menjadi Bahan Bakar minyak. Jurnal Teknik 3 (1): 32-40. Zainuri, M., Siradj, E.S., Priadi, D., Zulfia, A., dan Darminto.2008. Pengaruh Pelapisan Permukaan Partikel Sic Dengan Oksida Metal Terhadap Mofulus Elastisitas Komposit Al/Sic. Makara sains 12 (2) : 126-133. Zulfia, A., Abimanyu, T., dan Dalam, V.W. 2011. Penambahan Tembaga Pada Komposit PP/C Dan Pengaruhnya Pada Sifat Mekanik Dan Konduktivitas Pelat Bipolar Komposit PP/C-Cu. Makara Teknologi 15 (2) : 101-106
10
LAMPIRAN Lampiran 1. Biodata Ketua, Anggota, dan Dosen Pembimbing BIODATA KETUA
11
BIODATA ANGGOTA
12
13
BIODATA DOSEN PEMBIMBING
14
15
Lampiran 2. Justifikasi Anggaran Kegiatan
No.
Jenis Pengeluaran
Harga Satuan
Kuantitas
Biaya Kesekretariatan7,9% Perizinan dan Peminjaman 1 Alat Pembuatan dan Penggandaan 2 Laporan 3 Kesekretariatan 4 Dokumentasi Jumlah Biaya Habis Pakai-46,4% 1 Maleic Anhydride 2 Serbuk Cu 3 Serbuk Fe Analisa dengan Scanning 4 Electron Microscop 5 Xylene 6 Analisa Konduktivitas Listrik 7 Botol plastik bekas Jumlah Peralatan Penunjang-34,7% 1 Labu leher tiga 500mL pyrex 2 Termometer 3 Cetakan komposit 4 Kondenser 5 Pompa kecil 6 Magnetic Stirer
Justifikasi Pemakaian (Rp)
400.000 150.000 100.000 100.000 750.000 60.000/kg 1 kg 65.000/100g 100 g 65.000/100g 100 g
60.000 65.000 65.000
300.000/smpl 11 smpl
3.300.000
30.000/liter 5 liter 70.000/smpl 11 smpl 3000/kg 5 kg
150.000 770.000 15.000 4.425.000
850.000/buah 2 buah 25.000/buah 2 buah 60.000/buah 11 buah
1.700.000 50.000 660.000
350.000/buah 2 buah 75.000/buah 2 buah 25.000/buah 2 buah Jumlah
Transportasi-11% Transportasi Banda Aceh – 1 Medan untuk pengepressan 350.000/orang nanokomposit Jumlah Total Pengeluaran
3 orang
700.000 150.000 50.000 3.310.000
1050.000 1.050.000 9.535.000
16
Lampiran 3. Susunan Organisasi Tim Peneliti dan Pembagian Tugas
No.
Nama/NIM
Program Studi
1
Muhammad Ilham Noor
MIPA Fisika
2
Harita Cahyo Baskoro
Teknik Kimia
3
Ulvia
MIPA FISIKA
Alokasi Waktu
Uraian Tugas
Manajemen di dalam tim, 15 Analisa jam/minggu konduktivitas listrik Pembuatan 15 Nanokomposit, jam/minggu dan Analisa SEM Pembuatan Laporan dan 14jam/minggu Pengujian sampel
17
Lampiran 4. Surat Pernyataan Ketua Peneliti
18
Lampiran 5. Skema Peralatan
Gambar 3. Rangkaian alat penelitian
Penjelasan: 1. Selang air 2. Kondenser 3. Labu leher tiga 4. Air 5. Sumber listrik 6. Pompa kecil 7. Pemanas 8. Termometer
