Teknologi semakin hari semakin berkembang, banyak
penelitian yang dilakukan guna mencari perbaikan-perbaikan mengenai kualitas
suatu bahan. Industri menghendaki bahan yang kuat, ringan, murah, mudah
didapat, serta ramah lingkungan.
Namun kesemua faktor tersebut belum sepenuhnya terpenuhi sehingga para ahli dari seluruh dunia berlomba – lomba menemukan bahan yang memenuhi kesemua kreteria tersebut. Ahkirnya beberapa tahun ini peneliti mulai menemukan hasil dari kerja keras mereka yaitu serat karbon, serat karbon sendiri memiliki sifat ringan, kuat, mudah di dapat tetapi untuk membuat serat karbon yang berkualitas diperlukan biaya yang sangat tinggi.
Namun kesemua faktor tersebut belum sepenuhnya terpenuhi sehingga para ahli dari seluruh dunia berlomba – lomba menemukan bahan yang memenuhi kesemua kreteria tersebut. Ahkirnya beberapa tahun ini peneliti mulai menemukan hasil dari kerja keras mereka yaitu serat karbon, serat karbon sendiri memiliki sifat ringan, kuat, mudah di dapat tetapi untuk membuat serat karbon yang berkualitas diperlukan biaya yang sangat tinggi.
A.
Apa itu serat karbon....???
Serat karbon merupakan
salah satu bentuk material komposit. Yaitu suatu material yang dibuat dari dua
atau lebih material penyusun yang saling memiliki perbedaan sifat fisik dan
kimia, yang jika dikombinasikan akan menghasilkan material berkarakteristik
berbeda dengan material-material penyusunnya. Komposit serat karbon merupakan
salah satu jenis material komposit yang menggunakan fiber karbon sebagai salah
satu penyusunnya.
B.
Komponen Material Penyusun
Material komposit
tersusun atas dua komponen utama yakni matriks dan material penguat
(reinforcement). Fiber karbon bertugas sebagai material penguat pada komposit
serat karbon. Sedangkan untuk matriksnya biasanya dipergunakan resin polimer
semacam epoxy. Matriks resin ini berfungsi untuk mengikat material-material
penguat. Dikarenakan serat karbon hanya tersusun oleh dua material tersebut
maka sifat-sifat serat karbon juga hanya ditentukan oleh kedua material ini.
faktor utama yang
mempengaruhi sifat-sifat karakteristik karbon fiber:
• Tipe
serat karbon dan resin yang digunakan.
• Rasio
campuran serat karbon dan resin.
• Bentuk
serat karbon: searah, bersilangan, berkaitan, atau tidak tentu.
• Kualitas
serat: distribusi serat yang merata, ada tidaknya celah.
Perbandingan
Sifat-sifat Serat Karbon dengan Beberapa Logam
Bahan baku setiap karbon fiber berbeda-beda untuk
setiap pabrikan, dan menjadi rahasia perusahaan mereka. Namun dapat dipastikan
bahwa sekitar 90% karbon fiber dibuat dari bahan dasar polyacrylonitrile (PAN).
Sedangkan 10% sisanya diproduksi dari minyak bumi. Semua bahan baku yang
digunakan ini merupakan polimer organik, memiliki karakter ikatan molekul
panjang yang tersusun atas atom-atom karbon.
Proses Pembuatan
Karbon Fiber
Proses pembuatan karbon fiber sebagian merupakan
proses kimia dan sebagian yang lain adalah proses mekanik. Berikut adalah
tahapan proses manufaktur karbon fiber yang menggunakan bahan baku
polyacrylonitrile:
1. Spinning
Bubuk acrylonitrile
dicampur dengan plastik lain seperti methyl acrylate atau methyl methacrylate,
serta direaksikan dengan katakisator untuk menghasilkan plastik
polyacrylolonitrile. Plastik ini lalu dibentuk menjadi serat dengan jalan
mencampurnya dengan bahan kimia tertentu lalu dipompa melewati nozzle kecil ke
dalam sebuah wadah berisi cairan kimia sehingga ia terkoagulasi dan memadat
membentuk serat-serat. Pada proses ini terjadi pembentukan struktur atom di
dalam serat. Selanjutnya fiber dicuci dan ditarik (strecthing) untuk
mendapatkan ukuran diameter yang diinginkan.
2. Stabilizing
Sebelum proses
selanjutnya, fiber dipanaskan di media udara pada suhu 200-300°C untuk mengikat
molekul oksigen dari udara sehingga susunan ikatan kimia molekul serat menjadi
lebih stabil. Karena proses kimia yang terjadi akan menimbulkan panas internal,
maka pengawasan proses ini harus dilakukan dengan ketat untuk menghindari
overheating. Proses ini biasanya dilakukan dengan jalan melewatkan serat ke
beberapa ruang panas yang tersusun secara seri.
3. Carbonizing
Setelah molekul serat
stabil, serat dipanaskan pada temperatur 1.000-3.000°C di dalam ruangan berisi
campuran gas yang tidak mengandung oksigen sama sekali. Tidak adanya kandungan
oksigen di dalam ruang pemanas berfungsi untuk mencegah terbakarnya serat
karbon. Tekanan gas di dalam pemanas dijaga lebih tinggi daripada tekanan udara
atmosfer untuk mencegah udara luar masuk ke dalam pemanas. Selain itu sisi
keluar dan masuk serat karbon di-sealing untuk mencegah kebocoran gas. Tahapan
proses ini berfungsi untuk menghilangkan atom-atom non-karbon yang terkandung
di dalam serat seperti uap air, gas amonia, karbon monoksida, karbon dioksida,
hidrogen, nitrogen, dan lain sebagainya. Keluarnya molekul-molekul non-karbon
tersebut akan membuat molekul-molekul karbon saling membentuk ikatan kristal
yang lebih kuat. Proses karbonisasi ini biasanya melibatkan dua atau lebih
ruang pemanas yang masing-masing berbeda temperatur untuk lebih memudahkan
dalam mengontrol kenaikan temperatur.
4. Oxidation
Setelah proses
karbonisasi, permukaan fiber tidak memiliki ikatan yang kuat dengan resin
maupun juga komponen komposite lainnya. Untuk menghasilkan ikatan yang kuat
dipermukaan fiber, maka diperlukan proses oksidasi lanjutan. Penambahan atom
oksigen akan menghasilkan ikatan kimia yang lebih kuat pada permukaannya, serta
menghasilkan semacam lapisan kuat dipermukaan serat. Proses oksidasi ini dapat
dilakukan dengan merendam serat karbon di dalam udara, karbon dioksida, ozon,
atau cairan kimia seperti sodium hipoklorit dan asam nitrit. Proses ini harus
dikontrol denganamat cermat agar tidak menimbulkan cacat permukaan.
5. Sizing
Setelah proses
perlakuan permukaan, serat karbon dilapisi dengan bahan yang sesuai dengan tipe
resin yang digunakan, seperti epoxy, polyester, nylon, urethane, dan bahan
lainnya. Pelapisan ini berfungsi untuk melindungi fiber dari kerusakan pada
proses selanjutnya. Serat karbon yang telah dilapisi ini berbentuk lembaran dan
digulung untuk proses penyimpanan. Gulungan serat karbon ini disebut bobbin.
Serat karbon dalam bentuk lembaran ini siap dipotong dan dibentuk untuk
berbagai kebutuhan.
Daftar Pustaka
- Wikipedia: Carbon Fiber Reinforced Polymer
- Wikipedia: Composite Material
- Carbon Fiber: How is it made?