## Sifat Termomekanik Komposit PEG/SiO2 Amorf Menggunakan Dynamic Mechanical Analyzer (DMA)
Allif Rosyidy Hilmi, Suminar Pratapa Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : suminar.pratapa@gmail.com
Abstrak — Dynamic  Mechanical  Analyzer (DMA)  adalah sebuah teknik serbaguna yang memberikan informasi  sifat termomekanik  material  dalam  kondisi  pembebanan dinamis.  DMA  melengkapi  informasi  yang  diberikan  oleh teknik  analisis  termal  yang  tradisional  seperti Differential Scanning  Calorimetry  (DSC),  thermogravimetric  analysis (TGA) dan Thermal  Mechanical  Analysis  (TMA). Data keluaran  dari  DMA  diantaranya  m odulus  simpan  ( storage modulus, G’ ), modulus hilang ( loss modulus, G” ), dan faktor redaman ( damping factor , tan δ ) yang bergantung terhadap temperatur,  DMA  juga  memberikan  informasi  temperatur transisi  gelas  ( glass  transition  temperature , T g )  dan  energi aktivasi degradasi ( E a ). DMA dapat memberikan informasi mengenai  ikatan  antarmuka  antara  penguat  dan  matrik dalam  komposit.  Kondisi  pembebanan  dinamik  sering dijumpai dalam sistem kontruksi sipil yang disebabkan oleh gelombang  suara,  angin,  gempa  bumi  dan  gelombang  laut. Dalam  penelitian  ini  material  yang  digunakan  adalah komposit  PEG4000/SiO 2 amorf,  mode  yang  digunakan adalah  mode  geser  ( shear-mode )  dengan  menerapkan variasi frekuensi. Komposisi pengisi ( filler ) dalam komposit sebesar  40%wt  SiO 2 amorf.  Silika  yang  digunakan  berasal dari  pasir  silika  Tanah  Laut,  Pelaihari,  Kalimantan Selatan.  Pembentukan  komposit  dilakukan  dengan  metode likuid .
Kata  Kunci — Dynamical  Mechanical  Analyzer (DMA), energi  aktivasi  degradasi,  komposit  PEG/SiO 2 amorf, modulus simpan.

## I. PENDAHULUAN
erkembangan yang cukup menarik tentang pemanfaatan  serat  alami  sebagai  pengisi  dalam komposit. Selain serat alami juga dikembangkan pengisi serat kaca dan karbon. Penggunaan serat tersebut sebagai pengisi  karena  biaya  produksi  rendah,  modulus  tinggi tertentu,  ringan,  butuh  energi  yang  rendah,  ketersediaan luas  dan  biodegradasi  [1].  Selain  serat,  penggunaan pengisi  berupa  pengisi  partikel  juga  menarik  untuk dikembangkan  khususnya  pengisi  partikel  anorganik. Pengisi  partikel  anorganik  sebagai  pengisi  dalam komposit  berbasis  polimer  organik  telah  banyak menggantikan  aplikasi  polimer  konvensional  dalam berbagai  bidang.  Komposit  tersebut  menunjukkan kombinasi  sifat  yang  menarik  dari  pengisi  anorganik seperti  kekakuan,  stabilitas  panas  yang  tinggi  dan  sifat mekanik.  Penggabungan  penguat  serat  dan  partikel  di komposit  polimer  termoset  maupun  termoplastik  telah memperluas  aplikasi  di  banyak  bidang  baik  di  bidang rekayasa  maupun  teknologi.  Bahkan  beberapa  pengisi serat  alami  dan  pengisi  berupa  partikel  dalam  bahan
komposit  bermatrik  polimer  telah  dikembangkan menggunakan  sintesis  tertentu  untuk  mengembangkan penelitian  di  bidang  mesin  sampai  bidang  biomedik  [1]- [2].
Di  antara  komposit  berbasis  polimer  dengan  pengisi bahan  anorganik  yaitu  PEG  dan  silika.  PEG  dan  silika (PEG/SiO 2 )  mulai  dikenal  sebagai  material  yang  sedang diteliti  sebagai  biomaterial.  Secara  khusus,  beberapa penelitian  sebelumnya  menunjukkan  keramik  silika merupakan  bahan bioactive dan biocompatible [3].  Pada penelitian  sebelumnya,  silika  sudah  pernah  dipadukan dengan PEG (PEG/SiO 2 ) di antaranya sintesis PEG/SiO 2 yang  dimanfaatkan  di  bidang  medis  untuk  membangun jaringan tulang [4].  Selain dikembangkan dalam bidang biomaterial, PEG/SiO 2 juga dikembangkan dalam bidang energi,  di  antaranya  bahan hybrid PEG/SiO 2 dalam pembentukan membran eletroda dari fuel cells [5]. Dalam pengaplikasiannya, sudah barang tentu komposit  tersebut  sering  berada  di  bawah  pengaruh beban/gaya yang bergerak atau beban/gaya dinamis, baik dalam  pembebanan  secara  geser  maupun  tarik.  Maka sangat perlu dilakukan teknik pengujian untuk menyelidiki bagaimana struktur komposit dan kinerjanya di  bawah  pengaruh  tekanan  periodik  seperti  perilaku redaman [1].
Teknik DMA berguna dalam menggambarkan struktur dan  redaman  sebagai  fungsi  frekuensi,  waktu,  tekanan, atmosfer atau kombinasi dari parameter tersebut. Respon mekanik  pembebanan  dinamis  oleh  DMA  dari  sistem multi-komponen  seperti  komposit  sangat  kompleks  dan melibatkan teori persamaan konstitutif dan mikromekanik. DMA juga tergantung pada susunan fisik atau  struktur  dari  fasa  seperti  antarmuka,  morfologi  dan sifat konstituen [6], [7]. Para peneliti menjelaskan bahwa kehadiran pengisi dapat mempengaruhi sifat termomekanik dari bahan komposit [1].

## II. METODE
Pasir  yang  digunakan  berasal  dari  pasir  Tanah  Laut, Kalimantan  Selatan,  Indonesia.  Pasir  tersebut  kemudian dilakukan  proses  pemurnian  dengan  melalui  beberapa tahap  yaitu  pengayakan,  pencucian,  separasi  magnet, penggilingan  dan  pelindian  (perendaman)  dalam  HCl. Proses  selanjutnya  yaitu  kopresipitas,  pasir  silika dilarutkan  dalam  NaOH  dengan  proses  hidrotermal kemudian diendapkan dengan proses titrasi HCl. Produk yang dihasilkan berupa serbuk silika amorf.
P
Sintesis  komposit  PEG4000/SiO 2 amorf  dilakukan dengan  memanaskan  PEG4000  sampai  PEG  mencair, kemudian  dicampur  dengan  serbuk  silika  amorf. Selanjutnya  dicetak  dan  dikompaksi.  Komposisi  SiO 2 amorf  yang  digunakan  dalam  komposit  PEG4000/SiO 2 amorf sebanyak 40%wt.
Komposit PEG4000/SiO 2 amorf diuji dengan instrumen DMA, dynamic mechanical analyzer . Instrumen  DMA  yang  digunakan  adalah  Mettler  Toledo tipe DMA/SDTA861. Mode pengukuran yang digunakan adalah  mode shear untuk  mendapatkan  modulus  geser dari  komposit  PEG4000/SiO 2 amorf.  Dimensi  komposit saat  pengukuran  dengan  instrumen  DMA  adalah  5x5x1 mm. Pengujian DMA dilakukan dengan variasi frekuensi 1,  10,  100,  150  dan  200 Hz dengan  rentang  temperatur 25-80°C.  Dari  pengujian  tersebut  akan  didapatkan informasi  mengenai  modulus  simpan , modulus  hilang dan temperatur  transisi  gelas (T g ) .  Serta  energi  aktivasi komposit  diperoleh  dengan  menggunakan  persamaan Arrhenius.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Dynamic Mechanical Analysis (DMA)
Dynamic  Mechanical  Analyzer merupakan  alat  yang sangat  diperlukan  dan  efektif  untuk  menentukan morfologi  dan  sifat  viskoelastisitas  dari  polimer  kristal dan bahan komposit yang berhubungan dengan relaksasi primer  dan  parameter  lainnya,  seperti  densitas  krosling, fragil,  viskositas  kompleks,  modulus  simpan/modulus hilang , creep, stress-relaxation modulus , dan variasi non- Arrhenius untuk hubungan  waktu  dan  temperatur.  DMA merupakan  sebuah  teknik  di  mana  deformasi  kecil diterapkan  pada  sebuah  sampel  dalam  gaya  siklik. Material  tersebut    merespon  dengan  menampilkan regangan  dan  redaman  yang  berupa  modulus  dan  tan delta. Respon tersebut kemudian direkam oleh DMA dan dikeluarkan  berupa  data  modulus  simpan,  modulus hilang  dan tan  δ .  DMA  bekerja  dengan  menerapkan deformasi  sinusoidal  pada  yang  diketahui  geometrinya. Karena  menerapkan  gaya  sinusoidal  pada  bahan,  maka dapat  modulus  diekspresikan  sebagai  komponen  dalam sumbu x sebagai storage modulus (modulus simpan) dan sebagai  sumbu  y  ( out  of  phase )  sebagai loss  modulus (modulus  hilang).  Perbandingan  modulus  hilang  dengan modulus  simpan  didefinisikan  sebagai tan  δ ,  itu  adalah ukuran energi yang terbuang.
Modulus  simpan  atau  modulus  dinamik  biasanya berhubungan  dengan  modulus  Young.  Hal  ini  sering dikaitkan  dengan  '' stiffness /kekakuan"  dari  materi  dan menentukan  seberapa  kaku  atau  tipis  sampel. G’ dianggap  sebagai  kecenderungan  bahan/kemampuan untuk menyimpan energi yang diberikan. Modulus hilang ( G” ) atau kerugian modulus dinamis,  merupakan respon viskositas  bahan  dan  dianggap  sebagai  kecenderungan bahan  untuk  menghilangkan  energi  yang  diterapkan untuk  itu.  Modulus  hilang  sering  dikaitkan  dengan ''gesekan  internal"  dan  sensitif  terhadap  berbagai  jenis gerakan  molekul,  transisi,  proses  relaksasi,  morfologi, dan heterogenitas struktural lainnya.
Gambar. 1. Ilustrasi dari modulus simpan dan modulus hilang [1].
Gambar  1.  merupakan  ilustrasi  dari  modulus  simpan dan  modulus  hilang.  Jika  bola  yang  dilepas  dari ketinggian  tertentu  ke  lantai  maka  bola  tersebut  akan memantul  dengan  ketinggian  tertentu  (tinggi  pantul). Ketinggian  setelah  bola  memantul  tersebut  merupakan ilustrasi  dari  modulus  simpan  bahan,  sedangkan  selisih antara  ketinggian  saat  ketinggian  bola  dilepas  dan ketinggian    bola  setelah  memantul  merupakan  ilustrasi dari  modulus  hilang.  Dengan  demikian,  jika  redaman relatif  besar  baik  itu  berasal  dari  faktor  lantai  atau  dari bola  tersebut  maka  ketinggian  bola  setelah  memantul akan  kecil  (modulus  simpan  kecil)  sedangkan  selisih ketinggian  saat  ketinggian  bola  dilepas  dan  ketinggian bola setelah memantul besar (modulus hilang tinggi).
Gambar 2. Hubungan antara G’, G”, dan Tan δ (Menard, 2008)
Faktor  redaman  ( tan  δ )  dinyatakan  sebagai  angka  tak berdimensi  dan  dianggap  sebagai  faktor  redaman mekanik  yang  didefinisikan  sebagai  rasio loss dan modulus  simpan  ( tan  δ = G”/G’ )  ditunjukkan  pada Gambar.  2.  Hubungan  antara  modulus  hilang , modulus simpan dan Faktor redaman dalam grafik DMA terhadap suhu  ditunjukkan  pada  Gambar.  3.  Komponen  yang dihasilkan  yang  diperoleh  dari  plot  disebut  sebagai modulus  kompleks  (modulus  geser),  dinotasikan  dengan ( G* ).  Nilai  Faktor  redaman  yang  tinggi  merupakan indikasi  dari  bahan  yang  memiliki  komponen  regangan non-elastis yang tinggi sementara faktor redaman dengan nilai  yang  rendah  menunjukkan  elastisitas  tinggi. Peningkatan  dalam  ikatan  antarmuka  serat/matiks menghasilkan  reduksi  faktor  redaman  karena  mobilitas dari  rantai  molekul  pada  antarmuka  serat/matriks menurun.  Faktor  redaman  terkait  dengan  gerakan molekul,  viskoelastisaitas,  selain  cacat  tertentu  yang berkontribusi  terhadap  redaman  seperti  dislokasi,  batas butir, batas fasa dan berbagai antarmuka [3].
Gambar 3. Hubungan antara G’, G”, dan tan δ terhadap temperatur dalam DMA (Saba et al., 2016b).
Temperatur Transisi Gelas  (T g )
Temperatur  transisi  gelas  (T g ) didefinisikan  sebagai temperatur di mana (i) titik tengah dari gradien modulus simpan  ( G’ )  terhadap  fungsi  temperatur  atau  (ii)  daerah di  mana G’ meningkat  dengan  kenaikan  frekuensi  saat temperatur  tetap  atau  (iii)  terdapat  puncak  faktor redaman atau (iv) terdapat puncak modulus hilang ( G” ). T g merupakan  temperatur  yang  mengindikasikan  proses relaksasi dalam sebuah polimer di mana material berubah dari bahan yang bersifat gelas menuju bahan yang besifat karet  [8].  Dalam  beberapa  kondisi,  antara  modulus simpan  ( G’ ),  modulus  hilang  ( G” )  dan  faktor  redaman ( tan  δ )  memberikan  nilai T g yang  berbeda.  Perbedaan tersebut  diduga  karena  kompleksnya  tingkah  laku mekanikal  dinamik  ( dynamic  mechanical  behavior ) komposit  yang  timbul  akibat  pembatasan  gerak  molekul polimer  karena  kehadiran  pengisi.  Tingkah  laku  ini sangat  dipengaruhi  oleh  sifat  mekanikal  dinamik ( dynamic mechanical properties ) dari matrik, pengisi dan ikatan antarmuka [9].
Gambar. 4.  Temperatur transisi gelas PEG4000/SA-40
Pada jurnal ini, nilai T g diperoleh dari gradien modulus simpan ( G’ ) terhadap fungsi temperatur. Meskipun kurva faktor  redaman  diperoleh  dari  DMA  yang  menunjukkan sebagai salah satu definisi temperatur transisi gelas pada komposit,  tetapi  kecocokan  antara  gradien  modulus simpan  terhadap  definisi  terjadinya  proses  relaksasi adalah lebih akurat. Sehingga analisis temperatur transisi gelas  diperoleh  dari  gradien  modulus  simpan dG’/dT [10].
Gambar.4.  memperlihatkan  bahwa  kurva  PEG/SA-20 mempunyai  nilai  diferensial  minimum  pada  temperatur 48°C.  Artinya  pada  suhu  tersebut  komposit  mulai
bertransisi  dari  daerah  gelas  menuju  daerah  karet.  Pada temperatur tersebut terjadi slip pada rantar rantai molekul polimer.

## Energi Aktivasi
Untuk menyebabkan terjadinya transisi maka dibutuhkan energi. Energi tersebut disebut dengan energi aktivasi  dari  transisi.  Energi  aktivasi  diperlukan  untuk menghasilkan  transisi  gelas.  Daerah T g mengindikasikan terjadinya  relaksasi  dalam  sebuah  polimer  di  mana material  berubah  dari  daerah  gelas  ke  daerah  karet. Energi  aktivasi  diperoleh  dari slope antara  ln  ( f in Hz ) terhadap  1000/T  (K -1 )  di  mana f adalah  frekuensi stimulus  yang  diterapkan  pada  bahan  dalam Hz dan T adalah temperatur yang ditetapkan dalam kelvin.
Dalam DMA, stimulusnya merupakan tegangan osilasi sinusoidal  dan  responnya  merupakan  regangan  osilasi sinusoidal.  Karena  sudut  fase  mempengaruhi  frekuensi stimulus, frekuensi-frekuensi yang yang digunakan diatur dengan  nilai  yang  sama  konstan.  Dengan  demikian, peningkatan  sudut  fase  akan  dihasilkan  pada  transisi gelas dan temperatur tersebut pada sudut fase maksimum [11].

## Gambar. 5.  Energi aktivasi PEG4000/SA-40
Energi  aktivasi  degradasi  dari  PEG/SA-40 ditunjukkan  pada  Gambar  5.  Energi  yang  dibutuhkan untuk  membuat  komposit  PEG/SA-40  bertransisi  dari daerah  gelas  menuju  karet  adalah  578  kJ/mol.  Ada beberapa  faktor  yang  mempengaruhi  besarnya  energi aktivasi  di  antaranya  jenis  pengisi,  distribusi  sebaran pengisi,  distribusi ukuran pengisi dan antarmuka.

## IV. KESIMPULAN
Instrumen dynamic  mechanical  analyzer (DMA) merupakan  instrumen  penting  untuk  mendapatkan  sifat termomekanik  bahan.  DMA  dapat  mengukur  modulus simpan, modulus hilang, faktor redaman dan mendapatkan  temperatur  transisi  gelas  ( T g )  dan  energi aktivasi komposit.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] N.  Saba,  M.  Jawaid,  O.  Y.  Alothman,  dan  M.  T. Paridah,  “A  review  on  dynamic  mechanical properties  of  natural  fibre  reinforced  polymer composites,” Constr.  Build.  Mater, vol.  106,  hal. 149–159, Mar 2016.
[2] D.  W.  Lee  dan  B.  R.  Yoo,  “Advanced silica/polymer composites: Materials and applications,” J.  Ind.  Eng.  Chem. ,  vol.  38,  hal.  1– 12, Jun 2016.
[3] M.  Catauro,  R.  A.  Renella,  F.  Papale,  dan  S. Vecchio  Ciprioti,  “Investigation  of  bioactivity, biocompatibility  and  thermal  behavior  of  sol–gel silica  glass  containing  a  high  PEG  percentage,” Mater. Sci. Eng. C , vol. 61, hal. 51–55, Apr 2016.
[4] R.  Thangamuthu  dan  C.  W.  Lin,  “Preparation  of gas  diffusion  electrodes  using  PEG/SiO2  hybrid materials  and  the  effect  of  their  composition  on microstructure of the catalyst layer and on fuel cell performance,” J.  Power  Sources ,  vol.  161,  no.  1, hal. 160–167, Okt 2006.
[5] M.  S.  Sreekala,  S.  Thomas,  dan  G.  Groeninckx, “Dynamic  mechanical  properties  of  oil  palm fiber/phenol  formaldehyde  and  oil  palm  fiber/glass hybrid  phenol  formaldehyde  composites,” Polym. Compos. , vol. 26, no. 3, hal. 388–400, 2005.
[6] M.  Jawaid  dan  H.  A.  Khalil,  “Effect  of  layering pattern  on  the  dynamic  mechanical  properties  and thermal  degradation  of  oil  palm-jute  fibers reinforced epoxy hybrid composite,” BioResources , vol. 6, no. 3, hal. 2309–2322, 2011.
[7] N.  Saba,  M.  Jawaid,  O.  Y.  Alothman,  dan  M.  T. Paridah,  “A  review  on  dynamic  mechanical properties  of  natural  fibre  reinforced  polymer composites,” Constr.  Build.  Mater. ,  vol.  106,  hal. 149–159, 2016.
[8] V.  G.  Geethamma,  G.  Kalaprasad,  G.  Groeninckx, dan S. Thomas, “Dynamic mechanical behavior of short coir fiber reinforced natural rubber composites,” Compos.  Part  Appl.  Sci.  Manuf. ,  vol. 36, no. 11, hal. 1499–1506, Nov 2005.
[9] M. Baboo, M. Dixit, K. Sharma, dan N. S. Saxena, “Activation energy and thermo-mechanical properties  of  trans-polyisoprene  and  liquid  cis- polyisoprene blends,” Thermochim. Acta , vol. 502, no. 1–2, hal. 47–50, Apr 2010.
[10] C.  A.  Gracia-Fernández,  S.  Gómez-Barreiro,  J. López-Beceiro, J. Tarrío Saavedra, S. Naya, dan R. Artiaga,  “Comparative  study  of  the  dynamic  glass transition  temperature  by  DMA  and  TMDSC,” Polym.  Test. ,  vol.  29,  no.  8,  hal.  1002–1006,  Des 2010.