Jurnal Fisika dan Terapannya (2021) Vol. 8 (1): 19 - 27 DOI: 10.24252/jft.v8i1.21134

## JURNAL FISIKA DAN TERAPANNYA
p-ISSN: 2302-1497, e-ISSN: 2715-2774 http://journal.uin-alauddin.ac.id/index.php/jft
STUDI  SIFAT  MEKANIK  KOMPOSIT  PEG  ( POLYETHYLENE GLYCOL ) - 4000 PENAMBAHAN 10 WT% SiO 2 QUARTZ DARI PASIR
ALAM  DENGAN  MENGGUNAKAN DYNAMIC  MECHANICAL ANALYSIS (DMA)

## Sefrilita Risqi Adikaning Rani
Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Alauddin Makassar
email:sefrilita.rani@uin-alauddin.ac.id

## INFO ARTIKEL
Status artikel: Diterima: 20 Mei 2021 Disetujui: 24 Juni 2021 Tersedia online: 3 Juli 2021
Keywords: PEG4000, DMA, Mechanical properties, SiO 2.

## ABSTRACT
The  mechanical  properties  of  (Polyethylene  glycol) PEG4000  +10wt%  SiO 2 have  been  investigated  using DMA  (Dynamic  Mechanical  Analysis).  SiO2  processed from natural sand was added as much as 10wt % SiO 2 as a filler  to  the  composite  and  PEG-4000  as  a  matrix.  The results  show  that  the  addition  of  SiO 2 filler  makes  the mechanical  properties  of  the  PEG-4000  polymer  as  a matrix  increase  when  influenced  by  temperature  and frequency  including  shear  modulus  (G')  and  tensile modulus  (E').  Composites  (PEG4000  +  10wt%  SiO2 quartz)  are  more  resistant  to  tensile  loads  when  viewed from their tensile modulus.

## 1. PENDAHULUAN
Komposit material saat ini banyak dikembangkan dalam bidang sains dan teknologi. Bahan  komposit  yang  banyak  diaplikasikan  saat  ini  yakni  bahan  komposit  dengan  matrik polimer. Dalam hal ini polimer digunakan sering digunakan sebagai matrik diharapkan dapat meperbaki  sifat  dari  material  paduannya  termasuk  pada  sifat  kekakuan  dan  kekuatan  dari filler. Ada banyak material yang digunakan sebagai filler yang berbasis material anorganik seperti tipe silica nanopartikel. Material silica dipilih karena sifatnya  yang hidrofilik  yang mengandung  OH  pada  permukaan  dan  tidak  menunjukkan  kecenderungan  membentuk agregat  dalam  matrik  polimer,  dengan  begitu  tidak  menimbulakan  dampak  yang  dapat melemahkan  dari  beberapa  sifat  matrik  dari  polimer.  Bahan  polimer  sebagai  matrik  dapat berikatan  kimia  dengan  permukaan  silica,  membuat  lebih  hidrofobik  dan  meningkatkan
kompabilitas dengan matrik polimer (Hassanajili & Sajedi, 2016). Menurut Fauziyah 2015, agar terbentuk bahan  komposit maka harus dipenuhui persyaratan yakni   Komponen filler harus  memiliki  modulus  elastis  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  komponen matriksnya dan harus ada ikatan antar permukaan yang kuat antara komponen filler dengan komponen  matriks  (Nur  Aini  et  al.,  2015).  Menurut  Pinheiro  dkk.  2017,  polimer  matrik merupakan alternative yang baik selain untuk meningkatkan sifat yakni juga dapat kita bisa membuat komposit dengan bahan biodegradable dengan biaya yang murah, berat ringan, luas permukaan  yang  spesifik,  modulus  elastisitas  yang  tingg  dan  bahan  baku  terdapat  di alam(Pinheiro et al., 2017).  Untuk mengetahui modulus elestis dan perubahan mekanik dari sebuah bahan komposit dapat digunakan pengukuran dengan menggunakan DMA ( Dynamic Mechanical Analysis ).
Dynamic  Mechanical  Analysis (DMA)  digunakan  untuk  menunjukkan  respon material  untuk  thermal  atau  respon  mekanis.  Respon  akan  bervariasi  dengan  suhu  karena perilaku  viskoelastisnya  bergantung  pada  temperatur.  Jika  mengalami  stres,  material  akan menunjukkan adanya ketegangan atau deformasi (Pratapa et al., 2017). Pengukuran dengan DMA yang menggunakan mode geser menghasilkan data berupa modulus simpan (storage modulus, G’ ),  modulus  hilang  (loss  modulus, G” ),  dan tan δ .  Modulus  simpan  mengukur energi yang tersimpan, yang mewakili daerah elastik. Modulus hilang mengukur energi yang hilang sebagai panas, yang mewakili daerah viskos dan redaman yang dialami material. Tan δ menunjukkan perbandingan antara modulus hilang dengan modulus simpan. Secara umum, gabungan antara G’ dan G” adalah modulus kompleks (complex modulus, G* )(Menard, K.P, 2008).
𝐺 ∗ = 𝐺 ′ + 𝑖 𝐺 ′′ (1)
Material  yang  akan  diuji  pada  praktikum  ini  adalah  PEG4000  dengan  filler  atau pengisi 10%wt Silica quartz yang telah berhasil disintesis oleh Fauziyah 2015 (Nur Aini et al., 2015).

## 2. METODE PENELITIAN
Bahan  dasar  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  PEG4000  ( polyethylene glycol 4000 Merck Schuchardt OHG 85662 Hohenbrunn, Germany) yang digunakan sebagai matrik. Kemundian dijadikan komposit dengan filler SiO 2 Quartz yang dibuat dari pasir alam. Pencampuran dilakukan dengan komposisi 90 wt% PEG 4000 ditambah dengan 10% SiO 2 Quartz yang dalam praktikum kita namakan PEG10. Untuk pembanding maka juga dilakukan pengujian dengan menggunakan PEG murni tanpa penambahan SiO 2 yang dalam praktikum kita  sebut  Pure.  Pengkuran  modulus  dilakukan  menggunakan  alat  uji  DMA.  Untuk pengukuran  sampel  diatur  dengan  ukuran  dimensi  5  mm  x  1,2  mm  x  2  mm.  Kondisi pengkuran dengan DMA meliputi: menggunkan software Mettler Toledo instrument, STARe software untuk data akuisisi, range frekuensi 1 Hz-150 Hz, dan suhu berkisar 25 o C-80 o C .

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bahan komposit dengan matrik polimer mempunyai sifat mekanik yang berbeda dari bahan lain. Sifat dari matrik polimer itu sendiri mempunyai sifat mekanik yang khas pada kelakuan viskoelastik bahan yang dominan, yakni sifat yang terletak antara bahan fluida dan bahan elastik. Pada bahan polimer itu sendiri apabila diamati dari perilaku mekaniknya yakni menuruti hukum Hooke dimana tegangan ( stress σ ) berbanding lurus dengan regangan ( strain ɛ )  dengan  konstanta  kesebandingan  yang  merupakan  modulus  dari  bahan.  Gambar  1 menggambarkan  hubungan  tegangan  ( stress  σ )  dan  regangan  ( strain  ɛ )  antara  PEG4000 murni  sebagai  matrik  dan  dengan  penambahan  10%wt  SiO 2 quartz  sebagai  filler.  Kurva menunjukkan  dengan  penambahan  silika  sebanyak  10%  wt  dalam  matrik  PEG4000  dapat meningkatkan nilai modulus dan elongasi  yang rendah pada PEG4000. Hal ini jika dilihat dari  nilai  strees  yang  rendah  pada  PEG  murni  menyebabkan  adanya  batas  gerakan  rantai, namun jika dibandingkan dengan PEG10 menunjukan stress yang meningkat sehingga titik lemah  menjadi lebih  besar  yang  menyebabkan  distribusi  tegangan  yang  tidak  merata, jadi sampelnya menjadi sangat rapuh dan regangan berkurang (Hassanajili & Sajedi, 2016).
Gambar 1. Grafik stress-strain pada Pure PEG4000 dan PEG10
Dimana  modulus  merupakan  perbandigan  antara stress dan strain .  Kekuatan  tarik  dari material merupakan kekuatan maksimum dari bahan untuk menerima suatu tegangan. Dari gambar 1 dapat kita lihat bahwa kuat tarik maksimum untuk PEG10 sebesar 1,6 MPa dengan elongasi  1,5  %  dan  PEG  murni  sebesar  1,2  MPa  dengan  elongasi  2,1  %.  Artinya  sampai elongasi  1,5  %  PEG10  sudah  tidak elastis  lagi  dan  PEG  murni  daerah elastisitasnya  lebih besar yang ditandai dengan elongasi pada strain 2,1%. Pada gambar 1 terlihat bahwa daerah elastis pada komposit PEG10 lebih pendek dari pada elastisitas pada pure PEG.  Kenaikan
Sefrilita Risqi Adikaning Rani / Jurnal Fisika dan Terapannya (2021) Vol. 8 (1): 19 - 27
kuat tarik ini bisa dikaitkan dengan orientasi atau arah morfologi kristal, selama penambahan filler  pada  polimer  dapat  mengakibatkan  kristalisasi  yang  menyebabkan  kuat  tarik  dari material  meningkat.  Matrik  mengalami  kritalisasi  disekitar  filler,  apabila  matriks  cair mengandung  filler  padat  dengan  cepat  didinginkan  maka  filler  dapat  mempromosikan pelurusan  rantai  matrik  dan  memfasilitasi  pengkriststalan  di  sekitar  matrik  sehingga memperbaiki transfer tegangan dari matrik ke filler(Rizvi et al., 2017).
Modulus penyimpanan shear ( shear modulus ) berkaitan dengan modulus elastis dari suatu  material  (G’)  dan  Modulus  hilang  ( loss  modulus )  yang  berhubungan  dengan  energi yang hilang akibat gerakan rantai polimer. Gambar 2(a) menunjukkan nilai storage modulus geser (modulus simpan shear) dari matrial komposit lebih meningkat dibandingkan polimer murni  PEG4000  jika  dilihat  secara  keseluruhan.  Dalam  hal  ini  berarti  bahwa  dengan penambahan  SiO 2 sebagai  filler  dalam  polimer  dapat  meningkatkan  nilai  modulus  simpan geser.  Apabila  ditinjau  dari  fungsi  temperatur  dapat  dikatakan  bahwa  nilai  G’  (modulus penyimpanan  shear)  semakin  menurun  dengan  bertambahnya  temperature.  Adanya  gaya dorong temperatur mengakibatkan terjadinya pergerakan lokal pada PEG10 dimana terjadi interaksi matrik polimer dengan fillernya yakni SiO 2 quartz. Interaksi tersebut mengkibatkan berkurangnya  pergerakan  rantai  polimer  yang  membuat  kekuatan  mekanik  pada  komposit meningkat dari matrik polimernya. Dari gambar 2(a) diketahui temperatur melting (Tm) pada PEG  murni  adalah  disekitar  50 o C,  dibawah  temperatur  melting  (Tm)  modulus  shearnya konstan artinya kekakuannya tetap antara kedua antara kedua bahan namun lebih kaku yang dengan  penambahan  silika  quartz,  dan  setelah  temperature  melting  modulus  mengalami penurunan  secara  darastis,  hal  ini  dikarenakan  terjadinya  slip  pada  rantai  polimernya. Penambahan  silika  10%  dapat  meningkatkan  temperatur  melting,  peningkatan  ini  juga diindikasikan  adanya  penurunan  mobilitas  atau  pergerakan  molekul  rantai  polimer  yang mungkin  disebabkan  oleh  mobilisasi  pada  permukaan  matrik  polimer.  Titik  melting  atau temperature  melting  pada  polimer  timbul  akibat  adanya  keseragaman  filler,  bersama hancurnya  jaringan  filler  dan  putusnya  rantai  polimer  matrik  yang  menyebabkan viskositasnya menurun dengan adanya filler (Motaung et al., 2012) (Ahmed et al., 2017).
(a)
(b)
Gambar 2. (a) Grafik storage modulus (G’) dan (b) loss modulus (G’’) pada Pure PEG4000 dan PEG10 dengan variasi temperatur
Pada gambar 2(a) dimana pada temperatur kurang dari temperatur meting (Tm) bahan komposit PEG10 mempunyai modulus simpan yang tinggi  yakni pada temperature sekitar 50 o C yang diperbaiki dengan memasukkan filler silika quartz yang sifatnya kaku. Kekakuan pada  partikel  silika  terkait  dengan  dispersi  serbuk  silika  yang  dimodifikasi  dalam  matrik polimer  PEG4000.  Dipersi  serbuk  dalam  matrik  mengakibatkan  modulus  elastisitas
Sefrilita Risqi Adikaning Rani / Jurnal Fisika dan Terapannya (2021) Vol. 8 (1): 19 - 27
meningkat pada material  (Hu et al., 2004).  Gambar 2(b) menunjukkan loss modulus (G’’) pada  PEG4000  meningkat  dengan  penambahan  silika  sebanyak  10%wt  pada  temperatur 50 o C.  Hal  ini  dikarenakan  adanya  gesekan  antara  partikel  silika  yang  dimodifikasi  dalam matrik PEG4000, dimana silika terdispersi secara menyeluruh didalam matrik sehingga hasil yang ditunjukkan sangat baik untuk memperkuat sifat mekanik dari matrik (Nur Aini et al., 2015). Hal ini pernah dilakukan oleh Hu 2004 dimana penamhan SiO 2 pada matrik polimer mengkibatkan  kenaikan loss  modulus akibat  adanya  gesekan  SiO 2 dengan  matriknya, gesekan inilah yang menyebabkan adanya hilangnya energy (Hu et al., 2004).
Gambar 3. Grafik tensile strength (E’) pada Pure PEG4000 dan PEG10 dengan variasi temperatur
Perlakukan panas pada bahan polimer akan dapat mengkatifkan pergerakan molekul menuju  transisi  aktifitas  pergerakan  molekul  yang  berdampak  pada  kuat  tarik  ( tensile strenght ) dan kekerasan pada bahan polimer menjadi rendah. Apabila pemanasan dilakukan melebihi temperatur melting (Tm) maka bahan akan melunak sehingga modulus elastisitas akan  mengalami  perubahan  dari  fasa  kristal  akan  meleleh  yakni  dimulai  pada  temperatur melting  (Tm).  Pada  gambar  3  menunjukkan  adanya  peningkatan  nilai  modulus  tarik  pada PEG4000 dengan penambahan silika quartz jika dilihat secara keseluruhan. Kenaikan nilai modulus tarik ( tensile modulus ) ini dikarenakan adanya silika sebagai filler yang mempunyai sifat  yang  lebih  kaku  terdispersi  merata  didalam  matrik  polimer.  Pada  saat  dibawah temperatur  melting  atau  bisa  dianalisa  pada  temperatur  ruang tensile  modulus bernilai konstan, artinya pada temparatur rendah, tidak molekul belom mempunyai gaya pendorong yang cukup untuk bertransisi sehingga konstan. Untuk kedua sampel menunjukkan modulus yang  kostan,  namun  jika  dibandingkan  maka  dengan  penambahan  silika  dapat  menambah nilai tensile  modulus ,  yang  menandakan ketahanan  bahan terhadap  tarikan  yang  diberikan padanya.  Adanya penambahan temperatur menyebabkan nilai tensile modulus nya semakin
Sefrilita Risqi Adikaning Rani / Jurnal Fisika dan Terapannya (2021) Vol. 8 (1): 19 - 27
berkurang sampai dengan temperature melting (Tm) dan menurun drastik setelah (Tm). Hal ini disebabkan adanya gaya dorong temperatur mengakibatkan terjadinya pergerakan lokal antar molekulnya. Pada PEG10 terjadi pergerakan lokal molekunya  yakni interaksi matrik polimer  PEG4000  dengan  fillernya  yakni  SiO 2 .  Penurunan  drastis  nilai tensile  modulus setelah  temperature  melting  mengindikasikan  adanya  slip  yang  terjadi  pada  rantai  secara perlahan (Motaung et al., 2012).
Apabila  kita  bandingkan  gambar  2(a)  yang  menunjukkan  nilai  shear  modulus  dan gambar  3  yang  menunjukkan  nilai  shear  modulus  terhadap  bahan  komposit  PEG10  yakni dengan penambahan silika, maka PEG10 lebih tahan terhadap beban tarikan jika dibandingan beban geser. Hal ini ditunjukkan pada grafik, yakni pada saat penurunan nilai modulusnya, nilai modulus shearnya turun lebih tajam jika dibandingan dengan tensile modulus nya pada kenaikan temperaturnya.
Gambar 4. Grafik tensile modulus (E’) pada Pure PEG4000 dan PEG10 dengan variasi frekuensi
Gambar 4 menunjukkan grafik hubungan antara tensile strength (E’) oleh komposit PEG10. Besarnya E’ pada matrik polimer PEG4000 meningkat dengan adanya penambahan silika quartz 10%. Maksudnya disini penambahan silika membuat sifat PEG4000 lebih keras jika dibandingkan dengan PEG murni. Peguatan ini dapat dikaitkan dengan adanya dispersi filler yang  baik  kedalam  matrik,  adanya  ikatan  kovalen  rantai  polimer  dan  filler  dan  ikatan hidrogen  antara  filler  dan  matrik.  Penguatan  oleh  filler  dapat  membatasi  pergerakan  dari rantai molekul matrik sehingga dapat memperbaiki transfer stress dari martrik ke filler saat dikenai  beban(Ahmed  et  al.,  2017).  Bertambanya  nilai tensile  modulus menunjukkan kemampuan bahan terhadap deformasi  plastis, yang menunjukkan ikatan yang kuat, dalam hal  ini  silika  berikatan  membentuk  jaringan  network  dengan  matrik  PEG.  Interaksi  ikatan yang kuat inilah menyebabkan dispersi molekul yang baik dan dapat menyebabkan interaksi
Sefrilita Risqi Adikaning Rani / Jurnal Fisika dan Terapannya (2021) Vol. 8 (1): 19 - 27
antar muka lebih besar sehingga lebih kuat. Semakin kuat filler silica membentuk jaringan network  membatu  untuk  mengatasi  tercampurnya  fasa  dan  menambah  sifat  viskoelastik (Hassanajili & Sajedi, 2016).

## 4. SIMPULAN
Secara  keseluruhan  dapat  diambil  kesimpulan  bahwa  komposit  (PEG4000+10wt% SiO2  quartz)  dengan  matrik  polimer  (PEG4000)  dapat  meningkatkan  sifat  mekanik  dari matriknya.  Sifat  mekanik  yang  ditingkatkan  meliputi  shear  modulus  dan  tensile  modulus dengan fungsi temperature dan frekuensi. Komposit (PEG4000+10wt% SiO2 quartz) lebih tahan terhadap beban tarikan jika dilihat dari tensile modulus.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Ahmed, J., Mulla, M., Arfat, Y. A., & Thai T, L. A. (2017). Mechanical, thermal, structural and barrier properties of crab shell chitosan/graphene oxide composite films. Food Hydrocolloids , 71 (Supplement  C),  141–148.  https://doi.  org/10.  1016/j.  foodhyd. 2017. 05. 013.
Hassanajili, S., & Sajedi, M. T. (2016). Fumed silica/polyurethane nanocomposites: Effect of  silica  concentration  and  its  surface  modification  on  rheology  and  mechanical properties. Iranian  Polymer  Journal , 25 (8),  697–710.  https://doi.  org/10. 1007/s13726 - 016 - 0458 - 0.
Hu,  Y.-H.,  Chen,  C.-Y.,  &  Wang,  C.-C.  (2004).  Viscoelastic  properties  and  thermal degradation  kinetics  of  silica/PMMA  nanocomposites. Polymer  Degradation  and Stability , 84 (3), 545–553. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab. Menard,  K.P.  (2008,  May  28). Dynamic  Mechanical  Analysis:  A  Practical  Introduction, 888Second  Edition .  CRC  Press.  https://www.crcpress.com/Dynamic-Mechanical- Analysis-A-Practical-Introduction-Second-Edition/Menard/9781420053128.
Motaung, T. E., Saladino, M. L., Luyt, A. S., & Chillura Martino, D. F. (2012). The effect of silica  nanoparticles  on  the  morphology,  mechanical  properties  and  thermal degradation  kinetics  of  polycarbonate. Composites  Science  and  Technology , 73 (Supplement C), 34–39. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.08.014. Nur Aini, F., Musyarofah, Triwikantoro, Mashuri, Firdaus, S., & Pratapa, S. (2015). Dynamic Mechanical  Properties  of  PEG  4000  +  Quartz  Composites. Advanced  Materials Research , 1112 , 385–388. https://doi. org/10. 4028/www. scientific. net/AMR. 1112. 385.
Pinheiro, I. F., Ferreira, F. V., Souza, D. H. S., Gouveia, R. F., Lona, L. M. F., Morales, A. R.,  &  Mei,  L.  H.  I.  (2017).  Mechanical,  rheological  and  degradation  properties  of PBAT  nanocomposites  reinforced  by  functionalized  cellulose  nanocrystals. European Polymer Journal , 97 (Supplement C), 356–365. https://doi. org/10. 1016/j. eurpolymj. 2017. 10. 026.
Pratapa,  S.,  Wahyuni,  T.,  Fauziyah,  N.  A.,  Apriliyana,  G.  A.,  Mashuri,  M.,  &  Firdaus,  S.
(2017).  Synthesis  and  thermomechanical  characterization  of  PEG/cristobalite
composites. Journal  of  Mechanical  Science  and  Technology , 31 (8),  3653–3656. https://doi.org/10. 1007/s12206-017-0703-2.
Rizvi, A., Andalib, Z. K. M., & Park, C. B. (2017). Fiber-spun polypropylene/polyethylene terephthalate  microfibrillar  composites  with  enhanced  tensile  and  rheological properties and foaming ability. Polymer , 110 (Supplement C), 139–148. https://doi. org/10. 1016/j. polymer. 2016. 12. 054.