Teknologi Komposit Serat Karbon

Oleh Samsul Hadi - 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.  

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.  

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: 

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.  

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.  

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.  

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.  

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  

Anonim. 2009. Carbon Fiber Reinforced Polymer. [Online]. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Carbon_fiber_reinforced_polymer. diakses pada tanggal 26 Juli 2016.

Anonim. 2016. Composit Material. [Online]. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Composite_material. diakses pada tanggal 25 Juli 2016. 

Zoltec Toray Group. 2016. Comercial Carbon Fiber ; How Is Made?. [Online]. http://zoltek.com/carbonfiber/how-is-it-made/. diakses pada tanggal 25 Juli 2016.