SIDANG TUGAS AKHIR

Pengaruh Kadar Serbuk Aluminium Terhadap Sifat Mekanik dan Konduktivitas Listrik Komposit Polidimetilsiloksan/Aluminium Untuk Pelat Bipolar Sel Bahan Bakar

Membran Elektrolit Polimer (Polymer Exchange Membran (PEMFC))

Aninda Trimarsa P. 2709 100 070 Dosen Pembimbing : Dr. Hosta Ardhyananta, ST, M.Sc

Latar Belakang FUEL CELL

Kebutuhan akan sumber energi alternatif tinggi dikarenakan makin berkurangnya

energi fosil

Fuel cell merupakan sumber energi yang dapat mengubah energi kimia (berasal dari hidrogen) menjadi listrik dengan

keluaran/buangan berupa air sehingga lebih ramah lingkungan

Latar Belakang PELAT BIPOLAR PEM FUEL CELL

+/- 90% total volume dan 60% total biaya dari PEMFC

Grafit Baja tahan karat Aluminium

Tahan korosi tahan korosi Tahan korosi

Getas Sifat mekanik yang baik Sifat mekanik yang baik

Ringan: 2.09–2.23 g/cm3

Berat: 7,83 g/cm3 Ringan: 2,7 g/cm3

1. Mempelajari pengaruh komposisi antara serbuk aluminium dan matriks PDMS terhadap sifat mekanik komposit aluminium-pdms.

2. Mempelajari pengaruh komposisi antara serbuk aluminium dan matriks PDMS terhadap konduktivitas listrik dan kompositaluminium-pdms.

menghasilkan komposit aluminium yang mempunyai karakteristik sifat mekanik dan konduktivitas listrik yang baik sehingga dapat digunakan untuk aplikasi pada pelat bipolar PEMFC serta untuk penelitian lain yang relevan.

Manfaat Penelitian

Tujuan Penelitian

Batasan Masalah • Temperatur dan tekanan udara sekitar

dianggap konstan

Tinjauan Pustaka Sel bahan bakar adalah komponen elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik, air dan panas,dengan hidrogen sebagai bahan bakar utama.

Anoda :H2 2H+ + 2e- Katoda : ½ O2 +2H+ + 2e- H2O Reaksi total: H2 + ½ O H2O + Energi listrik +panas

Sumber gambar: en.wikipedia.org

Tinjauan Pustaka Cara kerja Sel Bahan bakar: 1. Hidrogen sebagai bahan bakar

dihembuskan pada anoda 2. Menghasilkan elektron dan

hidrogen. 3. Hidrogen dapat mengalir ke

katoda lewat elektrolit, sedangkan elektron harus mengalir lewat jembatan penghubung.

4. Pada katoda oksigen dihembuskan dan bereaksi dengan elektron dan proton

5. Menghasilkan air, aliran listrik dan kalor

Skema Sel Bahan bakar. Sumber: comsol.com

Tinjauan Pustaka

• PEMFC bekerja pada temperatur operasi yang rendah 60- 80 oC

• Kerapatan daya tinggi • Emisi rendah

• Elektroda :Tempat terjadinya reaksi elektrokimia

• Lapisan difusi gas : Berfungsi untuk menyediakan kontak listrik antara elektroda dan plat bidang alir

• Plat bipolar :Memisahkan reaktan dari unit sel disampingnya. Pelat bipolar terdiri lebih dari 80% dari massa dan hampir semua dari volume

• Membran: berfungsi untuk menghantarkan proton menuju ke katoda, memisahkan hidrogen dengan molekul oksigen. Juga bertindak sebagai insulator elektronik antara plat bipolar.

Tinjauan Pustaka Sifat yang harus dimiliki pelat bipolar : • harus memiliki sifat mekanik yang baik, • hambatan listrik rendah, • kerapatan rendah, • ketahanan korosi • konduktivitas listrik yang baik. Bahan yang paling umum digunakan adalah grafit karena memiliki konduktivitas listrik yang baik dan sangat tahan korosi. Namun, grafit tidak memiliki kekuatan mekanik yang baik (getas). Bahan logam seperti stainless steel memiliki sifat mekanik dan konduktivitas listrik yang baik, tetapi mudah terkorosi dan berat

standar ketentuan untuk pelat bipolar (Antunes dkk , 2010)

Tinjauan Pustaka: Daftar Perbandingan Konduktivitas (ohm-1. m-1)

Zat Konduktivitas Zat Konduktivitas

Air biasa 10-2 Platina 0,09 x 108

Air Suling 10-2 – 10-5 Karet 10-13 – 10-15

Alkohol 0.2 x 10-4 Mika 10-13

Aluminium 0,38 x 108 Minyak Tanah 10-14

Asam Sulfat 0,4 x 10-2 Perak 0,63 x 108

Besi 0,1 x 108 Porselen 10-12 – 10-14

Ebonit 10-13 – 10-16 Tembaga 0,595 x 108

Emas 0,435 x 108 Timbal 0,476 x 107

Kaca 10-9 – 10-12 Wolfram 0,18 x 108

Karbon (3-60) x 105 Silikon 0,017 - 10

Sumber: belajar.kemendiknas.co.id

Tinjauan Pustaka : PDMS • temperatur transisi glass yang rendah (-120°C) • Fleksibilitas rantai yang sangat tinggi • oksidatif yang baik • stabilitas termal dan sinar UV • Hidropobisitas • Biokompatibilitas • Permeabilitas gas yang tinggi • energi permukaan yang rendah • lubrikasi yang tinggi • ketahanan plasma atom oksigen yang sangat

baik.

Poli (dimetilsiloksan) (PDMS) adalah polimer dengan ikatan silikon oksigen (siloksan) yang memiliki dua gugus metil (CH3)

Sifat-sifat penting yang dimiliki aluminium sehingga banyak digunakan sebagai material teknik:

• Berat jenisnya ringan, hanya 2.7 gr/cm³, sedangkan baja ± 8,1 gr/ cm³,

• Tahan korosi • Penghantar listrik dan panas

yang baik • Mudah di fabrikasi/di bentuk • Kekuatannya rendah tetapi

pemaduan (alloying) kekuatannya bisa ditingkatkan

Tinjauan Pustaka : Aluminium

Nomor Atom 13 Massa Atom 12.011 g.mol-1 Keelektronegativan 1.61 Hambatan listrik 28.2 nΩ·m pada 200C

Densitas 2.70 g·cm−3 pada 200C Titik cair 933.47 °K, 660.32 °C,

1220.58 °F

Titik didih 2792 K, 2519 °C, 4566 °F Radius Vanderwaals 184 pm Kulit elektron [Ne] 3s2 3p1 Energi ionisasi pertama

577.5 kJ·mol−1

Energi ionisasi kedua 1816.7 kJ·mol−1

Energi ionisasi ketiga 2744.8 kJ·mol−1

Metodologi

Timbangan digital Vibratory siever

Aluminium Mercks Cetakan aluminium

Pengaduk aluminium

Alat dan Bahan

Gelas plastik

PDMS Aluminium 1xxx

Data yang diperoleh: Uji Tarik

Hasil pengujian tarik menujukkan penurunan kekuatan tarik seiring dengan bertambahnya penguat. Gambar a menunjukkan nilai kuat tarik dan keuletan yang lebih dibandingkan gambar b. Hal ini disebabkan perbedaan ukuran serbuk Aluminium yang lebih kecil pada Gambar b. Ukuran serbuk yang lebih kecil menyebabkan komposit lebih mudah jenuh.

(a) (b)

Gambar a : Komposit serbuk Aluminium mercks Gambar b : komposit serbuk Aluminium 6061

Data yang diperoleh: Uji Tarik

Kode Sampel Elongasi (%) Kekuatan Tarik (MPa) Modulus Young (Gpa)

PDMS 534,27 1,309 0,00033 PDMS/AlP (20) 242,42 1,002 0,00055 PDMS/AlP (40) 117,48 0,946 0,00094 PDMS/AlP (60) 19,68 0,276 0,00326 PDMS/AlM (20) 189,61 0,644 0,00088 PDMS/AlM (40) 38,13 0,140 0,00161

Data yang diperoleh: Uji FTIR • Grafik sampel komposit dan matriks

yang tidak berubah menunjukkan tidak ada ikatan kimia yang terbentuk (hanya terikat secara mekanik), sedangkan grafik yang berubah bentuk mengindikasikan adanya ikatan kimia dan mekanik dalam komposit. Hasil pengujian FTIR menunjukkan tidak terbentuknya ikatan kimia dalam komposit PDMS/Aluminium, dimana matriks dan filler hanya terbentuk dan terikat secara mekanik.

Pembahasan data pengujian FTIR • Tabel adalah nilai peak dari hasil

pengujian FTIR dimana tabel ini menunjukkan tidak adanya perubahan puncak pada hasil pengujian FTIR dalam kedua sampel yang diuji. Matriks PDMS dan komposit Aluminium memiliki range serapan di daerah yang sama, sehingga ikatan kimia yang terbentuk didalam komposit tidak berbeda dengan matriksnya. Perbedaan antara komposit dan matriks hanya terdapat pada komposisi filler.

Data yang diperoleh: uji TGA Sample T (0C) 5% loss T (0C) 10% loss Berat sisa

(%wt)

PDMS 100% 419,333 453,167 69,608 PDMS/Al 80/20 482,333 >500 92,645 PDMS/Al 40/60 454,333 >500 90,12

PDMS/Al powder 80/20

378,833 419 62,7

PDMS/Al powder 60/40

349.667 384.667 60,286

Gambar adalah kurva pengujian TGA yang dilakukan dengan memanaskan sample dari temperatur 40 0C sampai 500 0C untuk mengetahui perubahan massa komposit berdasarkan naiknya temperatur.

Dari Tabel bisa disimpulkan bahwa jenis Aluminium berpengaruh pada stabilitas termal komposit. Penambahan Aluminium serbuk mercks mengurangi stabilitas termal komposit. Namun penambahan Aluminium paduan 6061 justru meningkatkan stabilitas termal komposit. Pada Aluminium powder mercks, stabilitas termal jauh lebih rendah dari Aluminium 6061.

Data yang diperoleh: uji SEM

Gambar 1 adalah Serbuk Aluminium Mercks, serbuk tampak pipih dengan bentuk yang homogen satu sama lain. Gambar 2 adalah Serbuk Aluminium 6061 terlihat memanjang, bulat dan bentuk satu sama lain terlihat tidak homogen.

1. a 1. b 2. a 2. b

Data yang diperoleh: uji SEM

Komposit yang terbuat dari Serbuk Aluminium 6061 sebagai penguatnya seluruhnya terlingkupi oleh matriks PDMS. Terlihat komposit Aluminium 6061 yang tidak homogen

Data yang diperoleh: uji SEM

Pada komposit Aluminium serbuk mercks, terlihat pada komposisi 40% filler, serbuk tidak terlingkupi oleh matriks

Data yang diperoleh: Uji Konduktifitas Listrik Pengujian Konduktivitas Listrik ini menggunakan alat potensiostat. Dimensi pengujian 15 x 5 mm dengan tebal 4 mm. Perhitungan konduktivitas listrik berdasarkan persamaan 3.4 dan 3.5 Yaitu: 𝜌 =

𝑅 𝐴𝐼

𝜎=1𝜌

Konduktivitas listrik ditentukan pada kemungkinan kontak antar serbuk di dalam matriks polimer.

Data yang diperoleh: Uji Konduktifitas Listrik

No. Konduktivitas bahan (σ) PDMS/AlP

20% PDMS/AlP

40% PDMS/AlP

60% PDMS/AlP

80% 1 2,847 x 10-7 4,902 x 10-7 0.121345 0.980392 2 2,831 x 10-7 5,227 x 10-7 0.122594 0.934579 3 2,820 x 10-7 4,983 x 10-7 0.121462 0.943396 4 2,847 x 10-7 5,255 x 10-7 0.121699 0.952381 5 2,821 x 10-7 4,831 x 10-7 0.121625 0.952381 6 2,840 x 10-7 4,876 x 10-7 0.122444 0.934579

No. Konduktivitas bahan (σ) PDMS/AlM

20% PDMS/AlM

40% PDMS/AlM

60% PDMS/AlM 80%

1 2.527 x10-6 3.23 x10-6 1.61 x10-6 0 2 2.573 x10-6 3.17 x10-6 1.58 x10-6 0 3 2.534 x10-6 3.23 x10-6 1.57 x10-6 0 4 2.555 x 10-6 3.15 x10-6 1.58 x10-6 0 5 2.56 x10-6 3.21 x10-6 1.58 x10-6 0 6 2.581 x10-6 3.2 x10-6 1.57 x10-6 0

(Ω.mm)-1 (S/cm) AlP 20% 2,834.10-7 2,834.10-5 AlP 40% 5,012.20-7 5,012.20-5 AlP 60% 0,121862 12,1862 AlP 80% 0,949618 94,9618 AlM 20% 2,555.10-6 2,555.10-4 AlM 40% 3,198.10-6 3,198.10-4 AlM 60% 1,582.10-6 1,582.10-4

Nilai Konduktivitas Listrik komposit Aluminium

Perhitungan konduktivitas listrik komposit Aluminium Paduan 6061 semua dalam satuan (Ω.mm)-1

Perhitungan konduktivitas listrik komposit Aluminium murni Mercks semua dalam satuan (Ω.mm)-1

Pembahasan data hasil pengujian Konduktifitas Listrik

• Nilai konduktivitas listrik bergantung pada fraksi volume serbuk, dan kandungan minimum dari serbuk aluminium, dimana serbuk aluminium tersebut membentuk jaringan kerja yang bersambung, yang menentukan komposit Aluminium menjadi konduktif secara elektrik.

• Faktor-faktor penentu adalah: konduktivitas dari serbuk, fraksi volume dan karakteristik serbuk,

• Karakteristik serbuk yang dimaksud seperti: ukuran, bentuk, luas permukaan, distribusi dan orientasi dari serbuk pengisi.

• Metode fabrikasi dan kondisi pembuatan komposit memainkan peranan penting dalam konduktivitas karena mempengaruhi penyebaran, orientasi dan jarak antar serbuk di dalam matriks polimer.

Kesimpulan • Penambahan Aluminium pada komposit menyebabkan peningkatan pada

Modulus young namun menurunkan elastisitas dan kekuatan tarik dari komposit.

• Kekuatan tarik komposit tertinggi didapatkan pada komposisi 20% Aluminium 6061 yaitu sebesar 1,002 MPa. Elongasi komposit tertinggi didapatkan pada komposisi 20% Aluminium 6061, yaitu sebesar 242,42%. Modulus young tertinggi diperoleh pada komposisi 40% Aluminium serbuk Mercks dengan nilai 0,00161 GPa.

• Konduktivitas listrik komposit Aluminium tertinggi yang telah dibuat yaitu 94,9618 S/cm pada komposisi 80% Aluminium serbuk 6061.

• Penambahan Aluminium serbuk mercks menurunkan stabilitas Thermal pada komposit. Komposit Aluminium 6061 memiliki stabilitas termal lebih baik dibandingkan komposit Aluminium serbuk Merck.

• Komposisi 20% komposit Aluminium 6061 memiliki berat sisa 92,645% berat awal pada temperatur 500oC, sedangkan dengan komposisi yang sama komposit Aluminium Mercks memiliki berat sisa 62,7% berat awal di temperatur yang sama.

Saran • Pada proses pencetakan spesimen sebaiknya

menggunakan proses pencetakan yang melibatkan kompresi/penekanan.

• Proses pembuatan sebaiknya menggunakan metode yang membuat matriks dan filler tercampur lebih merata, contohnya alat mixing.

• Perlunya inovasi yang dapat mengurangi gelembung udara yang terjebak didalam spesimen sehingga dapat mengurangi porositas.

TERIMA KASIH

Diagram Fasa Paduan Aluminium

Paduan Aluminium-Magnesium

Paduan Aluminium-Silikon

Preparasi Spesimen • Menguji kandungan yang

terdapat di dalam aluminium 6061

• Menyiapkan PDMS dengan Aluminium sebagai penguat sebanyak 20%,40%,60% dan 80%

• Mencampur PDMS dengan Aluminium, lalu dicetak dan didiamkan hingga curing.

Cara kerja SEM

Elektron dilepaskan oleh ujung ‘electron gun’

Lensa elektromagnet menyearahkan dan memfokuskan berkas elektron

Koil pemindai mengarahkan berkas elektron terfokus pada spesimen

Detektor menangkap sinyal dari elektron

Scanning

Berkas elektron terfokus digunakan untuk memindai bahan yang diamati

Scanning

Studi sebelumnya NO. PENELITI, JUDUL, TAHUN METODE SPESIMEN HASIL

1 Jung-Pyo Hong,dkk . High Thermal Conductivity epoxy composites with bimodal Distribution of Aluminium Nitride and Boren Nitride Fillers. 2012

Bi modal distribution AlN-BN-Epoxy Konduktivitas termal mak-simum AlN : BN 1:1 dengan partikel seukuran.

2 Krzysztof Strzelec. Improvement of mechanical properties and electrical conductivity of polythiourethane-modified epoxy coatings filled with aluminium powder. 2008

konvensional Al-epoxy Paling sedikit filler memiliki konduk-tivitas rendah. Perekatan kurang kuat perlu diperbaiki dengan hardener.