Polymer Matrix Composite Sebagai Armor Material

2012

Polymer Matrix Composite sebagai Armor Material Composite’s Essay 

M.Ekaditya Albar / 1106154305 Metallurgy and Material Engineering Universitas Indonesia

M.Ekaditya Albar / 1106154305

 Polymer Matrix Composite sebagai Armor Material   Polymer Matrix Composite Material komposit merupakan salah satu jenis material rekayasa yang terus berkembang dari masa ke masa. Material komposit dapat didefinisikan sebagai suatu material rekayasa yang tersusun atas kombinasi antara dua jenis material konstituen atau lebih dimana kombinasi ini terjadi dalam skala makroskopis [1]. Material komposit banyak dikembangkan sebagai material rekayasa karena memiliki beberapa keunggulan baik dari sisi sifat  properties), metode fabrikasi ( processing ) dan juga keunggulan dalam pemakaiannya ( properties

(application ). Dalam sistem kombinasi material komposit ini, terdapat material yang berfungsi sebagai matriks dan material yang berfungsi sebagai penguat ( reinforcement ). ). Matriks dalam komposit merupakan fasa continuous yang menyelubungi fasa lainnya. Fasa penguat ( reinforcement ) itu sendiri merupakan fasa disontinuous dalam komposit. Polymer Matrix Composite merupakan salah satu jenis material komposit dimana

material berbahan dasar polimer menjadi matriksnya. Polimer Matrix Composite (PMC) sendiri telah berubah fungsinya setelah perang dunia ke-2 menjadi salah satu material yang sangat diperhitungkan keberadaanya untuk dipergunakan dalam berbagai rekayasa yang berhubungan dengan aplikasi-aplikasi penting bagi umat manusia

[2]

. Berdasarkan jenis

penguatnya, PMC secara umum dapat dibagi menjadi tiga jenis, yaitu: 

Glass Fibre Reinforced Polymer Composites (GFRPs)



Carbon Fibre Reinforced Polymer Composites (CFRPs)



 Aramid Fibre Reinforced Polymer Composites (AFRPs)

Fungsi dari matriks polimer pada PMC adalah untuk meneruskan tegangan dari luar (external stress ) kepada penguat, contohnya serat ( fibre ), dan juga berfungsi untuk menahan abrasi yang yang mungkin terjadi. terjadi. Adapun sifat mekanik mekanik dari dari PMC ini merupakan gabungan dari dua buah sifat, yaitu sifat mekanik matriks dan juga serat seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini:

2

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Gambar 1. Perbandingan kurva stress-strain pada material fiber (serat), resin (polimer) dan Fibre Reinforced  [3]

Composite (FRP)

Rompi Anti Peluru ( Armor)  Armor) Sampai dengan Perang Perang Dunia ke-2, rompi anti peluru ( armor ) secara umum terbuat dari material logam[4]. Perkembangan lebih lanjut menunjukkan adanya adanya tekanan terhadap berbagai perlengkapan tempur, termasuk  body armor , ini agar lebih kecil sehingga lebih mobile saat digunakan. Hal ini berkaitan langsung dengan penggunaan material yang lebih baik sifat mekanisnya, berat lebih ringan, ukuran lebih kecil dan harga lebih murah

[5]

.

Prinsip kerja armor  adalah dengan mengurangi sebanyak mungkin lontaran energi kinetik peluru, dengan cara menggunakan lapisan-lapisan material untuk menyerap laju energi tersebut dan memecahnya ke penampang baju yang luas, sehingga energi tersebut tidak cukup lagi untuk membuat peluru dapat menembus baju [6]. Berdasarkan penjelasan ini didapat kesimpulan bahwa material untuk  armor  harus mampu mentransmisikan beban yang diterimanya dengan optimal agar tidak terjadi penetrasi peluru yang dapat menyebabkan cedera bagi pemakainya. Dalam menyerap laju energi peluru, armor  akan mengalami deformasi yang menekan ke arah dalam ( shock wave). Tekanan ke dalam ini akan diteruskan sehingga mengenai tubuh pengguna. Batas maksimal penekanan ke dalam tidak boleh lebih dari 44 mm[6]. Jika batasan tersebut dilewati, maka pengguna baju akan mengalami luka dalam ( internal organs injuries ) yang akan membahayakan keselamatan jiwa. Material yang digunakan sebagai armor umumnya memiliki berat yang medium sampai dengan ringan dan memiliki permukaan frontal yang keras dipadu dengan bagian backing yang lebih lunak. Permukaan frontal ini biasanya terbuat dari material keramik atau logam yang telah diperkuat, contohnya adalah aluminium dan   fiber reinforced polymer composites. Alasan mengapa permukaan frontal ini mengunakan material yang keras adalah untuk  menghambat dan mencegah destructive impact  ketika proyektil mengenai armor . Sedangkan 3

M.Ekaditya Albar / 1106154305

bagian yang lunak berfungsi sebagai ‘catcher’  terhadap pecahan-pecahan pecahan-pecahan residual sehingga mencegah adanya penetrasi lebih dalam. Namun, kekurangan penggunaan material yang keras sebagai permukaan frontal adalah material ini umumnya brittle dan menunjukkan adanya collateral damage pada area yang terkena dynamic impact [5] seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini:

Gambar 2. Pengaruh kekerasan material terhadap ketahanan penetrasi dan collateral damage (a), Contoh [5] permukaan material yang mengalami collateral damage (b)

Kevlar Serat Kevlar adalah merek dagang dari perusahaan DuPont. Kevlar adalah salah satu tipe aramida, yang terdiri dari rantai panjang polimer dengan orientasi paralel. Aramid (Kevlar) adalah suatu material yang ditemukan tahun 1964, oleh Stephanie Kwolek, seorang ahli kimia berkebangsaan Amerika, yang bekerja sebagai peneliti pada perusahaan DuPont

[3]

.

Aramid adalah kependekan dari kata aromatic polyamide sedangkan nama kimianya berdasarkan aturan IUPAC adalah   poly(paraphenylene terephthalamide). Aramid sendiri merupakan suatu serat sintetik berupa rantai panjang po liamida sintetik dengan paling sedikit 85% sambungan amidanya menempel secara langsung pada dua rantai aromatik (gugus amida dan gugus aromatik berselang-seling). Struktur kimia dari aramid dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Gambar 3. Struktur rantai serat aramid (Kevlar)

[7]

4

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Serat aramid memiliki beberapa sifat mekanis yang baik, seperti ketangguhannya, ketahanan terhadap beban impak, ketahanan terhadap creep dan kegagalan fatik. Meskipun aramid merupakan material polimer termoplastik, material ini memiliki ketahanan terhadap pembakaran dan relatif stabil pada suhu tinggi.  Range suhu dimana serat aramid dapat o

mempertahankan sifat mekanisnya adalah antara -200 sampai dengan 200 C (-330 sampai o

390 F). Secara kimia, serat aramid rentan terhadap degradasi oleh asam dan basa, namun material ini relatif inert pada pelarut kimia lainnya [8]. Material ini umumnya digunakan sebagai bahan dasar rompi anti peluru. Jenis Kevlar yang digunakan sebagai bahan dasar rompi anti peluru adalah Kevlar K-29.

Gambar 4. Material Kevlar K-29 dilihat secara makroskopis [9]

Gambar 5. Material Kevlar K-29 dilihat dengan menggunakan SEM

[10]

5

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Kevlar sebagai Reinforce sebagai Reinforce pada PMC Serat Kevlar (aramid) merupakan salah satu serat yang banyak banyak digunakan dalam sistem siste m   polymer matrix composites (PMC), sedangkan jenis polimer yang umum digunakan sebagai

matriks adalah epoksi dan  polyester . Karena sifatnya yang cukup fleksibel dan cenderung ulet, material ini banyak digunakan dalam industri tekstil. Perbandingan sifat mekanis antara serat aramid dengan serat lainnya ( Glass dan Carbon) dapat dilihat pada tabel di bawah ini: Tabel 1. Perbandingan sifat mekanis berbagai jenis serat pada sistem komposit [11]

Glass

Carbon

Aramid

(E-glass)

(High Strength)

(Kevlar)

2.1

1.6

1.4

 Longitudinal [GPa]

45

145

76

Transverse [GPa]

12

10

5.5

 Longitudinal [MPa]

1020

1240

1380

Transverse [MPa]

40

41

30

 Longitudinal [GPa]

2.3

0.9

1.8

Transverse [GPa]

0.4

0.4

0.5

Sifat Specific gravity Tensile modulus 



Tensile strength 



Ultimate tensile strain 



Gambar 6. Perbandingan specific strength dan specific modulus dari serat dan material logam serta polimer

[8]

6

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Serat Kevlar merupakan salah satu kandidat terbaik untuk digunakan pada  polymer  composites karena sifatnya yang memiliki tenacity yang tinggi

[12]

. Selain itu, sifat

kristalinitasnya yang besar menyebabkan permukaan serat Kevlar menjadi inert dan halus. Dampaknya adalah material ini memiliki sifat adhesi yang buruk dengan matriks resin [13]. Oleh karena itu, untuk menggunakan serat Kevlar sebagai penguat, kita perlu melakukan surface modification untuk meningkatkan efek penguatannya. Mekanisme modifikasi

permukaan ini sendiri juga harus memperhatikan matriks resin yang digunakan [14]. Berdasarkan literatur, terdapat tiga pendekatan terhadap modifikasi permukaan serat Kevlar, yaitu: 1. Coating dengan coupling agent  atau perlakuan kimia dan atau fisika untuk membentuk  ikatan kimia dengan resin pada permukaan serat

[15]

.

2. Pengkasaran permukaan serat untuk memperluas   physical interface dengan matriks resin sehingga dapat terjadi mechanical anchoring, contohnya adalah dengan penggunaan bromine

[13, 16]

.

3. Aktivasi kimia pada permukaan serat

[17]

.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Jeng-Shyong Lin pada tahun 2002 menunjukkan bahwa efek pengkasaran permukaan dengan menggunakan

[12]

metalation,

bromination dan grafting dapat meningkatkan kekasaran dari permukaan serat Kevlar.

Namun, terjadi penurunan nilai kekuatan tarik seiring dengan bertambahnya waktu treatment  dengan bromine.

Gambar 7. Perbandingan pengamatan SEM antara serat Kevlar original (a) dengan serat Kevlar yang dilakukan o

treatment dengan bromoacetic acid pada 50 C selama 10 jam

[12]

Penelitian lain menunjukkan bahwa proses hidrolisis merupakan salah satu teknik  chemical treatment  yang mudah dan cukup sederhana dilakukan pada permukaan serat

Kevlar

[18]

. Perlakuan tersebut dapat meningkatkan jumlah gugus fungsi amine yang aktif pada

permukaan sehingga dapat meningkatkan compatibility dari serat pada matriks komposit. 7

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Perkembangan Material Armor[19]

Selain menggunakan serat Kevlar, para produsen terus berlomba-lomba untuk  menemukan material lain yang memiliki sifat yang lebih baik dan lebih ekonomis dibanding Kevlar sebagai material armor . Material Kevlar sendiri mulai dipergunakan sebagai armor  pada tahun 1965 setelah melewati masa perkembangan selama 25 tahun. Generasi berikutnya dari Kevlar muncul pada tahun 1970 dengan nama Kevlar 29 yang merupakan generasi pertama serat anti peluru yang dikembangkan oleh DuPont. Pada tahun 1988, DuPont memperkenalkan memperkenalkan generasi kedua dari serat Kevlar yang dikenal sebagai Kevlar 129. Serat ini diyakini memiliki ketahanan terhadap peluru yang lebih tinggi setelah dilakukan uji coba dengan senjata FMJ berukuran 9mm. Generasi serat Kevlar berikutnya muncul pada tahun 1995 (Kevlar Correctional) dan tahun 1996 (Kevlar Protera). Perusahaan lain selain DuPont yang mengembangkan material

armor  adalah

AlliedSignal dengan produknya Spectra Fiber yang merupakan serat  polyethylene dengan kekuatan sangat tinggi. Material ini juga dikembangkan dalam pembuatan Spectra Shield  composite. Sebuah layer dari Spectra Shield composite mengandung dua unidirectional layer 

dari serat Spectra yang disusun saling silang pada sudut 0 o dan 90 o pada sebuah resin yang fleksibel. Serat dan resin ini dipisahkan dengan menggunakan lembaran  polyethylene yang tipis seperti pada pembungkus makanan. Berdasarkan pengakuan produsen, material ini sangat kuat, ringan dan memiliki kemampuan perlindungan balistik yang sangat baik dan banyak digunakan sebagai hard armor application. Produk lain dari AlliedSignal adalah Gold Shield yang menggunakan serat aramid sebagai pengganti serat Spectra. Produk lain juga dikembangkan oleh perusahaan Akzo Nobel yang melakukan variasi terhadap serat aramid dikenal dengan nama TWARON. Berdasarkan data produsen, material ini menggunakan seribu atau lebih  filament  yang dipintal ( spun) yang bertindak sebagai penyerap energi yang dihasilkan oleh peluru dan mentransmisikannya ke serat di sekitarnya. Karena penggunaan  filament  yang lebih banyak ini menyebabkan proses penyerapan dan transmisi energi berlangsung lebih cepat. Akzo Nobel juga mengklaim bahwa adanya teknologi microfilament  memungkinkan penyerapan energi maksimum dengan berat yang minimum sekaligus meningkatkan kenyamanan dan fleksibilitas. Jenis serat lain yang digunakan untuk memproduksi armor  adalah Dyneema yang berasal dari Belanda. Material ini memiliki sifat strength-to-weight ratio yang sangat tinggi (sebuah serat Dyneema berdiameter 1 mm dapat menahan beban hingga 240 kg) namun tetap ringan hingga mampu mengapung di air serta memiliki karakteristik serapan energi yang besar. 8

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Proses Pembuatan Armor Pembuatan Armor Salah satu bahan dasar material anti peluru yang telah disebutkan di atas adalah serat Spectra. Serat Spectra merupakan salah satu dari fiber terkuat dan terringan yang dibuat manusia. Dibuat dari bahan dasar  polyethylene , untuk berat yang sama serat Spectra lima belas kali lebih kuat dari baja, lebih tahan lama dibanding  polyester , dan memiliki kekuatan spesifik 40 persen lebih besar dibandingkan serat aramid. Berbeda dengan proses pembuatan Kevlar, serat Spectra yang digunakan dalam pembuatan rompi anti peluru tidak dijalin ( not woven), melainkan benang-benang  polyethylene yang kuat diputar sedemikian rupa dengan gel-spinning process sehingga

menghasilkan serat yang paralel satu sama lain. Kemudian digunakan resin untuk melapisi serat, menyegel serat tersebut sehingga membentuk lembaran serat Spectra, membentuk kain tanpa jalin ( nonwoven cloth) yang ditumpuk di antara dua lapisan  polyethylene , untuk  kemudian dipotong sesuai aplikasi, misalnya dibentuk sesuai pola rompi balistik yang ingin diproduksi, untuk kemudian dijahit atau disusun sedemikian rupa sehingga menjadi rompi.

Gambar 8. Proses pembuatan armor [20]

9

M.Ekaditya Albar / 1106154305

Referensi:

[1]

Zulfia, Anne. 2010. Kuliah Material Komposit . Teknik Metalurgi dan Material, Universitas Indonesia.

[2]

Tong L., Bannister M. K. 2002. 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.

[3]

Callister, William D. 2007.   Materials Science and Engineering: An Introduction 7 

th

 Edition. John Wiley & sons, Inc.

[4]

Daniel Bürger.   Ballistic impact simulation of an armour-piercing projectile on hybrid  ceramic/fiber

reinforced

composite

armours . International Journal of Impact

Engineering Engineering 43, 63-77. [5]

Ernest S.C. Chin. 1999.   Army focused research team on functionally graded armor  composites . Materials Science and Engineering A259, 155 – 161. 161.

[6]

National Institute of Justice Report.   A History of Body Armor - Bullet Proof Vests. http://inventors.about.com/library/inventors/bl http://inventors.abou t.com/library/inventors/blforensic3.htm#ma forensic3.htm#materials terials

diakses

pada

tanggal 4 Maret 2011 pukul 21.57 WIB. [7]

F. R. Jones. 1994.   Handbook of Polymer-Fibre Composites . Addison-Wesley Longman.

[8]

Askeland, Donald R. 2006. The Science and Engineering of Materials . Thomson: Toronto

[9]

DE VANZARE MATERIAL KEVLAR KEVLAR KM2 SAU KEVLAR K29 PARAARAMID.

http://bazar.elforum.ro/61-de-vanzare-material http://bazar.elf orum.ro/61-de-vanzare-material-kevlar-kevlar-km2-sau-kevlar-kevlar-km2-sau-

kevlar-k29-paraaramid/details.html diakses pada tanggal 5 Maret 2011 pukul 11.03 WIB. [10] J.A. Bencomo-Cisneros. 2011. Characterization of Kevlar- 29 fibers by tensile tests and  nanoindentation . Journal of o f Alloys and Compounds. Co mpounds.

[11] R. F. Floral and S. T. Peters. 1989. Composite Structures and Technologies . Tutorial notes. [12] Jeng-Shyong Lin. 2002.   Effect of surface modification by bromination and metalation on Kevlar fibre-epoxy adhesion . European Polymer Journal 38, 79-86.

[13] Lee-Sulivan P, Chian KS, Yue CY, Looi HC. 1994.   Effect of bromination and  hydrolysis treatments on the morphology and tensile properties of Kevlar-29 fibres .

J.Mater Sci Lett 13, 305-9. [14] Breznick M, Banbaji J, Guttmann H, Marom G. 1987. Surface treatment technique for  aramid fibres. Polym Commun 28, 55-6.

10

M.Ekaditya Albar / 1106154305

[15] Benrashid R, Tesoro GC.   Effect of surface  –   – limited limited reactions on the properties of  Kevlar fibres. Textile Res J 60, 334-344.

[16] Wu GM, Hung CH, Lu JC. 1999.   Effect of plasma treatment on high performance  fibres for composites. SAMPE 44, 1090-7.

[17] Takayanagi M, Katayose T. 1981.   N-Subtituted poly p-phenylene terephthalamide. J Polym Sci Polym Chem Ed 19, 1133-45. [18] Yu Z, Ait-Kadi A, Brisson J. 1991. Polym Eng Sci 31, 1222. [19] A

History

of

Body

Armor

-

Bullet

Proof

Vests.

http://inventors.about.com/library/inventors/blforensic3.htm diakses pada tanggal 4 Maret 2011 pukul 22.00 WIB. [20] http://www.bodyarmornews.com/bulletproof-vests.htm diakses pada tanggal 4 Maret 2011 pukul 22.15 WIB.

11