Plastik Diberat Serat (FRP): Manfaat, Aplikasi, dan Sifat Kunci

Hari ini, penggunaan plastik diberat serat dalam produk dan aplikasi sangat tinggi karena berbagai sifatnya. Mereka adalah kelas material baru yang relatif tidak korosif, kuat, dan ringan. Komponen utamanya adalah plastik yang mengandung serat seperti kaca (dalam fiberglass), karbon (dalam polimer diperkuat serat karbon), aramid, atau basal. Serat lain seperti kertas, kayu, atau asbes juga digunakan namun tidak umum.

Plastik diberat serat atau polimer (FRP) umum digunakan dalam industri penerbangan, otomotif, laut, dan konstruksi. Semua ini akan dijelaskan lebih lanjut dalam artikel ini.

Hari ini kita akan membahas secara mendalam tentang definisi, aplikasi, komponen, sifat, jenis, proses pembentukan, dan persyaratan material plastik diberat serat. Kami juga akan mengetahui keuntungan dan kerugiannya.

Apa itu plastik diberat serat?

Plastik diberat serat (FRP), juga disebut polimer diberat serat, dikategorikan sebagai plastik komposit yang khusus menggunakan material serat untuk secara mekanis meningkatkan elastisitas dan kekuatan plastik. Mereka terdiri dari matriks polimer, yaitu plastik asli (biasanya tahan tawas tetapi lemah). Material dicampur dengan material penguat untuk menghasilkan produk akhir dengan sifat material atau mekanis yang diinginkan. Mari kita pahami ini secara detail!

Secara konvensional, polimer umumnya terbentuk melalui proses polimerisasi atau polimerisasi penambahan. Ini dapat digabungkan dengan berbagai agen untuk meningkatkan atau meningkatkan sifat materialnya, yang kemudian dapat disebut sebagai plastik. Plastik komposit adalah jenis plastik yang dihasilkan dari dua atau lebih material homogen dengan sifat material yang berbeda untuk mendapatkan produk akhir dengan sifat material dan mekanis tertentu yang diinginkan. Contoh yang baik dari plastik komposit adalah plastik diberat serat karena material serat digunakan untuk secara mekanis meningkatkan kekuatan dan elastisitas plastik. Polimer biasanya adalah vinil ester, atau plastik termoestable polyester, epoksi, fenol-formaldehid juga digunakan.

Aplikasi plastik diberat serat

Berikut adalah aplikasi FRP di berbagai bidang.

Industri otomotif

Plastik diberat serat telah menjadi pengganti logam dalam badan mobil mewah modern dan truk serta sisi badan trailer. Ini karena mereka hampir sama kuatnya tetapi berat yang berbeda, selain itu, rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi adalah grail suci untuk industri otomotif. FRP memiliki titik retak lebih tinggi dari baja dan merupakan material yang kuat, kaku, dan ringan yang meningkatkan konsumsi bahan bakar sambil meningkatkan kecepatan. Material dengan mudah dicetak untuk membentuk komponen yang diinginkan. Penggunaan plastik komposit ini sangat tinggi dalam bidang ini.

Sebuah jenis plastik diberat serat, seperti FRP kaca digunakan untuk komponen mesin seperti intake manifold. Ini mengurangi beratnya hingga 60% dan merapihkan desain. Meskipun, FRP kaca lebih lemah dan dapat dengan mudah dibengkokkan dibandingkan dengan FRP karbon.

Barang konsumen

Hari ini dalam kehidupan sehari-hari, lebih mudah untuk mengangkat peralatan, terutama untuk atlet. Ini karena karbon dan plastik diberat serat lainnya digunakan untuk membuat barang. Hampir 6% FRP digunakan untuk memproduksi barang konsumen. Barang lain seperti alat musik atau komponennya, senjata api, tenda kemah, dan tripod kamera juga telah mendapat manfaat dari material ini.

Perlindungan

Material dengan resistensi panas dan dampak yang sangat tinggi dihasilkan, ketika senyawa yang dikenal sebagai aramid digunakan dalam FRP. Kekuatan mekanis yang luar biasa diperoleh saat digunakan. Itulah mengapa sempurna untuk membuat baju pelindung peluru dan tahan api, kendaraan pelindung ledakan, dan struktur.

Industri konstruksi

Bidang konstruksi telah mengambil sekitar 20% plastik diberat serat termasuk jembatan dan jalan raya. Aplikasi FRP dalam konstruksi dapat digunakan untuk meretrofit plat, kolom, atau balok struktur yang ada. Ini meningkatkan kapasitas penahan beban atau memperbaiki kerusakan. Plastik diberat serat sangat hemat biaya dan berguna ketika datang untuk melengkapi struktur lama yang menahan beban jauh lebih besar daripada yang dirancang untuk menghadapi.

FRP juga digunakan untuk memproduksi struktur jalan raya seperti papan pengarah, pengaman, sistem drainase, dan dek jembatan. Jalur langit, tiang utilitas, dan pipa gas, air, dan riol juga mendapat manfaat dari material ini. FRP mungkin sempurna untuk membangun rumah pabrikasi, namun populer digunakan untuk mebel kantor rumah dan bisnis, peralatan rumah tangga, kolam renang, saluran air hujan, peralatan kamar mandir, dan fitting serta hood pipa.

Industri tenaga listrik

Diperkirakan, permintaan FRP diharapkan tumbuh lebih dari 300% dalam aplikasi industri dan energi. Khususnya dalam komponen elektronik dan listrik.

Sebagian besar FRP adalah pengisol listrik yang baik, menahan kimia lingkungan yang kasar termasuk yang korosif, dapat menahan degradasi karena panas. Selain itu, relatif tidak mudah terbakar, memiliki integritas struktural yang baik, dan bahkan dapat menahan radiasi ultraviolet. FRP kaca non-magnetik dan juga dapat menahan percikan api, membuatnya berguna dalam komponen daya.

Terakhir, plastik diperkuat digunakan untuk membangun daun turbin angin dan untuk modul penyimpanan tangki gas.

Aplikasi penerbangan

Aplikasi FRP di bidang penerbangan meningkat karena biaya lingkungan yang lebih rendah dan perkembangan lebih lanjut. Serat karbon dalam FRP mengurangi berat sebesar 25% namun memastikan kekuatan sama atau lebih besar dibandingkan dengan lembaran aluminium. Mereka menawarkan kekuatan tarik yang baik dan dapat menahan lingkungan yang keras serta suhu sangat tinggi. Meskipun, mereka sedikit mengembang dengan panas dan memiliki kekakuan tinggi.

Aplikasi FRP di industri penerbangan awalnya mahal, namun tetap menghemat lebih banyak uang karena setiap gram berat tambahan dihindari karena efek pada konsumsi bahan bakar, panjang perjalanan, dan biaya, keamanan aerodinamik, dll.

Dengan FRP karbon, bagian kompleks dapat dengan mudah dicetak, mengurangi jumlah bagian dengan menakjubkan 95%. Ini membuat produksi lebih sederhana, lebih murah, dan lebih cepat dibandingkan dengan material lain seperti baja atau aluminium cor. Pesak raksasa modern terdiri dari lebih dari 50% FRP karbon, bagian seperti daun rotor helikopter pada dron kelas atas juga semakin banyak terbuat dari material ini.

Infrastruktur laut

Polimer diperkuat serat telah menjadi pengganti ideal untuk kayu, pada kapal, atau di lingkungan pesisir laut. Ini membantu untuk mendapatkan berat struktural yang berkurang dan meningkatkan resistensi korosi. Aplikasi lainnya termasuk causeway melayang dan platform untuk basis laut dan jembatan gulung.

Komposisi material komposit

Berikut adalah komponen yang membentuk plastik diberat serat.

Serat:

Serat yang dipilih biasanya mengontrol sifat material komposit. Tiga jenis serat utama yang digunakan dalam konstruksi meliputi karbon, kaca, dan aramid. Sering dinamai berdasarkan serat penguat, misalnya, CFRP untuk Carbon Fibre Reinforced Polymer. Sifat paling umum dan penting yang membedakan jenis serat adalah regangan tarik dan kekakuan.

Matriks

Matriks dapat mentransfer gaya antara serat dan akan melindunginya dari efek yang merugikan. Resin termoestable hampir eksklusif digunakan dalam situasi ini. Matriks paling umum adalah vinilester dan epoksi. Baik. Epoksi sering diutamakan di atas vinilester namun juga lebih mahal. Matriks epoksi memiliki umur pot sekitar 30 menit pada 20 derajat Celsius namun dapat diubah dengan formulasi berbeda. Ini memiliki kekuatan, perekat, sifat creeping, dan resistensi kimia yang baik.

Selain itu, material plastik asli tanpa penguat serat dikenal sebagai matriks atau agen pengikat. Matriks ini adalah plastik yang tahan dan juga relatif lemah yang diperkuat oleh filamen atau serat penguat yang lebih kuat dan lebih kaku. Tingkat kekuatan dan elastisitas yang ditingkatkan dalam plastik diberat serat tergantung pada sifat mekanis baik matriks maupun serat. Volume mereka satu sama lain, serta panjang dan orientasi serat dalam matriks juga dipertimbangkan. Penguatan matriks terjadi menurut definisi ketika material FRP menunjukkan peningkatan kekuatan atau elastisitas relatif terhadap kekuatan dan elastisitas matriks sendirian.

Sifat umum plastik diberat serat

Seperti yang disebutkan sebelumnya, karakteristik plastik diberat serat tergantung pada faktor-faktor seperti sifat mekanis matriks dan serat. Volume keduanya dan panjang mereka, serta orientasi serat dalam matriks.

Alasan FRP banyak dipertimbangkan adalah karena beratnya rendah namun sangat kuat, dan memiliki kelelahan yang baik. Juga, sifat dampak dan kompresinya adalah alasan unik. Itulah mengapa industri otomotif dapat mengganti logam dengan material yang lebih ringan untuk tidak hanya membuat mobil lebih kuat tetapi juga lebih cepat dan hemat bahan bakar.

Plastik diberat serat juga menunjukkan sifat listrik yang khas dan resistensi lingkungan yang tinggi, bersama dengan isolasi termal yang baik, integritas struktural, ketahanan api, stabilitas radiasi UV, dan resistensi terhadap kimia dan korosif. Baik, semua ini telah disebutkan di atas.

Persyaratan material atau material serat umum

Berikut adalah serat yang digunakan untuk mendapatkan jenis polimer diperkuat tertentu.

Kaca:

kaca yang berfungsi sebagai pengisol yang baik membentuk fiberglass atau plastik diperkuat kaca ketika digabungkan dengan matriks. Plastik diperkuat dengan kaca bermanfaat untuk industri tenaga listrik karena mereka tidak memiliki medan magnet dan tahan terhadap percikan listrik. Mereka dimasukkan ke dalam intake manifold mesin di mana mereka menawarkan penurunan berat sebesar 60% dibandingkan dengan manifold aluminium cor. Terakhir, kualitas permukaan yang ditingkatkan dan aerodinamika diperoleh untuk material ini.

FRP kaca juga telah digunakan pada pedal gas dan kopling mobil karena dapat dicetak menjadi satu unit. Serat diorientasi sedemikian rupa sehingga mendukung tegangan spesifik, meningkatkan daya tahan dan keamanan. Namun, material diperkuat ini tidak kuat, kaku, atau rapuh seperti material diperkuat serat karbon. Produksinya dapat mahal.

Karbon

Material serat karbon menunjukkan kekuatan tarik tinggi, resistensi kimia, kekakuan, dan toleransi suhu. Atom karbon membuat kristal yang terletak sepanjang sumbu serat, yang membantu memperkuat material dengan meningkatkan rasio kekuatan terhadap volume. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, plastik diperkuat serat karbon digunakan dalam barang olahraga, layang-layang, tongkat pancing, dll.

FRP karbon telah dimasukkan ke dalam timbal rudal Airbus A310, yang telah membantu mengurangi jumlah komponennya sebesar 95%. Bagian cetak sederhana telah mengurangi biaya produksi dan biaya operasional. Sekarang mereka 25% lebih ringan daripada yang dihasilkan dengan lembar aluminium, yang membuatnya lebih hemat bahan bakar.

Aramid

Aramid diklasifikasikan sebagai poliamida sintetik yang dibentuk dari monomer aromatik (molekul berbentuk cincin). Ini menunjukkan resistensi panas yang kuat, itulah mengapa digunakan untuk pakaian pelindung peluru dan tahan api.

Aramid umumnya disiapkan oleh reaksi antara grup amina dan grup halida asam karbosilat (aramid). Ini ada ketika poliamida aromatis di spinning dari konsentrasi cair asam sulfat menjadi serat kristal. Serat kemudian di spinning menjadi benang yang lebih besar untuk menjalin tali besar atau kain benang. Serat aramid dapat diproduksi dengan grade yang bervariasi berdasarkan kekuatan dan kekakuan, sehingga material dapat memenuhi persyaratan desain spesifik, seperti memotong material yang keras selama manufaktur.

Jenis polimer diperkuat serat (FRP)

Berikut adalah jenis utama polimer diperkuat serat.

Polimer diperkuat serat kaca (GFRP)

Serat kaca terbuat dari pasir silica, batu kapur, asam folat, dan beberapa bahan kecil lainnya yang dicampur. Campuran ini dipanaskan hingga meleleh pada sekitar 1260⁰C. Kaca cair diizinkan mengalir melalui lubang halus di piring platina. Benang kaca diturunkan suhu, dikumpulkan, dan digulung. Serat kemudian dapat ditarik untuk meningkatkan kekuatan dimensinya. Kemudian dijalin dalam berbagai bentuk untuk digunakan dalam komposit.

Serat yang dihasilkan dari kaca dianggap sebagai penguat utama untuk komposit matriks polimer, berdasarkan komposisi aluminosilikat bor. Ini karena sifat isolasi listrik yang tinggi, sifat mekanis yang tinggi, dan kerentanan rendah.

Secara umum, kaca adalah serat tahan dampak yang baik namun lebih berat dari karbon atau aramid. Serat kaca memiliki karakteristik yang baik sama dengan atau lebih baik dari baja dalam bentuk tertentu.

Batang Polimer diperkuat Serat Kaca

Polimer diperkuat serat karbon (CFRP)

Dalam polimer diperkuat serat karbon atau plastik, modulus elastisitas sekitar 200-800 GPa adalah pasti. Regangan ekstrem adalah 0,3-2,5 % di mana regangan yang lebih rendah sesuai dengan kekakuan yang lebih tinggi dan sebaliknya.

Serat karbon tahan terhadap banyak larutan kimia dan tidak menyerap air. Mereka juga dapat menahan kelelahan dengan baik dan tidak korosif maupun menunjukkan creeping atau relaksasi.

Batang Polimer diperkuat Serat Karbon

Polimer diperkuat serat aramid (AFRP)

Aramid juga dikenal sebagai poliamida aromatik. Merek dagang terkenal dari serat aramid disebut Kevlar namun ada produk lain seperti Twaron, Technora, dan SVM. Modulus serat bervariasi dari 70-200 GPA dengan regangan akhir 1,5-5% tergantung pada kualitas. Aramid memiliki energi retakan tinggi, itulah mengapa dapat digunakan untuk helm dan pakaian pelindung peluru.

AFRP sensitif terhadap suhu tinggi, kelembaban, dan radiasi UV dan tidak umum dalam aplikasi teknik sipil. Terakhir, serat aramid memiliki masalah dengan relaksasi dan korosi stres.

Sifat Berbagai Jenis FRP Dibandingkan dengan Baja

Proses pembentukan plastik diperkuat serat

Sebagian besar bagian plastik diperkuat serat dibuat dengan cetakan atau alat. Cetakan yang digunakan dapat berupa cetakan konveks atau cetakan cekung, atau bagian dapat sepenuhnya tertutup dengan cetakan atas atau bawah. Namun, struktur kaku biasanya digunakan untuk menentukan bentuk komponen FRP. Bagian dapat diletakkan pada permukaan datar yang dikenal sebagai “caul plate” atau pada struktur silindris yang disebut “mandrel”.

Proses cetakan plastik diperkuat serat dilakukan dengan menempatkan preform serat pada atau dalam cetakan. Preform serat ini dapat berupa serat kering atau serat yang sudah mengandung jumlah resin yang diukur yang dikenal sebagai “prepreg”. Serat kering dibasahi dengan resin secara manual atau resin diinjek ke dalam cetakan tertutup. Pada titik ini, bagian dikurasi, sehingga matriks dan serat tepat sesuai dengan bentuk cetakan. Cara lain resin dikurasi dan bagaimana meningkatkan kualitas bagian akhir adalah dengan menggunakan panas dan/atau tekanan.

Tonton video di bawah untuk mempelajari lebih lanjut tentang proses pembentukan plastik diperkuat serat:

Berikut adalah berbagai metode pembentukan plastik diperkuat serat.

Pembentukan kantung udara:

Proses pembentukan ini adalah ketika lembar individu dari bahan prepreg ditumpuk dan ditempatkan dalam cetakan gaya wanita bersama dengan kantung udara seperti balon. Cetakan kemudian akan ditutup dan ditempatkan dalam press dipanaskan. Terakhir, kantung udara dipresur menggerakkan lapisan material terhadap dinding cetakan.

Pembentukan kompresi:

Bagian yang dicetak kompresi dikenal sebagai plastik diperkuat serat. Jadi, ketika bahan baku seperti blok plastik, blok karet, lembar plastik, atau granulat, disebut demikian. Preform plastik yang digunakan dalam pembentukan kompresi tidak mengandung serat penguat. Dalam pembentukan ini, preform atau charge SMC atau BMC ditempatkan ke dalam rongga cetakan. Cetakan kemudian ditutup dan material dibentuk dan dikurasi di dalam menggunakan panas dan tekanan. Pembentukan kompresi dikenal karena detailnya yang luar biasa untuk bentuk geometris yang berkisar dari detail pola dan reliief hingga kurva kompleks dan bentuk kreatif, hingga rekayasa presisi.

Autoclave dan kantung vakum:

Setiap lembar bahan prepreg ditumpuk dan ditempatkan dalam cetakan terbuka, yang kemudian dilapisi dengan film pelepasan, bahan breather atau bleeder, dan kantung vakum. Vakum ditarik pada bagian dan cetakan ditempatkan ke dalam autoclave, juga dikenal sebagai wadah tekanan panas. Bagian dikurasi dengan vakum kontinu untuk mengekstrak gas yang terperangkap dari laminasi. Proses ini umum di industri penerbangan karena menawarkan kontrol yang tepat atas cetakan karena siklus pengkuresan yang panjang dan lambat. Waktu bervariasi dari satu hingga beberapa jam. Kontrol presisi ini membantu menciptakan bentuk geometris laminasi yang tepat yang diperlukan untuk memastikan kekuatan dan keamanan di industri penerbangan. Namun, ini lambat dan memerlukan tenaga kerja yang intensif, artinya biaya sering membatasinya pada industri penerbangan.

Pembungkusan mandrel:

Dalam proses pembentukan plastik diberat serat ini, lembar bahan prepreg dibungkus di sekitar mandrel baja atau aluminium. Bahan prepreg ini dikompresi dengan selotep cello polipropilena atau nylon. Bagian dikurasi secara batch dengan kantung vakum dan digantung dalam oven. Setelah melakukan kures, selotep cello dan mandrel dihilangkan meninggalkan tabung karbon rongga. Ini membantu menciptakan tabung karbon rongga yang kuat dan kokoh.

Lapisan basah:

Proses pembentukan ini menggabungkan penguat serat dan matriks saat mereka ditempatkan pada alat pembentukan. Lapisan serat penguat ditempatkan dalam cetakan terbuka, yang kemudian disaturasi dengan resin basah dengan mengalirkaninya di atas kain dan mengerjakannya ke dalam kain. Cetakan akan dibiarkan untuk beberapa waktu sehingga resin akan dikurasi, biasanya pada suhu ruangan. Meskipun panas kadang-kadang dapat digunakan untuk memastikan dikurasi dengan benar. Kantung vakum digunakan untuk mengompresi lapisan basah. Serat kaca adalah yang paling umum untuk proses ini, yang hasilnya dikenal sebagai fiberglass. Digunakan untuk membuat produk seperti ski, kanu, papan selancar, dll.

Cetakan transfer resin:

Proses pembentukan plastik diperkuat serat ini juga disebut infusi resin. Kain diletakkan ke dalam cetakan ke dalamnya resin basah diinjek. Resin biasanya dipresur dan dipaksa ke dalam rongga yang berada di bawah vakum dalam cetakan transfer resin. Resin sepenuhnya ditarik ke dalam rongga di bawah vakum dalam cetakan transfer resin dengan bantuan vakum. Proses ini memastikan toleransi yang tepat dan pembentukan detail. Meskipun terkadang gagal untuk menyaturasi kain sepenuhnya mengakibatkan titik-titik dalam bentuk akhir.

Pengilingan filamen:

Dalam proses ini, ada mesin yang menarik ikatan serat melalui kolam basah resin dan dililit di atas mandrel baja yang berputar dalam orientasi tertentu. Bagian dikurasi pada suhu ruangan atau suhu yang ditingkatkan. Mandrel diambil, meninggalkan bentuk geometris akhir, meskipun dibiarkan dalam beberapa situasi.

Pendetaran:

Ikatan serat dan kain silter ditarik melalui kolam basah resin yang kemudian membentuk bentuk bagian kasar. Material yang disaturasi dieluarkan dari cetakan tertutup yang dipanaskan, yang dikurasi sambil ditarik secara kontinu melalui cetakan. Sebagian besar produk akhir pendaran adalah bentuk struktural, misalnya balok I, sudut, saluran, dan lembar datar. Material dapat digunakan untuk membuat semua jenis struktur fiberglass seperti tangga, sistem tangan tangga, tangki, platform, pipa, dan dukungan pompa.

Pistol pemotong:

Benang kontinu fiberglass didorong melalui pistol tangan yang baik memotong benang dan menggabungkannya dengan resin yang dikatalis seperti polyester. Kaca yang diimpregnasi pemotong kemudian ditembakkan ke permukaan cetakan dengan ketebalan dan desain yang sesuai yang dipikir oleh operator manusia. Proses pistol pemotong ideal untuk produksi besar dengan biaya ekonomis, namun menghasilkan bentuk geometris dengan kekuatan yang lebih rendah dibandingkan proses cetakan lain dan memiliki toleransi dimensi yang buruk.

Kelebihan dan kekurangan plastik diperkuat serat

Kelebihan:

Berikut adalah keuntungan plastik diperkuat serat dalam berbagai aplikasinya.

• FRP memiliki kekuatan tinggi
• Mereka memiliki modulus elastisitas yang tinggi
• Mereka lebih ringan
• Resistensi tinggi terhadap kegagalan kelelahan adalah manfaat luar biasa lainnya.
• Mereka memiliki resistensi korosi yang baik.
• Kekakuan adalah manfaat luar lainnya dari FRP karena hingga 3,3 kali lebih kaku dari kayu dan tidak akan merubah bentuk secara permanen di bawah beban kerja.
• Resistensi terhadap busuk dan serangga.
• Produk akhir dari plastik diperkuat serat dapat menarik, jadi mungkin tidak memerlukan cat, pewarna, dan lapisan pelindung.
• Fleksibilitas dalam proses pembuatan dan desainnya
• FRP adalah pengisol yang baik dengan konduktivitas termal rendah.
• Jenis fiberglass FRP tahan lentur, artinya, material memiliki finishing yang keras.
• Perawatan dan pemasangan FRP lebih rendah, meskipun baja tahan karat memiliki biaya material awal yang lebih rendah daripada plastik diperkuat serat.

Kekurangan:

Meskipun manfaat luar dari plastik diperkuat serat, beberapa keterbatasan masih terjadi. Berikut adalah kekurangan FRP.

• Kekuatan mereka dalam arah tegak lurus terhadap serat sangat rendah (hingga 5%) dibandingkan dengan kekuatan sepanjang panjang serat.
• Desain Material dapat kompleks
• Pengujian dan manufaktur komponen FRP sangat spesialisasi.

Kesimpulan

Dalam artikel ini, Anda telah mempelajari tentang plastik diperkuat serat, definisinya, aplikasi, komponen komposit, dan persyaratan material. Kami juga membahas berbagai jenis, proses pembentukan, serta keuntungan dan kekurangan plastik diperkuat serat.

Saya harap Anda menikmati pembacaan, jika demikian, mohon berikan komentar pada bagian favorit Anda dari artikel ini. Dan jangan lupa untuk membagikan artikel ini dengan mahasiswa teknik lainnya, mungkin akan bermanfaat bagi mereka. Terima kasih!