Mengenal Kevlar, Serat Buatan Berkarakter Ringan Namun Lebih Kuat Dari Baja

Posted by bahankain | February 04, 2023

Kevlar merupakan serat buatan dalam kelompok poliamida aromatik. Komposisi kimia poliamida aromatik (aramid) dan sifat unik serat kevlar menjadi faktor pembeda dari serat buatan lain.

Serat kevlar kekuatan, modulus dan ketahanan tinggi terhadap zat kimia serta stabilitas termal. Kevlar dimanfaatkan dalam sektor industri dan teknologi canggih guna memenuhi kebutuhan konsumen.

Kevlar dikembangkan oleh dua ilmuwan dari perusahaan DuPont yaitu Stephanie Kwolek dan Herbert Blades pada tahun 1965. Kwolek menjadi pemimpin kelompok riset DuPont dalam upaya pengembangan serat baru yang ringan namun kuat sebagai material ban.

Saat bekerja di laboratorium Wilmington ia mencoba menghilangkan salah satu polimer dan sesuatu aneh pun terjadi. Kwolek melaporkan bahwa larutan polimer molase tidak memiliki warna alias transparan. Sehingga larutan keruh dengan viskositas rendah akan dibuang.

Namun Charles Smullen, seorang teknisi yang menjalankan mesin pemintalan membujuk Kwolek untuk menguji larutan itu. Mereka pun dibuat takjub melihat fakta jika serat baru ini tidak pecah ketika dipintal.

Setidaknya butuh waktu enam tahun untuk memproduksi Kevlar secara komersial dan dipasaran.

DuPont Textile Fibers Pioneering Research Laboratory. Dari kiri ke kanan: Dr. Paul Morgan, Dr. Herbert Blades, and Stephanie Kwolek. Courtesy of DuPont

Proses Pembuatan Serat Kevlar

Poly-phenylene terephthalamide atau serat PPTA merupakan nama lain kevlar. Berikut rangkaian proses pemintalan serat Kevlar dengan mekanisme dry-jet wet-spinning.

1. Pertama-tama PPTA disintesis dengan kondensasi dari terephthaloyl chloride (TCl) dan p-phenylene diamine (PPO) dalam campuran larutan hexamethy phosphoramide (HMPO) dan n-methyl pyrrolidone (NMP).

2. Polimer tersebut ditambahkan ke asam sulfat pekat untuk membuat larutan 20% dan diekstrusi melalui spinneret pada suhu 100 °C (menghasilkan serat standar) dan suhu 70-90 °C (hasilkan serat berkekuatan tinggi.

3. Larutan serat akan melalui sekitar 1,0 cm atau 0,5 cm celah udara ke dalam air dingin yang dipertahankan antara 0 dan 5°C. Lubang spinneret tersebut berdiameter 0,05-0.10mm.

Selain variasi koagulasi, sifat-sifat serat juga dipengaruhi proses spin stretch factor (SSF). Yaitu rasio kecepatan serat meninggalkan rendaman pembekuan dari spinneret. Ketahanan dan modulus serat akan meningkat jika kecepatan SSF juga dinaikkan (umumnya sekitar 50 m/min).

Sifat serat bisa ditingkatkan dengan perlakuan panas di bawah tekanan pada kisaran suku 450-550 °C selama beberapa detik setelah dicuci dan dikeringkan. Proses pembuatan serat Kevlar menggunakan mekanisme pemintalan basah dengan celah udara kecil atau dry-jet wet-spinning.

Celah udara menjaga sirkulasi pada suhu tinggi (70-100°C) dibanding bak koagulasi. Hal tersebut mengarah pada orientasi lebih tinggi. Berikut skema jajaran domain kristal cair dalam dry-jet wet-spinning. Rantai Kevlar relatif kaku dan cenderung membentuk lembaran planar, mirip dengan sutra.

Ketika dipintal, rantai Kevlar akan mengunci ikatan-H dan membentuk lembaran dengan kekuatan tarik yang sangat tinggi. Hal tersebut memungkinkan interaksi tambahan antara kelompok aromatik antar permukaan untuk meningkatkan kekuatan seluruh serat.

Struktur molekul Kevlar (tebal mewakili unit monomer, garis putus-putus menunjukkan ikatan hidrogen).

Serat Kevlar mempunyai rantai panjang yang sangat berorientasi hampir sepenuhnya berbentuk kristal berstruktur sumbu teratur. Molekul-molekul membentuk lembaran planar kaku dengan molekul-molekul sejajar yang berikatan hidrogen.

Sifat Mekanik, Fisik, Kimia Serat Kevlar

Berikut jenis serat Kevlar dan masing-masing karakteristiknya:

1. Kevlar K29 – diaplikasikan pada industri kabel, penggantian asbes, lapisan rem, dan pelindung tubuh / kendaraan.

2. Kevlar K49 – modulus tinggi yang digunakan dalam produk kabel dan tali.

3. Kevlar K119 – elongasinya tinggi, fleksibel, dan lebih kuat.

4. Kevlar K129 – ketahanan tinggi untuk aplikasi balistik.

Dengan ketahanan panas yang dimilikinya, serat Kevlar diterapkan pada pakaian tahan api dan isolator yang baik. Serat kevlar tahan terhadap pelarut organik dan larutan alkali, kurang tahan terhadap asam, seperti asam sulfat dalam mekanisme pelarutan sebelum proses pintal.

Keunggulan dan kelemahan

Keunggulan utama Aramid diantaranya yaitu:

1. Berkekuatan tinggi tetapi beratnya rendah.

2. Dapat dimanfaatkan sebagai komposit dengan karet mempertahankan fleksibilitasnya.

3. Modulus tarik tinggi dan kerusakan serat rendah

4. Ketahanan zat kimia menjadikan serat ini pilihan yang tepat untuk bagian struktural komposit berbeda dalam berbagai aplikasi.

Akan tetapi serat Kevlar juga punya mempunyai beberapa kelemahan:

1. Ultraviolet dari sinar matahari dapat menurunkan dan menguraikan Kevlar. Sehingga material ini jarang diaplikasikan untuk kebutuhan luar ruangan tanpa perlindungan.

2. Kevlar kurang tahan terhadap sinar UV dan paparan luar ruangan lainnya. Perawatan harus dilakukan untuk melindunginya dari cahaya dengan menerapkan lapisan atau pewarnaan untuk meningkatkan manfaatnya.

3. Kevlar merupakan serat higroskopis (4-6%) yang bisa dihidrolisis dan menyebabkan kerusakan mekanis. Oleh sebab itu, serat in harus disimpan dan memakainya dalam kondisi kering.