Serat Kaca

Serat kaca atau glass fiber adalah bahan yang terdiri dari serat-serat kaca yang sangat halus.

Pembuat kaca sepanjang sejarah telah bereksperimen dengan serat kaca, tetapi produksi massal baru bisa dilakukan setelah diciptakannya peralatan mesin yang lebih presisi.
Pada tahun 1893, Edward Drummond Libbey memamerkan sebuah gaun di Pameran Dunia Kolumbia yang menggunakan serat kaca dengan diameter dan tekstur seperti serat sutra. Serat kaca juga bisa ditemukan secara alami, seperti pada material yang disebut “Rambut Pele”.

Rambut Pele, dan lensa tangan

Rambut Pele di bawah mikroskop

Glass wool, yang saat ini dikenal sebagai salah satu jenis “fiberglass“, diciptakan antara tahun 1932 dan 1933 oleh Games Slayter dari Owens-Illinois. Awalnya, material ini digunakan sebagai isolasi termal untuk bangunan. Fiberglass dipasarkan dengan nama dagang Fiberglas, yang kemudian menjadi nama generik. Serat kaca yang digunakan untuk isolasi termal dibuat khusus dengan bahan pengikat untuk menghasilkan kantung udara kecil. Hal ini membuat fiberglass menjadi material isolasi yang ringan dan efektif.

Secara umum, sifat mekanik serat kaca sebanding dengan serat lain seperti polimer dan serat karbon. Meskipun tidak sekaku serat karbon, serat kaca jauh lebih murah dan tidak mudah patah saat digunakan dalam material komposit.
Komposit yang diperkuat serat kaca banyak digunakan dalam industri kelautan dan perpipaan karena memiliki ketahanan lingkungan yang baik, toleransi kerusakan yang lebih baik terhadap beban benturan, serta kekuatan dan kekakuan spesifik yang tinggi.

 

Pembuatan serat kaca


Serat kaca dibuat dengan cara menarik kaca cair menjadi filamen atau benang halus yang cocok untuk digunakan dalam tekstil. Tahukah Anda, teknik pembuatan serat kaca ini ternyata sudah ada sejak beribu-ribu tahun yang lalu! Orang Mesir dan Venesia diketahui sudah menggunakan teknik ini.

Sebelum digunakan untuk keperluan tekstil seperti sekarang, serat kaca dibuat dalam bentuk staple yaitu kumpulan serat pendek. Penemuan metode modern untuk memproduksi glass wool (serat kaca untuk isolasi) dipelopori oleh Games Slayter dari Owens-Illinois Glass Company pada tahun 1933.

Produksi komersial serat kaca pertama kali dilakukan pada tahun 1936. Pada tahun 1938, Owens-Illinois Glass Company dan Corning Glass Works bergabung membentuk Owens-Corning Fiberglas Corporation. Perusahaan inilah yang memperkenalkan serat kaca filamen kontinu, tidak seperti serat kaca staple yang berupa potongan pendek. Owens-Corning masih merupakan produsen serat kaca terbesar hingga saat ini.

 

Jenis serat kaca

Jenis serat kaca yang paling umum digunakan adalah E-glass, yaitu kaca alumino-borosilikat dengan kandungan alkali oksida kurang dari 1% berat. E-glass banyak digunakan untuk membuat plastik yang diperkuat serat kaca.

Jenis kaca lainnya yang digunakan untuk membuat serat kaca yaitu:

  • A-glass: Kaca alkali-lime dengan kandungan boron oksida sedikit atau tidak ada.
  • E-CR glass (Electrical/Chemical Resistance): Kaca alumino-lime silikat dengan daya tahan tinggi terhadap asam.
  • C-glass: Kaca alkali-lime dengan kandungan boron oksida tinggi, sering digunakan untuk serat kaca staple dan isolasi.
  • D-glass: Kaca borosilikat, dikenal karena nilai konstanta dielektrik yang rendah.
  • R-glass: Kaca alumino silikat tanpa MgO dan CaO, banyak digunakan untuk keperluan kekuatan.
  • S-glass: Kaca alumino silikat tanpa CaO tapi dengan kandungan MgO yang tinggi, memiliki kekuatan tarik yang tinggi.

Silika murni ( silikon dioksida) bisa digunakan sebagai serat kaca, namun membutuhkan temperatur yang sangat tinggi untuk diproses. Untuk menurunkan temperatur yang dibutuhkan, bahan lain ditambahkan sebagai fluks (penurun titik leleh).

Jenis kaca pertama yang digunakan untuk serat kaca adalah A-glass yang terbuat dari pecahan kaca biasa (soda lime glass).
E-glass merupakan jenis kaca selanjutnya yang bebas alkali dan bisa dibentuk menjadi filamen kontinu. Saat ini, E-glass menjadi jenis serat kaca yang paling banyak diproduksi dan digunakan.
S-glass atau R-glass digunakan ketika dibutuhkan serat kaca dengan kekuatan tarik yang tinggi, sering dipakai untuk pembuatan komposit pada konstruksi bangunan dan pesawat terbang.
C-glass dan T-glass memiliki ketahanan terhadap bahan kimia dan sering digunakan sebagai isolasi.

 

 

Kimia serat kaca


Komponen utama serat kaca untuk tekstil adalah silika (SiO2). Dalam bentuk murni, silika merupakan polimer (SiO2)n. Silika tidak memiliki titik leleh yang pasti, namun mulai melunak pada suhu 1200°C dan terurai pada suhu yang lebih tinggi. Pada 1713°C, sebagian besar molekul silika dapat bergerak bebas. Jika didorong dan didinginkan dengan cepat pada suhu ini, kaca tidak dapat membentuk struktur teratur.

 

Struktur kimia silika

Silika membentuk kelompok SiO4 yang tersusun seperti tetrahedron dengan atom silikon di tengah dan empat atom oksigen di sudutnya. Atom-atom ini kemudian membentuk jaringan yang terikat di sudut-sudutnya dengan berbagi atom oksigen.
Keadaan kaca (vitreous) dan kristal (crystalline) dari silika memiliki tingkat energi yang mirip pada tingkat molekul, menunjukkan bahwa bentuk kaca sangat stabil. Untuk mendorong kristalisasi, silika perlu dipanaskan pada suhu di atas 1200°C dalam waktu yang lama.
Meskipun silika murni bisa digunakan untuk membuat serat kaca, pemrosesannya membutuhkan suhu yang sangat tinggi. Untuk mengatasi hal ini, bahan lain ditambahkan sebagai pengotor ke dalam silika untuk menurunkan suhu kerja. Selain itu, bahan tambahan ini juga dapat memberikan sifat lain yang bermanfaat.

Jenis kaca pertama yang digunakan untuk serat kaca adalah kaca soda lime atau A-glass (disebut A karena mengandung alkali). Kaca ini kurang tahan terhadap alkali. Jenis kaca yang lebih baru dan bebas alkali (<2%) adalah E-glass, yaitu kaca alumino-borosilikat. C-glass dikembangkan untuk tahan terhadap bahan kimia, terutama asam yang dapat merusak E-glass. T-glass adalah varian C-glass dari Amerika Utara. Sedangkan AR-glass adalah kaca tahan alkali. Sebagian besar serat kaca memiliki kelarutan terbatas dalam air tetapi sangat tergantung pada pH. Ion klorida juga dapat menyerang dan melarutkan permukaan E-glass.

 

Titik lunak dan viskositas E-glass

E-glass tidak benar-benar meleleh tetapi melunak pada titik tertentu. Titik lunaknya didefinisikan sebagai “suhu di mana serat berdiameter 0,55–0,77 mm dan panjang 235 mm akan memanjang karena beratnya sendiri sebesar 1 mm/menit ketika digantung secara vertikal dan dipanaskan pada laju 5 °C per menit”.

Titik regangan (strain point) tercapai ketika kaca memiliki viskositas 10^14.5 poise. Titik anil (annealing point), yaitu suhu di mana tegangan internal berkurang ke batas komersial yang dapat diterima dalam 15 menit, ditandai dengan viskositas 10^13 poise.

 

Sifat serat kaca


Serat kaca memiliki berbagai sifat yang membuatnya berguna untuk berbagai macam aplikasi. Berikut beberapa sifat penting serat kaca:

Sifat termal (panas)

Bahan dari anyaman serat kaca memiliki manfaat sebagai isolator termal yang baik karena rasio luas permukaan terhadap beratnya yang tinggi. Namun, hal ini juga menjadikannya lebih rentan terhadap serangan bahan kimia. Blok-blok serat kaca dengan kantong-kantong udara di dalamnya menjadi isolator panas yang sangat efektif, dengan konduktivitas termal sekitar 0,05 W/(m·K).

Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu material untuk mentransfer panas melalui konduksi. Konduksi adalah perpindahan panas melalui kontak langsung antara dua material yang berbeda suhu. Semakin tinggi konduktivitas termal suatu material, semakin cepat panas berpindah melalui material tersebut.

Tabel contoh sifat beberapa jenis serat kaca

Jenis Serat Kaca Kekuatan Tarik (MPa) Kekuatan Tekan (MPa) Modulus Young (GPa) Densitas (g/cm3) Ekspansi Termal (µm/m·°C) Titik Lunak (°C) Harga ($/kg)
E-glass 3445 1080 76 2.58 5.8 846 ~2
C-glass 3300 69 2.49 7.2
S-2 glass 4890 1600 85.5 2.46 2.9 1056 ~20

 

Sifat mekanis

Kekuatan serat kaca biasanya diuji dan dilaporkan untuk serat “virgin” atau murni – yang baru saja diproduksi. Serat yang paling halus dan tipis adalah yang terkuat karena lebih elastis. Semakin banyak permukaan tergores, maka kekuatan tariknya akan semakin berkurang.

Karena serat kaca memiliki struktur amorf, sifatnya sama di sepanjang serat dan melintang serat. Kelembaban merupakan faktor penting dalam kekuatan tarik. Kelembaban mudah diserap dan dapat memperburuk keretakan mikroskopis dan cacat permukaan, sehingga mengurangi kekuatan serat.

Dibandingkan dengan serat karbon, serat kaca dapat mengalami perpanjangan lebih besar sebelum putus. Filamen yang lebih tipis dapat lebih jauh menekuk sebelum patah.

Viskositas kaca cair sangat penting untuk keberhasilan pembuatan. Selama proses drawing (penarikan), di mana kaca panas ditarik untuk mengurangi diameter serat, viskositas harus relatif rendah. Jika terlalu tinggi, serat akan putus saat ditarik. Namun, jika terlalu rendah, kaca akan membentuk tetesan alih-alih menjadi serat.

 

 

Proses pembuatan serat kaca


Ada dua metode utama dalam pembuatan serat kaca, yaitu berdasarkan jenis proses pelelehan dan jenis produk akhir.

 

Pelelehan (Melting)

  • Proses Pelelehan Langsung (Direct Melt): Bahan baku dicampur dan dilelehkan dalam tungku. Selanjutnya kaca cair langsung dialirkan ke bushing untuk dibentuk menjadi serat kaca.
  • Proses Pelelehan Marmer (Marble Remelt): Bahan baku dicampur dan dibentuk menjadi bongkahan padat seperti kelereng (marmer). Kemudian, bongkahan kaca tersebut dilelehkan kembali dalam tungku pelelehan tersendiri sebelum akhirnya dibentuk menjadi serat kaca.

 

Pembentukan Serat (Formation)

  • Bushing: Merupakan bagian terpenting dalam mesin pembuat serat kaca. Bushing terbuat dari logam tahan panas seperti campuran platinum dan rhodium. Fungsinya sebagai wadah pelelehan dan pendistribusian kaca cair ke nozel untuk dibentuk menjadi serat kaca.
  • Nozel: Merupakan lubang kecil pada bushing tempat keluarnya kaca cair untuk dibentuk menjadi serat. Desain nozel sangat penting, termasuk jumlahnya yang bisa mencapai 200 hingga 4000 buah. Ketebalan dinding nozel pada bagian ujung menjadi faktor penentu kecepatan pembentukan serat dan kemampuan kaca cair untuk mengalir dengan lancar.
  • Proses Penarikan Serat (Attenuation): Kaca cair yang keluar dari nozel membentuk tetesan dan kemudian ditarik menjadi serat kaca. Kecepatan penarikan mempengaruhi ketebalan serat kaca.
  • Sizing: Setelah ditarik, pada serat kaca diberikan lapisan sizing untuk melindungi serat selama proses penggulungan dan memberikan sifat tertentu sesuai penggunaan akhir.

 

Proses serat kontinu 

Proses ini digunakan untuk membuat serat kaca panjang dan terus menerus. Setelah ditarik dan diberi lapisan sizing, serat kaca digulung pada bobbin dengan kecepatan sekitar 1 km/menit.

 

Proses serat stapel 

Proses ini digunakan untuk membuat serat kaca pendek. Serat kaca yang keluar dari nozel ditiup atau dialiri oleh panas/uap air untuk kemudian dibentuk menjadi lembaran (mat). Proses yang umum digunakan adalah proses rotary, yaitu serat kaca dilempar secara horizontal menggunakan gaya sentrifugal lalu diikat dengan binder dan dikeringkan dalam oven.

 

 

Keamanan


Kontroversi keamanan serat kaca semakin populer setelah asbes dinyatakan sebagai penyebab kanker dan dihapus dari sebagian besar produk. Kekhawatiran terhadap keamanan serat kaca karena komposisinya yang mirip dengan asbes, keduanya merupakan serat silikat.

Studi keamanan serat kaca

  • Penelitian pada tahun 1970-an terhadap tikus menunjukkan bahwa serat kaca dengan diameter kurang dari 3 μm dan panjang lebih dari 20 μm bersifat “karsinogenik yang kuat”.
  • Badan International Agency for Research on Cancer pada tahun 1990 menyatakan bahwa serat kaca “masuk akal diduga bersifat karsinogenik”.
  • American Conference of Governmental Industrial Hygienists mengatakan bahwa bukti yang ada tidak cukup, dan menggolongkan serat kaca dalam kelompok A4: “Belum bisa diklasifikasikan sebagai karsinogen pada manusia”.

Perbedaan serat kaca dan asbes

  • Asosiasi Produsen Isolasi Amerika Utara (NAIMA) menyatakan bahwa serat kaca pada dasarnya berbeda dengan asbes. Serat kaca dibuat manusia, sedangkan asbes terbentuk secara alami.
  • NAIMA mengklaim bahwa serat kaca “larut dalam paru-paru”, sementara asbes tetap berada di dalam tubuh seumur hidup.
  • Meskipun keduanya terbuat dari filamen silika, NAIMA berpendapat bahwa asbes lebih berbahaya karena struktur kristalnya yang dapat terpecah menjadi bagian yang lebih kecil dan berbahaya. Mereka mengutip pernyataan dari Departemen Kesehatan dan Layanan Kemanusiaan Amerika Serikat:
    • Serat vitreous sintetis [fiberglass] berbeda dari asbes dalam dua hal yang mungkin setidaknya memberikan penjelasan sebagian untuk toksisitasnya yang lebih rendah. Karena sebagian besar serat vitreous sintetis tidak berbentuk kristal seperti asbes, mereka tidak terbelah memanjang untuk membentuk serat yang lebih tipis. Mereka umumnya juga memiliki biopersistensi yang jauh lebih sedikit dalam jaringan biologis dibandingkan dengan serat asbes karena mereka dapat mengalami pelarutan dan patah melintang.
  • Studi pada tahun 1998 menggunakan tikus menemukan bahwa biopersistensi serat sintetis setelah satu tahun adalah 0,04–13%, tetapi 27% untuk asbes amosite. Serat yang bertahan lebih lama ditemukan lebih bersifat karsinogenik.

Informasi mengenai keamanan serat kaca masih menjadi perdebatan. Meskipun ada penelitian yang menunjukkan potensi bahaya kesehatan, klasifikasinya sebagai karsinogen pada manusia belum final. Para produsen serat kaca berpendapat bahwa serat kaca berbeda dengan asbes dan memiliki efek kesehatan yang lebih rendah. Namun, kehati-hatian tetap diperlukan dalam penanganan serat kaca untuk menghindari paparan yang berlebihan.

 

 

Glass-reinforced plastic (fiberglass)


Glass-reinforced Plastic (GRP), yaitu material komposit yang terbuat dari plastik yang diperkuat dengan serat kaca halus.

GRP (Glass-reinforced Plastic) terdiri dari dua komponen utama:

  • Matriks plastik; biasanya berupa resin epoksi, poliester, atau vinil ester.
  • Serat penguat; terbuat dari serat kaca halus, bisa dalam bentuk lembaran woven fabric atau chopped strand mat (CSM).

Kedua komponen dalam GRP bekerja sama untuk saling menutupi kekurangan masing-masing, seperti pada material komposit lainnya (misalnya beton bertulang).

Resin plastik kuat menahan tekanan tekan (compressive), lemah menahan tekanan tarik (tensile). Serat kaca kuat menahan tekanan tarik (tensile), lemah menahan tekanan tekan (compressive). Dengan menggabungkan kedua material, GRP menjadi kuat menahan kedua jenis tekanan, baik tekan maupun tarik.

Serat kaca dapat disebarkan secara merata di seluruh material maupun ditempatkan secara khusus pada bagian struktur yang akan mengalami beban tarik.

 

Penggunaan


Serat kaca dikenal dengan kekuatan, ketahanan, dan sifat isolasinya yang baik, membuatnya menjadi material yang serbaguna. Berikut beberapa penggunaannya:

Isolasi

  • Insulasi termal: Pelapis atau kain yang terbuat dari serat kaca dapat menahan panas, sehingga ideal untuk digunakan sebagai isolator termal pada bangunan dan peralatan.
  • Insulasi listrik: Fiberglass dapat mencegah aliran listrik, membuatnya efektif sebagai isolator listrik pada kabel dan komponen elektronik.
  • Insulasi suara: Serat kaca dapat menyerap suara, berperan sebagai peredam kebisingan di dinding dan langit-langit.

Penguatan

  • Kain berkekuatan tinggi: Serat kaca dapat ditenun menjadi kain yang kuat dan ringan, cocok untuk layar kapal, balon udara, dan peralatan olahraga.
  • Bahan tahan panas dan korosi: Dengan sifatnya yang tahan panas dan korosi, serat kaca digunakan untuk memperkuat pipa, tangki, dan peralatan lain yang terpapar lingkungan tersebut.
  • Tiang tenda, tongkat lompat tinggi, panah, busur, dan panah silang: Serat kaca digunakan untuk membuat peralatan ini karena ringan dan kuat.
  • Panel atap transparan: Atap yang terbuat dari fiberglass memungkinkan cahaya masuk namun tetap kokoh.
  • Bodi mobil, stik hoki, papan selancar, lambung kapal, dan honeycomb paper: Fiberglass digunakan untuk membuat komponen kendaraan dan peralatan olahraga yang membutuhkan keseimbangan antara kekuatan dan berat.
  • Gips medis: Fiberglass dapat digunakan untuk membuat gips yang ringan dan kuat untuk immobiliasi tulang yang patah.
  • Tangki dan wadah FRP: Fiberglass banyak digunakan untuk membuat tangki dan wadah yang kuat dan tahan korosi menggunakan teknik Fiber-Reinforced Plastic (FRP).

Peningkatan infrastruktur

  • Perkuatan jalan aspal: Jaring serat kaca dengan anyaman terbuka digunakan untuk memperkuat jalan aspal dan mencegah keretakan.
  • Membran tahan air dan retak: Campuran serat kaca non-woven dan polimer digunakan bersama aspal untuk membuat membran tahan air dan retak pada permukaan jalan.

Pengembangan penggunaan

  • Bidang biomedis: Serat kaca pendek dengan orientasi medan listrik tertentu sedang diteliti untuk membantu proses penggantian sendi. Studi menunjukkan potensinya meningkatkan kualitas osteogenik melalui proliferasi osteoblasts dan perbaikan kimia permukaan.
  • Aplikasi elektronik: Serat kaca berbasis sodium sedang diteliti sebagai pengganti atau pelengkap lithium dalam baterai lithium-ion karena sifat elektroniknya yang lebih baik.

 

 

Daur ulang


Produsen isolasi serat kaca dapat menggunakan kaca daur ulang dalam proses produksi mereka. Serat kaca daur ulang dapat mengandung hingga 40% kaca daur ulang.

Penggunaan kaca daur ulang dalam produksi serat kaca menawarkan beberapa keuntungan antara lain:

  • Mengurangi konsumsi bahan baku sumber daya alam (pasir silika) yang tidak terbarukan.
  • Mengurangi limbah yang dihasilkan dari produk kaca bekas.
  • Potensi biaya produksi yang lebih rendah tergantung pada harga bahan baku daur ulang dibandingkan bahan baku murni.

Daur ulang memainkan peran penting dalam produksi serat kaca yang lebih berkelanjutan.

 

 

Sumber Referensi:

  • wikipedia.com
  • dll

Tinggalkan Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *