ANALISA KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS MATERIAL KOMPOSIT SERAT TKKS DENGAN RESIN POLIESTER SEBAGAI MATRIKS Burmawi1,Kaidir2,Rizki Ilham3 Jurusan Teknik Mesin – Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta Kampus III Jl. Gajah Mada No.19 Olo Nanggalo Padang 25143 Telp. (0751) 7054257, Fax. (0751) 7051341 Email :
[email protected] ABSTRAK Material komposit memiliki banyak sifat unggul yang didapat dari penggabungan dua atau lebih sifat material tersebut. Material komposit yang akan dibuat adalah serat TKKS. Dengan komposisi 30% serat TKKS dan 70% resin poliester. Nilai konduktivitas thermal suatu material komposit berkaitan erat dengan material penyusun komposit tersebut dengan menggunakan alat uji konduktivitas thermal bahan. Nilai konduktivitas Thermal tertinggi, yaitu spesimen IV serat TKKS panjang 2 cm susunan lurus nilai konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,200 ( w / m C ) sampai 0,209 ( w / m C ) dan untuk nilai konduktivitas thermal terendah, yaitu spesimen III serat TKKS panjang 2 cm susunan acak nilai konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,159 ( w / m C ) sampai 0,181 ( w / m C ). Kata Kunci : Material komposit, Serat TKKS, Resin poliester, Konduktivitas thermal bahan
ABSTRACK Composite materials have many superior properties derived from the merger of two or more properties of the material. Composite materials that will be made is TKKS fiber. With a composition of 30% and 70% TKKS fiber polyester resin. Thermal conductivity value of a composite material closely related to the constituent composite material by using a thermal conductivity test tool materials. Thermal conductivity is the highest value, ie the specimen IV TKKS fiber length of 2 cm straight arrangement thermal conductivity value in the range of 0,200 ( w / m C ) to 0,209 ( w / m C ) and for lowest thermal conductivity values, ie the specimen III TKKS fiber length of 2 cm random arrangement of the thermal conductivity value in the range 0,159 ( w / m C ) to 0,181 ( w / m C ). Keywords : Composite materials, fiber TKKS, polyester resins, thermal conductivity material PENDAHULUAN Salah satu sumber bahan baku yang dapat dimanfaatkan untuk pembuatan papan partikel adalah limbah kelapa sawit yang berlignosellulosa, antara lain tandan kosong, batang, pelepah dan cangkang buahnya. Limbah kelapa sawit yang cukup berpotensi untuk digunakan sebagai bahan baku papan partikel adalah Tandan Kosong
Kelapa Sawit ( TKKS) karena jumlahnya cukup banyak yaitu 1,9 juta ton berat kering atau setara dengan 4 juta ton berat basah per tahun (Nuryanto, 2000) dan sudah terkumpul di industri pengolahan minyak sawit. Pembuatan papan partikel tersebut selain menghasilkan papan tiruan juga berguna untuk mengurangi limbah dari industri kelapa sawit.
Limbah padat kelapa sawit yang berasal dari tandan kosong dari pabrik pengolahan, pelepah dan batang di areal perkebunan khususnya di Sumatera Utara, selama ini kurang dimanfaatkan atau hanya dibuang kembali kelahan perkebunan. Dalam hal lain, kayu/limbah selulosa telah banyak digunakan sebagai bahan pengisi matrik polimer, karena mudah, ringan dan tersedia dalam jumlah banyak (Sain, 1994). Penelitian yang telah dilakukan oleh Feris Firdaus Fajriyanto, 2005 – 2006 menyatakan bahwa sampah plastik (thermoplastic)dan limbah Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) memiliki potensi yang sangat besar sebagai bahan baku produksi fiberboard. Kelapa sawit sebagai tanaman penghasil minyak kelapa sawit (CPOcrude palm oil) dan inti kelapa sawit (CPO) merupakan salah satu primadona tanaman perkebunan yang menjadi sumber penghasil devisa non-migas bagi Indonesia. Pada tahun 1990, luas perkebunan kelapa sawit di Indonesia mencapai 1.1 juta ha dan meningkat menjadi hampir 3 juta ha pada tahun 1999 (Manurung, 2001). Konduktivitas thermal tidak hanya menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah benda satu ke benda lain,tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi - kondisi tertentu. Suatu aliran panas akan terjadi apabila beda temperatur benda dipertahankan. Hal ini dapat dilakukan dengan penambahan atau pembuangan temperatur di berbagai titik, karena perbedaan temperatur tersebut maka akan berlangsung aliran panas yang terus menerus dari daerah yang lebih panas kedaerah yang lebih dingin. Pada hal kebutuhan manusia saat ini terutama dibidang material (bahan) terus meningkat dari tahun ke tahun dan memiliki ruang lingkup yang sangat luas mulai dari peralatan rumah tangga, meja belajar, meja computer, dan furniture. Jadi, peranan dalam penelitian ini akan
melakukan pengembangan terhadap tandan kosong kelapa sawit sehingga kita akan dapat memberi nilai tambah dalam penggunaannya. Bahan baku tandan kosong kelapa sawit ini sangat mudah diperoleh dan kaya akan serat yang bisa kita manfaatkan untuk pembuatan papan partikel. Menganalisa dan menentukan nilai konduktivitas panas pada material komposit serat TKKS dengan matriks resin poliester. TINJAUAN PUSTAKA Komposit adalah bahan yang terbentuk apabila dua atau lebih komponen yang berlainan digabung (Kroschwitz, 1987). K. Van Rijswijk et.al dalam bukunya Natural Fibre Composites (2001) menjelaskan komposit adalah bahan hibrida yang terbuat dari resin polimer diperkuat dengan serat, menggabungkan sifat-sifat mekanik dan fisik. Ilustrasi ikatan dan sifat fisik. Ilustrasi ikatan dan sifat fisik polimer dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
( Sumber : K. Van Rijswijk, et.al, 2001 ) Gambar 1. Komposisi Komposit Kegunaan bahan komposit dalam kehidupan sehari-hari tampak dalam berbagai aplikasi dibawah ini : a. Angkasa luar Komponen kapal terbang Komponen helikopter Komponen satelit b. Auto mobile Komponen mesi Komponen kereta c. Olahraga dan rekreasi Sepeda Stick golf
Raket tenis Sepatu olahraga d. Industri pertahanan Komponen jet tempur Peluru Komponen kapal selam e. Industri pembinaan Jembatan Terowongan Rumah f. Kesehatan Kaki palsu Sambungan sendi pada punggung Gigi palsu Serat dibagi menjadi dua yaitu serat alam (dari tanaman, hewan dan sumber mineral) dan serat sintetis. Banyak serat sintetis telah dikembangkan secara khusus untuk menggantikan serat alam, karena serat sintetis sangat mudah diprediksi dan ukurannya yang lebih seragam. Indonesia adalah negara dengan luas areal kelapa sawit terbesar di dunia,yaitu sebesar 34,18% dari luas areal kelapa sawit dunia. Pencapaian produksi rata-rata Indonesia tahun 2004-2008 sebesar 40,26% dari total produksi kelapa sawit dunia (Fauzi, 2012). Potensi TKKS cukup melimpah dan belum dimanfaatkan secara optimal untuk kegiatan produksi yang mempunyai nilai tambah ekonomi yang tinggi. Serat TKKS sebenarnya mengandung selulosa dan holoselulosa yang cukup tinggi sehingga layak dikembangkan dalam teknologi bahan, terutama komposit. Efek penambahan serat TKKS dalam pembuatan komposit antara lain: ringan, kekuatan mekanik tinggi, tidak mudah korosi, dan ramah lingkungan. Berikut ini adalah bentuk dari tanda kosong kelapa sawit seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 2. Tandan Kosong Kelapa Sawit (http://isroi.wordpress.com) Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Yang memiliki fungsi untuk mengikat bahan pengikat secara bersama-sama membentuk suatu unit struktur atau elemen material komposit yang mampu menerima beban. Bahan umum yang biasanya sebagai matriks adalah berupa bahan metal atau polimer. Fungsi matriks dalam material komposit adalah menjaga agar filler atau pengisi tetap dalam struktur kompositnya, membantu mendistribusikan beban yang diterima oleh komposit, serta melindungi filler dari kerusakan yang ditimbulkan lingkungan sekitarnya. Resin merupakan bahan polymer yang memiliki berat molekul yang besar. Pada umumnya suatu polymer dibangun oleh satuan struktur yang tersusun secara berulang. Susunan tersebut diikat oleh gaya tarik menarik yang kuat yang disebut dengan ikatan kovalen. Resin merupakan bahan polymer yang biasa digunakan sebagai bahan matrik dalam pembuatan komposit. Katalis merupakan bahan kimia yang ditambahkan pada matrik resin polyester yang bertujuan untuk proses pembekuan matriks. Katalis adalah suatu bahan kimia yang dapat meningkatkan laju suatu reaksi tanpa bahan tersebut menjadi ikut terpakai dan setelah reaksi berakhir, bahan tersebut akan kembali kebentuk awal tanpa terjadi perubahan kimia. Pembuatan spesimen diawali dengan pencarian bahan-bahan yang akan dijadikan material komposit,seperti pada
keterangan diatas,komposit yang digunakan antara lain:serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS). Cetakan spesimen berfungsi sebagai tempat untuk mencetak benda uji. Bahan uji serat diletakkan didalam cetakan guna mempermudah membuat benda uji yang akan di uji nantinya. Perpindahan panas merupakan perpindahan energi akibat adanya perbedaan temperatur (ΔT), dimana energi tersebut berpindah karena adanya interaksi system terhadap lingkungannya. Secara umum laju perpindahan panas terjadi sebanding dengan perubahan temperatur yang terjadi cukup besar, maka laju perpindahan panas juga besar dan begitu juga sebaliknya. Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah bila benda iti berpisah dalam ruang.Istilah radiasi umumnya digunakan untuk segala jenis gelombang elektromagnet,tetapi dalam ilmu perpindahan panas kita hanya perlu memperhatikan sebab-sebab yang diakibatkan oleh temperatur yang dapat mengangkut energi melalui medium yang tembus cahaya, atau melalui ruang.
pertahankan pada suatu temperatur diketahui. Prinsip dasar pengukuran termokopel berdasarkan beda tegangan listrik yang dihasilkan oleh suatu simpul panas. Konduktivitas termal tidak hanya menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah benda satu ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju. Perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Suatu aliran panas akan terjadi apabila beda temperatur benda dipertahankan. Nilai konduktivitas panas bahan pada agas lebih besar dari pada fasa cair dan fasa padat. Hal ini disebabkan pada fasa gas lebih berlanjutan antara molekul dan gerakan acak, bahan penghantar kalor dengan baik dinamakan konduktor. METODOLOGI PENELITIAN Pengujian konduktivitas panas bahan dilakukan pada bulan Maret sampai April 2015 dan dilakukan di Laboratorium Fenomena Dasar Mesin, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Bung Hatta. Pengujian iniakan dilakukan dalam waktu kurang lebih enam bulan. Cetakan spesimen berfungsi sebagai tempat untuk mencetak benda uji. Bahan uji, Serat TKKS dan resin poliester sebagai matriksnya, diletakkan didalam cetakan guna mempermudah membuat benda uji yang akan di uji nantinya.Cetakan ini berbentuk bulat, Cetakan ini memiliki ukuran yaitu dengan diameter 45 mm dan tebalnya 10 mm.
Gambar 3. Perpindahan Panas secara gelombang electromagnetic ( Sumber : kadasyouth.wordpress.com) Thermokopel adalah salah satu perangkat alat untuk pengukuran temperatur dengan metode listrik atau termolistrik. Sebuah temokopel terdiri dari sebuah kawat logam yang tidak sama dihubungkan bersama-sama pada satu ujung (ujung pengindera atau ujung pemanas) dan berakhir dari ujung lain yang
Gambar 4. Cetakan Spesimen
1. Timbangan Digital Untuk mengukur berat serat dalam satuan gram. 2. Gelas Ukur Gelas ukur digunakan untuk mengukur takaran pada serat TKKS dan resin poliester. 3. Amplas Untuk meratakan dan menghaluskan permukaan benda uji. 4. Alat Uji Konduktivitas Thermal Bahan
Gambar 7. Benda Uji Gambar 5. Alat uji konduktivitas thermal bahan 4. Termometer Digital Termometer digital ini digunakan untuk mengukur temperatur pada spesimen benda uji.
5. Resin Poliester Resin poliester ini digunakan sebagai bahan yang akan dicampur pada serat TKKS.
Gambar 6. Termometer digital Gambar 8. Resin Poliester Bahan utama yang digunakan dalam pengujian ini adalah serat TKKS, Resin poliester, dan Catalys. Yang akan menghasilkan benda uji seperti gambar dibawah ini.
6. Katalis Katalis ini digunakan sebagai pengeras dari resin poliester. Yang
dalam
Gambar 3.7. Katalis Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa konduktivitas thermal material serat TKKS dengan resin poliester. Penelitian ini dilakukan dilaboratorium Fenomenena dasar mesin, jurusan teknik mesin, fakultas teknologi industri, Universitas Bung Hatta, menggunakan alat uji konduktivitas thermal bahan.
Dengan itu maka dapat didefinisikan bahwa temperatur mempengaruhi nilai dari konduktivitas panas dari suatu bahan. Dari hasil pengujian konduktifitas termal bahan yang telah dilakukan, di dapat data sebagai berikut : Dari data yang didapat dalam pengujian seperti data terlampir, maka dapat dilakukan perhitungan nilai konduktivitas panas dari setiap spesimen. Serat TKKS Panjang 1 cm Susunan Acak Grafik Hasil Pengolahan Data
Grafik hubungan antara (∆T) dengan (K) pada serat TKKS panjang 1cm susunan acak
K(W/m°C)
bertujuan untuk mempercepat proses pengerasan.
0,19 0,18 0,17
0,181 5,1
5,2
0,178 5,3
0,174 5,4
∆T(°C)
ANALISA DAN PEMBAHASAN Untuk mempermudah proses kerja dan menghindari kekeliruan maka setiap sampel diberi nomor,dimana keterangannya: a. Serat TKKS panjang 1 cm susunan acak b. Serat TKKS panjang 1 cm susunan lurus c. Serat TKKS panjang 2 cm susunan acak d. Serat TKKS panjang 2 cm susunan lurus Dengan komposisi serat TKKS 30% dan Resin poliester 70% Dari tabel yang terlampir maka pengujian pada setiap spesimen yang diberikan temperatur akan didapat nilai konduktivitas panasnya dengan menggunakan rumus: q. X k A.(T )
Gambar 1. Grafik konduktivitas termal bahan pada serat TKKS panjang 1cm susunan acak Pada grafik ini nilai konduktivitas thermal terhadap ∆T dengan panjang 1cm susunan acak, nilai konduktivita thermal materialnya berada pada kisaran 0,174 sampai 0,181 W(m°C) dan (K) Rataratanya 0,177 W(m°C). Hal ini di pengaruhi temperatur(∆T), Dimana semakin tinggi nilai ∆T maka nilai konduktivitas dari spesimen akan cendrung turun. Dilihat dari literatur yang ada maka nilai konduktivitas thermal dari spesimen I ini nilainya cendrung stabil.
5,5
Serat TKKS Panjang 1 cm Susunan Lurus Grafik Hasil Pengolahan Data
Gambar 4.3. Grafik konduktivitas termal bahan pada serat TKKS panjang 2cm susunan acak
Grafik hubungan antara (∆T) dengan (K) pada serat TKKS panjang 1cm susunan lurus
Pada grafik ini nilai konduktivitas thermal terhadap ∆T dengan panjang 2cm susunan acak, nilai konduktivita thermal materialnya berada pada kisaran 0,159 sampai 0,181 W(m°C) dan (K) Rataratanya 0,167 W(m°C). Hal ini di pengaruhi temperatur(∆T), Dimana semakin tinggi nilai ∆T maka nilai konduktivitas dari spesimen akan cendrung turun. Dilihat dari literatur yang ada maka nilai konduktivitas thermal dari spesimen III ini nilainya cendrung menurun. Serat TKKS panjang 2 cm Susunan Lurus Grafik Hasil Pengolahan Data
0,175 0,171 5,35
5,4
5,45
5,5
5,55
0,168 5,6
5,65
∆T(°C)
Gambar 2. Grafik konduktivitas termal bahan pada serat TKKS panjang 1cm susunan lurus Pada grafik ini nilai konduktivitas thermal terhadap ∆T dengan panjang 1cm susunan lurus, nilai konduktivita thermal materialnya berada pada kisaran 0,168 sampai 0,175 W(m°C) dan (K) Rataratanya 0,171 W(m°C). Hal ini di pengaruhi temperatur(∆T), Dimana semakin tinggi nilai ∆T maka nilai konduktivitas dari spesimen akan cendrung turun. Dilihat dari literatur yang ada maka nilai konduktivitas thermal dari spesimen II ini nilainya cendrung stabil. Serat TKKS Panjang 2 cm Susunan Acak Grafik Hasil Pengolahan Data
K(W/m°C)
Grafik hubungan antara (∆T) dengan (K) pada serat TKKS panjang 2cm susunan acak
0,185 0,18 0,175 0,17 0,165 0,16 0,155
0,181
0,162 0,159 5
5,2
5,4
5,6
∆T(°C)
5,8
6
Grafik hubungan antara (∆T) dengan (K) pada serat TKKS panjang 2cm susunan lurus
K(W/m°C)
K(W/m°C)
0,18 0,175 0,17 0,165
0,21 0,205 0,2 0,195
0,209 0,205 0,2 4,4
4,5
4,6
4,7
4,8
∆T(°C)
Gambar .4. Grafik konduktivitas termal bahan pada serat TKKS panjang 2cm susunan lurus Pada grafik ini nilai konduktivitas thermal terhadap ∆T dengan panjang 2cm susunan lurus, nilai konduktivita thermal materialnya berada pada kisaran 0,200 sampai 0,209 W(m°C) dan (K) Rataratanya 0,204 W(m°C). Hal ini di pengaruhi temperatur(∆T), Dimana semakin tinggi nilai ∆T maka nilai konduktivitas dari spesimen akan cendrung turun. Dilihat dari literatur yang ada maka nilai konduktivitas thermal dari spesimen IV ini nilainya cendrung stabil.
Pembahasan Bahan utama yang digunakan dalam pengujian ini adalah serat TKKS dan resin poliester. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian konduktivitas thermal bahan. Pada pengujian ini dilakukan variasi panjang dan susunan serat dengan perbandingan 30% serat TKKS dan 70% resin poliester. Dari penelitian ini diperoleh nilai konduktivitas Thermal untuk spesimen I serat TKKS panjang 1cm susunan acak berkisar pada 0,174 sampai 0,181 ( w / m C ) dan (K) rata-ratanya 0,177 ( w / m C ), untuk spesimen II serat TKKS panjang 1cm susunan lurus nilai konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,168 sampai 0,175 ( w / m C ) dan (K) rata ratanya 0,171 ( w / m C ), untuk spesimen III serat TKKS panjang 2cm susunan acak nilai konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,159 sampai 0,181 ( w / m C ) dan (K) rata-ratanya 0,167 ( w / m C ) dan, untuk spesimen IV serat TKKS panjang 2cm susunan lurus nilai konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,200 sampai 0,209 ( w / m C ) dan (K) rata ratanya 0,204 ( w / m C ), Jadi dapat disimpulkan dari empat spesimen uji, spesimen II dan III lebih rendah rata-rata nilai konduktivitas panasnya dan spesimen IV lebih tinggi rata-rata nilai konduktivitas panasnya. Karena semakin tinggi temperatur, makin rendah nilai konduktivitas panas bahannya. Maka penurunan dan kenaikan nilai tidak beraturan, dikarenakan pengaruh variasi serat dan volume perbandingannya. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian konduktivitas panas bahan pada material komposit dengan serat alami dapat di simpulkan sebagai berikut: 1. Dari penelitian ini diperoleh nilai konduktivitas Thermal tertinggi, yaitu spesimen IV serat TKKS panjang 2cm susunan lurus nilai
konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,200 sampai 0,209 ( w / m C ) dan (K) rata-ratanya 0,204 ( w / m C ) dan untuk nilai konduktivitas thermalnya terendah, yaitu spesimen III serat TKKS panjang 2cm susunan acak nilai konduktivitas thermalnya berkisar pada 0,159 sampai 0,181 ( w / m C ) dan (K) rata ratanya 0,167 ( w / m C ). 2. Besar nilai konduktivitas panas tergantung pada masing-masing komposisi panjang dan susunan serat. Saran 1. Hendaknya dalam proses pengambilan data pada pengujian konduktivitas panas, harus benarbenar teliti. 2. Sebelum melakukan pengujian, hendak nya bahan uji dan bahan standar harus dalam keadaan dingin, supaya data yang didapat akurat.. 3. Selama proses pengujian hendak nya pemanas maupun spesimen jangan digerak-gerakkan, sebab akan mempengaruhi suhu atau temperatur yang akan terbaca oleh thermal. 4. Pastikan thermal sudah terpasang atau pas pada bahan uji, supaya hal yang tidak diinginkan tidak terjadi.
DAFTAR PUSTAKA Burmawi, Hafid Al Iman, 2014. Analisa Konduktivitas Thermal Material Komposit Serat Ampas Tebu Dengan Styrofoam Sebagai Matriks, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Bung Hatta Padang. Chawla,K.K.,1987. “ Composite Materials ”. Springer – Verlag New York Inc, Germany. Frank, Keith & Arko prijon, 1994,”prinsipprinsip perpindahan panas edisi ketiga”,Jakarta, Erlangga.
H. Intan., E.G. Said Dan I.T. Saptono, Strategi Pengembangan Industri Pengolahan Sabut Kelapa Nasional. Jurnal Manajemen Dan Agrobisnis, Vol.1, No.1, Hal. 42-54 (2005). Holman j.p, 1984, ”perpindahan Kolor ”, Jakarta, Erlangga. Holman j.p, 1991, ”perpindahan panas edisi keenam”, Jakarta, Erlangga. Holman j.p, 1992, ”Heat Transfer Seventh Edition”, Singapura, Erlangga. Schwartz, M.M. (1984). Composite Materials Handbook. New York: McGrawHill Inc. Tata Surdia dan Shinroku Saito, 1995. Pengetahuan Bahan Teknik. PT. Pradnya Paramita. Van Vlack, L. H, 1992. “Ilmu dan Teknologi Bahan”. Edisi ke-5, Erlangga, Bandung.
