Analisis Kekuatan Tarik Dan Lentur Komposit Epoksi Yang Diperkuat Dengan Serat Kulit Kayu Khombouw Analysis of Tensile and Flexural Strength of Epoxy Composites Reinforced With Fibers Bark Khombouw Joni, Johannes Leonard dan Rafiuddin Syam
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa pengaruh kekuatan tarik dan lentur dari material komposit epoksi yang diperkuat serat kulit kayu khombow dengan variasi arah serat dan perlakuan alkali. Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu metode lamina, serat disusun tiga lapis dengan variasi arah -300/00/300, -450/00/450 dan -600/00/600 serta perlakuan alkali 15% dengan waktu perendaman (2, 4, 6 dan 8 jam). Sedangkan untuk metode analisa data adalah metode ANOVA dua arah dengan interaksi dari dua perlakukan (alkalisasi dan arah serat). Hasil penelitian menunjukkan bahwa efek perlakuan alkali dan perubahan arah serat memberikan nilai kekuatan tarik dan lentur yang bervariasi. Nilai kekuatan tarik maksimum tanpa perlakuan alkali adalah 2.73 MPa (arah serat -600/00/600), terjadi kenaikkan 7.69%. Kekuatan tarik maksimum pada variasi waktu perendaman serat diperoleh sebesar 11.45 MPa dengan waktu perendaman selama 4 jam (arah serat 450/00/450). Kekuatan lentur maksimum tanpa perlakuan alkali adalah 31.50 MPa (arah serat -300/00/300 dan 600/00/600), dengan perlakuan alkali selama 2 jam diperoleh 130.50 MPa (arah serat -300/00/300). Perlakuan alkali dan orientasi arah serat memberi pengaruh yang berbeda dan interaksi antara keduanya sama. Pada uji lentur, perlakuan alkali dan orientasi arah serat serta interaksi keduanya menunjukkan pengaruh yang berbeda. Kata kunci :
Serat kulit kayu khombouw, perlakuan alkali, orientasi arah serat, tegangan tarik dan tegangan lentur
ABSTRACT This study aims to analyze the effect of tensile and flexural strength of composite materials of fiber-reinforced epoxy bark khombow with variation of fiber direction and alkali treatment. The method used in this research is the lamina method, fiber composed of three layers with variations in direction -300/00/300, -450/00/450 and -600/00/600 and alkali treatment of 15% with immersion time (2, 4, 6 and 8 hours). As for the method of data analysis is a method of two-way ANOVA with interaction of two treatments (alkalization and direction of fiber). The results showed that the effect of alkali treatment and change of direction fibers provide tensile and flexural strength values varied. The maximum value of tensile strength without alkali treatment was 2.73 MPa (-600/00/600 of fiber direction), there was increase of 7.69 %. While the maximum tensile strength of fiber obtained by variation of immersion time of 11.45 MPa with immersion time for 4 hours (fiber direction of 450/00/450). The maximum flexural strength without alkali treatment was 31.50 MPa (fiber direction of -300/00/300 and 600/00/600), with alkali treatment for 2 hours gained 130.50 MPa (fiber direction -300/00/300). Alkali treatment and fiber orientation provide different effects and interactions between both the same. In flexural test, alkali treatment and direction of fiber orientation and interaction of both show a different effect. Keywords : Khombouw bark fiber, alkali treatment, fiber orientation, tensile strength and flexural strength I.
Pendahuluan Serat kulit kayu khombouw, merupakan salah satu jenis serat alam yang berasal dari tumbuhan yang banyak tumbuh di wilayah hutan tropis Papua, khususnya di wilayah Kabupaten Sentani. Keberadaan serat kulit kayu ini telah lama digunakan masyarakat setempat sebagai pakaian adat dan alat penyimpanan (nokem). Di Samping itu juga banyak digunakan sebagai media lukisan, karena memiliki tekstur yang halus dan kontinu, kualitas jenis serat ini juga dapat bertahan lama dan tidak mudah menjadi lapuk. Jika ditinjau dari penggunaannya dalam material maju, untuk jenis serat ini belum gunakan sebagai penguat material komposit. Hal ini dikarenakan belum adanya penelitian mengenai sifat dan kekuatan yang dimiliki jenis serat ini. Ada beberapa penelitian telah dilakukan pada komposit serat alam yang berasal dari tumbuhan, seperti rami, sisal, kapas, rami, sabut kelapa dan nenas yang merupakan serat yang banyak digunakan untuk memperkuat polimer seperti polyolefin, plastik, resin epoksi dan polyester tak jenuh, sedangkan studi serat kulit kayu khombouw belum dilakukan. Dalam aplikasinya, serat alam tersebut diuji dengan beberapa perlakuan untuk mendapatkan kekuatan yang maksimal, di ataranya dengan perlakuan alkali dan orientasi arah serat
1
Dalam penelitian ini, serat kulit kayu khombouw dipilih sebagai penguat material komposit resin epoksi dengan perlakuan alkali dan perubahan arah sudut serat. Hal ini dimaksudkan untuk melihat sejauhmana pengaruh perlakuan tersebut terhadap kekuatan tarik dan lenturnya dalam matriks rensin epoksi. II.
Tinjauan Pustaka Secara umum bahan komposit terdiri dari dua unsur yaitu serbuk dan bahan pengikat serbuk yang disebut dengan matrik. Unsur utama dari bahan komposit adalah serbuk, inilah yang menentukan karakteristik suatu bahan, keuletan, kekakuan dan sifat mekanik yang lain. Serbuk menahan sebagian besar gaya yang bekerja pada material komposit, sedangkan komposit mengikat serbuk, melindungi, dan meneruskan gaya antar serbuk. Karena itu untuk bahan serbuk dipilih bahan yang kaku, keras dan getas seperti karbon, gelas, dan boron. Sedangkan matrik dipilih bahan yang lunak seperti plastik dan logam lunak (alumunium, tembaga, dsb) [1]. Komposit serat dibentuk dari serat dan material penyatu (matriks). Secara alami serat panjang memiliki kekuatan yang lebih dibandingkan material yang sama dalam bentuk curah. Serat panjang memiliki struktur yang lebih sempurna, karena kristal yang tersusun sepanjang sumbu serat dan cacat internal pada serat lebih sedikit dari pada material dalam bentuk curah. Material penyatu dalam komposit berfungsi sebagai pendukung, pelindung, transfer beban dan lain–lain. Material ini bisaanya disebut matriks. Matriks dapat berupa polimer, logam, karbon maupun keramik. Serat memiliki perbandingan panjang dengan diameter yang tinggi dan diameternya mendekati ukuran Kristal. Serat memiliki perbandingan kekuatan dan kekakuan terhadap densitas yang besar. Serat alam (natural fiber) adalah jenis serat yang berasal dari tumbuhan, hewan, dan serat mineral. Serat alam tumbuhan diperoleh dari serat selulosa yang didapat dari bulu benih, batang, dan daun tanaman. Serat hewan diperoleh dari protein rambut, bulu binatang, dan kepompong. Serat alam mineral dapat berupa basal, mineral wool, glass wool, crystaline dan asbes [2]. Secara umum serat berfungsi sebagai penguat bahan, untuk memperkuat komposit sehingga sifat-sifat mekaniknya lebih kaku, tangguh dan lebih kokoh bila dibandingkan dengan tanpa serat penguat, selain itu serat juga menghemat penggunaan resin. kekakuan adalah kemampuan dari suatu bahan untuk menahan perubahan bentuk jika dibebani dengan gaya tertentu di dalam daerah elastis (pada pengujian tarik), ketangguhan adalah kemampuan bahan menahan beban yang menyebabkan patah. Arah serat mempengaruhi jumlah serat yang dapat diisikan ke dalam matriks. Makin cermat penataannya, makin banyak penguat yang dapat dimasukkan. Bila sejajar berpeluang sampai 90 %, bila separuh-separuh saling tegak lurus peluangnya 75 % dan tatanan acak hanya memberi peluang pengisian 15 – 50 %. Arah serat penguat menentukan kekuatan komposit, sesuai dengan arah kekuatan maksimum. Arah serat juga mempengaruhi jumlah serat yang dapat diisikan ke dalam matriks. Makin cermat penataannya, makin banyak penguat dapat dimasukkan. Bila sejajar berpeluang sampai 90%, bila separuh-separuh saling tegak lurus peluangnya 75%, dan tatanan acak hanya berpeluang pengisian 15 – 50%. Hal tersebut menentukan optimum saat komposit maksimum [3]. III. Metode Penelitian Untuk menentukan kemampuan komposit serat kulit kayu khombouw menerima beban tarik dan lentur, maka diterapkan metode lamina, dimana setiap spesimen uji terdiri dari tiga lapisan serat dengan orientasi sudut serat -30 0/00/300, 450/00/450 dan -600/00/600 untuk kondisi normal dan perlakuan alkali (2, 4, 6 dan 8 jam) dan mengikuti Standar ASTM D63899 dan D790-3 [4,5]. 1.
Bahan dan Peralatan
Bahan dan Peralatan yang digunakan untuk menyiapkan spesimen uji, antara lain resin epoksi, pengeras (hardner), serat kulit kayu khombouw, kaca, gergaji besi, kikir, kertas amplas, gerinda tangan. Sedangkan peralatan untuk melakukan pengujian tarik dan lentur digunakan universal testing dan dial gauge. 2.
Prosedur Pengujian
Serat kulit kayu yang digunakan adalah dari pohon khombouw, berkambium dan berakar tunggang, dengan tinggi antara 4 – 6 meter. Kulit batang pohon dikupas kira-kira setebal 5 mm, kemudian direndam dalam air semalaman. Dalam keadaan setengah kering, kulit kayu ditumbuk-tumbuk dengan menggunakan tongkat besi. Sesekali kulit kayu tadi ditarik dengan kencang agar merenggang, kemudian ditumbuk kembali. Setelah merata dan tipis, kulit kayu kemudian dijemur hingga kering, gambar 1 menunjukkan bentuk serat kulit kayu khombouw yang telah kering dan siap untuk diolah. Serat yang telah kering, dipotong sesuai ukuran cetakan dengan arah serat -300/00/300, -450/00/450 dan -600/00/600. Kemudian serat-serat tersebut direndam ke dalam air bersih dan larutan alkali 15% untuk melihat pengaruh pengasaman terhadap kekuatan tarik dan lentur serat jika telah dipadukan dengan resin epoksi. Perendaman serat dalam larutan alkali terdiri dari beberapa variasi waktu, yaitu 2, 4, 6 dan 8 jam. Kemudian serat-serat tersebut dikeringkan kembali sebelum digunakan. 2
Gambar 1. Serat kulit kayu khombouw Serat-serat tersebut disusun dalam cetakkan, masing-masing untuk membuat specimen uji tarik dan uji lentur. Campuran resin epoksi dituangkan kedalam cetakkan, kemudian dibiarkan hingga kering. Gambar 2 menunjukkan specimen uji tarik dan lentur yang telah jadi.
Gambar 2. Spesimen Uji Tarik Pengujian tarik, specimen uji diletakan pada pencekam dan dikunci agar tidak terjadi slip. Tiap-tiap specimen memiliki ketebalan yang sama, yaitu 4 mm dengan panjang 160 mm, luas penampang konsentrasi tegangan 64 mm2. Pembebanan tarik yang disesuaikan dengan material adalah 20 kN dan perpanjangan 1 mm. Pengujian tentur dilakukan dengan metode three point bend, dimana spesimen diletakan pada kedua tumpuan. Panjang spesimen yang akan diuji kelenturannya sebesar 200 mm dengan lebar dan tebal masing-masing 10 mm. IV. Hasil dan Pembahasan Peningkatan tegangan tarik pada kondisi normal tanpa pengalkalian dari posisi serat -300/00/300 ke 60 /0 /600 yaitu sebesar 7.69% (dari 2.54 MPa menjadi 2.73 MPa), hal ini ditunjukkan dalam gambar 3 berikut ini. 0
-
0
3
Tegangan tarik, s (N/mm2)
-30/0/30
-45/0/45
-60/0/60
15.00 10.00 5.00 0.00 0
2 4 6 Waktu alkali (jam)
8
Gambar 3. Hubungan Waktu Pengalkhalian vs TeganganTarik Maksimum Jika dibandingkan dengan serat yang mengalami perlakuan alkalisasi berdasarkan Gambar 3, tegangan tarik material komposit serat kulit kayu khombouw akan menunjukkan peningkatan yang berarti, dimana nilai maksimum rata-rata tegangan tarik dicapai pada arah serat -450/00/450 dengan waktu perendaman selama 4 jam, yaitu 11.33 MPa. Kondisi ini berbeda dengan serat alam lainnya yang umumnya hanya membutuhkan waktu perendaman selama 2 jam untuk mencapai tegangan maksimumnya. Perbedaan kondisi ini dikarenakan pada serat kulit kayu khombouw terdapat kandungan getah dan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk dapat menghilangkan lapisan getah pada permukaan serat yang menghambat penyatuannya dengan resin. Serat yang berfungsi sebagai penguat karena bagian utama dari beban telah diambil oleh serat yang mengakibatkan perpanjangan serat menjadi cacat bersama dengan matriks [6]. Untuk penambahan waktu perendaman selama 6 – 8 jam, ada penurunan modulus. Hal ini karena perlahan-lahan serat mengalami kehilangan tegangannya sehingga menciptakan daerah konsentrasi tegangan yang menurunkan kekakuan komposit. Selain itu, serat menjadi tidak rapat dan memudahkan material mengalami kegetasan. Pada grafik yang sama, untuk kuat tarik, itu menurun karena beban serat meningkat secara keseluruhan. Namun ada kenaikkan tegangan tarik setelah 2 sampai 6 jam dan jika waktu perendaman ditambah, maka nilai tersebut mengalami penurunan secara perlahan. Sebenarnya, hasil yang diperoleh sedikit menyimpang dari garis grafik. Hal ini mungkin disebabkan oleh ketidakmampuan persiapan benda uji tarik; ini mencakup spesifikasi spesimen non-seragam lebar, tebal dan panjang gauge. Hasilnya masih dapat diterima karena standar deviasi yang diperoleh masih dapat diterima. Untuk menyimpulkan, pada dasarnya menekankan sebelum istirahat menurun karena adhesi antarmuka pada serat dan resin epoksi tidak baik, interaksi serat-serat kurang baik. Tegangan lentur komposit serat kulit kayu khombouw diperlihatkan pada Gambar 4. -30/0/30
-45/0/45
-60/0/60
Tegangan lentur, s (N/mm2)
150.00 100.00 50.00 0.00 0
2 4 6 Waktu alkali (jam)
8
Gambar 4. Hubungan Waktu Pengalkhalian vs Tegangan Lentur Maksimum Dari angka ini, baik tegangan lentur dan modulus lentur terus meningkat secara bertahap dengan pembebanan yang diberikan. Dengan pemberian variasi waktu pengalkalian pada serat, maka perubahan tegangan material mengalami peningkatan. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan lentur meningkat dari 31.50 MPa menjadi 121.50 MPa untuk arah serat 300/00/300 dengan waktu perendaman 0 – 6 jam. Sedangkan untuk arah sudut serat yang lainnya, specimen dengan arah sudut serat -450/00/450 hanya memampu memberikan tegangan lentur yang paling kecil di antara arah serat lainnya, yaitu 24.75 4
MPa sebelum perendaman dan akan meningkat tegangan lenturnya setelah direndam selama 6 jam sebesar 360.00 MPa dan untuk arah serat -600/00/600 diperoleh nilai tegangan lentur yang cukup baik. V.
Kesimpulan
Nilai tegangan tarik maksimum yang dihasilkan masing-masing sebesar 2.73 MPa pada orientasi arah serat -600/00/600 dan nilai terendahnya berada pada orientasi arah serat -300/00/300, yaitu 2.54 MPa atau terjadi kenaikkan sebesar 7.69%. Jika ditinjau akibat pengaruh waktu pengalkalian serat kulit kayu khombouw, maka pada waktu perendaman selama 2 – 8 jam, arah orientasi serat -450/00/450 dan -600/00/600 memberikan nilai tegangan tarik maksimum sebesar 11.33 MPa dan tegangan tarik minumumnya berada pada arah serat -300/00/300 sebesar 5,.04 MPa. Nilai tegangan lentur maksimum tanpa perlakuan alkali juga mengalami penurunan dari arah serat -300/00/300 ke arah serat -600/00/600 yaitu masing-masing sebesar 31.50 MPa. Hal ini berbeda dengan adanya perlakuan alkali, dimana pada waktu perendaman selama 4 jam dengan arah serat -450/00/450 terjadi kenaikkan nilai tegangan lenturnya yaitu 135.00 MPa. Perbedaan nilai tegangan tarik dan lentur yang pada serat dengan atau tanpa perlakuan alkali dipengaruhi oleh kandungan getah yang terdapat pada serat, yang mengakibatkan serat sangat lambat untuk menyatu dengan matriksnya. Daftar Pustaka [1] Handbook of Composite Fabrication Güneri Akovali, Rapra Technology Ltd. Shrewsbury, Shropshire SY4 4NR, UK. ISBN: 1-85957-263-4 [2] Jones, Robert M., 2005, Mechanics of Composite Materials 2nd ed., Taylor & Francis Inc. 325 Chestnut Street, Philadelphia, PA 19106 [3] Baker, A., Dutton, S., Kelly, D., 2004, Composite Materials for Aircraft Structures 2nd ed. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1801 Alexander Bell Drive, Reston, VA 20191-4344 [4] Annual Book of Standards, 2004, ASTM D 638-99, Standard Test Methods for Tensile of Plastics, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States. [5] Annual Book of Standards, 2004, ASTM D 790-03, Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States. [6] Mukherjee, P.S. and Satyanarayana, K.G. (1986). Structure and Properties of Some Vegetable Fibres-
5
