SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176
ANALISIS SIFAT MEKANIK UNTUK FEEDTHROUGH Totok Darmawan*, Darsono**, Elin Nuraeni** *) STTN-BATAN, Jl.BabarsariKotakPos 6101 YKBB 55281 **)PTAPB-BATAN, Jl. BabarsariKotakPos 6101 YKBB 55281
ABSTRAK ANALISIS SIFAT MEKANIK UNTUK FEEDTHROUGH.Telah dilakukan analisis sifat mekanik campuran bahan dasar resin dengan pengerasnya untuk feedthrough sebagai isolator tegangan tinggi.Sampel dianalisa dengan pengujian tarik berdasarkan standart ASTM D 638. Pengukuran sudut kontak dilakukan untuk mengetahui sifat permukaan bahan isolasi. Hasil analisis diperoleh komposisi campuran resin dan pengeras dengan perbandingan 1 : 800 mempunyai sifat mekanik yang baik untuk feedthrough. Komposisi ini memiliki kuat tarik sebesar 19,86 Mpa dan sifat bahan bersifat ulet. Permukaan bahan isolasi ini memiliki sudut kontak 103,7° sehingga tergolong dalam klasifikasi hidrofobik. Oleh karena itu bahan ini dapat digunakan sebagai isolator luar ruangan. Kata kunci : Isolator tegangan tinggi, pengujian tarik, sifat bahan
ABSTRACT ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES FOR FEEDTHROUGH. Analysis of mechanical properties of resin mixed with hardener for feedthrough as an insulator high voltage materialhad been done. Samples analyzed by tensile testing according to ASTM D 638 standard. Contact angle measurements conducted to determine the surface properties of insulating materials. The results of analysis obtained by composition of the mixture of resin and hardener in the ratio 1:800 have good mechanical properties for the feedthrough. This composition has a tensile strength of 19.86 Mpa and properties of materials are ductile. The surface of the insulating material has a contact angle 103,70 so that classified as hydrophobic. Therefore, this material can be used as outdoor insulators. Keywords: high voltage insulators, tensile testing, material properties
1. PENDAHULUAN Feedthrougha dalah komponen isolator yang berfungsi melindungi penghantar listrik bertegangan tinggi yang mentransmisikan daya listrik dari sumber tegangan tinggi ke sistem mesinberkas elektron. Syarat-syarat yang perlu diperhatikan dalam pemilihan bahan pembuatan komponen isolator adalah:[1]Memiliki kekuatan mekanik untuk menahan tekanan 1. Memiliki nilai dielektrikum yang cukup tinggi 2. Tidak larut dalam minyak isolator Beberapa contoh bahan yang dijadikan sebagai bahan dasar pembuatannya adalah: keramik, akrilik, resin dan lain-lain. Komponen isolator ini
Totok Darmawan dkk
dibuat dari bahan resin. Hal ini karena kelebihan diantaranya adalah sifat kekentalan rendah, bahan dasar resin dan bahan pengerasnya cair sehingga mudah dimodifikasi, cepatdan mudah pematangannya pada suhu ruangan (500-800C), penyusutannya rendah pada waktu dibentuk, kekuatan kerekatannya tinggi, sifat kekuatan mekaniknya tinggi, isolasi listrik yang tinggi, tersediadipasaran dengan harga yang lebih rendah dibandingkan bahan polimeryang lain.[2] Analisis dengan caramembuat sampel uji dari campuran bahan dasar resin dengan pengerasnya yang divariasi komposisinya. Pengujian yang dilakukan adalah dengan pengujian tegangan tarik dan pengujian sifat permukaan bahan untuk memperoleh sifat mekanik yang memenuhi
347
SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 Spesimen uji mekanik bahan isolasi resin umumnya dibuat dengan dimensi.[5]
persyaratan digunakan sebagai bahan feedthrough tegangan tinggi pada mesin berkas elektron. 2. DASAR TEORI Beberapa bahan dapat dijadikan sebagai material isolasi karena memenuhi semua persyaratan seperti sifat fisik, kehandalan, biaya pembuatan, ketersediaan bahan baku dan sebagainya, sehingga menjadikan bahan ini mudah untuk digunakan sebagai material isolator di bidang teknik listrik. Isolator yang diklasifikasikan menurut bentuk dan bahannya, adalah [3] Padat (organik dan anorganik) yaitu mika, kayu, karet, kapas, sutra, rayon, terylen, kertas, bahan selulosa, dan lain-lain. Cair (oli dan vernis) yaitu minyak linseed, minyak refined hydrocarbon mineral, vernish spirit dan synthetis Gas, yaitu udara kering, karbon dioksid, argon, nitrogen dan lain-lain. Karakteristik bahan isolasi yang baik, antara lain nilai tahanan isolasi yang besar, memiliki nilai kuat dielektrik yang tinggi (kemampuan menahan tegangan listrik tinggi), kuat mekanik yang tinggi, faktor disipasi yang rendah, konduktivitas termal yang tinggi, permitivitas rendah, bebas dari gelembung udara (untuk isolasi padat), tahan terhadap kerusakan akibat termal dan kimia[4]. Resin adalah polimer termoset yang terdiri dari dua zat dicampur dan berbentuk seperti kaca pada suhu kamar yang memiliki kekuatan elektrik isolasi serta tahan terhadap air. Resin merupakan suatu produk yang dihasilkan oleh reaksi bahan dasar yang merupakan bahan isolasi polimer yang disebut dengan Bisphenol A, dan pengeras serta bahan pengisi yang dapat digunakan sebagai material isolasi peralatan listrik. Sifat Mekanik Kekuatan mekanik bahan isolasi adalah kemampuan suatu bahan untuk menahan beban yang berasal dari dalam atau dari luar, yang merupakan beban tarik dan beban geser. Sifat mekanik tergantung pada berat molekul dengan daerah yang sangat luas, dan merupakan aspek yang mendasar. Diantara sifat mekanik yang perlu diperhatikan adalah, kekuatan tarik, kompresif, dan flekstur.[5] Uji sifat mekanik pada suatu bahan isolator dilakukan karena isolator berfungsi untuk memisahkan dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus, dalam hal ini gradien tinggi yang berupa lewat denyar (flashover) dan percikan (spark over) tetapi juga berfungsi secara mekanik yaitu harus mampu menahan beban berupa kawat penghantar pada menara sistem transmisi tenaga listrik. Pengujian sifat mekanik yang dilakukan untuk bahan isolasi resin ini adalah berhubungan dengan uji tarik. 2.2 Kekuatan Tarik Bahan Resin
SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
Gambar 1 Dimensi bahan uji mekanik. Suatu bahan uji dengan penampang A mm2, jika ditarik dengan suatu gaya tarik yang bertambah secara perlahan-lahan, maka bahan tersebut akan putus pada gaya tarik tertentu sebesar F kgf. Besarnya tegangan tarik dari bahan σtditunjukkan dalam persamaan σt = (1) Penambahan panjang relative (ε) adalah penambahan panjang bahan sebelum putus Δl dibagi dengan panjang mula-mula l0 yang ditunjukkan dalam persamaan ε = (2) Modulus tarik (E) adalah perbandingan tegangan terhadap perpanjangan, yang ditulis dalam persamaan E= = (3) dengan, F = gaya tarik maksimum (kgf) A = luaspenampangbatangujimulamula (mm2) = panjang batang uji sebelum dan sesudah patah (mm) l0 = panjangbatangmula-mula (mm) 2.3 Sifat Hidrofobik Bahan Resin Pengukuran sudut kontak pada bahan isolasi bertujuan untuk mengetahui sifat permukaan bahan tersebut,hidofobik atau hidrofilik. Sifat h idrofobik merupakan suatu karakteristik bahan isolasi, dalam keadaan terpolusi, bahan masih mampu bersifat menolak air yang jatuh kepermukaannya. Sifat hidrofobik paling berguna untuk isolasi outdoor karena dalam keadaan basah atau lembab tidak akan terbentuk lapisan air yang kontinu antara ujung–ujung isolator, sehingga permukaan isolator tetap memiliki konduktivitas yang rendah,akibatnya arus bocor sangat kecil. Resin epoksi tidakmemiliki sifat hidrofobik. Sifat hidrofobik (kedap air) dan hidrofilik (menyerap air) dapat diketahui dengan cara melakukan pengukuran sudut kontak air, yang olehparapeneliti diklasifikasikan dalam tiga kelompok yaitu[2]: 1. Sudut lebih kecil dari300 maka bahan tersebut bersifat basah(hidrofilik), 2. Sudut kontak antara 300-890 disebut basah sebagian(partially wetted), 0 3. Sudut kontak lebih dari 90 disebut
348
Totok Darmawan dkk
SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 hidrofobik atau bersifat menolak air. Sudutkontak di klasifikasi sebagai berikut : 900<θ<1200 00< θ < 900
1. Pengujian Sudut Kontak a. Sampel ukuran (200×200×2)mmdibuat untuk pengujian sudut kontak. Sebelum dilakukan pengujian permukaan sampel uji harus bebas dari θ =00 air θ air kotoran yang menempel dengan dibersihkan air memakai aquades. Bahan Bahan Bahan b. Peralatan pengujian yang digunakan adalah BasahKeseluruhan BasahSebagian Tidakbasah kamera digital, lampu 1000 watt yang diberi filter transparan untuk pencahayaan tidak Gambar 2Klasifikasisudutkontak langsung, dan papan untuk meletakkan sampel uji. Profil setetes air diproyeksikan pada layar c. Lampu penerangan untuk cahaya latar agar 0 dan sudut kontak(180 −γ) dapat ditetapkan tetesan air pada sampel uji terlihat jelas sudutsebagaimana yang diilustrasikan pada Gambar3. sudutnya saat dilakukan pemotretan. d. Pengujian dengan memberi tetesan air aquades sebanyak 50μl pada permukaan sampel uji menggunakan assipette no.100, kemudian air dilakukan pemotretan.
Gambar 3 Pengujian sudut kontak. Besarnya sudut kontak rerata pada suatu bahan dihitung dengan menggunakan Persamaan 4.
2. Pengujian Tarik a. Dibuat spesimen seperti Gambar 4, sesuai standar ASTM D-638 untuk dilakukan pengujian tarik.
Sudut kontak= (sudut kanan+sudut kiri)/2(4) Rerata sudut kontak = Banyak pengukuran sudut kontak Jumlah pengukuran
(5)
Sudut kontak merupakan sudut yang dibentuk antara permukaan bahan uji dengan air destilasi yang diteteskan kepermukaan bahan uji. Pengukuran menggunakan tetesan air 50 µl yang diteteskan pada permukaan bahan isolator. 3. METODOLOGI Metode yang digunakan adalah membuat sampel uji dari variasi campuran bahan dasar resin dengan pengerasnya, seperti dalam Tabel 1.
Gambar 4.Dimensi spesimen uji tarik statik ASTM D-638 b. Pengujian tarik dengan menggunakan Universal Testing Machinesmerkcontrolabtipe TN20MD.
Tabel 1 Perbandingan campuran bahan pengeras dan resin Bahan Pengeras Resin Sampel : (ml) (ml) A
1
:
400
B
1
:
800
C
1
:
1250 Gambar 5.Pengujiantarikdengan Universal Testing Machines c. Mengolah data pengujian.
Totok Darmawan dkk
349
SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
Bahan Uji
Rerata Sudut kontak (derajat)
A B C
103,5 104,2 101,6
Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk antara permukaan bahanujidengandestilasi yang diteteskankepermukaanbahanuji. Sudutkontakberkaitandengankarakteristik isolator yaitusifatmenyerap air (hydrophilic)atausifattolak air (hydrophobic).Pengujian sudut kontak bertujuan untuk menentukan sifat permukaanbahanisolatorresin. Sudut hidrofobik mencerminkansifatkedapairdaripermukaanbahan,se makinbesar suduthidrofobik,maka semakinbaiksifatbahanuntukdapatmenahanairtidak masuk kedalam bahan isolator. Sudut ini dibentuk antara permukaan bahan uji dengan air destilasi yang diteteskan ke permukaan bahan uji. Besarnya sudut kontak permukaan bahan terhadap tetesan cairan diperoleh berdasarkan hasil pengamatan langsung melalui pemotretan kamera digital. Hasil pemotretan diukur dengan menggunakan busur derajat untuk mengetahui besarnya sudut kontak. MetodemenghitungsudutkontaksepertidalamGambar 6.
Gambar 6Profil tetesan air pada sampel A Gambar 6 adalah pengujian sudut kontak yang dilakukan pada sampel A. Hasil pengujian diperoleh besarnya sudut kontak kiri 1030sedangkan sudut kontak kanan 1040.Besarnya sudut kontak dihitung menggunakan persamaan 4 sehingga diperoleh
2. Pengujiantegangantarik Sifat mekanik berkaitan dengan kekuatan, kekerasan, keuletan dan kekakuan. Pengujian kekuatan mekanik bahan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah uji tarik. Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain (tegangan-regangan) mekanik yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Hasil pengujian seperti dalam Tabel 3. Tabel 3 Hasil uji tarik spesimen resin. Teg Regangan Max No Kode (ε) (σu) (%) (Mpa) 33,79
12,35
2
800 (sampel B)
19,86
10,13
3
1250 (sampel C)
16,80
8,14
0 0
0,001
0,002
0,003
Komposisi Campuran Bahan
= 103,50
Hasil pengukuran sudut kontak untuk 3 sampel ditunjukkan dalam Tabel 2. Dalam tabel tersebut
SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
400 (sampel A)
Dari hasil uji tarik dibuat grafik yang hasilnya ditunjukkan dalam Gambar 6. 40 A 30 C 20 E 10
Sudut kontak = =
1
Tegangan Maximun (Mpa)
4. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pengujian sudut kontak Tabel 2 Hasil pengukuran sudut kontak.
SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 nilai sudut kontak sampel berkisar antara 910 sampai dengan 1200. Klasifikasi nilai sudut kontak ini menunjukkan bahan termasuk kelas tidak basah, sehingga hasil pengujian bahan dapat digunakan sebagai isolator luar ruangan. Penambahan bahan pengeras pada bahan resin ini mempengaruhi besarnya sudut kontak. Akan tetapi penambahan bahan pengeras dalam jumlah banyak, mengakibatkan bahan bersifat getas, dan mudah retak. Pemilihan konsentrasi campuran yang tepat perlu dipertimbangkan agar sesuai dengan penggunaanya. Penurunan sudut kontak menyebabkan menurunnya resitivitas permukaan bahan isolator, yang membuat mudah terjadi arus bocor.
350
Gambar7Kekuatantarikterhadapkomposisicampuran resin.
Totok Darmawan dkk
SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 Gambar 7 menunjukkan bahwa kekuatan tarik bahan meningkat sesuai dengan meningkatnya prosentase bahan pengerasnya. Hasil patahan pengujian tarik menunjukkan tingginya prosentase pengeras menjadikan bahan bersifat getas. Ukuran specimen mengacu pada standar ASTM D 638, di uji tarik menggunakan mesin Universal Testing Machines merk controlab tipe TN20MD. 5. KESIMPULAN Hasil analisis dapat disimpulkan bahwa: 1. Uji tarik dan sudut kontak untuk menganalisis sifat mekanik resin sebagai feedthrough tegangan tinggi. 2. Komposisi campuran sampel A memiliki tegangan tarik yang tinggi, akan tetapi dengan komposisi ini tidak baik digunakan sebagai feedthrough karena sifatnya getas. Komposisi B bersifat ulet dengan tegangan tarik 19,86 Mpa, sehingga paling baik untuk bahan feedthrough sampel C, tegangan tariknya rendah dan bahan bersifat lembek. 3. Besarnya sudut kontak resin adalah 103,20 termasuk dalam klasifikasi tidak basah, sehingga dapat dapat digunakan sebagai bahan isolator. 6. DAFTAR PUSTAKA 1.Darsono, 2009, ”MBE Skala Industri Untuk Produksi Latek Karet Alam Iradiasi Manufaktur, Pangsa pasar,dan Tekno-ekonomi LKAI”, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, Yogyakarta. 2.Berahim, H., 2005, “Metodologi Untuk Mengkaji Kinerja Isolasi Polimer Resin Epoksi Silane Sebagai Material Isolator Tegangan Tinggi Di Daerah Tropis”, Disertasi Jurusan Teknik Elektro, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. 3. RAJPUT, R.K., 2002, “Electrical Engineering Materials”, 22, Laxmi Publications, Golden House, Daryaganj, New Delhi-110002. 4. Tobing, Bonggas L., 2003, “Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi”, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta. 5. Stevens, M.P., 1989, “Polymers Chemistry An Introduction”, Oxford University Press, Inc, London.
Totok Darmawan dkk
351
SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
