BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pendahuluan Komposit adalah campuran dua material atau lebih yang digabung atau dicampur secara makroskopik untuk menghasilkan suatu material baru. Artinya penggabungan sifat-sifat unggul dari pembentuk masih terlihat nyata. Padadesain struktur dilakukan pemilihan matriks dan penguat, hal ini dilakukan untuk memastikan kemampuan material sesuai dengan produk yang akan dihasilkan. Matriks

+

Komposit

Penguat/serat

Gambar 2.1. Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk Komposit

Keterangan Gambar : 1. Matriks berfungsi sebagai penyokong, pengikat phasa, penguat. 2. Penguat/serat merupakan unsur penguat kepada matriks. 3. Komposit merupakan gabungan, campuran dua atau lebih bahan bahan yang terpisah.

Komposit dikenal sebagai bahan teknologi dan bukan bahan struktur konvensional melainkan bahan struktur yang artinya diperoleh dari hasil teknologi pemrosesan bahan. Kemajuan teknologi pemrosesan bahan dewasa ini telah menghasilkan bahan teknik yang dikenal sebagai bahan komposit. Keunggulan komposit dapat dilihat dari sifat-sifat unggul dari sifat pembentuknya serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain: 1. Bahan ringan, kuat dan kaku 2. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya 3. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan; kekuatan yang tinggi, keras, liat/kenyal, ringan serta tahan terhadap goresan dan impak.

Universitas Sumatera Utara

Dalam desain struktur pada penelitian ini, jenis matriks yang akan digunakan adalah Polyester resin tak jenuh dan penguat serat TKKS.Matriksini tergolong jenis polimer thermoset yang memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Struktur material yang dihasilkan berbentuk cross-link dengan keunggulan daya tahan yang lebih baik terhadap jenis pembebanan statik dan impak. Hal tersebut disebabkan olehmolekul yang dimiliki bahan adalah dalam bentuk rantai molekul raksasa atom- atomkarbon yang saling mengikat satu dengan lainnya, sehingga struktur molekulnya menghasilkan efekperedaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan.

2.2. Material Komposit Polymeric Foam 2.2.1.Polyester Resin Tak Jenuh Polyester resin tak jenuh merupakan material polimer kondensat yang dibentuk berdasarkan reaksi antara kelompok polyol, yang merupakan organik gabungan dengan alkohol multiple atau gugus fungsi hidroksi, dan polycarboxylic yang mengandung ikatan ganda.Tipikal jenis polyol yang digunakan adalah glycol, seperti ethylene glycol.Sementara asam polycarboxylic yang digunakan adalah asam phthalic dan asam maleic. Poliester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermoset yang memiliki struktur rantai karbon yang panjang. Matriks jenis ini memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Struktur material yang dihasilkan berbentuk crosslink dengan keunggulan pada daya tahan yang lebih baik terhadap jenis pembebanan statik dan impak.Hal ini disebabkan molekul yang dimiliki material ini ialah dalam bentuk rantai molekul raksasa atom-atom karbon yang saling berhubungan satu dengan lainnya.Dengan demikian struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan.Data mekanik material matriks diperlihatkan pada Tabel 2.1.


Tabel 2.1.Karakteristik mekanik polister resin tak jenuh. Sifat Mekanik

Satuan

Besaran

Berat jenis (ρ)

kg/mm3

1,215.10-6

Modulus Elastisitas (E)

N/mm2

2941.8

Kekuatan Tarik (σT)

2

N/mm

54

%

1,6

Elongasi

Sumber: PT. Justus Kimia Raya, 2007

Pada umumnya material ini digunakan dalam proses penuangan, perbaikan badan kendaraan bermotor, pengisi kayu, dan sebagai material perekat. Material ini memiliki sifat perekat dan aus yang baik, dan dapat digunakan untuk memperbaiki dan mengikat secara bersama beberapa jenis material yang berbeda.Material ini memiliki umur pakai yang panjang, kestabilan ketahanan terhadap sinar UV, dan daya tahan yang baik terhadap air. Tetapi material ini tidak diproduksi dalam jenis yang sama, karena untuk keperluan tertentu material ini akan memiliki formulasi yang berbeda. Kekuatan material ini diperoleh ketika dicetak dalam bentuk komposit, dimana kehadiran material-material penguat, seperti serat kaca, karbon, dan lainlain, akan meningkatkan sifat mekanik material tersebut. Sementara ketika dalam keadaan tunggal, maka material ini akan bersifat kaku dan rapuh.

2.2.2. Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Serat TKKS ialah serat alami yang terbuat dari tandan kosong kelapa sawit yang merupakan limbah pada proses pengolahan di suatu pabrik kelapa sawit. Pada penelitian ini serat TKKS dimanfaatkan sebagai unsur penguat komposit yang dihasilkan. Sementara hasil penelitian yang telah dilakukan oleh sebuah institusi komersial terhadap komposisi material kimianya diketahui bahwa kandungan material serat dalam TKKS merupakan kandungan maksimum seperti diperlihatkan pada Tabel 2.2.


Tabel 2.2.Parameter tipikal TKKS per kg. No.

Material-material Kandungan

Komposisi (%)

1. Uap air

5,40

2. Protein

3,00

3. Serat 4. Minyak

35,00 3,00

5. Kelarutan Air

16,20

6. Kelarutan Unsur Alkali 1%

29,30

7. Debu

5,00

8. K

1,71

9. Ca

0,14

10. Mg

0,12

11. P

0,06

12. Mn, Zn, Cu, Fe

1,07

TOTAL

100,00

Sumber: http://www.w3.org/TR/REC-html40, 2008

Berdasarkan data pada Tabel 2.2 terlihat bahwa kandungan serat merupakan unsur dominan dalam TKKS. Dengan demikian TKKS diperkirakan akan memberikan sifat mekanik yang cukup baik terhadap material komposit yang dibentuk.

2.2.3.Blowing Agent (BA) Blowing agent ialah material yang digunakan untuk menghasilkan struktur berongga pada komposit yang dibentuk.Jenis blowing agent yang digunakan pada penelitian ini ialah polyuretan. Polyuretan adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan uretan, yaitu -NH-CO-O-.Poliuretan dibentuk oleh reaksi senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hidrogen aktif, seperti diol (polyol), yang mengandung grup hidroksil dengan pemercepat reaksi (katalis). Unsur Nitrogen yang bermuatan negatif pada isosianatakan tertarik ke arah unsur Oksigen yang bermuatan positif pada kelompok alkohol (polyol) untuk membentuk ikatan


uretan antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer uretan. Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida (CO2). Gas ini yang kemudian akan membentuk busa pada material polimer yang terbentuk. Material yang terbentuk dari campuran BA dan polimer disebut dengan material polymeric foam (PF).

Ilustrasi material polymeric foam ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Ilustrasi material polymeric foam

2.2.4. Katalis MEKP (Methyl Ethyl Keton Peroksida) Katalis merupakan material kimia yang digunakan untuk mempercepat reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu kamar dan tekanan atmosfir.Pemberian katalis dapat berfungsi untuk mengatur waktu pembentukan gelembung blowing agent, sehingga tidak mengembang secara berlebihan, atau terlalu cepat mengeras yang dapat mengakibatkan terhambatnya pembentukan gelembung.

2.3.Parking Bumper Parking bumper(pembatas parkir) adalah sebuah alat yang digunakan sebagai penahan roda kendaraan pada saat

parkir. Parking bumper sering

dijumpai pada lokasi perparkiran, gedung perkantoran, pusat perbelanjaan atau supermarket dan lain-lain.Untuk keteraturan perparkiran pada area parkir


kendaraan roda empat disediakan parking bumper sebagai penuntun dan juga pengaman kendaraan pada saat parkir. Parking Bumpersering kita jumpai pada pelantara parkir yang ada di pusat perkantoran, perumahan, pertokoan, dan lain-lainya.Guna parking bumper ini merupakan sebagai penahan/batas parkir seperti terlihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3.GambarParking BumperKomersil

Untuk menghindari terjadinya kecelakaan ketika aktifitas kendaraan pada lokasi keluar dan masuk area perparkiran, maka sangat dibutuhkanParking bumper karena sering terjadi parkir yang tidak beraturan, sehingga rentan terjadi kecelakan pada saat kendaraan yang hendak parkir keluar dan masuk, akibat posisi parkir tidak tepat ataupun kendaraan yang diparkir bergerak tiba-tiba, namun hal tersebut dapat dieliminasi dengan disediakan parking bumper untuk masing-masing kendaraan yang hendak diparkir, agar pemilik kendaraan merasa nyaman ketika meninggalkannya. Selama ini kita sering menjumpai parking bumper tersebut terbuat dari material komposit semen (concrete) dengan dimensi geometri yang berbedabeda. Dalam hal ini spesimen yang terbuat dari semen memiliki kelemahan antara lain apabila kendaraan yang akan melakukan parkir kurang hati-hati dalam menghentikan kendaraannya maka dapat merusak komponen ban mobil. Biasanya parking bumper ini dibuat dengan cara cor langsung di daerah/area parkir secara permanen, sehingga kemungkian besar material ini tidak dapat dipindah-pindahkan jika ada penataan kembali tata letak dan posisi area parkir.


2.4. Pengujian Mekanik 2.4.1. Uji Tekan Statik Aksial Kekuatan tekan material adalah nilai tegangan tekan uniaksial yang mempunyai modus kegagalan ketika saat pengujian.Kekuatan tekan biasanya diperoleh dari percobaan dengan alat pengujian tekan. Alat yang digunakan dalam pengujian ini sama dengan yang digunakan dengan pengujian tarik. Ketika dalam pengujian nantinya, spesimen (biasanya silinder) akan menjadi lebih mengecil seperti menyebar lateral.

Gambar 2.4.Uji tekan material

Dalam perancangan teknik yang sebenarnya sebagian besar kita bertumpu pada tegangan teknik.Pada kenyataannya, tegangan sebenarnya berbeda dengan tegangan teknik. Oleh sebab itu, material akibat beban tekan dapat dihitung dari penjelasan persamaan yang diberikan. Hal ini tentu saja karena perubahan luas penampang (A0) dan fungsi dari luas penampang A = φ (F). (Callister, 2003) 1. Perbedaan nilai deviasi tegangan dapat disimpulkan sebagai berikut: Pada kompresi spesimen akan mengecil atau memendek. Material akan cenderung menyebar kearah lateral dan meningkatnya luas penampang 2. Pada uji tekan, spesimen dijepit pada ujung – ujungnya. Untuk alasan ini, timbul gaya gesekan yang akan menentang penyebaran lateral ini. Berarti yang harus dilakukan untuk menghindari gaya gesekan ini harus dengan meningkatnya energi selama proses penekanan.


2.4.2. Uji Tekan Statik Brazilian Prinsip brazilian test sama dengan uji tekan statik tekan umumnya. Yang membedakan adalah posisi spesimen diletakkan horizontal. Umumnya brazilian testini digunakan untuk pengujian beton, namun dalam penelitian ini digunakan untuk menguji spesimen bentuk silinder dari komposit polymeric foam serat TKKS. Prinsip kerja brazilian test diperlihatkan pada Gambar 2.7.

Gambar 2.5. Ilustrasi brazilian test Dalam pengujian ini tegangan (σ) pada saat gagal atau patah diberikan persamaan (2.1). σ=

(2.1)

A adalah luas penampang besarnya πDL , sehingga dengan mensubstitusikan A ke persamaan (2.2) didapat : σ=

(2.2)

dimana: σ = Tegangan (N/mm2) F = Gaya maksimum (N) L = Panjang spesimen (mm) D = Diameter (mm)


2.4.3. Respon material Akibat beban Tekan Statik Aksial Mekanisme

deformasipolymeric

foamakibat

beban

tekan

statik

ditunjukkanoleh kurva tegangan-regangan. Pada uji tekan statik diperoleh tiga tingkatan respon yaitu: elastisitas linier (bending), plateau(buckling elastis), dan densification. Elastisitas linier ditandai oleh bendingterhadap dinding rongga dan kemiringan (tegangan-regangan) awal atau moduluselastisitas diperoleh dari tingkatan ini. Plateau merupakan karakteristik respon yangterjadi setelah polymeric foam mengalami elastisitas linier ditandai denganberlipatnya ronggarongga polymeric foam. Pada saat rongga-ronggahampir terlipat seluruhnya dan dinding-dinding rongga menyatumengakibatkan rongga-rongga menjadi lebih padat, tegangan normal tekan statikakan meningkat.Untuk mengoptimalkan produk tersebut perlu diketahuikarakteristik material penyusunnya akibat beban tekan statik.Karakteristik suatu spesimen harus terukur, untuk itu perlu suatu pengujian tekan statik terhadap material tertentuagar karakteristik dapat diketahui. Karakteristik dapat diketahui dari respon yangdialami oleh material. Respon diakibatkan oleh adanya gangguan (disturbance) yangdiberikan terhadap sebuah sistem, seperti: F (gaya), T (temperatur), dan lain-lain.Didalam uji tekan statik,

Lo

F

∆L

gaya yang diberikan ditunjukkan pada Gambar. 2.8.

F

(a)

(b)

Gambar. 2.6.Pengujian beban tekan pada batang spesimen

(a).Sebelum Uji Tekan,(b).Setelah Uji Tekan.


Berdasarkan respon yang ditunjukkan pada Gambar.2.8 dapat ditentukan respon mekanikberupa tegangan normal dan regangan akibat beban tekan statik. Polymeric foamdengan massa jenis yang rendah merupakan jenis material baru

yangbanyak

diaplikasikan

untuk

keperluan

keteknikan.

Polymeric

foamdigunakan sebagaiperedam energi impak, seperti: pelindung pada sebuah kemasan, struktur ringan padapanel berlapis, dan lain-lain. Polymeric foamdapat dimanfaatkan secara efisien jikasifat-sifat polymeric foamtelah diketahui sesuai dengan aplikasinya.Walaupunpemanfaatan polymeric foammasih dimanfaatkan sebagai bahan sampingan tetapi respon polymeric foamyang menunjukkan kegagalan dan kekuatannya mutlakdiperlukan.

2.4.4. Respon Material Akibat Beban Tekan Statik Brazilian Pada uji tekan statik brazilian diperoleh respon yaitu terjadinya deformasi atau penjalaran yang cepat terjadi pada bagian atas dan bawah spesimen hingga spesimen mengalami keretakan dengan retak rapuh. Untuk mengoptimalkan produk tersebut perlu diketahuikarakteristik material penyusunnya akibat beban tekan statikbrazilian. Karakteristik suatu spesimen harus terukur, untuk itu perlu suatu pengujian tekan statik terhadap material tertentuagar karakteristik dapat diketahui. Karakteristik dapat diketahui dari respon yangdialami oleh material. Respon diakibatkan oleh adanya gangguan (disturbance) yangdiberikan terhadap sebuah sistem, sepertigaya, temperatur, dan lain-lain.Didalam uji tekan statik, gaya yang diberikan ditunjukkan pada Gambar. 2.9.

(a)

(b) Gambar 2.7.Pengujianbrazilian pada spesimen

(a) Sebelum pengujian (b).Setelah pengujian


Berdasarkan respon yang ditunjukkan pada Gambar.2.9 dapat ditentukan respon mekanikberupa tegangan normal dan regangan akibat beban tekan statikbrazilian.

2.4.5. Persamaan tegangan-Regangan Sebuah batang komposit atau selinder yang dikenai beban tekan akan mengalami perubahan panjang yang disertai pengurangan luas penampang pada daerah elastis material. Adapun kurva tegangan – regangan akibat beban tekan dapat ditunjukkan pada Gambar 2.8

Gambar 2.8.Kurva tegangan – regangan.

Dalam penelitian ini terdapat bahan yang mengalami deformasi plastis jika terus diberikan tegangan dan bahan ini tidak akan berubah kebentuk semula. Biasanya material teknik terjadi pada daerah elastis yang hampir berimpitan dengan batas proposionalistik. Perubahan panjang ini disebut sebagai regangan

teknik.( ε eng.), yang

didefinisikan sebagai perubahan panjang yang terjadi akibat perubahan statik (∆L) terhadap panjang batang mula-mula (L0).Tegangan yang dihasilkan pada proses ini disebut dengan tegangan teknik (σeng), dimana didefinisikan sebagai nilai


pembebanan yang terjadi (F) pada suatu luas penampang awal (A0). Tegangan normal tesebut akibat beban tekan statik dapat ditentukan berdasarkan persamaan(2.2) Regangan akibat beban tekan statik dapat ditentukan berdasarkan persamaan (2.3).

ε=

∆L L

(2.3)

Dimana ∆L = L-L0

Keterangan : ε = Regangan akibat beban tekan statik L = Perubahan panjang spesimen akibat beban tekan (mm) Lo = Panjang spesimen mula-mula (mm)

Pada prakteknya nilai hasil pengukuran tegangan pada suatu pengujian tarik dan tekan pada umumnya merupakan nilai teknik. Regangan akibat beban tekan yang terjadi, panjang akan menjadi berkurang dan diameter pada spesimen akan menjadi besar, maka ini akan terjadi deformasi plastis.

2.4.6. Hubungan Tegangan – Regangan Robert Hooke (1689), telah mengamati sebuah fenomena hubungan antara tegangan dan regangan pada daerah elastis suatu bahan tertentu dan menyimpulkan bahwa dalam batas-batas tertentu tegangan pada suatu material ialah proporsional terhadap regangan yang dihasilkan. Teori ini kemudian lebih dikenal dengan istilah hukum Hooke. Namun teori ini hanya berlaku pada batas elastis material, dimana besarnya tegangan akan berbanding lurus terhadap pertambahan regangan yang terjadi. Dan bila beban dihilangkan, maka sifat ini akan

menyebabkan

material

kembali

kedalam

bentuk

dan

dimensi

semula.Berdasarkan respon yang dialami oleh material maka karakteristik material tersebut dapat diketahui, seperti modulus elastisitas. Modulus elastisitas secara matematis (hukum Hooke) dapat ditentukan berdasarkan Persamaan (2.3) dan (2.4).


E=

σ ε

E=

F .L o A.∆L

(2.4)

atau

(2.5)

Hubungan linear antara tegangan dan regangan adalah salah satu sangat berguna dalam perhitungan terhadap respon solid elastic linear pada tegangan, tetapi tegangan mesti digunakan apabila solid yang terjadi adalah elastis terhadap regangan yang terjadi yaitu ± 0,001.Dan ini terjadi pada deformasi plastis.

2.5Metode Elemen Hingga 2.5.1 Ansys 5.4 Program ansys ini Aeronautics and

dikembangkan di Amerika Serikat oleh National

Space Administration

(NASA).

Perangkat

Schwendler

Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys Rel.5.4.Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari Ansys 5.4libraries.Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan kondisi pembebanan dapat diterapkan. Analisa

tegangan

dapat

memecahkan

beberapa

kasus

banyak

menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi.Prosedur dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana.Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi mendekati masalah yang sebenarnya.


Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda hingga dan elemen hingga. Beda hingga (finite difference) dilakukan dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Kelemahan yang lain adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya. Mesh dapat dibuat dengan metode yaitu mesh tools.Material dan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari Ansyslibraries.


BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents