5
BAB II DASAR TEORI
2.1
Komposit (Composite) Komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih
material pembentuknya melalui pencampuran yang tak homogen, dimana sifat mekanik dari material pembentuknya berbeda-beda [4]. Dikarenakan karakteristik pembentuknya berbeda-beda, maka akan dihasilkan material baru yaitu komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material-material pembentuknya. Komposit dikembangkan karena tidak ditemukannya material berstruktur homogen yang memiliki semua karakteristik yang diinginkan untuk penerapan tertentu. Komposit dibentuk dari dua jenis material yang berbeda yaitu: 1.
Penguat (reinforcement / filler), yang mempunyai sifat kurang ductile tetapi lebih rigid serta lebih kuat.
2.
Matriks, umumnya lebih ductile tetapi mempunyai kekuatan dan rigiditas yang lebih rendah.
Secara umum, sifat-sifat komposit ditentukan oleh: 1.
Sifat-sifat filler
2.
Rasio filler terhadap plastik dalam komposit.
3.
Geometri dan orientasi filler pada komposit.
Jenis - Jenis Komposit Berdasarkan Penguat yang digunakan, yaitu : 1. Komposit serat (Fibrous Composites), 2. Komposit lapis (Laminates Composites), dan 3. Komposit partikel (Particulate Composites). Fibrous composite, yaitu komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapis dan berpenguat fiber. Kayu adalah komposit alam yang terdiri dari serat hemiselulosa dalam matriks lignin. Fiber yang digunakan untuk menguatkan matriks dapat pendek, panjang, atau kontinyu.
5
6
Laminated composite, yaitu komposit yang berlapis-lapis, paling sedikit terdiri dari dua lapis yang digabung menjadi satu, dimana setiap lapisan pembentuk memiliki karakteristik sifat tersendiri. Terdiri dari berbagai arah serat. Plywood, yang terdiri dari layer alternatif berupa kayu mengandung lem dengan layer serat kayu yang tegak lurus layer terdekat. Particulate composite, yaitu komposit dengan penguat berupa partikel/serbuk yang tersebar pada semua luasan dan segala arah dari komposit.
(a).
(b).
(c).
Gambar 2.1. Komposit (a). Serat, (b). Laminer, dan (c). Partikel Sumber: [5]
2.2
Polymer Polimer berasal dari kata poly yang berarti banyak dan mer (meros) yang
berarti bagian. Jadi polimer dapat didefinisikan sebagai suatu material yang molekulnya dibentuk dari beberapa bagian (monomer). Umumnya polimer terbentuk dari hidrokarbon dimana atom karbon (C) sebagai tulang punggung dalam rantai ikatan kimianya. Berdasarkan sifatnya polimer dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu: 1.
Polymer Thermoplastic, merupakan polimer yang dapat dibentuk kembali (recycleable)
melalui proses pemanasan, contoh: PVC
(Polyvinyl Chloride), PE (Polyethylene), PP (Polypropylene). 2.
Polymer Thermosetting, merupakan polimer yang tidak dapat dibentuk kembali dengan proses pemanasan seperti halnya polimer thermoplastik, contoh: Polyester, PF (Phenolic).
3.
Elastomer, merupakan polimer yang dapat kembali ke bentuk asal setelah tegangan yang diberikan dihilangkan, contoh: karet.
7
2.2.1 Matrik Matrik dalam teknologi komposit didefinsikan sebagai suatu material yang berfungsi sebagai pengisi dan pengikat yang mendukung, melindungi dan dapat mendistribusikan beban dengan baik ke material penguat komposit. Untuk itu matrik haruslah memiliki sifat yang ideal yaitu tangguh, ulet dan cukup kuat. Berdasarkan fasa pengisi (matrix), komposit dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu : 1.
PMC (Polymers Matrix Composite) Merupakan komposit yang menggunakan material polimer sebagai matrik. Contohnya : polimer diperkuat serat gelas (GFRP) dan polimer diperkuat serat karbon (CFRP)
2.
CMC (Ceramic Matrix Composites) CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid. Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah filler (penguat).
3.
MMC (Metal Matrix Composites) Metal Matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah Continous Filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aerospace.
2.2.2 Sifat Matrik Sifat matrik yang ideal adalah tangguh, ulet dan cukup kuat. Matrik berfungsi untuk mengikat serat, meneruskan beban dan mencegah propagasi perpadatan serat ke seluruh komposit. Temperatur cair matrik yang rendah membatasi penggunaan komposit pada temperatur tinggi.
8
2.2.3 Ikatan Antara Matrik Dan Serbuk Koefisien ekspansi panas matrik dan serbuk harus sama agar ikatan keduanya baik. Serbuk sebaiknya dilapisi agar ikatan kuat terutama matrik polimer dan partikel. Ikatan antara lapisan juga harus bagus agar tidak terjadi delamination yaitu robeknya lapisan pada saat dibebani. 2.3
Material Kayu Kayu merupakan bagian keras dari jaringan struktur serat alam yang
membentuk batang pohon dalam tumbuh – tumbuhan yang digunakan sebagai penguat polimer komposit. penguat serat alam dipandang
sangat efisien untuk
menggantikan serat buatan atau serat sintetis karena serat alam mempunyai beberapa kelebihan yaitu mudah di dapat, harganya lebih murah dan ramah lingkungan dibandingkan serat sintetis [6]. “Serat alami memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan serat sintetis, seperti beratnya lebih ringan, dapat diolah secara alami dan ramah lingkungan, dan serat alami juga merupakan bahan terbaharukan dan mempunyai kekuatan dan kekakuan yang relatif tinggi dan tidak menyebabkan iritasi kulit” [7]. Keuntungan-keuntungan lainnya adalah kualitas dapat divariasikan dan stabilitas panas yang rendah. Sifat – sifat kayu yang penting sehubungan dengan penggunaannya meliputi sifat fisik, sifat mekanik dan sifat kimia. Sifat kayu yang erat kaitannya dengan kekuatan kayu adalah sifat mekaniknya. Kekuatan dan ketahanan terhadap perubahan bentuk suatu bahan disebut sebagai sifat – sifat mekaniknya [8]. Kekuatan kayu sangat erat kaitannya dengan berat jenis, semakin besar berat jenis kayu maka semakin kuat kayu tersebut. Secara umum, semakin besar rasio diameter partikel maka semakin baik sifatnya [9]. Diameter kecil partikel mengurangi cacat permukaan yang menyebabkan kerapuhan. Serbuk kayu merupakan limbah produksi sawmill, dihasilkan dari kayu yang telah melalui proses penggergajian, selama ini tidak dimanfaatkan dan terabaikan, serta dianggap tidak memiliki nilai ekonomis.
9
2.3.1
Kayu Kelapa (Cocos nucifera) Kelapa (Cocos nucifera) merupakan tanaman pinang (Arecacea) berbatang
tunggal yang hanya tumbuh subur di daerah tropis dan subtropis. Ada beberapa yang harus diperhatikan dalam syarat pertumbuhan pada Kelapa antara lain :
Tanah yang ideal untuk penanaman kelapa adalah tanah berpasir, berabu gunung, dan tanah berliat, dengan pH tanah 5,2 hingga 8, mempunyai struktur remah sehingga perakaran dapat berkembang dengan baik.
Sinar matahari banyak minimal 120 jam/bulan, jika kurang dari itu produksi buah akan rendah.
Suhu yang paling cocok adalah 27ºC dengan variasi rata-rata 5-7ºC, suhu kurang dari 20º C tanaman kurang produktif.
Curah
hujan
yang
baik
1300-2300
mm/thn.
Kekeringan
panjang
menyebabkan produksi berkurang 50%, sedangkan kelembapan tinggi menyebabkan serangan penyakit jamur.
Angin yang terlalu kencang terkadang merugikan tanaman yang terlalu tinggi terutama varietas dalam.
Tumbuhan ini dapat tumbuh hingga ketinggian 1000 m dari permukaan laut, namun akan mengalami pelambatan pertumbuhan. Kelapa bertumbuh di tanah berpasir, membutuhkan banyak cahaya matahari, dan curah hujan yang teratur. Tanaman kelapa umumnya mempunyai akar serabut, buah menggerombol dan daunnya bertulang sejajar, batang beruas-ruas namun bila sudah tua tidak terlalu tampak, khas tipe monokotil dengan pembuluh menyebar (tidak konsentrik), berkayu. Batang pohon kelapa banyak digunakan untuk bagian atap dari sebuah bangunan rumah. Batang pohon kelapa tidak boleh terkena air atau lembab karena akan menyebabkan kerusakan. Untuk mengatasi keterbatasan dari batang pohon kelapa kebanyakan masyarakat memilih batang kelapa yang sudah tua, kering dan sebagian masyarakat mengolesinya dengan oli (oli bekas kendaraan atau oli tab). Daun tersusun secara majemuk, menyirip sejajar tunggal, pelepah pada ibu tangkai daun pendek, duduk pada batang, warna daun hijau kekuningan. Pohon kelapa terdapat di kurang lebih 150 spesies kelapa yang tersebar di 80 negara [10].
10
Kelapa adalah pohon serba guna bagi masyarakat tropika. Hampir semua bagiannya dapat dimanfaatkan orang. Adapun kegunaan dari bagian-bagian pohon kelapa yaitu :
Batang Pohon Kelapa Batang pohon kelapa selain dimanfaatkan sebagai kayu ,bisa pula dijadikan sebagai (Glugu) bahan bangunan dan beberapa perkakas rumah lainnya.
Batang Lidi kelapa Lidi dan daun kelapa bisa dijadikan sapu, tempat tisu dan tas etnik dll.
Daun kelapa Daun kelapa bisa digunakan untuk pembungkus ketupat dan bahan kerajinan, serta untuk atap rumah.
Tempurung Kelapa Tempurung kelapa bisa dijadikan berbagai produk ,seperti misalnya : arang untuk membuat karbon aktif (berguna untuk mengoperasikan kipas), filter air, briket, asap cair dan lainnya.
Sabut Kelapa Produk berbahan sabut kelapa yang disebut coco peat bisa digunakan sebagai media tanam dan media ternak cacing karena bisa menahan serapan air. Limbah coco peat berupa serbuk kasar juga bisa digunakan sebagai bahan bakar Industri pembuatan batu bata dan tahu. Selain untuk coco peat, serabut kelapa juga bisa digunakan sebagai bahan baku coco fibre yang digunakan untuk bahan pembuat matras, pengisi jok pesawat, jok mobil, kasur pegas, sikat, tali , filter, sebagai penahan erosi pada lereng pegunungan ataupun daerah pantai, untuk peredam suara.
Daging buah kelapa Pada bagian daging buah kelapa bisa untuk minyak kelapa, nata de coco, santan dan juga sebagai bahan minuman dan Iain-lainnya. Produk berupa minyak kelapa, yang diisukan sebagai minyak jahat atau minyak kampung, ternyata hanya propaganda pasar barat yang notabene mereka ingin melindungi pasar minyak kedelainya. Banyak ilmuwan yang menyatakan
11
bahwa minyak kelapa jauh lebih sehat dari minyak manapun, baik untuk kosmetik maupun konsumsi.
Air Kelapa Air kelapa muda sering dimanfaatkan sebagai obat-obatan tradisional dan kecantikan karena mengandung vitamin c, asam nikotinat, asam folat, dll. air kelapa juga merupakan minuman sumber oksien karena dapat menambah ion-ion yang hilang pada tubuh saat sedang berkeringat
2.3.2 Pengaruh Suhu Terhadap Kayu Dalam banyak macam proses, kayu mengalami perlakuan pada suhu tinggi, misal pengeringan, stabilisasi dimensi, pembuatan pulp, produksi papan partikel dan papan serat. Proses-proses tersebut membutuhkan suhu yang biasanya tidak lebih dari 200˚C karena degradasi termal tidak diharapkan. Penyusutan kayu selama pengeringan berasal dari penyusutan dinding sel. Dimensi dinding sel berkurang dalam skala yang cukup besar. Boutelje menentukan penyusutan volumetrik dinding sel dalam kayu awal spruce sebesar 26,5% dan dalam kayu akhir sebesar 29,5% [11]. Penyusutan ini menghasilkan penurunan volume pori dalam kayu awal dan kenaikan dalam kayu akhir. Dari kenaikan suhu terjadi gaya penyusutan tambahan karena penyusutan volume naik oleh kehilangan zat akibat peruraian termal.
Gambar 2.2. Pengaruh Suhu Terhadap Kayu Sumber: [11]
2.3.3 Perhitungan Massa Jenis Serbuk Metode pengukuran ini menggunakan metode gravitasi komparasi massa jenis dengan menggunakan neraca pegas sebagai alat ukur. Pengukuran dilakukan dengan tiga kali pengulangan dengan menggunakan rumus :
12
....................................................................................(2.1)
f=
=
∑
................................................................................................(2.2)
Dimana: ρf
: Massa jenis serbuk (gram/cm3)
mu
: Massa benda di udara (gram)
mm
:Massa benda dalam minyak tanah (gram)
ρm
: Massa jenis minyak tanah (0,83 gram/cm3)
2.3.4 Fraksi Berat Sebuk Fraksi berat serbuk adalah perbandingan antara berat serbuk dengan berat komposit. Volume Cetakan (Vc) Vc = p x l x t ............................................................................. ..(2.3)
Dimana : Vc
: Volume Cetakan (cm3)
p
: Panjang Cetakan (cm)
l
: Lebar Cetakan (cm)
t
: Tinggi Cetakan (cm)
Fraksi Berat Serbuk ( FW ) FW =
x 100% ................................................................. ..(2.4)
Dimana : FW : Fraksi Berat Serbuk (%) Wf : Berat Serbuk (gram) Wp : Berat Plastik (gram)
13
2.4
Perlakuan Borax Boric Acid (BBA) pada Serbuk Borax atau Sodium Tetraborate Decahydrate (Na2B4O7·10H2O), dan Boric
Acid (H3BO3) terdaftar di Environmental Protection Agency (EPA) sebagai pengawet kayu dikarenakan sifat-sifat yang dimiliki zat kimia tersebut, boraks borik sangat beracun bagi rayap, dan jamur pembusuk kayu, namun tidak terlalu beracun bagi mamalia, dan ikan, sifatnya yang larut dalam air, membantu penyerapan asam boraks borik ke permukaan kayu, senyawa kimia inorganik boraks borik merupakan fire retardant yang baik, terutama dikarenakan keefektifannya dalam mengurangi flammability pada bahan selulosa, perlakuan boraks borik yang relatif murah dan lebih aman dari pengawet kayu lain pada umumnya, menjadikan boraks borik sebagai pengawet kayu yang populer dalam industri perkayuan. American Wood Protection Association Standard P5 membahas mengenai standar aman untuk kadar Borax Boric Acid yaitu diantara pH 7.9-9.0 [3]. Sesuai rujukan dari “The Chemistry Of Wood Preservation” dengan mencampurkan per berat dari 65% air, 20% boraks, dan 15% asam borat akan mendapatkan larutan Borates dengan kadar 15,8% [12]. Dengan mencampurkan Borax dengan Boric Acid akan didapat senyawa kimia Disodium Octaborate Tetrahydrate (Na2B8O13.4H2O) [13]. Borax, dan Boric Acid dicampur dengan perbandingan 1,5:1 untuk mendapatkan kelarutan maksimum borat dalam air [14]. Pembuatan larutan Borates dapat dilakukan menggunakan berat sebagai perbandingan dengan cara mencampurkan hasil campuran senyawa kimia Borax Boric Acid dengan air [14]. persentase kadar larutan menggunakan rumus : ( )
( / %) =
(a)
(
(b)
Gambar 2.3. (a). Boric Acid, (b). Borax
)
x 100 ......(2.5)
14
2.5 Uji Ketahanan Api Dipilihnya uji ketahanan api dalam penelitian ini adalah untuk menguji perubahan karakteristik ketahanan api dari serbuk kayu kelapa dikarenakan mudahnya kayu terbakar. Pengujian ketahanan api yang digunakan dalam penelitian ini didasarkan pada ASTM D 635-03 [15] dari America Society for Testing and Materials (ASTM).
Gambar 2.4. Alat Uji Ketahanan Api Sesuai ASTM D 635-03
perhitungan laju pembakaran linear (V), dari tanda 25 mm untuk setiap spesimen dimana bagian depan api mencapai 100 mm tanda dengan menggunakan persamaan: Laju Pembakaran Linier (V) = L / t ............................................................................................(2.6) Dimana: : Laju Pembakaran Linear (mm/detik) L : Panjang Terbakar (mm) t : Waktu Terbakar (detik)
Kehilangan Berat (w) w = w0 – w1 .............................................................................................. ..(2.7) Dimana : w : Kehilangan Berat (gram) w0 : Berat Awal (gram) w1 : Berat Akhir (gram
15
Laju Kehilangan Berat ̇ = w / t............................................................................................ (2.8) Dimana : ̇ : Laju Kehilangan Berat (gram/detik) w : Kehilangan Berat (gram) t : Waktu Terbakar (detik)
Presentase Kehilangan Berat w=
100% ………….………………………………………............(2.9)
Dimana :
w : Kehilangan Berat (gram) w0 : Berat Awal (gram) w1 : Berat Akhir (gram ) 2.6
Uji Bio-Degradasi Dipilihnya uji bio-degradasi dalam penelitian ini adalah untuk menguji
perubahan karakteristik bio-degradasi dari serbuk kayu kelapa dikarenakan mudahnya kayu terurai di alam bebas. Uji bio-degradasi dilakukan dengan mengubur spesimen uji di dalam medium kompos yang terbuat dari tanah incepticol, dan serbuk kayu dengan waktu yang telah ditentukan, kemudian timbang berat spesimen uji dengan menggunakan timbangan digital [16][17][18]. Bio-degradasi ditentukan dengan mengukur berat yang hilang dari komposit setelah penanaman dalam kompos dengan rumus : (%) =
× 100 ....................................................................(2.10)
Keterangan : : Presentase berat yang ter-degradasi dalam pengujian. : Berat spesimen sebelum pengujian. : Berat spesimen sesudah pengujian.
16
2.6.1 Tanah Incepticol Tanah incepticol adalah tanah yang belum matang dengan perkembangan profil yang lebih lemah dibanding tanah matang dan masih menyerupai sifat bahan induknya. Tanah incepticol di indonesia banyak digunakan untuk budidaya tanaman karena sifatnya yang memiliki kandungan unsur hara yang tidak. Sifat fisik tanah incepticol, dan morfologinya sebagai berikut :
Memilii solum tanah agak tebal, yaitu 1-2 meter
Warna tanahnya hitam atau kelabu sampai dengan coklat tua
Teksturnya debu, lempung berdebu, bahkan lempung
Struktur tanahnya remah, konsistensinya gembur memiliki pH 5.0 – 7.0
Memiliki kandungan organik yang cukup tinggi, yaitu antara 10% - 30%
Memiliki kandungan unsur hara yang sedang sampai tinggi
Produktivitas tanahnya dari sedang sampai tinggi
2.7 Scanning Electron Microscope (SEM) Alat yang digunakan untuk menganalisa topografi, morfologi, dan komposisi dari komposit adalah SEM, alat ini bekerja dengan cara menembakkan electron ke permukaan sampel yang bereaksi dengan atom pada sampel yang kemudian membentuk sinyal-sinyal yang memiliki informasi tentang sampel tersebut.
