STUDI TEMPERATUR OPTIMAL TERHADAP KEKUATAN TARIK DAN MAKRO STRUKTUR PADA KOMPOSISI CAMPURAN POLYPROPILENE DAN HIGH-DENSITY POLYETHYLENE DENGAN MESIN EKSTRUDER
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RINALDO K. SIMBOLON NIM. 090401044
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kita panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas segala karunia dan anugerah-Nya yang senantiasa diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun Skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Metalurgi Serbuk, yaitu “Studi Temperatur Optimal Terhadap Kekuatan Tarik dan Makrostruktur pada Komposisi Campuran Polypropiline (PP) Dan High-Densitiy Polyethylene (HDPE) dengan Mesin Ekstruder”. Dalam penulisan skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak. Ir. Alfian Hamsi, M.Sc. sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya dan dengan sabar membimbing saya hingga tugas skripsi ini dapat terselesaikan, 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU, 3. Bapak Edy dari Laboratorium Kimia Polimer, MIPA USU yang telah berkenan membantu penulis dalam pembutan spesimen, 4. Saudara Adrianus dan Tomi dari Laboratorium Analisa Bahan, Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik USU yang telah membantu dalam pengujian kekuatan tarik spesimen, 5. Saudara Iqbal dari Laboratorium Metalurgi, Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah berkenan membantu penulis dalam pengambilan poto makrostruktur spesimen, 6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU, 7. Orangtua tercinta (A. Simbolon dan M.Gultom), adik-adikku yang saya sayangi Boris R. Simbolon dan Harnos V.M. Simbolon atas doa dan dukungan yang selalu menyertai saya dalam menyelesaikan pendidikan ini, i Universitas Sumatera Utara
8. Seluruh keluarga besar Simbolon dan Gultom yang selalu mendukung baik materi maupun moril untuk menyelesaikan penelitian ini, 9. Adik Sepupu, Friska Elvitaningru Simbolon, yang selalu memberikan semangat kepada saya dalam penelitian ini, 10.Adinda tersayang, Adveriana Olivia Marpaung, yang selalu memberikan motivasi kepada saya untuk kelancaran penelitian ini, 11.Kepada teman-teman mahasiswa teknik mesin khususnya stambuk 2009 yang selalu mendukung penulis dalam menyelesaikan tugas skripsi ini. 12. Abangda Sarjana,ST. atas masukan-masukan yang telah diberikan kepada saya. Penulis menyadari bahwa Tugas Sarjana ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang. Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, Januari 2015 Penulis,
Rinaldo K. Simbolon 09 0401 044
ii Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Era globalisasi, pemakaian barang-barang yang terbuat dari bahan baku plastik semakin meningkat. Hal ini dikarenakan plastik mempunyai banyak kelebihankelebihan yang mulai diperhitungkan oleh masyarakat. Keunggulan plastik pada umumnya adalah lebih efisien dibandingkan penggunaan logam atau kayu dan juga proses pengerjaannya yang relatif sederhana. Selain efisien, plastik juga lebih ringan, lebih murah dan mudah dibentuk. Salah satu proses yang digunakan untuk membuat produk dari bahan baku plastik adalah ekstrusi dengan menggunakan mesin ekstruder. Pada saat ini tidak jarang dijumpai plastik hasil proses manufaktur memiliki kekuatan yang tidak baik apabila dilakukan pengujian sifat mekanik, seperti kekuatan tarik (tensile strength), hal ini dikarenakan campuran bahan tersebut tidak homogen dan kurang baiknya penentuan bahan baku plastik yang akan dicampur. Hal inilah yang mendasari sehingga penulis melakukan penelitian Studi temperatur optimal terhadap campuran polypropilne (PP) dan high-density polyethylene (HDPE) dengan mesin ekstruder dengan tujuan agar campuran bahan baku plastik lebih homogen. Variasi campuran 80% PP : 20% HDPE, 70% PP : 30% HDPE, dan 60% PP : 40% HDPE. Sedangkan variasi temperatur pada ekstruder adalah 165°C, 170°C 175°C, 180°C. Setelah didapat hasil yang paling optimal dengan melakukan pengujian tarik, akan dilakukan pengambilan poto makrostruktur untuk mengetahui sifat struktural. Dari pengujian yang dilakukan pada penelitian ini diperoleh campuran 70% PP : 30% HDPE dan temperatur 175°C yang paling optimal. Serta sifat struktural pada struktur makronya memiliki porositas yang dengan persentase terbanyak di antara variasi lainnya. Kata kunci : Polypropilene, High-Density Polyehtylene, Ekstruder, Variasi Campuran, Variasi Temperatur, Pengujian Tarik, Makrostruktur.
iii Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT In this new era, usage of goods which made of plastic material is more increasing because plastic has a lot of advantages for people’s necessary. Generally the advantages of plastic are more efisien than usage of metals or logs and also the process of manufacture is relatively simple. Beside efisien, plastic is lighter, cheaper, and easely be formed. One of process that can be used to produced the product that made of plastic is called extrusion which use extruder machine. At this time, there is rarely the product of plastic manufacture which have good mechanical properties, like tensile strength because the mixture of plastic material is not homogeneous and deficiencies in the determination of material to be mixed. It is the background so that the author conducted research Studi temperatur optimal terhadap kekuatan tarik campuran polypropilne (PP) dan high-density polyethylene (HDPE) dengan mesin ekstruder with the aim of plastic raw material mixture is homogeneous. The variations of mix are 80% PP : 20% HDPE, 70% PP : 30% HDPE, dan 60% PP : 40% HDPE. While the temperature variations in the extruder are 165°C, 170°C 175°C, 180°C. Having obtained the most optimal results with tensile testing, will be taking photograph of macrostructure to determine the state of structural properties. From the tests performed in this study was obtained mixture of 70% PP : 30% HDPE and temperature of 175°C is the most optimal. And also the structural properties of the macrostructure photograph has a porosity with the highest percentage among other variations. Key word : Polypropilene, High-Density Polyehtylene, Extruder, Mixture Variation, Temperature Variation, Tensile Test, Macrostructure.
iv Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR.................................................................................. ABSTRAK .................................................................................................... ABSTRACT ................................................................................................. DAFTAR ISI ................................................................................................ DAFTAR TABEL ........................................................................................ DAFTAR GAMBAR ................................................................................... DAFTAR NOTASI ......................................................................................
i iii iv v vii viii x
BAB I PENDAHULUAN............................................................................... 1 1.1 Latar Belakang .................................................................................................. 1.2 Batasan Masalah................................................................................................ 1.3 Tujuan dan Manfaat........................................................................................... 1.3.1 Tujuan....................................................................................................... 1.3.2 Manfaat..................................................................................................... 1.4 Sistematika Penulisan........................................................................................
1 2 2 2 3 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA....................................................................5 2.1 Pengenalan Bahan Baku...................................................................................... 5 2.2 Penomoran Jenis dan Kode Polimer pada Kemasan........................................... 8 2.3 Pemanfaatan Polimer......................................................................................... 16 2.4 Bahan Baku....................................................................................................... 19 2.5 Ekstrusi............................................................................................................. 23 2.5.1 Definisi Ekstrusi....................................................................................... 23 2.5.2 Ekstrusi Bahan Termoplastik.................................................................... 24 2.6 Sifat Mekanik Polimer...................................................................................... 27 2.6.1 Kekuatan (streght)..................................................................................... 27 2.6.2 Elongasi..................................................................................................... 28 2.6.3 Modulus..................................................................................................... 28 2.6.4 Ketangguhan (toughness).......................................................................... 29 2.7 Perilaku Termoplastik saat Dideformasi........................................................... 29 2.8 Makrostruktur pada Polimer.............................................................................. 34
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.................................................. 36 3.1 Tahapan Penelitian............................................................................................. 36 3.2 Alat dan Bahan.................................................................................................. 37 3.2.1 Alat............................................................................................................ 37 3.2.2 Bahan......................................................................................................... 43 3.3 Pembuatan Spesimen......................................................................................... 44 3.3.1 Penimbangan Komposisi Formula............................................................. 44 3.3.2 Pembuatan Campuran Polimer...................................................................44 3.3.3 Pembuatan Film Spesimen......................................................................... 44 3.3.4 Karakteristik Campuran Polypropylene dan High-Density Polyethylene...................................................................... 48 3.4 Cara Pengambilan Data..................................................................................... 48
BAB IV DATA DAN ANALISA................................................................. 49 4.1 Analisis Visual Spesimen.................................................................................. 49 4.2 Hasil Uji Tarik Spesimen.................................................................................. 51 v Universitas Sumatera Utara
4.2.1 Perhitungan............................................................................................... 53 4.3 Perbandingan Kekuatan Campuran (Polypropylene + High-Density Polyethylene) dengan Polypropylene Murni dan High-Density Polyethylene Murni................................................................ 61 4.3.1 Hasil Uji Tarik Polypropylene Murni dan High-Density Polyethylene Murni .................................................. 62 4.4 Hasil Poto Struktur Makro................................................................................. 65
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN....................................................... 70 5.1 Kesimpulan........................................................................................................ 70 5.2 Saran.................................................................................................................. 71
DAFTAR PUSTAKA................................................................................... xi LAMPIRAN 1 ............................................................................................. xii LAMPIRAN 2 ............................................................................................. xiii LAMPIRAN 3 ............................................................................................. xxv
vi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat fisik, mekanis, dan termal dari polyethylene Tabel 2.2 Sifat fisik, mekanis, dan termal dari polypropilene Tabel 3.1 Bahan Baku Dan Karakteristiknya Tabel 3.2 Sampel Hasil Variasi Komposisi Volume Bahan Dan Variasi Temperatur Tabel 4.1 Data Hasil Uji Tarik/Uji Mulur Spesimen ASTM D638 Type IV Tabel 4.2 Sifat Mekanik Spesimen Tabel 4.3 Data Hasil Uji Tarik Film Spesimen Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Sifat Mekanik
vii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 2.15 Gambar 2.16 Gambar 2.17 Gambar 2.18 Gambar 2.19 Gambar 2.20
Kode Jenis Plastik Polyethylene Terephthalate (PET/PETE) dan strukturnya High Density Polyethylene dan strukturnya V - Polyvinyl Chloride dan strukturnya Low Density Polyethylene dan strukturnya Polypropylene dan strukturnya Polystyrene dan strukturnya OTHER Proses ekstrusi logam single screw ekstruder double screw ekstruder Pembebanan Bahan Spesimen Uji Tarik Dan Perilaku Polimer Termoplastik Pada Saat Mengalami Pembebanan Pada Mesin Uji Tarik Kurva tegangan-regangan Kurva Tegangan Regangan Suatu Polimer Thermoplastik (Rahmat Saptono, 2007 ) Perilaku Elastik Polimer Thermoplastik (Rahmat Saptono, 2007 ) Perilaku Elastik Polimer Thermoplastik (Rahmat Saptono, 2007) Penciutan dan Kristalisasi Polimer Thermoplastik Amorphous ada Pengujian Tarik (Rahmat Saptono, 2007 ) Deformasi pada polimer setelah pengujian tarik (Callister) Porositas pada polimer
Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10
Diagram Tahapan Penelitian Mesin Ekstruder Neraca Analitik Hydraulic Hot Press Cetakan Standard ASTM D638 tipe IV Mesin Uji Tarik Gotech Makroskop Optik Raxvision Bahan Baku polypropylene (PP) Bahan Baku High-Density polyethylene (HDPE) Campuran Polimer Pada Cetakan Sebelum Ditekan Dengan Hydraulic Hot Press Gambar 3.11 Diagram Pohon Sampel Hasil Variasi Komposisi Volume Bahan Baku Dengan Variasi Temperatur
Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9
Film Spesimen (a) F1 165oC, (b) F2 165oC, (c) F3 165oC Film Spesimen (a) F1 170oC, (b) F2 170oC, (c) F3 170oC Film Spesimen (a) F1 175oC, (b) F2 175oC, (c) F3 175oC Film Spesimen (a) F1 180oC, (b) F2 180oC, (c) F3 180oC Grafik stress vs strain pada suhu 165oC Grafik stress vs strain pada suhu 170oC Grafik stress vs strain pada suhu 175oC Grafik stress vs strain pada suhu 180oC Kurva Load - stroke pada 80% PP : 20% PE 165oC spesimen a viii Universitas Sumatera Utara
Kurva Load - stroke pada 80% PP : 20% PE 170oC spesimen b Kurva Load - stroke pada 70% PP : 30% PE 175oC spesimen b Kurva Load - stroke pada 80% PP : 20% PE 180oC spesimen b Film Spesimen polypropylene murni Film Spesimen High-Density polyethylene murni PP 100% pada spesimen a Setelah Uji Tarik HDPE 100% pada spesimen a Setelah Uji Tarik Kurva Load – Stroke pada PP 100% murni spesimen a Kurva Load – Stroke pada HDPE 100% murni spesimen a poto makrostruktur Sampel temperatur 165oC dengan komposisi 80% : HDPE 20% spesimen a Gambar 4.20 poto makrostruktur Sampel temperatur 170oC dengan komposisi 80% : HDPE 20% spesimen b Gambar 4.21 poto makrostruktur Sampel temperatur 175oC dengan komposisi 70% : HDPE 30% spesimen b Gambar 4.22 poto makrostruktur Sampel temperatur 180oC dengan komposisi 80% : HDPE 20% spesimen b
Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19
PP PP PP PP
ix Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI Simbol
Nama
Keterangan
Satuan
A
-
Luas Penampang
mm2
σ
sigma
Tegangan
N/mm2
ε
ebsilon
Kemuluran
%
E
-
Modulus Elastisitas
N/mm3
Gaya
N
Panjang
mm
F L
-
x Universitas Sumatera Utara
