BAB IV PENGEMBANGAN MATERIAL PENYUSUN BLOK REM KOMPOSIT
IV.1 Pemilihan Material Penyusun Dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, didapatkan kesimpulan bahwa material penyusun dari rem komposit terdiri dari binder, filler, reinforcement, friction modifier, dan abrasif. Komposisi material rem tersebut terdiri dari material-material penyusun seperti logam, keramik, gelas, elastomer dan polimer. Bahan-bahan penyusun tersebut memiliki fungsinya masing-masing sesuai dengan jenisnya. Pemilihan
material
penyusun
dilakukan
dengan
memperhatikan
ketersediaannya di dalam negeri, selain itu juga harus bisa diproduksi di dalam negeri dengan harga yang cukup murah. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah kecocokan (compatibility) suatu material penyusun dengan material yang lain pada saat diproduksi. Dari pertimbangan-pertimbangan di atas, maka diusulkan jenis-jenis material penyusun material rem komposit seperti pada tabel dibawah ini: Tabel 4. 1 Material penyusun rem komposit No
Komponen
Fungsi
Keterangan
1
Resin phenol
Matrix/binder. Bahan pengikat bahan-bahan lain.
Dipilih dari jenis yang tahan temperatur tinggi (thermoset), sampai 2000C. Komposit akan memiliki ketahanan terhadap temperatur yang lebih tinggi, karena bahan-bahan lain.
2
NBR, Nitril Butadiene Rubber
sebagai bahan campuran material binder untuk meningkatkan fleksibilitas dan fracture toughness blok rem
Tersedia dipasaran dalam bentuk serbuk sehingga mudah dalam pencampurannya.
46
komposit 3
Glass-fiber
Reinforcement, meningkatkan kekuatan tekan/tarik dari komposit
Glass-fiber murah dan cukup kuat, dengan bentuk flakes (ukuran kecil), dapat tercampur merata pada komposit
4
Al203
Abrasive
Alumina dipakai sebagai bahan friksi utama
5
Grafit
Friction modifier
Sebagai bahan pengontrol friksi dan meningkatkan ketahanan terhadap aus
6
Fe
Filler
7
BaSO4
Filler
8
Ca(OH) 2
Filler
Bahan-bahan filler akan memperbaiki penyebaran dan mengontrol persentase komposisi lain. Fe digunakan untuk menaikkan konduktifitas termal, tetapi akan meningkatkan koefisien gesek secara signifikan. Barium sulfat memiliki fungsi untuk memperbaiki ketahanan resin phenol terhadap temperatur tinggi, sedangkan Ca(OH)2 dipilih karena murah.
Tanaman kelapa adalah salah satu komoditi unggulan yang tersedia sangat banyak di Indonesia. Tanaman kelapa hampir terdapat di seluruh pelosok Indonesia mulai dari pulau Sumatra hingga Papua. Seperti yang telah diketahui, tanaman kelapa memiliki kegunaan yang sangat banyak mulai dari akar, batang, buah dan lain-lain. Pada penelitian ini, penulis memanfaatkan salah satu keunggulan dari tanaman kelapa yang akan digunakan menjadi salah satu bahan penyusun rem komposit. Salah satu bagian dari tanaman kelapa sering dimanfaatkan adalah buahnya. Di dalam buah kelapa tersebut, terdapat bermacam-macam bagian yang dapat dimanfaatkan. Dua bagian dari buah kelapa yang dimanfaatkan sebagai bahan modifikasi rem komposit adalah sabut kelapa dan arang dari tempurung kelapa. Gambar dibawah ini adalah serabut kelapa dan arang tempurung kelapa:
47
a Gambar 4. 1
b
Serabut kelapa (a), arang tempurung kelapa yang telah dihancurkan (b)
Aplikasi bahan alam diterapkan dengan memodifikasi komposisi bahan friction modifier dan reinforcemet. Modifikasi friction modifier diterapkan dengan menggunakan bahan grafit yang terbuat dari arang tempurung kelapa. Sedangkan modifikasi reinforcement diterapkan dengan menggunakan bahan serabut kelapa. Untuk mengetahui komposisi yang baik, maka dibuatlah variasi persentase komposisi perbandingan penerapan bahan alam seperti yang ditunjukkan dalam tabel di bawah ini: Tabel 4. 2 Modifikasi komposisi bahan reinforcement Kode
Reinforce Fiber
Serabut
R1
100%
0%
R2
75%
25%
R3
50%
50%
R4
25%
75%
R5
0%
100%
48
Tabel 4. 3 Modifikasi komposisi bahan friction modifier Kode
Reinforce Grafit
Arang tempurung kelapa
FM1
100%
0%
FM2
75%
25%
FM3
50%
50%
FM4
25%
75%
FM5
0%
100%
IV.2 Pembuatan Spesimen Dalam sub bab ini akan dibahas proses pembuatan spesimen mulai dari tahap persiapan hingga tahap akhir yaitu proses curing. Spesimen dibuat dengan spesifikasi bahan seperti yang telah dibahas sebelumnya. Bahan modifikasi dimasukkan sesuai dengan jumlah komposisi yang telah diatur sesuai dengan modifikasi yang dilakukan. IV.1.1 Tahap Persiapan Tahap persiapan dimulai dengan cara mengumpulkan bahan-bahan penyusun pembuatan spesimen yang akan diproduksi. Tahap persiapan tersebut adalah sebagai berikut: 1. Tahap persiapan bahan-bahan penyusun Tahap pertama yang harus dilakukan adalah tahap persiapan bahan-bahan penyusun rem komposit. Bahan-bahan penyusun rem komposit disiapkan sesuai dengan spesifikasi bahan yang dibutuhkan. Bahan-bahan yang dipersiapkan adalah: a. Resin Phenol kuning Phenol memiliki ketahanan panas yang baik. Selain itu, phenol dapat meningkatkan kualitas kontak yang baik antara blok rem dengan roda kereta api. Resin ini memiliki temperatur cair pada 900C dan temperatur polimerisasi pada 1500C
49
Gambar 4. 2 Resin phenol kuning
b. Alumina (Al2O3) Alumina termasuk dalam material abrasif. Material ini dipilih karena tersedia cukup banyak di Indonesia. Alumina berfungsi untuk menimbulkan gesekan yang digunakan untuk melakukan perlambatan kereta api. Di Indonesia, alumina tersedia dalam bentuk serbuk warna putih.
Gambar 4. 3 Alumina (Al2O3)
c. Serbuk Besi (Fe) Serbuk besi tersedia dalam bentuk serbuk berwarna hitam. Massa jenis besi besar sehingga dengan kadar yang sama dengan komponen penyusun lainnya, volume besi relatif lebih kecil. Serbuk besi ditambahkan pada rem komposit sebagai material gesek agar dapat memperbaiki karakteristik termal blok rem komposit. Serbuk besi memiliki konduktivitas termal dan difusivitas termal yang paling baik.
50
Gambar 4. 4 Serbuk Besi (Fe)
d. Fiber Glass Di pasaran, fiber glass tersedia dalam bentuk mat dengan panjang fiber berkisar 30 hingga 50 mm. Fiber glass (serat gelas) yang digunakan dalam susunan rem komposit memiliki panjang kira-kira 1 mm. Untuk menghasilkan serat dengan panjang tersebut, serat gelas dapat dihancurkan menjadi ukuran yang lebih kecil. Serat gelas biasa digunakan untuk menaikkan kekuatan tarik dan bending dari blok rem komposit. serat fiber relatif murah dan tersedia banyak di Indonesia.
Gambar 4. 5 Fiber Glass
e. Barium Sulfat (BaS04) Barium sulfat (BaS04) dapat meningkatkan kerapatan massa blok rem kereta api. Selain itu, barium sulfat dipilih karena ketahanannya terhadap pada temperatur tinggi serta dapat mengurangi tingkat keausan blok rem komposit. Di Indonesia, barium sulfat tersedia dalam bentuk serbuk berwarna putih.
51
Gambar 4. 6 Barium sulfat
f. Grafit Grafit merupakan material yang murah dan banyak digunakan di Indonesia. Grafit termasuk dalam friction modifier. Tingkat gesekan dari grafit dipengaruhi oleh kelembaban dan strukturnya. Grafit dapat terbakar pada suhu di atas 700 OC. Penambahan grafit meningkatkan ketahanan aus serta dapat mempengaruhi koefisien gesek blok rem komposit. Kelemahandari penggunaan grafit antara lain mengurangi koefisien adesif dan dapat meningkatkan kemungkinan karat pada rel
Gambar 4. 7 Grafit
g. NBR (Nitril Butadiene Rubber) NBR berfungsi untuk mengurangi kekerasan rem komposit serta untuk meningkatkan kualitas kontak antara blok rem dengan permukaan roda. Kontak yang kurang baik antara permukaan roda dengan blok rem komposit akan menyebabkan hot spot dan crack. NBR dipilih menjadi salah satu bahan penyusun rem komposit karena NBR memiliki ketahanan termal yang baik dibandingkan jenis karet yang lain. NBR tersedia dalam bentuk serbuk seperti pada gambar di bawah ini:
52
Gambar 4. 8 Nitril Butadiene Rubber
h. Kalsium Hidroksida (Ca(OH)2) Kalsium hidroksida digunakan sebagai material penyusun rem komposit karena material ini dapat mengurangi kemungkinan terjadinya korosi akibat penggunaan serbuk besi sebagai material abrasif. Di Indonesia, kalsium hidroksida lebih dikenal dengan nama batu kapur.
Gambar 4. 9 Kalsium Hidroksida
2. Tahap screening Bahan yang telah disebutkan sebelumnya kemudian dihaluskan melalui proses penghancuran. Hasil dari proses poenghancuran tersebut kemudian diayak (screening). Hasil pengayakan ini akan menghasilkan bahan dengan butiran halus sehingga apabila dicampur satu sama lain akan menghasilkan campuran yang homogen.
53
Gambar 4. 10 Proses pengayakan (screening)
3. Tahap scaling Scaling merupakan tahap penentuan kadar komposisi masing-masing komponen penyusun rem komposit. Kadar komposisi ditentukan dengan menggunakan timbangan karena penentuan persentase komposisi menggunakan basis masa. Pada tahap ini, masing-masing bahan telah ditentukan jumlahnya yang kemudian akan diproses selanjutnya.
a
b
Gambar 4. 11 Proses penentuan kadar bahan dengan timbangan (a), Bahanbahan yang telah diskalakan (b)
4. Tahap mixing Setelah pengaturan komposisi material komposit, keseluruhan bahan penyusun dicampur hingga merata. Pencampuran bahan-bahan tersebut dilakukan dengan menggunakan mixer karena pada pembuatan spesimen tersebut masih untuk skala kecil. Proses mixing dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
54
Gambar 4. 12 Proses pencampuran (mixing)
5. Tahap weighting Pada proses ini, bahan-bahan penyusun spesimen rem komposit yang telah dicampur sebelumnya kemudian memasuki proses weighting. Weighting adalah proses pembagian bahan spesimen dengan menggunakan timbangan. Bahan-bahan tersebut dibagi untuk setiap satu spesimen. Setelah proses ini, bahan-bahan spesimen siap untuk proses produksi selanjutnya. IV.1.2 Proses produksi spesimen Setelah bahan-bahan penyusun dipersiapkan, kemudian proses selanjutnya adalah pembuatan spesimen. Proses pembuatan spesimen secara umum adalah dengan memberikan tekanan pada bahan-bahan di dalam cetakan dengan parameter-parameter tertentu sehingga didapatkan spesimen dengan spesifikasi tertentu. Proses pembuatan secara detil dapat dilihat sebagai berikut: 1. Pemanasan dies Pertama, dies yang telah dipersiapkan dipanaskan dengan menggunakan heater listrik hingga temperatur yang diinginkan. Untuk mengetahui temperatur yang terjadi pada dies, maka digunakan termometer dengan menggunakan sensor infra red. Dengan menggunakan termometer ini, temperatur bagian dalam dies dapat diketahui dengan mudah dan hasil yang didapatkan cukup akurat. Berikut ini adalah gambar dari proses pemanasan dan pengukuran temperatur pada saat proses produksi spesimen rem komposit:
55
a Gambar 4. 13
b
Proses pemanasan dies (a), proses pengukuran temperatur (b)
2. Proses pemasukan bahan Setelah dies memenuhi spesifikasi temperatur yang dibutuhkan, proses selanjutnya adalah pemasukan campuran bahan-bahan ke dalam dies.
Gambar 4. 14 Proses pemasukan bahan-bahan
3. Proses pengaplikasian tekanan Setelah bahan-bahan tersebut dimasukkan ke dalam dies, kemudian tekanan diaplikasikan pada dies agar bahan-bahan tersebut mengalami beban penekanan. Tekanan dilakukan dengan menggunakan dongkrak hidraulik. Tekanan dapat diatur sesuai dengan spesifikasi tekanan yang dibutuhkan.
56
a
b
Gambar 4. 15 Proses pemberian tekanan (a), alat ukur tekanan (b)
4. Proses curing Setelah bahan-bahan dipanaskan dan dicetak sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan, kemudian spesimen tersebut memasuki proses curing. Proses curing adalah salah satu heat treatment dimana spesimen dipanaskan dengan temperatur dan jangka waktu tertentu sehingga spesimen mengalami perubahan sebagian sifat material.
a
b
Gambar 4. 16 Spesimen yang telah tercetak dikeluarkan dari dies (a), Spesimen dimasukkan dalam oven (b)
Tahap pencetakan merupakan salah satu tahapan terpenting. Pada tahap ini, campuran bahan penyusun komposit akan diproses menjadi satu kesatuan material komposit. Proses pencetakan yang digunakan adalah Hot Pressing. IV.1.3 Tahap Pemberian Kode Spesimen Parameter produksi tetap didapatkan dari penelitian sebelumnya yang membahas penentuan proses produksi yang menghasilkan spesimen rem komposit paling optimum. Penelitian tersebut membandingkan beberapa parameter proses
57
produksi spesimen terhadap kekuatan mekanik dari spesimen. Dari penelitian tersebut, kemudian didapatkan parameter proses produksi yang optimum dengan kode spesimen 243. Parameter tetap pada saat proses produksi spesimen 243 dapat dilihat dibawah ini: 1. Beban penekanan
: 25 MPa o 2. Temperatur penekanan : 180 C 3. Waktu penekanan : 40 menit 4. Temperatur curing : 150 oC Setelah proses produksi tersebut, dihasilkan spesimen dengan spesifikasi sebagai berikut: Tabel 4. 4 Kode spesimen dan spesifikasi proses pembuatan modifikasi reinforcement Penekanan No
KODE
Komposisi Bahan
Beban
Temp
Waktu
Waktu Curing
(ton)
(°C)
(menit)
(menit)
1
R1-243-1
30
2
R1-243-2
3
R1-243-3
120
4
R2-243-1
30
5
R2-243-2
6
R2-243-3
120
7
R3-243-1
30
8
R3-243-2
9
R3-243-3
120
10
R4-243-1
30
11
R4-243-2
12
R4-243-3
120
13
R5-243-1
30
14
R5-243-2
15
R5-243-3
R1
60
R2
R3
R4
R5
60
10
180
40
60
60
60 120
58
Tabel 4. 5 Kode spesimen dan spesifikasi proses pembuatan modifikasi friction modifier Penekanan No
KODE
Komposisi Bahan
Beban
Temp
Waktu
Waktu Curing
(ton)
(°C)
(menit)
(menit)
1
FM1-243-1
2
FM1-243-2
3
FM1-243-3
120
4
FM2-243-1
30
5
FM2-243-2
6
FM2-243-3
120
7
FM3-243-1
30
8
FM3-243-2
9
FM3-243-3
120
10
FM4-243-1
30
11
FM4-243-2
12
FM4-243-3
13
FM5-243-1
14
FM5-243-2
15
FM5-243-3
30 R1
60
R2
R3
60
10
180
R4
40
60
60 120 30
R5
60 120
Gambar dibawah ini menunjukkan spesimen yang telah dibuat dengan proses produksi seperti yang telah dijelaskan sebelumnya:
Gambar 4. 17 Spesimen material komposit perbedaan spesifikasi proses pembuatan
59
IV.3 Pengujian Spesimen Pengujian yang dilakukan pada spesimen rem komposit adalah uji tekan, uji bending dan uji gesek. Berikut ini adalah sedikit penjelasan dan hasil dari masingmasing pengujian tersebut: IV.3.1
Pengujian Bending
Pengujian bending dilakukan untuk mengetahui kekuatan tarik material terhadap pembebanan bending atau lebih dikenal dengan istilah cross breaking strength. Pengujian dilakukan dengan memberikan gaya pada bagian tengan spesimen dengan tumpuan diam pada kedua ujung spesimen. Gaya ini akan memberikan beban bending pada spesimen. Pengujian ini dinamakan three point bending.
Gambar 4. 18 Prinsip pengujian three point bending[9]
Berikut ini hasil pengujian bending yang telah dilakukan:
60
Tabel 4. 6
Hasil pengujian bending modifikasi reinforcement
KODE
Komposisi Bahan
R1‐243‐1 R1‐243‐2 R1‐243‐3 R2‐243‐1 R2‐243‐2 R2‐243‐3 R3‐243‐1 R3‐243‐2 R3‐243‐3 R4‐243‐1 R4‐243‐2 R4‐243‐3 R5‐243‐1 R5‐243‐2 R5‐243‐3
Tabel 4. 7
R1
R2
R3
R4
R5
Kekuatan Bending (MPa) 10.56 6.65 10.33 10.01 10.37 10.32 25.19 23.12 20.87 24.07 21.15 23.67 14.28 19.64 23.43
Hasil pengujian bending modifikasi friction modifier
KODE FM1‐243‐1 FM1‐243‐2 FM1‐243‐3 FM2‐243‐1 FM2‐243‐2 FM2‐243‐3 FM3‐243‐1 FM3‐243‐2 FM3‐243‐3 FM4‐243‐1 FM4‐243‐2 FM4‐243‐3 FM5‐243‐1 FM5‐243‐2 FM5‐243‐3
Komposisi Bahan FM1
FM2
FM3
FM4
FM5
Kekuatan Bending (MPa) 22.52 13.05 15.16 11.11 11.17 13.94 9.89 15.33 13.58 7.97 5.65 10.10 9.70 7.51 11.39
61
Gambar 4. 19 Keadaan spesimen setelah dilakukan pengujian bending
IV.3.2
Pengujian Tekan
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan tekan spesimen akibat pembebanan tekan. Spesimen rem komposit diberi beban penekanan hingga spesimen pecah. Kekuatan tekan diambil dari kekuatan maksimal spesimen pada saat pembebanan tekan.
Gambar 4. 20 Prinsip pengujian tekan[9]
Berikut ini adalah hasil dari pengujian tekan terhadap spesimen:
62
Tabel 4. 8 Hasil pengujian tekan modifikasi reinforcement KODE R1‐243‐1 R1‐243‐2 R1‐243‐3 R2‐243‐1 R2‐243‐2 R2‐243‐3 R3‐243‐1 R3‐243‐2 R3‐243‐3 R4‐243‐1 R4‐243‐2 R4‐243‐3 R5‐243‐1 R5‐243‐2 R5‐243‐3
Komposisi Bahan R1
R2
R3
R4
R5
Kekuatan Tekan (MPa) 23.41 15.38 22.66 17.79 23.81 24.57 37.92 47.38 38.66 38.86 37.29 47.32 41.59 41.64 54.30
Tabel 4. 9 Hasil pengujian tekan modifikasi friction modifier KODE FM1‐243‐1 FM1‐243‐2 FM1‐243‐3 FM2‐243‐1 FM2‐243‐2 FM2‐243‐3 FM3‐243‐1 FM3‐243‐2 FM3‐243‐3 FM4‐243‐1 FM4‐243‐2 FM4‐243‐3 FM5‐243‐1 FM5‐243‐2 FM5‐243‐3
Komposisi Bahan FM1
FM2
FM3
FM4
FM5
Kekuatan Tekan (MPa) 39.57 35.45 37.94 29.23 29.56 17.68 21.69 41.07 36.32 31.22 40.59 41.75 9.69 22.07 27.51
63
Gambar 4. 21 Keadaan spesimen setelah dilakukan pengujian tekan
IV.3.3
Pengujian Gesek
Pengujian gesek dilakukan untuk mengetahui keofisien gesek kinetik material. Pengujian dilakukan dengan memberikan gaya normal tertentu pada spesimen ke piringan putar. Kemudian gaya gesek yang didapatkan di hitung untuk menentukan koefisien gesek kinetik.
Gambar 4. 22 Prinsip pengujian gesek[17]
Berikut ini hasil pengujian gesek terhadap spesimen:
64
Tabel 4. 10 Hasil pengujian gesek modifikasi reinforcement
KODE
Komposisi Bahan
R1-243-1 R1-243-2
R1
R1-243-3 R2-243-1 R2-243-2
R2
R2-243-3 R3-243-1 R3-243-2
R3
R3-243-3 R4-243-1 R4-243-2
R4
R4-243-3 R5-243-1 R5-243-2
R5
R5-243-3
μ 0.33 0.31 0.36 0.29 0.30 0.34 0.35 0.31 0.31 0.32 0.33 0.34 0.29 0.32 0.32
Tabel 4. 11 Hasil pengujian gesek modifikasi friction modifier
KODE
Komposisi Bahan
FM1-243-1 FM1-243-2
FM1
FM1-243-3 FM2-243-1 FM2-243-2
FM2
FM2-243-3 FM3-243-1 FM3-243-2
FM3
FM3-243-3 FM4-243-1 FM4-243-2
FM4
FM4-243-3 FM5-243-1 FM5-243-2 FM5-243-3
FM5
μ 0.34 0.35 0.32 0.30 0.29 0.33 0.30 0.32 0.32 0.33 0.28 0.27 0.30 0.33 0.32
65
Gambar 4. 23 Spesimen uji gesek
66
