JURNAL SAINS DAN SENI POMITS
1
Pengaruh Sudut Laminasi Dan Perlakuan Permukaaan Stainless Steel Mesh Terhadap Karakteristik Tarik Dan Bending Pada Komposit Hibrida Aditya Prihartanto, Putu Suwarta, ST. MSc, dan Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
Material yang dibutuhkan tidak hanya harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi, tetapi juga harus memiliki berat yang ringan. Salah satu material tersebut adalah komposit. Untuk memperbaiki sifat komposit yang memiliki kecenderungan untuk gagal seketika (brittle), maka dapat dilakukan dengan cara menambahkan serat penguat berupa stainless steel mesh yang memiliki kekakuan dan regangan yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan serat penguat sintetis. Selain dengan penambahan logam stainless steel mesh, perlakuan terhadap permukaan logam stainless steel mesh diharapkan mampu meningkatkan mechanical interlocking pada material komposit. Penelitian dilaksanakan pada komposit berbahan polyester dan fiberglass berbentuk anyaman, dipadukan dengan serat penguat stainless steel mesh dengan uji tari k dan uji bending. Jumlah lapisan 9 lamina dan letak stainless steel pada lapisan tengah, perbandingan volume fraksi yang konstan antara matriks dengan serat penguat yaitu 0,68 ; 0,32. Stainless steel mesh yang digunakan memiliki ukuran mesh 30, diberi perlakuan permukaan dengan cara direndam dalam larutan HNO 3 . Matriks yang digunakan adalah polyester yukalac 157BTQN-EX dengan katalis MEKPO sebagai hardener. Pengujian dilakukan pada spesimen dengan sudut laminsi serat 900. Pada pengujian tarik dan bending perlakuan permukaan pada stainless steel berperan dalam meningkatkan kekuatan tarik maupun kekuatan bending. Kata Kunci—Komposit hibrida, perlakuan permukaan stainless steel, mechanical properties.
I. PENDAHULUAN
S
umbangan teknologi material saat ini terhadap dunia industri dan otomotif telah berkembang dengan pesat. Material yang dibutuhkan tidak hanya harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi, tetapi juga harus mempunyai berat yang ringan. Karena itu material komposit mulai banyak dikembangkan. Komposit adalah material yang terbentuk dari kombinasi antara dua / lebih material pembentuk yang diproduksi dengan proses pencampuran. Komposit diproduksi dengan cara memadukan serat penguat dengan resin polymer. Akan tetapi dengan sifat serat penguat sintetis yang cenderung getas , maka komposit tersebut memiliki kelemahan tidak mampu berdeformasi plastis. Untuk memperbaiki sifat tersebut maka dapat dilakukan dengan cara menambahkan serat penguat yang memiliki kekakuan dan regangan yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan serat penguat sintetis. Material yang dapat ditambahkan diantaranya adalah logam stainless steel
berbentuk mesh. Selain dengan penambahanstainless steel mesh tersebut, perlakuan terhadap permukaan stainless steel mesh diharapkan mampu meningkatkan mechanical bonding antara serat penguat dan matriks pada material komposit. Penelitian ini menitik beratkan pada pengaruh perlakuan permukaan stainless steel dengan HNO 3 terhadap karakteristik tarik dan bending dalam volume fraksi yang tetap pada komposit. Dalam penelitian ini digunakan metode hand lay up dikarenakan prosesnya sederhana dan tidak membutuhkan banyak peralatan pendukung. Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dibahas mengenai karakteristik sifat mekanik dari komposit hibrida dengan metode produksi hand lay up. Penelitian mengenai penggabungan stainless steel mesh dalam komposit telah dilakukan sebelumnya oleh beberapa peneliti antara lain : Shafqat Rasool (2007) dan Tamara Ryan (2011). Shafqat Rasool menambahkan stainless steel pada komposit dengan matriks berupa PEI dan PPS, dimana kekuatan bending tertinggi adalah penambahan stainless steel dengan matriks PEI. Sedangkan Tamara Ryan meneliti pengaruh penempatan posisi stainless steel mesh komposit bermatriks polyester terhadap karakteristik uji tari dan bending. Dimana untuk uji tarik posisi stainless steel mesh kurang berpengaruh terhadap kekuatan tarik yang didapatkan, sedangkan untuk pengujian bending penempatan posisi stainless steel berpengaruh terhadap kekuatan bending yang didapatkan. II. METODE PENELITIAN 2.1 Bahan Bahan yang digunakan untuk membuat spesimen komposit antara lain adalah resin polyester yukalac 157 BTQN-EX. Katalis MEKPO (Metil Etil Keton Peroksida), yang berfungsi sebagai hardener. Wax, berfungsi sebagai lapisan yang akan mempermudah proses pelepasan spesimen dari cetakan. Serat fiberglass woven roving (WR 600). Stainless steel woven mesh 30. Larutan alkali (NaOH) 40% dan larutan HNO 3 60% yang berfungsi memberi kontur pada permukaan stainless steel. 2.2 Perlakuan Permukaaan Stainless Steel Setelah stainless steel dipotong sesuai dengan ukuran cetakan, terlebih dahulu stainless steel direndam dalam larutan
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS
2
NaOH selama 60 menit. Kemudian angkat dan bilas dengan aquades. Lalu rendam dalam larutan HNO 3 (60%) yang dipanaskan dengan temperature 50o C selama 50 menit. Perlakuan permukaan berdasarkan standar ASTM D 2651. 2.3 Pembuatan Spesimen Spesimen komposit dibuat dengan metode hand lay up . Dimana direncanakan akan dibuat 9 lapis dengan 8 lapis fiberglass dan 1 lapis stainless steel mesh pada posisi tengah. Dengan perbandingan volume fraksi antara matriks dengan serat dibuat konstan 0,68 : 0,32. Dimensi dan ukuran spesimen untuk uji tarik berdasarkan standar ASTM D3039 dan untuk spesimen uji bending berdasarkan ASTM D790M. Berikut adalah skema peletakan stainless stell pada spesimen komposit.
Gambar 2.4 skema ukuran spesimen uji tarik berdasar ASTM D3039.
2.4 Pengujian Bending Pada pengujian bending diambil data sifat mekanisnya berupa kekuatan bending dan modulus elastisitas bending yang dihasilkan. Pengujian bending berdasarkan pada standar ASTM D790M. Kemudian hasil pengujian bending diamati secara makro dan SEM.
Gambar 2.5 skema ukuran spesimen uji bending berdasarkan ASTM D790. Gambar 2.1 Skema posisi stainless steel pada spesimen uji uji tarik III. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Diagram Hasil Uji Tarik Setelah spesimen komposit diuji tarik maka didapatkan hasil sebagai berikut :
Grafik perbandingan kekuatan tarik komposit
Gambar 2.2 Skema posisi stainless steel pada spesimen uji bending
200.00
178.39
181.39
166.84
σ (MPa) 150.00 F 90
(-)1MT90
(+)1MT90
Gambar3.1 Diagram kekuatan tarik komposit.
Gambar 2.3 Skema metode hand lay up
2.3 Pengujian Tarik Spesimen komposit selanjutnya akan diuji tarik dan diambil data sifat mekanisnya berupa kekuatan tarik dan regangan yang dihasilkan. Pengujian tarik didasarkan pada standar ASTM D3039. Kemudian hasil pengujian tarik diamati secara makro dan SEM.
Dari gambar 3.1, didapatkan adanya peningkatan kekuatan tarik dari pengaruh perlakuan permukaan stainless steel mesh pada komposit. Tegangan tarik tertinggididapatkan pada spesimen komposit dengan 1 lapisan stainless steel yang mengalami perlakuan permukaan dengan sudut laminasi serat 900 (+1MT90). Tegangan tarik tertinggi didapatkan 181,39 MPa. Sedangkan tegangan tarik terendah adalah spesimen komposit dengan 9 lapis fiberglass tanpa adanya penambahanstainless steel (F90). Dengan nilai tegangan tarik
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS
3
sebesar 166,84 MPa.
Grafik perbandingan regangan tarik komposit
5.00
1.82
ε (%)
2.29
2.33
0.00 F 90
(-)1MT90
(+)1MT90 Gambar.3.4 Penampakan stainless steel tanpa perlakuan SEM dengan perbesaran 100x
Gambar 3.2 Diagram regangan tarik komposit.
hasil
uji
Dari gambar 3.2 diketahui bahwa perlakuan permukaan terhadap stainless steel dapat meningkatkan regangan yang terjadi saat di uji tarik. Regangan tertinggi adalah pada spesimen komposit dengan perlakuan permukaan stainless steel dengan sudut laminasi serat 900 (+1MT90), dengan nilai regangan yang terjadi sebesar 2,33%. Sedangkan regangan terendah terjadi pada spesimen komposit serat kaca tanpa penambahan stainless steel dengan sudut laminasi 900 (F90). 3.2 Pengaruh Perlakuan Permukaan Stainless Steel Terhadap Kekuatan Tarik Komposit Hibrida Perlakuan permukaan pada stainless steel menyebabkan permukaan dari stainless steel menjadi tidak rata dan memiliki kontur yang lebih kasar jika dibandingkan dengan stainless steel tanpa perlakuan permukaan. Dengan kemampuan wetting dari resin yang dapat tersebar merata dan dapat masuk kecelah kontur dari permukaan stainless steel, maka akan terbentuk mechanical interlocking untuk saling berikatan antara resin dengan penguat stainless steel. Dengan adanya mechanical interlocking maka akan meningkatkan kekuatan tarik dan regangan dari spesimen tersebut.
Gambar. 3.5 Penampakan stainless steel dengan perlakuan hasil uji SEM dengan perbesaran 100x.
3.3 Pengamatan Patahan Pada Uji Tarik 3.3.1 Dengan Stainless Steel Tanpa Perlakuan Permukaan Mekanisme kegagalan yang terjadi adalah debonding dan delaminasi. Debonding dan delaminasi terjadi akibat lemahnya ikatan yang terbentuk antara matriks dengan serat penguat stainless steel. Lemahnya ikatan yang terbentuk dapat diamati dari gambar 3.6. Dengan lemahnya ikatan antara matriks dengan stainless steel akan menurunkan kekuatan dan regangan dari komposit.
matriks
F
F Stainless steel
Gambar 3.3 Skema mekanisme interlocking antara matriks polyester dengan stainless steel mesh.
Gambar.3.6 debonding dan delaminasi pada perbesaran 51x, arah pembebanan tegak lurus dengan gambar.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS
4
3.3.2 Dengan Stainless Steel Diberi Perlakuan Permukaan Terlihat ikatan yang cukup baik antara matriks dengan stainless steel mesh. Ikatan yang baik akan meningkatkan kemampuan spesimen komposit dalam mempertahankan bentuk agar tidak terjadinya kerusakan akibat beban tarik yang diberikan. Sehingga mengakibatkan naiknya kekuatan tarik dan regangan dari komposit tersebut. Terlihat dari gambar 3.7.
Grafik perbandingan modulus elastisitas bending komposit 15000.00
10000.00 E (MPa) 5000.00
8673.33
10356.02
11927.62
0.00 F 90
(-)1MT90
(+)1MT90
Gambar 3.9 Diagram modulus elastisitas bending komposit
Dari gambar 3.9 terlihat bahwa perlakuan permukaan terhadap stainless steel dapat meningkatkan modulus elastisitas bending. Modulus elastisitas tertinggi didapatkan oleh spesimen komposit dengan stainless steel diberi perlakuan permukaan dengan sudut laminasi serat 90o (+1MT90) dengan nilai sebesar 11927MPa. Modulus elastisitas terkecil didapatkan oleh spesimen 9 lapis fiber tanpa penguat stainless steel dengan sudut 900 (F90). Gambar 3.7 Ikatan yang baik pada matriks dengan perbesaran 41x, arah pembebanan tegak lurus dengan gambar.
3.4 Diagram Hasil Uji Bending Setelah spesimen komposit di uji bending, maka di dapatkan hasil sebagai berikut :
Grafik perbandingan kekuatan bending komposit
166.00
164.21
164.00 S (MPa) 162.00 160.00
160.26
161.44
3.5 Pengaruh Perlakuan Permukaan Stainless Steel Terhadap Kekuatan Bending Komposit Hibrida Pada spesimen komposit dengan stainless steel tanpa diberi perlakuan permukaan (-1MT90), terjadi mekanisme kegagalan berupa debonding. Debonding merupakan kegagalan dari spesimen komposit dalam menerima beban yang diberikan akibat lemahnya ikatan antara matriks dan serat penguat stainless steel. debonding akan mengakibatkan terjadinya delaminasi pada komposit. Mekanisme kegagalan lainnya pada spesimen (-)1MT90 adalah matriks cracking. Pada gambar 3.10 terlihat jelas bahwa matriks pada sisi bawah/ tarik spesimen mengalami retak yang menjalar menuju ke neutral axis/ bagian tengah spesimen. Pada bagian atas/ sisi tekan komposit mengalami buckling akibat beban kompresi.
158.00 F 90
(-)1MT90
(+)1MT90
Gambar. 3.8 Diagram kekuatan bending komposit
Dari gambar 3.8 didapatkan adanya peningkatan kekuatan bending komposit dari pengaruh perlakuan permukaan stainless steel mesh. Kekuatan bending tertinggi didapatkan pada spesimen komposit dengan 1 lapisan stainless steel yang diberi perlakuan pada permukaannya dengan sudut laminasi serat 900 (+1MT90). Nilai kekuaatan bending tertinggi didapatkan 164,21 MPa, sedangkan kekuatan bending terendah didapatkan 160,26 MPa. Kekuatan bending terendah dihasilkan oleh spesimen komposit dengan 9 lapis fiber dengan sudut laminasi serat 90o (F90).
Gambar 3.10 Foto makro patahan spesimen -1MT90 dengan perbesaran 10x
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Dari gambar 3.11 terlihat tidak terjadi mekanisme kegagalan debonding. Hal ini mengindikasikan ikatan yang terbentuk antara matriks dengan serat penguat stainless steel pada spesimen +1MT90 cukup baik. Kegagalan yang terjadi hanya berupa buckling dan matriks cracking.
Gambar3.11 Foto makro patahan spesimen +1MT90 dengan perbesaraan 10x.
5
3.6.2 Dengan Stainless Steel Diberi Perlakuan Permukaan Perlakuan permukaan pada stainless steel menghasilkan permukaan yang kasar dan memiliki kontur/celah. Hal tersebut memungkinkan untuk terjadinya mechanical adhesion yang disebabkan oleh mekanisme penguncian antara stainless steel dengan matriks (mechanical interlocking)seperti pada gambar 3.13. Ikatan yang baik antara stainless steel dengan matriks akan menghasilkan kekuatan bending yang tinggi pada komposit hibrida. Adanya ikatan yang kuat akan mencegah untuk terjadinya delaminasi pada interface stainless steel dengan fiberglass. Hal tersebut mengakibatkan kekuatan bending komposit tersebut akan naik. Besarnya gaya adhesi yang terjadi akan dapat menahan komposit dari gaya geser akibat pengujian bending. Selain itu akibat adanya ikatan yang kuat akan dapat menahan komposit dari kegagalan akibat fiber pull out.
3.6 Pengamatan Patahan Pada Uji Bending 3.6.1 Dengan Stainless Steel Tanpa Perlakuan Permukaan Buruknya ikatan yang terjadi antara stainless steel dengan matriks akan menghasilkan kekuatan bending yang relatif rendah pada komposit. Sehingga akan menimbulkan mekanisme kegagalan berupa debonding dan delaminasi. Pada gambar 3.12 menunjukan delaminasi yang terjadi pada interface antara penguat stainless steel dengan fiberglass yang membentuk suatu luasan. Terjadinya delaminasi akan mengakibatkan rendahnya kekuatan bending .
Gambar 3.13 Penampakan patahan dengan perbesaran 15x. IV. KESIMPULAN
Gambar 3.12 Penampakan delaminasi pada interface dengan perbesaran 20x.
Setelah dilakukan rangkaian pengujian dan analisa data, maka dapat diperoleh beberapa kesimpulan dari penelitian ini, antara lain sebagai berikut : 1. Perlakuan permukaan pada stainless steel mesh dapat meningkatkan kekuatan tarik dan regangan dari komposit. 2. Perlakuan permukaan pada stainless steel mesh dapat meningkatkan kekuatan bending dan modulus elastisitas bending dari komposit. 3. Metode kegagalan pada bending antara lain buckling, matrix cracking, debonding, fiber fracture dan delaminasi. DAFTAR PUSTAKA [1]
De Jong, Sander, Manufacturing and Characterization of Hybrid Composites, Master Thesis, Department of Design and Production of Composite Structures, Faculty of Aerospace Engineering, TU Deflt (2007).
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS [2]
[3] [4]
[5]
[6]
[7] [8]
[9]
[10]
[11] [12] [13]
[14]
[15]
[16]
[17]
Rasool, Shafqat, Flexural Properties of Glass Fibre Reinforced Thermoplastic Hybrid Composites with Metal Mesh Layers, Master Thesis, Department of Materials and Manufacturing Technology, Chalmers (2007). Gibson, R.F., Principles of Composite MaterialMechanics. McGraw Hill BookCo (1994). Tahira J. Ahmed, Harald E.N. Bersee, & Adrian Beukers, Low Velocity Impact on Woven Glass Composites Reinforced with Metal Mesh Layers, TU Delft (2006). Suwarta, Putu, Fatigue Behaviour of Glass Fibre Reinforced Thermoplastic Hybrid Composites with Metal Mesh Layers, Master Thesis, Department of Materials and Manufacturing Technology, Chalmers (2007). Ryan S, Tamara, Studi Eksperimental Pengaruh Jumlah Lapisan Stainless Steel Mesh & Posisinya Terhadap Karakteristik Tarik Bending Komposit Serat Kaca Hibrida, Institut Teknologi Sepuluh \Nopember,(2011). Willey, John, Mechanical Engineeers Handbook Material and Design, volume I, Third Edition, (2006) Mallick, P.K., Fibre Reinforced Composite Materials, Manufacturing and Design, Taylor & Francis Group, LLC (2007). Annual Book of ASTM Standards, D 3039M-95a, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, American Society for Testing and Materials (1995). Annual Book of ASTM Standards, D 790M-84, Standard Test Method for Flexural and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials (Metric), American Society for Testing and Materials (1984). PT. Justus Kimia Raya, Spesifikasi Resin YUKALAC BQTN 157. Chamberlain, John, Korosi untuk Mahasiswa Sains dan Rekayasa, PT.Gramedia Pustaka Utama, Jakarta (1991). Suntu, Gunarso, Analisis Sifat Mekanik dan Mekanisme Kegagalan pada Komposit Glare, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya (2000) Purnawijaya. Yudi, Analisis Kekuatan Lentur Komposit Serat Bambu Arah Lengthwise Dan Crosswise Dengan Uji Three Point Bending, Institut Teknologi Bandung, Bandung (2009) Putman, Carol, Mechanism of Interfacial Adhesion in Metal Polymer Composite Effect of chemical Treatment, University of Alabama, Brimingham (2011) Annual Book of ASTM Standards, D 2651-79, Standard Practice for Preparation of Metal Surface for Adhesive Bonding, American Society for Testing and Materials (1984). Hull, Derek, An Introduction To Composite Materials, Cambridge Solid State Science Series, Cambridge University, (1995)
6
