Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016
ANALISA KEKUATAN LENTUR STRUKTUR KOMPOSIT BERPENGUAT MENDONG/ EPOKSI BAKALITE EPR 174 Vicky Firdaus1, Lies Banowati2 dan Ruslan Abdul Gani3 1,2,3
Jurusan Teknik Penerbangan, Universitas Nurtanio bandung. Jl. Padjajaran No. 219, Cicendo, Jawa Barat 40174 Email :
[email protected] Email :
[email protected]
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa sifat mekanik kekuatan lentur struktur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 yang berpenguat serat mendong dan matrik epoksi bakalite EPR 174 dengan hardener V-140 . Uji kekuatan lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 mengacu pada standar American Society for Testing Material (ASTM) D790-02/03. Serat mendong yang digunakan adalah serat yang sudah mengalami proses alkali (NaOH). Metode pembuatan sampel uji komposit dengan cara hand lay-up. Hasil pengujian dianalisis menggunakan distribution weibull untuk menentukan nilai kekuatan lentur maksimum pada keandalan 50%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan lentur maksimum untuk arah serat unidirectional 0˚ sebesar 123 MPa dan unidirectional 90° sebesar 4,6 MPa. Kata kunci : komposit, kekuatan lentur, mendong, epoksi
PENDAHULUAN Tanaman mendong merupakan tanaman yang tumbuh dilahan basah, didaerah berlumpur, dan memiliki air yang cukup sehingga cocok dibudidayakan di Indonesia khususnya di daerah Tasikmalaya, Jawa Barat. Hasil utama tanaman mendong adalah berupa batang serta tangkai bunga yang dikenal dengan istilah “mendong”. Mendong merupakan jenis tumbuhan rumput yang memiliki serat yang cukup kuat yang sering disebut dalam bahasa ilmiah Fimbristylis Globulosa dengan panjang kurang lebih 100 cm. Serat tersebut digunakan sebagai bahan baku pada industri kerajinan yang hasilnya dapat berupa dompet, tas, topi, taplak meja, dan tikar (Kuntari, 2010). Jika ditinjau dari ketersediaan serat mendong yang berlimpah dan belum di manfaatkan secara maksimal maka serat tersebut berpotensi untuk dikembangkan menjadi material penguat komposit sehingga mampu meningkatkan nilai tambah para pelaku industri pengrajin mendong. Dalam penelitian ini, batang tumbuhan mendong yang sudah melalui proses perlakuan alkali dipilih sebagai penguat material komposit menggunakan matrik epoksi bakalite EPR 174. Selanjutnya dilakukan uji lentur dengan arah serat yang bervariasi menggunakan alat three point bending untuk mengetahui sifat mekanik kekuatan lentur dan modus kegagalan yang terjadi pada komposit tersebut. Sifat-sifat komposit. Salah satu faktor penting yang menentukan karakteristik dari komposit adalah perbandingan matrik dan penguat/serat. Perbandingan ini dapat ditunjukan dalam bentuk fraksi volume serat (Vf). Pada proses pembuatan komposit, fraksi volume serat sangat menentukan kekuatan dan kekakuan material komposit. Serat memiliki fungsi untuk meningkatkan kekuatan, kekakuan dan keuletan material komposit.
TM-18
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Berikut adalah perhitungan fraksi volume serat (Berthelot, 1997) yang digunakan dalam penelitian ini : 𝑉𝑓 =
𝑣𝑓 𝑣𝑐
𝑥100%
𝑣𝑐 = 𝑣𝑓 + 𝑣𝑚 =
(2.1) 𝑚𝑓 𝜌𝑓
+
𝑚𝑚
(2.2)
𝜌𝑚
Subtitusi persamaan (2.2) ke dalam (2.1), didapat pesamaan fraksi volume sebagai berikut : 𝑚𝑓
𝑉𝑓 = 𝑚𝑓 𝜌𝑓
𝑉𝑓 =
𝑚 + 𝑚
𝑥100%
𝜌𝑚
𝑚𝑓 𝜌𝑓
𝑚𝑓 𝑚 + 𝑚 𝜌𝑓 𝜌𝑚
𝑥100%
(2.3)
Matriks dan fiber adalah bahan pembentuk material komposit dimana fiber sangat berperan dalam memberikan kekuatan dan kekakuan komposit. Namun aspek lain yang menjadi sumber kekuatan komposit didapat dari matriks yang memberikan ketahanan terhadap tegangan geser dan mampu mendistribusikan beban pada serat. METODE PENELITIAN Serat mendong diperoleh dari Kota Tasikmalaya Jawa Barat. Serat mendong direndam dalam larutan alkali 5% (NaOH) selama 2 jam. dan dikeringkan dengan bantuan sinar matahari selama 6 jam. Bahan matriks yang digunakan adalah Bakelite EPR 174, dan campuran hardener yang dipakai adalah V-140 yang didapat dari PT. JUSTUS KIMIA RAYA, BANDUNG. Komposit dibuat dengan metode hand lay up dengan fraksi volume serat (Vf) 50% dalam temperatur kamar. Spesimen uji lentur dibuat dalam bentuk pelat dengan menggunakan cetakan, kemudian dipotong dengan menggunakan mesin gerinda dengan ukuran dimensi sesuai dengan standar ASTM D790-20/03. Selanjutnya bagian pinggir spesimen dihaluskan menggunakan kertas amplas untuk menghilangkan sisa pemotongan. Dalam penelitian ini penulis akan melakukan pengujian lentur Three point bending menggunakan alat uji Tensilon RTF-1310.Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui sifat-sifat dan karakteristik mekanik kekuatan lentur pada material komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174. Pada saat pembebanan, batang spesimen yang diuji mengalami tegangan tekan dan tegangan tarik. Tegangan tekan terjadi pada bagian dalam di tengah – tengah batang spesimen atau midspan speciment. Sedangkan tegangan tarik terjadi pada bagian luar midspan speciment. Gambar 1 menunjukkan ilustrasi pengujian three point bending yang dilakukan pada spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 dilakukan dengan menumpu spesimen uji dengan tumpuan di dua posisi kemudian diberikan beban diantara dua tumpuan tersebut tetapi dari arah
TM-19
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 berlawanan dengan dua tumpuan sampai spesimen terdefleksi dan dianggap tidak mampu lagi menerima bending.
Gambar 1. Ilustrasi Uji Three Point Bending (Handoko, 2014) Untuk menghitung kekuatan lentur (flexure Strenght) spesimen dapat menggunakan persamaan umum sebagai berikut (ASTM, 2003): 3𝑃𝐿 𝜎𝑓 = 2𝑏ℎ2 (2.4) Gambar 2 adalah spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90° dan unidirectional 0° sebelum uji lentur.
(a)
(b) Gambar 2. Spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 sebelum uji lentur: (a) arah serat unidirectional 0°, (b) arah serat unidirectional 90° METODE ANALISIS Dalam penelitian ini metode analisis yang digunakan adalah dengan menggunakan metode distribusi Weibull, merupakan metode statistik untuk menentukan nilai keandalan dari kekuatan material. Keandalan merupakan ukuran dari sebuah material dalam menerima sebuah beban. Berikut adalah persamaan fungsi keandalan yang digunakan dalam menganalisa penelitian ini (Pasha, 2006): 𝑥 𝑐
𝑅(𝑥; 𝑏, 𝑐) = exp(− (𝑏) )
(2.5)
TM-20
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Metode regresi linear mengubah persamaan distribusi Weibull dua parameter kedalam persamaan linear y = mx+r dengan cara melakukan operasi logaritma pada persamaan (2.6):
𝑙𝑛 (ln (
1
)) = 𝑐 ln 𝑥 − 𝑐 ln 𝑏
(2.6)
1−𝐹(𝑥;𝑏,𝑐)
HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Lentur Komposit Mendong/Epoksi Bakalite EPR 174 Untuk mendapatkan sifat mekanik kekuatan lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 dilakukan pengujian spesimen di Laboratorium Teknik Produksi milik ITB menggunakan mesin uji Tensilon RTF-1310 dengan jumlah spesimen sebanyak 5 sampel untuk setiap variasi arah serat. Gambar 3 dan 4 masing-masing menunjukkan hasil uji lentur spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° dan 90°.
Gambar 3. Spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° sesudah uji lentur untuk pandangan: (a) samping, (b) atas, (c) bawah Pada Gambar 3(a) dan 3(c) menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi pada spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° (dilingkari warna kuning) adalah delaminasi dan fibre failure pada bagian bawah spesimen, sehingga pada saat pembebanan bending ikatan antar muka serat dan matriks terlepas. Sedangkan pada Gambar 3(b) tidak terjadi delaminasi dan fibre failure, meskipun terlihat ada sedikit perubahan pada warna permukaan spesimen hampir mendekati warna putih yang menunjukkan indikasi akan terjadi delaminasi.
Gambar 4. Spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90° sesudah uji lentur untuk pandangan: (a) samping, (b) atas, (c) bawah TM-21
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Pada Gambar 4(a), 4(b) dan 4(c) menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi pada spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90° adalah kegagalan pada matriks, sehingga pada saat pembebanan bending gaya yang terjadi seluruhnya hanya terdistribusi pada matriks saja. Gambar 5 dan 6 adalah grafik hasil pengujian kekuatan lentur spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174.
Gambar 5 Grafik hasil pengujian lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0°
Gambar 6 Grafik hasil pengujian lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90° Gambar 7 adalah plot regresi linear spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90°, sedangkan Gambar 8 dan 9 adalah grafik hasil perhitungan distribusi weibull pada spesimen komposit spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° dan 90°.
Gambar 7 Plot regresi linier komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90°.
TM-22
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016
Gambar 6 Grafik distribusi Weibull komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0°.
Gambar 7 Grafik distribusi Weibull spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 900 Tabel 1 menunjukkan hasil perbandingan analisis distribusi Weibull keandalan 50% untuk uji lentur spesimen komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° dan 90° dengan fraksi volume serat 50%. Tabel 1 Perbandingan analisis distribusi Weibull uji lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° dan 90° Spesimen Kekuatan Lentur (MPa) Komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° Komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 90°
123
4,6
Gambar 6 menunjukkan bahwa kekuatan lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 arah serat unidirectional 90° lebih rendah dibandingkan unidirectional 0° hal tersebut ditunjukkan dengan penurunan yang drastis pada grafik hasil pengujian lentur pada komposit arah serat unidirectional 90°. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis maka dapat ditarik kesimpulan bahwa kekuatan lentur komposit mendong/epoksi bakalite EPR 174 dengan fraksi volume 50% memiliki nilai kekuatan terbesar TM-23
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 pada arah serat unidirectional 0° yaitu 123 MPa dan kekuatan tarik terkecil berada pada arah serat unidirectional 900 yaitu 4,6 MPa. Modus kegagalan yang terjadi pada arah serat unidirectional 0° adalah delaminasi dan fibre failure, sedangkan pada arah serat unidirectional 0° adalah kegagalan pada matriks. NOTASI Vf = Fraksi volume fiber(%) mf = massa fiber (gram) ρf = massa jenis fiber (gr/mm3) mm = massa matrik (gram) ρm = massa jenis matrik (gr/mm3) 𝜎𝑓 =Tegangan lentur (MPa) 𝑃 = Beban yang bekerja (N) 𝐿 = Panjang spesimen (mm) 𝑏 = Lebar spesimen (mm) ℎ = Ketinggian/tebal (mm) DAFTAR PUSTAKA ASTM, “Annual Book of ASTM Standar”, West Conshohocken, 2003.. Berthelot, Jean Marie.1999. Composite Material : Mechanical Behavior and Structural Analysis. Newyork : Springer. G.R, Pasha. 2006. “Empirical Analysis of The Weibull Distribution for Failure Data”. Journal of Statistics. Multan. ISSN Handoko, 2014. Analisis Kekuatan Lentur Struktur Komposit Unidirectional Berpenguat Benang Rami dan HDPE Melalui Uji Three Point Bending. Skripsi. Teknik Penerbangan. Institut Teknologi Bandung. Bandung. Kuntari, 2010. Pemanfaatan Limbah Mendong Sebagai Bahan Baku Kertas Seni. Jurnal. Balai Besar Bahan dan Barang Teknik. Bandung
TM-24
