JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN:

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

1

PENGARUH PENAMBAHAN PROSENTASE FRAKSI VOLUME HOLLOW GLASS MICRSOSPHERE KOMPOSIT HIBRIDA LAMINA DENGAN PENGUAT SERAT ANYAMAN TERHADAP KARAKTERISTIK TARIK DAN BENDING Made Rasindradita G, Wajan Berata Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected] Abstrak-Sumbangan teknologi material saat ini terhadap dunia industri telah berkembang dengan pesat. Material yang dibutuhkan tidak hanya harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi, tetapi juga harus mempunyai berat yang ringan. Dalam dunia industri, ilmu logam memegang peran penting hampir dalam segala aspek. Seperti aspek penggunaan material yang sesuai, biaya, faktor keamanan, efisiensi, kemudahan perawatan dan banyak lagi. Pentingnya peran ilmu logam menjadikan ketertarikan para peneliti untuk mengembangkan sesuai dengan kebutuhan dalam aplikasinya. Karena hal tersebut maka dewasa ini material komposit mulai banyak dikembangkan. Bahan komposit menjadi vital dalam aplikasi industri karena memiliki sifat yang tidak dimiliki oleh bahan teknik lainnya. Penelitian dilaksanakan pada komposit hibrida berbahan serat fiberglass berbentuk anyaman dan dipadukan dengan hollow glass microsphere dengan uji tarik dan uji bending. Dengan jumlah total lapisan 9 lamina serta dengan perbandingan volume fraksi yang konstan antara serat penguat dengan matrik yaitu 0,68 ; 0,32. Hollow glass microspehere ditambahkan ke dalam resin dengan cara mensubtitusi berat resin dan berat hollow glass microspehere. Matriks yang digunakan adalah resin polymer jenis thermosetting yaitu polyester yukalac 157BTQN-EX dengan katalis MEKPO sebagai hardener. Prosen pembuatan menggunakan metode hand lay-up Pengujian dilakukan pada spesimen dengan sudut laminsi 900. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian tarik dan bending dan foto makro. Sehingga dalam penelitian ini didapatkan kesimpulan pada tegangan tarik mengalami kenaikkan pada penambahan fraksi volume hollow glass microsphere 10% dan mengalami penurunan pada penambahan fraksi volume hollow glass microsphere 20 % dan 30%. Pada pengujian bending didapatkan penurunan tegangan bending pada penambahan fraksi volume hollow glass microsphere 10%,20% dan 30%. Kata kunci : komposit hibrida, lamina, hollow glass microspehre, hand lay-up, foto makro. I.

PENDAHULUAN

Sumbangan teknologi material saat ini terhadap dunia industri telah berkembang dengan pesat. Material yang dibutuhkan tidak hanya harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi, tetapi juga harus mempunyai berat yang ringan. Dalam dunia industri, ilmu logam memegang peran penting hampir dalam segala aspek. Seperti aspek penggunaan material yang sesuai, biaya, faktor keamanan, efisiensi, kemudahan perawatan dan banyak lagi.

Pentingnya peran ilmu logam menjadikan ketertarikan para peneliti untuk mengembangkan sesuai dengan kebutuhan dalam aplikasinya. Karena hal tersebut maka dewasa ini material komposit mulai banyak dikembangkan. Bahan komposit menjadi vital dalam aplikasi industri karena memiliki sifat yang tidak dimiliki oleh bahan teknik lainnya. Komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi antara dua / lebih material pembentuk yang diproduksi dengan proses pencampuran. Jenis komposit berdasarkan matriks penyusunnya antara lain PMC ( Polymer Matriks Composite), MMC ( Metal Matriks Composite ), dan CMC ( Ceramic Matriks Composite ). PMC merupakan komposit yang tersusun dari matriks dan serat penguat. Matriks PMC terdiri dari resin polymer seperti thermoset resin atau thermoplastik resin. Sedangkan serat PMC terdiri dari serat sintetis berupa glass fibre ataupun carbon fibre. Komposit diproduksi dengan cara memadukan serat penguat dengan resin polymer. Sifat komposit diperoleh dari penggabungan matriks utama dengan reinforcement (penguat) melalui proses pembuatan yang bervariasi. Beberapa keuntungan dapat diperoleh dari material metal matriks komposit tersebut, tergantung dari sifat matriks utama dan juga penguat. Kelebihan yang dapat diperoleh adalah peningkatan daya redam energi material, ringan, desain fleksibel, daya tahan terhadap korosi lebih baik, dan lainnya. Adapun kekurangan dari jenis material komposit adalah desain kompleks, biaya tinggi, karakteristik terhadap temperature relatif kurang baik. Untuk mendapatkan material komposit yang memiliki berat lebih ringan tanpa mengurangi kelebihan dari material komposit , maka saat ini dikembangkan material berupa polimer foam komposit. Material ini diproduksi dengan cara mencampur resin dengan jenis filler Hollow Glass Microspheres (HGM). Filler (HGM) tersebut berbentuk spherical dan terdiri dari permukaan kaca yang kaku serta mengandung inert gas di dalamnya [1] sehingga memiliki sifat yang unik seperti berat jenis yang rendah (0,3 – 0,6 g /cc) [1] , kekuatan tekan tinggi (3000- 30.000 psi) [1] serta titik leleh yang tinggi (600 oC) [1] dan konduktivitas thermal yang rendah [1]. Aplikasi dari polimer foam komposit ini mulai dari bidang otomotif , perkapalan , penerbangan dan dunia industri lainnya disebabkan sifat kekuatan spesifik tekan yang tinggi, kemampuan absorbsi yang rendah dan stabilitas thermal yang baik. Sebagian besar penelitian mengenai polimer foam komposit yang dipublikasikan selama ini adalah membahas sifat mekanik paduan resin epoxy dengan Hollow Glass Microspheres (HGM) [2-6]. Belum banyak penelitian yang membahas tentang sifat mekanik unsaturated polyester dengan Hollow Glass Microspheres (HGM). Di Indonesia, paduan resin unsaturated polyester dengan serat kaca (glass

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 fibre) adalah jenis material komposit yang banyak digunakan untuk keperluan pembuatan body kendaraan roda empat dikarenakan biaya produksinya yang murah serta viscositas dari unsaturated polyester yang rendah dan waktu curing yang cepat. Guna menjamin biaya produksinya yang murah, salah satu metode yang digunakan untuk membuat body kendaraan dari jenis material tersebut adalah hand layup atau dikenal dengan istilah moulding. Penelitian kali ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan prosentase fraksi volume hollow glass microsphere komposit hibrida lamina dengan serat penguat anyaman terhadap kekuatan tarik dan bending. II.

URAIAN PENELITIAN

A. Definisi Material Komposit Hibrida Lamina Komposit dapat didefinisikan sebagai suatu material yang terdiri atas dua atau lebih material penyusun dan dikombinasikan dalam skala makroskopis. Dimana satu material adalah berfungsi sebagai fase pengisi (matrix) sedangkan material lainnya sebagai fase penguat (reinforce). Dengan penggabungan material tersebut, maka akan didapatkan suatu material yang sifatnya lebih baik dari material penyusunnya. Pada komposit dapat terbentuk interphase yaitu suatu fase diantara fase matrix dan penguat yang timbul akibat reaksi kimia dan efek dari proses produksi yang dilakukan. Dengan semakin berkembangnya teknologi komposit, maka memungkinkan komposit dapat didesain sedemikian rupa sesuai dengan karakterisitik material yang diinginkan sehingga dapat dibuat menjadi lebih kuat, ringan, kaku, dan lebih tahan panas. Dengan beberapa kelebihan tersebut, meyebabkan komposit banyak diaplikasikan dalam peralatan peralatan berteknologi tinggi di bidang industri, transportasi, dan konstruksi bangunan.

Gambar 1. Perbandingan komposit dengan metal yang lain [2].

Gambar 2.1. menunjukkan material seperti baja dan aluminium dengan komposit. Alasan memilih aluminium dan besi karena material tersebut banyak digunakan di dunia industri, jadi hal itu menunjukkan bahwa berat komposit jauh lebih ringan daripada kedua material tersebut. Begitu pula perbandingan thermal expansion dari komposit yang rendah sehingga baik digunakan pada media kerja bertemperatur tinggi. Selain itu, kekuatan dan kekauan komposit lebih tinggi daripada aluminium dan baja. B. Hollow Glass Microsphere Hasil studi yang dilakukan Erwin Wouterson, Freddy Boey [2] pada material epoxy yang diperkuat oleh hollow glass microspheres (HGM) dengan berbagai densitas yang berbeda menunjukkan bahwa sifat mekanik polimer foam komposit ditentukan oleh banyaknya volume fraksi filler yang, besarnya densitas serta rasio ketebalan-diameter dari filler tersebut. Hollow glass microsphere ini juga dapat

2

meningkatkan yield strength, compressive strength, life cycle, serta modulus elastisitas. HGM merupakan jenis glass berbentuk hollow [3] berdimensi 5 - 50μm. Menurut ASTM D 1238, HGM dapat menerima temperatur antara range 30oC – 220oC, serta laju pemanasan yang diterima oleh HGM sebesar 10oC/menit. HGM juga dapat menurunkan konduktivitas termal dan juga densitas. Penambahan HGM tersebut terdapat batasan pemakaian sampai dengan 51,3% dari fraksi berat matriks. Hal ini dikarenakan dapat menurunkan dielektrik konstan dan dielektrik buang dari material komposit. Untuk filler dipergunakan hollow glass microsphere (HGM) jenis iM30K dengan data teknis sebagai berikut: Tabel 1 Tabel properties dari iM30K [1]

Properties

iM30K filler

Isostatic crush

193.05 Mpa

Density

600 kg/m3

Softening Point

600 oC

Diameter

18 microns

(average) C. Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan matriks polyester 157 dengan penguat serat kaca jenis woven roving. Dalam pembuatannya, digunakan perbandingan fraksi volume resin dengan serat yaitu 0,68 : 0,32. 0 0 Laminate dibuat dengan arah serat 0 /90 sebanyak 9 lapis. Hollow glass microsphere dicampurkan kedalam resin dengan cara mensubtitusi dari berat resin dan berat hollow glass microsphere yaitu 0,68. Hollow glass ditambahkan dari prosentase 10%,20%,30%. Metode Manufaktur Hand Lay Up Proses manufaktur bahan komposit dengan metrode hand lay up merupakan metode yang paling sederhana diantara metode-metode manufaktur bahan komposit yang lain. Dikatakan sederhana karena tekniknya sangat mudah di aplikasikan yaitu cairan resin dioleskan diatas sebuah cetakan dan kemudian serat layer pertama diletakkan diatasnya, kemudian dengan menggunakan roller / kuas resin kembali diratakan. Langkah ini dilakukan terus menerus hingga didapatkan ketebalan spesimen yang diinginkan. Gambar 2 Proses Hand Lay Up [4]

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

Perhitungan Proses Pembuatan Material

Jenis

%

% Resin

%

Material

Fiber

Polyester

HGM

Glass 0%

32

68

0

10%

32

61,2

6,8

20%

32

54,4

13,6

30%

32

47,6

20,4

Tabel 2. Perbandingan fraksi volume yang digunakan Massa jenis resin polyester = 1,3 gr/cm3 Massa jenis hollow glass microspehere = 0,6 gr/cm3 Massa jenis fiber glass = 2,5 gr/cm3 Berat 1 lembar WR = 51,49 gram Berat 9 lembar WR = 9 x 51,49 gram = 463,41gram

3

Metodologi yang dilakukan pada penelitian ini adalah pengujian mekanik tensile dengan standar ASTM D303976[5], “Standar Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials”dan bending dengan “Standard Test Method for Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials” D790-84a[6] yang dikeluarkan oleh ASTM, dilakukan juga pengamatan Makro dan mikro. Uji mekanik untuk mengetahui tegangan material dari beban yang diberikan sampai mengalami kegagalan yang nantinya dibandingkan dengan literatur yang ada, Foto SEM dan Foto makro untuk mengetahui pola patahan dari komponen secara lebih detail, Metallography Test untuk mengetahui struktur mikro dari komponen yang mengalami kegagalan yang nantinya dibandingkan dengan literatur. III.

Kode

Volume

Volume

Volume

Spesimen

fiber (ml)

resin (ml)

HGM

HASIL DAN DISKUSI

A. Hasil Pengujian Tensile Pengujian tarik dilakukan dengan berdasarkan pada standar ASTM D3039 dilakukan pada mesin tarik di laboratorium jurusan teknik mesin ITS dengan skala pembebanan maksimum 60 kN. Hasil pengujian tarik pada komposit hibrida ditampilkan pada table berikut :

(ml) 0%

185,36

393,89

0

10%

185,36

354,41

39,38

20%

185,36

315,11

78,77

30%

185,36

275,72

118,16

Tabel 3.Perhitungan matriks Spesimen Uji Bending

jumlah

reinforcement

dan

Pembuatan spesimen uji bending berdasarkan standar dari “Standard Test Method for Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials” D790-84a[10] yang dikeluarkan oleh ASTM. Bentuk dan ukuran spesimen uji bending sesuai dengan gambar 3.

Gambar 3. Spesimen Uji Bending (dimensi dalam mm) Spesimen uji tarik Spesimen uji tarik pada penelitian ini dibentuk berdasarkan standar uji tarik komposit yaitu ASTM D303976[9], “Standar Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials”.

Gambar 4. Spesimen Uji Tarik dalam(mm)

Tabel 4. Tabel Pengujian Tensile

Dari table hasil uji tensile. Didapatkan adanya ada peningkatan tegangan tarik pada penambahan 10% Hollow Glass Microsphere dan terjadi penurunan tegangan tarik pada penambahan 20% dan 30% Hollow Glass Microsphere material komposit dari pengaruh penambahan fraksi volume Hollow Glass Microsphere dengan lapisan lamina komposit hibrida.

Gambar 5. Grafik tegangan tarik

Pada penelitian kali ini didapatkan hasil tegangan tarik yang semakin meningkat dengan bertambahnya fraksi volume 10 % hollow glass microsphere seperti yang dirunjukan pada gambar grafik. Pada pertambahan fraksi volume 10% hollow glass microsphere mengalami kenaikan tegangan dan regangan tarik hal ini disebabkan dari beberapa faktor yaitu resin polyester yang bercampur dengan hollow glass microsphere menambahkan nilai tegangan tarik dari material komposit itu sendiri karena jumlah volume yang tidak terlalu banyak disubstitusi dengan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 matriks resin polyester ikatan yang baik antara hollow glass microsphere dengan resin polyester ini menyebabkan naiknya tegangan tarik pada material dengan penambahan fraksi volume 10% hollow glass microsphere. Dan menagalami penurunan tegangan dan regangan tarik pada penambahan fraksi volume 20% dan 30% dikarenakan jumlah subtitusi volume hollow glass microsphere yang semakin banyak sehingga volume resin polyester volumenya semakin sedikit menyebabkan ikatan yang kurang baik pada material komposit. B. Hasil Pengujian Bending Pengujian bending dilakukan dengan berdasarkan pada standar ASTM D 790-84a dengan indentor 20 mm dan panjang penumpu span pada pengujian sebesar 100 mm dengan skala pembebanan maksimum 30 kN. Hasil pengujian bending pada komposit hibrida ditampilkan pada table 4.3 berikut: Tabel 5. Hasil Uji Bending Komposit Hibrida

4

C. Foto Makro dan SEM Foto Makro dan SEM Uji Bending

0% HGM

10% HGM

20% HGM

30% HGM

Gambar 5. Gambar Foto Makro Spesimen Uji bending

Gambar 7. Gambar Foto SEM Spesimen Uji bending dengan 10% Hollow glass microsphere

Dari table hasil uji bending. Didapatkan adanya ada penurunan tegangan bending penambahan 10%, 20% dan 30% Hollow Glass Microsphere material komposit dari pengaruh penambahan fraksi volume Hollow Glass Microsphere dengan lapisan lamina komposit hibrida.

Gambar 6. Grafik tegangan bending Tegangan bending dan modulus elasisitas bending terbesar cenderung diperoleh pada material tanpa penambahan fraksi volume HGM. Hal ini dikarenakan dengan menambahkan fraksi volume Hollow Glass Microsphere menyebabkan fraksi volume resin polyester semakin berkurang. Hal ini yang mengakibatkan tegangan bending akan semakin menurun karena ikatan yang kurang baik antara reinforcement dengan matrix dan filler. Sehingga menyebabkan material komposit mudah mengalami patah karena mengurangi tegangan di material komposit tersebut.

Pada pengamatan pola patahan yang dilakukan menggunakan foto makro menggunakan mikroskop optis dan foto mikro menggunakan SEM terjadi pada pengujian bending , didapatkan beberapa macam mekanisme kegagalan komposit yang hampir sama tiap spesimen. Yaitu adanya matrix cracking, delaminasi, serta fiber pull out, Matrix cracking . Foto Makro dan SEM Uji Tensile

0% HGM

20% HGM

10% HGM

30% HGM

Gambar 8. Gambar Foto Makro Spesimen Uji Tensile

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

5 Insulating Materials (Metric), American Society for Testing and Materials (1984).

Gambar 9. Gambar Foto SEM Spesimen Uji Tensile dengan 10% Hollow glass microsphere

Pada pengamatan pola patahan yang dilakukan menggunakan foto makro menggunakan mikroskop optis dan foto mikro menggunakan SEM terjadi pada pengujian tensile , didapatkan beberapa macam mekanisme kegagalan komposit yang hampir sama tiap spesimen. Yaitu adanya matrix cracking, delaminasi, serta fiber fracture, Matrix cracking . KESIMPULAN Setelah dilakukan rangkaian pengujian dan analisis data, didapatkan beberapa kesimpulan dari penelitian ini yang dijabarkan sebagai berikut: 1. Penambahan prosentase fraksi volume 10% hollow glass microsphere pada komposit hibrida lamina dapat menaikkan tegangan tarik serta regangan tarik dan pada penambahan 20% dan 30% hollow glass microsphere menurunkan nilai tegangan dan regangan tarik. 2. Penambahan prosentase fraksi volume hollow glass microsphere 10%,20% dan 30% pada komposit hibrida lamina dapat menurunkan tegangan bending serta modulus elastisitas bending. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada seluruh dosen maupun Jurusan Teknik Mesin Faklutas Teknologi Industri ITS dan seluruh teman-teman laboratorium Metalurgi Jurusan Teknik Mesin Faklutas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali ini. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]

[3]

[4] [ 5] [6]

3M Company, iM30K Technical Data Sheet, St.Paul (2011). Erwin M. Wouterson, Freddy Y.C. Boey, Xiao Hu, ShingChung Wong, Spesific Properties and Fracture Toughness of Syntatic Foam : Effect of Foam Microstructure, Composite Science and Technology 65 (2005) 1840-1850. Erwin M. Wouterson, Freddy Y.C. Boey, Xiao Hu, ShingChung Wong, Effect of Fibre Reinforcement on Tensile, Fracture and Thermal Properties of Syntatic Foam, Polymer 48 (2007) 3183-3191 Astika, I.M., Studi Eksperimental Karakteristik Tarik dan Lelah Pada Komposit Dengan Serat WR dan CSM, Tesis, Jurusan Teknik Mesin ITS (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