KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGUAT SERAT BAMBU DAN SERAT GELAS SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN BAKU INDUSTRI (Daniel Andri Porwanto, Lizda Johar M ST.MT) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626 E-mail : d4ni_el27@@yahoo.com
Abstrak Dalam tugas akhir ini, dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik bahan komposit berpenguat serat bambu dan serat glass sebagai alternatif bahan baku industri. Adapun penelitian ini terbagi dalam beberapa tahapan. Tahap pertama pembuatan spesimen komposit dengan masing-masing penguat dengan fraksi volume 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 12.5% dan spesimen tanpa penguat atau fraksi volume 0% sebagai pembanding. Bahan polimer yang digunakan yaitu poliester BQTN 157-EX Yukalac sebagai matriksnya. Pembuatan spesimen dengan menggunakan metode hand lay-up. Tahap kedua yaitu pengujian bahan komposit. Pengujian yang dilakukan yaitu uji tarik dan uji densitas bahan komposit. Uji tarik dilakukan menggunakan standar ASTM D 638M-84 M-1. Tahap ketiga yaitu hasil analisa data dan pembahasan. Dari hasil peneletian diperoleh kesimpulan pengaruh fraksi volume serat terhadap karakteristik sampel komposit tidak menunjukkan tren yang seharusnya, hal ini dikarenakan banyaknya void pada sampel komposit, baik komposit berpenguat serat bambu maupun berpenguat serat gelas diperoleh nilai karakteristik yang mendekati ideal pada masing-masing fraksi volume 2,5%, komposit polimer berpenguat serat bambu pada fraksi volume 2,5% memiliki karakteristik paling mendekati ideal yakni memiliki kekuatan tarik sebesar 38,57 MPa, modulus elastisitas sebesar 1326,92 MPa dan densitas sebesar 1,203 gram/ml dan material komposit polimer berpenguat serat bambu pada fraksi volume penguat 2,5% dapat digunakan sebagai alternatif bahan baku industri yaitu menggantikan bahan baja rolan untuk ketel sesuai standar JIS G3103. Kata kunci: Karakterisasi, Komposit, Penguat, Bambu, Gelas, Alternatif, Industri 1.Pendahuluan Dewasa ini perkembangan teknologi bahan semakin pesat. Pemenuhan kebutuhan akan bahan dengan karakteristik tertentu juga menjadi faktor pendorongnya. Berbagai macam bahan telah digunakan dan juga penelitian lebih lanjut terus dilakukan untuk mendapatkan bahan yang tepat guna, salah satunya bahan komposit polimer. Kemampuannya yang mudah dibentuk sesuai kebutuhan, baik dalam segi kekuatan maupun keunggulan sifat-sifat yang lain, mendorong penggunaan bahan komposit polimer sebagai bahan alternatif atau bahan pengganti material logam konvensional pada berbagai produk yang dihasilkan oleh industri khususnya industri manufaktur. Material komposit yaitu material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih unsurunsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan (Schwartz, 1984). Kelebihan material komposit dibandingkan dengan logam adalah ketahanan terhadap korosi atau pengaruh lingkungan bebas dan untuk jenis komposit tertentu memiliki kekuatan dan kekakuan yang lebih baik. Oleh karena itu penelitian yang berkelanjutan berbanding lurus dengan perkembangan teknologi bahan tersebut khususnya komposit. Perkembangan komposit tidak hanya dari komposit sintetis tetapi juga komposit natural yang terbarukan sehingga mengurangi pencemaran lingkungan hidup. Penelitian mengenai material komposit maupun komponen yang terbuat dari material
komposit telah banyak dilakukan. Parlindungan Manik dkk (2004) melakukan penelitian mengenai komposit dengan serat bambu apus sebagai penguat. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa komposit dengan serat bambu tipe chopped strand mat belum dapat digunakan sebagai bahan alternatif pengganti kayu sebagai bahan pembuatan kulit kapal, karena kekuatan tarik komposit yang diperoleh belum memenuhi aturan Biro Klasifikasi Indonesia (BKI). Hendri Nurdin (2008), meneliti pengaruh jenis serat pada komposit terhadap kekuatan tarik bahan komposit polimer/serat gelas. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa jenis serat Eglass dengan tipe chopped strand mat memiliki kekuatan tarik sebesar 75,55 MPa. Dari beberapa penelitian tersebut belum ada yang membandingkan karakteristik komposit antara komposit yang berpenguat serat bambu apus dan komposit yang berpenguat serat gelas dengan tipe sama yaitu chopped strand mat dengan proses yang sama dalam satu lingkup penelitian. Hal ini mendorong penulis untuk melakukan penelitian lebih lanjut. Adapun dalam penelitian ini karakteristik komposit yang ingin diketahui adalah sifat kekakuan, kekuatan, dan densitas dari komposit polimer berpenguat serat gelas dan komposit polimer berpenguat serat bambu. Hal ini dikarenakan peneliti ingin memperoleh bahan komposit yang kuat, kaku, dan juga ringan. Sehingga uji yang perlu dilakukan harus dapat mengetahui karakteristik komposit polimer yang
sesuai, yaitu uji tarik dan uji densitas. Dari latar belakang tersebut di atas, permasalahan yang muncul dalam tugas akhir ini adalah bagaimana karakteristik bahan komposit berpenguat serat bambu dan serat gelas sebagai alternatif bahan baku industri. Adapun tujuan dalam pengerjaan penelitian tugas akhir ini adalah melakukan karakterisasi bahan komposit berpenguat serat bambu dan serat gelas sebagai alternatif bahan baku industri. Karakterisasi tersebut dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi fraksi volume kedua jenis komposit, mengetahaui perbandingan karakteristik kedua jenis komposit satu sama lain, mengetahui komposit dengan karakteristik yang mendekati ideal, dan juga mengetahui komposit yang dapat digunakan sebagai alternatif bahan baku industri. Supaya mendapatkan penelitian yang terarah dan fokus maka dilakukan beberapa pendekatan sebagai berikut : • Karakteristik yang dimaksud dalam penelitian ini adalah kekuatan tarik , modulus elastisitas, dan densitas. • Tidak membahas proses kimia yang terjadi, karena tinjauan pembahasan secara makroskopis. • Bentuk serat yang digunakan adalah tipe chopped strand mat dengan panjang sekitar 1,5 cm. • Serat bambu terbuat dari jenis bambu apus (gigantochloa apus kurz). • Serat gelas yang digunakan berjenis E-glass. • Untuk uji tarik digunakan standar ASTM D 638M-84. 2. Teori Dasar 2.1 Komposit Pengertian bahan komposit berarti terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda yang digabung atau dicampur secara makroskopis menjadi suatu bahan yang berguna (Jones, 1975), karena bahan komposit merupakan bahan gabungan secara makro, maka bahan komposit dapat didefinisikan sebagai suatu sistem material yang tersusun dari campuran/kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan (Schwartz, 1984). Bahan komposit secara umum terdiri dari penguat dan matrik. Penguat komposit pada umumnya mempunyai sifat kurang ulet tetapi lebih kaku serta lebih kuat. Fungsi utama dari penguat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari penguat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada penguat, sehingga penguat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu penguat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit.
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matrik, umumnya lebih ulet tetapi mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih rendah. Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut : • Mentransfer tegangan ke serat. • Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat. • Melindungi serat. • Memisahkan serat. • Melepas ikatan. • Tetap stabil setelah proses manufaktur. Tujuan dibuatnya komposit yaitu memperbaiki sifat mekanik atau sifat spesifik tertentu, mempermudah desain yang sulit pada manufaktur, keleluasaan dalam bentuk atau desain yang dapat menghemat biaya produksi, dan menjadikan bahan lebih ringan. komposit yang diproduksi oleh suatu instansi atau pabrik biasanya dapat diprediksi sifat mekanik dari bahan komposit berdasarkan bahan matrik dan bahan penguatnya (Callister, 2007). Adapun beberapa sifat mekanik yang dapat diprediksi dari komposit yaitu kekuatan tarik dan kelayakan sebagai material komposit (validitas komposit). Dalam komposit kekuatan tarik dipengaruhi oleh kekuatan interface-nya. Dari pengujian kekuatan interface sangat sulit ditentukan karena prosesnya yang tidak sederhana. Sehingga hasil pengujian juga sangat sulit ditentukan karena adanya faktor teknis pembuatan spesimen. Untuk komposit polimer/serat , perbedaan campuran unsur matrik dan perbedaan serat juga menghasilkan kekuatan adhesive yang berbeda sehingga tidak jarang serat akan putus sebelum terlepas dari matriknya (Matthew, 1999). Adapun besarnya kekuatan tarik yang dihasilkan oleh komposit polimer/serat dapat prediksi dengan menggunakan persamaan 2.1. Berdasarkan persamaan ini dapat digunakan oleh peneliti sejauh untuk mengetahui sejauh mana besarnya kekuatan tarik yang dihasilkan oleh komposit berdasarkan matrik dan penguat penyusunnya. Berikut ini persamaan tensile prediction. = σmVm σc σ f V f .........................................(2.1)
+
dengan:σ c = kekuatan tarik komposit (MPa) σ m = kekuatan tarik matrik (MPa) σ f = kekuatan tarik penguat (MPa) V m = fraksi volume matrik V f = fraksi volume penguat Jumlah kandungan serat dalam komposit, merupakan hal yang menjadi perhatian khusus pada komposit berpenguat serat. Untuk memperoleh komposit berkekuatan tinggi, distribusi serat dengan matrik harus merata pada proses pencampuran agar mengurangi timbulnya void. Untuk menghitung fraksi volume parameter yang harus diketahui adalah densitas resin, densitas penguat, massa matrik dan massa penguat. Adapun fraksi volume yang ditentukan dengan persamaan :
……………...…(2.2)
….…………….(2.3) Gambar2.1 Komposit partikel Jika selama pembuatan komposit diketahui berat penguat dan berat matrik, serta densitas penguat dan densitas matrik, maka fraksi volume dan fraksi penguat B. Komposit serat (fibrous composites) Komposit serat adalah komposit yang terdiri dari dapat dihitung dengan persamaan: serat dan matriks. Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga …………………… tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang ….(2.4) dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan dengan : W f = fraksi berat penguat menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena w f = berat penguat (gr) itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus w c = berat komposit (gr) -3 elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun ρ f = densitas penguat (gr.cm ) -3 komposit. Pemilihan serat atau penguat penyusun pada ρ c = densitas komposit (gr.cm ) komposit juga harus mempertimbangkan beberapa hal v f = fraksi volume penguat salah satunya harga. Hal ini penting karena sebagai v m = fraksi volume matrik pertimbangan bila akan digunakan pada skala produksi V f = volume penguat (cm3) besar. V m = volume matrik (cm3) Jenis komposit serat terbagi menjadi 4 macam Berdasarkan bentuk penguatnya, secara garis besar komposit diklasifikasikan menjadi tiga macam yaitu Continous fiber composite (komposit diperkuat (Jones, 1975), yaitu: komposit partikel, komposit serat dengan serat kontinue), dan komposit lapis. Woven fiber composite (komposit diperkuat A. Komposit partikel (particulate composites) dengan serat anyaman), Merupakan komposit yang menggunakan partikel Chopped fiber composite (komposit diperkuat serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara serat pendek/acak), merata dalam matriknya. Komposit partikel banyak Hybrid composite (komposit diperkuat serat dibuat untuk bahan baku industry. Proses produksi yang kontinyu dan serat acak). mudah juga menjadi salah satu pertimbangan bila komposit akan diproduksi massal. Kelayakan bahan komposit partikel yang telah dibuat dapat diketahui dengan melakukan pendekatan uji validitas. Adapun pendekatan yang dimaksud yaitu dengan mengetahui modulus elastisitas komposit dalam rentang batas atas (upper bound) dan batas bawah (lower bound). Berikut ini persamaan matematis yang digunakan : • Upper bound (a) (b) (c)
•
= EmVm Ec E f V f .......................................(2.5) Lower bound Ec = (E m E f )/(V m E f V f E m )........................(2.6)
Dengan : E c = modulus elastisitas komposit (MPa) E m = modulus elastisitas matriks (MPa) E f = modulus elastisitas filler (MPa) V m = fraksi volume matriks V f = fraksi volume filler
(d) + Gambar2.2 Jenis komposit serat (a) Continous fiber composite , (b) Woven fiber composite, (c) Chopped fiber composite, (d) Hybrid composite. + C. Komposit lapis (laminates composites) Jenis komposit ini terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri. Contoh komposit ini yaitu bimetal, pelapisan logam, kaca yang dilapisi, dan komposit lapis serat.
Gambar2.3 Komposit lapis Berdasarkan jenis matrik yang digunakan komposit dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama yaiu a. Komposit matrik logam (metal matrix composites/MMC), Komposit matrik logam (metal matrix composites) ditemukan berkembang pada industri otomotif, Metal matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida . Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah continous filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aerospace. Contoh : alumunium beserta paduannya, titanium beserta paduannya, magnesium beserta paduannya. Kelebihan MMC dibandingkan dengan komposit polimer yaitu : • Transfer tegangan dan regangan yang baik. • Ketahanan terhadap temperature tinggi • Tidak menyerap kelembapan. • Tidak mudah terbakar. • Kekuatan tekan dan geser yang baik. • Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik Kekurangan MMC : • Biayanya mahal • Standarisasi material dan proses yang sedikit Sifat Matrik pada MMC : • Mempunyai keuletan yang tinggi • Mempunyai titik lebur yang rendah • Mempunyai densitas yang rendah Aplikasi MMC, yaitu sebagai berikut : • Komponen automotive (blok-silindermesin,pully,poros gardan,dll) • Peralatan militer (sudu turbin,cakram kompresor,dll) • Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang) • Peralatan elektronik b.
Komposit matrik keramik (ceramic matrix composites/CMC) Komposit matrik keramik (ceramic matrix composites ) digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai penguat dan 1 fasa sebagai matrik, dimana matriksnya terbuat dari keramik. bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat
dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida. Penguat yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid. Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah penguat. Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah : Gelas anorganic. Keramik gelas Alumina Silikon Nitrida Keuntungan dari CMC : Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam Sangat tanggung , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi Tahan pada temperatur tinggi (creep) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi Kerugian dari CMC Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar Relatif mahal dan non-cot effective Hanya untuk aplikasi tertentu Aplikasi CMC, yaitu sebagai berikut : Chemical processing contohnya filters, membranes, seals, liners, piping, hangers Power generation contohnya combustorrs, vanrs, nozzles, recuperators, heat exchange tubes, liner Wate inineration contohnya furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors. Kombinasi dalam rekayasa wisker SiC/alumina polikristalin untuk perkakas potong. Serat grafit/gelas boron silikat untuk alas cermin laser. Grafit/keramik gelas untuk bantalan,perapat dan lem. SiC/litium aluminosilikat (LAS) untuk calon material mesin panas. c.
Komposit matrik polimer (polymer matrix composites/PMC) Komposit ini menggunakan bahan polimer sebagai matriknya. Secara umum, sifat-sifat komposit polimer ditentukan oleh sifat-sifat penguat,Sifat-sifat polimer,rasio penguat terhadap polimer dalam komposit (fraksi volume penguat), geometri dan orientasi penguat pada komposit. Apapun komposit polimer yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut: • Sifat-sifat mekanis yang bagus • Sifat-sifat daya rekat yang bagus • Sifat-sifat ketangguhan yang bagus • Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus sifat-sifat mekanis yang bagus. Komposit polimer memiliki beberapa sifat yaitu biaya pembuatan lebih rendah, dapat dibuat dengan
produksi missal, ketangguhan baik, tahan simpan, siklus pabrikasi dapat dipersingkat, kemampuan mengikuti bentuk, lebih ringan. Adapun keuntungan dari PMC adalah ringan, specific stiffness tinggi, Specific strength tinggi, Anisotropy. Aplikasi PMC, yaitu sebagai berikut : a. Matrik berbasis poliester dengan serat gelas Alat-alat rumah tangga Panel pintu kendaraan Lemari perkantoran Peralatan elektronika. b. Matrik berbasis termoplastik dengan serat gelas contohnya kotak air radiator. c. Matrik berbasis termoset dengan serat carbon Rotor helikopter Komponen ruang angkasa Rantai pesawat terbang 2.2 Polimer Polimer yaitu bahan dengan berat molekul (Mr) lebih besar dari 10.000. keunggulan bahan polimer yaitu kemampuan cetaknya baik. Pada temperatur rendah bahan dapat dicetak dengan penyuntikan, penekanan, ekstruksi, dan seterusnya, produk ringan dan kuat, banyak polimer bersifat isolasi listrik, polimer dapat bersifat konduktor. baik sekali ketahannya terhadap air dan zat kimia, produk dengan sifat yang berbeda dapat dibuat tergantung cara, pembuatannya, umumnya bahan polimer lebih murah harganya. Bahan polimer biasa digunakan sebagai matrik pada komposit polimer. Adapun polimer yang sering dipakai antara lain : • Thermoplastic Thermoplastic adalah plastik yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik (reversibel) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Contoh dari thermoplastic yaitu Polyamide (PI), Polysulfone (PS), Poluetheretherketone (PEEK), Polypropylene (PP), Polyethylene (PE) dll. • Thermoset Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akan membentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastik jenis termoset tidak begitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yang bersifat termoplastik. Contoh dari thermoset yaitu epoksi, polyester, plenol, resin amino, resin furan dll.
2.2.1 Unsaturated Polyester Resin (UPR) Jenis UPR populernya sering disebut polyester saja. UPR berupa resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya. Salah satu resin yang termasuk jenis UPR adalah resin Yukalac 157® BQTN-EX Series. Resin ini banyak dijual ditoko-toko kimia sehingga memungkinkan untuk mudah didapat. Juga rasio harganya yang rendah yang dapat dipertimbangkan dalam pemilihan bahan material komposit. Tabel 2.1 Spesifikasi UPR Yukalac 157® BTQN-EX
2.2.2 Katalis Metyl Etyl Keton Peroksida (MEKPO) yaitu bahan kimia yang dikenal dengan sebutan katalis. Katalis ini termasuk senyawa polimer dengan bentuk cair, berwarna bening. Fungsi dari katalis adalah mempercepat proses pengeringan (curring) pada bahan matriks suatu komposit. Semakin banyak katalis yang dicampurkan pada cairan matriks akan mempercepat proses laju pengeringan, tetapi akibat mencampurkan katalis terlalu banyak adalah membuat komposit menjadi getas. Penggunaan katalis sebaiknya diatur berdasarkan kebutuhannya. 2.3 Bambu Bambu merupakan tanaman yang mudah ditemukan di daerah tropis terutama bambu yang memiliki genus Bambusa. Hal ini didasarkan pada survei statistik oleh ilmuwan yang bernama Ucimura (1980) yang menyatakan 80% bambu dunia berada di kawasan di Asia Selatan dan Asia Tenggara dan jenis bambu dari genus Bambusa adalah yang paling banyak dan mudah ditemukan di daerah tropis. Tanaman bambu sebagai salah satu tanaman yang jumlahnya melimpah di Indonesia, merupakan salah satu tanaman yang seratnya dapat digunakan sebagai bahan dasar material komposit. Bambu yang memiliki bentuk batang yang terdiri dari serat-serat panjang dan beruasruas memungkinkan bambu untuk dapat berdiri tegak.
Hal ini lah yang dapat membuat bambu merupakan suatu material yang kokoh, kuat sekaligus ringan. Ada beberapa jenis bambu yang banyak ditemukan di Indonesia seperti : a. Bambusa vulgaris sharad Yang termasuk jenis bamboo ini antara lain, bambu Kuning, bambu Tutul, dan bambu Ampel. Sifat yang dimiliki di antaranya rumpun tidak rapat dan tidak teratur, warna kulit kuning, hijau,hijau bertutul coklat, hijau bergaris kuning atau kuning bergaris hijau, memiliki tinggi antara 10-20 m, diameter 7-13cm, dan tebal dinding 6-15 mm b. Gigantochloa Apus BI.Ex (Scult.F) Kurz Di Indonesia banyak ditemukan bambu jenis ini yang biasa dikenal dengan nama bambu Apus atau bambu tali. Bambu ini hidup di ketinggian sekitar 1000 m di atas permukaan laut. Batangnya dapat mencapai tinggi antara 8 – 11 m dengan panjang ruas 45 – 65 cm, berdiamater 5 – 8 cm dan tebal dinding 13 – 15 mm. Tabel 2.2 Sifat mekanik bambu apus (Richy, 2009) Sifat Mekanik MPa Kekuatan tarik 150 Yield Strength 53.53 Modulus elastisitas 9901.96 Kekuatan tekan 49.41 Kekuatan geser 3.872 Kekuatan tarik tegak lurus 2.77 serat Sifat fisis dan mekanik merupakan informasi penting guna memberi petunjuk tentang cara pengerjaan maupun sifat barang yang dihasilkan. Hasil pengujian sifat fisis dan mekanis bambu telah diberikan oleh Ginoga (1977) dalam taraf pendahuluan dan dilakukan pada bambu apus (Gigantochloa apus Kurz.). Beberapa hal yang mempengaruhi sifat mekanis bambu adalah umur, posisi ketinggian, diameter, tebal daging bambu, posisi beban (pada buku atau ruas), posisi radial dari luas sampai ke bagian dalam dan kadar air bambu. Hasil pengujian sifat fisis mekanik bambu apus terdapat pada tabel 2.2 dan tabel 2.3. Bambu memiliki beberapa sifat antara jenis yang satu dengan jenis yang lainnya. Adapun beberapa sifat bambu dapat dijelaskan seperti berikut ini: Wettability Dengan sifat ini bambu dapat berperan bila ada cairan menempel pada dinding kerasnya sehingga permukaan menjadi basah dengan rata atau sebagian atau terbentuk adhesi pada cairan tersebut. Kandungan air Kandungan air merupakan sifat fisik bambu yang penting karena mempengaruhi sifat mekanik dari bamboo. Kandungan air pada batang bambu sehabis dipotong adalah antara 50 – 99% sementara bamboo yang telah kering sekitar 12 – 18 %. Berat jenis
Berat jenis yang dimiliki bambu berkisar antara 600 – 900 kg/m³. sedangkan berat jenis rata-rata bambu apus sekitar 820 km/m³. Tabel 2.3 Sifat fisis bambu apus (Richy, 2009) Sifat Fisis Kondisi KA (%) ρ (gr/cm3) Biasa
19.11
0.69
Kering tanur
16.42
0.58
2.4. Serat Gelas Serat gelas mempunyai karakteristik yang berbeda antara satu dengan yang lain. Pada penggunaannya, serat gelas disesuaikan dengan sifat atau karakteristik yang dimilikinya. Serat gelas terbuat dari silica,alumina,lime,magnesia dan lainlain. Keunggulan serat glass terletak pada ratio (perbandingan) harga dan performance yaitu biaya produksi rendah, proses produksi sangat sederhana , Serat gelas banyak digunakan di industri-industri otomotif seperti pada panelpanel body kendaraan. Bahkan sepeda motor sekarang seluruh body terbuat dari komposit yang berpenguat serat gelas. Komposit glass-epoxy dan glass-polyester diaplikasikan juga pada lambung kapal dan bagian-bagian pesawat terbang. Serat gelas terbagi menjadi 3 jenis yaitu serat Eglass, serat C-glass dan serat S-glass (Istanto, 2006). Sifat-sifat serat gelas dapat dilihat pada tabel 2.4 sedangkan table 2.5 berisi karakteristik mekanik komposit dari beberapa serat glass. Tabel 2.4 Sifat-sifat serat gelas (Istanto, 2006)
Tabel 2.5 Sifat serat E-glass CSM (J.M. Barthelot, 1999)
Penelitian mengenai komposit yang mengabungkan antara matrik dan penguat yang berupa serat harus memperhatikan beberapa faktor. Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi performa fibermatrik composites antara lain: a. Faktor Serat
Serat adalah bahan pengisi matrik yang digunakan untuk dapat memperbaiki sifat dan struktur matrik yang tidak dimilikinya, juga diharapkan mampu menjadi bahan penguat matrik pada komposit untuk menahan gaya yang terjadi. b. Letak Serat Dalam pembuatan komposit tata letak dan arah serat dalam matrik yang akan menentukan kekuatan mekanik komposit, dimana letak dan arah dapat mempengaruhi kinerja komposit tersebut. Menurut tata letak dan arah serat diklasifikasikan menjadi 3 bagian yaitu: yang pertama one dimensional reinforcement, mempunyai kekuatan dan modulus maksimum pada arah axis serat. Yang kedua adalah two dimensional reinforcement (planar), mempunyai kekuatan pada dua arah atau masing-masing arah orientasi serat. Yang ketiga three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan dua tipe sebelumnya. Pada pencapuran dan arah serat mempunyai beberapa keunggulan, jika orientasi serat semakin acak (random) maka sifat mekanik pada 1 arahnya akan melemah, bila arah tiap serat menyebar maka kekuatannya juga akan menyebar ke segala arah maka kekuatan akan meningkat. c. Panjang Serat Panjang serat dalam pembuatan komposit serat pada matrik sangat berpengaruh terhadap kekuatan. Ada 2 penggunaan serat dalam campuran komposit yaitu serat pendek dan serat panjang. Serat panjang lebih kuat dibanding serat pendek. Serat alami jika dibandingkan dengan serat sintetis mempunyai panjang dan diameter yang tidak seragam pada setiap jenisnya. Oleh karena itu panjang dan diameter sangat berpengaruh pada kekuatan maupun modulus komposit. Panjang serat berbanding diameter serat sering disebut dengan istilah aspect ratio. Bila aspect ratio makin besar maka makin besar pula kekuatan tarik serat pada komposit tersebut. Serat panjang (continous fiber) lebih efisien dalam peletakannya dari pada serat pendek. Akan tetapi, serat pendek lebih mudah peletakannya dibanding serat panjang. Panjang serat mempengaruhi kemampuan proses dari komposit serat. Pada umumnya, serat panjang lebih mudah penanganannya jika dibandingkan dengan serat pendek. Serat panjang pada keadaan normal dibentuk dengan proses filament winding, dimana pelapisan serat dengan matrik akan menghasilkan distribusi yang bagus dan orientasi yang menguntungkan. Ditinjau dari teorinya, serat panjang dapat mengalirkan beban maupun tegangan dari titik tegangan ke arah serat yang lain. Pada struktur continous fiber yang ideal, serat akan bebas tegangan atau mempunyai tegangan yang sama. Selama fabrikasi, beberapa serat akan menerima tegangan yang tinggi dan yang lain mungkin tidak terkena tegangan sehingga keadaan di atas tidak dapat tercapai (Schwartz, 1984). Sedangkan komposit serat pendek, dengan orientasi yang benar, akan menghasilkan kekuatan yang lebih besar jika dibandingkan continous fiber. Hal ini terjadi pada whisker, yang mempunyai keseragaman kekuatan tarik setinggi 1500 kips/in2 (10,3 GPa). Komposit berserat pendek dapat diproduksi dengan cacat permukaan yang rendah sehingga kekuatannya dapat
mencapai kekuatan teoritisnya (Schwartz, 1984). Faktor yang mempengaruhi variasi panjang serat chopped fiber composites adalah critical length (panjang kritis). Panjang kritis yaitu panjang minimum serat pada suatu diameter serat yang dibutuhkan pada tegangan untuk mencapai tegangan saat patah yang tinggi (Schwartz, 1984). d. Bentuk Serat Bentuk Serat yang digunakan untuk pembuatan komposit tidak begitu mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah diameter seratnya. Pada umumnya, semakin kecil diameter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang lebih tinggi. Selain bentuknya kandungan seratnya juga mempengaruhi (Schwartz, 1984). e. Faktor Matrik Pembuatan komposit serat membutuhkan ikatan permukaan yang kuat antara serat dan matrik. Selain itu matrik juga harus mempunyai kecocokan secara kimia agar reaksi yang tidak diinginkan tidak terjadi pada permukaan kontak antara keduanya. Untuk memilih matrik harus diperhatikan sifat-sifatnya, antara lain seperti tahan terhadap panas, tahan cuaca yang buruk dan tahan terhadap goncangan yang biasanya menjadi pertimbangan dalam pemilihan material matrik. Juga kemampuan bertambahnya elongasi saat patah yang lebih besar dibandingkan dengan penguat. Selain itu juga perlu diperhatikan berat jenis, viskositas, kemampuan membasahi penguat, tekanan dan suhu curring, penyusutan. f. Faktor Ikatan Fiber-Matrik Komposit serat yang baik harus mampuan untuk menyerap matrik yang memudahkan terjadi antara dua fase (Schwartz, 1984). Selain itu komposit serat juga harus mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan yang tinggi, karena serat dan matrik berinteraksi dan pada akhirnya terjadi pendistribusian tegangan. Kemampuan ini harus dimiliki oleh matrik dan serat. Selain itu gaya-gaya yang berpengaruh pada ikatan antara serat-matrik di antaranya yaitu gaya coulomb dan gaya adhesi. g. Katalis Banyak sedikitnya katalis yang diberikan pada pembuatan komposit juga berpengaruh pada sifat mekanik yang dihasilkan oleh komposit nantinya. h. Void Void atau gelembung udara merupakan akibat yang tidak bisa dihindari pada saat proses pembuatan. Untuk itu sebisa mungkin meminimalkan void yang dihasilkan pada bahan komposit. Voids (kekosongan) yang terjadi pada matrik sangatlah berbahaya, karena pada bagian tersebut penguat tidak didukung oleh matriks, sedangkan penguat selalu akan mentransfer tegangan ke matriks. Hal seperti ini menjadi penyebab munculnya crack, sehingga komposit akan gagal lebih awal. Kekuatan komposit terkait dengan void adalah berbanding terbalik yaitu semakin banyak void maka komposit semakin rapuh dan apabila sedikit void komposit semakin kuat. Void juga dapat mempengaruhi ikatan antara serat dan matrik , yaitu adanya celah pada serat atau bentuk serat yang kurang sempurna yang dapat menyebabkan matrik tidak akan
mampu mengisi ruang kosong pada cetakan. Bila ………..……………. ..(2.7) komposit tersebut menerima beban, maka daerah tegangan akan berpindah ke daerah void sehingga akan dengan, F maks = Beban yang diberikan arah tegak lurus terhadap penampang spesimen (N). mengurangi kekuatan komposit tersebut. Pada A 0 = Luas penampang mula-mula spesimen pengujian tarik komposit akan berakibat lolosnya serat sebelum diberikan pembebanan dari matrik. Hal ini disebabkan karena kekuatan atau (m2). ikatan interfacial antara matrik dan serat yang kurang σ = Enginering stress (Nm-2). besar (Schwartz, 1984). Enginering Strain (ε): 2.5 Karakterisasi Bahan Komposit …… (2.8) Bahan komposit dibentuk pada saat yang sama ketika struktur tersebut dibuat. Hal ini berarti bahwa orang yang membuat struktur menciptakan sifat-sifat dengan, ε = Enginering strain l 0 = Panjang spesimen mula-mula (m) bahan komposit yang dihasilkan, dan juga proses Δl = Pertambahan panjang (m) manufaktur yang digunakan biasanya merupakan l t = Panjang spesimen setelah mengalami uji bagian yang kritikal yang berperanan menentukan kinerja dan karakteristik struktur komposit yang tarik (m) dihasilkan. Untuk itu dilakukan beberapa pengujian di Hubungan antara stress dan strain dirumuskan sebagai antaranya pengujian beban, tarik, tekan, geser atau berikut: lintang, lenturan, dan densitas. Namun pada penelitian ……………………... (2.9) ini hanya difokuskan pada karakter yang dihasilkan oleh hasil uji tarik dan hasil uji densitas. Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang Di mana, E = Modulus elastisitas atau modulus young bertujuan mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Dengan melakukan uji tarik kita mengetahui (Nm-2) σ = Enginering stress (Nm-2) bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga ε = Enginering strain tarikan dan mengetahui sejauh mana material Apabila dari uji tarik suatu bahan komposit bertambah panjang. Bila kita terus menarik suatu bahan sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan diperoleh kurva di mana batas antara perubahan daerah yang lengkap berupa kurva. Kurva pada gambar 2.4 ini elastis ke daerah plastis tidak jelas titik yield menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan strengthnya maka untuk mengetahui nilai yield strength perubahan panjang.Yang menjadi perhatian dalam komposit dilakukan dengan menggunakan metode gambar tersebut di atas adalah kemampuan maksimum offset. Metode ini dilakukan dengan cara menarik garis bahan dalam menahan beban. Kemampuan ini lurus yang sejajar dengan garis miring pada daerah umumnya disebut "Ultimate Tensile Strength" disingkat proporsional (elastis) dengan jarak 0,2% dari regangan dengan UTS. Untuk semua bahan, pada tahap sangat maksimal. Titik yang diperoleh merupakan titik awal uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang perpotongan garis tersebut dengan grafik stress-strain diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang seperti gambar 2.5 bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurvapertambahan panjang dengan beban mengikuti aturan Hooke, yaitu “rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan”.
Gambar2.4 Gaya tarik terhadap pertambahan panjang Pengujian dilakukan sampai sampel uji patah, maka pada saat yang sama diamati pertambahan panjang yang dialami sampel uji. Kekuatan tarik atau tekan diukur dari besarnya beban maksimum (Fmaks) yang digunakan untuk memutuskan atau mematahkan spesimen bahan dengan luas awal A0. Umumnya kekuatan tarik polimer lebih rendah dari baja 70 kg.f/mm2. Hasil pengujian adalah grafik beban versus perpanjangan (elongasi). Enginering Stess (σ) :
Gambar 2.5 Penentuan yield strength dengan metode offset 2.6 Metode Hand Lay-up Metode hand lay-up yang disebut juga way lay-up merupakan sebuah metode pembuatan komposit yakni dengan mengisiskan resin kedalam cetakan dengan tangan ke serat didalam suatu wadah. Dalam metode ini, serat bisa disusun, dianyam, atau diikat. Biasanya untuk meratakan permukaan dari resin digunakan roller atau kuas. Perataan atau penekanan ini dilakukan agar antara resin dan serat benar-benar menyatu.
c.
ukuran 20cm menggunakan gergaji, dengan bagian ruas bambu tidak diambil. Setelah itu kulit bagian luar dan dalam dihilangkan dengan pisau kemudian dibuat irisan serat memanjang lalu dipukul-pukul dengan palu hingga diperoleh ukuran serat yang mendekati dengan ukuran serat gelas. Selanjutnya serat dipotong pendek menggunakan gunting untuk memperoleh ukuran kurang lebih 1,5cm. Resin poliester Sebagai matriks pada penelitian ini digunakan resin Polyester Yukalac 157® BTQN-EX . Katalis Katalis yang digunakan memiliki senyawa MEKPO yaitu senyawa Metyl Etyl Keton Peroksida.
d. Gambar 2.6 Pembuatan komposit dengan metode hand lay-up 3.Metodologi Penelitian Dalam penelitian tugas akhir ini dapat dijelaskan b. Alat Beberapa peralatan yang digunakan pada secara sederhana oleh diagram proses alur penelitian penelitian ini sebagai berikut: adalah sebagai berikut: a. Timbangan digital merek Mettler Toledo tipe PB 3002. b. Gelas Ukur c. Gelas dan sendok pengaduk d. Alat bantu lain Alat Bantu lain yang digunakan, meliputi cutter,gunting, kuas, pisau, spidol, kit mobil, penggaris, gergaji, kaca, malam atau lilin mainan, pipet tetes, kuas, palu dll. e. Cetakan Spesimen Cetakan spesimen terbuat dari kaca sebagai alas dan malam atau lilin mainan sebagai pembentuk rongga yang dibentuk sedemikian rupa sehingga spesimen hasil cetakannya nanti memenuhi standart ASTM D 638M – 84 M-1 Test Method For Tensile Properties of Plastics. Untuk L o dalam penelitian ini dibuat lebih dari ukuran yang terdapat pada standar karena untuk bagian tepi saat dilakukan uji tarik digunakan sebagai pegangan di holder mesin Gambar 3.1 Diagram alir proses penelitian sehingga ukuran untuk L o = 200 mm. R 3.1 Persiapan Bahan dan Alat Sebelum pembuatan komposit dilakukan persiapan beberapa hal. Seperti persiapan bahan dan W W alat yang digunakan. Adapun dalam penelitian ini bahan dan alat yang perlu disiapkan antara lain : a. Bahan G Bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu : L a. Serat gelas Serat gelas yang digunakan berjenis E-Glass dengan bentuk chopped strand mat (CSM). D Bentuk CSM dibuat dengan cara memotong serat gelas yang masih berbentuk roving atau serat panjang menggunakan gunting hingga L ukuran panjang serat menjadi kurang lebih 1,5cm. b. Serat bambu Gambar 3.2 Spesifikasi cetakan ASTM D Serat bambu yang digunakan dibuat dari 638M-84 bambu apus (Gigantochloa apus Kurz). Tabel 3.1 Ukuran cetakan ASTM D 638 M-84 M-I Langkah-langkah untuk mendapatkan serat ini ,T=4mm antara lain memotong bambu apus dengan
T
Tabel 3.2 Komposisi komposit polimer-penguat serat bambu
3.2 Penentuan Komposisi Penentuan komposisi dalam pembuatan komposit memegang peranan penting, karena unsur-unsur penyusun komposit baik matrik maupun penguatnya memiliki pengaruh yang besar terhadap sifat mekanik komposit yang dihasilkan. Dalam tugas akhir ini penentuan komposisi yang dilakukan terdiri dari penentuan komposisi resin-katalis dan penentuan komposisi polimer-penguat (serat). 3.2.1 Komposisi resin – katalis Banyak sedikitnya katalis yang ditambahkan pada resin akan berdampak pada kekerasan komposit yang dihasilkan. Semakin banyak katalis yang dicampurkan pada resin maka semakin cepat proses pengeringan pada komposit. Apabila proses pengadukan yang tidak merata dikhawatirkan timbul void yang berlebihan. Void ini tidak bisa dihindari dalam proses produksi komposit. Untuk itu diperlukan penentuan komposisi yang tepat guna memperkecil void. Beberapa referensi penelitian memberikan penjelasan tentang komposisi antara resin dengan katalis. Di antaranya yang pernah dilakukan oleh Richy (2009). Adapun diperoleh komposisi antara resin dengan katalis dengan perbandingan 15,15 gram resin ditambahkan katalis sebanyak 5 tetes pipet. Karena penelitian ini menggunakan fraksi volume bukan fraksi berat maka perbandingan tadi dikonversikan menjadi 18,41 ml resin ditambahkan katalis sebanyak 5 tetes pipet. 3.2.2 Komposisi polimer – penguat (serat) Komposisi unsur-unsur penyusun komposit polimer-penguat (serat) ditentukan dengan menggunakan fraksi volume. Sehinggga sebelum pembuatan komposit dilakukan disain komposisi antara polimer dan penguat (serat). Adapun dalam penelitian tugas akhir ini dibuat komposit polimer-penguat (serat) sebanyak 5 buah untuk masing-masing jenis penguatnya yaitu dengan fraksi volume sebesar 2,5%, 5%, 7,5%, 10% dan 12,5%. Dan dibuat komposit dengan tanpa penguat atau fraksi volume penguatnya 0%. Dengan penentuan komposisi polimer- penguat (serat) diharapkan nanti diperoleh komposit yang dapat digunakan untuk menjelaskan pengaruh fraksi volume tersebut di atas terhadap sifat mekanik komposit. Dengan mengetahui volume cetakan sebesar 11,79ml dan densitas unsur-unsur penyusun komposit maka disusun tabel (3.2) dan tabel (3.3).
Dari tabel 3.3 terlihat bahwa massa serat gelas lebih besar dari pada massa serat bambu karena densitas serat gelas lebih besar dari densitas serat bambu. Tabel 3.3 Komposisi komposit polimer-penguat serat gelas
3.3 Pembuatan Spesimen Komposit Langkah-langkah pembuatan sampel komposit antara komposit polimer/serat bambu dan komposit polimer/serat gelas adalah sama yaitu menggunakan metode hand lay-up. Adapun langkah-langkahnya sebagai berikut : a. Serat ditimbang dengan jumlah sesuai dengan fraksi volumenya terhadap cetakan dan densitasnya. b. Matrik juga ditimbang sesuai jumlah fraksi volume terhadap cetakan dan densitasnya. c. Serat dan matrik yang sudah sesuai takaran dicampur ke dalam gelas lalu diaduk pelanpelan dengan sendok hingga merata. d. Tambahkan katalis dengan perbandingan sesuai fraksi volume resin. e. Aduk pelan-pelan hingga tercampur rata kirakira selama 2 menit. f. Tuangkan campuran bahan tersebut ke dalam cetakan yang sudah disiapkan dari malam dan kaca yang telah dibentuk sesuai standar ASTM D 638M-84 M I. g. Ratakan permukaan campuran pada cetakan. h. Tunggu hingga kering selama kurang lebih 24 jam. i. Spesimen yang sudah kering dilepas dari cetakan kemudian bagian dihaluskan bagianbagian permukaannya dengan alat kikir dan amplas.. j. Spesimen komposit yang telah dihaluskan dan diukur geometri awalnya dikatakan sebagai spesimen siap uji.
3.4 Karakterisasi Komposit Spesimen komposit yang siap uji kemudian diuji dengan uji tarik dan uji densitas untuk memperoleh karakter yang ada pada komposit tersebut. Adapun langkah-langkah uji tarik dan uji densitas adalah sebagai berikut : a. Uji tarik Pengujian tarik dilakukan untuk mengetahui kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan luluh (yield strength), dan perpanjangan (elongation) dari meterial komposit polimer/ bambu. Pengujian dilakukan dengan menggunakan mesin Wolpert TUZ 100 KN dengan kapasitas beban 100 KN. Bahan komposit polimer/penguat (serat) yang diuji dibuat sampel dengan bentuk dan ukuran mengacu pada standar uji ASTM 638 M-84 M I. Langkah-langkah uji tarik pada bahan komposit adalah sebagai berikut : • Sampel uji dipasang pada mesin uji tarik. • Dijepit dengan pencekam pada ujung-ujungnya. • Ditarik ke arah memanjang secara perlahan. • Selama penarikan setiap saat tercatat dengan grafik yang tersedia pada mesin sampai sampel putus. • Amati dan catat gaya pada saat titik luluhnya dan titik ultimatenya juga pertambahan panjang dari sampel uji setelah putus. • Hasil uji tarik berupa grafik beban yang diberikan terhadap pertambahan panjang komposit. • Grafik tersebut diubah menjadi grafik stress – strain. • Bila pada grafik stress – strain perubahan daerah elastis ke daerah plastis tidak dapat diamati dengan jelas, maka untuk titik yield strength pada kurva ditentukan dengan metode offset. Dari grafik stress – strain akan diperoleh data kekuatan luluh komposit yang selanjutnya digunakan untuk menghitung modulus elastisitas. Adapun modulus elastisitas berbanding lurus dengan beban yang diberikan dan berbanding terbalik terhadap elongasi yang terjadi pada bahan komposit. b. Uji densitas Pengujian densitas merupakan pengujian sifat fisis terhadap spesimen, yang bertujuan untuk mengetahui nilai kerapatan massa dari spesimen yang diuji. Langkah-dalam uji densitas yaitu: Masing-masing komposit ditimbang satu per satu menggunakan timbangan digital untuk dicatat massanya. Komposit yang sudah ditimbang selanjutnya dimasukkan ke dalam gelas ukur yang sudah berisi air dengan ketinggian 20cm kemudian dicatat perubahan ketinggian cairan dari posisi semula. Data-data yang diperoleh lalu digunakan untuk menghitung densitas komposit dengan menggunakan persamaan (3.1).
……………………………...(3.1)
Dengan, ρ = densitas benda (gram/cm3) m = massa benda (gram) v = volume benda (cm3) 3.5 Metode Analisa Data Data-data yang diperoleh dalam tugas akhir ini selanjutnya diolah dan dianalisa. Adapun langkahlangkah dalam pengolahan dan analisa data yaitu sebagai berikut: • Data yang diperoleh setelah uji tarik nanti digunakan dalam perhitungan untuk mencari nilai kekuatan tarik dan modulus elastisitas komposit. • Dari uji densitas diperoleh data densitas komposit. • Ketiga data hasil eksperimen yang dimaksud yaitu kekuatan tarik, modulus elastisitas dan densitas komposit nantinya akan dibandingkan satu sama lain dengan data yang ideal. Selain itu dibandingkann sifat mekanik yang dimaksud antara komposit berpenguat serat bambu dan komposit berpenguat serat gelas. • Selanjutnya menganalisa hasil perbandingan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh fraksi volume penguat pada komposit. • Menentukan komposit yang memiliki sifat ideal yang diinginkan yaitu kuat, kaku dan ringan. • Menentukan komposit yang dapat digunakan sebagai alternatif bahan baku industri yaitu sebagai alternatif pengganti baja rolan. • Menyimpulkan hasil eksperimen 4.Hasil dan Pembahasan Dari hasil pembuatan sampel komposit dengan dua macam penguat (serat bambu Apus dan serat Eglass), dibuat komposit dengan masing-masing jenis penguat sebanyak 5 buah dengan bermacam variasi fraksi volume penguatnya. Fraksi volume penguat masing-masing serat dibuat sama sehingga komposit yang dihasilkan dibandingkan satu sama lain. Adapun variasi fraksi volume penguat yakni 2,5% , 5% , 7,5% , 10% dan 12,5%. Dan juga dibuat komposit polimer tanpa penguat sebagai sampel pembanding dengan sampel berpenguat. 4.1 Data Hasil pengujian tarik yang telah dilakukan kemudian diperoleh data yang selanjutnya diolah untuk mendapatkan data kekuatan tarik, modulus elastisitas dan densitas komposit. Adapun data yang diperoleh dapat dilihat pada gambar 4.1, tabel 4.1 dan tabel 4.2.
Prediksi
σ (MPa) 60
Hasil
50 40 30 (a) (b) Gambar 4.1 Komposit yang sudah di uji tarik (a). komposit berpenguat serat bambu dan (b). komposit berpenguat serat gelas. Tabel 4.1 Data hasil karakteristik untuk penguat serat bambu.
20 10 0 0
2.5
5
7.5 10 12.5 Fraksi Volume (%)
Grafik 4.1
Kekuatan tarik komposit polimerberpenguat serat bambu. 4.2.2 Kekuatan tarik komposit polimer-berpenguat serat gelas Pada fraksi volume penguat 2,5% diperoleh komposit dengan kekuatan tariknya tertinggi yaitu 40,82 MPa. Sedangkan kekuatan tarik komposit terendah pada fraksi volume penguat 10 % sebesar 22,13 MPa. Pada grafik gambar 4.3 secara garis besar terjadi tren peningkatan kekuatan tarik komposit dari fraksi penguat 0% hingga 12.5%. Namun pada fraksi Tabel 4.2 Data hasil karakteristik untuk penguat serat volume penguat 2.5% diperoleh peningkatan kekuatan gelas. tarik komposit yang lebih besar dari pada fraksi volume penguat yang lebih tinggi juga terjadi penurunan kekuatan tarik komposit yang tidak seharusnya yaitu pada fraksi volume penguat 10%. Adapun kekuatan tarik komposit yang lain pada masing-masing fraksi volume penguat 5%, 7,5% dan 12,5% adalah 32,12 MPa, 24,87 MPa dan 37,08 MPa. Prediksi Hasil
σ(MPa)
4.2 Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Komposit Kekuatan tarik menunjukkan kemampuan untuk menerima beban atau tegangan tanpa menyebabkan komposit menjadi rusak atau putus. Ini dinyatakan dengan tegangan maksimal sebelum putus yaitu ultimate tensile strength (UTS). Adapun dalam penelitian ini diperoleh data kekuatan tarik yang berkisar antara 22,13 MPa-40,82 MPa. 4.2.1 Kekuatan tarik komposit polimer-berpenguat serat bambu Dari pengolahan data diperoleh hasil bahwa pada fraksi volume penguat 2,5% diperoleh komposit dengan kekuatan tarik tertinggi yaitu 38,57 MPa. Sedangkan kekuatan tarik komposit terendah pada fraksi volume penguat 12,5% sebesar 22,67 MPa. trend kekuatan tarik komposit dengan volume penguat bambu yang diperoleh ada yang naik dan ada yang turun. Kekuatan tarik komposit pada masing-masing fraksi volume penguat 5%, 7,5% dan 10% adalah 31,06 MPa, 24,99 MPa dan 30,78 MPa.
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
2.5
5
7.5 10 12.5 Fraksi volume (%)
Grafik 4.2 Kekuatan tarik komposit polimer-berpenguat serat gelas. 4.3 Modulus Elastisitas Komposit Suatu bahan yang memiliki kekakuan tinggi bila mendapat beban (dalam batas elastisnya) akan mengalami deformasi elastic tetapi hanya sedikit saja. Kekakuan bahan biasanya ditunjukkan oleh modulus elastiitas. Makin besar modulus elastisitas komposit maka semakin kaku bahan komposit tersebut. Dalam penelitian ini diperoleh bahan komposit yang memiliki modulus elastisitas dalam rentang antara 221,502 MPa – 1326,92 MPa.
4.3.1 Modulus elastisitas komposit polimer-berpenguat serat bambu Pada fraksi volume penguat 2,5% diperoleh komposit dengan modulus elastisitas tertinggi yaitu 1326,9 MPa. Sedangkan modulus elastisitas komposit terendah pada fraksi volume penguat 12,5 % sebesar 221,502 MPa. Pada komposit dengan fraksi volume penguat dari 0% ke 2,5%, modulus elastisitasnya mengalami peningkatan sebelum terjadi kecenderungan penurunan pada fraksi volume penguat yang lebih besar dari 2.5% walaupun sempat meningkat lagi pada fraksi volume penguat 10% . Adapun modulus elastisitas komposit pada fraksi volume penguat yang lain yaitu pada masing-masing fraksi volume penguat 5%, 7,5% dan 10% adalah 660,694 MPa, 408,980 MPa dan 626,134MPa. E(MPa) 1500
Modulus Elastisitas
1000 500 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 Fraksi Volume (%) Grafik 4.3
Modulus elastisitas komposit polimerberpenguat serat bambu.
4.3.2 Modulus elastisitas komposit polimer-berpenguat serat gelas Pada fraksi volume penguat 10% diperoleh komposit dengan modulus elastisitas tertinggi yaitu 916,220 MPa. Sedangkan modulus elastisitas komposit terendah pada fraksi volume penguat 12,5 % sebesar 267,313 MPa. Tren modulus elastisitas komposit dengan penguat serat gelas yang diperoleh seharusnya mengalami tren peningkatan. Namun hasil yang diperoleh terjadi tren yang tidak teratur. Adapun modulus elastisitas komposit pada masing-masing fraksi volume penguat 2,5%, 5%, dan 7,5% adalah 809,108 MPa, 457,8MPa dan 420,632 MPa. E(MPa)
Modulus…
1000 800 600 400 200 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 Fraksi Volume (%) Grafik 4.4 Modulus elastisitas komposit polimerberpenguat serat gelas.
4.4 Densitas Komposit Densitas komposit menunjukkan sifat ringan pada bahan komposit. Semakin besar nilai densitas komposit maka semakin berat komposit tersebut. Sifat ringan merupakan sifat yang mutlak diperlukan untuk beberapa bahan komposit yang digunakan dalam industri manufaktur seperti pesawat terbang, kapal dan kendaraan bermotor. Adapun densitas komposit pada penelitian ini diperoleh nilai antara 1,166 gram/ml hingga 1,321 gram/ml. 4.4.1 Densitas komposit polimer-berpenguat serat bambu Pada fraksi volume penguat 2,5% diperoleh komposit dengan densitas komposit tertinggi yaitu 1,203 gram/ml. Sedangkan densitas komposit terendah pada fraksi volume penguat 12,5 % sebesar 1,166 gram/ml. Tren yang terjadi pada komposit polimer – penguat serat bambu yaitu berbanding terbalik dengan peningkatan fraksi volume penguatnya. Adapun densitas komposit polimer –penguat serat bambu yang lain yaitu pada masing-masing fraksi volume penguat 2,5%, 5%, dan 7,5% adalah 1,191 gr/ml, 1,187 gr/ml dan 1,178 gr/ml. ρ (gr/ml) 1.22 1.21 1.2 1.19 1.18 1.17 1.16 1.15 1.14
Hasil Pengukuran Teori
0 2.5 5 7.5 10 12.5 Fraksi Volume (%) Grafik 4.5 Densitas komposit polimer- berpenguat serat bambu 4.4.2 gelas
Densitas komposit polimer-berpenguat serat
Pada fraksi volume penguat 12,5% diperoleh komposit dengan densitas komposit tertinggi yaitu 1,321 gr/ml. Sedangkan densitas komposit terendah pada fraksi volume penguat 2,5 % sebesar 1,247 gr/ml. Tren densitas komposit polimer dengan penguat serat gelas yang diperoleh yaitu berbanding lurus dengan peningkatan fraksi volume penguatnya. Adapun densitas komposit pada masing-masing fraksi volume penguat 2,5%, 5%, dan 7,5% adalah 1,273 gr/ml, 1,31 gr/ml dan 1,315gr/ml.
ρ (gr/ml)
Hasil Pengukuran
1.4 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 0
2.5
5
adanya konsentrasi tegangan yang lebih tinggi didaerah tersebut. Adapun secara umum ada beberapa faktor yang mempengaruhi kekuatan tarik komposit polimerpenguat serat di antaranya ikatan antara serat dan matriksnya, gaya coulomb, gaya adhesi , void, sifat mekanik serat dan matriks, jenis serat, bentuk serat, letak serat, katalis, fraksi volume penguat terhadap matrik.
7.5 10 12.5 Fraksi Volume (%)
Grafik 4.6 Densitas komposit polimer-berpenguat serat gelas. 4.5 Interpretasi Hasil Dari hasil pengolahan data yang diperoleh dapat dijelaskan yang pertama mengenai kekuatan tarik bahwa kekuatan tarik antara kedua jenis komposit polimer baik dengan penguat serat bambu maupun penguat serat glass mengalami trend naik dan turun. Gambar 4.2 Komposit yang cacat. seharusnya terjadi tren yang meningkat pada kekuatan Untuk modulus elastisitas kedua jenis komposit tarik untuk kedua jenis komposit terhadap fraksi juga diperoleh nilai yang bervariasi naik dan turun. volume penguatnya. Ketelitian elongasi komposit polimer-penguat serat yang diperoleh setelah uji tarik juga turut berpengaruh Penguat Serat Bambu pada nilai modulus elastisitas komposit. Semakin besar σ(MPa) Penguat Serat Gelas nilai elongasi komposit maka semakin besar pula nilai modulus elasisitasnya. Sedangkan hasil yang diperoleh 50 yaiu pada fraksi volume penguat 2,5% diperoleh 40 komposit polimer-filler serat bambu dengan modulus 30 elastisitas tertinggi yaitu 1326,9 MPa dan modulus 20 elastisitas komposit terendahnya pada fraksi volume penguat 12,5 % sebesar 221,502 MPa. Untuk jenis 10 komposit polimer- penguat serat serat glass diperoleh 0 Fraksi Volume (%) hasil pada fraksi volume penguat 10% diperoleh 0 2.5 5 7.5 10 12.5 komposit dengan modulus elastisitas tertinggi yaitu Grafik 4.7 Perbandingan kekuatan tarik antara 916,220 MPa. Sedangkan modulus elastisitas komposit komposit berpenguat serat bambu dan terendah pada fraksi volume penguat 12,5 % sebesar 267,313 MPa. Dari hasil modulus elastisitas kedua jenis komposit berpenguat serat gelas. komposit di atas seharusnya berbanding lurus dengan Kekuatan tarik komposit polimer-penguat serat kenaikan fraksi volume penguat nya, void juga juga gelas harus lebih besar dari pada komposit polimer- menjadi salah satu faktor penyebabnya. penguat serat bambu. Hal ini dikarenakan penguatan serat bambu lebih rendah dari pada penguatan serat Penguat Serat Bambu Ε (MPa) Penguat Serat Gelas gelas. Sedangkan hasil yang diperoleh cukup bervariasi 1400 ada yang mengalami peningkatan dan penurunan 1200 terhadap fraksi volume penguatnya. Bahkan pada fraksi 1000 volume penguat tertentu penguatannnya lebih rendah 800 dari pada komposit tanpa penguat serat atau dengan 600 fraksi volume penguat 0%. Ini disebabkan void yang 400 dihasilkan lebih besar sehingga komposit polimer200 penguat serat tersebut mudah patah ketika dilakukan uji 0 tarik. Pada kedua jenis komposit dengan fraksi volume 0 2.5 5 7.5 10 12.5Fraksi Volume (%) penguat masing-masing 2,5% diperoleh nilai kekuatan tarik yang mendekati ideal dengan hasil prediksinya Grafik 4.8 Perbandingan modulus elastisitas antara disebabkan pada kedua komposi ini terjadi peningkatan komposit berpenguat serat bambu dan konsentrasi penguat serat di daerah sekitar patahannya. komposit berpenguat serat gelas. Pada fraksi volume penguat 5% untuk masing-masing jenis komposit dan komposit polimer- penguat serat Hasil pengujian densitas menunjukan bahwa gelas dengan fraksi volume penguat 10% terjadi cacat terjadi tren penurunan yakni semakin besar fraksi sehingga letak patah yang diperoleh bukan di daerah volume penguat pada komposit polimer- penguat serat gaugenya tetapi di dekat pangkal penjepit dikarenakan
serat bambu maka semakin kecil densitas komposit polimer – penguat serat serat bambu. Sebaliknya densitas komposit polimer- penguat serat serat glass berbanding lurus dengan peningkatan fraksi volume penguatnya. Hal ini sesuai dengan teori yang ada. Penyebabnya yaitu sifat dan karakteristik penguat serat dan matrik yang menyusun komposit itu sendiri. ρ (gram/m 1.35 l) 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05
Penguat Serat Bambu
0 2.5 5 7.5 10 12.5 Fraksi Volume (%)
•
•
•
•
Pengaruh fraksi volume serat terhadap karakteristik sampel komposit tidak menunjukkan tren yang seharusnya, hal ini dikarenakan banyaknya void pada sampel komposit. Baik komposit berpenguat serat bambu maupun berpenguat serat gelas diperoleh nilai karakteristik yang mendekati ideal pada masing-masing fraksi volume 2,5%. Komposit polimer berpenguat serat bambu pada fraksi volume 2,5% memiliki karakteristik paling mendekati ideal yakni memiliki kekuatan tarik sebesar 38,57 MPa, modulus elastisitas sebesar 1326,92 MPa dan densitas sebesar 1,203 gram/ml. Material komposit polimer berpenguat serat bambu pada fraksi volume penguat 2,5% dapat digunakan sebagai alternatif bahan baku industri yaitu menggantikan bahan baja rolan untuk ketel sesuai standar JIS G3103.
Grafik 4.9 Perbandingan densitas antara komposit berpenguat serat bambu dan komposit 5.2 Saran Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam berpenguat serat gelas. kelanjutan penelitian ini, antara lain : Dari uraian di atas diperoleh penentuan komposit yang mendekati ideal sesuai dengan sifat mekanik yang • Untuk mendapatkan hasil yang mudah dibaca dan dimaksud yaitu dengan karakter kuat, kaku dan ringan ketelitian lebih kecil maka sebaiknya dilakukan pada fraksi volume penguat 2,5% untuk masing-masing pengujian tarik dengan menggunakan mesin uji kedua jenis komposit. Sedangkan komposit polimertarik digital. penguat serat bambu pada fraksi volume penguat 2,5% • Untuk mendapatkan komposit yang baik sesuai memiliki nilai karakteristik yang paling mendekati ideal karakter yang diinginkan maka harus yang memiliki kekuatan tarik sebesar 38,57 MPa, memperhatikan dari proses awal sampai tahap modulus elastisitas sebesar 1326,92 MPa dan densitas pengujian karena bahan komposit memerlukan sebesar 1,203 gram/ml. Dari penentuan komposit perlakuan khusus (sensitif). tersebut dapat dikatakan bahwa material komposit polimer dengan penguat serat bambu dapat digunakan DAFTAR PUSTAKA sebagai alternatif pengganti bahan gelas. Hal ini juga bila dibandingkan dengan logam konvensional seperti baja rolan dari segi kekuatan tarik, material komposit polimer berpenguat serat bambu dapat menggantikannya sebagai bahan alternatif karena kekuatan tarik baja rolan untuk bahan baku ketel sesuai standar JIS G3103 adalah berkisar antara 35 MPa hingga 42 MPa dan juga densitas komposit berpenguat serat bambu pada fraksi volume penguat 2,5% lebih rendah dari pada densitas baja rolan. Adapun densitas baju rolan berkisar antara 7,5 gram/ml hingga 8 gram/ml. Hal ini menjadi keuntungan bagi komposit berpenguat serat bambu karena lebih ringan sehingga dapat digunakan menggantikan bahan baja rolan yang lebih berat. Dari parameter-parameter sifat mekanik beberapa material bahan tersebut diperoleh kesimpulan bahwa sifat mekanik suatu bahan yang diinginkan tergantung pada proses pemilihan bahan yang sesuai dengan aplikasinya untuk tujuan tertentu. 5.Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Telah dibuat sampel komposit polimer dengan penguat serat bambu dan serat gelas dengan fraksi volume masing-masing yaitu 2,5%, 5%, 7,5%, 10% dan 12,5%. Selanjutnya dilakukan karakterisasi terhadap bahan komposit tersebut. Dari hasil karakterisasi dan analisa data diperoleh beberapa kesimpulan antara lain :
