PENGARUH SUDUT HELICDAN COMPRESSION RATIO ULIR TERHADAP NILAI I(ECEPATAN ALIRAN, SHEAR RATE, PERUBAHAN TEKANAN, VISKOSITAS DAN TEGANGAIY GESER Hari Arbiantarat, Santoso Mulyadiz, Mahros Darsin3 dan Ahmad Syuhria
ABSTRACT: The development of biodegradable plastics manufacturing pracess to a cantinuaus pracess can be done by
(
tl
)
c
n
P
combining the single screw extruder as mixing and compression
t
molding unit as forming units. Development can be done by varying the extruder screvr geometry,, is the angle Helic and the compression ratio. The purpose of this study was to determine the value of flow velociQ, shear rate, changes in pressure, viscosity and shear stress are acceptable mixture with screw geometry diferences. The process of calculation can be pedormed using Computerized Fluid Dynamic (CFD) one of them with the program
b
Fluent
(r
n
Keywords: compression ratio, shear rate, viskositas
(:
PENDAHT'LUAN
d
Salah satu kendala pengembangan biodegrabte plastik adalah belum tersedianya teknologi berupa proses kontiryu dengan skala besar. Beberapa penelitian telah
Y
1i
mengembangkan proses compression molding dalam pembuatan biodegradable plastik. Akan
tetapi proses compression molding memerlukan perlakuan pendahuluan yang memerlukan waktu dan proses yang cukup lama (Arbiantara, 2008). Salah satu cara untuk mengatasi hal temebut yaitu dengan mengembangkan ekstruder ulir tunggal sebagai unit pengaduk. Pengadukan irtensif dapat digunakan sebagai pengganti perlakuan aging, bahkan film yang dihasilkan memiliki karakter lebih baik (Cunningham et al., 2000). Salah satu alat pengaduk yang banyak diaplikasikan dalam pengolahan plastik adalah screw ekstruder (Kalyon and Sangani, 1989). Pengadukan dengan ekstruder memiliki beberapa kelebihan
diantaranya: pengadukan lebih intensif dan lebih hemat energi, serta memperkecil kemungkinan masuknya gelernbung udara pada adonan (Rauwendaal, 1986). Dalam prosesnya, bahan baku polimer berbentuk pellet dimasukkan kedalam hopper dan digerakkan
melalui barrel dengan menggunakan sebuah poros berulir yang berbentuk helical (screw conveyor) dan kemudian dihantarkan hingga ke cetakan (die). Pengaruh gaya geser (shear) yang ditimbulkan screw pada screw extruder akan
mempengaruhi agregasi molek-ul. Gaya shear dipengaruhi oleh konfigurasi ulir, dan kecepatan putar ulir @jorck and Asp, 1983). Qomaruddin (2010) melakukan penelitian pada edible filrn berbahan dasar tapioka menyatakan semakin tinggi nilai rasio kompresi akan terjadi peningkatan nilai kekuatan tarik dan nilai regangan, hal ini dikarenakan dengan meningkatnya rasio kompresi akan menurunkan nilai rata - rata shear stress dan menurunkan kecepatan alir bahan yang berakibat semakin banyaknya polimer terbentuk. Nilai kekuatan tarik tertinggi dihasilkan pada putaran 100 rpm dan rasio kompresi 3.5 sebesar 0.622Mpa. ' Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Univenitas Jember. E-mail: lrariarbir4)'ahoo.r.:onl 'Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknih Universitas Jember, E-mail: santosomulvadi32,?i'ahoo.co. i'l
I furusan T"t"rik M"rttr, F"k"tt* T"k"l[Universitas Jember, E-mail: mahros.azzahra(4JLahoo.co.id " Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universita-s Jember, E-mail: ,olu:
[email protected] 132
n
b
i
I{, Arblantara,
S.
Mulyadi, M. Darsin dan A, $yuhrt, Fengeruh Sudut Holtc,,.
Selain itu, pemanasan akan meningkatkan agregasi molekul (Pomet, 2003). Pramuji (2011) melakukan penelitian pada edible film berbahan dasar tapioka menyatakan semakin tinggi suhu pengadukan akan menghasilkan sifat mekanik plastik lebih baik. Kombinasi yang sesuai antara shear dan suhu akan menghasilkan plastik bidegradabel dengan karakter optimum. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui nilai kecepatan alir, shear rate, perubahan tekana4, viskositas dan tegangan geser yang diterima adonan dengan adanya perbedaan geometri ulir. Proses perhitungan dapat dilakukan dengan menggunakan Computerized Fluid Dynamic (CFD) salah satunya dengan program Fluent
TINJAUAN PUSTAKA Proses ekstrusi
Ekstrusi merupakan proses industri yang umumnya digunakan untuk mengolah bahan secaxa kontinyu (menghasilkan bahan yang panjang) atau semi kontinyu (menghasilkan bahan dengan ukuran pendek). (Anonim, 2007). Proses ekstrusi menggunakan mesin single extrussion mempunyai bagian utama berupa sebuah poros benrlir
(screw) yang berfungsi untuk mendorong dan menekan bahan pellet hingga keluar dari die. Menurut Gogoi et al. (1996), dengan penambahan elemen reverse screw pada ulir ekstruder dapat meningkatkan energi geser yang dapat mengakibatkan depolimerisasi dan degradasi. Gaya geser yang tinggi juga dapat mengakibatkan fragmentasi baik pada pati maupun protein. Hasil degradasi umumnya merupakan molekul dengan berat molekul rendah dan larut air. Pengaturan desain konfigurasi screw akan menghasilkan tegangan geser yang
(t)
pada
bahan yang diekstrusi diparganrhi oleh viskositas bahan 1? , Kg/ms) dan shear rate (y yang dialami bahan. Didefinisikan:
, l/s)
mengenai bahano yang akan berperan sebagai pengaduk bahan. Nilai tegangan gese,r
T
=ryy
Shear rate adalah tingkat pergeseran yang terjadi pada fluida. Nilai shear rate untuk slot yang muryerupai geometri rekahan dapat dihitung dengan persamzurn:
, f zn,+t1 au
1,.=l_l_ tll
Lrn Jw
Dimana:
u
w q h
w
(l)
= lebar slot atau rekahan (m) (m/s)
,, :'to';;ril1n'erocitv w.h
: lebar rekahan in. : laju injeksi dalam bbVmenit (bpm), : tinggi rekahan (m)
Viskositas merupakan suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan unfuk mengalir, semakin tinggi viskositas maka semakin besar tahanannya untuk mengalir. Pada kondisi pengadukan menggunakan single screw extruder, viskositas dapat dihitung dari persamaan berikut (Guzman, 2003):
^ M.Hz .'T = pm----:r"rD2.k.N
................(2)
r33
Jwnal REKAYASA Volume I Nomor
Dimana:
2011
.l
'
Bm
.
Lkli
- 3(s+l) -:-
AP H D k N
: :
J=-
power law index perubahan tekanan (Pascal
I n
:
N/m2)
tinggi permukaan screw (m) = diameter screw (m) : jumlah pitch ulir : kecepatan putar (rpm)
di
Simulasi Komputer Pendekatan analitis pada desain pengaduk mempunyai beberapa keterbatasan karena sangat sulit untuk menganalisa aliran pada bentuk pengaduk yang rumit. Pendekatan yang lebih baik untuk menganalisa pengaduk yang rumit tersebut adalah dengan menggunakan model matematis dan simulasi komputer Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD adalah metode penghitungan, prediksi, dan pendekatan aliran fluida secaftr nuffierik dengan bantuan
komputer. Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakeristik tertentu yang begitu kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode
numerasi menggunakan persamzum-persama€m fluida. Dorgan meshing (pembagian menjadi beberapa bagian kecil), maka perhitungan/ kontrol dapat dilakukan lebih teliti berdasarkan kondisi batas yang telah ditetipkan sesuai permasalahan. Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan dan diselesaikan menggunakan operasi numerik. Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel. Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan
bantuan komputasi komputer. Luaran dari CFD dapat berupa
grafit
pr S(
veklor, kontur dan
bahkan animasi yang dapat digunakan untuk mengetahui kzrakteristik aliran fluida.
METODE PENELITIAN Desain
ulir
Tahap awal dilakukan perancangan screw ,menggunakan software CATIA, menghasilkan desain ssrew. Sebelum dilakukan proses iimulasi, terlebih dahulu dilakukan proses preprocessor pada GAMBIT. Proses preprocessor meliputi pemodelan obyek yang akan disimulasi, mendefinisikan kondisi batas (boundory condition), serta diskritisasi (meshing), ulir yang digunakan dengan perbedaan sudut helic 2,5o; 5"17,5o dan compression
ratio 1,5;2,5;3,5. Simulasi
Distribusi tegangan geser, nilai kecepatan maksimum dan perbedaan tekanan dapat diketahui dengan menggunakan pemrograman simulasi dengan menggunakan FLUENT.
IIASIL DAN PEMBAI{ASAN Hasil pemodelan menggunakan GAMBIT diperlihatkan pada Gambar 1. Kondisi batas yang ditentukan adalah inlet (masukan), outlet (keluaran), serta dinding yang akan dianalisa .
134
(wall) bahan
b
tI
d
H, Arbiantara, S. Mulyadi, M.
Gambar
l.
Darsin dan A. Syuhrl, Pengaruh
Sudat HeHc,..
Hasil pemodelan Screw CR 2.5 menggunakanGAMBlT
Selanjutnya meshing dilakukan durgan menggunakan ukuran 3. Salah satu hasil dislcritisasi screw CR2.5 nampak pada Gambar 2.
IA tg
; ril m
Gambar
m le
i/
ri
2. Hasil diskritisasi screw
CR 2.5 pada GAMBIT
Obyek luaran hasil pemodelan pada GAMBIT diexport ke FLUENT untuk dilakukan proses solving dan postprocessor. Putaran screw diatur sebesar 140 rpm dengan putaran searah jarum jam (CW) agar dapat mengalirkan bahan dari inlet menuju outlet.
n ai
3 rn
n
t,
n e si
n
'
,r-
-
.:. i'
pergerakan fluida
0 Salah satu pemodelan dilakukan pada screw dengan sudut helic adalah 7.5 pada putaran 140 rpm. Arah dari pergerakan fluida diilustrasikan dengan vector kecepatan aliran yang nampak pada Gambar 3.
Simulasi kecepatan aliran
Dari hasil simulasi dapat diketahu nilai kecepatan aliran sepanjang screw pada berbagai variasi CR dan sudut ulir (lihat lampiran). Gambar di bawah ini menunjukkan kontur dari kecepatan aliran bahan yang diperoleh dari simulasi pada salah satu variasi sudut dan CR screw. 135
Jurnal REKAYASA Volume
m
I Nomor I Juli 201 l
i#E
ffi
ffi rrLE
ffi$il \#
iftr
tdet
futt.t
miiili ffi;r:ti
ffilffti
[,,Aii
m.ril
Gambar
s#:ii
r
'
(a) CR 3,5 4. Kontur Kecepatan Aiiran
(b) sudut 7,50
Secra grafis distribusi kecepatan aliran dapat dilihat dalam Gambar 4 (a) untuk variasi CR dan Gambar 4 (b) untuk variasi sudut screrv, Grafik menunjukkan kecepatan aliran semakin meningkat dari inlet menuiu outiet ekstruder, meskipun tidak demikian terjadi pada variasi sudut screw. Nilai shear rate juga meningkat disepanjang inlet menuju outlet screw baik pada variasi CR. Kecepatan rata-rata menurun oleh adanyaBeningkatan CR juga oleh peningkatan sudut screw. Demikian pula nilai shear rate menurun oleh adanya peningkatan CR screw dan sudut screw. Simulesi tekanan pada adonan
Dari hasil simulasi diperoleh nilai tekanan bahan di sepanjang aliran (lampiran). Gambar di bawah ini manunjukkan kontur dari tekanan bahan yang diperoleh dari simulasi pada salah satu variasi sudut dan CR screw. 1S:*::;
t#iE ilbF ftfls
itl,j
rJSs
mlbB
l,
w::r: ffi;irl iffi
irtri;li.riijri{ii}tultt$lttrF,&fl}?tl&i$*l
,tr
'eu W uldE &M
rrd
I
L -
H!fiI L
ffi;ftl: *, c'r.^db,*P*B4''*
*t*,-*iEi.tjti.i
(b) sudut 7,50 Gambar 5. Kontur Tekanan
Secara grafis distribusi tekanan dapat dilihat dalam Gambar 8 (c) untuk variasi CR dan Gambar 9 (c) untuk variasi sudut screw. Menunjukkan adanya peningkatan tekanan dari
inlet menuju outlet ekstnrder, baik pada variasi CR maupun pada variasi sudut screw. Kenaikan tekanan ini dibarengi dengan penurunan viskositas bahan yang mengalir disepanjang inlet merruju outlet screw (Gambar 8 (d) dan Gambar 9 (d)). Tekanan total menurun oleh adanya peningkatan CR. Sedangkan viskositas adonan maningkat dengan meningkatnya CR screw. Baik tekanan maupun viskositas adonan tidak dipengaruhi oleh perubahan sudut screw.
Tegangan geser adonan
Dari hasil simulasi dapat digambarkan distribusi tegangan geser yang terjadi pada beberapa variasi screw (lihat Gambar 6). Dari gradasi warna menampakkan bahwa variasi 136
H. Arbiantara, S. Mulyadi, M. Darsin dan A. Syuhri, Pengaruh Sudut Helic...
CR pada screw berpengaruh pada meningkatnya nilai tegangan geser. Sedangkan variasi sudut screw tidak berpensaruh. ffiff*i: y$i 6rrFE :ll( qtsF
!.rb$ u:. lrlFB
rr
1
r'i:i'r!l
l{itiit{{itffiffi
ffi Wl
jg e*E it).., uba '/. ltbF 'ill,. ub-D gFt
f,ts
isu
il:r
cdt.- d d #
&;:l#:ii r-
I
i-e't6. {sEct
l-
,*,,,
cR
t-
oo
*f,*].t;1til
Cdr@.! ol s,l Sbr Jr6$ lr$dl
FUSr U F46
SUDUT 2.50
1.5
5ilS ffi ISE sbF
ii .il^s.r,FB
W::rs
r
:
.
,tfr$hjj sst arL,€
ss !,,-u ilta 'sbF ro €$.z w!!.Ja*\
d
E
liitii A
ffi
t'l*ds.*e'eEN
,.mror*-t$i.**l
i:f:f t-
cdt"*d iJ'ilbas'.*"'d'
cR 2.5
*".**!llt;illi
SUDUT 50
ml *B ml ssFrl
*+ h:dh
,ititii*i{ittrqft$ffiWww
1I'l zrt'N
iEE:r*,n
i{lj r.r.e€ -i[ l.r&rs ffil irFE
I E::ii:ii F'
- _;;;
[email protected]
I
cR 3.5
ffi it*ii r*laF
d bll Sb- 9r..i. Er.,t
t@IE&o
SUDUT 7.50
Gambar 6. Kontur tcgangan geser pa.da berbagai variasi screw
Nilai tegangan geser (r) pada bahan yairg diekstrusi dipengaruhi oleh viskositas bahan (q, Kdrns) dan shear rate (y, 1/s) yang dialami baharU didefinisikan r = qy , dengan shear rate a{alah tingkat pergeseran yang terjadi pada fluida Secara mateinatis perhitungan tegangan geser telah diperoleh dan diilustrasikan kedalam grafik pada Gambar 7 (e) dan Gambar 8 (e).
Secara umum grafik tersebut menggambarkan baltwa terjadi penurunan nilai tegangan geser di sepanjang inlet menuju outlet screw, kecuali pada screw dengan sudut 7,50, Sementara pongaruh perubahan desain CR screw dari CR 1.5 ke CR 3.5 akan menghasilkan rneningkatnya legangan geser pada bahan adonan. Sedangkan perubahan sudut screw dari.2.50 ke 7.50 tidak menghasilkan perbedaan nilai tegangan geser yang berarti.
r37
Jztrnal REKAYAM Yolume 8 Nomor
I Juli 201 I
aa. 6'
II
s(
s(
ilFlt re p re p m ti
A tlh$tF,tlili
(fiulFFl
--t
llI n-,
i
,**r.rl
:i'-"-4q# H: \rJ E.'
*-rlr
I
I I
I
ftlilurf, Gambar 7 Diagram tegangan geser
.l4,
*rt =:b61 3tt \*
-r,
*l+ tlr I|ra t*.
{flfrrfi&{hD
!
a *trtrtlr NSllrm{
*ttt-
Grmtns
iTE,;CF
mr?tr;r 8. Diagram Tegangan Geser
138
A
c
H. Arbiantara, S. Muiyadi, M. Darsin dan A. Syuhri, Penganth Sudut Helic...
KESIMPULAN DAN REKOMENDASI proses pengadukan pada pembuatan piastik biodegradabel dapat lebih efektif menggunakan screw ekstrudir, yang sekaligus dapat menggantikan proses agirg'-Profil pada bahan, scfe;ekstruder (sudut dan CR-nyai berperan menghasilkan tegangan geser sehingga dap at memperbaiki karaher plastik bi ode gradabel' --Unfuk penelitian selanjutnya dapat diiakukan dengan range nilu sudut lebih besar, sehingga diperoleh perubahan nilai tegangan geser yang cukup sigrifikan.
DAFTAR RUJUKAN Anonim, (2007). F,xtnaion Process. Food Resources. Oreon State University (OSU)'
Arbiantara, (2003). Pengembangan Compression Molding dalam Pembustan Plostik Biodegadabel dqri Bungkil Bijiiarak Pagar, J' Rojor 2(2):9'17' cunningham P, A.A. Ogale, P.L. Dawson PL, J.C. Actorl (2000)' Tensile properties of soy -protein isolate-Jil*, produced by a thermal campaction technigtre- J Food sci 65(4):668*671.
Gogoi,8.K., A.J. Oswalt and G.S. Choudhury, (1996). Reverse screw element(s) andfeed composition fficts during twin-screw extrusion of rice Jlour and fish muscle blends, J. Food Sci 6i: 590-595Kalyon, D.M. and H.N, Sangani, (19S9). An experimental study of distributive mixing in fully intermeshing, co-rotating twin screw extruders. Polyrner Eng and Sci 29( I 5) : I 0 I 8-1 426
M, A. Redl, M.H. Morel, s. Domenek, s. Guilbert, (2003). Thernoplastic of protein-based bioplastics: chemical engineering ospects of mixing, processing -extruston and hot molding' Macromol Symp 197:207-217
Pommet
Rauwendaal, c., (1986). Polymer Extrusion. Hanser Publisher, New York.
t39
