Pengaruh Fraksi Volume Serat Buah Pinang pada Komposit terhadap Kekuatan Mekanik Mastur1, Azizul2 1,2
Program Studi Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto 1
[email protected]
Abstrak—Serat buah pinang mempunyai kemampuan kekuatan mekanik yang tinggi, oleh karena itu dalam pembuatan bahan-bahan komposit sering dipergunakan baik dalam dunia industri maupun otomotif. Komposit adalah gabungan dua atau lebih bahan untuk mencari sifat material yang lebih baik, termasuk plastik yang diperkuat dengan serat, logam alloy, keramik, kopolimer dan lain sebagainya untuk mendapatkan suatu bahan yang baru. Oleh karena itu, dalam penelitian ini ingin menguji kekuatan mekanik dari serat buah pinang dengan pengujian tarik dan bending dengan variasi serat ukuran fraksi volume 40%, 50%, dan 60%.. Hasil pengujian tarik menunjukan komposit serat buah pinang untuk volume serat 40% tegangannya rata-rata 7,09 MPa dan regangannya rata-rata 2,0%, volume serat 50% tegangan rata-ratanya 7,70 MPa dan regangan rata-ratanya 2,0%, fraksi volume 60% tegangan rata-ratanya 9,78 MPa dan regangan rata-ratanya 3,3%. Sedangkan untuk uji bending diperoleh fraksi volume serat 40% tegangan rata-ratanya adalah 17,50 MPa, fraksi volume serat 50% tegangan rata-ratanya adalah 18,18 MPa, dan pada fraksi volume serat 60% tegangan rata-ratanya adalah 27,14 MPa. Kata kunci: Fraksi Volume Serat, Komposit, Kekuatan Mekanik
I.
PENDAHULUAN
Perkembangan di bidang teknologi melaju dengan begitu pesatnya khususnya dalam industri-industri konstruksi pada dua sampai tiga dekade terakhir, sebagai contoh dalam teknik-teknik perancangan, pembuatan bahan-bahan dan lain sebagainya.. Dengan semakin mahalnya harga material logam, tingginya biaya proses pembuatan logam tertentu, maka mulai beralih pada material non-logam, seperti komposit. Dilihat dari harga bahan baku dan biaya proses pembuatannya, material komposit relatif lebih murah. Komposit adalah gabungan dua atau lebih bahan untuk mencari sifat material yang lebih baik dengan bahan dasarnya plastik ditambah dengan serat termasuk untuk mendapatkan suatu bahan yang baru. Komposit memiliki beberapa kelebihan di antaranya, mampu menggantikan bahan logam (kekuatan tinggi), rasio antara kekuatan dan densitasnya cukup tinggi (ringan), murah (tidak memerlukan proses permesinan), proses pengerjaan sangat sederhana, dan tahan korosi (komposit non logam).
104
Material pengikat (matrik) pada komposit mengunakan material penguat atau pengisi (filler) dari bahan serat yang kuat, kaku dan getas. Hal ini ditujukan agar serat dapat menahan gaya dari luar. Serat dikelompokkan menjadi dua yaitu serat alami (natural fiber) dan serat buatan (syntethic fiber). Pada penelitian ini, menggunakan bahan serat pengisinya (filler) dari serat buah pinang yang banyak digunakan pada industri otomotif dikarenakan bahan tersebut menpunyai kekuatan yang tinggi dan mempunyai ketahanan yang baik terhadap bahan kimia dan panas. 1.1. Klasifikasi Bahan Komposit Bahan komposit terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh matrik, yaitu : a. Bahan Komposit Partikel Bahan komposit partikel tersusun dari partikelpartikel sehingga disebut bahan komposit partikel. Komposit ini banyak dirgunakan sebagai pengisi dan penguat keramik. Jenis ini mempunyai keunggulan tahan aus, tidak mudah retak dan mempunyai daya pengikat matrik yang baik. b. Bahan komposit Serat Bahan komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat oleh matrik yang saling berhubungan. Penggunaan bahan komposit serat sangat efisien dalam menerima beban dan gaya, sangat kuat dan kaku bila dibebani searah serat. Bahan ini mempunyai keunggulan utama yaitu strong (kuat), stiff (tangguh), dan tahan terhadap panas 1.2. Faktor Yang Mempengaruhi Performa Komposit Beberapa faktor yang mempengaruhi performa FiberMatrik Composites antara lain: a. Letak dan arah serat Letak dan arah serat dalam matrik akan menentukan kekuatan mekanik komposit, oleh karena itu dalam pembuatan komposit peletakan dan arah serat sangat diperhatikan. Menurut letak dan arah serat diklasifikasikan menjadi tiga bagian yaitu: 1) One dimensional reinforcement, mempunyai kekuatan dan modulus maksimum pada arah axis serat.
2) Two dimensional reinforcement (planar), mempunyai kekuatan pada dua arah atau masing-masing arah orientasi serat. 3) Three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic dan kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan dua tipe sebelumnya. b. Panjang Serat Panjang serat dalam pembuatan komposit sangat berpengaruh terhadap kekuatan. Panjang serat ada dua macam yaitu serat pendek dan serat panjang. Serat panjang lebih kuat dibanding serat pendek. Serat panjang dapat mengalirkan beban maupun tegangan dari titik tegangan ke arah serat yang lain. Serat pendek mempunyai kekuatan yang lebih besar jika dibandingkan continous fiber. c. Matriks / Resin epoksi Resin epoksi merupakan jenis resin thermoset dan mempunyai kegunaan yang luas dalam industri kimia teknik, listrik, mekanik, dan sipil sebagai bahan perekat, cat pelapis, dan benda-benda cetakan.
1.4. Karakteristik Material Komposit Salah satu faktor yang sangat penting dalam menentukan karakteristik material komposit adalah kandungan/prosentase antara matriks dan serat. Adapun untuk menghitunga ebagai berikut a. Volume Skin/Layer (Vskin) Vskin = pskin lskin tskin ………………………………(1) di mana: Vskin = Volume skin/layer sebelum dicetak (cm3) pskin = Panjang skin/layer sebelum dicetak (cm) lskin = Lebar skin/layer sebelum dicetak (cm) tskin = Tinggi skin/layer sebelum dicetak (cm) b. Volume Serat (Vserat)
………….(2) di mana : Vskin = Volume skin/layer sebelum dicetak (cm3) Vserat = Volume serat sebelum dicetak (cm3) Fraksi Volume = Fraksi volume yang digunakan (%) c. Massa Serat (mserat) Mserat = Vserat .ρserat ………..…………………….(3) di mana: mserat = Massa serat sebelum dicetak (gr) Vserat = Volume serat sebelum dicetak (cm3) ρserat = Massa jenis serat sebelum dicetak (gr/cm3)
Tabel 1 . Spesifikasi Resin Epoksi Sifat-sifat Massa jenis Penyerapan air (suhu ruang) Kekuatan tarik Kekuatan tekan Kekuatan lentur Temperatur pencetakan
Satuan Gram/cm3 0 C Kgf/mm2 Kgf/mm2 Kgf/mm2 0 C
Nilai tipikal 1.17 0.2 5.95 14 12 90
d. Katalis Metyl Etyl Keton Peroksida (MEKPO) Katalis yang digunakan adalah katalis Methyl Ethyl Keton Peroxide (MEKPO) C4H8O 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. Pada saat mencampurkan katalis ke dalam matriks maka akan timbul reaksi panas (600–9000 C).
II.
METODOLOGI PENELITIAN
2.1. Pelaksanaan penelitan Teknik pengambilan sampel yang digunakan adalah purposive sampling, yaitu penentuan sampel untuk tujuan tertentu saja. Sampel menggunakan fraksi volume serat 40%, 50% dan 60%. Setiap sampel penelitian terdiri dari 3 spesimen sehingga didapatkan keseluruhan sampel penelitian sejumlah 9 sampel untuk uji tarik dan 9 untuk uji bending total keseluruhan 18 sampel benda uji. Tabel 2. Daftar Fraksi Volume Serat.
1.3. Serat Buah Pinang Penggunaan serat pada komposit bertujuan untuk memperbaiki sifat dan struktur matrik yang tidak dimilikinya, serta diharapkan mampu menjadi bahan penguat untuk menahan gaya yang terjadi. Serat buah pinang mempunyai beberapa keunggulan yaitu : a. Sifat mekanis Buah Pinang mempunyai sifat mekanis yang unggul dalam kekuatan tarik dan kekuatan impact serta mempunyai ketahanan abrasi. b. Kemampuan cetak Buah pinang mempunya polimer yang bersifat kristalin dan temperatur pelunaknya berdaerah sempit sehingga mempunyai kalor pelelehnya yang tinggi. Oleh karena itu temperatur lelehnya pada proses perlakuan panas dapat dipergunakan untuk menghilangkan tengangan sisa dan meningkatkan kristalitas.
Fraksi Volume Serat 40% 50% 60% Jumlah
Replikasi 6 kali 6 kali 6 kali 18
2.2. Pembuatan Spesimen a. Spesimen Komposit Buah Pinang Untuk Pengujian Tarik, bahan komposit buah pinang dibuat benda uji dengan bentuk dan ukuran mengacu pada JIS K 7113:1995 (Testing method for tensile properties of plastics)
Gambar 1 Dimensi specimen uji tarik
105
Dari pengujian ini dapat kita ketahui beberapa sifat mekanik material yang dibutuhkan dalam desain rekayasa, seperti : 1) Tegangan
E = S = m = (N/mm)
III HASIL
……………….……………………(4) di mana : σ = Engineering Stress (tegangan) (MPa). F = Beban yang diberikan dalam arah tegak lurus terhadap penampang spesimen (N). Ao = Luas penampang mula-mula spesimen sebelum diberikan pembebanan (mm2). 2)
modulus permukaan / skin (MPa), kekuatan bending komposit (N/mm2 ) Slop tangent pada kurva beban defleksi
DAN PEMBAHASAN
2.1. Pengujian Tarik Data pengujian tarik pada specimen komposit buah pinang sebagai berukut : Kode Spesmn
Lebar (b) (mm)
Tebal (h) (mm)
Lo
Lf
∆L
Pmax
hU
є
(mm)
(mm)
(mm)
(kN)
(mmb)
(%)
1
40-1
10.64
9.85
181.00
182.00
1.00
0.46
5.5
2.0
2
40-2
10.73
9.94
182.00
183.00
1.00
0.68
20.0
2.0
3
40-3
11.01
9.94
182.00
183.00
1.00
1.15
48.0
2.0
4
50-1
10.61
9.70
184.00
185.00
1.00
1.11
41.0
2.0
5
50-2
10.72
9.92
184.00
185.00
1.00
0.64
25.0
2.0
6
50-3
10.95
10.00
184.00
185.00
1.00
0.69
28.0
2.0
7
60-1
11.06
9.92
184.00
186.00
2.00
0.60
24.0
4.0
8
60-2
9.87
9.82
184.00
185.00
1.00
1.48
60.0
2.0
9
60-3
11.40
9.79
184.00
186.00
2.00
0.96
37.5
4.0
No
Regangan (ε )
…………………...(5) di mana : ε = Engineering Strain (regangan). l0 = Panjang mula-mula specimen li = Panjang spesimen setelah ditarik. b.
Spesimen Komposit Buah Pinang untuk Pengujian Bending Spesimen uji bending komposit buah pinang mengacu pada standar ASTM C 393 (1994), di mana mempunyai dimensi panjang = 150 mm dan lebar = 30 mm. Tebal spesimen yaitu 0,8 mm.
Dari data tersebut dapat diprosentasekan sebagai berikut : a. Kenaikan tegangan tarik komposit serat buah pinang dari fraksi volume serat 40% ke fraksi volume serat 50%. 7,70 𝑀𝑃𝑎 −7,09 𝑀𝑃𝑎 ∆σ = x 100 %
30±0,5 mm
=
7,09 𝑀𝑃𝑎 0,61 𝑀𝑃𝑎 7,09 𝑀𝑃𝑎
x 100 % =8,60 %
b. Kenaikan tegangan tarik komposit serat buah pinang dari fraksi volume serat 50% ke fraksi volume serat 60%. 150 mm
6,8,10 mm
∆σ =
Gambar 2. Dimensi specimen uji bending
= Besarnya kekuatan bending tergantung sebagai berikut: 3 PL S = 2 ……………………………………….…..(6) 2bd Besarnya tegangan geser dapat dihitung dengan persamaan :
9,78 𝑀𝑃𝑎 −7,70 𝑀𝑃𝑎 7,70 𝑀𝑃𝑎 2,08 𝑀𝑃𝑎 7,70 𝑀𝑃𝑎
x 100 %
x 100 % =27,01 %
c. Kenaikan tegangan tarik komposit serat buah pinang dari fraksi volume serat 40% ke fraksi volume serat 60%. ∆σ =
…………………………………..….(7) Besarnya modulus elastisitas maksimum sebagao berikut :
=
9,78 𝑀𝑃𝑎 −7,09 𝑀𝑃𝑎 7,09 𝑀𝑃𝑎 2,69 𝑀𝑃𝑎 7,09 𝑀𝑃𝑎
x 100 %
x 100 % =37,94 %
Tabel 4. Data hasil pengujian tarik komposit Serat buah pinang
𝐿3 𝑚
𝐸𝑏 = ………...……………………….…….....(8) 4𝑏𝑑 3 Momen bending adalah : M= 0,25 x P x L……………………………………(9) di mana: M = Momen (Nm), τ = tegangan geser core (MPa), σb = kekuatan bending permukaan komposit (MPa), P = beban yang diberikan pada midspan (N), L = panjang span (mm), t = tebal skin (mm), d/h = tebal komposit (mm), c = tebal core (mm), b = lebar komposit(mm),
106
dapat dilihat Tegangan Bending (MPa)
Dari hasil pengujian tarik komposit grafik tegangan tarik seperti dibawah ini :
40
Tegangan Tarik (MPa)
Grafik Tegangan Tarik 20 15 10 5 0
Spesimen 2
60
Spesimen 2 Spesimen 3
0
Spesimen 3 50
Spesimen 1
20
Spesimen 1
40
Grafik Tegangan Bending Komposit
40 50 60 Variasi Volume Serat
Rata-rata
Rata-rata
Variasi Volume Serat
Gambar 4 Grafik hubungan antara variasi volume serat terhadap tegangan bending komposit serat buah pinang
Gambar 3.Grafik tegangan tarik komposit Grafik tegangan bending diatas menunjukan kenaikan pada fraksi volume serat 40% ke fraksi volume serat 50%, yaitu dimana rata-rata tegangan bending fraksi volume serat 40% adalah 17,50 MPa dan rata-rata tegangan bending fraksi volume serat 50% adalah 18,18 MPa. Tetapi pada fraksi volume serat 60% tegangan bending mengalami kenaikan yang signifikan dimana rata-rata tegangan bendingnya adalah 27,14 MPa. Dari penjelasan diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa apabila fraksi volume serat semakin besar maka tegangan bendingnya semakin naik terlihat pada fraksi volume serat 50% ke fraksi volume serat 60% kekuatan bendingnya naik drastic hal ini disebabkan karena semakin banyak fraksi volume serat maka akan semakin bagus kekuatan bendingnya.
Pengujian tarik komposit diperoleh hasil rata-rata spesimen fraksi volume serat 40%; tegangan tarik =7.09 MPa, fraksi volume serat 50% = 7.70 MPa dan fraksi volume 60% =r 9.78 MPa. 3.2 Data Spesimen Pengujian Bending Hasil dari pengujian bending pada bahan komposit serat buah pinang adalah sebagai berikut : Tabel 5. Data Spesimen komposit untuk pengujian bending
IV. KESIMPULAN Setelah dilakukan penelitian dan pengujian terhadap komposit serat buah pinang pada kekuatan mekanik terhadap pengujian kekuatan tarik dan pengujian kekuatan bending dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada pengujian tarik, kekuatan tarik komposit serat buah pinang-epoksi dengan penambahan variasi fraksi volume 40%,50%,60% yaitu sebesar 7,09 – 9,78 Mpa dan didapat regangan tarik sebesar 2,0 – 4,0%, dimana kekuatan tarik terbesar terjadi pada fraksi volume serat 60% yaitu sebesar 9,78 Mpa. 2. Pada pengujian bending, kekuatan bending komposit buah pinang-epoksi tertinggi pada variasi fraksi volume 60% yaitu sebesar 27,14 Mpa. Kekuatan bending meningkat pada variasi fraksi volume 40%,50%,60% yaitu 17,50 – 27,14 Mpa. Modulus elastisitasnya menurun dari fraksi volume 40% - 50% yaitu 12,07 – 6,75 Mpa. Begitupun dengan tegangan gesernya menurun dari fraksi volume 40% - 50% yaitu 9,12 – 8,17 Mpa.
Setelah dilakukan pengujian bending komposit serat buah pinang dengan menggunakan mesin Torsi maka diperoleh data dan perhitungan sebagai berikut : Tabel 6. Data hasil pengujian bending komposit serat buah pinang
REFERENSI [1] Alexandre, M. and Dubois, P. (2000). Polymerlayered Silicate Nanocomposites: Preparation,Properties and Uses of a New Class of Materials, Mater. Sci. Eng. Rep.
Berdasarkan perhitungan diatas maka dapat disimpulkan bahwa kenaikan tegangan tarik dari fraksi volume serat 40% ke fraksi volume serat 50% adalah sebesar 8,60%, kemudian dari fraksi volume serat 50% ke 60% adalah 27,01%, dan dari fraksi volume serat 40% ke 60% adalah sebesar 37,94%.
[2] Gorga, R.E. and Cohen, R.E . (2004). Toughness Enhancements in Poly(methyl methacrylate) by
107
Addition of Oriented Multiwall Carbon Nanotube, Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.
J.
[6] Luo, J.J. and Daniel, I.M. (2003). Characterization and Modeling of Mecha- nical Behavior of Polymer /Clay Nanocomposites,Compos. Sci. Technol
[3] Harris, P.J. (1999). Carbon Nanotubes and Related Structures, Cambridge University Press:Cambridge.
[7] McGill Researchers Develop New Carbon Nanotube Production Method,(2004) Journal of hermal Spray 205. Private communication with Professor Jean- Luc Meunier, Department of Chemical Engineering, McGil
[4] Treacy, M.M.J., Ebbesen, T.W. and Gibson, J.M. (1996). Exceptionally High Young’s Modulus Observed for Individual Carbon Nanotubes,Nature [5] Hone, J., Whitney, M., Piskoti, C. and Zettl, A. (1999). Thermal Conductivity of Single - walled Carbon Nanotubes,Physical Review B.
108
