Pengaruh Hibridisasi Serat Basalt-Serat Karbon Komposit Epoksi dengan Variasi Jumlah Serat dan Posisi Laminasi pada Pembebanan Bending I.D.G Ary Subagia1), Ketut Adi Atmika1), Wayan Nata Septiadi1), I.M.Parawata1), M.D Budiana1) 1
Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana, Bukit Jimbaran - Badung 80361 Telepon (0361) 703321 e-Mail :
[email protected]
Bandung, 3 - 4 November 2015
ABSTRAK Penelitian ini menganalisa pengaruh laminasi serat basalt pada komposit dengan karbon berdasarkan pada jumlah dan susunan laminasi. Tujuan penelitian adalah untuk mengamati pengaruh laminasi serat basalt terhadap kekuatan dan sifat patahan akibat pembebanan three point bending. Bahan uji adalah berupa variasi jumlah serat basalt dan susunan pada serat karbon yang difabrikasi dengang menggunakan vacuum resin transfer molding (VRTM) proses. Material uji dibentuk berdasarkan standar ASTM D-970 dan diuji bending dengan kecepatan penekanan 1mm/min, untuk beban (load cell) adalah 10 ton. Hasil pengujian diperoleh berupa tegangan (Mpa), regangan (mm/mm) dan modulus of elastisitas (Gpa). Hasil menunjukkan bahwa meningkatnya jumlah fraksi berat serat basalt secara signifikan menurunkan tegangan, sebaliknya meningkatkan regangan patah. Metode hibridisasi dengan mengatur susunan laminasi adalah metode yang baik untuk mempertahankan kualitas kekuatan dan patahan pada komposit. Selain itu, posisi serat karbon pada bagian terluar memberikan tegangan bending yang tinggi tapi regangan patah rendah. Sebaliknya untuk serat basalt pada bagian terluar laminasi. Kata Kunci : Komposit, hibrid, laminasi, bending, serat basalt, serat karbon
I.
PENDAHULUAN
Material komposit dengan penguat serat karbon atau material komposit carbon fiber reinforced polymer (CFRP) telah banyak dikembangkan sejak duapuluh tahun yang lalu. Serat karbon telah dikenal memiliki sifat mekanis yang sangat baik terutama pada tegangan yang tinggi sekitar 700 MPa dengan modulus elastisitas sekitar 60 GPa [1]. Disamping itu, ringan, density rendah. Keunggulan tersebut, menyebabkan komposit dengan serat karbon banyak digunakan pada pesawat terbang [2, 3]. Akan tetapi, material ini adalah getas dengan kata lain bersifat mudah patah karena memiliki regangan yang lebih rendah dari pada serat gelas yaitu tidak lebih dari 1 mm/mm Disamping itu, serat karbon cukup mahal sehingga tidak dapat dipergunakan pada konstruksi konstruksi sederhana. Dalam usaha untuk mengoptimalkan komposit dengan penguat serat karbon sehingga dapat
digunakan pada konstruksi sederhana, metode hibridisasi telah dikembangkan yaitu dengan menggabungkan serat karbon dengan serat gelas dalam matrik tunggal [4, 5]. Banyak penelitian telah dilakukan untuk menguji kualitas material komposit dengan hibridisasi serat gelas dan serat karbon. Seperti telah dilakukan oleh Belingardi et.al [6] mempelajari karakteristik hibridisasi biaxial serat karbon dan biaxial serat basalt terhadap perlakuan fatique. Zhang et.al [7] dan Onal et.al [8] telah dipelajari pengaruh susunan (stacking sequence) antara serat karbon dan serat gelas terhadap kekuatan dan kekakuannya pada pembebanan bending. Penelitian yang sama juga dilakukan oleh [4] yaitu menghibridisasi serat glass S-2 dan serat jkarbon TR30S/epoxy terhadap sifat flexural. Berdasarkan dari hasil penelitian yang telah dilakukan terlihat bahwa sifat mekanis dari hibrid komposit cukup signifikan walaupun masih lebih
rendah dari komposit dengan serat karbon, namun unggul dalam peregangan karena material menjadi lebih ulet (ductile) [9]. Dibalik keunggulan tersebut, serat gelas dapat mengakibatkan terjadinya kanker pada manusia karena serat gelas bersifat racun dan tidak ramah lingkungan. Dengan semakin gencarnya upaya untuk mengembangkan material yang ramah lingkungan, sejak dua dekade terakhir telah diperkenalkan material baru yaitu serat basalt [10, 11]. Dimana serat basalt ditinjau dari sifat mekanis dan kimianya adalah sangat signifikan digunakan sebagai pengganti serat glass hibridisasi dengan serat karbon [11, 12]. Serat basalt adalah serat yang dihasilkan dari proses pecairan batu gunung berapi (larva) pada temperatur diatas 1300oC [13], sehingga serat basalt memiliki sifat yang tahan panas [14, 15], disamping itu murah [16]. Beberapa penelitian telah dilakukan berkaitan dengan serat basalt sebagai penguat pada material komposit seperti; Lapresto et.al [17] telah mempelajari karakteristik komposit dengan penguat serat basalt. sedangkan untuk sifat mekanis serat basalt ditinjau dari ketahanan adhesi untuk matrik prloyproppylene dipelajari oleh Antonio Greco et.al [10]. Selanjutnya, beberapa penelitian tentang karakteristik serat basalt terkait dengan penyerapan energi dari material porous dan microstruktur dari chopped serat basalt sebagai penguat beton masing masing diteliti oleh Luo Xin et.al [18] dan Chaohua Jiang et.al [19]. Penelitian ini, dilakukan dengan menggabungkan serat karbon dan serat basal secara laminasi pada matrik tunggal yaitu epoxy. Material dibuat dengan menggunakan metode injeksi yang dikenal dengan sebutan metode vaccum resin transfer molding. Tujuan dari penelitian adalah untuk menganalisa effek laminasi serat karbon dan serat basalt terhadap perlakuan bending dengan variasi jumlah fraksi berat serat basalt, yang masing - masing diuji sebanyak 5 (lima) spesimen untuk setiap variasi. Analisa scanning electro microscope (SEM) adalah menguji karakteristik patahan akiabt beben bending. II. METODE DAN PROSES FABRIKASI Material Hibridisasi serat karbon dan serat basalt telah dilakukan dalam penelitian ini. Kedua serat (serat karbon dan basalt) adalah berbentuk anyaman kain (plin woven fabrics) yang masing-masing
diproduksi oleh perusahaan Hyundai Fiber Co. Ltd. (Korea), dan Seco-Tech. (Korea). Kemudian epoxy diproduksi oleh Jet Korea Industrial Corporation. Serat basalt sebagai material pendatang baru adalah terbentuk dari pengendapan lahar gunung berapi yang tersusun dari unsur-unsur seperti ditunjukkan pada tabel 1. Dari Tabel 1 terlihat bahwa Silikon oksida (SiO2) merupakan unsur tertinggi jumlahnya pada basalt yaitu sekitar 52.8% dibanding usur-unsur pembentuk lainnya. Sifat mekanis untuk masing masing serat adalah ditunjukkan seperti Tabel.2. Table 1 Unsur kimia material Basalt Chemical composition of Basalt rocks SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 MnO Cr2O3
% 52.8 17.5 10.3 4.63 8.59 3.34 1.46 1.38 0.28 0.16 0.06
Table 2 Sifat mekanis serat karbon dan serat basalt Karakteristik Tegangan putus (Mpa Modulus elastisitas (GPa) Breaking Extension (%) Diameter serat (µm) Temperatur withstand (oC)
Serat Basalt 3000-4840 79.3-93.1 3.1 6-21 -260-+700
Serat Karbon 3500-6000 230-600 1.5-2.0 5-15 -50..+700
Table 3 Konfigurasi laminasi hibrid komposit epoxy serat karbon/basalt Variasi laminasi CFRP BFRP C3B4C3 C6B4 C3B2C3B2 C2B2C2B2C2 B4C6 B2C3B2C3 B2C6B2
Fiber Serat Serat karbon basalt 10 0 0 10 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4
Fraksi berat (%wt) 62 62 62 62 62 62 62 62 62
Ketebalan (Σ..mm) 2.1 1.95 2 2 2 2 2 2 2
Proses Fabrikasi Pencetakan material komposit dengan metode injeksi telah banyak dilakukan karena hasil cetakan
yang presisi, ketebalan merata, dan mudah dalam proses pengerjaan [20]. Proses pencetakan dengan metode VRTM adalah melalui 5 tahapan yaitu; tahap laminasi serat, tahap penyusunan laminasi pada plat cetakan yang ditutup dengan plastik bag, tahap persiapan matrik pengikat dan preparasi cetakan, tahap injeksi pengikat kedalam cetakan dan tahap curing. Untuk masing masing tahapan ditunjukkan seperti pada Gambar 1. Selanjutnya, variasi laminasi material hibrid komposit ditunjukkan seperti pada Tabel 3.
metode three point bending dihitung untuk kecepatan penekanan bending ditentukan dengan persamaan: ZL2 (1) R 6d dimana; R adalah Rate of crosshead motion, mm (in.)/min, L adalah panjang titik tumpu, mm (in), d menyatakan ketebalan spesimen uji (mm) dan Z adalah kecepatan dari peregangan serat terluar (mm/mm/min) dengan z = 0.01
Gambar 3 Geometri spesimen dan Three point bending test Tegangan dan modulus elastisitas bending masingmasing ditentukan menurut standar ASTM D 790 adalah sebagai berikut: Gambar 1 Tahapan VRTM pada pembuatan hibrid komposit epoxy laminasi karbon/basalt
f E
3PL 2bd 2
L3 m 4bd 3
(2) (3)
dimana; σf adalah tegangan bending (MPa), L adalah jarak tunpuan (mm), b mengidentifikasi lebar specimen uji (mm) dan d adalah ketebalan sepecimen uji (mm) serta P adalah beban yang dikerjakan pada specimen uji (N). E mengidentifikasi bending modulus elasticity (GPa) dan m menunjukkan slope dari tangen defleksi beban pada curva (N/mm)
Gometri specimen uji bending untuk setiap variasi laminasi menurut standar ASTM D790 ditunjukkan seperti Gambar 3.
Hibridisasi dilakukan adalah untuk memperbaiki kekurangan material baik dari sisi sifat mekanis maupun fisik. Hibridisasi pada penelitian ini dilakukan adalah untuk memperbaiki atau meningkatkan sifat perpanjangan (strain) dari komposit dengan penguat karbon. Karakteristik hibridisasi untuk kandungan karbon yang tinggi ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Pembebanan bending untuk masing –masing variasi material hibrid komposit yang diuji dengan
cH cf Vcf cf EBfh VBf
Gambar 2 Skematik Laminasi komposit epoxy dengan serat karbon/basalt
(4)
Kemudian tegangan hibridisasi ditentukan dengan persamaan :
cH Bf VBf
(5)
dimana: cH adalah tegangan tarik hibrid komposit, c* adalah tegangan tarik serat karbon (MPa), c* adalah regangan dari serat carbon (%) dan Vcf fraksi volume serat karbon (gr) serta VBf menunjukkan fraksi volume untuk serat basalt (gr). f
f
Pengujian bending telah dilakukan untuk setiap variasi specimen uji dengan nilai rata rata masingmasing ditunjukkan seperti pada tabel 4. Table 4 Rata-rata hasil pengujian bending Variasi laminasi
Tegangan bending [MPa]
Modulus Elastisitas bending E [GPa]
CF C4B1C5 C4B2C4 C3B3C4 C3B4C3 C3B5C2 BF
860.93 816.28 791.70 759.66 740.20 725.57 428.06
54.17 50.11 49.79 48.05 45.44 44.68 25.37
Table 5 Rata - rata uji bending untuk variasi laminasi berdasarkan metode susunan.
III.
Variasi susunan laminasi
Tegangan bending σ(MPa)
Modulus of Elastisitas E (GPa)
CFRP C3B4C3 C6B4 C3B2C3B2 C2B2C2B2C2 B4C6 B2C3B2C3 B2C6B2 B10
860.929 740.197 738.265 736.155 716.033 712.120 679.267 655.720 428.058
54.172 45.438 41.104 40.331 46.408 39.026 34.512 35.006 25.374
yaitu tegangan sekitar 700 (MPa). Dalam analisa ini, ditunjukkan semakin besar jumlah basalt terlaminasi pada serat karbon tegangan menurun namun masih jauh lebih tinggi dari komposit dengan serat basalt/epoxy. Demikian pula untuk modulus elastisitas yang dihasilkan dengan rasio laminasi serat 50:50 (%wt) adalah sebesar 44.68 (GPa). Nilai ini menunjukkan bila basalt dihibrid dengan Karbon modulus elastisitasnya meningkat sebesar 43.2%. Menurut hasil penelitian yang telah dilakukan oleh [11, 21] menunjukkan bahwa serat basalt memiliki kopetensi yang baik dihibridisasi dengan serat karbon, dimana regangan dari komposit karbon/epoksi meningkat. Hal yang sama juga disampaikan oleh [10]. Karakteristik mekanis bending untuk hibrid komposit dengan variasi susunan laminasi antara serat basalt dan serat karbon (lihat Tabel 6) menunjukkan pengaruh yang signifikan terhadap tegangan dan modulus elastisitas. Tand panah yang tertera pada tabel menunjukkan arah pembebanan pada hibrid komposit. Pada pengujian ini, diperoleh bahwa dengan serat karbon terletak pada bagian tekan (compress) memiliki nilai tegangan bending yang tinggi yaitu diatas 700Mpa namun masih lebih rendah dibanding dengan CFRP. Perilaku ini disebabkan karena serat karbon memiliki sifat tegangan bending yang tinggi, akan tetapi lebih panjang nilai regangan yang terjadi untuk serat basalt pada posisi tarik (tension area). Pendapat yang sama juga disampaikan oleh Dong et.al [4, 5, 22]. Pengaruh susunan laminasi antara serat karbon dan serat basalt (C/B/C/B/C) menunjukkan hasil modulus elastisitas yang relatif tinggi yaitu sebesar 46.4 (GPa), namun tegangan yang dihasilkan lebih rendah dari komposisi C/B/C/B.
ANALISA DAN DISKUSI
Sifat Mekanis Akibat Beban Bending Tabel 5 dan 6 masing – masing menunjukkan nilai rata-rata pengujian bending bending untuk setiap variasi hibrid komposit menurut jumlah serat basalt diinset kedalam komposit karbon/polymer (CFRP), dan menurut posisi laminasi antara serat basalt dan serat karbon untuk perbandingan fraksi berat 60:40 %wt. Berdasarkan hasil pengujian dilakukan hibridisasi memiliki tegangan diantara tegangan komposit karbon/epoxy dan komposit basalt/epoxy
Gambar 4 Karakteristik patahan pada bending test benda uji C/B/C dan B/C/B
Sifat Patahan Bending Patahan akibat pembebanan bending telah diamati seperti ditampilkan pada Gambar 4. Pada pembebanan bending specimen uji dapat mengalami dua perilaku patahan yaitu patahan karena tekan (compression) dan patahan karena tarik (tension). Sebagaimana dihasilkan untuk patahan spesimen uji dengan posisi serat karbon berada pada lapisan terluar memiliki tegangan dan modulus yang tinggi (lihat Tabel 5 dan 6), masingmasing. Akan tetapi, karakteristik patahan yang terjadi adalah sangat getas (brittle) seperti ditunjukkan oleh tanda panah pada gambar 4. Sebaliknya, serat basalt menunjukkan patahan yang lebih ulet (ductile) dimana terlihat adanya deformasi plastis baik pada daerah tekan maupun daerah tarik. Sifat ini ditunjukkan pula dengan besarnya tegangan dan modulus elastisitas bending yang rendah.
karakteristik patahan yang lebih getas dibanding dengan serat basalt tersusun pada bagian luar. Disamping itu, delaminasi pada arah weft menjadi karakteristik patahan dari komposit dengan penguat sarat karbon. Pengaruh hibridisasi terhadap beban lentur Hibridisasi merupakan satu pendekatan untuk memperbaiki sifat mekanis atau fisis dari material dengan berbasis komposit, yang mana salah satu kerugian material ditingkatkan dengan keunggulan material lainnya dalam satu ikatan tertentu [12]. Hasil penelitian hibridisasi laminasi antara serat karbon dan serat basalt adalah sangat signifikan dampaknya terhadap sifat mekanis material dan juga menurunkan nilai ekonomis serat karbon sehingga dapat diaplikasikan pada produk-produk menengah [23]. Secara teknis effek hibridisasi ditunjukkan seperti pada Gambar 6.
Gambar 6 Pengaruh jumlah laminasi serat basalt hibridisasi pada serat karbon
Gambar 5 Karakteristik patahan bending spesimen uji C/B/C dan B/C/B pada SEM analisis Gambar 5 menunjukkan karaktersitik patahan setelah pembebanan bending untuk specimen uji C/B/C dan B/C/B yang dianalisa menggunakan SEM pada megnifikasi rendah. Patahan yang terjadi teramati (ditunjukkan dengan tanda panah), baik patahan C/B/C dan B/C/B terjadi putus tarikan (pull out) ke arah warp maupun weft. Patahan C/B/C lebih rata dibandingkan dengan B/C/B yang patahannya sembarang (rupture). Kondisi ini menunjukkan bahwa komposit dengan serat karbon pada bagian sisi memiliki
VI. KESIMPULAN Pada penelitian ini, sifat mekanis akibat pembebanan bending untuk hibrid komposit epoxy dengan variasi susunan laminasi dan jumlah basalt telah dipelajari. Dengan sukses dihasilkan material hibrid melalui proses pencetakan menggunakan metode vakum resin injeksion (VRTM). Pengujian bending dilakukan untuk setiap variasi hibrid komposit Dihasilkan sebakin tinggi fraksi berat serat basalt tegangan menurun sengan perbedaan modulus elastisitas 43.2% terhadap komposit dengan serat karbon/epoxy. Karakteristk patahan bending terjadi untuk serat carbon pada bagian terluar bersifat getas (britel) dan sebaliknya untuk serat basalt pada bagia
terluar. Serat basalt merupakan serat yang potensial untuk menggantikan serat glass karena memiliki sifat yang ramah lingkungan, murah dan memiliki sifat mekanis yang lebih baik dari serat glas. UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasi penulis ucapkan kepada pihak Kementrian riset dan teknologi melalui hibah ristek Isinas 2015, sehingga dihasilkan karya tulis. DAFTAR PUSTAKA [1] Chensong Dong, Sudarisman, and a.I.J. Davies, (2012), "Flexural properties of e glass and tr50s carbon fiber reinforced epoxy hybrid composites," Journal of Materials Engineering and Performance, No. [2] Y. Nishi, K. Inoue, and M. Salvia, (2006), "Improvement of charpy impact of carbon fiber reinforced polymer by low energy sheet electron beam irradiation," Materials Transactions, vol. 47, No 11, pp. 2846-2851. [3] M. Thomas, N. Boyard, L. Perez, Y. Jarny, and D. Delaunay, (2008), "Representative volume element of anisotropic unidirectional carbon–epoxy composite with high-fibre volume fraction," Composites Science and Technology, vol. 68, No 15-16, pp. 31843192. [4] C.S. Dong, J. Duong, and I.J. Davies, (2012, May), "Flexural properties of s-2 glass and tr30s carbon fiber-reinforced epoxy hybrid composites," Polymer Composites, vol. 33, No 5, pp. 773-781. [5] Kedar S. Pandya, Ch. Veerraju, and N.K. Naik, (2011, 1 March 2011), "Hybrid composites made of carbon and glass woven fabrics under quasi-static loading," Materials and Design, vol. 32 No, pp. 4094–4099. [6] G. Belingardi, M.P. Cavatorta, and C. Frasca, (2006), "Bending fatigue behavior of glass– carbon/epoxy hybrid composites," Composites Science and Technology, vol. 66, No 2, pp. 222-232. [7] J. Zhang, K. Chaisombat, S. He, and C.H. Wang, (2012), "Hybrid composite laminates reinforced with glass/carbon woven fabrics for lightweight load bearing structures," Materials & Design, vol. 36, No -, pp. 75-80. [8] LEVENT ONAL and S. ADANUR, (2002), "Effect of stacking sequence on the mechanical properties of glass–carbon hybrid
composites before and after impact," JOURNAL OF INDUSTRIAL TEXTILES, vol. 31, No. 4, No, pp. 255-271. [9] V.M. Drakonakis, C.N. Velisaris, J.C. Seferis, C.C. Doumanidis, B.L. Wardle, and G.C. Papanicolaou, (2010), "Matrix hybridization in the interlayer for carbon fiber reinforced composites," Polymer Composites, vol. 31, No 11, pp. 1965-1976. [10] A. Greco, A. Maffezzoli, G. Casciaro, and F. Caretto, (2014), "Mechanical properties of basalt fibers and their adhesion to polypropylene matrices," Composites Part B: Engineering, vol. 67, No -, pp. 233-238. [11] V. Fiore, T. Scalici, G. Di Bella, and A. Valenza, (2015), "A review on basalt fibre and its composites," Composites Part B: Engineering, vol. 74, No -, pp. 74-94. [12] V. Dhand, G. Mittal, K.Y. Rhee, S.-J. Park, and D. Hui, (2015), "A short review on basalt fiber reinforced polymer composites," Composites Part B: Engineering, vol. 73, No, pp. 166-180. [13] J. Sim, C. Park, and D.Y. Moon, (2005), "Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures," Composites Part B: Engineering, vol. 36, No 6-7, pp. 504-512. [14] S.E. Vannan, S.P. Vizhian, and R. Karthigeyan, (2014), "Investigation on the influence of basalt fiber on thermal properties of al7075/ basalt fiber metal matrix composites," Procedia Engineering, vol. 97, No, pp. 432-438. [15] Reza Eslami-Farsani, S. Mohammad Reza Khalili, Ziba Hedayatnasab, and N. Soleimani, (2014), "Influence of thermal conditions on the tensile properties of basalt fiber reinforced polypropylene – clay nano composites," Materials & Design, vol. 53, No -, pp. 540549. [16] C. Colombo, L. Vergani, and M. Burman, (2012), "Static and fatigue characterisation of new basalt fibre reinforced composites," Composite Structures, vol. 94, No 3, pp. 1165-1174. [17] V. Lopresto, C. Leone, and I. De Iorio, (2011), "Mechanical characterisation of basalt fibre reinforced plastic," Composites Part B: Engineering, vol. 42, No 4, pp. 717-723. [18] Luo Xin, Xu Jin-yu, Bai Er-lei, and L. Weimin, (2014), "Study on the effect of basalt fiber on the energy absorption characteristics of porous material," Construction and
Building Materials, vol. 68, No -, pp. 384390. [19] C. Jiang, K. Fan, F. Wu, and D. Chen, (2014), "Experimental study on the mechanical properties and microstructure of chopped basalt fibre reinforced concrete," Materials & Design, vol. 58, No, pp. 187-193. [20] D. Bender, J. Schuster, and D. Heider, (2006, Oct), "Flow rate control during vacuumassisted resin transfer molding (vartm) processing," Composites Science and Technology, vol. 66, No 13, pp. 2265-2271. [21] L. Wei-dong, C. Hai-lin, Chen Guo-rong, and S. Peng-fei, (2010), "Mechanical properties of phenolic-resin composites reinforced with cf/bf interlayer hybrid fibers," Journal of Beijing Institute of Technology, vol. 19, No 4, pp. 471-475. [22] C.S. Dong and I.J. Davies, (2012, May), "Optimal design for the flexural behaviour of glass and carbon fibre reinforced polymer hybrid composites," Materials & Design, vol. 37, No, pp. 450-457. [23] L. Ferrante, J. Tirillò, F. Sarasini, F. Touchard, R. Ecault, M.A. Vidal Urriza, L. Chocinski-Arnault, and D. Mellier, (2015), "Behaviour of woven hybrid basaltcarbon/epoxy composites subjected to laser shock wave testing: Preliminary results," Composites Part B: Engineering, vol. 78, No, pp. 162-173.
