Maulida / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 148 – 150
154
Jurnal Teknologi Proses Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia
5(2) Juli 2006: 151 – 155 ISSN 1412-7814
Pengaruh Parameter Pencampuran terhadap Keseragaman Bahan Pengikat Iriany Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan 20155
Abstrak Bahan pengikat memegang peranan yang sangat penting dalam proses pencetakan injeksi serbuk. Ia berfungsi sebagai kendaraan sementara untuk membantu serbuk mengalir ke cetakan sewaktu diinjeksi. Oleh karena itu, bahan pengikat yang ideal harus memenuhi beberapa kriteria, salah satunya adalah keseragaman. Tulisan ini melaporkan keseragaman bahan pengikat yang dihasilkan dengan menvariasikan parameter pencampuran yaitu waktu, temperatur, dan kecepatan pencampur. Pencampur yang digunakan adalah jenis twin cam. Bahan pengikat yang digunakan terdiri dari stearin sawit, polietilena, dan polipropilena. Pengujian keseragaman dilakukan dengan mengukur viskositas bahan pengikat yang dihasilkan. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa kondisi pencampuran yang terbaik adalah 30 menit dengan temperatur 170-175oC dan kecepatan 30 rpm. Keywords: pencetakan injeksi serbuk, viskositas.
Pendahuluan Proses pembuatan komponen-komponen logam atau keramik yang dikenal dengan istilah pencetakan injeksi serbuk (PIM) pada dasarnya terdiri dari 4 tahapan utama, yaitu proses pencampuran serbuk logam atau keramik dengan bahan pengikat yang sesuai untuk menghasilkan bahan umpan, pencetakan injeksi untuk membangun bentuk yang diinginkan, penyisihan bahan pengikat (debinding) dan yang terakhir adalah pensinteran untuk menyatukan partikelpartikel serbuk (German and Bose 1997). Dalam proses PIM, bahan pengikat bukan merupakan bagian dari produk. Ia hanya berfungsi sebagai kendaraan sementara untuk menyeragamkan serbuk, membantu serbuk mengalir ke cetakan sewaktu injeksi, dan menahan partikel-partikel tersebut pada bentuknya hingga awal proses pensinteran.
Setelah itu, bahan pengikat akan dikeluarkan dari komponen cetak. Oleh karena itu bahan pengikat memegang peranan yang sangat penting dalam menyukseskan proses PIM. Bahan pengikat yang ideal harus memenuhi beberapa kriteria, di antaranya tidak bereaksi dengan serbuk, dapat membasahi partikel-partikel serbuk, mempunyai sifat pseudoplastik dan dapat dikeluarkan dengan mudah dari komponen cetak. Merujuk kepada kriteria yang harus dipenuhi maka pada umumnya bahan pengikat harus tersusun atas beberapa jenis bahan yaitu satu polimer tulang belakang untuk menahan bentuk dan menyediakan kekuatan bagi komponen cetak, satu pengisi yang mudah disisihkan pada awal debinding dan satu bahan tambahan untuk memodifikasi sifat-sifat pembasahan, pelumasan cetakan, viskositas campuran, dan debinding (German 1990).
Iriany / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 151 – 155
155
Oleh karena bahan pengikat terdiri dari beberapa jenis bahan, maka penyediaan bahan pengikat yang seragam merupakan suatu langkah yang penting. Biasanya bahan pengikat dihasilkan dengan mencampur berbagai bahan penyusunnya dalam suatu pencampur. Sementara proses pencampuran bergantung kepada berbagai parameter seperti waktu, temperatur, urutan pemasukan bahan, komposisi bahan dan laju geser (Supati dkk. 2000). Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan kondisi pencampur yang terbaik untuk menghasilkan bahan pengikat yang seragam. Parameter pencampur yang dikaji adalah waktu, temperatur, dan kecepatan pencampur. Bahan pengikat yang digunakan terdiri dari polipropilena yang berfungsi sebagai tulang belakang, polietilena sebagai pengisi, dan stearin sawit sebagai bahan tambahan. Kedua polimer ini merupakan bahan yang biasa digunakan sebagai komponen bahan pengikat. Stearin sawit adalah salah satu minyak nabati yang berpotensi sebagai bahan tambahan karena mempunyai sifat seperti viskositas rendah, tidak bereaksi dengan serbuk, licin, dan mengandung asam-asam lemak yang dapat berfungsi sebagai surfaktan.
Metodologi Penelitian Gambar 1 menunjukkan bahan baku yang digunakan sebagai penyusun bahan pengikat.
(a)
(b)
(c)
GAMBAR 1: (a) polipropilena, (b) polietilena dan (c) stearin sawit. TABEL 1: Sifat-sifat Bahan yang Digunakan Titik lebur Bahan Densitas (oC) (kg/m3) Polipropilena 172,1 900 Polietilena 135,0 950 Stearin sawit 52,0 891a Ket.: a pada suhu 50oC.
Tabel 1 menunjukkan sifat-sifat bahan baku yang digunakan sedangkan komposisi bahan baku ditunjukkan dalam Tabel 2. TABEL 2: Komposisi Bahan yang Digunakan Bahan % berat Polipropilena (PP) 40 Polietilena (PE) 10 Stearin sawit (SW) 50
Jumlah berat bahan yang digunakan 60 gram. Pencampuran dimulai dengan memasukkan PP, PE dan sedikit SW ke dalam bilik pencampur Brabender (PL 2000). Setelah polimer melebur, SW yang masih ada dimasukkan sedikit demi sedikit ke dalam pencampur. Pengumpanan memerlukan waktu sekitar 15 menit; dimulai dengan pengisian polimer hingga umpan terakhir. Pencampuran dilakukan pada waktu, temperatur dan kecepatan yang divariasikan seperti ditunjukkan dalam Tabel 3. Temperatur pencampuran ditentukan berdasarkan temperatur lebur bahan yang tertinggi PP yaitu sekitar 170oC. Rentang temperatur yang sempit ini (165 hingga 175oC) bertujuan untuk mencegah penguapan SW. Kecepatan pencampuran yang dipilih adalah kecepatan yang memberikan jenis pencampuran laminar. TABEL 3: Variasi Parameter Pencampuran Bahan Parameter proses pencampuran pengikat Temperatur Kecepatan Waktu (rpm) (menit) (oC) BP01 165 25 25 BP02 170 25 25 BP03 175 25 25 BP04 170 20 25 BP05 170 30 25 BP06 170 35 25 BP07 170 25 15 BP08 170 25 20 BP09 170 25 30 BP10 170 25 35 BP11 170 25 40 BP12 170 20 20 BP13 170 20 30 BP14 170 20 35 BP15 170 30 15 BP16 170 30 20 BP17 170 30 30 BP18 170 30 35
Iriany / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 151 – 155
Tujuh sampel uji diambil pada bagian yang berbeda dari setiap campuran yang dihasilkan. Kemudian sampel ini dihancurkan dan diuji viskositasnya dengan menggunakan reometer kapiler Shimadzu (CFT-500D) pada temperatur 165oC, tegangan geser 24,52 kPa, panjang kapiler 10 mm dan diameter kapiler 1 mm.
Hasil dan Pembahasan Pengaruh temperatur Gambar 2 menunjukkan nilai viskositas rata-rata pada berbagai temperatur pencampuran. Viskositas ini merupakan nilai rata-rata 7 sampel uji dari setiap bahan pengikat. Gambar ini menunjukkan bahwa pada umumnya viskositas menurun dengan meningkatnya suhu pencampuran, kecuali BP01 yang dicampur pada 165oC. Viskositas BP01 yang tertera merupakan nilai rata-rata dari 3 sampel uji saja karena sampel lain tidak menunjukkan adanya aliran di dalam kapiler reometer sehingga tidak ada data pengukuran. Pada salah satu sampel uji ditemukan biji polipropilena yang belum melebur. Hal ini menyebabkan bahan pengikat yang dihasilkan tidak seragam. Fenomena ini juga ditandai dengan deviasi standar yang tinggi dari data pengukuran seperti yang diperlihatkan pada Tabel 4.
156
yang tinggi dapat meningkatkan aktivitas molekul-molekul sehingga PE dan SW lebih mudah meresap masuk ke dalam matriks PP. Dengan demikian bahan pengikat yang dihasilkan lebih seragam dan mempunyai viskositas yang lebih rendah. TABEL 4: Viskositas Rata-rata Bahan Pengikat pada Berbagai Temperatur Pencampuran Deviasi Bahan Temperatur Viskositas standar pengikat (oC) (Pa.s) BP01 165 18,94 4,46 BP02 170 21,95 1,52 BP03 175 18,20 1,25
Pengaruh kecepatan Viskositas rata-rata bahan pengikat yang dihasilkan menurun dengan meningkatnya kecepatan pencampur seperti ditunjukkan dalam Tabel 5. Deviasi standar viskositas bahan pengikat menurun dan kemudian meningkat jika kecepatan pencampur bertambah. Pada kecepatan pencampur yang tinggi, laju geser yang besar akan menyebabkan pemisahan komponenkomponen bahan pengikat akibat ikatan yang lemah antara komponen-komponen tersebut sehingga bahan pengikat yang dihasilkan kurang seragam. Hal ini ditandai oleh deviasi standar yang lebih tinggi. Dari kajian ini didapat kecepatan pencampuran yang terbaik adalah 30 rpm.
viskositas (Pa.s)
40
TABEL 5: Viskositas Rata-rata Bahan Pengikat pada Berbagai Kecepatan Pencampuran Bahan Kecepatan Viskositas. Deviasi pengikat (rpm) (Pa.s) standar BP04 20 23,71 1,76 BP02 25 21,95 1,52 BP05 30 19,13 0,79 BP06 35 18,82 2,44
30 20
21.95
18.94
18.20
10 0 163
168
173
178
o
temperatur ( C) GAMBAR 2: Viskositas rata-rata bahan pengikat pada kecepatan pencampuran 25 rpm, waktu 25 menit dan temperatur yang divariasikan.
Viskositas bahan pengikat yang menurun dengan meningkatnya temperatur pencampuran dapat dijelaskan sbb.: suhu
Pengaruh waktu Lamanya proses pencampuran juga mempengaruhi keseragaman bahan pengikat yang dihasilkan seperti ditunjukkan dalam Gambar 3, 4 dan 5. Viskositas bahan pengikat menurun dengan waktu pencampuran hingga mencapai suatu nilai yang tertentu dan kemudian meningkat. Bahan-bahan yang digunakan mempunyai
Iriany / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 151 – 155
sifat-sifat yang sangat berbeda. Di antara sifat-sifat tersebut adalah viskositas dan titik lebur. Stearin sawit selain mempunyai viskositas yang lebih rendah, ia juga mudah menguap jika dibandingkan dengan bahan lain, PP dan PE yang digunakan. Hal ini menyebabkan viskositas bahan pengikat meningkat setelah dicampur selama 35 menit baik pada kecepatan pencampuran 20, 25 maupun 30 rpm. Fenomena ini terutama berlaku pada bahan yang langsung menyentuh bilik dan bilah pencampur yang menjadi sumber panas sehingga viskositas sampel uji yang diambil pada bagian ini meningkat. Keadaan ini juga menyebabkan keseragaman bahan berkurang seperti yang terlihat pada Gambar 4 dan 5 yang mana error bar semakin panjang pada waktu pencampuran lebih dari 30 menit. Viskositas rata-rata dan deviasi standar viskositas masing-masing bahan pengikat pada variasi ini dapat dilihat pada Tabel 6.
viskositas (Pa.s)
50 40 30 20 10 0 10
20
30
40
waktu (menit)
GAMBAR 3: Viskositas rata-rata bahan pengikat pada 170oC dan kecepatan 20 rpm.
40 30 20 10 0 10
20
30
40
waktu (menit)
GAMBAR 5: Viskositas rata-rata bahan pengikat pada 170oC dan kecepatan 30 rpm.
TABEL 6: Viskositas Rat-rata Bahan Pengikat pada Berbagai Kecepatan dan Waktu Pencampuran. Bahan N t η σ pengikat (rpm) (menit) (Pa.s) BP04 25 23,71 1,76 BP13 20 30 19,94 2,36 BP14 35 28,13 1,73 BP07 15 29,15 2,36 BP08 20 22,44 3,60 BP02 25 21,95 1,52 14,87 1,78 BP09 25 30 BP10 35 16,88 2,14 18,07 3,32 BP11 40 BP15 15 29,07 3,27 BP16 20 25,86 2,42 BP05 30 25 19,13 0,79 BP17 30 17,09 0,67 BP18 35 31,61 2,53 Ket.: N = kecepatan, t = waktu, η = viskositas, σ = deviasi standar
Dari data pengukuran yang diperoleh, maka kecepatan dan waktu pencampuran yang terbaik adalah 30 rpm dan 30 menit. Viskositas rata-rata bahan pengikat yang dihasilkan adalah 17,09 Pa.s dengan deviasi standar sebesar 0,67.
50
viskositas (Pa.s)
50
viskositas (Pa.s)
157
40 30 20 10
Kesimpulan
0 10
20
30
40
waktu (menit)
GAMBAR 4: Viskositas rata-rata bahan pengikat pada 170oC dan kecepatan 25 rpm.
Kondisi pencampuran yang terbaik untuk menghasilkan bahan pengikat yang seragam adalah pada temperatur 170 – 175oC, dengan kecepatan pencampur 30 rpm dan waktu pencampuran sekitar 30 menit.
Iriany / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 151 – 155
158
Penghargaan
Daftar Pustaka
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementerian Sains, Teknologi dan Alam Sekitar Malaysia atas dukungan dana untuk penelitian ini melalui dana proyek IRPA 0302-02-0034. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Herbert Devan yang telah membantu melaksanakan penelitian ini.
German, R.M. 1990. Powder injection molding. New Jersey: Metal Powder Industries Federation. German, R.M. & Bose, A. 1997. Injection molding for metal and ceramic. New Jersey: Metal Powder Industries Federation. Supati, R., Loh, N.H., Khor, K.A. & Tor, S.B. 2000. Mixing and characterization of feedstock for powder injection molding. Materials Letters 46: 109-114.
