POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
September 2014
SIFAT MEKANIK KOMPOSIT SERAT KELAPA DENGAN PEREKAT RESIN POLYESTER Oleh : 1)
Teguh Wiyono, 2)Sunaryo, 3)Supardi
1,2) 3)
Teknik Mesin Politeknik Pratama Mulia Surakarta Teknik Mesin Akademi Teknologi Warga Surakarta 1,2)
[email protected] ABSTRACT
Research coconut fiber composite material with a polyester resin adhesive is to determine the mechanical properties. The mechanical properties of the test is the tensile strength, bending strength. Composite materials using corn husks amplifier waste polyester resin as the matrix, fiber weight fraction is, 10%, 15%, 20%, 25% arranged randomly. The specimens were made using a compression molding machine. Testing of mechanical properties of the composite tensile strength using standard ASTM D 638, bending strength ASTM D 790 standard. The results of testing the mechanical properties of composites in getting the data that the tensile strength of the composite fiber weight fraction of 20% has the highest strength of 27 MPa, modulus of elasticity of 1810 MPa. Lowest power on the weight fraction of 10% at 13 MPa modulus of elasticity is 783 MPa. Testing bending strength is proportional to the power of dance to the weight fraction of 20% at 2.3 MPa, modulus bendingnya 38 MPa. Composites with weight fraction of 20% was the bond between resin composition with good fiber evident from the results of tensile and bending strength testing produced the highest compared with other heavy fractions, it affects the fiber and resin when appropriate composition will form a bond that is capable of withstand tensile force and bending it receives to transfer the forces in the direction of the matrix
Keywords: corn husks waste, polyester resins, polymer composites PENDAHULUAN Akhir-akhir ini material komposit menjadi material yang penting karena memiliki sifat-sifat yang khusus. Dalam pengertiannya material komposit memiliki dua atau lebih material yang di gabung secara makroskopis. Pada bahan komposit, material pembentuknya masih terlihat seperti aslinya, dimana hal seperti itu tidak ditemukan dalam paduan logam. Pada umumnya material komposit terdiri dari dua ikatan yang dikenal dengan serat (fiber) dan bahan pengikat serat di sebut dengan matrik. Serat dan matrik sangat Sifat Mekanik Komposit
berpengaruh terhadap sifat-sifat akhir dari produk komposit, seperti kekakuan, kekuatan dan sifat-sifat lainnya. Bahan komposit mempunyai sifat yang berbeda dengan sebagian besar material konvensional (misal baja, alumunium dll) yang telah dikenal selama ini. Bahan komposit tidak homogen dan nonisotropik, berarti sifat-sifatnya tidak sama di semua tempat dan segala arah. Pada material komposit, seratlah yang menahan sebagian besar gaya-gaya yang bekerja. Sedangkan matrik adalah sebagai mengikat serat Di samping itu, serat alam juga dapat diperoleh hasil kegiatan budidaya 35
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
tanaman tertentu, seperti serat abaca, serat ramie, serat rosella dan lain-lain. Pengembangan dan penggunaan material komposit yang berpenguat serat alam, yang dalam terminologi Inggris dikenal dengan Natural Fibres Reinforced Composites ( NFC ) dapat dibuat produk dengan biaya murah karena harga bahan baku yang rendah, karakteristik akustik dan thermal yang baik, penggunaan energi yang rendah serta ramah lingkungan karena sifat ‘biodegradabl ‘ dan ‘sustainable’ sehingga dapat dibuang dengan mudah dan aman serta pemanfaatan yang berkelanjutan ( Biswas, Srikanth dan Nangia, 2001, Saheb dan Jog, 1999 ). Tanaman kelapa merupakan tanaman yang banyak dijumpai di seluruh pelosok Nusantara, sehingga hasil alam berupa kelapa di Indonesia sangat melimpah. Sampai saat ini pemanfaatan limbah berupa sabut kelapa masih terbatas pada industri-industri mebel dan kerajinan rumah tangga dan belum diolah menjadi produk teknologi. Limbah serat buah kelapa sangat potensial digunakan sebagai penguat bahan baru pada komposit. Beberapa keistimewaan pemanfaatan serat sabut kelapa sebagai bahan baru rekayasa antara lain menghasilkan bahan baru komposit alam yang ramah lingkungan dan mendukung gagasan pemanfaatan serat sabut kelapa menjadi produk yang memiliki nilai ekonomi dan teknologi tinggi. Untuk mencapai tujuan tersebut maka perlu dilakukan adanya penelitian tentang pemanfaatan limbah serat sabut kelapa sebagai bahan pembuat helm pengendara kendaraan roda dua. Helm untuk pengendara kendaraan roda dua merupakan salah satu pelengkap dalam keamanan berkendara. Oleh sebab itu setiap pengendara kendaraan roda dua diwajibkan untuk memakai sebuah helm sebagai pelindung kepala. Mengingat fungsi dari helm tersebut maka bahan dari helm harus dapat melindungi kepala Sifat Mekanik Komposit
September 2014
dari benturan apabila terjadi kecelakaan pada bagian kepala sehingga kepala pengendara dapat terselamatkan. Sementara ini bahan untuk pembuat helm pengendara kendaraan roda dua adalah dari bahan sintetis yang hargaya relatif mahal dan tidak ramah lingkungan. Dalam penelitian ini dicoba dipergunakan serat sabut kelapa sebagai penguat pada matrik polyester dalam bentuk komposit yang akan dipergunakan sebagai pengganti bahan sistetis tersebut. Oleh sebab itu perlu adanya suatu penelitian yang simultan untuk mengetahui karakteristik dari serat sabut kelapa sebagai penguat pada sebuah komposit sebelum diaplikasikan di beberapa industri agar penggunaannya dapat dioptimalkan. TIJAUAN PUSTAKA Sebagai kajian pustaka dari penelitian terdahulu dirujuk dari penelitian tentang pengaruh kandungan fraksi volume terhadap kekuatan tarik komposit serat rami polyester. Pembuatan komposit dilakukan dngan teknik cetak tekan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan alat uji tarik servopuloser. Pada spesimen dengan serat fraksi volume 20 % dan 50 % terjadi patah banyak, sedangkan fraksi volume 40% dan 60 % terjadi patah tunggal. Mode patah spesimen tersebut sangat dipengaruhi dari interface material tersebut. Tegangan tinggi terjadi pada spesimen dengan fraksi volume 50 % dngan nilai rata-rata 203,36 MPa dan tegangan yang terendah adalah spesimen dengan fraksi volume 30% dengan nilai rata-rata 159,21 Mpa.(Rajak, 1999 ). Dari hasil pengujian tarik komposit serat kenaf dengan resin unsaturated polyester yucalac 157 BQTN-X, perhitungan secara teoritisnya bila fraksi volume naik ( Vf = 20,31 % ; 29,37 % ; 44,91 % ; 54,3 % ; 54,63 % ) ternyata harga rata-rata tegangan ( = 97,38 MPa ;120,08 MPa ; 162,38 MPa ; 196,90 MPa ; 216,80 MPa ) dan modulus 36
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
elastisitas tariknya ( E = 10,16 Gpa ; 16,05 GPa ; 15,58 GPa ; 27,14 GPa ; 26,79 GPa ) berimpitan dengan hasil perhitungan secara teoritis yaitu fraksi volume (Vf = 20,31 % ; 29,37 % ; 44,91 % ; 54,3 % ; 54,63 %) tegangan ( = 101,95 MPa ; 128,73 MPa ; 167,75 Mpa ; 191,32 Mpa ; 192,149 Mpa ) dan modulus tariknya ( E = 9,99 Gpa ; 13,109 Gpa ; 18, 458 Gpa ; 21,69 Gpa ; 21,803 Gpa ). Berarti jika fraksi volume seratnya naik maka tegangan dan modulus elastisitas tariknya akan naik juga. ( Arif, 2005 ). Pengujian kekuatan tarik, bending dan impak terhadap komposit serat gelas 3 layer dalam bentuk chopped strand mat dengan perluasan 300 gram / m2 dan 450 gram / m2 secara berurutan diperoleh kekuatan tarik sebesar 67,26 Mpa dan 82,83 Mpa, kekuatan bending 208,58 Mpa dan 157,06 Mpa, serta kekuatan impaknya 0.0472 J/mm2 dan 0,0872 J/mm2. Semakin tebal layer komposit yang digunakan semakin tinggi pula sifat tarik dan impaknya. Khusus pada uji bending, komposit yang dengan mat yang lebih tipis akan menghasilkan tebal komposit yang tipis pula, sehingga sifat lenturnya semakin tinggi. Selain alasan tersebut, jumlah fraksi volume serat pada mat yang lebih tipis juga semakin kecil ( Yanuar dan Diharjo, 2003 ). Diharjo dan Nurhidayat (2004) juga pernah melakukan penelitian teknik penguatan lubang komposit serat karung plastik. Hasilnya menunjukkan bahwa lubang komposit yang dibor memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibanding dengan lubangyang dibuat dengan cetakan. Peningkatan kekuatan tersebut berkisar antara 20-40 %. Hal mnarik dalam pnlitian ini adalah adanya daerah miskin serat di sekitar lubang. Daerah ini menjadi penyebab utama kegagalan. George dkk ( 1996 ) melakukan perlakukanan serat daun nanas dengan urutan treatment NaOH 0,5% selama1,5 jam, pencucian dengan air dingin, pencucian dengan HCI 0,1 M dan Sifat Mekanik Komposit
September 2014
dikeringkan dalam oven pada suhu 60 C selama 24 jam. Selama perlakuan alkali, permukaan serat akan menjadi kasar. Topografi permukaan serat yang kasar menghasilkan mechanical interlocking yang lebih kuat dengan matrik. Adanya mechanical interlocking ini juga akan meningkatkan viskositas campuran seratmatrik polyethlene. Selanjutnya, Eichhorn dkk ( 2001 ) juga membuktikan bahwa perlakuan alkali 8% NaOH pada serat jute dapat mengubah topografi permukaan serat dan struktur kristalnya. Ray dkk ( 2001 ) melakukan perlakukan serat jute dengan larutan alkali 5 % selama 0, 2, 4 ,6, dan 8 jam, yang dilanjutkan dengan pencucian dan penetralan alkali dengan asam asetat, serta pengeringan pada temperatur kamar selama 48 jam dan dioven pada suhu 100 C selama 6 jam. Perkembangan kristanilitas serat jute meningkatkan modulus elastisitasnya sebesar 12 %, 68 % dan 79 % setelah perlakukan 4, 6, dan 8 jam. Namun, % regangan patah serat menurun 23% stelah perlakukan 8 jam. Hasil pengujian kekuatan lentur komposit menunjukkan bahwa kekuatan tertinggi terjadi pada perlakukan 4 jam, dimana kurva tenacity dan % regangan patah brtemu pada satu titik. Penambahan serat sepanjang 1,58 mm dengan kadar air 20%, 40%, dan 60%. Pada polypropylene ( PP ) mampu meningkatkan modulus tarik dan kekuatan komposit. Namun, regangan patahnya lebih rendah(Karnani, dkk, 1997). Kekuatan tarik komposit kenaf-PP dengan kandungan serat seperti tersebut di atas adalah 26,9, 27,1 dan 27,4 Mpa, sedangkan modulus tariknya 2,7, 2,8 dan 3 Gpa. Penambahan coupling agent tidak menunjukkan adanya fiber pull out, namun adanya matrik sisa yang menempel pada serat. Roe dan Ansell ( 1985 ) menyatakan bahwa Modulus Young komposit serat jute-polyster meningkat secara linear seiring dengan bertambahnya fraksi volume serat ( Vf ). 37
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
Namun, pada Vf = 0,7 harga tersebut menurun secara drastis. Hal ini disebabkan oleh terjadi delaminasi, sehingga kegagalan terjadi pada tegangan rendah. Secara praktis, komposit ini optimum kekuatannya pada Vf = 0,6 dan regangan yang trjadi 1%. Besarnya modulus spesifik serat jute sendiri hampir 2 kali lipat modulus spesifik serat gelas, yaitu 55 Gpa dan 29 Gpa. Besarnya kekuatan spesifik per satuan harga serat jute adalah sekitar 90 % dari serat gelas. METODE PENELITIAN Proses yang dilakukan pada penelitian ini adalah dengan mengumpulkan data awal sebagai studi literatur. Studi literatur bertujuan untuk mengenal masalah yang dihadapi, serta untuk menyusun rencana kerja yang akan dilakukan. Pada studi awal dilakukan langkah-langkah seperti survey di lapangan terhadap hal-hal yang berhubungan dengan penelitian yang akan dilakukan serta mengambil datadata penelitian yang sudah ada untuk dijadikan sebagai pembanding terhadap hasil pengujian yang akan dianalisa. Selain itu pada proses ini juga dilakukan perancangan alat pres-mold yang digunakan untuk membuat spesimen yang sesuai dengan karakter matrik yang dipakai. Spesimen benda uji dibuat dengan tahapan sebagai berikut : a. Penyiapan sabut serat kelapa yang digunakan Sabut kelapa digiling dengan mesin menjadi sabut kemudian dijemur dengan sinar matahari hingga kering dipotong sesuai panjang cetakan / Ukuran pada ASTM b. Proses pembuatan komposit Persiapkan cetakan yang akan digunakan. Cetakan terbuat dari logan St 37 dengan ukuran 165 × 19 × 3.2 mm dan alat pengepres cetakan yang dugunakan untuk menekan cetakan. Metode pembuatan komposit dilakukan dengan metode hand lay up dan press mold. Serat kelapa Sifat Mekanik Komposit
September 2014
sesudah ditimbang sesuai komposisinya ditata secara acak kemudian disiram resin yang sudah ditambahkan katalis MEKPO secara merata sesuai dengan fraksi berat komposit yang diinginkan. Alat pengepres dipasang di atas spesimen dan dilakukan penekanan, tunggu sampai + 2 jam lalu ambil dari cetakan dan komposit diambil. Pengujian Tarik. Pengujian tarik dilakukan dengan cara menarik spesimen sampai putus dengan menggunakan mesin uji tarik. Bentuk dan dimensi spesimen uji tarik komposit mengacu pada standar ASTM Langkah-langkah pengujian tarik : 1. Ukur panjang uji dan beri garis batas uji pada spesimen sebelum diuji. 2. Siapkan jig untuk membantu supaya spesimen tidak patah sebelum diuji 3. Siapkan mesin uji tarik yang digunakan. 4. Masukkan dan seting pada monitor komputer yang sudah terpasang 5. Pasang spesimen tarik pada jig dan pastikan terjepit dengan betul. 6. Pasang pada mesin uji tarik 7. Jalankan mesin uji tarik. 8. Setelah patah, hentikan proses penarikan secepatnya, catat gaya tarik maksimum dan pertambahan panjangnya. 9. Ambil hasil rekaman mesin pada printer dari proses penarikan Pengujian bending. Material komposit mempunyai sifat tekan yang lebih baik dibanding sifat tariknya. Kekuatan tarik di pengaruhi oleh ikatan molekul material penyusunnya. Pada pengujian bending ini bertujuan untuk mengetahui besarnya kekuatan lentur dari material komposit. 38
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
September 2014
Pengujian dilakukan dengan jalan memberi beban lentur secara perlahanlahan sampai spesimen mencapai titik lelah. Pada perlakuan uji bending bagian atas specimen mengalami proses penekanan dan bagian bawah mengalami proses tarik sehingga akibatnya spesimen mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu menahan tegangan tarik. Spesimen uji bending dibuat sesuai standar ASTM D790 – 02. 46 Langkah-langkah pengujian bending yaitu : a. Mempersiapkan benda uji. b. Menentukan titik tumpuan dan titik tengah benda uji dengan memberi tanda garis. c. Menentukan besarnya beban yang digunakan. d. Meletakkan spesimen pada meja mesin pengujian bending
dengan jarak tumpuan dan titik tengah yang telah ditentukan. e. Jalankan mesin dengan control pada komputer sampai beban menyentuh benda uji sampai patah Cetak hasil bending dengan printer sesuai data pada computer
PEMBAHASAN Data hasil uji tarik Pengujian tarik komposit serat kelapa dengan matriks polyester dilakukan dengan menggunakan mesin uji tarik untuk menguji sebanyak 4 spesimen tarik komposit untuk tiap-tiap fraksi massa sesuai dengan standar ASTM D 638-02.
30
Kekuatan Tarik ( Mpa )
25 20 15 10 5 0
10% 1
15% 2
20% 3
25% 4
Fraksi berat serat Grafik 1. Kekuatan tarik komposit limbah klobot jagung
Sifat Mekanik Komposit
39
Modulus elastisitas ( Mpa )
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
September 2014
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 10%
2 15%
20% 3
25% 4
Fraksi berat serat Grafik 2. Modulus Elastisitaskomposit limbah klobot jagung Berdasarkan data hasil uji tarik dari grafik diatas diketahui bahwa dengan bertambahnya prosentase fraksi berat tidak selalu berpengaruh terhadap kekuatan tariknya. Komposit yang memiliki kekuatan tarik tertinggi pada fraksi berat serat adalah komposisi 20%, ini merupakan perbandingan antara serat dan resin yang dapat mengikat dengan baik, ini terlihat dari uji tarik yang dilakukan mempunyai nilai tertinggi dibandingkan dengan fraksi berat lainnya. Nilai kekuatan tariknya sebesar 27 MPa, diikuti fraksi massa 25 % kekuatan tariknya sebesar 23 MPa dan yang terendah pada fraksi berat serat 10% sebesar 13 MPa. Modulus elastisitas yang dimiliki komposit ini sama dengan kekuatan tariknya, yang mempunyai modulus tertinggi pada fraksi 20% berat serat sebesar 1810 MPa, diikuti fraksi massa 25 % sebesar 1470 MPa, sedangkan modulus elastisitas yang
Sifat Mekanik Komposit
terendah pada fraksi berat 10% sebesar 783 MPa. Berat serat terhadap resin terjadi pada komposisi yang sesuai akan berpengaruh terhadap kekuatan tarik maupun modulus elastisitasnya. Semakin besar kandungan serat komposit tidak selalu berpengaruh terhadap kekuatan tariknya. Modulus elastisitasnya yang dihasilkan juga sama dengan kekuatan tariknya. Hal ini disebabkan pengaruh serat dan resin yang sesuai akan membentuk ikatannya yang mampu menahan gaya tarik yang diterimanya dengan meneruskan gaya ke arah matriks. Data hasil uji bending Pengujian bending komposit serat limbah klobot jagung dengan matriks polyester dilakukan dengan menggunakan mesin uji bending untuk menguji sebanyak 4 spesimen bending komposit untuk tiap-tiap fraksi massa sesuai dengan standar ASTM D 790-02.
40
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
September 2014
Kekuatan bending ( MPa )
2.5
2.3
2.0 1.5
1.5
1.6
5 9 15% 20% Fraksi berat serat
1325%
1.3
1.0 0.5 0.0 1 10%
Grafik 3. Kekuatan bending komposit limbah klobot jagung
Modulus bending ( MPa )
40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 10%
5 15%
9 20%
13 25%
Fraksi berat serat Grafik. 4 Modulus bending komposit limbah klobot jagung Seperti pengujian tarik bahwa berdasarkan data hasil uji bending diketahui bahwa dengan bertambahnya prosentase fraksi berat serat tidak selalu berpengaruh terhadap kekuatan bendingnya. Komposit yang memiliki kekuatan bending tertinggi pada prosentase berat serat diatas adalah 20% karena perbandingan tersebut yang dapat bercampur secara sempurna terlihat dari uji bending yang dilakukan bahwa komposisi tersebut kekuatan bending sebesar 2.3 MPa, diikuti fraksi massa 25 % kekuatan bending sebesar 1,6 MPa dan yang terendah pada fraksi berat serat 10% sebesar 1.3 MPa. Sehingga dalam hal ini banyaknya serat limbah klobot jagung terhadap resin hanya yang sesuai komposisinya supaya dapat membentuk Sifat Mekanik Komposit
ikatan yang baik sehingga berpengaruh pada kekuatan bending yang dimilikinya. Pengaruh serat limbah klobot jagung dan resin yang sesuai dalam komposisinya akan membentuk ikatan yang mampu menahan gaya bending yang diterimanya dengan meneruskan gaya ke arah matriks. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil yang diperoleh dari analisa data, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Hasil penelitian menunjukkan keseluruhan nilai kekuatan mekanik komposit limbah serat klobot jagung yang terbaik pada komposisi prosentase serat 20% dan resin 80% menunjukan kekuatn tertinggi
41
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
2.
September 2014
Pada variasi berat terendah untuk kekuatan tarik, bending terjadi pada pada komposisi prosentase serat 10% dan resin 90% menunjukan kekuatn terendah
Implikasi Produk material yang ulet dan kuat adalah logis dalam suatu pemikiran dan usaha, menggabungkan kedua sifat dijadikan suatu material yang baru yaitu komposit. Komposit yang proses pembuatannya mempunyai sifat kekuatan, kekakuan, ketahanan korosi, ketahanan lelah, usia pemakaian, berat jenis, pengaruh terhadap temperatur. Proses fabrikasi komposit ini dapat diaplikasikan pada berbagai komponen mesin seperti ; body mesin, suku cadang dan kemasan elektronik. Saran Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai fraksi berat antara serat limbah klobot jagung dengan perekat resin polyester terhadap kekuatan mekaniknya, penulis menyarankan : 1. Perlu adanya variasi baru guna menjawab tantangan masa depan untuk memanfaatkan limbah industri, sehingga mengurangi pencemaran lingkungan dan menaikan harga jual dari limbah klobot jagung.
Sifat Mekanik Komposit
42
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. 2
DAFTAR PUSTAKA ------------, 2002, Annual books of ASTM Standards, Section 7 : Textile, D 638-02 ------------, 2002, Annual books of ASTM Standards, Section 7: Textile, D 1037 ASTM, 1998. “Annual Book of ASTM Standar”, Section 4, Vol. 04.06, ASTM, West Conshohocken. Callister, W.D, 2000. Materials Science and Engineering: An Introduction, edisi ke 5. John Willey, New York. George J., Janardhan R., Anand J.S., Bhagawan S.S dan Thomas S., 1996. “Melt Rheological behavior os short Pineapple Fibre Reinforced Low density Polythylene Composites”, Journal of Polymer, Volume 37, No.24, Gret britain. Gibson O.F., 1994, “Principles of Composite Material Mechanics”, McGraw-Hill International Editional Editions, USA. Jones R.M., 1975, “Mechanics of Composite Materials”, McGrawHill Kogakusha Ltd, tokyo, Japan. Karnani R., Krishnan M., dan Narayan R., 1987. “Biofiber Reinforced
Sifat Mekanik Komposit
September 2014
Polypropylene Composites”, Reprinted from Polymer Engineering and science, Vol.37. No.2. Kaw A.K., 1997. “Mechanics of Composite Materials”, CRC Press, New York. Rajaak F., 1999, Pengaruh Kandungan Fraksi Volume Terhadap Kekuatan Tarik Komposit Serat Rami Polyester, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Ray D., Sarkar B.K., Rana A.K., dan Bose N.R., 2001. “Effect of Alkali Treated Jute Fibres on Composites Properties”, Bulletin of Materials Science, Vol.24, No.2, pp. 129-135, Indian Academy of science. Roe P.J. dan Ansel M.P., 1985. “Jutereinfirced polyester Composites” Journal of Materials Science 20, pp. 4015-4020, UK. Schawardz M.M., 1984, Composite Material Handbook Mc Graw-will, Singapura. Shackeltord, 1992, “Introduction to Materials Science for Engineer,” Third Edition, Macmillan Publishing Company, New York.
43
