Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Studi Eksperimen Sifat Mekanis Hibrid Komposit Epoxy dengan Penguat Serat Karbon dan Serat Basalt pada Beban Tarik I.D.G Ary Subagia1,a* 1
Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana (UNUD), Kampus Bukit Jimbaran, Badung Bali (80361) a
[email protected]
Abstrak Penelitian ini telah merancang material hibrid komposit dengan menggunakan dua jenis serat sebagai hibrid yang diikat dengan epoxy. Kedua serat tersebut adalah serat carbon dan serat basalt dengan struktur anyaman tunggal. Komposit difabrikasi dengan menggunakan cetakan vacuum resin transfer (vacuum assisted resin transfer molding, VARTM). Tujuan penelitian ini adalah untuk menguji sifat mekanis dari material komposit terhadap pembebanan tarik (tensile) berdasarkan pada variasi jumlah serat basalt dan susunannya pada komposit epoxy dengan penguat serat karbon yang diuji berdasarkan pada standar ASTM 638 dan ASTM D 3039. Pengujian dilakukan pada benda kerja hibrid komposit yang didasarkan pada variasi susunan laminasi. Selain itu sebagai kontrol dipergunakan komposit dengan serat carbon (carbon fiber reinforced polymer, CFRP dan basalt fiber reinforced polymer, BFRP) Sifat mekanis berupa tegangan tarik (tensile strength) dan modulus of elasticity komposit dianalisa. Hasil pengujian menunjukkan perubahan tegangan dan strain yang signifikan dimana dengan susunan berurutan tegangan tarik dan modulus elastisitas serta durability hibrid komposit meningkat. peningkatan jumlah serat basalt hibrid dengan serat karbon, terjadi penurunan tegangan tarik. Namun, strain dari hibrid komposit meningkat. Berdasarkan hasil, dapat disimpulkan bahwa bahwa hibridisasi serat basalt dapat signifikan mempengaruhi dan meningkatkan durabiliti CFRP, dan menurunkan nilai produksi karena serat basalt murah serta ramah lingkungan. Kata kunci : Hibrid Komposit, Serat Carbon, Serat Basalt, Uji Tensil, Brittle, debounding, pulllout.
Pendahuluan Inovasi teknologi material komposit sebagai pengganti material tradisional telah berkembang pesat sejak dua puluh tahun terakhir [1], karena memiliki sifat mekanis yang sangat baik, tahan korosi, ringan, densiti rendah dsb. Komposit fiber reinforced polimer (FRP) secara luas diaplikasi sebagai bodi pesawat, kendaraan, kapal laut, alat olah raga, bahan bangunan dan konstruksi sipil [2]. Tetapi sifat getas (brittle) adalah sifat negatif dari bahan komposit. Sifat tersebut sangat berbahaya karena dapat patah tanpa tanda sebelumnya. Hibridisasi merupakan cara yang banyak digunakan untuk memperbaiki sifat buruk komposit. Banyak peneliti telah menggunakan teknik hibridisasi untuk memperbaiki kelemahan material komposit [2-7]. Sebagai contoh, hibridisasi serat gelas dan serat karbon. Dihasilkan, tegangan lentur (strain stress) komposit meningkat, dan penurunan biaya produksi. Namun, karena sifat serat gelas beracun dan untuk mewujudkan
material yang ramah lingkungan, sejak sepuluh tahun yang lalu mulai dikenalkan material penguat yang dinamakan sebagai serat basalt. Serat basalt adalah serat yang dibuat dari batuan gunung berapi melalui proses pemanasan hingga temperatur di atas 1200oC [8, 9]. Serat basalt memiliki sifat mekanis yang relatif sama dengan serat gelas [10, 11], sehigga sangat potensial menjadi pengganti serat glass dan asbeston [1, 12]. Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Tujuan penelitian adalah menguji sifat mekanis dan karakteristik patahan hibrid komposit epoxy dengan penguat serat carbon dan serat basalt berdasarkan variasi susunan dan jumlah serat basalt. Untuk menentukan sifat mekanis komposit dilakukan dengan pengujian tarik (tensile test) berdasarkan standar ASTM D638 dan ASTM D 3039. Sifat patahan brupa sifat debonding dan pull out diamati menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) pada low magnification. Fabrikasi komposit dan metode
Material 17
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Serat karbon dan serat basalt yang masing masing diproduksi oleh Hyundai Fiber Co.Ltd dan Seco-Tech Korea digunakan sebagai penguat. Kemudian, epoxy dengan modifikasi aliphatic harderner yang diproduksi oleh Jet korea Industrial Corporation dipilih sebagai pengikat. Tipe serat penguat adalah seperti ditunjukan pada Gambar 1a dan 1b.
Gambar 1. Anyaman tunggal serat a). serat karbon, b). serat basalt.
menggunakan mesin water jet. Geometri specimen uji berupa dog-bone didasarkan pada standar ASTM D 3039 seperti ditunjukkan pada Gambar 3a. Pengujian tarik dilakukan menggunakan mesin pada cross head speed 1mm/mm. (lihat gambar 3b). Pengujian masing – masing variasi dilakukan sebanyak 5 kali pengujian. Diagram tegangan dan regangan ditunjukkan untuk menganalisa yield strength, strain dan modulus elastisitas material. Patahan hasil pengujian tarik untuk mengamati sifat debounding dan pull out serat dilakukan menggunakan scanning electron microscope (SEM) Jeol.JSM-5900. pada pembesaran rendah (low magnification).
Tabel 1. Konfigurasi laminasi hibrid komposit serat karbon/basalt/epoxy. Interply variasi
Code
CFRP BFRP CBC1 CBC2 CBC3 CBC4 CBC5 CBCBC4
C B B1 B2 B3 B4 B5 CB4
Komposisi bahan CF BF 10 0 10 9 1 8 2 7 3 6 4 5 5 6 4
Fraksi berat serat basalt (wt.%) 0 61.9 6.19 12.4 18.6 24.8 30.9 24.8
Vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) dipergunakan untuk mencetak panel hibrid komposit. Proses pencetakan panel ditunjukkan seperti pada Gambar 2. Masing-masing panel dicetak dengan ukuran 250 x 250 mm yang disusun secara berurutan seperti Gambar 2a, dan pada Tabel 1. Secara terstruktur aktifitas pencetakan panel dibagi menjadi beberapa fase [2] yaitu 1) Fase laminasi serat karbon dan serat basalt. 2) Fase pembuatan cetakan dimana susunan serat dibungkus dengan plastic menggunakan perekat. 3) Fase pembuatan campuran matrik menggunaka resin dan pengeras dan di degasing didalam deccicator pada tekanan 70 cm/Hg2 kurang lebih selama 45 menit. 4) fase injeksi matrik kedalam cetakan dengan tekanan 80 kPa. Proses ini dilakukan selama 60 menit hingga seluruh laminasi terlapisi. 5) fase curing temperatur sebesar 60ºC selama 2 jam dan selanjutnya adalah pembentukan specimen uji tarik yang dipotong
Gambar 2. Layout fabrikasi hibrid komposit dengan (VARTM). Pengujian tarik ditunjukkan seperti gambar 3a. Penentuan nilai tegangan, regangan dan modulus elastisitas benda uji masing-masing variasi dihitung dengan persamaan: P max max (1) Amax
Material 17
i Ei
i
Lg
(2) (3)
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
dimana: tegangan maksimum ditunjukkan oleh ζ (MPa), kemudian ε (mm/mm) adalah regangan tarik, E (GPa) adalah modulus elastisitas tarik, P (N) adalah beban, A (mm2) luas penampang spesimen, δ (mm) adalah pertambahan panjang hasil penunjukan ekstensometer, L (mm) panjang awal spesimen.
Variasi Panel
Tegangan
σ (MPa)
Regangan Ε (mm/mm)
Modulus Elasticity E (GPa)
CFRP BFRP GFRP CBC1 CBC2 CBC3 CBC4 CBC5 CBCBC4 BCB2 BCB4
687 402 322 630 602 558 536 502 575 401 500
1.1 2.3 1.9 1.1 1.0 1.15 1.18 1.2 1.2 1.3 1.2
65 18 18 59 55 51 47 40 48 30 38
Hasil dan diskusi Karakteristik perlakuan tarik pada material hibrid komposit epoxy dengan serat carbon-basalt
Gambar 3. a). Uji tarik process, b). Geometri material uji tarik
Gambar 4. Kurva hubungan tegangan dan regangan hibrid komposit pada uji tarik. Tabel 3. Rata-rata tegangan, regangan dan modulus elastisitas masing - masing variasi.
Gambar 4 menunjukkan kurva tegangan dan regangan untuk masing - masing variasi. Dapat diamati bahwa hibrid komposit dengan semakin tinggi berat fraksi serat basalt yang tersusun diantara serat karbon (CBC, Tabel 1) menunjukkan penurunan tegangan secara linier. Akan tetapi regangan meningkat walaupun tidak terlalu signifikan. Hasil ini menunjukkan kesamaan dengan penelitian yang dilakukan oleh [4]. Selanjutnya, semakin besar jumlah serat basalt modulus elastisitas menurun, tapi keuletan (ductility) pada komposit meningkat [6, 7]. Meningkatnya keuletan adalah sebabkan karena sifat serat basalt yang memiliki regangan tarik yang lebih besar dari pada serat karbon. Sifat mekanis hibrid komposit epoksi dengan penguat serat karbon dan serat basalt juga sangat dipengaruhi oleh susunan lamina. Dalam penelitian ini susunan serat di kelompokkan menjadi susunan serat basalt sebagai inti dari material komposit (CBC). Kelompok lainnya adalah serat carbon sebagai inti komposit (yaitu BCB), dan kelompok susunan antara serat carbon dan serat basalt yaitu CBCBC. Adapun jumlah serat laminasi adalah 60wt(%) untuk serat karbon dan 40wt(%) serat basalt. Sesuai dengan Gambar 4 dan Tabel 1 diperoleh hasil untuk kelompok CBCBC memiliki tegangan tarik dan modulus elastisitas terbesar dibandingkan dengan kelompok BCB dan CBC. Namun regangan material rendah. Karakteristik ini adalah disebabkan distribusi tegangan yang sama pada kelompok CBCBC.
Material 17
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Dengan hasil tersebut, maka pengaruh susunan serat memberikan pengaruh yang signifikan terhadap nilai tegangan tarik, regangan dan modulus elastisitas bahan sama dengan penelitian yang telah dilakukan oleh [2].
Gambar 5 profil patahan tarik a). CFRP, b). BFRP, c). GFRP
Gambar 6 Pengamatan SEM untuk patahan a). CFRP, b). BFRP, dan c). GFRP
Gambar 7. Pengamatan patahan pada SEM dengan low magnification.
Karakteristik patahan material hibrid komposit carbon/basalt/epoxy Gambar 5 menunjukkan karakteristik patahan akibat beban tarik (tensile) pada komposit dengan penguat karbon (Gambar 5a), komposit dengan penguat serat basalt (Gambar 5b), dan komposit berpenguat serat gelas (Gambar 5c). Sedangkan karakteristik patahan yang diamati pada SEM dengan resolusi rendah menunjukkan seperti tanda panah, karakteristik patahan yang datar dan tanpa serat (lihat Gambar 6a) adalah profil patahan dari komposit dengan penguat serat karbon. Kemudian (Gambar 6b dan 6c) adalah patahan dari komposit dengan penguat serat basalt dan serat gelas masing – masing. Dari patahan akibat pembebanan tarik terlihat untuk serat basalt memiliki karakteristik berupa serabut yang tidak beraturan dan patahan pada komposit dengan penguat serat gelas karakteristik patahannya ditunjukkan dengan daerah rata dan sebagian berserabut. Perilaku patahan ini menunjukkan bahwa CFRP bersifat getas dan rendah pada sifat regangan. Sedangkan GFRP dan BFRP memiliki regangan yang lebih baik sehingga dapat dikatakan memiliki durability yang baik. Pada GFRP dan BFRP ketika dilakukan pembebanan sebelum terjadi patahan pada daerah konsentrasi tegangan ditunjukkan adanya perubahan warna menjadi lebih terang yang menandakan terjadinya deformasi plastic (lihat Gambar 5a,b,c). Karakteristik tersebut memiliki kesamaan dengan hasi-hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya [2, 9, 10]. Gambar 7a sampai 7d menunjukkan hasil pengamatan patahan hibrid komposit epoxy dengan penguat serat basalt dan karbon. Karakteristik patahan untuk serat karbon seperti ditunjukkan oleh tanda panah memiliki penampang yang rata dibanding dengan serat basalt masing-masing (Gambar 7a dan 7b). Serat basal yang memiliki penampang patahan yang tidak merata menunjukkan adanya sifat ductility yang lebih baik dari pada serat karbon. Kemudian Gambar 7c menunjukkan terjadinya perilaku delaminasi, yang mana disebabkan karena sifat kohesif dari serat sehingga epoxy tidak sepenuhnya mengikat serat. Kondisi ini banyak terjadi pada arah melintang dari anyaman (warp).
Material 17
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Sedangkan pada arah serat searah dengan arah pembebanan tarik terjadi kondisi pull-out (lihat Gambar 7d) walaupun jumlahnya tidak lebih dari 5% dari jumlah serat pada penampang patahan. Kesimpulan Pada penelitian ini pengujian sifat mekanis pembebanan tarik untuk material hibrid komposit epoksi dengan penguat serat karbon dan serat basalt telah dilaksanakan. Komposit dibuat menggunakan proses VARTM. Variasi hibrid komposit adalah menurut jumlah dan susunan serat basalt pada komposit serat karbon. Hasil pengujian yang diproleh dapat disimpulkan bahwa hibridisasi serat basalt pada CFRP secara signifikan mempengaruhi karakteristik mekanis material komposit. Disamping itu meningkatkan durability. Hasil pengujian untuk susunan CBCBC menunjukkan komposis yang paling baik dengan peningkatan tegangan tarik dan modulus elastisitas adalah masing masing 6.53% dan 5.32% dikontrol terhadap variasi CBC dan BCB. Karakteristik patahan akibat pengaruh pembebanan tarik banyak terjadi delaminasi antara epoxy dan serat pada arah warp dan pull-out ke arah weft. Ditinjau dari nilai ekonomis hybridisasi cukup signifikan menurunkan biaya produksi dibanding dengan komposit murni. Ucapan Terimakasih Mengucapkan terima kasih kepada Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana atas dukungan biaya, sehingga peper ini dapat dipresentasikan pada seminar nasional tahunan teknik mesin se Indonesia ke 142015. Referensi
[1] C. Colombo, L. Vergani and M. Burman, Static and Fatigue Characterisation of New Basalt Fibre Reinforced Composites. Composite Structures, 94 (2012) 1165-1174. [2] I. D. G. Ary Subagia, Yonjig Kim, Leonard D. Tijing, Cheol Sang Kim and Ho Kyong Shon, Effect of Stacking Sequence on the Flexural Properties of
Hybrid Composites Reinforced with Carbon and Basalt Fibers. Composites Part B: Engineering, 58 (2014) 251-258. [3] S. E. Artemenko and Yu. A. Kadykova, Hybrid Composite Materials. Fibre Chemistry, 40. No. 6 (2008) 490-492. [4] S.E. Artemenko and Yu A. Kadykova, Polymer Composite Materials Based on Carbon, Basalt, and Glass Fibers. Fibre Chemistry, 40. No.1 (2008) 37-39. [5] P.W. SONPAROTE and S. C. LAKKAD, Mechanical Properties of Carbon/Glass Fibre Reinforced Hybrids. Fibre Science and Technology 16 (1982) 309-312. [6] G KRETSIS, A Review of the Tensile, Compressive, Flexural and Shear Properties of Hybrid Fibre Reinforced Plastics. COMPOSITES, 18. NO 1 (1987) 13-23. [7] S.-Y. Fua, B. Laukeb, E. Maderb, C.-Y. Yuea and X. Hua, Tensile Properties of Short-Glass-Fiber- and Short-CarbonFiber-Reinforced Polypropylene Composites. Composites: Part A, 31 (2000) 1117-1125. [8] V. Fiore, T. Scalici, G. Di Bella and A. Valenza, A Review on Basalt Fibre and Its Composites. Composites Part B: Engineering, 74 (2015) 74-94. [9] Vivek Dhand, Garima Mittal, Kyong Yop Rhee, Soo-Jin Park and David Hui, A Short Review on Basalt Fiber Reinforced Polymer Composites. Composites Part B: Engineering, 73 (2015) 166-180. [10] V. Lopresto, C. Leone and I. De Iorio, Mechanical Characterisation of Basalt Fibre Reinforced Plastic. Composites Part B: Engineering, 42 (2011) 717-723. [11] Antonio Greco, Alfonso Maffezzoli, Giovanni Casciaro and Flavio Caretto, Mechanical Properties of Basalt Fibers and Their Adhesion to Polypropylene Matrices. Composites Part B: Engineering, 67 (2014) 233-238. [12] Tibor CZIGÁNY, János VAD and Kornél PÖLÖSKEI, Basalt Fiber as a Reinforcement of Polymer Composites. PERIODICA POLYTECHNICA SER. MECH. ENG., 49, NO. 1 (2005) 3-14.
Material 17
