UJI ISOLATOR PANAS PAPAN SEKAM DENGAN VARIASI UKURAN PARTIKEL DAN KEPADATAN

UJI ISOLATOR PANAS PAPAN SEKAM DENGAN VARIASI UKURAN PARTIKEL DAN KEPADATAN Sri Mulyadi(1), Elvis Adril(2), Iwan Apriono(1) (1)

Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Andalas Padang. Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang.

(2)

ABSTRACT Thermal conductivity measurement has been carried out (k) rice husk board with double plate method. Board from rice husk ash was varied by size, resin content and board density. Rice husk was varied into three size groups, namely rice husk smaller than 1 mm in size, hull size of 1 mm to 2 mm, and chaff large size of 2 mm. Gluten content was varied in three groups, ie + 20 %, + 45 % and + 75 %. The combination of particle size and concentration of adhesive produces 9 types of board husk with different densities. The results showed that the price of thermal conductivity of each sample board is very small and varies chaff. Rice husk board that has the price of the lowest thermal conductivity is the board from rice husk by husk size smaller than 1 mm and grade adhesive + 20 % with k = 0.187 (J s-1 m-1 K-1), while rice husk board price has the highest thermal conductivity is larger than 2 mm and grade adhesive + 75 % with the thermal conductivity k = 0.329 (J s-1 m-1 K-1). Keywords: Thermal conductivity, rice husk board properties 1. PENDAHULUAN Indonesia mengalami swasembada beras pada tahun 2009 dan dipastikan akan kembali mengalami swasembada beras pada tahun 2010 (Media Indonesia, Juli 2010). Hal ini memperlihatkan betapa besarnya produksi padi di Indonesia, karena telah mampu memenuhi kebutuhan beras untuk lebih dari 200 juta penduduknya. Sekam merupakan hasil sampingan dari proses penggilingan padi. Dari proses penggilingan biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30%, dedak antara 812% dan beras giling antara 50-63,5% data bobot awal gabah (Deptan., 2009). Sekam padi selama ini dikenal sebagai limbah yang selalu dibakar oleh petani setelah proses penggilingan, sehingga seringkali menimbulkan polusi udara terhadap lingkungan di sekitar. Untuk menanggulangi hal itu, perlu adanya alternatif untuk dapat didayagunakannya limbah sekam padi sehingga mengurangi efek polusi yang ditimbulkannya. Sekam padi telah banyak dimanfaatkan sebagai bahan untuk melindungi es dari suhu lingkungan, dengan mengisolasi es agar tidak cepat mencair. Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan pengujian konduktivitas termal terhadap papan sekam yang divariasikan ketebalan dan kepadatannya (Wibowo dkk., 2007). Hasil penelitian tersebut mampu memperlihatkan bahwa papan sekam dapat bekerja sebagai isolator panas. Dalam pemanfaatan sekam padi sebagai isolator panas, sekam padi diolah menjadi papan, untuk

mengolah sekam padi menjadi papan, sekam padi dicampur dengan bahan perekat/pengikat (resin). Papan pertikel tersebut kemudian diuji unjuk kerjanya dalam hal kemampuan menahan kalor. Dari pengujian tersebut diperoleh nilai konduktivitas panas serta laju perpindahan kalor dari variasi ukuran partikel dan kepadatan papan sekam padi, sehingga dapat diketahui sifat isolator panasnya. Penelitian ini diharapkan dapatkan menggali secara optimal potensi dari limbah sekam padi yang sudah mulai dikembangkan untuk beberapa aplikasi. Papan sekam dapat diaplikasikan sebagai alat yang menahan laju aliran kalor dari suatu sistem ke lingkungan atau dari lingkungan ke sistem, agar suhunya tetap terjaga. Contoh, menjaga es agar lama mencair dan makanan agar tetap awet dan tahan lama, atau atap rumah yang menjaga suhu rumah dari pengaruh panas atau dingin lingkungan. Selain itu, manfaat tidak langsung yang di harapkan dari penelitian ini adalah mengurangi proses pembakaran limbah sekam yang sering kali menimbulkan polusi udara di lingkungan sekitarnya. 2. METODE PENELITIAN Bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu sekam padi, damar sebagai perekat dan minyak tanah sebagai pelarut resin. Langkah penelitian yaitu sekam digiling sehingga menjadi tiga macam jenis ukuran sekam, yakni ukuran kecil dari 1 mm, ukuran 1 hingga 2 mm dan ukuran besar dari 2 mm, sampel sekam diaduk dengan bubuk resin, campuran diaduk sambil pelarut resin berupa minyak tanah dituangkan sedikit demi sedikit, setelah resin mempunyai daya

Uji Isolator Panas Papan Sekam dengan Variasi Ukuran Partikel dan Kepadatan (Sri Mulyadi)

(∆T). Laju aliran kalor ∆Q, gradien temperatur ∆T, luas plat A, dan ketebalan plat diukur ( ). Energi listrik ∆W yang diserap pemanas selama interval waktu ∆t sebanding dengan kuantitas kalor yang mengalir pada sampel selama selang waktu tertentu. Bila diasumsikan tidak ada kehilangan energi, maka kuantitas yang diperoleh digunakan untuk menghitung konduktivitas termal k sampel dengan persamaan :

rekat, campuran dipindahkan ke dalam cetakan, sekam padi pada cetakan diberi tekanan hingga sampel benar-benar padat, sekam yang telah dipadatkan, dijemur minimal tiga hari, setelah kering, papan sekam dilepaskan dari cetakan. Lalu dibiarkan di udara terbuka selama 24 jam agar seluruh bagian papan sekam benar-benar kering dan sampel yang telah kering, dapat dilanjutkan ke proses pengujian. 3. PENGUJIAN SAMPEL Sampel dipanaskan dengan mengalirkan kalor dari sumber kalor untuk menciptakan perbedaan temperatur pada kedua sisi permukaan bahan sehingga kalor akan mengalir dari sisi yang bertemperatur tinggi ke sisi yang bertemperatur rendah. Dinding kotak dibuat terisolasi untuk menjamin tidak ada kalor yang masuk atau keluar ke lingkungan. Pada kedua sisi dipasang alat ukur temperatur, untuk membaca perubahan temperatur

… (1) dengan = laju aliran energi / kalor (J/s) = ketebalan plat (m) = Luas permukaan (m2) = Selisih temperatur dinding plat (K) Persiapan

Limbah Sekam

Penggilingan

Pengayakan

Sekam ( > 2 mm)

Sekam (1-2 mm)

Sekam (< 1 mm)

Penambahan Resin

Sekam + Resin

Pencetakan

Pengeringan

Papan Sekam

Uji Konduktivitas

Pengumpulan Data

Hasil

Pembahasan Kesimpulan

Gambar 1 Diagram Alir Penelitian 27

Jurnal Teknik Mesin

Vol.7, No.1, Juni 2010

4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Karakteristik Papan Sekam Pada penelitian ini, sekam padi divariasikan menjadi 3 kelompok berdasarkan ukuran partikelnya, yaitu

ISSN 1829-8958

ukuran kecil dari 1 mm, 1 hingga 2 mm dan besar dari 2 mm. Masing-masing ukuran dikombinasikan dengan variasi kadar resin yang berbeda seperti pada “Tabel (1)”.

Tabel 1 Tampilan papan sekam dengan ukuran dan kadar resin yang berbeda Tipe

1,2,3

4,5,6

7,8,9

Persentase berat resin

Ukuran partikel

+ 20 %

+ 45 %

+ 75 %

+ 20 %

+ 45 %

+ 75 %

+ 20 %

+ 45 %

+ 75 %

< 1mm

1 – 2 mm

>2 mm

Pada “Tabel (1)” terlihat adanya perbedaan warna pada tiap-tiap sampel. Warna hitam pada sampel terjadi karena resin yang dipakai adalah damar atau perekat yang biasa digunakan oleh nelayan dalam mendempul perahu. Resin ini memiliki warna dasar hitam sehingga papan akan makin hitam apabila kadar resin dibuat makin tinggi. Resin ini dipakai karena memiliki daya rekat yang baik, ekonomis dan tahan terhadap air. Selanjutnya akan dilihat pengaruh kadar resin tersebut terhadap nilai konduktivitas papan sekam. 4.2. Pengujian Konduktivitas Pengujian dilakukan dengan metode plat rangkap dua. Pengujian dilakukan untuk mencari tipe sampel yang memiliki sifat isolator yang baik dengan melihat nilai konduktivitasnya. Semakin kecil nilai

konduktivitas suatu bahan maka akan semakin baik sifat isolator termalnya. Sifat isolator suatu bahan menggambarkan seberapa baik bahan tersebut dalam menahan laju aliran panas. Pengujian konduktivitas panas dilakukan pada sembilan buah sampel dengan karakteristik yang berbeda-beda. Pada pengujian ini, diukur temperatur kedua sisi permukaan plat. Sampel digandeng atau dipasangkan dengan plat aluminium. Tujuannya agar temperatur yang terbaca mendekati dengan temperatur yang sebenarnya. Metode yang digunakan pada pengujian ini adalah prinsip metode plat rangkap yang terdiri dari dua buah jenis bahan yaitu sampel dan plat aluminium. Hasil pengukuran temperatur dapat dilihat pada “Tabel (2)”.

28

Uji Isolator Panas Papan Sekam dengan Variasi Ukuran Partikel dan Kepadatan (Sri Mulyadi)

Tabel 2. Hasil pengukuran temperatur Tipe

2

(m )

(m)

∆W/∆t (J/s)

(K)

( K)

(K)

-1

1

0,04

0,008

80

440

354,8

85,2

0,187

2

0,04

0,010

80

440

353,6

86,4

0,228

3

0,04

0,010

80

440

354,5

84,5

0,236

4

0,04

0,011

80

440

355,5

84,6

0,260

5

0,04

0,012

80

440

350,1

89,9

0,267

6

0,04

0,012

80

440

351,2

88,8

0,270

7

0,04

0,012

80

440

352,3

87,7

0,273

8

0,04

0,013

80

440

354,5

85,5

0,280

9

0,04

0,015

80

440

350,7

91,3

0,329

“Tabel (2)” memperlihatkan kemampuan masingmasing sampel sebagai penyekat panas. Temperatur pada sumber panas dibuat sama, yaitu pada 120oC. temperature yang terukur dikonversikan dalam kelvin, sehingga temperatur dinding pada bagian sumber panas menjadi 440 K. Aliran kalor ( ) yang diberikan sama terhadap semua sampel, yakni sebesar 80 J/s. dengan aliran kalor sebesar itu dibutuhkan waktu antara 20 hingga 30 menit untuk mencapai temperatur 120oC. Kemampuan sampel dalam menahan panas dapat dilihat dari temperatur pada dinding plat yang lainnya, yakni diantara 30oC – 39oC atau 350 K – 359 K. dengan membandingkan nilai temperatur yang terbaca pada kedua dinding, maka diperoleh besar selisih temperatur pada papan sekam pada “Tabel (2)” dan “Gambar (2)”

-1 -

(Js m K 1 )

Rata-rata selisih temperatur yang terukur pada saat temperatur sumber panas 120oC adalah berkisar antara 80oC hingga 90oC. Selisih temperatur yang paling besar terjadi pada sampel tipe 5 dan selisih temperatur yang terkecil terjadi pada sampel tipe 9. Dengan menggunakan nilai selisih temperatur, nilai konduktivitas sampel dapat dicari dengan “Persamaan (1)”, yaitu :

k

Lsekam A(TA  TB ) Lplat  H k plat

dengan : = 1 mm = 10-3 m = 202 Js-1m-1K-1 =

= 80 Js-1

= 20 cm x 20 cm = 400 cm2 = 0,04 m2 Sebagai contoh, yaitu untuk sampel tipe 1 dengan 0,008 m, = 440 K = 354,8 K maka akan diperoleh nilai konduktivitas sebagai berikut,

= 0,187 Js-1m-1K-1 Gambar 2 Grafik temperatur dinding papan sekam

Dari “Gambar (2)” terlihat selisih temperatur yang cukup signifikan pada masing-masing sampel. Batangan yang berwarna biru merupakan nilai temperatur pada dinding plat yang berada di dekat sumber panas (Ta), sedangkan batangan yang berwarna merah adalah sisi yang satunya lagi (Tb).

Berdasarkan hasil perhitungan, diperoleh nilai konduktivitas untuk masing-masing tipe sampel. Nilai konduktivitas yang diperoleh dihubungkan dengan ukuran partikel, densitas dan kadar resin pada papan. Hubungan antara ukuran partikel, densitas papan dan kadar resin yang diberikan, dapat dilihat pada “Tabel (3)” 29

Jurnal Teknik Mesin

Vol.7, No.1, Juni 2010

ISSN 1829-8958

Tabel 3. Karakteristik sampel sekam Tipe

Ukuran partikel

1 2

< 1 mm

Volume (m3)

Massa (kg)

Densitas 3 (kg/m )

% resin

0,00032

0,20

625

20%

0,187

-1

0,00040

0,41

731,82

45%

0,228

3

0,00040

0,34

772,73

75%

0,236

4

0,00044

0,23

575

20%

0,260

0,00048

0,30

625

45%

0,267

6

0,00048

0,51

1159,1

75%

0,270

7

0,00048

0,20

416,67

20%

0,273

0,00052

0,32

615,38

45%

0,280

0,00060

0,49

816,67

75%

0,329

5

8 9

1 mm - 2 mm

> 2mm

-1 -1

(Js m K )

4.3 Pengaruh Ukuran Partikel terhadap Nilai Konduktivitas Pengaruh ukuran sekam dilihat untuk masing-masing kadar resin yang diberikan. Nilai konduktivitas yang diperoleh dikelompokkan menjadi tiga kelompok, yaitu papan sekam dengan kadar resin 20 %, papan sekam dengan kadar resin 45 % dan papan sekam dengan kadar resin 75 %. Tiap-tiap kelompok terdiri dari tiga tipe papan sekam dengan ukuran sekam yang berbeda, yaitu tipe 1 adalah papan dengan ukuran sekam kecil dari 1 mm, tipe 2 adalah papan dengan ukuran sekam 1 hingga 2 mm dan tipe 3 adalah papan sekam dengan ukuran sekam besar dari 2 mm. Untuk papan sekam dengan kadar resin 20 %, diperoleh nilai konduktivitas seperti yang terlihat pada “Gambar (4)”

Gambar 5 Grafik pengaruh ukuran sekam terhadap nilai konduktivitas panas papan pada kadar resin 45 %

Pada “Gambar (5)” juga terlihat kenaikan nilai konduktivitas panas pada papan sekam dengan ukuran sekam 1 hingga 2 mm dan besar dari 2 mm jika dibandingkan dengan papan sekam berukuran kecil dari 1 mm. Untuk papan dengan kadar resin 75 % juga diperoleh kenaikan nilai konduktivitas panas pada papan dengan ukuran sekam yang lebih kasar. Hal ini terlihat pada “Gambar (6)”

Gambar 4 Grafik pengaruh ukuran sekam terhadap nilai konduktivitas panas papan pada kadar resin 20 %

Pada “Gambar (4)” terlihat bahwa terjadi kenaikan nilai konduktivitas untuk papan dengan ukuran sekam yang lebih kasar. Untuk papan sekam dengan kadar resin 45 %, diperoleh nilai konduktivitas seperti yang terlihat pada “Gambar (5)”. Gambar 6 Grafik pengaruh ukuran sekam terhadap nilai konduktivitas panas papan pada kadar resin 75 %

30

Uji Isolator Panas Papan Sekam dengan Variasi Ukuran Partikel dan Kepadatan (Sri Mulyadi)

Dari “Gambar (4), (5) & (6)” terlihat bahwa papan sekam dengan ukuran sekam kecil 1 mm lebih baik sebagai bahan penyekat/ isolator panas. Hal ini dikarenakan materi penyusun papan dengan ukuran sekam kecil dari 1 mm lebih padu dan sedikit menghasilkan rongga di dalam papan jika dibandingkan dengan papan sekam dengan ukuran sekam 1 hingga 2 mm dan besar dari 2 mm. Rongga yang muncul akan mengurangi sifat isolator atau pun sifat konduktor suatu bahan, karena menciptakan proses konveksi pada bahan. 4.4

Pengaruh Kadar Konduktivitas

Resin

terhadap

Nilai

Penambahan kadar resin dapat meningkatkan kemampuan elastisitas bahan. Hal ini terlihat dari sampel papan yang divariasikan kadar resinnya. Variasi yang diberikan adalah 20 % untuk papan yang kadar sekamnya lebih dominan, 45 % untuk papan dengan kadar sekamnya berimbang dengan kadar resinnya, 75 % untuk papan dengan kadar resin yang dominan daripada kadar sekamnya. Variasi ini diberikan untuk tiap-tiap ukuran sekam. Namun kenaikan sifat elastisitas papan tidak diikuti dengan kenaikan sifat isolator panasnya. Pada papan dengan ukuran sekam kecil dari 1 mm terjadi kenaikan nilai konduktivitas panas untuk setiap penambahan kadar resin. Hal ini terlihat pada “Gambar (7)”.

Gambar 8 Grafik pengaruh kadar resin terhadap nilai konduktivitas panas untuk papan dengan ukuran sekam 1 hingga 2 mm

Kenaikan nilai konduktivitas panas juga terjadi pada papan dengan ukuran sekam besar dari 2 mm yang dilakukan penambahan terhadap kadar resinnya. Hal ini terlihat pada Gambar 9.

Gambar 9 Grafik pengaruh kadar resin terhadap nilai konduktivitas panas papan dengan ukuran sekam besar dari 2 mm

Dari “Gambar (7), (8) & (9)” terlihat bahwa terjadi kenaikan nilai konduktivitas untuk setiap penambahan kadar resin. Hal ini memperlihatkan bahwa konduktivitas resin lebih tinggi dibandingkan dengan nilai konduktivitas sekam, sehingga terjadi penurunan kemampuan papan sebagai isolator panas untuk setiap penambahan resin, khususnya untuk penggunaan damar sebagai perekat. 4.4 Pengaruh Densitas Papan terhadap sifat konduktivitas Gambar 7. Grafik pengaruh kadar resin terhadap nilai konduktivitas panas papan sekam untuk papan dengan ukuran sekam kecil dari 1 mm

Kombinasi antara variasi ukuran sekam dan variasi kadar resin menjadikan papan sekam terbentuk dengan densitas yang berbeda-beda. Hubungan densitas papan sekam dengan nilai konduktivitas panasnya diperlihatkan oeh “Gambar (10)”

Hal yang sama juga terjadi pada papan dengan ukuran sekam 1 hingga 2 mm, dimana terjadi kenaikan nilai konduktivitas panas papan untuk setiap kenaikan kadar resin yang diberikan, seperti yang diperlihatkan “Gambar (8)”. Kenaikan konduktivitas panas tersebut secara langsung menurunkan kualitas kemampuan papan sebagai bahan isolator panas. Gambar 10 Hubungan densitas papan dengan nilai konduktivitas panasnya

31

Jurnal Teknik Mesin

Vol.7, No.1, Juni 2010

Pada “Gambar (10)” belum terlihat adanya hubungan linier antara densitas papan sekam dengan nilai konduktivitas panasnya. Nilai densitas yang paling besar pada umumnya dimiliki oleh papan dengan kadar resin yang lebih dominan dari pada kadar sekamnya. Hal ini memperlihatkan bahwa papan dengan kadar sekam yang dominan lebih baik sebagai bahan isolator serta memilki densitas yang lebih kecil. Densitas papan yang kecil menyebabkan papan menjadi lebih ringan dan lebih aman terhadap kecelakaan. 5. PENUTUP 5.1. Kesimpulan Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa : 1. 2. 3.

Papan sekam dengan ukuran sekam yang lebih kecil memilki sifat isolator panas yang lebih baik Penambahan kadar resin akan menyebabkan penurunan sifat isolator panas pada papan sekam Papan sekam dengan kadar sekam lebih dominan memilki densitas yang kecil serta lebih ringan dan mempunyai sifat isolator yang lebih baik.

ISSN 1829-8958

Triterpenoids. Jurnal at Natural Product 50: 706713, 1987. 9.

Tipler, P.A., Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga, 1998.

10. Wibowo, Hary, Toto Rusianto dan Manarul Ikhsan, Pengaruh Kepadatan dan Ketebalan Terhadap Sifat IsolatorPanas Papan Partikel Sekam Padi. Yogyakarta : Institut Sains & Teknologi AKPRIND, 2007 11. Wollenberg, Eva, Usung Uluk dan Made Sudana, Ketergantungan Masyarakat Dayak terhadap Hutan di Sekitar Taman Nasional Kayan Mentarang, Indonesia : SMK Grafika Desa Putera, 2001 12. Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., , Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga, 2002. 13. Zemansky, Mark. W. dan Richard H. Dittman, Kalor dan termodinamika. Bandung : ITB, 1986

5.2. Saran

14. www.pustaka-deptan.go.id/bppi/lengkap/sekampadi (diakses desember 2009)

Disarankan untuk peneliti selanjutnya melakukan uji porositas agar lebih jelas kondisi mikroskopik dari papan sekam.

15. www. MediaIndonesia.com/01 Juli 2010 (diakses 18 Juli 2010)

PUSTAKA 1.

Appanah, S. and Turnbull J. M, A Review of Diptecocarps: Taxonomy, Ecology and silviculture Centre for international forestry Research, Bogor, 1998.

2.

Halaudin, Pengukuran Konduktivitas Termal Bata Merah Pejal. Bengkulu, Universitas Bengkulu, 2006

3.

Halliday dan Resnick, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga, 1991.

4.

Harsono, Heru, Pembuatan Silika Amorf dari Limbah Sekam Padi, Jurnal Ilmu Dasar. Universitas Brawijaya, 2002.

5.

Holman, J.P, Perpindahan Kalor, Terjemahan E. Jasjfi, M.Sc, edisi 6, Jakarta : Erlangga, 1997

6.

Houston, D.F, Rice Chemistry and Technology, Minnesota: American Association of Cereal Chemist. Inc, 1972.

7.

Joelianingsih, Peningkatan Kualitas Genteng Keramik dengan Penambahan Sekam Padi dan Daun Bambu, Makalah Pribadi Falsafah Sains (PPS 702), ITB, 2004

8.

Poehland, B.L., Carta, B. K., Francis, T.A., Hyland, L. J., Allaudeen, H. S. and Troupe, N., In-vitro Antiviral Activity of Dammar Resin

Curriculum Vitae Sri Mulyadi adalah Staf Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Andalas Padang dengan e-mail [email protected] Elvis Adril adalah staf Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang e-mail: [email protected] Iwan Apriono adalah Staf Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Andalas Padang

32