UJI SIFAT MEKANIK DAN LISTRIK KOMPOSIT PARTIKEL MARMER KALSIT
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ABSTRAK
RINA PRITRIA
RINA PRITRIA. Uji Sifat Mekanik dan Listrik Komposit Marmer Kalsit. Dibimbing oleh HANEDI DARMASETIAWAN dan ABDUL DJAMIL HUSIN. Telah dibuat komposit partikel marmer dengan campuran partikel marmer sebagai penguat dan resin epoxy sebagai matriksnya. Pembuatan komposit tersebut dilakukan dengan metode sederhana yaitu dengan mencampurkan partikel marmer dalam resin epoxy. Pencampuran divariasikan berdasarkan fraksi berat partikel marmer yaitu 60%, 50%, dan 34% juga berdasarkan ukuran butiran partikel marmer hasil penyaringan dengan ayakan bernomor 35 mesh, 60 mesh dan 140 mesh. Sampel komposit partikel marmer diuji sifat mekaniknya yaitu kekerasan, kuat tekan dan kuat patah dan juga dilakukan pengujian untuk mengetahui dan mempelajari sifat listriknya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin kecil ukuran partikel maka memiliki sifat mekanik yang lebih baik. Sifat mekanik terbaik yaitu yang mempunyai nilai kekerasan, kuat tekan dan kuat patah berturut-turut 13,40 HB, 5,09 × 107 N/m2 dan 3,38 × 107 N/m2 seperti pada sampel M1401 yaitu yang ukurun partikelnya 40 mesh (0,250 mm) dan mengandung 60% berat partikel marmer dari keseluruhan komposit. Pada kondisi tersebut tetapan dielektriknya 8,337. Kata kunci : marmer, resin epoxy, komposit.
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
2
RINA PRITRIA
DEPARTEMEN FISIKA
UJI SIFAT MEKANIK DAN
FAKULTAS MATEMATIKA
LISTRIK KOMPOSIT
DAN ILMU PENGETAHUAN
PARTIKEL MARMER
ALAM
KALSIT
INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008 Judul
: Uji Sifat Mekanik dan Listrik
Komposit Partikel Marmer Kalsit Nama
: Rina Pritria
NRP
: G74104034
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Menyetujui ,
3
Pembimbing I
Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS
Tanggal kelulusan : KATA PENGANTAR
NIP : 130 367 084
Pembimbing II
Abd. Djamil Husin, M.Si NIP : 132 158 552
Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. drh. Hasim, DEA NIP : 131 578 806
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Yang Kuasa Allah SWT. Atas berkah dan rahmatNya penelitian yang diberi judul Uji Sifat Mekanik dan Listrik Partikulat Marmer Kalsit ini dapat diselesaikan. Penelitian ini dilakukan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini didanai oleh Hibah Pengajaran dan Penelitian PHK A2 Departemen Fisika. Tak lupa juga penulis ucapkan terima kasih banyak kepada Bapak Hanedi Darmasetiawan, Bapak Abd. Djamil Husin selaku dosen pembimbing yang telah bersedia menyempatkan waktunya sebagai teman diskusi untuk kelancaran penelitian ini, Bapak Irzaman yang telah dengan sabar memotivasi dan memberikan masukan, Bapak Jajang Djuansah sebagai penguji yang telah memberikan masukan, Bu Mersi yang telah meluangkan waktunya disaat sidang serta seluruh dosen Departemen Fisika IPB yang telah memberikan ilmunya dan seluruh staf Departemen Fisika IPB yang telah membantu penulis selama menjalani perkuliahan di IPB. Bapak Sulistioso Giat, Pak Marzuki, Pak Antonius, Pak Sutarjo, Pak Maman, Bu Titik dan rekan-rekan di P3IB BATAN, BBPT-B2TKS dan Puslit LIPI Serpong yang telah menjadi teman diskusi selama karakterisasi. Terima kasih banyak untuk kedua orang tua, teteh dan aa atas rasa cinta dan sayang yang tidak pernah berhenti yang merupakan motivator paling besar dalam hidup penulis. Serta rekan-rekan di Departemen Fisika atas keceriaan dan pengalaman yang tak pernah terlupakan. Diharapkan penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi ilmu pengetahuan saat ini dan dapat menambah wawasan bagi dunia pendidikan. Penulis menyadari bahwa penulisan ini jauh dari sempuna, maka diharapkan kritik serta saran untuk menjadi
4
lebih baik lagi. Akhir kata penulis ucapkan mohon kritik dan saran membangun apabila dalam penulisan skripsi ini terdapat kesalahan baik yang disengaja maupun tidak disengaja.
Penyusun
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama menyelesaikan pendidikan di IPB, penulis berperan aktif pada organisasi kemahasiswaan yaitu Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) periode 2004/2005 pada bidang kewirausahaan, 2005/2006 pada bidang Instrumentasi dan Teknologi Komputer serta periode 2006/2007 pada bidang Informasi dan Komunikasi. Selain itu juga pernah aktif pada LISES Gentra Kaheman periode 2004/2005 dan 2005/2006 serta pada organisasi mahasiswa daerah Subang yaitu FOKKUS.
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Subang, pada tanggal 10 Februari 1987. Penulis merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara dari pasangan Eson, Spd dan Dasinah. Tahun 1998 penulis menyelesaikan pendidikan di SDN Boreas, kemudian melanjutkan ke SLTP Negeri 1 Kalijati dan lulus tahun 2002. Selanjutnya penulis lulus dari SMU Negeri 2 Subang pada tahun 2004. Pada tahun yang sama penulis diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan terdaftar di
DAFTAR ISI
5
1 Sifat fisik dan mekanik epoxy ..................................................... KATA PENGANTAR ..................................................................................................... i 2 Persyaratan fisik sesuai SNIii 13-0089DAFTAR ISI..................................................................................................................... 1987................................................................................................. DAFTAR TABEL............................................................................................................. iii 3 Sifat fisik dan mekanik marmer iv Citatah ..................................... DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ 4 Variasi komposisi komposit DAFTAR LAMPIRAN..................................................................................................... v partikel marmer ........................................................................................... PENDAHULUAN............................................................................................................. 1 5 Data pengukuran kekerasan......................................................... Latar Belakang ...................................................................................................... 1 6 Data pengukuran kuat tekan ........................................................ Tujuan .................................................................................................................... 1 7 Data pengukuran kuat patah ........................................................ Hipotesis ................................................................................................................ 1 8 Data pengukuran kapasitans ....................................................... TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................... 1 Komposit ............................................................................................................... 1 Komposit polimer .................................................................................................. 2 Komposit partikel .................................................................................................. 2 Matriks resin........................................................................................................... 2 Resin epoxy ............................................................................................................ 2 Marmer .................................................................................................................. 3 Sifat mekanis ......................................................................................................... 3 Sifat dielektrik ....................................................................................................... 4 BAHAN DAN METODA ................................................................................................ 4 Tempat dan waktu ................................................................................................ 4 Bahan dan alat ....................................................................................................... 5 Metode Penelitian .................................................................................................. 5 HASIL DAN PEMBAHASAN......................................................................................... 8 Kekerasan ............................................................................................................... 8 Kuat tekan .............................................................................................................. 9 Kuat patah .............................................................................................................. 10 Sifat dielektrik ........................................................................................................ 11 KESIMPULAN DAN SARAN......................................................................................... 12 Kesimpulan ............................................................................................................ 12 Saran ...................................................................................................................... 12 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 12 LAMPIRAN ..................................................................................................................... 14
DAFTAR TABEL
6
DAFTAR GAMBAR 1 Jenis-jenis komposit berdasarkan penguat ................................................................... 2 2 Reaksi bisphenol A dengan epiclorohydrin ................................................................................................................... 3 3 Diagram alir penelitian................................................................................................. 5 4 Alat frank welltest ........................................................................................................ 6 5 Daerah-daerah pengujian kekerasan............................................................................. 6 6 Mikroskop stereo.......................................................................................................... 6 7 Jejak kekerasan HB dengan mikroskop stereo 6 8 Universal testing machine merk schenk DAFTAR LAMPIRAN trebel....................................................................................................................... 7 1 Skema pembuatan sampel .......................................................... 9 Uji tekan....................................................................................................................... 7 2 Data kekerasan komposit marmer 10 Skema pengukuran kuat tekan...................................................................................... 7 .............................................. 2 Pengukuran kuat patah (bending7 strength) 11 Universal testing machine............................................................................................ ......................................................................................................... 12 Bending strength ......................................................................................................... 7 3 Gambar penampang melintang8 komposit 13 Skema pengukuran bending strength .......................................................................... marmer yang membentuk endapan ................................................. 14 LCR meter Hitester 3522-50 produk Hiokl E.E Coorporation .................................................................................................... 8 15 Rangkaian kapasitor ..................................................................................................... 8 16 Grafik hubungan kekerasan komposit terhadap komposisi............................................................................................................ 9 17 Grafik hubungan kuat tekan terhadap ukuran partikel marmer ..................................................................................................... 9 18 Terbentuknya pori pada komposit marmer .............................................................................................................................. 9 19 Sampel yang telah diuji tekan ...................................................................................... 10 20 Grafik hubungan kuat patah dengan ukuran partikel marmer ..................................................................................................... 10 21 Patahan yang terjadi pada komposit marmer ketika diberi gaya................................................................................................. 11 22 Grafik hubungan dielektrik komposit terhadap komposisi............................................................................................................ 11 23 Grafik hubungan kekerasan (HB) dengan dielektrik terhadap komposisi .......................................................................................... 11
7
• Membuat komposit partikel marmer dengan menggunakan resin epoxy sebagai matriks dan partikel marmer sebagai penguat sebagai fungsi dari komposisi dan mesh. • Mendapatkan dan mempelajari kekuatan dan kekerasan komposit partikel marmer serta mempelajari sifat listriknya.
PENDAHULUAN Latar Belakang Indonesia memiliki kekayaan alam yang sangat menunjang dalam pengembangan industri marmer, baik dari segi kualitas maupun jumlah cadangan yang dapat dimanfaatkan sampai ratusan tahun. Pemanfaatan batu gamping sebagai bahan baku marmer komersil di Indonesia mempunyai prospek yang cerah dan dapat mendukung program pemerintah dalam kebijaksanaan peningkatan ekspor nonmigas. Penggunaan marmer tersebut biasa dikatagorikan kepada dua penampilan yaitu tipe ordinari dan tipe staturio. Tipe ordinari biasanya digunakan untuk pembuatan tempat mandi, meja-meja, dinding dan sebagainya. Sedangkan tipe staturio sering dipakai untuk pahat dan patung. Dalam industri batu ornamen, batuan jenis ini mempunyai nilai ekonomis yang sangat baik dan dikenal sebagai marmer komersial (Tabri 2006). Marmer dalam pengertian masyarakat awam adalah semua batuan alam yang tersusun dari mineral kalsit atau dolomite yang mempunyai kemampuan untuk dipoles sampai mengkilap. Marmer berasosiasi keberadaanya dengan batu gamping. Setiap ada batu marmer selalu ada batu gamping, walaupun tidak setiap ada batu gamping juga ada marmer. Keberadaan marmer berhubungan dengan proses endogen yang mempengaruhinya baik berupa tekanan maupun perubahan temperatur yang tinggi (Tabri 2004). Pada penelitian ini dibuat komposit partikel marmer kalsit. Diharapkan komposit partikel marmer yang dibuat dapat memiliki kualitas yang sama dengan marmer komersil yaitu tipe ordinari dan dapat memiliki variasi yang lebih banyak. Tujuan
Hipotesis • Kekuatan komposit partikel marmer kalsit meningkat karena penambahan partikel marmer. • Konstanta dielektrik meningkat karena nilai kekerasan berkurang. TINJAUAN PUSTAKA Komposit Komposit adalah material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material, dimana sifat mekanik dari material pembentuknya tidak sama. Karakteristik pembentuknya berbeda-beda, maka akan dihasilkan material lain yaitu komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material-material pembentuknya (Vlack 1983). Sifat bahan komposit tidak hanya ditentukan oleh komposisi bahan pembangunnya, melainkan juga geometri (ukuran partikel, distribusi, dan orientasi) dan konsentrasi bahan pembangunnya. Sifat bahan yang menyatu dalam komposit dapat diuji dan dievaluasi secara terpisah. Hal ini mengarah pada kaidah pencampuran komposit, yang disebut dengan Rule Of Mixture (ROM) yang dapat dirumuskan dalam persamaan 1 (Vlack 1983). X k F = X m Fm + X r Fr ............... (1) k Keterangan : X = sifat bahan yang di uji, F = fraksi volum, k = komposit, m = matriks, r = penguat Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat yang digunakan (Kau 1997), yaitu: 1. Fibrous Composites (Komposit Serat) merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat (fiber). 2. Laminated Composites (Komposit Laminat) merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih
8
yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri. 3. Particulate Composites (Komposit Partikel) merupakan komposit yang
menggunakan partikel atau serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya.
(a)
(c)
(b)
Gambar 1 Jenis-jenis komposit berdasarkan penguat (a). Komposit serat, (b). Komposit laminat, dan (c). Komposit partikel. Komposit polimer Komposit polimer adalah komposit yang matriksnya dari bahan polimer dengan pengisi (filler) dari bahan jenis lain (Sudirman, et al 2004). Pembuatannya yaitu dengan penambahan material lain kepada matrik polimer yang fungsinya sebagai penguat. Jenis penguat umumnya berbentuk serat (Wibowo 1999). Berdasarkan sifatnya, polimer terdiri dari termoplastik dan termoset. Polimer termoplastik merupakan polimer linear yang bentuknya dapat diubah-ubah dengan pengaruh panas dan tekanan. Contoh polimer jenis ini yaitu polistirene, polietilene, polivinil klorida, dan lain-lain. Polimer termoset merupakan polimer yang tidak dapat diubah ke bentuk asal jika dipanaskan, dan terdapat hubungan antara molekul satu dengan yang lainnya. Contohnya, phenolic, epoxy, polyester, dan lain-lain. Komposit partikel Komposit partikel merupakan komposit berbasis partikel, lebih menekankan pada ukuran suatu material. Cara pengukuran partikel ada bermacam-macam antara lain dengan mikroskop dan pengayakan. Pengukuran dengan cara pengayakan ditentukan dengan ukuran mesh yang dinyatakan dengan bilangan kawat dibagi unit panjang. Material partikel polimer digunakan sebagai pengisi untuk meningkatkan kekuatan, ketangguhan, stabilitas dimensional dan tahan terhadap radiasi sinar ultraviolet (Kirk&Othmer 1987). Matriks-resin
Matriks adalah bahan dasar pembentuk komposit yang mengikat pengisi dengan tidak terjadi ikatan secara kimia. Matriks dalam suatu komposit polimer berperan untuk mempertahankan posisi dan orientasi serat untuk melindunginya dari pengaruh lingkungan (Sudirman, et al 2004). Fungsi utama matriks resin dalam komposit adalah untuk mengikat partikel dan meneruskan beban dari partikel ke partikel (Nurhasanah 2002). Resin epoxy Epoxy merupakan salah satu material polimer termoset dan memiliki tingkat kekuatan yang tinggi. Epoxy atau polyepoxide adalah sebuah polimer epoxide termosetting yang bertambah bagus bila dicampur dengan katalis atau “pengeras”. Gambar 2 memperlihatkan epoxy sebagai gugus terakhir pada suatu fungsi. Epoxy didapatkan dengan mereaksikan bisphenol A dengan epiclorohydrin dengan penambahan NaOH sebagai katalis (Anonim 2006). Aplikasi epoxy bermacam-macam seperti untuk perekat yang sangat keras. Bahan ini juga digunakan sebagai aplikasi lapisan permukaan lantai yang keras. Sifat pelekatannya membuat bahan ini menjadi pilihan material isolasi yang baik.Tabel 1 memperlihatkan sifat fisik dan mekanik epoxy (Kirk&Othmer 1987). Tabel 1 Sifat fisik dan mekanik epoxy Sifat Modulus Young (GPa) Kuat tarik, (MPa) Heat distorsion temp ( 0C)
Nilai 3 85 110
9
Relative cost
1 GPa = 145.103 psi, 1 MPa = 145 psi Relative cost untuk tahun 1988
2,3
Kerapatan, (g / cm3) Keterangan:
1,1– 1,2
Gambar 2 Reaksi bisphenol A dengan epiclorohydrin Tabel 2 Persyaratan Fisis sesuai SNI 13-0089-1987 Marmer untuk dilantai Jenis Pengujian
Penyerapan air maksimum, % Kuat tekan minimum Ketahana aus, maksimum, mm/menit Kekekalan bentuk
Beban > 250 kg/cm2
Beban < 250 kg/cm2
* 0,75 800 0,130
**
tidak cacat
Marmer untuk batu tempel/hias Konstruksi luar
Konstruksi dalam
0,75 800 0,160
0,75 600 -
tidak cacat
tidak cacat
1,00 500 tidak cacat ***
Keterangan : * Ruang-ruang umum, gedung pertemuan, koridor hotel, toko/pasar dan lain-lain. ** Rumah tinggal biasa, kamar hotel, ruang kantor (bukan umum) dan lain-lain. ***Retak-retak kecil yang tidak tembus, atau tidak akan menyebabkan rapuh Citatah adalah seperti pada Tabel 3 (Nurhasanah 2002). Marmer Marmer atau batu pualam merupakan Tabel 3 Sifat fisis dan mekanik marmer batuan hasil proses metamorfosa atau Citatah malihan dari batu gamping (Anonim 2005). Proses ini terjadi karena adanya tekanan dan suhu yang sangat tinggi, sehingga tekstur Sifat Fisis Nilai batuan asal seperti tekstur sedimen dan Kerapatan, (g / cm3) 2,71 biologi menghilang dan membentuk tekstur Kekerasan, SM (Skala Mosh) 4,32 batuan yang baru. Proses tersebut 5 2 880,63 Kuat tekan, (x 10 N/m ) dinamakan proses rekristalisasi. Akibat rekrisatalisasi sturuktur asal batuan Kuat tarik, (x 105 N/m2) 57,76 membentuk tekstur baru dan keteraturan butir(Anonim 2005). Selain itu mutu Sifat mekanis marmer harus memenuhi syarat-syarat fisis Bahan yang telah diproduksi menjadi seperti terlihat pada Tabel 2. suatu bentuk tertentu mempunyai beberapa Marmer Citatah terdapat di daerah sifat, seperti kekuatan, kekerasan, keuletan, endapan batu gamping Tagog Ayu yaitu di ketangguhan (Setiabudy 2007). pinggir jalan raya Bandung di daerah • Kekuatan (strength) adalah besarnya Cianjur, sekitar 30 km dari Bandung gaya yang dibutuhkan agar dapat (Kusnawan 1995). Sifat fisis batuan marmer merusak atau mematahkan suatu bahan. Citatah, umumnya padat, kompak dan keras. • Kekerasan (hardness) adalah suatu Warna batuan yang dominan adalah ketahanan bahan terhadap penetrasi pada berwarna abu muda berbintik, abu muda permukaannya. cerah, krem muda agak putih dan coklat muda. Sifat fisis dan mekanik marmer
10
Pengujian kekerasan brinell adalah pengujian kekerasan dengan penjejakan alat yang telah dikalibrasi, untuk memberikan kekuatan terhadap bola keras, dalam keadaan tertentu, terhadap permukaan material yang akan diuji dan pengukuran diameter jejak setelah beban dilepaskan. Nilai keras brinell adalah suatu indeks kekerasan yang dihitung dari luas daerah lekukan yang ditimbulkan oleh penekanan penetrator (Vlack 1983). Berdasarkan acuan SNI 19-0405-1989 nilai keras brinell dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: HB =
2 Pα
⎛ 2 2⎞ πD⎜ D − D − d ⎟ ⎠ ⎝
Keterangan : HB D (penetrator) P (beban) d α
......... (2)
= Hard brinell (N/mm2) = 5 mm (bola baja) = 613N = jejak penetrator pada sampel (mm) = 0,102
Kekuatan patah berkaitan dengan komposisi, struktur bahan, pori-pori dan ukuran butiran. Terdapat dua pengujian untuk menentukan kekuatan bahan yang berdasarkan tumpuan, yaitu tiga titik tumpu (three point bending) dan empat titik tumpu (four point bending). Kuat patah sampel dapat diukur dengan menggunakan alat uji universal testing machine (UTM). Kekuatan patah sampel berbentuk balok dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Alfianti, 2005): 3PL Kp = ............................... (3) 2 2bh Keterangan : Kp = Kuat patah (N/m2) P = Gaya (1kgf = 1kg × 9,81 N/kg) L = jarak penyangga (cm) b = lebar sampel (cm) h = tebal sampel (cm) Sifat dielektrik Kapasitor adalah piranti yang berguna untuk menyimpan muatan dan energi. Suatu kemampuan menyimpan muatan listrik disebut kapasitans. Besar muatan yang tersimpan dalam kapasitor sebanding dengan beda potensial Q = C .V ........................................... (4)
Keterangan : Q = mutan elektron (coloumb) C = nilai kapasitans (farad) V= besar tegangan (volt) Nilai kapasitans suatu bahan tidak tergantung pada muatan maupun tegangan kapasitor tetapi hanya pada faktor-faktor geometri dan sifat bahan dielektriknya. Untuk tinjauan kapasitor keping sejajar, faktor geometri yang menentukan adalah luas penampang keping sejajar dan jarak antara kepingnya, sedangkan sifat bahan dielektriknya ditentukan oleh nilai konstanta dielektrik bahan. Besarnya nilai kapasitans kapasitor keping sejajar dinyatakan sebagai: A ...................................... (5) C = κε 0 s
Keterangan: κ = konstanta dielektrik ε 0 = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12 F/m) A = luas penampang keping sejajar (m2) s = jarak antar dua plat kapasitor (m) Pada ruang hampa kapasitas kapasitor dinyatakan sebagai: A C 0 = ε 0 ...................................... (6) s Jika antara keping sejajar terdapat bahan dielektrik maka kapasitansnya sebesar: A C = ε ........................................... (7) s Keterangan : ε = permitivitas bahan dielektrik (F/m) Besarnya konstanta dielektrik sebagai berikut: C ε ................................. (8) = κ = ε 0 C0 Dielektrik dapat memperlemah medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor karena dengan adanya medan listrik internal. Molekul-molekul dalam bahan dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar (Tipler 2001). BAHAN DAN METODA Tempat dan waktu Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Juni 2007 sampai dengan Januari 2008, bertempat di Laboratorium Fisika Terapan FMIPA IPB, Laboratorium Fisika Tanah Departemen Manajemen Sumber Daya Lahan IPB dan Pusat Penelitian dan
