Kajian Awal Pembuatan Biokomposit Pati Tapioka Berpenguat Serat Rami Acak
2. Metode 1 Serat Ram
Serat rami yang digunakan merupakan serat rami dari Garut. Serat rami ini telah dalam kondisi sudah dialkalisasi, memiliki densitas 1.4 gr/cm3, dan kekuatan tarik sebesar 330 MPa [14].
Serat yang digunakan memiliki panjang 10mm.
2.2. Matriks Pati tapioka
Tepung pati yang digunakan merupakan pati merk Tepung Tapioka Gunung Agung, PT Budi Acid Jaya Tbk. Poli Vinil Alkohol (PVA) yang digunakan berasal dari PT. Central Kimia, Bandung. Komposisi pati tapioka/PVA yang digunakan adalah 71/29 wt%. Proses pembuatan matriks dilakukan dengan menggunakan air sebagai plastisizer. PVA dimasukkan ke dalam air dan dipanaskan hingga 85oC, kemudian
didinginkan hinnga temperatur 50oC, lalu
ditambahkan pati dan dipanaskan hingga temperatur gelatinasi yaitu 75oC.
2.3. Pembuatan Biokomposit
Biokomposit dibuat dengan proses cetak taung dan dilanjutkan dengan proses tekan panas. Proses cetak tuang selesai, kemudian biokomposit dikeringkan selama 48 jam dengan kipas angin. Biokomposit yang telah kering kemudian diproses tekan panas pada temperature 40oC dan 120 oC
selama 1 jam dan tekanan 3,2 bar. Tabel 2-1 menunujukkan variasi dan kode sampel biokomposit pada penelitian ini.
Tabel 2-1 Variasi biokomposit yang dibuat Rencana
fraksi volum serat (%)
Temperatur proses tekan
panas (oC) Kode sampel
10 40 K40-10 15 K40-15 20 K40-20 10 120 K120-10 15 K120-15 20 K120-20
2.4. Karakterisasi Sifat Fisik Biokomposit
Karakterisasi sifat fisik meliputi densitas, fraksi volum serat, matriks, dan void. Proses karakterisasi mengacu pada ASTM D 792-00 [15]. untuk proses pengukuran densitas dan ASTM D 3171–99 [16] untuk penentuan fraksi volum komponen penyusun dan void.
2.5. Pengujian Tarik
Pengujian tarik dilakukan unutk mendapatkan kekuatan tarik dan mengacu pada ASTM D 3039 [17].Pengujian tarik menggunakan
alat Universal Tensile Test RTF-1310 dengan kecepatan pengujian sebesar 2 mm/menit. Pengujian tarik dilakukan pada biokomposit dan matriks pati tapioka-PVA.
2.6. Karakterisasi morfologi
Morfologi void pada biokomposit dikarakterisasi menggunakan mikroskop stereo dilakukan pada biokomposit di seluruh fraksi volum serat. Morfologi dari permukaan patahan spesimen uji tarik biokomposit K40-10 dan K120- 10 dikarakterisasi dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM).
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Hasil Karakterisasi Sifat Fisik Biokomposit
Hasil karakterisasi sifat fisik biokomposit meliputi fraksi volum serat, matriks, dan void dapat dilihat pada Tabel 3-1 Fraksi volum serat Vf,
matriks Vm, dan void.
Tabel 3-1 Fraksi volum serat Vf, matriks Vm, dan void Vv
Semakin tinggi fraksi volume serat yang direncanakan, semakin tinggi pula fraksi volume serat yang diperoleh untuk setiap variasi temperatur tekan panas. Akan tetapi nilai fraksi volum serat biokomposit yang diperoleh ternyata tidak sesuai seperti yang direncanakan yaitu 10%, 15%, dan 20%. Tidak sesuainya fraksi volum serat yang diperoleh daripada yang direncanakan disebabkan oleh adanya nilai void yang secara umum memiliki nilai jauh di atas batas fraksi void yang diizinkan sebesar 5% [1].
Metode tekan panas 40oC menghasilkan
biokomposit dengan fraksi volum serat 9,9%, 13%, dan 14%. Metode tekan panas 120oC
menghasilkan biokomposit dengan fraksi volum serat yang lebih besar dibandingkan dengan metode tekan panas 40oC yaitu 14%, 16%, dan
17%. Perolehan fraksi volum serat yang tinggi hasil metode tekan panas 120oC disebabkan nilai
fraksi volum void hasil metode tekan panas 120oC
lebih rendah dari metode tekan panas 40oC (2-
14% vs 18-23%).
Void yang terjadi pada biokomposit dapat
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri
dilihat pada Gambar 3-1 dan Gambar 3-2. Metode pembuatan cetak tuang adalah metode yang mirip proses hand lay-up. Larutan dari pati tapioka
dengan viskositas yang relatif tinggi yang dituangkan kedalam serat acak dapat menyebabkan udara terjebak. Semakin tinggi fraksi volum serat, semakin banyak rongga antar serat terbentuk sehingga semakin tinggi pula fraksi void yang terjadi. Dari hasil pengujian terlihat bahwa proses tekan panas 120oC berhasil
menurunkan jumlah void yang terjebak.
Gambar 3-1 Void pada penampang tebal biokomposit hasil metode tekan panas 40oC:
a dan b) K40-10, c dan d)K40-15, e dan f) K40-20
Gambar 3-2 Void pada penampang tebal biokomposit hasil metode tekan panas 120oC: a
dan b)K120-10, c dan d)K120-15, e dan f)K120-20 Densitas dari material penyusun dan biokomposit dapat dilihat pada
Rendahnya densitas biokomposit yang diperoleh disebabkan oleh banyaknya void yang terjadi dalam komposit. Nilai densitas biokomposit
berbanding terbalik dengan besar fraksi void yang dimilikinya, lihat Tabel 3-1 Fraksi volum serat Vf,
matriks Vm, dan void dan Error! Not a valid bookmark self-reference.. Semakin tinggi densitas biokomposit, semakin rendah void yang terdapat di dalamnya, dan sebaliknya. Biokomposit K120-10 dengan fraksi volum void terkecil 2,05% memiliki densitas tertinggi 1,33gr/cm3.
Tabel 3-2. Densitas bikomposit sebesar 1,05-1,33 gr/cm3 lebih rendah dari densitas
material penyusunnya yaitu densitas matriks pati tapioka 1,36 gr/cm3 dan serat rami 1,4 gr/cm3.
Rendahnya densitas biokomposit yang diperoleh disebabkan oleh banyaknya void yang terjadi dalam komposit. Nilai densitas biokomposit berbanding terbalik dengan besar fraksi void yang dimilikinya, lihat Tabel 3-1 Fraksi volum serat Vf,
matriks Vm, dan void dan Error! Not a valid bookmark self-reference.. Semakin tinggi densitas biokomposit, semakin rendah void yang terdapat di dalamnya, dan sebaliknya. Biokomposit K120-10 dengan fraksi volum void terkecil 2,05% memiliki densitas tertinggi 1,33gr/cm3.
Tabel 3-2 Densitas Biokomposit dan material penyusun
3.2. Pengaruh fraksi volum serat terhadap kekuatan tarik biokomposit
Gambar 3-3 menunjukkan kekuatan tarik dari biokomposit hasil metode tekan panas 40oC.
Peningkatan fraksi volum serat dari 10% ke 13% berhasil meningkatkan kekuatan tarik biokomposit sebesar 72%. Kekuatan serat rami yang jauh lebih lebih besar (330 MPa [14]) dari matriks tapioka (15 MPa, lihat poin 3.3) memberikan efek penguatan pada matriks. Namun peningkatan fraksi volum serat sampai 13,5% tidak berhasil meningkatkan kekuatan biokomposit. Biokomposit dengan fraksi volum serat tinggi K40-20 bahkan mengalami penurunan kekuatan sebesar 5% dibandingkan biokomposit K40-15 yang memiliki fraksi volum serat lebih rendah. Hal ini disebabkan oleh fraksi volum void K40-20 yang lebih besar yaitu 23%, dibandingkan dengan K40-15 dengan fraksi volum void 12%. Fraksi volum void yang tinggi
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
akan menghasilkan banyak lokasi dengan konsentrasi tegangan sehingga biokomposit dapat patah pada tegangan yang lebih rendah.
Gambar 3-3 Kekuatan tarik biokomposit hasil metode tekan panas 40oC
Gambar 3-4 Kekuatan tarik biokomposit
hasil metode tekan panas 120oC menunjukkan
kekuatan tarik dari biokomposit hasil metode tekan panas 120oC. Semakin tinggi fraksi volum serat
biokomposit dari 13,8% sampai 17,5% ternyata malah menurunkan kekuatan biokomposit sebesar 50%. Kekuatan serat rami (330 MPa [14]) yang jauh lebih lebih besar dari matriks tapioka (25 MPa, lihat poin 3.3) ternyata tidak berhasil memberikan efek penguatan pada biokomposit. Perubahan kekuatan tarik terlihat lebih didominasi oleh fraksi volume void di dalam biokomposit. Fraksi void semakin meningkat (2%, 9%, dan 14%) seiring dengan peningkatan fraksi volum serat (13,8%, 16,4%, dan 17,4%) pada spesimen biokomposit K120-10, K120-15, dan K120-20. Fraksi volume void yang semakin besar seiring dengan peningkatan fraksi volum serat menyebabkan pengaruh penguatan serat pada biokomposit menjadi tidak efektif.
Gambar 3-4 Kekuatan tarik biokomposit hasil metode tekan panas 120oC
3.3. Pengaruh metode terhadap kekuatan tarik biokomposit
Gambar 3-5 menunjukkan perbandingan kekuatan bioplastik campuran pati tapioka-PVA setelah melalui metode tekan panas 40oC dan
120oC. Peningkatan temperatur tekan panas dari
40oC ke 120oC mengakibatkan peningkatan
kekuatan tarik biokomposit sebesar 71%.
Gambar 3-5 Kekuatan Bioplastik
Perbandingan fraksi volume serat dan kekuatan tarik biokomposit yang diperoleh dari proses tekan panas yang berbeda, 40oC dan 120oC
dapat dilihat pada Gambar 3-6. Perbandingan fraksi volum void dari dua metode tekan panas tersebut dapat dilihat pada Gambar 3-7
Gambar 3-6 Kekuatan tarik biokomposit hasil proses tekan panas 40oC dan 120 oC
Gambar 3-7 Fraksi volum void biokomposit hasil proses tekan panas 40oC dan 120 oC
Kekuatan tarik biokomposit hasil metode tekan panas 120oC secara keseluruhan lebih besar
(8-15 MPa) dibandingkan biokomposit hasil metode tekan panas 40oC (4-7 MPa). Kekuatan
tarik yang tinggi pada biokomposit hasil proses tekan panas 120oC dapat disebabkan oleh tiga
faktor. Pertama matriks bioplastik pati tapioka- PVA hasil proses tekan panas 120oC memiki
kekuatan tarik lebih tinggi 71% dibandingkan hasil proses tekan panas 40oC. Kedua, fraksi volum serat
biokomposit hasil proses tekan panas 120oC yang
Temperatur Tekan
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri
lebih tinggi dibandingkan hasil proses tekan panas 40oC (13,8%-17,4% vs 9,9%-13,5%). Ketiga,
fraksi volum void biokomposit hasil proses tekan panas 120oC yang lebih rendah dibandingkan hasil
proses tekan panas 40oC (2%-14% vs 18%-23%). 3.4. Perbandingan kekuatan tarik biokomposit
dengan bioplastik pati tapioka-PVA
Gambar 3-8 menunjukkan perbandingan kekuatan tarik antara bioplastik campuran pati tapioka-PVA dan biokomposit hasil metode tekan panas 40oC. Gambar 3-9 menunjukkan
perbandingan kekuatan tarik antara bioplastik campuran pati tapioka-PVA dan biokomposit hasil metode tekan panas 120oC.
Gambar 3-8 Perbandingan kekuatan tarik antara bioplastik campuran pati tapioka-PVA dan biokomposit hasil metode tekan panas 40oC
Gambar 3-9 Perbandingan kekuatan tarik antara bioplastik campuran pati tapioka-PVA dan biokomposit hasil metode tekan panas 120oC
Kekuatan tarik biokomposit dari hasil metode tekan panas 40oC dan 120oC masih berada
di bawah kekuatan bioplastik pati tapioka-PVA. Penambahan serat rami dengan kekuatan serat rami (330 MPa [14]) yang jauh lebih lebih besar dari matriks tapioka (15-25 MPa) ternyata tidak berhasil memberikan efek penguatan pada biokomposit. Kekuatan tarik biokomposit pati tapioka-PVA dan serat rami lebih didominasi oleh fraksi volume void yang terbentuk di dalam biokomposit yang dapat mencapai 18%.
Perbandingan patahan biokomposit K 40- 10 dengan fraksi void 18% dan biokomposit K 120- 10 dengan fraksi void 2% dapat dilihat pada Gambar 3-10. Semakin rendah void pada biokomposit, serat yang tercabut terlihat semakin pendek, sehingga efek penguatan dari serat semakin besar dan kekuatan tarik biokomposit semakin tinggi. Namun pada biokomposit dengan fraksi volum void 2% masih terlihat serat yang tercabut dengan permukaan serat yang bersih dari matriks. Hal ini menunjukkan bahwa kekuatan ikatan antar muka serat dan matriks pada biokomposit masih relatif rendah. Rendahnya ikatan antar muka serat dan matriks ini yang dapat menjadi penyebab kekuatan biokomposit yang lebih rendah dari matriks walaupun memiliki fraksi volum void yang relatif rendah.
Gambar 3-10 Hasil SEM patahan uji tarik biokomposit a) K40-10, b) K120-10
4. Kesimpulan
Biokomposit dari pati tapioka-PVA yang diperkuat oleh serat rami telah dibuat melalui metode cetak tuang dan tekan panas dengan sifat sebagai berikut:
Kekuatan tarik maksimum sebesar 7 MPa dengan metode tekan panas 40oC dan 15 MPa
dengan metode tekan panas 120oC dan. Fraksi volum serat yang berkisar antara 9.9 %
- 17,4%
Fraksi volum void yang dihasilkan dari keseluruhan biokomposit antara 2% - 23%
Kekuatan tarik biokomposit yang diperoleh masih berada di bawah kekuatan tarik matriks bioplastik tapioka-PVA karena fraksi void yang sangat tinggi serta kekuatan ikatan antarmuka serat dengan matriks yang masih buruk.
Daftar Pustaka
[1] B.T. Astrom, 1997, Manufacturing of Polymer Composite, Chapman and Hall., London
[2] M. S. Omar Faruk, 2015, Biofiber Reinforcement in Composite Materials,
Woodhead Publishing., Cambridge
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
[3] A. K. B. H. P. F. M. S. O. Faruk, 2012, Biocomposites Reinforced with Natural Fibers: 2000-2010, Progress in Polymer Science, pp. 1552-1596
[4] A. S. M. F. G. Koronis, 2013, Green Composites: A Review of Adequate Materials for Automotive Applications, Composites, vol.
44, pp. 120-127
[5] U. R. J. Nickel, 2003, Activities in Biocomposites, pp. 44-48, April
[6] L. W. G. R. C. L. Wen, 2006, Effect of Volume Fraction of Ramie Cloth on Physical and Mechanical Properties of Ramie Cloth/UP Resin Composite, Trans. Nonferrous Met. Soc., vol. 16, pp. 474-477
[7] M. K. T. Vijay Kumar Thakur, 2014, Processing and Characterization of Natural Cellulose Fibers/Thermoset Polymer Composites, Carbohydrate Polymer, vol. 109,
pp. 102-117
[8] M. S. Rosadi, 2014, Kajian Sifat Serap Air dan Sifat Tarik Komposit Poliester Berpenguat Serat Bambu Petung, Tugas Magister Teknik Mesin FTMD, ITB, Bandung
[9] M. R. K. Vijay Kumar Thakur, 2015, Green Biorenewable Biocomposites: From Knowledge to Industrial Applications, Apple Academic Press, Inc.,Canada
[10] J. Mussig, 2010, Industrial Application of Natural Fibres, John Wiley & Sons, United
kongdom
[11] K. J. S. K. M. K. G. M. S. S. Sabu Thomas, 2014, Polymer Composites, Wiley-VCH
Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim [12] J. B. Roy Whistler, 2009, Starch: Chemistry
and Technology, Academic Press, Burlington
[13] L. Marta, 2014, Studi Penambahan Polivinil Alkohol terhadap Sifat tarik dan Sifat Penyerapan Air Bioplastik Tapioka, Tugas Sarjana Teknik Material FTMD, ITB,
Bandung
[14] N. Nanggala, 2013, Prediksi Kekuatan Tarik dan Modulus Elastisitas Serat Rami dengan Metode Distribusi Weibull 2 Parameter, Tugas Sarjana Teknik Aeronotika dan Astronotika FTMD, ITB, Bandung
[15] ASTM D 792, 2000, Standart Test Methods for Density and Spesific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement
[16] ASTM D 3171, 1999, Standart Test Methods for Constituent Content of Composite Materials
[17] ASTM D 3039, 2000, Standart Test Methods for Tensile Properties of Polymer Matrix
Composite Materials
[18] R. R. Rizkiansyah, 2014, Ekstraksi Mikrokristalin Selulosa dari Bambu Apus (Gigantochloa apus) dan Pemanfaatannya sebagai Penguat pada Biokomposit Pati Tapioka/MCC, Tugas Sarjana Teknik Metalurgi dan Material, ITSB, Deltamas
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
