Hermawan Judawisastra 1*) , Haroki Madani 2) , Haryo Wibowo 3) 1) Program Studi Teknik Material, Kelompok Keahlian Ilmu dan Teknik Material,
2. Metode 1 Spesimen
Spesimen yang digunakan pada penelitian ini adalah komponen isolator bar IRJ impor dan
digunakan di Indonesia. Gambar 2 menunjukkan spesimen isolator bar IRJ tampak sisi rel (sisi yang menempel pada rel).
Gambar 2. Komponen isolator bar IRJ 2.2 Proses Karakterisasi
Dalam penelitian ini, berbagai jenis karakterisasi dilakukan untuk menentukan jenis material, proses, dan sifat-sifat komponen isolator bar
IRJ. Karakterisasi-karakterisasi yang lakukan terdapat dalam tabel 1.
Tabel 1. Proses karakterisasi
Tujuan Karakterisasi yang dilakukan Karakterisasi jenis serat Uji bakar dan SEM-EDS Karakterisasi jenis
polimer
FTIR Karakterisasi komposisi penyusun komposit
Uji bakar dan uji rendam Karakterisasi arsitektur
dan lapisan serat
Uji bakar, pemeriksaan visual, dan mikroskop optik
Karakterisasi sifat tarik Uji tarik dan pemodelan melalui hukum pencampuran Karakterisasi sifat
elektrik
Megger test
2.2.1 Karakterisasi Jenis Serat
Karakterisasi jenis serat dilakukan dengan metode Scanning Electron Microscope – Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (SEM-EDS). Spesimen
untuk uji SEM-EDS adalah serat penyusun komposit komponen isolator bar IRJ. Sebelum SEM-EDS, terlebih dahulu dilakukan pembakaran komposit pada temperatur 550 0C agar polimer terbakar dan hanya
serat saja yang tersisa.
2.2.2 Karakterisasi Jenis Polimer
Karakterisasi jenis polimer dilakukan dengan metode Fourier Transform Infra Red
(FTIR). Spesimen untuk uji FTIR adalah serbuk polimer penyusun matriks yang didapatkan dengan cara mengerik bagian permukaan komposit.
2.2.3 Karakterisasi Komposisi Penyusun
Karakterisasi komposisi penyusun dilakukan untuk menentukan fraksi volume serat, matriks, dan void. Prosedur karakterisasi komposisi penyusun komposit mengacu pada ASTM D 3171 [3]. Terdapat dua jenis pengujian yang dilakukan pada karakterisasi ini, yaitu uji rendam berdasarkan ASTM D 0792 [4] dan uji bakar berdasarkan ASTM D 2584 [5].
2.2.4Karakterisasi Arsitektur dan Lapisan Serat
Karakterisasi ini dilakukan dengan cara melakukan uji bakar pada bagian tengah, bagian lubang dan bagian ujung. Uji bakar dilakukan pada temperatur 550 0C selama 3 jam sehingga semua polimer habis terbakar dan menyisakan serat gelas saja.
2.2.5Karakterisasi Sifat Tarik
Karakterisasi sifat tarik dilakukan dengan uji tarik mengacu pada ASTM D 3039 [6]. Mesin uji tarik yang digunakan adalah Hung Ta 2101 series, No. Seri 2229, kapasitas 60 ton, dengan kecepatan penarikan 7 mm/detik. Selain itu sifat tarik dihitung pula dengan menggunaan hukum pencampuran komposit serat panjang searah [7].
2.2.6Karakterisasi Sifat Elektrik
Karakterisasi sifat tarik dilakukan dengan alat Megger Test pada kondisi kering dan basah. Spesimen untuk kondisi kering disiapkan dengan memanaskan spesimen pada temperatur 100 0C selama 24 jam agar kandungan air dalam
spesimen menguap. Spesimen pada kondisi basah disiapkan dengan merendam spesimen dalam air selama 3 hari. Pengujian dilakukan pada arah panjang dan tebal komposit dengan tegangan 1 kV.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Analisa Visual Komponen Isolator Bar IRJ
Penampang melintang komponen isolator bar
IRJ dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Penampang melintang komponen isolator bar
IRJ
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa komponen isolator bar IRJ memiliki tampak visual berwarna hijau dengan garis-garis berwarna putih. Tampak visual tersebut menunjukkan bahwa komponen isolator bar IRJ terbuat dari komposit polimer berpenguat serat gelas yang memang umum digunakan sebagai material IRJ [1, 2].
Perbedaan warna pada tampak visual penampang melintang menunjukkan kemungkinan adanya perbedaan susunan dan arsitektur serat gelas di dalam komposit.
3.2 Material Penyusun Komposit Isolator Bar IRJ 3.2.1 Polimer Matriks
Kurva hasil FTIR polimer matriks komposit isolator bar IRJ dan perbandingannya dengan
literatur ditunjukkan dalam Gambar 4 dan Tabel 2.
Gambar 4. Kurva FTIR polimer matriks komposit
isolator bar IRJ
Tabel 2. Perbandingan frekuensi IR hasil karakterisasi polimer matriks komposit komponen isolator bar IRJ
dengan literatur[7,8].
No Frekuensi IR hasil FTIR pada polimer IRJ
Literatur epoksi DGEBA Frekuensi
IR Ikatan kimia 1 3444,87-3360 3427 stretching ikatan C-O-
H
2 3059,10* 3057 stretching ikatan C-H pada grup oxirane 3 2960,73-2870,08 2965-2873 stretching ikatan C-H
dari CH2 dan ikatan CH aromatik dan alifatik
4 1608,63 1608 stretching C=C pada cincin benzena 5 1510,26 1509 stretching ikatan C-C
pada cincin benzena dan ikatan N-H 6 1247,94;1182,36 1251;1182 stretching ikatan C-C-
O-C
7 1116,78 1109 stretching ikatan C-N 8 1037,70 1036 stretching ikatan C-O-
C pada eter 9 - 915 stretching ikatan C-O
pada grup oxirane 10 829,39 831 stretching ikatan C-O-
C pada grup oxirane 11 765,74 772 rocking ikatan CH2
Dari gambar 6 dan tabel 2 dapat terlihat dapat terlihat bahwa ikatan-ikatan kimia yang terdeteksi dari hasil karakterisasi FTIR polimer matriks komposit komponen isolator bar IRJ menunjukkan kesesuaian dengan ikatan-ikatan kimia yang ada pada polimer epoksi DGEBA. Ciri utama spektrum FTIR untuk polimer epoksi yang sudah mengalami curing adalah hilang atau berkurangnya puncak pada frekuensi 3057 cm-1 dan
915 cm-1 yang merupakan frekuensi yang berkaitan
dengan ikatan pada gugus epoksi atau oxirane[9]. Selain itu terdapat peningkatan jumlah ikatan OH yang ditandai dengan meningkatnya puncak di frekuensi ~3500 cm-1. Hilangnya gugus oxirane
dan munculnya gugus OH menunjukkan terjadinya proses polimerisasi dan pembentukan ikatan silang antar rantai polimer epoksi.
Puncak yang muncul di frekuensi ~2900, 1608,63, 1510,26, dan 1182,36 cm-1 menunjukkan
adanya gugus benzena pada polimer epoksi, hal tersebut menunjukkan bahwa polimer epoksi yang digunakan adalah polimer epoksi jenis DGEBA.
3.2.2 Serat Penguat
Hasil karakterisasi SEM-EDS dari serat penguat ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Komposisi kimia serat penguat
Jenis Oksida Komposisi kimia No-
Boron E-Glass[10] (%) Data uji serat penguat (%)
SiO2 52-56 47,73 Al2O3 12-16 14,47 B2O3 0 0 CaO 16-25 27,33 MgO 0-5 1,57 Na2O + K2O 0-2 0
Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa serat penguat memiliki kadar komposisi yang mendekati komposisi no boron E-glass, sehingga dapat
disimpulkan bahwa serat penguat pada komponen isolator bar IRJ termasuk serat gelas tipe E tanpa boron.
Hasil pemeriksaan visual setiap lapisan preform serat sisa hasil pembakaran menunjukkan bahwa komposit tersusun dari 3 jenis lapisan preform serat gelas yang berbeda yaitu preform tenunan sederhana (plain weave), preform
tenunan leno (leno weave) dan preform serat searah
(unidirectional atau UD), lihat Gambar 5.
Karakteristik setiap preform ditunjukkan dalam Tabel 4.
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
Gambar 5. Preform serat penyusun komposit komponen isolator bar IRJ
Tabel 4. Karakteristik Preform
Jenis karakteristik Plain Weave Leno Weave Uni- directio nal
Jenis benang Yarn
(benang dengan pilinan) Roving (benang tanpa pilinan) Roving (benang tanpa pilinan) Pilinan (pilinan/cm) 4 - -
Diameter serat ( m) 10 lusi : 9 pakan : 15
17 Tex benang arah
panjang (tex)
139 33 -
Tex benang arah lebar (tex) 137 158 - Areal density(gram/m2) 200 41,94 - Tebal Preform (mm) 2,3 0,2 -
Jumlah benang arah panjang (benang/cm)
7 2 -
jumlah benang arah lebar (benang/cm)
8 2 -
Dari hasil uji karakteristik preform serta pengamatan rinci visual setiap lapis preform dapat ditentukan bahwa total jumlah lapisan preform adalah 117 lapisan yang terdiri dari: 3 lapisan woven yarn /
WY-200, 38 lapisan leno weave LW, dan 76 lapisan Uni-directional UD. Keseluruhan susunan lapisan
preform tersebut dapat dinotasikan pada arah tebal isolator IRJ mulai dari sisi yang menempel dengan rel sampai sisi luar menjadi: ((WY-200)2((UD-0,LW-0,UD-
0,UD-90,LW-90,UD-90)6(UD-0,LW-0,UD-0)7)sWY-
200).
3.2.2.1 Analisa Material Penyusun Komposit
Komposit komponen isolator bar IRJ merupakan komposit polimer epoksi DGEBA berpenguat serat gelas tipe E tanpa boron (no boron E-Glass). Polimer epoksi terkenal memiliki
sifat mekanik dan ketahanan terhadap lingkungan yang lebih baik dari polimer poliester dan vinil ester [10, 11, 12].Serat no boron E-glass dikenal
memiliki kekuatan mekanik yang baik dengan harga yang rendah. Tidak adanya kandungan boron dalam no boron E-glass akan meningkatkan ketahanan terhadap lingkungan pada serat gelas yang sangat diperlukan pada komponen isolator bar IRJ saat kondisi operasional [12].
Dari hasil karakterisasi preform dapat dilihat bahwa preform serat plain weave diletakkan
di bagian luar, hal ini dilakukan untuk memberikan kestabilan, melindungi preform yang ada di bagian dalamnya dan menjadikan permukaan komposit rata [11]. Preform plain weave WY-200 di bagian
sisi rel berjumlah lebih banyak dari pada lapisan sisi luar (2 lapisan vs 1 lapisan) karena bagian sisi rel pada komposit komponen isolator bar IRJ membutuhkan perlindungan yang lebih baik. Bagian isolator pada sisi rel ini dapat mengalami gesekan yang besar akibat bersentuhan langsung dengan rel yang terbuat dari baja.
Sebagian besar lapisan preform UD (52 dari 76) memiliki orientasi searah panjang
isolator bar IRJ (0 derajat) yang akan
menghasilkan kekuatan tarik pada arah panjang
isolator bar IRJ lebih besar dari arah lainnya.
Konstruksi arah serat seperti ini dirancang karena komponen isolator bar IRJ akan menerima beban
tarik paling besar pada arah panjang[1,13]. Pada sisi tebal, kedua bagian sisi luar
isolator bar IRJ memiliki susunan preform serat
UD 00 dan 900 (arah panjang dan lebar isolator)dan
pada bagian tengah memiliki susunan preform serat UD hanya pada arah 00 atau memanjang.
Konstruksi ini akan menghasilkan komposit
isolator bar IRJ yang tidak optimum untuk
menerima beban bending pada arah tebal. Namun, hal ini seharusnya tidak menjadi masalah besar karena beban bending terbesar terjadi pada arah lebar, bukan pada arah tebal batang isolator [1,13].
3.3 Karakteristik Proses Pembuatan Komposit Isolator Bar IRJ
Hasil karakterisasi komposisi penyusun komposit isolator bar IRJ ditunjukkan
dalam Tabel 5. Komposit memiliki fraksi volume serat yang relatif tinggi sebesar 0,574 dengan fraksi void yang relatif rendah sebesar 0,038.
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Tabel 5. Hasil karakterisasi komposisi penyusun komposit
Fraksi penyusun Nilai
Fraksi volume serat 0,574
Fraksi volume matriks 0,388
Fraksi volume void 0,038
Proses manufaktur komposit yang dapat menghasilkan fraksi volume serat di atas 0,5 dengan fraksi void di bawah 0,05 adalah Resin Transfer Molding (RTM) dan Prepreg Lay Up (PLU) dengan autoclave [11]. Namun hasil pemeriksaan visual pada
preform serat UD (Gambar 6) menunjukkan bahwa preform serat UD terbuat dari preform UD tanpa serat pengikat pada arah lusi, yang hanya umum diterapkan pada proses PLU. Oleh sebab itu dapat disimpulkan bahwa proses manufaktur komponen isolator bar IRJ ini adalah proses Prepreg Lay Up dengan autoclave.
Gambar 10. Susunan preform serat UD tanpa pengikat arah lusi komposit isolator bar IRJ 3.4 Sifat Mekanik dan Elektrik Komposit Isolator Bar
IRJ
3.4.1 Sifat Mekanik Komposit Isolator Bar IRJ
Hasil pengujian tarik dan serta hasil perhitungan dari hukum pencampuran bagian sisi luar, bagian tengah dan keseluruhan komposit isolator bar
IRJ ditunjukkan pada Tabel 6.
Tabel 6. Hasil pengujian dan perhitungan sifat tarik
Komponen Isolator Bar
IRJ tarik (MPa) Kekuatan tarik (GPa) Kekakuan Bagian sisi luar arah
panjang 491 ± 68 8,3± 2,9
Bagian tengah arah arah panjang
982 16,5
Keseluruhan batang komposit isolator bar IRJ
arah panjang
682 11,5
Dari Tabel 6 dapat dilihat bahwa bagian tengah komponen isolator bar IRJ memiliki kekuatan
dan kekakuan tarik arah panjang dua kali lebih besar (982 MPa dan 16,5 GPa) daripada bagian sisi luar (491 MPa dan 8,3 GPa). Hal ini karena pada bagian tengah preform UD diarahkan pada arah panjang (00),
sementara pada bagian sisi luar preform UD diarahkan pada arah panjang dan arah lebar (00 , 900). Hasil
perkiraan keseluruhan komposit isolator bar IRJ pada arah panjang berdasarkan hukum pencampuran menunjukkan bahwa batang isolator bar IRJ memiliki nilai yang cukup tinggi yaitu kekuatan tarik 682 MPa
dan kekakuan tarik 11,5 GPa. Nilai kekuatan tarik tersebut telah memenuhi standar minimal kekuatan isolator bar IRJ yaitu sebesar 350 MPa
[2].
3.4.2 Sifat Elektrik Komposit Isolator Bar IRJ
Hasil pengujian tahanan listrik komposit isolator bar IRJ, pada kondisi kering
dan basah, di arah tebal dan arah panjang ditunjukkan pada Tabel 8.
Tabel 8. Hasil pengujian tahanan listrik komponen IRJ
Sifat elektrik Kondisi kering (Ohm) Kondisi basah (Ohm) Tahanan listrik arah tebal 1,32 x 1010 ± 8 x 108 1,03 x 109 ± 4 x 108 Tahanan listrik arah panjang 1 x 10 10 6,03 x 108 ± 2 x 107
Pada kondisi kering, tahanan listrik pada arah tebal 30% lebih besar dari arah panjang. Pada kondisi basah, tahanan listrik pada arah tebal 67% lebih besar dari arah panjang. Perbedaan nilai tahanan listrik pada arah tebal dan arah panjang, perbedaan tersebut dapat terjadi karena adanya sifat anisotropi pada komposit akibat dari perbedaan susunan preform serat di arah tebal dan arah panjang.
Tahanan listrik komposit isolator bar IRJ pada kondisi kering lebih besar 13 - 17
kali dari pada tahanan listrik pada kondisi basah. Rendahnya tahanan listrik pada kondisi basah terjadi akibat masuknya air yang memiliki konduktifitas listrik yang lebih tinggi daripada komponen penyusun komposit, matriks dan serat.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa rentang tahanan listrik berkisar pada nilai 6,03 x 108 sampai 1,32 x 1010, yang telah memenuhi
batas minimal komposit isolator bar IRJ sebesar 2
x 106 ohm [2].
4 Kesimpulan
Untuk melakukan rekayasa balik komposit komponen isolator bar IRJ, telah
dilakukan proses karakterisasi material komposit dengan hasil sebagai berikut :
1. Komponen isolator bar IRJ adalah komposit polimer epoksi tipe DGEBA berpenguat serat gelas dengan fraksi volume serat 0,574. 2. Komposit isolator bar IRJ tesusun dari
preform tenunan sederhana (WY-200), tenunan leno (LW) dan serat searah (UD). Spesifikasi rinci masing-masing preform
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
Departermen Teknik Mesin dan Industri ISBN 978-602-73461-0-9
sudah diperoleh. Total jumlah lapisan preform serat adalah 117 lapisan yang dapat dinotasikan sebagai berikut ((WY-200)2((0,LW-0,0,90,LW-
90,90)6(0,LW-90,0)7)sWY-200).
3. Komposit isolator bar IRJ dibuat dengan metode prepreg lay-up dan autoclave.
4. Komposit isolator bar IRJ memiliki kekuatan dan
kekakuan tarik arah panjang sebesar 682 MPa dan 11,5 GPa. Kekuatan tarik tersebut sudah memenuhi standar untuk digunakan di Indonesia.
5. Komposit isolator bar IRJ memiliki tahanan listrik minimum sebesar 6,03 x 108 Ohm dan telah
memenuhi standar untuk digunakan di Indonesia.
Daftar Pustaka
[1] Charlton, Z. I. 2007. Master Thesis : Innovative Design Concepts for Insulated Joints. Virginia
Polytechnic Institute.
[2] Suhardji, K. A. et.al. 2011. Pembuatan Insulated Rail Joint Bertulang Baja Dari Bahan Komposit Sebagai Substitusi Impor. Jurnal Riset Industri Vol.
V.
[3] ASTM D3171. 2004. Test Methods for Constituent Content of Composite Materials. ASTM.USA.
[4] ASTM D 0792. 2000. Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement. ASTM.USA.
[5] ASTM D 2584. 2002. Test Method for Ignition Loss of Cured Reinforced Resins. ASTM.USA.
[6] ASTM D 3039. 2002. Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.
ASTM. USA.
[7] Obewele, R. O. 1996. Polymer Science and Technology. New York : CRC Press
[8] Nikolic, G. et. al. 2010. Fast Fourier Transform IR Characterization of Epoxy GY System Crosslinked with Aliphatic and Cycloaliphatic EH Polyamine Adducts. Sensors.
[9] Gonzalez, M.G. et.al. 2012. Application of FTIR on Epoxy Resins.
[10] Dwight, D. W. 2000. Comprehensive Composite Material. p 231-261.
[11] Astrom, B.T. 1997. Manufacturing of Polymer Composites. Chapman & Hall.
[12] Murphy, J. 1998. The Reinforced Plastics Handbook. Elsevier.
[13] Sheikh, W. et.al. 2014. Failure and Stresses Develop in Insulated Rail Joints : General Perspective. IJISME.
Prosiding Seminar Nasional Material dan Metalurgi (SENAMM VIII) Yogyakarta, 5 November 2015
