STUDI EXPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON
MATERIAL POLYMERICFOAM YANG DIPERKUAT
SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)
AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik.
ZULFAHMI RAHMAD
NIM. 060401069
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
STUDI EXPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON
MATERIAL POLYMERICFOAM YANG DIPERKUAT
SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)
AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK
ZULFAHMI RAHMAD
NIM. 060401069
Diketahui / Disyahkan :
Disetujui oleh :
Departemen Teknik Mesin
Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU
Ketua,
Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri
STUDI EXPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON
MATERIAL POLYMERICFOAM YANG DIPERKUAT
SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)
AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK
ZULFAHMI RAHMAD
NIM. 060401069
Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi
Periode ke-580, pada Tanggal 21 Juli 2010
Dosen Pembimbing,
NIP. 1957 1001 1985 031 005
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Dosen Pembanding I. Dosen Pembanding II,
Ir.Alfian Hamsi, M.Sc.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala karunia dan
rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi ini dengan sebaiknya.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik
di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Adapun judul skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Mekanika Kekuatan
Bahan, yaitu “STUDI EXPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON
MATERIAL POLYMERICFOAM YANG DIPERKUAT SERAT TANDAN
KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK”.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala
kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh
dari perkuliahan, menggunakan literature, serta bimbingan dan arahan dari Bapak
Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME sebagai Dosen Pembimbing.
Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1.
Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Kamiruddin dan Ibunda Syarifah
Aini,Abang dan Kakak tersayang (Taufik Yulhendri,Azwar,Azwir,Ronald
Regen,Yandi Putra Indah dan Helmi Gusnizar,Fitra Dewi,Syafrida
Wilis,Yusmiati Fitri Dewi) atas doa, kasih sayang, pengorbanan, tanggung
jawab yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang
luar biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
2.
Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME selaku dosen pembimbing yang telah
banyak meluangkan waktunya dan dengan sabar membimbing penulis hingga
skripsi ini dapat terselesaikan.
3.
Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin
Sitorus, ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik USU.
4.
Bapak Muftil Badri,ST yang telah banyak memberikan masukan dan
sarannya demi kesempurnaan penulisan hasil penelitian ini dan juga sebagai
partner dalam penelitian ini.
5.
Bapak Zulfikar,ST dan Bapak Siswo Nugroho,ST yang telah membantu dan
sebagai tempat diskusi.
6.
Bapak/ibu staff pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin, Fakultas
Teknik USU.
7.
Guru-guru ngaji penulis ,Mu’allim Ahmad Mulyono atas bimbingan dan
arahannya kepada penulis agar tetap bertawakkal kepada ALLAH SWT.
8.
Teman-teman stambuk 2006 khususnya yang menjadi teman diskusi dan
menemani penulis selama mengikuti studi dan menyusun skripsi ini
Penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi
penyempurnaan skripsi ini dimasa mendatang.
Medan, Juli 2010
Penulis,
STUDI EXPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON
MATERIAL POLYMERICFOAM YANG DIPERKUAT SERAT
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) AKIBAT
BEBAN TEKAN STATIK.
Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Komposit dari bahan serat (fibrous composite) terus diteliti dan
dikembangkan guna menjadi bahan alternatif baru pengganti fungsi bahan logam,
hal ini disebabkan sifat dari komposit serat yang kuat dan mempunyai berat yang
lebih ringan serta untuk mengurangi pencemaran lingkungan jika dibandingkan
dengan bahan logam. Susunan komposit serat terdiri dari serat TKKS dan matriks
sebagai bahan pengikatnya. Ukuran panjang TKKS yang digunakan berkisar
antara 13 cm sampai 18 cm. Matriks yang digunakan adalah resin epoxy, katalis
MEKP (metil etil keton peroksida), blowing agent dan sebagai penguatnya adalah
serat TKKS. Melalui tugas akhir ini peneliti ingin mengetahui respon dan sifat
mekanik yang tinggi (modulus tekan elastisitas dan kekuatan tekan maksimum)
material komposit serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) akibat uji tekan
statik. Hal ini akan menjadi lebih penting saat penelitian ingin membuat suatu
produk. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa tingkatan respon yang terjadi
berupa kekuatan retak/patah dari pengujian tekan statik aksial dan simulasi
numerik. Dari pengujian diperoleh nilai modulus elastisitas sebesar ± 17.22 MPa
dan kekuatan maksimum atau retak sebesar ± 0.138 MPa. Pada hasil simulasi
numerik diperoleh tegangan normal maksimum pada hasil VonMises
polymericfoam sebesar ± 0.181 MPa. Contour yang menunjukkan tegangan
VonMises melalui ansys akibat tekan statik aksial ini mendekati hasil tegangan
pada eksperimen. Kemudian distribusi tegangan polymericfoam +TKKS
dibandingkan antara bahan baja dan aluminium. Distribusi tegangan yang terjadi
dapat diketahui dengan menggunakan simulasi ansyss rel. 5.4. Penelitian ini
diharapkan dapat mengetahui komposisi bahan yang terbaik dan material yang
berkekuatan tinggi akan tetapi ringan.
Kata kunci : Serat TKKS, Matriks, Beban tekan statik, Modulus tekan elastisitas.
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
i
ABSTRAK
iii
DAFTAR ISI
iv
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
viii
DAFTAR NOTASI
x
BAB 1
PENDAHULUAN
1
1.1
Latar Belakang
1
1.2
Perumusan Masalah
2
1.3
Tujuan Penelitian
2
1.4
Manfaat Penelitian
3
1.5
Sistematika Penulisan
3
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
5
2.1
Pendahuluan
5
2.2
Landasan Teori
7
2.2.1 Polymeric Foam
7
2.2.2 Karakteristik Serat TKKS
8
2.2.3 Teori Uji Tekan Statik
9
2.2.4 Respon Material Akibat Beban Tekan Statik 11
2.2.5 Persamaan Tegangan – Regangan
12
2.2.6 Hubungan Tegangan – Regangan
14
2.2.7 Model Kegagalan Material Polymericfoam 15
2.3
Ansys rel. 5.4
17
2.4
Kerangka Konsep penelitian
17
BAB 3
METODE PENELITIAN
18
3.1
Umum
18
3.2
Alur Penelitian
18
3.3
Tempat dan Waktu
18
3.4
Alat dan Bahan
19
3.4.1 Bahan yang digunakan dalam pembuatan
3.4.1.1 Polyurhethane (PU)
20
3.4.1.2 Serat TKKS
20
3.4.1.3 Bahan pembentuk berongga
(blowing agent)
21
3.4.1.4 Katalis
22
3.4.1.5 Resin
23
3.4.1.6 Wax
24
3.4.1.7 NatriumHidroksida (NaOH)
24
3.4.2 Alat yang digunakan untuk membuat
spesimen
25
3.4.2.1 Mesin Pemotong
25
3.4.2.2 Mesin Penghalus Serat
26
3.4.2.3 Timbangan Digital
26
3.5
Spesimen bahan polymericfom
diperkuatserat TKKS
27
3.6
Alat uji tekan statik
28
3.7
Prosedur pengujian tekan statik
29
3.8.
Proses Pencampuran Spesimen
33
3.8.1 Proses Pembentukan serat TKKS
33
3.8.2 Proses Pembentukan Spesimen
34
3.9
Proses Penggabungan serat dengan matriks
35
3.10
Penyelidikan melalui simulasi ansys rel. 5.4
36
3.10.1 Tampilan pembuka ansys rel. 5.4
38
3.10.2 Mendefinisikan element/property type
39
3.10.3 Mendefinisikan Material Properties
40
3.10.4 Tampilan pembuatan gambar cylinder
40
3.10.5 Proses Meshing
43
3.10.6 Penerapan Solution
44
3.10.7 Proses Analyzing
45
BAB 4
PENGUJIAN DAN ANALISIS PENELITIAN
47
4.1
Pengujian Spesimen
47
4.2
Spesifikasi Mesin Uji
47
4.3
Pengolahan data hasil pengujian material
polymericfoam akibat beban tekan statik
48
4.3.1 Penentuan Modulus Elastisits
48
4.3.2 Hasil uji material polymericfoam akibat
beban tekan statik
49
4.3.3 Modus kegagalan spesimen polymericfoam
diperkuat serat KKS
51
4.4
Permodelan spesimen uji melalui ansys rel. 5.4
53
4.5
Hasil simulasi uji tekan statik aksial
57
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
75
5.1.
Kesimpulan
75
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1
Karakteristik Mekanik Poliester Resin Tak Jenuh
6
Tabel 3.1
Bahan dan Peralatan Yang digunakan Untuk Pembuatan
SpesimenYang Berbahan Dasar Polymericfoam
diperkuat serat TKKS
19
Tabel 3.2
Spesifikasi Material Polymericfoam + TKKS
28
Tabel 3.3
Kondisi Awal Spesimen
29
Tabel 4.1
Spesifikasi Alat Uji Shimadzu Servopulser
47
Tabel 4.2
Tegangan Maksimum material polymericfoam
diperkuat serat TKKS
50
Tabel 4.3
Nilai Karakteristik Bahan Aluminium dan Baja
64
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1
Klasifikasi/Skema Struktur Komposit
5
Gambar 2.2
Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk Komposit
5
Gambar 2.3
Jenis Material Berongga
7
Gambar 2.4
Perubahan benda yang disebabkan oleh tegangan
tekan statik aksial
10
Gambar 2.5
Pengujian Beban Tekan Pada Batang Spesimen
(a)
Sebelum ujji tekan (b) setelah uji tekan
11
Gambar 2.6
Kurva Tegangan – Regangan
13
Gambar 2.7
Model Kegagalan Polymericfoam Diperkuat
serat TKKS Akibat Beban Tekan Statik Dalam Bentuk
AutoCAD 3D
15
Gambar 2.8
Model foam yang dikenai beban tekan
16
Gambar 2.9
Kerangka Konsep Penelitian
17
Gambar 3.1
Bentuk TKKS yang Telah Dicacah
21
Gambar 3.2
(a) cairan blowing agent (b) Struktur rongga
dari blowing agent
22
Gambar 3.3
Katalis
23
Gambar 3.4
Resin
23
Gambar 3.5
Wax
24
Gambar 3.6
NaOH
25
Gambar 3.7
Mesin Pemotong
25
Gambar 3.8
Mesin Penghalus Serat
26
Gambar 3.9
Timbangan Digital
26
Gambar 3.10 Spesimen Polymericfoam Diperkuat Serat TKKS
27
Gambar 3.11 (a) persiapan alat uji tekan shimadzu servopulser
(b) proses eksekusi uji tekan pada spesimen
29
Gambar 3.12 (a) diagram alir pengujian tekan secara ringkas
(b)
diagram alir penyelidikan respon terhadap
berbahan dasar polymericfoam yang diperkuat serat TKKS 33
Gambar 3.13 Skema Bagan Alir Pembuatan Serat TKKS
34
Gambar 3.14 Material Polymericfoam Diperkuat TKKS
36
Gambar 3.15 Diagram Alir Permodelan ansys rel. 5.4
37
Gambar 3.16 Tampilan awal ansys 5.4 interactive
38
Gambar 3.17 (a) Library element type (b) Tampilan element type
39
Gambar 3.18 Tampilan material properties
40
Gambar 3.19 Tampilan pembuatan gambar cylinder melalui ansys
42
Gambar 3.20 Proses meshing material
44
Gambar 3.21 Proses solusi material yang dikenai beban
45
Gambar 3.22 Tampilan Analyzing material yang dikenai beban
tekan statik aksial
46
Gambar 4.1
Alat Uji Tekan Shimadzu Servopulser SC-2DE
48
Gambar 4.2
Respon Tegangan – Regangan Polymericfoam
Diperkuat Serat TKKS Akibat Beban Tekan Statik
49
Gambar 4.3
Model Kegagalan Spesimen Polymericfoam
Gambar 4.4
Model retak/patah pada spesimen membentuk sudut 45
053
Gambar 4.5
Ukuran Spesimen uji tekan statik aksial (2D) dan (3D)
54
Gambar 4.6
Kotak dialog solid circular area
55
Gambar 4.7
Kotak dialog subtract area
56
Gambar 4.8
Kotak Dialog extrude area
56
Gambar 4.9
Model spesimen uji tekan statik aksal
57
Gambar 4.10 Input sifat-sifat material
58
Gambar 4.11 Input nilai beban tekan statik aksial
59
Gambar 4.12 Distribusi tegangan normal arah X spesimen uji
tekan statik aksial
59
Gambar 4.13 Distribusi tegangan normal arah Y spesimen uji
tekan statik aksial
60
Gambar 4.14 Distribusi tegangan normal arah Z spesimen uji
statik aksial
61
Gambar 4.15 Tegangan VonMises Spesimen Uji tekan statik aksial
62
Gambar 4.16 Perbandingan model retak/patah hasil simulasi
dan eksperimen
63
Gambar 4.17 Isotropic Properties Material Pada Aluminium
65
Gambar 4.18 Input Nilai Beban Tegangan Maximum
65
Gambar 4.19 Distribusi tegangan normal arah X bahan aluminium
akibat statik aksial
66
Gambar 4.20 Distribusi tegangan normal arah Y bahan aluminium
akibat statik aksial
67
Gambar 4.21 Distribusi tegangan normal arah Z bahan aluminium
akibat statik aksial
68
Gambar 4.22 Distribusi tegangan normal VonMises bahan aluminium
akibat statik aksial
68
Gambar 4.23 Isotropic Properties Material Pada Baja
69
Gambar 4.24 Input Nilai Beban Tegangan Maximum
70
Gambar 4.25 Distribusi tegangan normal arah X bahan baja
akibat statik aksial
70
Gambar 4.26 Distribusi tegangan normal arah Y bahan baja
akibat statik aksial
71
Gambar 4.27 Distribusi tegangan normal arah Z bahan baja
akibat statik aksial
72
Gambar 4.28 Distribusi tegangan normal VonMises bahan baja
DAFTAR NOTASI
Simbol
Arti
Satuan
A
= Luas permukaan
mm
2d
= Diameter
mm
E
= Young’s Modulus
MPa
F
= Gaya
N
ΔL
= Perubahan Panjang
mm
Lo
= Panjang awal
mm
h
= Tinggi
mm
m
= Massa
kg
υ
= Poisson’s ratio
ρ
= Massa jenis
kg/mm
3σ
= Tegangan
MPa
ε
= Regangan akibat tekan
C
0= Kecepatan penjalaran tegangan
m/s
g
= gravitasi
m/s
2STUDI EXPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON
MATERIAL POLYMERICFOAM YANG DIPERKUAT SERAT
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) AKIBAT
BEBAN TEKAN STATIK.
Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Komposit dari bahan serat (fibrous composite) terus diteliti dan
dikembangkan guna menjadi bahan alternatif baru pengganti fungsi bahan logam,
hal ini disebabkan sifat dari komposit serat yang kuat dan mempunyai berat yang
lebih ringan serta untuk mengurangi pencemaran lingkungan jika dibandingkan
dengan bahan logam. Susunan komposit serat terdiri dari serat TKKS dan matriks
sebagai bahan pengikatnya. Ukuran panjang TKKS yang digunakan berkisar
antara 13 cm sampai 18 cm. Matriks yang digunakan adalah resin epoxy, katalis
MEKP (metil etil keton peroksida), blowing agent dan sebagai penguatnya adalah
serat TKKS. Melalui tugas akhir ini peneliti ingin mengetahui respon dan sifat
mekanik yang tinggi (modulus tekan elastisitas dan kekuatan tekan maksimum)
material komposit serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) akibat uji tekan
statik. Hal ini akan menjadi lebih penting saat penelitian ingin membuat suatu
produk. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa tingkatan respon yang terjadi
berupa kekuatan retak/patah dari pengujian tekan statik aksial dan simulasi
numerik. Dari pengujian diperoleh nilai modulus elastisitas sebesar ± 17.22 MPa
dan kekuatan maksimum atau retak sebesar ± 0.138 MPa. Pada hasil simulasi
numerik diperoleh tegangan normal maksimum pada hasil VonMises
polymericfoam sebesar ± 0.181 MPa. Contour yang menunjukkan tegangan
VonMises melalui ansys akibat tekan statik aksial ini mendekati hasil tegangan
pada eksperimen. Kemudian distribusi tegangan polymericfoam +TKKS
dibandingkan antara bahan baja dan aluminium. Distribusi tegangan yang terjadi
dapat diketahui dengan menggunakan simulasi ansyss rel. 5.4. Penelitian ini
diharapkan dapat mengetahui komposisi bahan yang terbaik dan material yang
berkekuatan tinggi akan tetapi ringan.
Kata kunci : Serat TKKS, Matriks, Beban tekan statik, Modulus tekan elastisitas.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah hasil pengolahan
pabrik kelapa sawit (PKS) dengan jumlah yang cukup banyak, yaitu mencapai 1,9
juta ton berat kering per tahun atau setara dengan sekitar 4 juta ton berat basah per
tahun (Nuryanto,2000). Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi
memunculkan penemuan-penemuan baru di berbagai bidang. Dunia teknik
merupakan salah satu bidang yang menunjukkan perkembangan yang sangat
pesat. Terobosan - terobosan baru senantiasa dilakukan dalam rangka mencapai
suatu hasil yang dapat bermanfaat bagi manusia. Komposit merupakan salah satu
jenis material di dalam dunia teknik yang dibuat dengan penggabungan beberapa
sifat berbeda menjadi satu material baru.
Komposit dari bahan serat (fibrous composite) terus diteliti dan
dikembangkan guna menjadi bahan alternatif baru yang dapat menggantikan
fungsi logam, hal ini disebabkan sifat dari komposit serat yang kuat dan
mempunyai berat yang lebih ringan dibandingkan dengan logam. Penelitian yang
mengarah pada pengembangan bahan komposit telah banyak dilakukan, terutama
yang berkaitan dengan komposit penguatan serat alam yang berbahan matrik
polimer. Penelitian ini dilakukan seiring dengan majunya eksploitasi penggunaan
bahan alami dalam kehidupan sehari-hari.
Keuntungan mendasar yang dimiliki oleh serat alam adalah jumlahnya
berlimpah, memiliki specific cost yang rendah, dapat diperbarui dan didaur ulang,
serta tidak mencemari lingkungan. Untuk memperoleh sifat mekanik yang tinggi
(kekuatan tekan maksimum dan modulus elastisitas) maka serat alam telah diberi
bermacam perlakuan yang dapat meningkatkan sifat mekanik tersebut.
Penggunaan serat TKKS sebagai bahan komposit merupakan langkah yang tepat.
Pada penelitian ini digunakan bahan dasar polymericfoam yang diperkuat serat
TKKS.
Hasil yang diharapkan pada penelitian ini ialah bahan komposit berongga
lebih baik dibandingkan dengan bentuk komposit polimer padat (compact).
Selanjutnya material tersebut akan diuji secara mekanis. Pengujian dilakukan
dengan uji tekan statik. Hasil yang diharapkan ialah didapatkan komposisi bahan
yang terbaik, material yang berkekuatan tinggi dan ringan (low density).
1.2.
Perumusan Masalah.
Kajian penelitian ini terdiri dari :
1. Proses pembuatan bahan polymeric foam dengan serat TKKS menjadi
bentuk-bentuk spesimen uji.
2.
Penyelidikan mikrostruktur bahan terhadap variasi bahan–bahan
pendukungnya.
3. Kekuatan mekanik bahan ini terhadap kondisi pembebanan tekan statik.
Proses pembuatan bahan ini terdiri dari penentuan variasi komposisi antara
matriks, serat TKKS , dan blowing agent. Sedangkan katalis hanya berfungsi
sebagai mempercepat terjadinya proses polimerisasi.
Selain komposisi bahan, penyelidikan perilaku mekanik bahan ini juga
diamati berdasarkan hubungan antara kurva tegangan dan regangan yang
dihasilkan pada pengujian tekan statik. Perilaku mekanik yang diamati pada
penelitian ini adalah berat jenis bahan, modulus elastisitas (E) statik ,tegangan
patah pada material polymericfoam yang diperkuat serat TKKS dan
membandingkan distribusi tegangan maksimum aluminium dan baja melalui
simulasi numerik.
1.3.
Tujuan Penelitian
1.3.1.
Tujuan umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk mengetahui respon material
komposit berbahan polymeric foam yang diperkuat serat TKKS akibat beban
tekan static melalui eksperimen dan simulasi numerik.
1.3.2.
Tujuan khusus
1.
Untuk memperoleh sifat mekanik yaitu modulus tekan elastis dan tegangan
tekan maksimum dari hasil pengujian tekan statik pada respon material
polymericfoam diperkuat serat TKKS.
2.
Mengamati permukaan spesimen dan mengetahui kekuatan retak / patah
polymericfoam diperkuat serat TKKS setelah diberikan pembebanan tekan
statik.
3.
Untuk menyelidiki tegangan maksimum yang terjadi dengan menggunakan
simulasi melalui software ansys rel.5.4.
1.4.
Manfaat Penelitian.
Manfaat penelitian ini adalah :
1.
Bagi peneliti dapat menambah pengetahuan, wawasan dan pengalaman
tentang material komposit.
2.
Bagi akademik, penelitian ini dapat digunakan sebagai referensi tambahan
untuk penelitian tentang komposit serat TKKS.
3.
Bagi industri dapat digunakan sebagai acuan atau pedoman dalam pembuatan
komposit yang terbuat dari serat alam, khususnya serat tandan kosong kelapa
sawit (TKKS) sehingga dapat mengurangi pencemaran lingkungan sekaligus
meningkatkan pendapatan masyarakat khususnya produk industri.
1.5
Sistematika Penulisan.
Sistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 5 bab.
BAB I
: PENDAHULUAN
Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai tugas akhir
yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, perumusan
masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan.
BAB 2
: TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan
pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan
untuk menganalisa persoalan.
Berisikan metode dari uji tekan statik. Berisi juga spesifikasi
material komposit TKKS yang dijadikan studi kasus dan juga
mengenai langkah pencampuran bahan, pembuatan spesimen dan
permodelan simulasi dengan menggunakan software ansys rel. 5.4
BAB 4
: PENGUJIAN DAN ANALISIS PENELITIAN
Berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari uji tekan statik dan
simulasi dengan menggunakan simulasi ansys rel. 5.4.
BAB 5
: KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan jawaban dari tujuan penelitian.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Pendahuluan
Bahan komposit merupakan bahan teknologi yang mempunyai potensi
yang tinggi. Komposit dapat memberikan gabungan sifat-sifat yang berbeda -
beda pada penggunaan yang tidak akan diperoleh melalui penggunaan logam,
polimer dan seramiks (Kusy,1986), khususnya tentang sifat kekuatan spesifik
serta kekakuan spesifik (Schwartz,1984).
Gambar 2.1. Klasifikasi / Skema Struktur Komposit (Callister,1994).
Secara umum bahan komposit terdiri dari dua bagian utama, yaitu : (1) matriks
yang mengisolasi fasa, dan (2) penguat (reinforcement) atau fasa sebaran.
Gambar 2.2. Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit.
Matriks
Penguat
Komposit
Composite
Fiber - Reinforced
Particle -
Reinforced
Structural
Continous
(Aligned)
Disontinous
(Short)
Large -
Particle
Disper
sion-Streng
thened
Laminate
Sanwidch
Panel
Dan komposit berbeda dengan paduan (alloy), untuk menghindari
kesalahan dalam pengertiannya, oleh Van Vlack (1994) menjelaskan bahwa alloy
(paduan) adalah kombinasi antara dua bahan atau lebih dimana bahan-bahan
tersebut terjadi peleburan sedangkan komposit adalah kombinasi rekayasa dari
dua atau lebih bahan yang mempunyai sifat-sifat seperti yang diinginkan dengan
cara kombinasi sistematik pada kandungan-kandungan yang berbeda tersebut.
Sifat – sifat dari komposit sangat tergantung kepada sifat – sifat dari fasa – fasa
pembentuknya, jumlah relatif masing – masing fasa, bentuk dari fasa, ukuran fasa
dan distribusi ukuran dari fasa – fasa dan sebarannya. Bila komposit tersusun dari
dua material yaitu : (1) M Sebagai Matriks dan (2) P sebagai penguat maka secara
teoritis sifat – sifat hasil pencampuran kedua material tersebut memiliki sifat
diantara sifat dari masing – masing material yang bercampur.
Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa. Biasanya matriks
mempunyai kerapatan / densitas , kekukuhan dan kekuatan yang jauh lebih rendah
daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa mempunyai kekuatan
dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai kerapatan yang rendah.
Matriks jenis ini tergolong polimer thermoplastik, dan memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis dengan pemberian
tekanan ketika proses pembentukannya. Dengan demikian struktur molekulnya
menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan.
Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada tabel 2.1
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin .
Sifat Mekanik
Satuan
Besaran
Berat jenis (
ρ
)
Mg.m
-31,2 s/d 1,5
Modulus Young (E)
GPa
2 s/d 4,5
Kekuatan Tarik (
σ
T)
MPa
40 s/d 90
Seperti telah disebutkan sebelumnya, bahwa penguat komposit yang
digunakan ialah dari bahan TKKS yang kemudian dibentuk menjadi ukuran halus
dan dicampurkan dalam matriks. Berdasarkan Penelitian Subiyanto B,dkk : tiap
(16,19%), selulosa (44,14%) dan hemiselulosa (19,28%) yang mirip dengan
bahan kimia penyusun kayu.
2.2. Landasan Teori
2.2.1 Polymericfoam
Foam didefinisikan sebagai penyebaran gelembung-gelembung gas
yang terjadi pada material cair dan padat. Foam berkembang menjadi
rongga-rongga mikro yang memiliki diameter 10
µ
m. Foam yang tersebar
pada polimer dapat mencapai 10
8/cm
3(Kumar, 2005).
Pada saat ini, perkembangan penelitian telah menghasilkan karakteristik
fisik dan mekanik material foam (Klempner dan Sendijarevic, 2004).
Karakteristik fisik tersebut meliputi faktor geometri, seperti ukuran rongga
dan ketebalan dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat
karakteristik mekanik. Karakteristik mekanik terdiri atas densitas dan
modulus elastisitas.
Material foam memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan
rongga tersebut dapat diketahui melalui pengamatan struktur mikro
material foam. Susunan rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan terbuka
(open-cell) dan tertutup (closed-cell). Pada material foam dengan susunan
rongga terbuka terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat fleksibel.
Material foam dengan susunan rongga tertutup tidak terdapat pemutusan
dinding rongga dan bersifat kaku. Perbedaan kedua jenis susunan rongga
tersebut ditunjukkan pada gambar. 2.3
a). Rongga terbuka
b). Rongga tertutup
Rongga-rongga pada polimer terbentuk akibat adanya
pencampuran fase padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat
dan membentuk permukaan material yang berongga. Foam yang
dihasilkan dari polimer merupakan gelembung udara atau rongga udara
yang bergabung di dalam polimer tersebut . Gas yang digunakan untuk
membentuk foam disebut blowing agent. Pemberian blowing agent
dilakukan secara kimia dan fisika. Blowing agent secara kimia
menimbulkan dekomposisi unsur-unsur material dalam suatu reaksi kimia.
Blowing agent secara fisika terjadi akibat adanya gas yang diberikan pada
material. Polymeric foam yang bersifat fleksibel dihasilkan oleh reaksi
polyurethane. Polyurethane dalam pembentukan polymeric foam juga
berfungsi sebagai blowing agent. Proses pembentukan rongga dari hasil
reaksi polyurethane fleksibel berlangsung relatif cepat. Pada saat reaksi
pembentukan polyurethane terjadi pengeluaran panas (eksoterm) dengan
kenaikan temperatur mencapai 75 s.d. 160
oC. Peningkatan volume yang
dihasilkan oleh polyurethane sekitar 20 s.d. 50 kali volume mula-mula.
Menurut Sivertsen (2007), reaksi kimia pembentukan polymeric foam
adalah reaksi polyisocyanante (OCN – R – NCO) dengan polyol (HO – R’
– OH) menghasilkan polyurethane (O – OC – HN – R – NH – CO – O –
R’).
2.2.2 Karakteristik Serat TKKS
Dalam penelitian ini digunakan bahan polymericfoam yang
diperkuat serat TKKS. Kebanyakan serat TKKS setelah siap dipakai
khususnya di perkebunan sering dibuang sebagai limbah dan hanya sedikit
yang dapat digunakan untuk diproduksi atau didaur ulang. Dan peneliti
ingin coba mengamati sifat atau karakterisitik dari serat ini karena sifatnya
yang kuat dan juga ringan jika dicampur dengan bahan yang lain. Ukuran
panjang TKKS yang digunakan adalah berkisar antara 13 cm s/d 18 cm.
Dan panjang serat yang telah dihaluskan sebanyak dua kali sebesar 0.1
mm s.d 0.8 mm. Di indonesia merupakan negara dengan perkebunan
berton – ton kelapa sawit diolah. TKKS adalah salah satu produk samping
kelapa sawit. Setiap ton kelapa sawit yang diolah diperoleh TKKS yang
mencapai 250 kg (Isroi, 2008).
Sayangnya, saat ini pemanfaatan TKKS belum maksimal.
Penggunaan TKKS, contohnya di PTPN VII unit usaha rejosari adalah
sebagai pupuk diperkebunan sawit. Padahal penggunaan TKKS tidak
hanya sebatas sebagai pupuk perkebunan. Contohnya saja dari TKKS
dapat dihasilkan marka kerucut, papan partikel dan sebagainya. (Subyanto,
2003). Penelitian mengenai penggunaan komposit serat TKKS diharapkan
dapat menjadi acuan dan alternatif baru dalam pembuatan suatu produk
yang dapat diperbarui dan didaur ulang.
2.2.3 Teori Uji Tekan Statik.
Tegangan tekan berlawanan dengan tegangan tarik. Jika pada
tegangan tarik, arah kedua gaya menjahui ujung benda (kedua gaya saling
berjauhan), maka pada tegangan tekan, arah kedua gaya saling mendekati.
Dengan kata lain benda tidak ditarik tetapi ditekan (gaya-gaya bekerja di
dalam benda). Kekuatan tekan material adalah nilai tegangan tekan
uniaksial yang mempunyai modus kegagalan ketika saat pengujian.
Perubahan bentuk benda yang disebabkan oleh tegangan tekan dinamakan
mampatan. Misalnya pada tiang-tiang yang menopang beban, seperti tiang
bangunan mengalami tegangan tekan. Kekuatan tekan biasanya diperoleh
dari percobaan dengan alat pengujian tekan. Ketika dalam pengujian
nantinya, spesimen (biasanya silinder) akan menjadi lebih mengecil seperti
menyebar lateral. (Ismoyo,1999). Perubahan benda yang disebabkan
Gambar 2.4 Perubahan benda yang disebabkan oleh tegangan tekan aksial
Keterangan :
A = Luas Penampang
F = Gaya yang bekerja sebagai penekanan
L
0= Panjang Awal
ΔL = Perubahan panjang, dimana : ΔL = L
0– L
1Dalam perancangan teknik yang sebenarnya sebagian besar kita bertumpu
pada tegangan teknik. Pada kenyataannya, tegangan sebenarnya berbeda
dengan tegangan teknik. Oleh sebab itu, material akibat beban tekan dapat
dihitung dari penjelasan persamaan yang diberikan. Hal ini tentu saja
karena perubahan luas penampang (A
0) dan fungsi dari luas penampang A
= φ (F).
(Callister:2003)
1.
Perbedaan nilai deviasi tegangan dapat disimpulkan sebagai berikut:
Pada kompresi spesimen akan mengecil atau memendek. Material akan
cenderung menyebar kearah lateral dan meningkatnya luas penampang
2.
Pada uji tekan, spesimen dijepit pada ujung – ujungnya. Untuk alasan
ini, timbul gaya gesekan yang akan menentang penyebaran lateral ini.
Berarti yang harus dilakukan untuk menghindari gaya gesekan ini
harus dengan meningkatnya energi selama proses penekanan.
2.2.4 Respon Material Akibat Beban Tekan Statik.
Mekanisme deformasi polymericfoam akibat beban tekan statik
ditunjukkan oleh kurva tegangan-regangan. Pada uji tekan statik diperoleh
tiga tingkatan respon yaitu: elastisitas linier (bending), plateau (buckling
elastis), dan densification. Elastisitas linier ditandai oleh bending terhadap
dinding rongga dan kemiringan (tegangan-regangan) awal atau modulus
elastisitas diperoleh dari tingkatan ini. Plateau merupakan karakteristik
respon yang terjadi setelah polymericfoam mengalami elastisitas linier
ditandai dengan berlipatnya rongga-rongga polymericfoam. Pada saat
rongga-rongga hampir terlipat seluruhnya dan dinding-dinding rongga
menyatu mengakibatkan rongga-rongga menjadi lebih padat, tegangan
normal tekan statik akan meningkat. Untuk mengoptimalkan produk
tersebut perlu diketahui karakteristik material penyusunnya akibat beban
tekan statik. Karakteristik suatu spesimen harus terukur, untuk itu perlu
suatu pengujian tekan statik agar karakteristik dapat diketahui.
Karakteristik dapat diketahui dari respon yang dialami oleh material.
Respon diakibatkan oleh adanya gangguan (disturbance) yang diberikan
terhadap sebuah sistem, seperti: F (gaya), T (temperatur), dan lain-lain. Di
dalam uji tekan statik, gaya yang diberikan ditunjukkan pada Gambar. 2.5
F
F
)
(a (b)
Lo
L
∆
Gambar. 2.5. Pengujian beban tekan pada batang spesimen
Berdasarkan respon yang ditunjukkan pada Gambar.2.5 dapat ditentukan
respon mekanik berupa tegangan normal dan regangan akibat beban tekan
statik.
Polymericfoam dengan massa jenis yang rendah merupakan jenis
material baru yang banyak diaplikasikan untuk keperluan keteknikan.
Polymericfoam digunakan sebagai peredam energi impak, seperti:
pelindung pada sebuah kemasan, struktur ringan pada panel berlapis, dan
lain-lain. Polymericfoam dapat dimanfaatkan secara efisien jika sifat-sifat
polymericfoam telah diketahui sesuai dengan aplikasinya. Walaupun
pemanfaatan
polymericfoam
masih dimanfaatkan sebagai bahan
sampingan tetapi respon polymericfoam yang menunjukkan kegagalan dan
kekuatannya mutlak diperlukan.
Pertimbangan yang paling penting dalam upaya untuk mencegah
terjadinya kegagalan desain suatu struktur adalah tegangan yang terjadi
tidak melebihi dari kekuatan material. Akan tetapi, ada banyak
pertimbangan lain harus diperhatikan, misalnya: tegangan yang terjadi
dalam jangka waktu yang lama (fatik), tegangan yang terjadi secara
tiba-tiba (impak), dan lain sebagainya. Penyelidikan respon meliputi beberapa
aspek, antara lain: respon material dan struktur terhadap pembebanan
tertentu, mekanisme perubahan bentuk yang terjadi pada saat terjadinya
beban maksimum, dan lain sebagainya.
2.2.5 Persamaan Tegangan – Regangan.
Sebuah batang komposit atau selinder yang dikenai beban tekan
akan mengalami perubahan panjang yang disertai pengurangan luas
penampang pada daerah elastic material. Adapun kurva tegangan –
Gambar 2.6. Kurva tegangan – regangan.
Dalam penelitian ini terdapat bahan yang mengalami deformasi
plastis jika terus diberikan tegangan dan bahan ini tidak akan berubah
kebentuk semula. Biasanya material teknik terjadi pada daerah elastis yang
hampir berimpitan dengan batas proposionalistik.
Perubahan panjang ini disebut sebagai regangan teknik (
ε
eng.)
yang didefinisikan sebagai perubahan panjang yang terjadi akibat
perubahan statik (
∆
L) terhadap panjang batang mula-mula (L
0).Tegangan
yang dihasi
lkan pada proses ini disebut dengan tegangan teknik (σ
eng),
dimana didefinisikan sebagai nilai pembebanan yang terjadi (F) pada suatu
luas penampang awal (A
0). Tegangan normal tesebut akibat beban tekan
statik dapat ditentukan berdasarkan persamaan (2.1)
A
F
=
σ
(2.1)
dimana,
σ = Tegangan normal akibat beban tekan statik (N/m
2)
F = Beban tekan (N)
A = Luas penampang spesimen (m
2).
Regangan akibat beban tekan statik dapat ditentukan berdasarkan
L
L
∆
=
ε
(2.2)
Dimana
∆
L
=
L-L0
Keterangan :
ε
= Regangan akibat beban tekan statik
L = Perubahan panjang spesimen akibat beban tekan. (mm)
Lo = Panjang spesimen mula-mula (mm)
Pada prakteknya nilai hasil pengukuran tegangan pada suatu
pengujian tarik dan tekan pada umumnya merupakan nilai teknik.
Regangan akibat beban tekan yang terjadi, panjang akan menjadi
berkurang dan diameter pada spesimen akan menjadi besar, maka ini akan
terjadi deformasi plastis.
2.2.6 Hubungan Tegangan – Regangan.
Robert Hooke (1689), telah mengamati sebuah fenomena
hubungan antara tegangan dan regangan pada daerah elastis suatu bahan
tertentu dan menyimpulkan bahwa dalam batas-batas tertentu tegangan
pada suatu material ialah proporsional terhadap regangan yang dihasilkan.
Teori ini kemudian lebih dikenal dengan istilah hukum Hooke. Namun
teori ini hanya berlaku pada batas elastis material, dimana besarnya
tegangan akan berbanding lurus terhadap pertambahan regangan yang
terjadi. Dan bila beban dihilangkan, maka sifat ini akan menyebabkan
material kembali kedalam bentuk dan dimensi semula.
Berdasarkan respon
yang dialami oleh material maka karakteristik material tersebut dapat
diketahui, seperti modulus elastisitas. Modulus elastisitas secara matematis
(hukum Hooke) dapat ditentukan berdasarkan Persamaan (2.3) dan (2.4).
(2.3)
ε
σ
=
atau
L
A
L
F
E
o∆
=
.
.
(2.4)
Hubungan linear antara tegangan dan regangan adalah salah satu sangat
berguna dalam perhitungan terhadap respon solid elastic linear pada
tegangan, tetapi tegangan mesti digunakan apabila solid yang terjadi
adalah elastic terhadap regangan yang terjadi yaitu ± 0,001.
2.2.7
Model Kegagalan Material Polymeric Foam
Dalam penelitian ini komposit yang digunakan adalah campuran
dari bahan dasar serat TKKS dan polymeric foam. Sifat mekanik dari
material ini tidak tergantung hanya pada sifat – sifat seratnya saja tetapi
juga bagaimana matriks pada komposit memindahkan sebagian tegangan
beban kepada seratnya dan antara serat dan matriknya terdapat panjang
kritis serat sebagai fungsi kekuatan dan kekakuan efektif.
Untuk kegagalan yang terjadi pada spesimen yang berbahan dasar
dari serat TKKS dan polymeric foam dapat dilihat pada gambar 2.7.
Detail A:
45
0Gambar 2.7. Model kegagalan polymeric foam diperkuat serat TKKS
Kegagalan dilihat secara makroskopik menunjukkan kegagalan geser
yang ditandai dengan arah retak membentuk sudut 45
0 terhadap arahpembebanan seperti ditunjukkan pada gambar 2.7 (Detail A). Kegagalan
terhadap polymeric foam yang diperkuat serat TKKS juga ditandai dengan
terbentuknya beberapa rongga yang membesar yang dominan menghasilkan
retak prematur. Retak akan terus menjalar saat beban diberikan hingga
spesimen patah. Respon yang terjadi adalah saat pembebanan menghasilkan
gaya yang besar sehingga spesimen yang terjadi mengalami patahan dan
terjadi deformasi plastis.
Model kerusakan sangat berkaitan
dengan mekanisme
keretakan/perpatahan dari suatu material. Menurut Gibson dan Ashby
(1999), bentuk deformasi dinding foam ditunjukkan pada gambar. 2.8.
Bentuk ini dibuat dalam sebuah model kubik yang menggambarkan
sebuah foam. Kegagalan yang sering terjadi diakibatkan oleh bending
terhadap dinding foam. Retak/patah terjadi di daerah percabangan dinding
foam seperti ditunjukkan pada gambar 2.8.
(a)
Sebelum dikenai beban tekan (b) setelah dikenai beban tekan
Gambar 2.8 Model Foam Yang Dikenai Beban Tekan.
2.3.
Ansys Rel. 5.4
Program ansys ini dikembangkan di Amerika Serikat oleh National
Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler
Bending
dinding foam
Dinding foam
Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan
(stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur
dan komponen mekanika. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri CAD
(Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys
Rel.5.4. Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai
automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau
dipilih dari Ansys 5.4 libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan
kondisi pembebanan dapat diterapkan.
Analisa tegangan dapat memecahkan beberapa kasus banyak
menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi digunakan
karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang
sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan
tiga dimensi mendekati masalah yang sebenarnya.
2.4.
Kerangka Konsep Penelitian
Permasalahan:
1.Karakteristik respon material
polymericfoam diperkuat serat TKKS
perlu diketahui.
2.Melakukan pengujian respon material
polymericfoam diperkuat TKKS
menggunakan teknik uji tekan statik.
Variabel yang dibutuhkan :
1.
Tegangan maksimum dan regangan
didaerah elastis.
2.
Sifat mekanik dari modulus elastisitas.
Beban impak yang
diperoleh dengan
menggunakan teknik
uji tekan dengan variasi
tegangan maksimum
0.138 MPa.
Peneliti melihat,
membandingkan dan
menghitung hasil akhir.
Gambar 2.9 Kerangka Konsep Penelitian
Hasilnya :
a.
Mengetahui respon material polymericfoam diperkuat TKKS yang dikenai
beban tekan..
b.
Mengetahui tegangan maksimum yang terjadi dengan menggunakan
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1.
Umum.
Pada bab tiga ini akan dibahas tentang alur penelitian, alat dan bahan
untuk pengujian dan langkah–langkah pembuatan spesimen uji. Spesimen tersebut
akan diuji dengan uji tekan statik untuk mengetahui sifat–sifat mekanik dari suatu
material. Material yang digunakan berbahan polymericfoam yang diperkuat serat
tandan kosong kelapa sawit (TKKS).
3.2.
Alur Penelitian.
Awal penelitian ini dimulai dengan mengumpulkan sebanyak – banyaknya
literatur dari buku – buku maupun internet. Studi literatur dilakukan agar penulis
dapat memudahkan interprestasi fisik tentang tujuan akhir penelitian. Studi
literatur dilakukan terus menerus hingga penulis memahami betul tentang
penelitian yang akan dikerjakan. Setelah literatur dikerjakan, penulis menyiapkan
bahan dan alat untuk pembuatan spesimen uji. Setelah mengumpulkan bahan dan
alat, maka tahap selanjutnya adalah pembuatan spesimen uji. Pembuatan spesimen
dilakukan dengan pencampuran bahan polymericfoam yang diperkuat serat tandan
kosong kelapa sawit (TKKS). Pembuatan spesimen ini memerlukan ketelitian agar
spesimen yang dihasilkan dapat mendekati sempurna. Setelah pembuatan
spesimen selesai, tahap selanjutnya adalah dengan melakukan pengujian tekan
statik.Tahap terakhir adalah dengan melakukan analisis terhadap spesimen yang
telah diuji.
3.3.
Tempat dan Waktu.
Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium pusat penelitian unit II
program magister dan doctor Teknik Mesin Fakultas Teknik Univesitas Sumatera
Utara. Waktu Penelitian ini direncanakan selama lima bulan mulai dari 15
3.4.
Alat dan Bahan.
Pembuatan spesimen uji pada penelitian ini dilakukan dengan metode
campuran polymeric foam yang diperkuat TKKS. Metode polymericfoam ini
adalah metode yang paling sederhana dalam manufaktur komposit. Alat–alat
yang diperlukan untuk membuat komposit serat TKKS adalah:
1.
Pipa PVC dengan ukuran panjang 75 mm dan diameter 37,5 mm
2.
Timbangan Digital.
3.
Mesin Penghalus Serat TKKS.
4.
Gelas
5.
Masker
6.
Mistar
7.
Mesin pemotong
Dan bahan – bahan yang diperlukan adalah:
1.
Polyurethane yang terdiri dari campuran polyol dengan isocyanate.
2.
Serat TKKS
3.
Wax release agent yang berfungsi untuk memudahkan pelepasan spesimen
dari cetakan.
4.
Katalis, berfungsi untuk memperkuat / memperkeras spesimen.
5.
NaOH,berfungsi untuk menghilangkan kotoran yang terdapat dalam serat.
6.
Polyester Resin Tak Jenuh.
Secara detail spesifikasi alat dan bahan dapat dilihat pada tabel 3.1
Tabel 3.1 Bahan dan peralatan yang digunakan untuk pembuatan spesimen yang
berbahan dasar polymericfoam diperkuat serat TKKS.
No.
Nama
Jml.
Sat.
Jenis Material
Ukuran
Alat:
1.
Cetakan Spesimen
1
set
75x37,5(mm)
2.
Mesin Pemotong
1
bh
3.
Timbangan Digital
1
bh
Bahan:
1.
Matriks
*
g
Unsaturated Polyester
Resin
2.
Serat
*
g
TKKS
3.
Katalis
*
g
MEKP
4.
Blowing agent
*
g
5.
Cairan Pembersih lemak
25
ml
NaOH
1%
7.
Pelumas
1
g
Wax
3.4.1. Bahan Yang digunakan dalam pembuatan spesimen
3.4.1.1 Polyurethane (PU).
Polyurethane yang digunakan adalah polyol dan isocyanat yang
merupakan hasil reaksi antara asam dan basah tak jenuh seperti anhidrid
fialat dengan alkohol dihidrat seperti etilen glikol. Bahan ini tergolong
bahan polimer termoset. Karena bahan ini dihasilkan oleh reaksi kimia
yang melibatkan dua peringkat. Peringkat (1) pembentukan rantai molekul
yang sangat panjang (prapolimer) dan peringkat (2) rantai molekul yang
panjang diikat melalui ikatan yang kuat agar bahan tidak menjadi lembut
kembali jika dikenakan panas berikutnya dan jika panas berlebihan akan
menyebabkan hangus dan rusak. Sifat dari termoplastik ini lebih keras,
lebih kuat dan rapuh dibandingkan dengan termosetting. Polyester resin
ini juga memiliki sifat dapat mengeras dengan capat pada suhu kamar
dengan bantuan katalis tanpa pemberian tekanan. Material ini memiliki
struktur molekul yang lebih kompleks dari fungsi material logam ataupun
keramik. Pada umumnya polyester resin ini dapat membentuk rantai
molekul raksasa dengan atom-atom karbon. Struktur bahan ini
digolongkan dalam bentuk struktur crosslink dengan keunggulan
kemampuan penyebaran beban yang lebih merata terhadap suatu jenis
pembebanan tertentu.
3.4.1.2 Serat TKKS (Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit).
Serat TKKS berfungsi sebagai bahan penguat matrik komposit
polymericfoam yang dihasilkan. Serat TKKS diperoleh dari hasil
pengolahan tandan kosong kelapa sawit menjadi bagian-bagian kecil
melalui beberapa tahapan proses. Tahapan tersebut antara lain: (1)
perendaman TKKS pada larutan NaOH 1% terhadap volume air, (2)
pencacahan menjadi bagian-bagian kecil (5 s.d. 10 cm), (3) pengeringan,
dan (4) penghalusan serat.
Bentuk serat TKKS yang telah dihaluskan dan menjadi serbuk
Gambar 3.1. Bentuk TKKS yang telah dicacah.
3.4.1.3 Bahan Pembentuk Berongga (Blowing Agent).
Blowing agent berfungsi untuk menghasilkan struktur bangunan
sel-sel berongga. Bahan ini akan mempermudah terbentuknya busa dengan
munculnya gelembung-gelembung kecil.
Bahan blowing agent yang digunakan pada penelitian ini ialah
polyurethane atau disingkat dengan PU. Bahan ini termasuk bahan polimer
yang mengandung rantai organik yang digabungkan dengan rantai
urethane / carbamate. Polimer polyurethane terbentuk selama langkah
pertumbuhan polimerisasi sebagai reaksi antara suatu monomer yang
mengandung sedikitnya dua gugus isocyanate dengan monomer lainnya
yang mengandung sedikitnya dua gugus hydroxyl (alkohol) dengan
bantuan katalis. Dan gambar struktur berongga atau blowing agent dapat
(a)
[image:36.595.199.449.81.453.2](b)
Gambar 3.2. (a) Cairan blowing agent (b) Struktur rongga dari blowing
agent
3.4.1.4
Katalis.
Katalis merupakan bahan kimia yang digunakan untuk
mempercepat reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu
kamar dan tekanan atmosfir. Selain itu pemberian katalis dapat digunakan
untuk mengatur pembentukan gelembung blowing agent, sehingga tidak
mengembang secara berlebihan, atau terlalu cepat mengeras yang dapat
mengakibatkan terhambatnya pembentukan gelembung. Jenis katalis yang
digunakan adalah metil etil keton peroksida (MEKP). Gambar Katalis
Gambar 3.3 Katalis
3.4.1.5
Resin.
Resin adalah salah satu serat penguat alami dalam suatu material
komposit. Fungsi utama adalah untuk mengikat kedua bahan dan
memindahkan tegangan dengan serat penguat (reinforced fibre). Secara
umum, resin juga disebut sebagai polimer atau plastik. Polimer dalam
penelitian ini termasuk pada polimer termoset. Karena merupakan bahan
yang dapat mengeras jika dipanaskan dan mempunyai struktur
cross-linked yang memiliki ketahanan yang baik dan sifat suhu yang tinggi.
Resin yang digunakan jenis resin epoxy. Sebagai penguatnya ditambahkan
katalis dan jenis katalis yang digunakan adalah MEKP. Gambar resin
dapat dilihat pada gambar 3.4
3.4.1.6
Wax.
Wax digunakan untuk melumasi cetakan supaya dalam
pembukaan cetakan, spesimen tidak lengket. Wax diolesi disemua bagian
cetakan yang terkena kontak langsung dengan bahan yang akan dibuat.
Sehingga dalam pembukaan cetakan menjadi mudah.
Gambar 3.5.Wax
3.4.1.7
NatriumHidroksida (NaOH)
Serat yang dibutuhkan dalam pembuatan spesimen ini adalah serat
TKKS. Sebelum terjadi pencampuran dengan bahan yang lain, serat ini
harus direndam dengan NaOH, dikeringkan dan dihaluskan untuk
mendapatkan hasil yang terbaik. Sebagaimana dalam reaksi kimia: Fibre -
OH + NaOH Fibre – O - Na + H
2O. Serat yang direndam dalam
larutan 5% dengan natrium hidroksida selama 48 jam. Serat disapu
dengan beberapa setetes asam asetat untuk menetralkan alkali residu.
Gambar 3.6. NaOH
3.4.2
Alat yang digunakan untuk membuat spesimen.
3.4.2.1
Mesin Pemotong.
Alat ini khusus digunakan untuk memotong bahan yang lunak
seperti bahan dari plastic, pipa dan lain-lain. Dalam pencetakan ini
digunakan cetakan dari pipa yang panjangnya 75 mm dan diameter 37.5
mm. Untuk menyesuaikan ukuran tersebut maka digunakan mesin
pemotong yang terlihat pada gambar 3.7.
3.4.2.2 Mesin penghalus serat.
Serat yang telah direndam dengan NaOH, dicacah dan dikeringkan
kemudian dapat dihaluskan dengan menggunakan mesin penghalus serat.
Ini bertujuan agar serat yang dicampur dengan bahan lain akan
mendapatkan spesimen yang utuh dan kuat.
Gambar 3.8. Mesin Penghalus Serat
3.4.2.3 Timbangan Digital.
Timbangan digital ini berfungsi untuk menakar atau menimbang
bahan atau komposisi untuk membuat spesimen. Timbangan digital dapat
[image:40.595.230.429.209.380.2]dilihat pada gambar 3.9
3.5
Spesimen bahan polymericfoam diperkuat serat TKKS
Spesimen yang digunakan untuk penelitian ini adalah bentuk dan geometri
spesimen uji tekan statik polimer dibentuk berdasarkan standar ASTM D1621-00.
Spesimen uji terdiri dari polymeric foam yang diperkuat serat TKKS (Serat
Tandan Kosong Kelapa Sawit).
Polymeric foam yang diperkuat Serat TKKS terdiri dari beberapa unsur
pembentuk yaitu Polyurethane, resin dan serat TKKS. Persentase kandungan
massa unsur pembentuk spesimen adalah Polyurethane (20%), Resin (60%), Serat
TKKS (10%) dan Katalis (10%). Spesimen bahan polymericfoam yang diperkuat
serat tandan kosong kelapa sawit (Serat TKKS) akan diuji tekan statik seperti
ditunjukkan pada gambar 3.10
Detail B:
Gambar 3.10
Spesimen Polymeric foam yang diperkuat Serat TKKS.
Massa dari setiap bahan yang akan dicampur kemudian ditimbang untuk
mengetahui massa dari bahan tersebut. Dan massa jenis dapat diketahui dari
perhitungan yang ada pada bab 4. Dari tabel 3.2 dapat diketahui spesifkasi
Tabel 3.2. Spesifikasi material polymeric foam+TKKS
Material
Massa (g)
Massa jenis
(g/cm
3)
Polymeric Foam
Diperkuat Serat
TKKS
34,91
0,42
3.6
Alat Uji Tekan Statik.
Peralatan yang digunakan dalam pengujian spesimen ini adalah alat uji
impak tekan static. Alat uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat uji
statik tekan dan uji impak. Pengujian tekan statik dilakukan dilakukan dengan
menggunakan alat uji Shimadzu Servopulser uji tekan dipusat penelitian unit II
magister teknik mesin universitas sunatera utara. Pengujian dilakukan pada
temperatur 25
0C (berdasarkan standar ASTM D1621-00). Alat pengujian tekan
statik dapat dilihat pada gambar 3.11.
Detail S :
Keterangan Gambar :
1. Servopulser.
2. Load Cell.
3. Spesimen.
4. Calibration Box.
5. Transient Converter.
6. Cross Head.
Gambar 3.11.(a) Persiapan alat uji tekan shimadzu servopulser (b) proses
eksekusi uji tekan pada spesimen
3.7 Prosedur Pengujian Tekan Statik.
Sebelum melakukan pengujian, kita harus mengetahui terlebih dahulu
kondisi awal spesimen :
Tabel 3.3 Kondisi awal spesimen.
KONDISI AWAL
Material
Komposit Serat TKKS
tinggi (h
o)
75 mm
Diameter (d
o)
37,5 mm
Kecepatan pembebanan
50 mm/menit
Nama Mesin
Shimadzu Servopulser SC-2DE
Adapun langkah – langkah dalam pengujian tekan statik adalah :
1.
Aktifkan sumber arus (Turn on Power Supply), terdapat pada kotak power
2.
Aktifkan sistem pendingin untuk pompa hidrolik. Sistem ini berfungsi
mempertahankan kondisi suhu pelumas agar tetap stabil selama proses
hidrolisasi.
3.
Periksa katup penutup pada pipa penghubung antara pompa air pendingin
dengan sistim hidrolik. Pastikan katup tersebut dalam posisi terbuka dengan
tujuan agar aliran air pendingin dapat bersirkulasi.
4.
Tekan tombol ON yang berada pada bagian belakang Controller. Alat ini
berfungsi sebagai sistim operasi utama alat uji statik Servopulser.
5.
Pastikan tekanan dalam tabung hidrolik sama dengan tekanan atmosfir.
6.
Aktifkan pompa hidrolik melalui layar controller dengan menekan tombol
HYD.
7.
Tunggu hingga lebih kurang 20 hingga 50 detik, atau ditandai dengan suara
dentuman kedua, kemudian tekan tombol LOAD untuk memberikan tekanan
pada pompa hidrolik. Set tekanan yang dibutuhkan untuk pengujian dengan
cara memutar handle-nya. Tekanan pengujian pada umumnya berkisar
antara 5 hingga 15 MPa, atau sesuai dengan kebutuhan, tetapi jangan
mencapai batas maksimum tetapi tekanan yang dipakai yaitu 10 MPa.
8.
Kembalikan layar pada pilihan TEST, yang berarti pengujian telah siap
untuk dilaksanakan.
Adapun skema dan diagram alir pengujian tekan secara ringkas adalah :
1.Proses cross head diatur untuk memasang
dan membuka spesimen
2.Pengaturan beban dan proses pengujian
diatur melalui controller. Untuk mengatur
beban statis tekan tombol berjenis ram,
(a)
3. Perhatikan dan atur beberapa parameter
yang ditunjukkan di controller, yaitu:
- TD dan control gain yang sesuai,
- Tekanan hidraulik dan property,
- Interval TD yang telah ditentukan,
- Posisi awal pada zero point,
- Setting sistem alarm,
- Seluruh sensor dalam keadaan aman
4. Tekan tombol strart pada controller untuk
memulai eksekusi, lalu catat perubahan
beban dan defleksi yang terjadi.
5.Saat spesimen menunjukkan awal keretakan
hentikan operasi Shimadzu Servopulser dengan
menekan tombol stop pada controller.
6.Atur posisi crosshead untuk
mengambil spesimen yang
telah diuji.
Mulai
Persiapan spesimen terutama
dalam penentuan komposisi dan
(b)
Gambar 3.12 (a) diagram alir pengujian tekan secara ringkas (b) Diagram alir
penyelidikan respon terhadap berbahan dasar polymeric foam
yang diperkuat serat TKKS.
Persiapan alat uji shimadzu
servopulser, kalibrasi alat uji
dan parameter pengujian.
Proses eksekusi atau pengujian
terhadap spesimen dan
disturbance seperti beban gaya
(F) yang diberikan.
Evaluasi respon akibat beban tekan statik yaitu
tegangan dan regangan lalu plot kedua respon
tersebut kedalam sebuah kurva (kurva tegangan
– regangan ) dengan menggunakan software
Microsoft office Excel
Pengamatan permukaan patahan atau
pemadatan terhadap spesimen uji lalu
foto beberapa objek yang bekerja
akibat beban yang diberikan.
Analisa hasil dan kesimpulan.
3.8.
Proses Pencampuran Spesimen.
Dalam Proses untuk pengujian ini dilakukan dalam 2 (dua) tahap yaitu
proses pembentukan serat TKKS dan proses pembuatan spesimen.
3.8.1 Proses pembentukan serat TKKS.
Dalam proses pembentukan serat TKKS dalam pengujian tekan
adalah sebagai berikut :
1.
Membersihkan TKKS dengan air bersih untuk menghilangkan
kotoran besar yang menempel seperti plastik,pasir,tanah dan
lain-lain.
2. TKKS direndam dalam larutan NaOH 1M sebanyak 1% selama
lebih kurang satu hari untuk mengikat lemak yang masih tersisa
pada permukaan.
3.
TKKS dicuci dengan air bersih dan dicacah menjadi bagian kecil
dengan ukuran 10 cm – 20 cm.
4.
TKKS dikeringkan selama lebih kurang 2 hari pada suhu 50
0C
s/d 80
0C.tujuan proses ini ialah untuk menurunkan kadar air
yang terkandung sehingga kondisi TKKS cukup kering untuk
diolah menjadi serat.
5.
TKKS dipotong-potong lebih dahulu menjadi ukuran kecil yaitu
berkisar 2 s/d 5 cm sebelum dihaluskan.
6.
Selanjutnya potongan TKKS tersebut dihaluskan dengan
menggunakan alat mesin penghalus sehingga menjadi serat halus
dengan ukuran berkisar 0.1 s/d 0.8 mm.
Adapun bagan alir pembuatan serat TKKS secara ringkas dapat
Gambar 3.13. Skema Bagan Alir pembuatan serat TKKS.
3.8.2 Proses Pembentukan Spesimen
Adapun proses pembentukan spesimen dalam pengujian tekan
dilakukan beberapa langkah sebagai berikut :
1.
Semua alat dan bahan disiapkan.
2.
Semua bahan ditimbang menurut takarannya masing – masing.
3.
Diberi lapisan pemisah antara cetakan dan bahan polymeric foam.
Oleskan cetakan dan alas cetakan dengan bahan pemisah berupa
Wax agar tidak terjadi ikatan yang kuat antara permukaan cetakan
dan spesimen yang dibentuk.Hal ini bertujuan untuk mempermudah
selama proses pembongkaran.
4.
Campurkan resin dan serat TKKS dan aduk hingga merata.
5.
campuran polyurethane berupa polyol dan isocyanat kedalam
campuran resin-serat TKKS tadi dan tuangkan aduk hingga merata.
6.
Tuangkan katalis kedalam campuran resin-serat
TKKS-polyurethane secukupnya ( ± 10%) dan aduk hingga merata
kembali.
Pembersihan TKKS
dengan
menggunakan air
bersih
Perendaman TKKS
pada larutan 1%
NaOH selama 2
hari.
Pencacahan TKKS
menjadi ukuran 10
s.d. 20 cm
Pengeringan TKKS
pada suhu 50 s.d.
70
oC selama lebih
kurang 2 hari.
Penghalusan TKKS
menjadi serat
dengan ukuran 2
s.d. 5 cm secara
hand made.
7.
Tuangkan campuran tersebut kedalam cetakan spesimen yang telah
dipersiapkan dengan ketinggian campuran dalam cetakan sekitar
2/3 dari ketebalan spesimen.
8.
Selanjutnya biarkan campuran tersebut pada tekanan atmosfir dan
suhu kamar. Proses polimerisasi akan terjadi disertai dengan
terbentuknya gelembung gas pada seluruh bagian komposit.
Dengan demikian akan terbentuk spesimen komposit berongga atau
lebih dikenal dengan istilah polymericfoam.
3.9
Proses Penggabungan Serat dengan matriks.
Proses penggabungan serat dengan matriks atau disebut juga dengan
lamina. Proses utamanya dengan mengoleskan resin yang berfungsi sebagai
matriks ke tiap lapisan serat. Langkah – langkah proses penggabungan serat
dengan matriks adalah:
1.
Penentuan perbandingan fraksi volume serat TKKS dengan resin. Pada
penelitian ini digunakan perbandingan fraksi volume serat TKKS dengan
resin yaitu 55 % : 45 %.
2.
Cetakan dilapisi wax agar spesimen tidak lengket. Dan didiamkan lebih
kurang dua menit.
3.
Campurkan resin dengan serat TKKS dan juga bahan yang mendukung untuk
membuat spesimen seperti katalis,polyol dan isocyanate dan blowing agent.
4.
Setelah tercampurkan, kemudian dituangkan kedalam cetakan dengan merata
dan didiamkan hingga lebih kurang satu hari agar dapat mengeras
5.
Specimen dilepas dari cetakan dan dipotong bagian sisinya akibat resin yang
Gambar 3.14. Material polymeric foam diperkuat TKKS
3.10
Penyelidikan Melalui Simulasi Ansys Rel.5.4
<
