PEMBUATAN KOMPOSIT TERMOPLASTIK BERDASARKAN SERAT
KELAPA SAWIT DENGAN KAEDAH PRAPREG
Maulida
Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan
Abstract
The aim of this project to expand the prepreg concept to non non-continuous based fibers, especially agriculture waste and other waste materials like as palm fiber, newspaper fiber and rice husk fiber. Akrylonytrille butadiene styrene (ABS) is used as the matrix, meanwhile methyl ethyl cetone (MEK) acts as the solvent. The scope of the study on the resin mixing technique with known amount with ratio 1 : 1. The resin mixing technique with known amount (method B) produces prepregs with varying properties depending on the resin to fiber’s ratio. On this project ratio is 1 : 1. the prepreg concept was clearly shown applicable to different resin such as polymethyl methacrylate (PMMA) and polystyrene (PS). Both the prepregs and composite are found as expected to be dependent on the ratio. Also it was found that the prepreg concept applies to different variety of lignocellulosic fibers such as newspaper fiber, rice husk fiber act. Palm fiber is a strong fiber compare newspaper fiber and rice husk fiber nad shown from mechanical properties such as tensile and flexural strength.
Keywords: Prepreg, thermoplastics compisite, resin blend
PENDAHULUAN
Prapreg merupakan suatu bahan setengah siap. Ia merupakan bahan perantara dalam pembuatan sesuatu komposit. Secara umum suatu prapreg terdiri dari serat yang diisitepukan resin matriks yang bersesuaian. Resin yang selalu dikaitkan adalah resin termoset seperti epoksi, poliester dan sebagainya (Mc. Carvill, 1987). Penggunaan resin termoplastik seperti poliolefin, polivinil klorida (PVC) dan lain-lain begitu jarang. Walaupun resin termoplastik memberikan banyak kelebihan, akan tetapi penggunaannya masih terbatas karena masalah pengisitepuan. Berbagai pendekatan telah diperkenalkan, termasuklah kaedah larutan, kaedah leburan, kaedah serbuk (powder fluidised), pencampuran yarn (commingle yarn) dan lain-lain (Leach, 1990; Ramani et al., 1992; dan Moon et al., 1993).Walaupun begitu kebanyakan sulit atau rahasia pembuat/pengeluar, tidak kira dari sudut bahan maupun prosesnya.
Penggunaan prapreg yang paling mudah dapat dilihat dalam industri komposit yang berasaskan termoset, iaitu SMC (sheet molding compound) atau BMC (bulk molding compound) dalam menghasilkan produk komposit siap (Mc. Cluskey et al., 1987 dan Colclough et al., 1987). Penggunaan prapreg ini menjadi salah satu agenda komersial yang penting karena penghasil kompopsit tidak perlu lagi terlibat dalam menyediakan
formulasi resin dan pengisitepuan resin atas serat. Prapreg dapat diperoleh dengan berbagai kandungan resin, jenis resin dan jenis serat yang berbeda mengikut keperluan produk yang akan dihasilkan.
Memandang perkembangan yang baik terhadap penggunaan prapreg dalam industri komposit, maka kajian ini coba mencetuskan suatu ide untuk menggunakan suatu pendekatan teknologi prapreg yang mudah dalam menghasilkan komposit termoplastik yang berasaskan serat lignoselulosik yang berasal dari tandan kosong kelapa sawit dan serat abu sekam padi yang merupakan bahan buangan dari industri minyak kelapa sawit industri pertanian sedangkan serat koran belum termanfaatkan secara optimal. Pemilihan serat-serat ini berdasarkan sumber yang sama yaitu serat lignosellulosa, mudah didapat, tersedia dalam jumlah yang banyak, murah harganya dan yang paling penting yaitu dapat mengurangi bahan buangan ke lingkungan.
METODE PENELITIAN
1. Bahan-Bahan
koran dipotong panjang-panjang dengan alat shreder
dan serat abu sekam padi. Serat-serat ini langsung digunakan tanpa melalui proses pengolahan.
2. Penyediaan Larutan Matriks
Larutan matriks ABS disediakan dengan melarutkan resin termoplastik di dalam MEK dengan kepekatan 30% w/w. Larutan diaduk dengan pengaduk berkekuatan tinggi selama 1 jam. Kepekatan larutan ini dipilih karena berdasarkan kajian-kajian sebelumnya (Chang, 1993 dan Ishak, 1995) bahwa kepekatan ini memberikan penyerapan resin yang baik walaupun masih pada serat kaca.
3. Penyediaan Prapreg
Terdapat berbagai kaedah yang digunakan dalam penyediaan prapreg. Kajian ini hanya mengkaji dua pendekatan, iaitu kaedah rendaman bebas (kaedah A) dan kaedah pencampuran kandungan resin tertentu (kaedah B). Kaedah larutan ini dipilih berdasarkan keberhasilan yang digunakan dalam penghasilan prapreg komposit termoplastik serat selanjar ((Nasir et al., 1993; Ishak, 1995 dan Chew, 1999).
Gambar 1. Langkah - Langkah Penyediaan Prapreg Kaedah A dan B
4. Kaedah Campuran Tertentu (Kaedah B) Pada kaedah berat serat dan berat matriks telah ditentukan dengan perbandingan 1: 1. Serat-serat tersebut direndam di dalam masing-masing larutan.selama 20 menit kemudian diletakan di
dalam kerangka kayu ukuran 35 x 35 x 3 cm. Kepingan prapreg basah tersebut dikeringkan sampai semua pelarut habis menguap. Pengeringan yang cepat dapat dilakukan di dalam oven tetapi pada penelitiaan pengeringan dilakukan pada suhu kamar. Semua kaedah penyediaan prapregnya sama seperti kaedah rendaman bebas tetapi pada kaedah ini jumlah larutannya sesuai dengan perbandingan yang telah ditetapkan.
Serat dicampur dengan larutan yang ditentukan
Serat di rendam
Gambar 2. Kaedah Penyediaan Prapreg dengan Pencampuran Tertentu (Kaedah B)
5. Penyediaan Komposit
Kepingan-kepingan prapreg kemudian diberi penekan panas (hot press) dengan tekanan 7,5 kg/cm2 dan suhu 200 0C. Keadaan ini sama untuk semua komposit yang dihasilkan.
6. Pengujian Sample
6.1. Pengujian Berat Jenis (ρ)
Berat jenis kedua-dua kaedah prapreg ditentukan dengan menggunakan alat piknometer mengikut ASTM D792, yang dilakukan pada suhu kamar. Sebanyak 10 sampel dipotong 2 – 6 gr dipotong secara acak dari prapreg yang dihasilkan dengan menggunakan persamaan di bawah ini.
= W X aquadest ………….(3)
W1 – (W2 – W)
dimana: = berat jenis W = berat sampel
W1 = berat piknometer + aquadest
W2 = berat piknometer + aquadest + sampel
6.2. Pengujian Kekuatan Lentur (Flexural Strenth)
menggunakan alat tensometer. Panjang sampel 150 mm dan lebarnya 30 mm dengan ketebalan yang berbeda mengikut sampel itu sendiri. Kekuatan lentur dapat dinyatakan pada persamaan di bawah ini.
6.3. Pengujian Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
Pengujian kekuatan tarik dilakukan mengikut ASTM D638 dengan menggunakan tensometer terhadap tiap spesimen. Tensometer terlebih dahulu dikondisikan pada beban 100 kgf dan kecepatan penarikan 30 mm/menit, kemudian spesimen dijepit kuat dengan penjepit yang ada pada alat. Mesin dihidupkan dan spesimen akan tertarik ke atas hingga spesimen putus. Kekauatn tarik dapat dinyatakan dengan persamaan di bawah ini.
τ = F/A = Fg/bd ...(5)
Pencirian yang dijalankan diharapkan dapat memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai keistimewaan dan kelemahan teknik yang dikaji dalam menghasilkan sesuatu prapreg yang baik. Sesuatunya prapreg yang baik selalu dikaitkan dengan pengisitepuan/penyerapan yang sempurrna. Hal ini dapat ditunjukkan dari sifat Wr dan taburan
densitas sesuatu prapreg. Kedua ciri ini merupakan sifat fisik bagi prareg. Sifat mekanik tidak dapat dinilai dalam penciriannya karena keadaan prapreg yang rapuh dan lemah.
Selain itu pemilihan faktor pencirian ini juga dibuat berdasarkan usaha untuk mencapai objektif yang telah ditetapkan iaitu mendapatkan teknik penyediaan yang mudah, hemat dan berkesan dalam menyediakan prapreg yang baik dan seragam.
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Berat Jenis Prapreg dan Komposit
Secara keseluruhan sistem komposit selalu menitikberatkan jenis dan bentuk dasar suatu serat yang digunakan di dalam matriks. Serat memegang peranan penting terhadap kemampuan ataupun karakterisasi suatu komposit selain dari jenisnya juga panjang ataupun pendeknya serat tersebut (Hull, 1985, Reinhard, 1987 dan Schwartz, 1992).
Penelitian ini menggunakan beberapa contoh serat lignosellulosa yang lain selain daripada serat tandan kosong kelapa sawit. Serat-serat yang lain yaitu serat koran yang telah dipotong panjang dengan alat pemotong kertas (shreder) dan serat abu sekam padi yang berbentuk partikel-partikel halus. Pemilihan serat-serat ini karena merupakan bahan yang terbuang atau sisa, mudah didapat dan tersedia dalam jumlah yang banyak dan juga berasal dari serat lignosellulosa.
Dari Grafik 1 dapat diketahui bahwa jenis serat yang berbeda walaupun berasal dari bahan yang sama yaitu serat lignosellulosa sangat berpengaruh terhadap berat jenis sesuatu preprag. Oleh sebab itu pada penelitian ini, setiap prapreg menggunakan matriks yang sama, sehingga perbedaan berat jenis yang dihasilkan adalah hasil daripada pengaruh serat-serat yang digunakan serta pengaruh terhadap penyerapan antara metriks dengan serat dan adanya rongga udara.
0
kelapa sawit koran sekam padi
Jenis serat
Selain daripada jenis serat ukuran serat juga sangat mempengaruhi terutama dalam penyusunan serat dalam membentuk prapreg dan komposit. Keadaan ini terbukti dari nilai berat jenis komposit yang disediakan dari prapreg seperti yang ditunjukkan pada Grafik 2. Komposit yang dihasilkan dari serat abu sekam padi mempunyai nilai berat jenis yang paling tinggi. Dimana sewaktu penghasilan prapreg nilai berat jenisnya paling rendah. Hal ini disebabkan karena bentuk dari serat abu sekam padi tersebut yang berbentuk partikel. Sewaktu proses penghasilan komposit, partikel-partikel serat abu sekam padi tersebut berusaha menyusun hingga padat sehingga menghasilkan komposit yang memiliki berat jenis yang tinggi. Sedangkan serat tandan kosong kelapa sawit dan serat koran berbentuk panjang sehingga sukar tersusun dan mungkin ada yang tersimpul dan tergumpal sehingga rongga-rongga udara yang kecil mudah terperangkap sehingga berat jenis komposit tersebut lebih rendah dari berat jenis serat abu sekam padi.
kelapa sawit koran sekam padi
Jenis serat
Grafik 2. Taburan Berat Jenis Komposit dengan Matriks ABS dan Prapreg Serat yang Berbeda Menggunakna Keadaan Pemprosesan yang Sama
2. Sifat-Sifat Mekanik
2.1. Kekuatan Lentur (Flexural Strength) dengan Serat yang Berbeda
Dari Grafik 3 dan 4 masing-masing memperlihatkan pengaruh penggunaan serat yang berbeda terhadap sifat mekanik pelenturannya. Hasil yang diperoleh sesuai menurut Maldas dan Kokta (1995), terhadap serat lignosellulosa dalam komposit polivinil klorida (PVC) dengan menggunakan
kaedah leburan. Komposit yang menggunakan serat kelapa sawit memberikan nilai kekuatan lentur yang paling tinggi dibandingkan serat koran dan serat abu sekam padi. Menurut Maldas dan Kokta (1995) pengaruh terhadap sifat mekanik pelenturan ini disebabkan dari penggunaan serat yang berbeda. Perbedaan itu disebabkan sifat fisik dari serat-serat tersebut seperti kandungan lignin dari serat-serat tersebut dan juga sifat-sifat kimianya.
0
Grafik 3. Kekuatan Lentur Komposit Matriks ABS terhadap Jarak Lenturnya dengan Jenis Serat yang Berbeda-beda
17,5
kelapa sawit kertas koran kertas bekas
Jenis serat
Grafik 4. Perbandingan Kekuatan Lentur Kompodit Matriks ABS terhadap Jenis Serat yang Berbeda-beda
2.2. Kekuatan Tarik (Tensile Strength) dengan Serat yang Berbeda
Grafik 5 memperliharkan kekuatan tarik komposit matriks ABS terhdap jenis serat yang berbeda-beda yaitu serat kelapa sawit, serat koran dan serat abu sekam padi. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa kekuatan tarik serat kelapa sawit memiliki nilai yang paling tinggi dibandingkan serat koran dan serat abu sekam padi. Hal ini sesuai menurut Maldas dan Kokta (1995) bahwa pengaruh penggunaan serat yang berbeda sangat berpengaruh terhadap sifat mekanik kekuatan tarik. Perbedaan itu berdasarkan sifat fisik dan kimia dari serat-serat tersebut.
Serat kelapa sawit memiliki kekuatan tarik yang tinggi karena bentuk serat yang bermacam-macam dan tidak tersusun, malah ada yang tersimpul akan memberikan kesan anisotropik pada komposit serat kelapa sawit. Tidak demikian dengan serat koran dan serat abu sekam padi. Walaupun ukuran partikel abu sekam padi kecil tetapi kerena tidak menggunakan bahan penyerasi (compatabilizer agent) untuk mengikat matriks dengan serat abu sekam padi maka nilai kekuatan tarik abu sekam padi lebih rendah. Walaupun para peneliti (Katz & Milewski, 1978) mengatakan bahwa semakin kecil ukuran partikel maka kekuatan tarik tariknya semakin besar tetapi untuk penelitian ini yang tidak menggunakan bahan penyerasi dan bahan pengandeng (coupling agent) hal itu tidak berlaku.
0
kelapa sawit kertas koran sekam padi
Jenis serat
Grafik 5. Perbandingan Kekuatan Tarik Komposit Matiks ABS terhadap Jenis Serat yang Berbeda-beda
KESIMPULAN
Kedua kaedah didapati sesuai digunakan untuk menghasilkan prapreg untuk keperluan yang yang berbeda. Kaedah A sesuai digunakan untuk
menghasilkan prapreg yang mempunyai satu sifat Wr dan tidak mementingkan berbagai ciri sedangkan
kaedah B sesuai digunakan untuk menghasilkan prapreg yang mengutamakan berbagai ciri. Serat kelapa sawit memiliki sifat mekanik yang lebih baih dibandingkan dengan sifat mekanik serat koran dan serat abu sekam padi yang dapat dilihat dari sifat-sifat mekaniknya yaitu kekuatan lentur dan kekuatan tarik.
DAFTAR PUSTAKA
Chang, K. M. (1993). Development of Thermoplastic Prapreg by The Solution Bond Method, Journal of Polymer Science. Vol. 47. p: 185.
Chew, K. H. 1999. Thermoplstics Filament Winding System. Tesis Ijazah Doktor Falsafah. Universiti Sains Malaysia.
Colclough, W. G. & Dalenberg, D. P. Bulk Molding Compound – Engineered Materials Handbook: Composites. Vol. 1 ASM International. Ohio.
Hull, D (1985). An Introduction to Composite Material. Cambridge University Press.
Ishak, H. 1995. Perkembangan Prapreg Termoplastik Gentian Selanjar Menggunakan Kaedah Pultrasi. Tesis Ijazah Sarjana Sains. Universiti Sains Malaysia.
Katz, H. S. dan Milewski, J. V. (1978). Handbook of Filler for Plastics. Van Nostrand Reinhold, New York.
Leach, D. C. 1990. Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic Matrix Composites, Advance Composites, ed. By Patridge. I. K., Applied Science Publisher. London. 326.
Maldas, D., Kokta, B. V. Resent Advance in the Utulization of Cellulosic Material in PVC Composite. Progress in Wood Fiber Plastics Composite, eds., Balantineez, J. J., Redpath, T.E.,OntarioCenterforMa.
Mc Carvill, M. T. 1987. Prapreg resin – Engineered Materials Handbook: Composites. Vol. 1 ASM International. Ohio. 225.
Mc Cluskey, J. J. & Doherty, F. W. 1987. Sheet Molding Compound – Engineered Materials Handbook: Composites. Vol. 1 ASM International. Ohio.
Ramani, K. & Tryfonidis. 1992. Process Fabrication Manufacturing Composite Materials. 35: 115. Reinhard, T.J & Linda, L.C (1987). Engineered
Material Handbook: Composite. Vol. 1. p. 27. Ohio, ASM International.
