PENGARUH PEMANASAN DAN PERUBAHAN BENTUK PADA KEKUATAN TARIK POLYVINYL CHLORIDE (PVC)
Oleh : Ir. Muhammad Khotibul Umam Hs, MT Instansi : Jurusan Pendidikan Teknik Mesin FT UNY e-mail : umamhasan@lycos.com
muh_khotibul_umam@yahoo.com
A. Latar Belakang Masalah
Pemanfaatan bahan polimer seperti polyvinyl chloride (PVC) sebagai bahan alternatif selain logam, saat ini banyak dilakukan. Sekalipun penggunaan polimer sebagai bahan pengganti logam tidak menimbulkan masalah yang berarti, tetapi perbedaan sifat kedua bahan itu banyak menimbulkan fenomena yang mendorong para peneliti untuk mempelajarinya.
Dari beberapa sifat yang ada, perubahan sifat akibat perubahan temperatur adalah salah satu sifat yang menarik untuk diamati. Secara umum, polimer mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur bila dibandingkan dengan bahan logam. Kepekaan terhadap perubahan temperatur ini disebabkan oleh rendahnya temperatur transisi gelas (glass transistion temperature) polimer, yang pada umumnya hanya berada di bawah 100 oC.
Temperatur transisi gelas ini merupakan temperatur perubahan struktur polimer yang menyebabkan terjadinya perubahan sifat yang sangat besar (Kumar, 1998). Sebagai contoh, di bawah temperatur transisi gelas suatu polimer dapat bersifat keras dan rapuh, tetapi di atas temperatur tersebut polimer tersebut berubah menjadi lunak dan ulet. Perubahan sifat akibat perubahan temperatur ini dapat digambarkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Pengaruh temperatur pada modulus elastisitas polimer
tis proses pemanasan dan perubahan bentuk itu akan berpengaruh pada sifat mekanisnya. Sekecil apapun pengaruh tersebut akan menimbulkan perbedaan kinerja alat yang menggunakan bahan polimer itu. Oleh karenanya, pengetahuan akan besarnya pengaruh pemanasan dan perubahan bentuk pada polimer ini menjadi penting untuk diketahui, agar dalam merancang alat yang menggunakan bahan polimer ini dapat dicapai kinerja alat yang optimal.
B. Perumusan Masalah
Dari latar belakang masalah yang ada, dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut:
a. Bagaimana pengaruh pemanasan dan perubahan bentuk pada kekuatan tarik PVC.
b. Berapa besar kekuatan tarik PVC sebelum dipanaskan, dan setelah dipanaskan yang disertai dengan adanya perubahan bentuk.
C. Batasan Masalah
a. Material uji adalah material yang ada di pasaran, dalam hal ini digunakan pipa PVC bermerk WAVIN dengan nomor seri AW 3” 541A.
b. Pengujian dilakukan pada kondisi ruang, dan pengaruh perubahan temperatur serta kelembaban udara diabaikan.
c. Bahan uji dianggap homogen dan isotropik. Rubbery plateau
Semicrystaline Cross-linked
Amorphous
Temperature
Tg Tm
log
modul
d. Pengaruh laju pembebanan dan perbedaan ketebalan benda uji pada uji tarik diabaikan.
D. Tujuan Penelitian
a. Mengetahui pengaruh pemanasan dan perubahan bentuk pada kekuatan tarik PVC.
b. Mengetahui besar kekuatan tarik PVC sebelum dipanaskan, dan setelah dipanaskan yang disertai dengan adanya perubahan bentuk.
E. Manfaat Penelitian
a. Mengetahui besarnya kekuatan tarik PVC yang berada di pasaran.
b. Sebagai bahan pertimbangan pada perancangan alat yang menggunakan bahan PVC.
F. Landasan Teori
Polimer merupakan salah satu bahan buatan yang bila ditinjau dari proses pembuatannya, dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok, yaitu thermoplastics dan
thermosetting plastics (Smith, 1998).
Thermoplastics adalah bahan polimer yang pembuatan dan pembentukannya memerlukan panas, dan setelah temperaturnya berada di bawah temperatur transisi gelasnya, bahan akan terbentuk sesuai dengan bentuk cetakannya. Sifat utama bahan ini adalah sifatnya yang relatif tetap (tanpa mengalami perubahan yang berarti), sekalipun dilakukan perubahan bentuk yang berulang-ulang. Salah satu bahan polimer dari jenis ini adalah polyvinyl chloride (PVC).
PVC merupakan polimer bertipe thermoplastics yang mempunyai bentuk
monomer . Bentuk ini mempunyai titik leleh (melting point) sekitar 204 oC, dan temperatur transisi gelas antara 70 – 100 oC. Berat jenisnya antara 1.49 – 1.58 g/cm3, dan kekuatan tarik antara 51.75 – 62.1 MPa, dengan temperatur kerja maksimum tanpa pembebanan sebesar 110 oC.
Sifat lainnya yang penting, yang sangat berbeda dengan bahan lain terutama logam, adalah sifat polimer yang tergantung pada waktu. Bahan yang bersifat
H C C
H
demikian disebut anelasticity material (Dieter, 1981). Karakter tersebut dapat dijelaskan melalui gambar berikut:
Gambar 2. Sifat anelastic dan elastis setelah efek
Bila pada material anelastis dikenakan kakas yang menyebabkan terjadinya regangan elastis e1, maka sesuai dengan bertambahnya waktu, besarnya regangan akan
bertambah sebesar e2. Regangan yang timbul saat jeda ini besarnya e2– e1. Bila secara
tiba-tiba beban yang ada dihilangkan pada saat t = t1, maka besarnya regangan yang
ada akan berkurang sebesar regangan elastisnya, yaitu e1, dan selanjutnya akan
menuju nol sejalan dengan pertambahan waktu. Karakter demikian disebut elastis setelah efek (elastic after-effect). Dengan adanya sifat ini, faktor ketidak-pastian di dalam perancangan dan penelitian pada saat dilakukan menjadi cukup besar, dan harus menjadi perhatian bagi perancang maupun peneliti.
G. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini, bahan dasar pipa PVC berdiameter 3 inchi dipotong-potong dengan ukuran sedikit lebih besar dari ukuran spesimen yang dikehendaki. Selanjutnya dikelompokkan dalam dua kelompok, yaitu:
1. Kelompok yang tidak mendapatkan perlakuan panas, sehingga merupakan bentuk asli dari bahan uji.
2. Kelompok yang mendapatkan perlakuan panas pada suhu di bawah temperatur transisi gelas. Untuk proses ini, spesimen direndam dalam air mendidih selama lebih kurang 3 menit. Selanjutnya, spesimen dipres dalam
t = t
o t = t1
e 1 e2
e 1
Ela
stic st
ra
in
e
kondisi panas untuk menghasilkan bentuk yang lurus. Dalam proses pengepresan ini dijaga agar ketebalan spesimen tidak berubah (berkurang). Proses diakhiri dengan membiarkan spesimen tetap berada dalam alat pres, sampai mencapai temperatur kamar.
[image:5.612.160.489.277.404.2]Tahapan selanjutnya adalah membuat spesimen uji tarik dari kedua kelompok di atas dengan standar ASTM D638M. Pembuatan bentuk sesuai dengan ukuran yang dikehendaki, dan pengujian spesimen untuk kedua kelompok tersebut dilakukan pada temperatur kamar. Kelompok I mempunyai bentuk dan ukuran sebagaimana gambar berikut:
Gambar 3. Bentuk dan ukuran spesimen pada kelompok I
Untuk mendapatkan ukuran dan bentuk spesimen di atas, pada kelompok I dilakukan penyayatan dan pemotongan sesuai gambar berikut:
Gambar 4. Proses penyayatan dan pemotongan pada kelompok I
R
panjang x tebal yang dikehendaki ukuran awal
150.0mm.
50.0mm.
2
0
m
m
R 15 mm
2.1 5 m
m
1
2
.5
m
[image:5.612.225.448.503.673.2]Sedangkan untuk kelompok II, bentuk dan ukurannya tergambar pada Gambar 5 berikut.
Gambar 5. Bentuk dan ukuran spesimen pada kelompok II
Spesimen untuk masing-masing kelompok diambil 5 spesimen untuk dilakukan uji tarik.
Dengan mengacu pada prosedur penelitian di atas, dapat dibuat diagram alir dan tabel eksperimen sebagaimana berikut:
Tabel 1. Tabel hasil eksperimen
No.
SPESIMEN
KEKUATAN TARIK SPESIMEN
TANPA PEMANASAN DENGAN PEMANASAN
1
2
3
4
5
150.0mm.
50.0mm.
3
0
m
m
2
0
m
m
R 60 mm
3.1 0 m
[image:6.612.157.476.442.601.2]Gambar 6. Diagram alir penelitian
H. Hasil Penelitian Dan Pembahasan
Dari hasil penelitian terhadap spesimen yang mendapat perlakuan panas dan yang tidak mendapat perlakuan panas, dapat dilihat pada dua tabel berikut:
Tabel 2. Data pengamatan pada spesimen yang mendapat perlakuan panas
Besaran Satuan Kode Spesimen:
SP3 SP4 SP5 SP6
Panjang awal (L) mm 50.00 50.00 50.00 50.00
Lebar awal (W) mm 20.00 20.00 20.00 19.95
Tebal (t) mm 3.15 3.15 3.15 3.15
Pertambahan Panjang (L)
max mm 52.32 46.42 31.73 36.16
Beban Maximum (P) kN 3.25 3.19 3.25 3.14
Lebar setelah uji tarik mm 12.65 13.60 14.00 13.35
Tegangan Maximum kN/mm2 0.0516 0.0506 0.0516 0.0500
Pertambahan Lebar (W) max mm -7.35 -6.40 -6.00 -6.60
Regangan Panjang max % 104.64 92.84 63.46 72.32
Regangan Lebar max % -36.75 -32.00 -30.00 -33.08
Poisson's Ratio -0.3512 -0.3447 -0.4727 -0.4574
MULAI
PEMOTONGAN PIPA MENJADI UKURAN AWAL SPESIMEN
TANPA PEMANASAN DENGAN PEMANASAN DAN PERUBAHAN BENTUK
PEMBUATAN SPESIMEN
UJI TARIK
HASIL & ANALISA
[image:7.612.121.506.526.721.2]Tabel 3. Data pengamatan pada spesimen tanpa pemanasan
Besaran Satuan Kode Spesimen:
ST1 ST2 ST3 ST5
Panjang awal (L) mm 51.00 51.00 51.00 51.00
Lebar awal (W) mm 12.50 12.50 12.50 12.50
Tebal (t) mm 2.20 2.20 2.20 2.20
Pertambahan Panjang (L)
max mm 54.74 32.33 23.99 25.85
Beban Maximum (P) kN 1.40 1.41 1.41 1.39
Lebar setelah uji tarik mm 7.85 7.80 9.25 8.90
Tegangan Maximum kN/mm2 0.0509 0.0513 0.0513 0.0505
Pertambahan Lebar (W) max mm -4.65 -4.70 -3.25 -3.60
Regangan Panjang max % 107.33 63.39 47.04 50.69
Regangan Lebar max % -37.20 -37.60 -26.00 -28.80
Poisson's Ratio -0.3466 -0.5931 -0.5527 -0.5682
Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa tegangan tarik rerata dan simpangan baku pada spesimen uji tarik yang mendapat perlakuan panas adalah:
05094 . 0
uSP kN/mm2 = 50.94 MPa
sSP = 0.79148
Sedangkan tegangan tarik rerata dan simpangan baku pada spesimen uji tarik yang tidak mendapat perlakuan panas adalah:
05100 . 0
uST kN/mm2 = 51.00 MPa
sST = 0.34816
Jika diambil hipotesis Ho: Tegangan tarik spesimen yang mendapat perlakuan panas =
yang tidak mendapat perlakuan panas, dan bila digunakan uji t untuk menghitung, maka didapatkan:
thitung = 0.29999
sedangkan ttabel = 2.447 untuk daerah penerimaan 95%, yang berarti hipotesis Ho
diterima.
yaitu sekitar 50 MPa. Demikian juga bila tegangan luluh itu didasarkan pada offset
regangan sebesar 0,1%, juga tidak menunjukkan harga yang berbeda, yaitu sekitar 50 MPa. Sedangkan modulus elastisitas dan poisson’s ratio bahan uji jika diambil dari harga rerata hasil pengujian, didapatkan harga:
E = modulus elastisitas = 223.23 MPa.
[image:9.612.176.431.210.426.2]= poisson’s ratio = 0.4065
Gambar 7. Grafik regangan vs tegangan pada spesimen yang mendapat pemanasan
Gambar 8. Grafik regangan vs tegangan pada spesimen tanpa pemanasan TENS ILE TES T RES ULT
(w. Heat Treatment)
0 10 20 30 40 50 60
0 20 40 60 80 100 120
Strain (%) S tr e s s ( M P a ) SP3 SP4 SP5 SP6
TENS ILE TES T RES ULT (w/o Heat Treatment)
0 10 20 30 40 50 60
0 20 40 60 80 100 120
[image:9.612.178.428.481.689.2]Bila dibandingkan dengan sifat-sifat mekanis bahan sebagaimana disebutkan dalam beberapa acuan, dari beberapa hasil perhitungan itu ada yang menunjukkan kewajaran (seperti tegangan tarik dan poisson’s ratio), tetapi ada pula yang berharga cukup timpang seperti modulus elastisitas yang berharga hanya sekitar 225 MPa, dibanding dengan sekitar 3 GPa sebagaimana banyak dimuat dalam beberapa sumber. Ketimpangan ini diakibatkan oleh pola perhitungan untuk mendapatkan harga modulus elastisitas itu yang hanya didasarkan pada perkiraan berapa besar regangan yang sesungguhnya terjadi saat tegangan tarik maksimalnya tercapai. Oleh karenanya, bila dikehendaki adanya pengamatan harga modulus elastisitas yang akurat, perlu dilakukan pengujian dengan alat ukur regangan yang lebih akurat, seperti strain gage.
I. Kesimpulan Dan Saran
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:
1. Tidak ada perbedaan yang cukup signifikan antara kekuatan tarik PVC yang mendapat pemanasan, maupun yang tidak mendapatkan pemanasan.
2. Besarnya kekuatan tarik PVC (dalam hal ini adalah PVC dengan merek WAVIN) sebelum dan setelah dipanaskan mempunyai harga yang relatif sama, yaitu sebesar 51.00 MPa.
J. Daftar Pustaka
Dieter GE (1981), “Mechanical Metallurgy”, McGraw-Hill International Book Company.
Deutschman AD, Michels WJ, Wilson EW (1975), “Machine Design Theory And
Practice”, Collier MacMillan Publishers, London.
Kumar A, Gupta RK (1998), “Fundamentals of Polymers”, McGraw-Hill International Book Company.
Smith WF (1986), “Principles of Materials Science And Engineering”, McGraw-Hill Book Company.
