PENGARUH KOMPOSISI PENGISI SERTA TEKANAN COMPRESSION MOLDING TERHADAP SIFAT MEKANIK
KOMPOSIT POLIESTER BERPENGISI PARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO)
SKRIPSI
Oleh
HAMZAH ARIFIN SINAMBELA 140405030
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
JANUARI 2019
PENGARUH KOMPOSISI PENGISI SERTA TEKANAN COMPRESSION MOLDING TERHADAP SIFAT MEKANIK
KOMPOSIT POLIESTER BERPENGISI PARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO)
SKRIPSI
Oleh
HAMZAH ARIFIN SINAMBELA 140405030
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
JANUARI 2019
ii
PENGESAHAN SKRIPSI
Skripsi dengan judul:
PENGARUH KOMPOSISI PENGISI SERTA TEKANAN COMPRESSION MOLDING TERHADAP SIFAT MEKANIK KOMPOSIT POLIESTER
BERPENGISI PARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO)
dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi tanggal 16 Januari 2019 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Medan, Januari 2019
Ketua Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara
Koordinator Skripsi
iv
DEDIKASI
Skripsi ini kupersembahkan untuk : Papa dan Mama Tercinta
Ir. Supianto Sinambela & Ana Ari Purnama Terimakasih telah mendidik dan mendukungku dengan
penuh kasih sayang.
Terima kasih atas nasehat dan doa yang tiada hentinya, yang telah papa dan mama berikan kepadaku selama ini.
Adik dan Abang tercinta
Ryan Hasrul Sinambela & Wildhani Arfah Sinambela Terimakasihku untuk segala motivasi, dukungan, doa, dan kasih
sayangmu
Thanks to
Farah Bahira
Terimakasih selalu mengingatkan, memotivasi, mendukung dan mendoakan agar skripsi ini bisa diselesaikan
Teman-teman senasib dan seperjuangan, semangat terus
kawan.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama: Hamzah Arifin Sinambela
NIM: 140405030
Tempat/Tanggal Lahir:
Tebing Tinggi/8 April 1996 Email: [email protected] Nama Orang Tua: Ir. Supianto Sinambela dan Ana Sri
Purnama
Alamat Orang Tua: Jl. Lintas Sumatera Utara, Kabupaten Asahan, Kecamatan Aek
Songsongan, Desa Aek Songsongan, 21274
Asal Sekolah:
SDN 010133 Aek Songsongan (2002-2008)
SMP Negeri 6 Kisaran (2008-2009)
SMP Negeri 2 Medan (2009-2011)
SMA Negeri 2 Medan (2011-2014) Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (HIMATEK FT USU): 2014 - sekarang.
2. Anggota Covalen Study Group (CSG): 2014 - sekarang
3. Kepala Bidang Kreativitas Minat dan Bakat CSG (Covalen Study Group):
2016-2017
4. Asisten Laboratorium Kimis Organik Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara: 2016 - sekarang
5. Kerja Praktek di PT. Semen Padang, Padang, Januari - Maret 2018
vi
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan Proposal Penelitian dengan judul
“Pengaruh Komposisi Pengisi Serta Tekanan Compression Molding Terhadap Sifat Mekanik Komposit Berpengisi Partikel Zinc Oxide (Zno)”
Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk kelulusan pada program S-1 Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Penyusunannya dapat terlaksana dengan baik berkat doa dan dukungan dari banyak pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ibu Dr. Maulida, S.T., M. Sc. selaku dosen pembimbing penelitian.
2. Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T. selaku Koordinator Penelitian Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3. Ibu Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D, IPM selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Ibu Dr. Erni Misran, S.T., M.T. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia USU.
5. Para staf pengajar dan pegawai jurusan Teknik Kimia.
6. Orang tua yang telah memberikan dukungan baik materil maupun spiritual.
7. Abang dan Adik Tersayang yang selalu memberikan semangat dan mendoakan yaitu Ryan Hasrul dan Wildhani Arfah Sinambela.
8. Keluarga yang tidak henti-hentinya mendoakan, membimbing, dan memberi semangat kepada penulis meskipun dengan jarak yang jauh, sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.
9. Sahabat-sahabat sesama penelitian yaitu Danil, Rizki Sakinah dan Regy yang sudah banyak membantu penulis selama penelitian dan penyusunan skripsi ini dengan tulus dan ikhlas.
10. Sahabat-sahabat terbaik selama di Teknik Kimia yaitu Ilhamdi, Azwin, Budi, Fikri, Taufik, Andri, Naufal, Rizki Harahap, Agung dan Anshari yang selalu memberi semangat kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.
11. Rekan-rekan mahasiswa Stambuk 2014 yang membantu penulis dalam menyelesaikan proposal ini baik secara langsung maupun tidak langsung.
12. Pittor Suherman yang sudah membantu penulis dalam peminjaman alat selama proses penelitian berlangsung.
13. Bang Thoriq yang sudah membantu penulis dalam penyusunan data pada skripsi ini.
14. Abang dan kakak senior, rekan-rekan mahasiswa angkatan 2014, serta adik- adik junior di Teknik Kimia USU.
15. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah membantu penulis baik langsung maupun tidak langsung dalam menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan, 2019 Penulis
Hamzah Arifin Sinambela
viii
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan pengisi zinc oxide (ZnO) dan tekanan compression molding terhadap sifat dan karakteristik komposit poliester berpengisi zinc oxide (ZnO). Komposit disediakan dengan poliester sebagai matriks, katalis yang digunakan metil etil keton peroksida (MEKPO) dan dicampur dengan zinc oxide (ZnO) sebagai pengisi dengan penambahan komposisi zinc oxide (ZnO) 0%; 1%; 3%; 5%; dan 7% (b/b) yang dicetak dengan alat compression molding dengan variasi tekanan 50, 75, 100, 125 dan 150 pounds per square inch (psi). Komposit yang telah dicetak kemudian dilakukan pengujian karakteristik yaitu Fourier Transform Infrared (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), dan Scanning Electron Microscope (SEM) dan uji mekanik serta fisik seperti kekuatan tarik, kekuatan bentur, kekuatan lentur serta uji fisik seperti densitas dan penyerapan air. Hasil karakterisasi FTIR komposit berpengisi zinc oxide (Zno) menunjukkan banyak kesamaan dengan komposit tanpa penambahan pengisi zinc oxide (ZnO). Hasil XRD ZnO memiliki indeks kristalinitas sebesar 57%. Sifat kekuatan tarik, bentur dan lentur terbaik ditemukan pada penambahan 3% ZnO (b/b) pada tekanan 150 Psi dengan kekuatan tarik 54 MPa, kekuatan bentur 18,63 J/m2 dan kekuatan lentur 61,39 MPa. Karakterisasi SEM menunjukkan permukaan putus yang lebih kasar yaitu pada penambahan 3% ZnO pada tekanan 150 Psi karena pembasahan yang baik antara matriks dan pengisi ZnO. Densitas dan penyerapan air komposit cenderung meningkat dengan penambahan jumlah pengisi.
Kata kunci: compression molding, poliester, komposit, kekuatan tarik, zinc oxide
The Effect of Filler Loading and Pressure of Compression Molding on Mechanical Properties of Zinc Oxide Filled Polyester Composites
ABSTRACT
The aim of this research was to determine the effects of filler loading and pressure of compression molding on the mechanical properties of zinc oxide (ZnO) filled polyester composites. The Composites were prepared by using polyester as the matrix, the catalyst used is methyl ethyl ketone peroxide (MEKPO) and mixed with zinc oxide (Zno) as fillers composition with the addition of zinc oxide (ZnO) 0%;
1%; 3%; 5%; and 7% (w/w) were molded by compression molding with pressure variation of 50, 75, 100, 125 and 150 pounds per square inch (psi). Composites have been molded, then tested for the characteristics of Fourier Transform Infrared (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) and tests of mechanical and physical such as tensile strength, impact strength, flexural strength , density and water absorption. Results of FTIR characterization of composites with filler zinc oxide (ZnO) showed many similarities with composites without addition of filler. The XRD results showed ZnO has crystallinity index around 57%. The best result of tensile strength, impact and flexural were found on the addition of 3% ZnO at a pressure of 150 psi with a tensile strength of 54 MPa, impact strength of 18.63 J/m2 and a flexural strength of 61.39 MPa. SEM characterization showed a rougher surface is breaking up on the addition of 3%
ZnO at a pressure of 150 psi because had a good wetting between matrix and filler ZnO. Density and water absorption of the composite tend to increase with the addition of fillers.
Keywords: compression molding, polyester, composites, tensile strength, zinc oxide
x
DAFTAR ISI
Halaman
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i
PENGESAHAN SKRIPSI ii
LEMBAR PERSETUJUAN iii
DEDIKASI iv
RIWAYAT HIDUP PENULIS v
KATA PENGANTAR vi
ABSTRAK viii
ABSTRACT ix
DAFTAR ISI x
DAFTAR GAMBAR xiv
DAFTAR TABEL xvi
DAFTAR LAMPIRAN xvii
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 LATAR BELAKANG 1
1.2 PERUMUSAN MASALAH 3
1.3 TUJUAN PENELITIAN 3
1.4 MANFAAT PENELITIAN 3
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5
2.1 KOMPOSIT 5
2.1.1 Penguat (Reinforcement) 5 2.1.1.1 Partikel Zinc Oxide (ZnO) 6
2.1.2 Matriks 7
2.1.2.1 Resin Poliester 7
2.1.3 Fasa Antarmuka 8
2.2 KATALIS MEKPO (Methyl Ethyl Keton
Peroksida) 9
2.3 METODE PEMBUATAN KOMPOSIT 9
2.3.1 Close Molding Press (Pencetekan Tertutup) 9 2.3.2 Open Molding Process (Pencetakan
Terbuka) 12
2.4 KARAKTERISASI HASIL PENELITIAN 13 2.4.1 Karakterisasi Komposit dan Nanopartikel
Zno 13
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 18
3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN 18
3.2 ALAT DAN BAHAN 18
3.3 PROSEDUR PEMBUATAN KOMPOSIT 18
3.4 FLOWCHART PERCOBAAN 19
3.5 ANALISA PRODUK KOMPOSIT DAN
PARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO) 20
3.5.1 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) 20 3.5.2 Karakterisasi Scanning Electron Microscope
(SEM) 20
3.5.3 Karakterisasi Fourier Transform Infra-Red
(FTIR) 20
3.5.4 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
dengan ASTM D638 21
3.5.5 Uji Penyerapan Air (Water Absorption) 21 3.5.6 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength)
dengan ASTM D 4812-11 21
3.5.7 Uji Kekuatan Lentur (Flexural Strength)
dengan ASTM D 790 22
3.5.8 Uji Densitas (Kerapatan) 22
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 23
4.1 KARAKTERISASI PENGISI PARTIKEL ZINC
OXIDE (ZnO) 23
4.1.1 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Zinc
Oxide (ZnO) 23
xii
4.2 KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGISI
ZINC OXIDE (ZnO) 24
4.2.1 Analisis Fourier Transform Infra Red (FTIR) Komposit Berpengisi Zinc Oxide
(ZnO) 24
4.3 ANALISIS KOMPOSIT 26
4.3.1 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression
Molding Terhadap Densitas Komposit 26 4.3.2 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc
Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Kekuatan Tarik (Tensile
Strength) Komposit 28
4.3.3 Analisis Scanning Electron Microscope (SEM) Sampel Putus Komposit Berpengisi
Zinc Oxide (ZnO) 30
4.3.4 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Sifat Pemanjangan Saat
Putus (Elongation at Break) Komposit 32 4.3.5 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc
Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Kekuatan Lentur
(Flexural Strength) Komposit 34
4.3.6 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Kekuatan Bentur
(Impact Strength) Komposit 36
4.3.7 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Penyerapan Air (Water
Uptake) Komposit 38
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 41
5.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN 41
5.2 ALAT DAN BAHAN 42
DAFTAR PUSTAKA 43
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Compression Molding 10
Gambar 2.2 Metode Pultrusion 11
Gambar 2.3 Metode Prepreg 11
Gambar 2.4 Metode Wet Lay-Up 12
Gambar 2.5 Metode Resin Trade Molding 12
Gambar 2.6 Metode Fillament Winding Process 13
Gambar 2.7 Metode Hand Lay-Up 13
Gambar 3.1 Flowchart Pembuatan Komposit 20
Gambar 4.1 Karakteristik X-Ray Diffraction (XRD) Zinc Oxide
(ZnO) 23
Gambar 4.2 Karakterisasi FTIR Komposit Berpengisi Zinc Oxide
(ZnO) 24
Gambar 4.3 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap
Densitas Komposit 26
Gambar 4.4 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap
Kekuatan Tarik Komposit 28
Gambar 4.5 Hasil Analisis Scanning Electron Microscopy (SEM) (a). Penambahan 3% Zinc Oxide (ZnO) pada 150 Psi (b). Penambahan 7% Zinc Oxide (ZnO)
pada 50 Psi 31
Gambar 4.6 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Sifat Pemanjangan Saat Putus (Elongation at Break)
Komposit 32
Gambar 4.7 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap
Kekuatan Lentur Komposit 34
Gambar 4.8 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap
Kekuatan Bentur Komposit 36
Gambar 4.9 Pengaruh Waktu Perendaman Terhadap Penyerapan
Air (Water Uptake) Komposit 38
Gambar 4.10 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap
Penyerapan Air (Water Uptake) Komposit 39 Gambar L2.1 Karakteristik X-Ray Diffraction (XRD) Partikel
Zinc Oxide (ZnO) 57
Gambar L3.1 Penyediaan Zinc Oxide (ZnO) 60
Gambar L3.2 Penyediaan Komposit Poliester Berpengisi Zinc
Oxide (ZnO) 60
Gambar L3.3 Proses Pencetakan dengan Alat Compression
Molding 61
Gambar L3.4 Hasil Komposit Berpengisi Zinc Oxide (ZnO) 61 Gambar L4.1 Karakteristik X-Ray Diffraction (XRD) Zinc Oxide
(ZnO) 62
Gambar L4.2 Karakteristik Fourier Transform Infrared (FTIR)
Poliester Murni 62
Gambar L4.3 Karakteristik Fourier Transform Infrared (FTIR)
Komposit Poliester Berpengisi Zinc Oxide (ZnO) 63 Gambar L4.4 Karakteristik Scanning Electron Microscopy (SEM)
(a). Penambahan 3% Zinc Oxide (ZnO) pada 150 Psi
(b). Penambahan 7% Zinc Oxide (ZnO) pada 50 Psi 63
xvi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Sifat-sifat ZnO (Zinc Oxide) 7
Tabel L1.1 Data Nilai Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
[MPa] 51
Tabel L1.2 Data Nilai Pemanjangan Saat Putus
(Elongation at Break) 52
Tabel L1.3 Data Nilai Kekuatan Bentur (Impact Strength)
[J/m2] 53
Tabel L1.4 Data Nilai Kekuatan Lentur (Flexural
Strength) [MPa] 54
Tabel L1.5 Data Nilai Penyerapan Air dari Komposit 55 Tabel L1.6 Data Nilai Densitas dari Komposit 56
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 51
L1.1 Data Nilai Kekuatan Tarik (Tensile Strength) [Mpa]
51
L1.2 Data Nilai Pemanjangan Saat Putus (Elongation At Break)
52
L1.3 Data Nilai Kekuatan Bentur (Impact Strength) [J/M2]
53
L1.4 Data Nilai Kekuatan Lentur (Flexural Strength) [Mpa]
54
L1.5 Data Nilai Penyerapan Air 55
L1.6 Data Nilai Densitas 56
LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 57
L2.1 Perhitungan Indeks Kristalinitas Partikel Zinc Oxide (Zno) Dari Hasil Xrd
57
L2.2 Perhitungan Fraksi Massa Bahan Baku Komposit
58
L2.3 Perhitungan Penyerapan Air Komposit 59
LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 60
L3.1 Penyediaan Zinc Oxide (Zno) 60 L3.2 Penyediaan Komposit Poliester
Berpengisi Zinc Oxide (ZnO)
60
L3.3 Proses Pencetakan Dengan Compression Molding
61
L3.4 Hasil Komposit Poliester Berpengisi Zinc Oxide (Zno)
61
LAMPIRAN 4 HASIL PENGUJIAN LAB ANALISIS DAN INSTRUMEN
62
xviii
L4.1 Hasil Karakterisasi X-Ray Diffraction (Xrd) Zinc Oxide (Zno)
62
L4.2 Hasil Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (Ftir) Poliester Murni
62
L4.3 Hasil Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (Ftir) Komposit Poliester Berpengisi Zinc Oxide (Zno)
63
L4.4 Hasil Karakterisasi Sem Komposit Berpengisi Zinc Oxide (Zno)
63
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Komposit merupakan perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang lebih baik dibandingakn sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan anatara masing-masing material penyusun (Ramadhani, 2011). Polymer matrix composite (PMC) merupakan komposit yang bahan matriksnya berjenis polimer resin. PMC merupakan material komposit yang mudah dalam pembuatannya karena tidak menggunakan temperatur tinggi dan tekanan tinggi saat pencetakan (Lamalo, 2017).
Komposit partikel merupakan komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusikan secara merata dalam matriksnya. Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh matriks. Bentuk partikel ini dapat berupa bulatan, kubik, tetragonal atau bahkan bentuk-bentuk yang tidak beraturan tetapi secara rata-rata berdimensi sama. Komposit yang diperkuat dengan pengisi berbentuk partikel banyak mempunyai kelebihan (Sirait, 2014).
Jenis dari resin polyester yang digunakan sebagai matriks komposit adalah tipe yang tidak jenuh (unsurated polyester) yang merupakan termoset yang dapat mengalami pengerasan (curing) dari fasa cair menjadi fasa padat. Resin unsaturated polyester merupakan resin cair dengan viskositas rendah, dan akan mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis (Winarno, 2015). Resin ini tidak perlu diberikan tekanan, karena ketika masih cair memiliki viskositas yang relatif rendah, mengeras dalam suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas (Irsyad, 2015). Polyester merupakan pilihan yang banyak digunakan dalam komposit modern. Bahan ini memiliki ketahanan kimia yang baik, kestabilan bentuk, harga yang relatif murah. Beberapa kelebihan resin polister ialah memiliki daya tahan terhadap air dan cuaca yang baik, tahan terhadap bahan kimia dan sedikit pengkerutan pada saat curing (Parbaraya, 2015). Namun, sifat mekanik yang dimiliki oleh polyester tidaklah terlalu baik (Winarno, 2015). Oleh sebab itu perlu ditambahkan suatu pengisi atau filler untuk memperbaiki sifat mekanik tersebut.
2
Bahan pengisi yang digunakan di dalam matriks komposit dapat berupa bahan organik maupun anorganik. Zinc oxide (ZnO) merupakan senyawa anorganik berbentuk bubuk putih, hampir tidak larut dalam air. Biasanya banyak digunakan sebagai aditif ke dalam berbagai bahan dan produk termasuk plastik, keramik, kaca, semen, karet dan pelumas. Keuntungan penggunaan zinc oxide (ZnO) misalnya adalah harganya murah, persediaan di alam dalam jumlah yang melimpah, struktur kimia stabil, mudah untuk mempersiapkan, dan tidak beracun (Widodo, 2011).
Zinc oxide (ZnO) merupakan material unik dan menarik sehingga banyak diteliti dan dikembangkan seperti evaluasi sifat listrik, sifat fisis, struktur kristal dan struktur mikro. Keuntunganlain dari penggunaan Zinc oxide (ZnO) ialah dapat dioperasikan dalam lingkungan yang keras dan bersuhu tinggi, resistansi yang lebih tinggi untuk keadaan radiasi energi tinggi (Yassinta, 2010).
Zinc oxide (ZnO) banyak dikembangkan karena sifat-sifat uniknya seperti fotokatalitik, elektrik, optik, dan antibakteri (Novarini dan Tatang, 2011). Kong et al. (2013) melakukan penelitian mengenai pengaruh konsentrasi zinc oxide (ZnO) terhadap sifat mekanik komposit ZnO/poliester anyaman serat karbon, Arief (2011) melakukan penelitian menggunakan zinc oxide (ZnO) untuk aplikasi fotokatalisis, Novarini dan Tatang (2011) melakukan penelitian pada pembuatan tekstil antibakteri.
Pembuatan komposit yang memiliki sifat mekanik dan fisis akan dipengaruhi oleh kondisi pemrosesan. Beberapa parameter yang perlu diperhatikan yaitu fraksi volume dan tekanan yang diberikan akan mempengaruhi karakteristik komposit. Seperti penelitian Xaveria et al. (2003) dan Indra et al. (2016), mengkaji bahwa sifat mekanik dan fisik tergantung dari kondisi operasi pada tahap pencetakan. Diikuti penelitian oleh Bambang et al. (2010), dimana pengaruh variasi tekanan compression molding pada komposit akan membuat porositas menurun, sedangkan densitas dan kekuatan fleksural meningkat.
Dari hal diatas maka akan dilakukan penelitian mengenai pengaruh komposisi pengisi serta tekanan compression molding terhadap sifat mekanik komposit poliester berpengisi partikel zinc oxide (ZnO).
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Adapun yang menjadi rumusan masalah dari penelitian ini adalah :
1. Bagaimana karakteristik komposit poliester/ZnO meliputi analisa Scanning Electron Microscopy (SEM) dan karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR).
2. Bagaimana pengaruh komposisi pengisi partikel zinc oxide (ZnO) terhadap sifat mekanik bahan komposit.
3. Bagaimana pengaruh tekanan pada compression molding terhadap sifat mekanik bahan komposit.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan dilakukan penelitian ini yaitu sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui karakteristik komposit poliester/ZnO meliputi analisa Scanning Electron Microscopy (SEM) dan karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR).
2. Untuk menentukan komposisi pengisi partikel zinc oxide (ZnO) yang paling optimal terhadap sifat mekanik bahan komposit.
3. Untuk menentukan besar tekanan compression molding yang paling optimal terhadap sifat mekanik bahan komposit.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dilakukan penelitian ini yaitu sebagai berikut :
1. Hasil Penelitan dapat digunakan sebagai pengetahuan ilmiah terkait pemanfaatan partikel zinc oxide (ZnO) sebagai pengisi pada komposit.
2. Dapat mengetahui sifat mekanik dari komposit berpengisi partikel zinc oxide (ZnO) setelah diberikan pengujian dalam rangkaian penelitian.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Penelitian Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Penelitian ini memiliki ruang lingkup atau batasan sebagai berikut :
4
1. Bahan baku yang digunakan adalah zinc oxide (ZnO), poliester dan katalis MEKPO.
2. Variabel tetap yang digunakan :
Sampel yang digunakan adalah zinc oxide (ZnO)
Matriks yang digunakan adalah poliester
Massa MEKPO 2 % dari berat matriks (Hadavan et al, 2015)
Ukuran Partikel = 200 mesh (74μ) (Nasution, 2006) 3. Variabel berubah yang digunakan :
Berat pengisi (b/b) = 0; 1% ; 3% ; 5%; 7% (Abatay et al, 2014)
Tekanan compression molding = 50, 75, 100, 125, 150 Psi (Hakim, 2009) 4. Analisa yang dilakukan meliputi :
X-Ray Diffraction (XRD).
Scanning Electron Microscopy (SEM).
Fourier Transform Infra Red (FTIR).
Densitas (Kerapatan).
Penyerapan Air.
Kekuatan Tarik (Tensile Strength).
Kekuatan Bentur (Impact Strength).
Kekuatan Lentur (Flexural Strength)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 KOMPOSIT
Komposit adalah suatu material yang terdiri dari campuran atau kombinasi dua atau lebih material dimana sifat material tersebut berbeda bentuk dan komposisi kimia dari zat asalnya (Susanto, 2014). Umumnya, sifat komposit akan menjadi lebih baik ketika dilakukan penggabungan material (Nugroho, 2016). Komposit juga dapat dikatakan gabungan antara bahan matrik atau pengikat yang diperkuat.
Bahan material terdiri dari dua bahan penyusun, yaitu bahan utama sebagai pengikat dan bahan pendukung sebagai penguat. Bahan penguat dapat berbentuk serat, partikel, serpihan atau dapat berbentuk yang lain (Efendi, 2016). Dalam struktur komposit, bahan komposit partikel tersusun dari partikel–partikel disebut bahan komposit partikel (particulate composite). Partikel ini berbentuk beberapa macam seperti bulat, kubik, tetragonal atau bahkan berbentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi rata–rata berdimensi sama. Bahan komposit partikel pada umunya lebih lemah dibanding bahan komposit serat. Bahan komposit partikel mempunyai keunggulan, seperti ketahanan terhadap aus, tidak mudah retak dan mempunyai daya pengikat dengan matrik yang baik (Supiansyah, 2015). Bentuk (dimensi) dan struktur penyusun komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit, begitu pula jika terjadi interaksi antara penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit. Dibanding dengan material konvensional, bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya memiliki kekuatan yang dapat diatur, berat yang lebih ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, tahan korosi, dan tahan terhadap keausan. Pada umumnya dalam proses pembuatannya melalui pencampuran yang homogen, sehingga kita leluasa merencanakan kekuatan material komposit yang kita inginkan dengan mengatur komposisi dari material pembentuknya (Efendi, 2016).
2.1.1 Penguat (Reinforcement)
Reinforcement adalah salah satu bagian utama dari komposit yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit. Bahan penguat (reinforcement)
6
biasanya kaku dan tangguh (Aritonang, 2017). Bahan penguat yang umum digunakan adalah jenis partikel, serat serat alam, serat karbon, serat gelas dan keramik (Efendi, 2016).
Partikel sebagai bahan penguat sangat menentukan sifat mekanik dari komposit karena meneruskan beban yang didistribusikan oleh matrik. Ukuran, bentuk dan material partikel adalah faktor-faktor yang mempengaruhi sifat mekanik dari komposit partikel. Kelebihan dari komposit berpenguat partikel ialah kekuatan yang lebih seragam ke semua arah, dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material (Nugroho, 2016).
2.1.1.1 Partikel Zinc oxide (ZnO)
Komposit partikel merupakan komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusikan secara merata dalam matriksnya. Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh matriks. Komposit yang diperkuat dengan pengisi berbentuk partikel banyak mempunyai kelebihan (Sirait, 2014)
Pada Penelitian ini, pengisi yang digunakan ialah partikel zinc oxide (ZnO) berukuran 100 mesh. Zinc oxide (ZnO) merupakan senyawa anorganik dengan formula ZnO. Biasanya senyawa ini berbentuk bubuk putih, hampir tidak larut dalam air. Serbuk banyak digunakan sebagai aditif ke dalam berbagai bahan dan produk termasuk plastik, keramik, kaca, semen, karet. Keuntungan penggunaan ZnO misalnya adalah harganya murah, persediaan di alam dalam jumlah yang melimpah, struktur kimia stabil, mudah untuk mempersiapkan, dan tidak beracun (Widodo, 2011).
ZnO merupakan bahan semikonduktor tipe-n dengan lebar pita energi 3,2 eV – 3,3 eV pada suhu kamar. Logam ini keras dan rapuh pada kebanyakan suhu, namun dapat ditempa antara 100 sampai dengan 150 °C. Di atas 210 °C, logam ini kembali menjadi rapuh dan dapat dihancurkan menjadi bubuk dengan memukul- mukulnya (Yassinta, 2010).
Pada penelitian ini zinc oxide (ZnO) yang digunakan memiliki sifat-sifat sebagai berikut. Adapaun sifat-sifat dari zinc oxide (ZnO) dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Sifat-Sifat Zinc Oxide (ZnO)
No. Sifat Zinc Oxide (ZnO) 1. Bulk density 200-700 kg/m3
2. Melting Point 1975 0C 3. pH 7,0
4. Spesifik Densitas (20 0C) 5,61 g/cm3 5. Loss in ignition 1,09 % 6. Vapour pressure 20°C
7. Wujud serbuk putih 8. Ukuran Partikel 74 μ
(Uikey dan Kirti, 2016]
2.1.2 Matriks
Matriks berfungsi untuk menjaga reinforcement agar tetap pada tempatnya di dalam struktur, melindungi filamen dalam struktur, membantu distribusi beban, mengendalikan sifat elektrik dari kmia komposit, serta membawa regangan interlaminer. Matriks yang paling sering digunakan adalah logam, polimer, dan keramik (Marbun, 2012).
Matriks dalam susunan komposit bertugas melindungi dan mengikat. Salah satu matriks dalam struktur komposit ialah matriks polimer. Polimer merupakan bahan matriks yang paling sering digunakan. Adapun jenis polimer yaitu (Efendi, 2016) :
a. Thermoset adalah plastik atau resin yang tidak bisa berubah karena panas (tidak bisa didaur ulang). Misalnya : epoxy, polyester, phenolic.
b. Termoplastik adalah plastik atau resin yang dapat dilunakkan terus menerus dengan pemanasan atau dikeraskan dengan pendinginan dan bisa berubah karena panas (bisa didaur ulang). Misalnya : Polyamid, nylon, polysurface
2.1.2.1 Resin Poliester
Pada penelitian ini, matriks yang digunakan adalah dari jenis termoset.
Poliester merupakan resin cair dengan viskositas relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan dan
8
tidak perlu penekanan untuk pencetakan. Secara umum resin polyester tahan terhadap kelembaban dan sinar UV (Hestiawan et al, 2017). Resin poliester termasuk dalam resin termoset. Pada polimer termoset resin cair diubah menjadi padatan yang keras dan getas yang terbentuk oleh ikatan silang kimiawi yang membentuk rantai polimer yang kuat. Resin termoset tidak mencair karena pemanasan.
Dalam melakukan fabrikasi menggunakan resin polyester, kita harus meyakinkan bahwa resin dan additif lainnya harus sudah tersebar secara merata sebelum katalis ditambahkan. Dan dalam proses pengadukan jangan sampai ada udara yang terperangkap didalam larutan komposit. Sehingga kemudian akan menyebabkan sifat mekanik dari material komposit berkurang secara signifikan.
Kemudian pemberian katalis juga harus diperhatikan terlalu banyak katalis akan mengakibatkan proses pengerasan terlalu cepat sedangkan jika terlalu sedikit komposit yang terbentuk akan terbentuk under-cure (Hamsa, 2016).
2.1.3 Fasa Antarmuka (Interface)
Fasa antarmuka merupakan kawasan yang paling tinggi menerima tegangan selama dikenakan beban dari luar. Peranannya adalah memindahkan tegangan dari partikel ke partikel melalui matriks. Pada ikatan antarmuka yang kuat, pemindahan beban atau tegangan akan berlaku efektif, sebaliknya pada ikatan antarmuka yang lemah, partikel akan terurai dari matriks apabila tegangan yang diterima lebih besar daripada ikatan antarmuka.
Berdasarkan beberapa penelitian yang telah dilakukan, terdapat beberapa fakta mengenai fasa antarmuka yaitu sebagai berikut (Castiqliana, 2015) :
1. Fasa antarmuka menentukan sifat mekanik bahan komposit.
2. Ada beberapa mekanisme untuk menjelaskan pembentukan ikatan antarmuka matriks dan serat.
3. Fasa antarmuka serat - matriks sangat sensitif terhadap lingkungan.
4. Ada beberapa strategi yang dapat digunakan untuk meningkatkan ikatan antarmuka serat dan matriks seperti mengolah permukaan, ukuran dan sebagainya.
2.2 KATALIS MEKPO (MEHTYL EHTYL KETON PEROKSIDA)
Metil etil keton peroksida adalah suatu bahan kimia yang dikenal dengan sebutan katalis. Katalis ini termasuk senyawa polimer dengan bentuk cair, berwarna bening. Fungsi dari katalis adalah mempercepat proses pengerasan (curing) pada bahan matriks suatu komposit. Semakin banyak katalis yang dicampurkan pada cairan matriks akan mempercepat proses laju pengeringan, tetapi akibat mencampurkan katalis terlalu banyak adalah membuatan komposit menjadi getas.
Penggunaan katalis sebaiknya diatur berdasarkan kebutuhannya (Hutagalung dan Maulida, 2014).
Katalis adalah bahan yang digunakan untuk memulai dan mempersingkat reaksi curing pada temperatur ruang. Katalis dapat menimbulkan panas saat curing dalam hal ini dapat merusak produk yang dibuat. Katalis yang digunakan sebagai proses curing berasal dari organic proxide seperti methyl ethyl, ketone proxide dan acetyl acetone proxide.
Pada proses pencampuran resin polyester harus ditambahkan dengan suatu katalis. Pada penelitian ini katalis yang digunakan adalah katalis komersial berupa MEKPO (mehtyl ehtyl keton peroksida) yang fungsinya sebagai zat curing yakni untuk mempersingkat waktu pengerasan dari resin polyester tersebut. Jumlah katalis MEKPO juga berpengaruh terhadap sifat mekanik komposit yang dihasilkan (Sugiyanto, 2014).
2.3 METODE PEMBUATAN KOMPOSIT
Pembuatan komposit dapat melalui beberapa metode. Metode-metode tersebut disesuaikan dengan jenis matrik yang digunakan sebagai penyusun komposit dan bentuk material komposit yang diinginkan. Beberapa metode dalam penyedian komposit sebagai berikut (Saragih, 2017) :
2.3.1 Close Molding Process (Pencetakan Tertutup) 1. Compression Molding
Metode ini menggunakan cetakan yang ditekan pada tekanan tinggi sampai mencapai 1000 psi, diawali dengan mengalirkan resin dan zat pengisi dengan viskositas tinggi ke dalam cetakan, kemudian mold ditutup dan dilakukan penekanan terhadap material komposit tersebut, sehingga mengakibatkan
10
mengerasnya material komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.
Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Metode yang dilakukan dalam pembuatan komposit pada penelitian ini merujuk pada metode Compression molding. Matriks dan pengisi dicampur dengan hingga homogen dengan perbandingan tertentu. Campuran yang sudah homogen dimasukkan katalis sebagai pengeras dengan perbandingan 2% dari berat resin (Hadavand et al, 2015), kemudian dicetak dan di press menggunakan compression molding pada tekanan 50, 75, 100, 125, 150 Psi (Hakim, 2009).
Gambar 2.1 Compression Molding
2. Pultrusion
Pada metode pultrusion, pembentukan material komposit yang menggabungkan antara resin dan fiber berlangsung secara kontinu. Proses pultrusi digunakan pada pabrikasi komposit yang berprofil penampang lintang tetap.
Pengisi yang digunakan diletakkan pada tempat yang khusus dengan menggunakan performing shapers dan guiders untuk membentuk karakteristiknya dan proses pengisian komposit dilakukan melalui resin bath atau wet out yaitu tempat di mana material diselubungi dengan cairan resin. Adanya panas akan mengaktifkan sistem curing sehingga akan mengubah fase resin menjadi padat. Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Metode Pultrusion
3. Prepreg
Metode ini merupakan metode advance dalam pembuatan komposit, dengan adanya pemanasan cetakan yang telah berisi komposit dimasukkan ke autoclave.
Hal ini bertujuan untuk meningkatkan gaya tekan dari luar. Teknik menggunakan prepreg-vacuum bag-autoclave banyak dimanfaatkan untuk pembuatan peralatan pesawat terbang dan peralatan militer. Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Metode Prepreg
4. Wet Lay-Up
Pada metode ini, pengisi digabungkan dengan menggunakan tangan seperti pada metode hand lay-up untuk kemudian ditaruh ke dalam cetakan vacuum bag untuk mempercepat proses laminasi dan menghilangkan udara yang terperangkap yang dapat menimbulkan adanya void dalam produk komposit yang dicetak.
Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.4.
12
Gambar 2.4 Metode Wet Lay-Up
5. Resin Trade Molding (RTM)
Pada proses ini, resin ditransfer atau diinjeksikan ke dalam suatu tempat yang sebelumnya telah diisi dengan filler yang diletakkan diantara dua permukaan cetakan yang terdiri dari dua bagian yang satu disebut female dan yang lainnya disebut male. Pasangan cetakan tersebut lalu ditutup, diberi klem, kemudian resin berviskositas rendah diinjeksikan pada tekanan 50-100 psi ke dalam lubang cetakan melalui port injeksi. Resin diinjeksikan sampai memenuhi seluruh rongga cetakan hingga meresap dan membasahi seluruh material pengisi. Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Metode Resin Trade Molding
2.3.2 Open Molding Process (Pencetakan Terbuka) 1. Filament Winding Process
Proses ini memanfaatkan sistem gulungan benang pada sebuah sumbu putar.
Serat komposit dibuat dalam bentuk benang digulung pada sebuah mandril yang dibentuk sesuai dengan bentuk rancangan benda teknik, misalnya berbentuk tabung,
kemudian resin yang berfungsi sebagai matrik ituangkan bersamaan dengan proses penggulungan pengisi tersebut, sehingga keduanya merekat dan saling mengikat antara satu lapisan gulungan dengan gulungan berikutnya, sampai membentuk benda teknik yang direncanakan. Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Metode Filament Winding Process
2. Hand Lay-Up
Proses ini dilakukan pada suhu ruangan, pengisi ditata sedemikian rupa mengikuti bentuk cetakan atau mandril, kemudian resin dituangkan sebagai pengikat antar pengisi sehingga ukuran dan bentuk komposit menjadi sesuai dengan yang telah ditentukan sebelumnya. Prosesnya dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Metode Hand Lay-Up
2.4 KARAKTERISASI HASIL PENELITIAN 2.4.1 Karakterisasi Komposit dan Nanopartikel ZnO
Beberapa pengujian/karakterisasi yang dilakukan pada komposit adalah sebagai berikut:
14
A. Analisis SEM (Scanning Electron Microscopy)
Scanning Electron Microscope (SEM) adalah sebuah mikroskop elektron yang didesain untuk mengamati permukaan objek solid secara langsung. SEM memiliki perbesaran 10 – 3.000.000 kali, depth of field 4 – 0.4 mm dan resolusi sebesar 1 – 10 nm. Kombinasi dari perbesaran yang tinggi, depth of field yang besar, resolusi yang baik, kemampuan untuk mengetahui komposisi dan informasi kristalografi membuat SEM banyak digunakan untuk keperluan penelitian dan industri. SEM memfokuskan sinar elektron (electron beam) di permukaan obyek dan mengambil gambarnya dengan mendeteksi elektron yang muncul dari permukaan obyek (Farikhin, 2016).
B. Analisis XRD (X-Ray Diffraction)
Analisis difraksi sinar-X memiliki banyak kegunaan diantaranya adalah menentukan struktur kristal, fase-fase atau senyawa yang ada dalam suatu bahan atau campuran seperti batuan, bahan keramik, paduan logam. Dalam bahan polimer, dapat memberikan informasi untuk menentukan derajat kristalinitas, orientasi dan menentukan aditif secara kualitatif dan kuantitatif. Analisis ini dilakukan dengan suatu pemahaman bahwa suatu zat selalu memberikan pola karakteristik difraksi (Santosa, 2008).
C. Analisis FTIR (Fourier Transform Infra Red)
Spektroskopi FTIR adalah teknik pengukuran untuk mengumpulkan spektrum inframerah. Energi yang diserap sampel pada berbagai frekuensi sinar inframerah direkam, kemudian diteruskan ke interferometer. Sinar pengukuran sampel diubah menjadi interferogram.
Mekanisme yang terjadi pada alat FTIR ialah sinar yang datang dari sumber sinar akan diteruskan, dan kemudian akan dipecah oleh pemecah sinar menjadi dua bagian sinar yang saling tegak lurus. Sinar ini kemudian dipantulkan oleh dua cermin yaitu cermin diam dan cermin bergerak. Sinar hasil pantulan kedua cermin akan dipantulkan kembali menuju pemecah sinar untuk saling berinteraksi. Dari pemecah sinar, sebagian sinar akan diarahkan menuju cuplikan dan sebagian menuju sumber. Gerakan cermin yang maju mundur akan menyebabkan sinar yang
sampai pada detektor akan berfluktuasi. Sinar akan saling menguatkan ketika kedua cermin memiliki jarak yang sama terhadap detektor, dan akan saling melemahkan jika kedua cermin memiliki jarak yang berbeda. Fluktuasi sinar yang sampai pada detektor ini akan menghasilkan sinyal pada detektor yang disebut interferogram.
Interferogram ini akan menjadi spektra IR dengan bantuan komputer berdasarkan operasi matematika (Nugraha, 2008).
D. Analisis Kekuatan Tarik (Tensile Strength)
Kekuatan tarik adalah ukuran kekuatan suatu bahan ketika bahan tersebut menerima beban yang cenderung merenggangkan atau memperpanjang bahan tersebut. Kekuatan tarik umumnya ditentukan dengan meletakkan suatu bahan berbentuk panjang, kawat atau bentuk dumbbell terhadap gaya tarik (uji tarik satu sumbu) (Simanjuntak, 2013). Pengujian tarik merupakan pengujian mekanis berupa gaya tarik untuk melihat perilaku inheren dari material terhadap pembebanan tersebut. Prinsip pengujian tarik yaitu dengan memberikan tegangan aksial berupa tarikan pada kedua ujung atau salah satu ujung spesimen tarik hingga putus (Siagian, 2016).
Pada uji kekuatan tarik komposit ini digunakan standar ASTM D638. Kuat tarik (tensile strength) dihitung dengan cara membagi tekanan maksimum dengan luas penampang minimum dari spesimen, dan dapat dalam satuan psi atau Pascal (lbf/in2) (Klyosov, 2007). Pengukuran tensile strength secara sistematis dapat ditulis sebagai berikut (Siagian, 2016) :
𝜎 = 𝐹𝑚𝑎𝑘𝑠
𝐴0 (2.1) Dimana :
𝜎 = tegangan atau kekuatan tarik (kgf/mm2) Fmaks = beban maksimum (kgf)
A0 = luas penampang awal (mm2)
E. Analisis Penyerapan Air (Water Absorption)
Uji ini dilakukan untuk mengetahui terjadinya ikatan dalam polimer serta tingkatan atau keteraturan ikatan dalam polimer yang ditentukan melalui presentase penambahan berat polimer setelah mengalami penggembungan. Proses terdifusinya
16
molekul pelarut kedalam polimer akan menghasilkan gel yang menggembung. Pada uji ketahanan air pada komposit ini digunakan standar ASTM D570-98. Ketahanan terhadap air sampel dihitung melalui persamaan (Setiani et al, 2013) :
Air % =[ 𝑊−𝑊𝑜
𝑊𝑜 ] x 100%
(2.2) Dimana :
Wo = berat kering W = berat basah
Penyerapan air (water-absorption) dalam komposit merupakan kemampuan komposit dalam menyerap uap air dalam waktu tertentu. Penyerapan air pada komposit merupakan salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit di luar ruangan. Semua komposit polimer akan menyerap air jika berada di udara lembab atau ketika polimer tersebut dicelupkan di dalam air. Penyerapan air pada komposit berpenguat partikel memiliki beberapa pengaruh yang merugikan dalam sifatnya dan mempengaruhi kemampuannya dalam jangka waktu yang lama juga penurunan secara perlahan dari ikatan interface komposit serta menurunkan sifat mekanis komposit seperti kekuatan tariknya. Penurunan ikatan antarmuka komposit menyebabkan penurunan sifat mekanis komposit tersebut. Karena itu, pengaruh dari penyerapan air sangat vital untuk penggunaan komposit di lingkungan terbuka (Lokantara dan Ngakan, 2009).
F. Analisis Kekuatan Bentur (Impact Strength)
Pengujian impak dilakukan untuk mengetahui karakteristik patah dari bahan. Prinsip pengujian kekuatan bentur adalah dengan menghitung energi yang diberikan oleh beban serta menghitung energi yang diserap oleh spesimen.
Pengujian ini biasanya mengikuti dua metoda yaitu metoda Charpy dan Izod yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan impak, yang kadang juga disebut seabgai ketangguhan ketok (notch toughness). Untuk metoda Charpy dan Izod, spesimen berupa bentuk persegi dimana terdapat bentuk V-notch 9(Surbakti, 2013).
G. Analisis Kekuatan Lentur (Flexural Strength)
Pengujian kekuatan lentur (UFS) dimaksudkan untuk mengetahui ketahanan komposit terhadap pembebanan. Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah metode tiga titik lentur. Pengujian ini juga dimaksudkan untuk mengetahui keelastisan suatu bahan. Pada permukaan bagian atas cupilkan yang dibebani akan terjadi kompresi, sedangkan pada permukaan bawah sampel akan terjadi tarikan.
Pada pengujian ini terhadap sampel uji diberikan pembebanan yang arahnya tegak lurus terhadap sampel (Michael dan Halimatuddahliana, 2013).
H. Densitas (Kerapatan)
Massa jenis (densitas) adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Satuan SI massa jenis adalah kg/m3, sedangkan satuan lainnya adalah g/cm3 (Setiani et al, 2013). Berat jenis merupakan ukuran kepadatan molekul dalam bahan, sehingga terkait berat dan volume komposit. Cara pengukuran berat jenis adalah dengan mengukur perbandingan antara berat dan volume komposit (Ummah, 2013).
Metode sederhana dalam penentuan massa jenis relatif suatu bahan adalah dengan menimbang sampel baik pada udara dan air (ASTM D-792).
Rumus untuk menentukan massa jenis adalah (Siagian, 2016) : 𝜌 = 𝑚
𝑣 (2.3) 𝜌 = rapat massa/densitas (g/cm3)
m = massa sampel (g) v = volume sampel (cm3)
18
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN
Penelitian ini akan dilaksanakan di Laboratorium Penelitian, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.2 ALAT DAN BAHAN
Pada penelitian ini alat yang digunakan antara lain : 1. Neraca digital
2. Batang pengaduk 3. Compression molding 4. Ayakan
5. Cetakan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain : 1. Zinc oxide (ZnO)
2. Resin Poliester
3. Katalis Metil Etil Keton Peroksida (MEKPO) 4. Gliserin
3.3 PROSEDUR PEMBUATAN KOMPOSIT
Adapun prosedur pembuatan komposit adalah sebagai berikut (Hadavand et al, 2015; Nasution, 2006; Abatay et al, 2014; Hakim, 2009; Saragih, 2017):
1. Massa matriks poliester dan partikel zinc oxide (ZnO) yang diinginkan ditimbang dengan perbandingan pengisi 0, 1%, 3%, 5% dan 7% (b/b).
2. Dilakukan pencampuran matriks dengan pengisi sesuai dengan perbandingan ke dalam wadah.
3. Diberikan pelicin gliserin pada alas cetakan.
4. Kemudian ditambahkan katalis sebagai pengeras dengan perbandingan 2% dari berat matriks.
5. Dituangkan campuran bahan ke dalam cetakan spesimen 6. Diratakan permukaan campuran pada cetakan
10. Kemudian dipress dengan menggunakan compression molding pada tekanan 50, 75, 100, 125 dan 150 Psi.
11. Dikeringkan pada suhu kamar 12. Dilepaskan komposit dari cetakan
13. Dihaluskan permukaan komposit dengan menggunakan alat kikir 14. Kemudian dilakukan karakterisasi dan pengujian pada kompsit
3.4 FLOWCHART PERCOBAAN
Adapun Flowchart Pembuatan komposit dapat dilihat pada Gambar 3.1 dibawah ini (Hadavand et al, 2015; Nasution, 2006; Abatay et al, 2014; Hakim, 2009; Saragih, 2017) :
Berikan pelicin gliserin pada alas cetakan
Massa matriks poliester – pengisi partikel zinc oxide (ZnO) ditimbang dengan konsentrasi pengisi 0%, 1%, 3%, 5% dan 7% (b/b)
Dituangkan campuran bahan ke dalam spesimen
Diratakan permukaan campuran pada alas cetakan Mulai
Ditambahkan katalis MEKPO sebagai pengeras dengan perbandingan 2% dari berat matriks
Di press menggunakan compression molding dengan tekanan 50, 75, 100. 125 dan 150 Psi
Dibiarkan mengering pada suhu kamar
Dilakukan pencampuran matriks dengan pengisi sesuai dengan konsentrasi ke dalam wadah.
A A
20
Gambar 3.1 Flowchart Pembuatan Komposit
3.5 ANALISA PRODUK KOMPOSIT DAN PARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO)
3.5.1 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD)
Sampel yang akan dianalisa dengan X-Ray Diffracion (XRD) yaitu pengisi partikel zinc oxide (ZnO). Tujuan dilakukan analisa ini adalah untuk mengukur kristalinitas partikel zinc oxide (ZnO) yang digunakan.
3.5.2 Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM)
Sampel yang akan dianalisa dengan Scanning Electron Microscope (SEM) yaitu komposit dengan penambahan pengisi partikel zinc oxide (ZnO).
Tujuan dilakukan analisa ini adalah untuk melihat morfologi penyebaran dengan penambahan pengisi partikel zinc oxide (ZnO) dalam matriks poliester.
Analisa Scanning Electron Microscope (SEM) dilakukan di Laboratorium Scanning Electron Microscope (SEM), Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Medan.
3.5.3 Karakterisasi Fourier Transform Infra-Red (FTIR)
Sampel yang akan dianalisa dengan Fourier Transform Infra-Red (FTIR) yaitu komposit dengan penambahan pengisi partikel zinc oxide (ZnO).
Tujuan dilakukan analisa ini adalah untuk melihat apakah ada atau tidak terbentuknya gugus baru dalam produk komposit dengan penambahan pengisi
Selesai
Dilepaskan komposit dari cetakan
Dihaluskan permukaan komposit dengan menggunakan alat kikir
Dilakukan karakterisasi dan pengujian pada komposit A
A
partikel zinc oxide (ZnO). Analisa Fourier Transform Infra-Red (FTIR) dilakukan di Laboratorium Penelitian Fakultas Farmasi, Universitas Sumatera Utara, Medan.
3.5.4 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength) dengan ASTM D 638
Komposit hasil spesimen dipilih dan dipotong membentuk spesimen untuk pengujian kekuatan tarik. Pengujian kekuatan tarik dilakukan dengan tensometer.
Mesin dihidupkan dan spesimen akan ditarik ke atas hingga spesimen putus kemudian dicatat tegangan maksimum dan regangannya.
Persamaan untuk tegangan tarik adalah (Surbakti, 2013) : Kekuatan Tarik = Tegangan
Luas Permukaan τ = F
A (MPa) Persamaan untuk regangan adalah:
Perpanjangan = Perubahan Panjang Panjang Awal ε = l− lo
l0 x 100%
3.5.5 Uji Penyerapan Air (Water Absorption)
Spesimen dicelupkan ke dalam air dengan periode waktu 24, 48, 96 jam dan seterusnya hingga berat komposit konstan. Berat kompost akan bertambah karena air masuk ke dalam jaringan polimer. Perhitungan berat komposit setelah perendaman dapat dihitung dengan rumus (Michael dan Halimatuddahliana, 2013) :
Wg = We –W o
Wo x 100%
dengan: Wg = Persentasi pertambahan berat komposit We = Berat komposit setelah perendaman Wo = Berat komposit sebelum perendaman
3.5.6 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) dengan ASTM D 4812-11 Spesimen yang akan diuji bentur mengikuti metode Charpy. Adapun persamaan untuk mendapatkan kekuatan impak dari komposit yaitu (Surbakti, 2013):
22
Kekuatan = Energi yang dibutuhkan untuk patah
Luas Penampang Spesimen (J/m2)
3.5.7 Uji Kekuatan Lentur (Flexural Strength) dengan ASTM D 790
Pengujian kekuatan lentur (UFS) dimaksudkan untuk mengetahui ketahanan komposit terhadap pembebanan pada tiga titik lentur. Di samping itu pengujian ini dilakukan untuk mengetahui sifat elastis bahan.
Persamaan berikut digunakan untuk memperoleh nilai kekuatan lentur (Tantra, 2015) :
UFS = 3pL
2bd2 x 100%
dengan: UFS = kekuatan lentur (N/m2) p = gaya penekan (N) L = jarak dua penumpu (m)
b = lebar spesimen (m) d = tebal spesimen (m)
3.5.8 Uji Densitas (Kerapatan)
Spesimen yang akan diuji kerapatan diuji dengan terlebih dahulu menimbang massa komposit dan dilakukan pengukuran bulk density dimana bulk density adalah densitas dari suatu sampel yang berdasarkan volume bulk atau volume sampel yang termasuk dengan pori-pori atau rongga yang ada pada sampel tersebut.
Perhitungan kerapan komposit dapat dihitung dengan rumus (Michael dan Halimatuddahliana, 2013) :
Kerapatan = 𝑚
𝑉
dengan: m = Massa komposit V = Volume komposit
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 KARAKTERISASI PENGISI PARTIKEL ZINC OXIDE (ZnO) 4.1.1 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Zinc Oxide (ZnO)
Tujuan karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Zinc oxide (ZnO) adalah untuk menganalisis indeks kritalinitas yang diperoleh menggunakan sinar-X. Hasil Pengujian kritalinitas menggunakan XRD dapat ditujukan oleh gambar 4.1 dibawah ini.
Gambar 4.1 Karakteristik X-Ray Diffraction (XRD) Zinc Oxide (ZnO) Difraksi sinar-X dapat memberikan informasi tentang struktur polimer, termasuk tentang keadaan amorf dan kristalin polimer. Difraktogram sinar-X polimer kristalin menghasilkan puncak-puncak yang tajam, sedangkan polimer amorf cendrung menghasilkan puncak yang melebar. Pola hamburan sinar-X juga dapat memberikan informasi tentang konfigurasi rantai dalam kristalit, perkiraan ukuran kristalit dan perbandingan daerah kristalin dengan daerah amorf (derajat kristalinitas) (Rohaeti, 2009).
Berdasarkan grafik diatas, hasil difraksi menggunakan X-Ray Difraktometer (XRD) dalam operasinya melibatkan radiasi Cu pada 40 kV 30 mA.
Penentuan indeks kristalinitas suatu bahan dapat dilakukan dengan menggunakan metode segal menggunakan persamaan dibawah ini:
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
30 35 40 45 50 55 60 65 70
2 Theta (deg)
Zinc Oxide
24
(4.1) Persamaan diatas digunakan untuk menghitung indeks kristalinitas, yang mana I002 merupakan intensitas maksimum dari difraksi pola 002 yang merupakan representasi dari kedua zona yaitu zona kristal dan zona amorf sedangkan IAM
merupakan intensitas dari difraksi yang merupakan representasi dari zona amorf (Kaushik dan Ramanpreet, 2016; Nasution et al, 2017).
Berdasarkan hasil perhitungan menggunakan persamaan segal diatas, dapat diperoleh indeks kristalinitas zinc oxide (ZnO) sebesar 57% yang ditunjukkan pada puncak serapan tajam dari spektrum zinc oxide (ZnO) yang diperoleh.
Indeks kristalinitas yang diperoleh dari zinc oxide (ZnO) sebesar 57%
diharapkan mampu meningkatkan dispersi / penyebaran pengisi pada matriks. Hal ini sesuai dengan penelitian Gutul, et,al (2014) dimana semakin tingginya kristalinitas suatu pengisi didalam matriks, maka akan meningkatkan interaksi fisik maupun mekanik antara filler dengan matriks.
4.2 KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGISI ZINC OXIDE (ZNO) 4.2.1 Analisis Fourier Transform Infra Red (FT-IR) Komposit Berpengisi
Zinc Oxide (ZnO)
Karakterisasi FTIR dan daerah absorbansi gugus fungsi dari bahan pengisi Zinc oxide (ZnO) dapat dilihat pada Gambar 4.2 di bawah ini:
Gambar 4.2 Karakterisasi FTIR Komposit Berpengisi Zinc Oxide (ZnO)
OH
OH CH
CH
CO CO
CO CO
Gambar diatas menunjukkan analisis FTIR yang berfungsi untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat pada komposit yang dihasilkan. Hasil uji FTIR komposit dengan dan tanpa berpengisi zinc oxide (ZnO) yang diperoleh hampir memiliki banyak kesamaan.
Keterangan analisis gugus fungsi :
- 3600 cm-1 : Gugus Hidrofilik (OH) - 2900 cm-1 : Gugus Alkana (C-H) - 1700 cm-1 : Gugus Karbonil (C=O) - 1500-1200 cm-1 : Gugus Karbonil (C=O)
Puncak serapan pada bilangan gelombang 3600 cm-1 yang terdapat pada komposit dengan dan tanpa berpengisi zinc oxide (ZnO) mengindikasikan keberadaan dari gugus hidrofilik (OH). Gugus ini berasal dari senyawa yang terdapat pada poliester. Berdasarkan Gambar 4.2 dapat dilihat semakin meningkarnya puncak serapan yang diperoleh komposit dengan pengisi zinc oxide (ZnO), hal ini disebabkan interaksi antara poliester dan zinc oxide (ZnO) akan meningkatkan kemampuan penyerapan (adsorbsi) yang terdapat pada interface (Gutul et al, 2014).
Puncak serapan pada bilangan gelombang 2900 cm-1 yang terdapat pada komposit dengan dan tanpa berpengisi zinc oxide (ZnO) mengindikasikan keberadaan dari gugus alkana (C-H). Semakin tajamnya puncak serapan yang diperoleh komposit dengan pengisi zinc oxide (ZnO) dipengaruhi oleh interaksi fisik yang terjadi antara poliester dan zinc oxide (ZnO) sehingga mampu meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit yang dihasilkan (Gutul et al, 2014).
Puncak serapan pada bilangan gelombang 1700 cm-1 yang terdapat pada komposit dengan dan tanpa berpengisi zinc oxide (ZnO) mengindikasikan keberadaan dari gugus C=O. Gugus C=O ini berasal dari gugus karbonil pada poliester yang terdapat pada sampel. Semakin tajamnya puncak serapan yang diperoleh komposit dengan pengisi zinc oxide (ZnO) dipengaruhi oleh interaksi antara gugus karbonil poliester dengan ion Zinc (M.Sudha dan M. Rajarajan, 2013).
Puncak serapan pada bilangan gelombang 1500-1200 cm-1 yang terdapat pada komposit dengan dan tanpa berpengisi zinc oxide (ZnO) mengindikasikan keberadaan dari gugus C=O. Gugus C=O ini berasal dari gugus karbonil pada
26
poliester yang terdapat pada sampel. Semakin tajamnya puncak serapan yang diperoleh komposit dengan pengisi zinc oxide (ZnO) dipengaruhi oleh interaksi antara gugus karbonil poliester dengan ion Zinc. Pada puncak serapan pada bilangan gelombang 1500-1200 cm-1 yang terdapat pada komposit berpengisi zinc oxide (ZnO) mengindikasikan keberadaan partikel zinc oxide (ZnO) (Ilegbusi dan Leonid, 2012).
4.3 ANALISIS KOMPOSIT
4.3.1 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Densitas Komposit
Gambar 4.3 berikut ini menunjukkan pengaruh perbandingan komposisi zinc oxide (ZnO) dan tekanan compression molding terhadap densitas komposit
Gambar 4.3 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Densitas Komposit
Pada Gambar 4.3 diatas dapat dilihat bahwa penambahan zinc oxide (ZnO) dan tekanan terhadap densitas komposit diperoleh nilai densitas tertinggi sebesar 0,99 gr/cm3 yang didapat pada penambahan zinc oxide (ZnO) 3% pada tekanan 150 psi. Nilai densitas terendah diperoleh pada penambahan zinc oxide (ZnO) 0% pada tekanan 50 psi sebesar 0,82 gr/cm3.
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
50 psi 75 psi 100 psi 125 psi 150 psi
Densitas gr/cm3
Tekanan (psi)
Zinc Oxide 0% Zinc Oxide 1 % Zinc Oxide 3 % Zinc Oxide 5 % Zinc Oxide 7 %
Berdasarkan Gambar 4.3 diatas dapat dilihat semakin meningkatnya penambahan zinc oxide (ZnO) yang ditambahkan maka nilai densitas yang diperoleh akan semakin meningkat dibandingkan dengan komposit tanpa penambahan zinc oxide (ZnO) sebagai pengisi. Hal ini karena zinc oxide (ZnO) sebagai pengisi mampu mengisi ruang-ruang kosong pada matriks poliester sehingga meningkatkan kerapatan komposit. Nilai densitas tertinggi diperoleh pada penambahan zinc oxide (ZnO) 3% pada tekanan 150 psi. Peningkatan nilai densitas komposit yang diperoleh didukung oleh analisis SEM pada Gambar 4.5 (a) dimana zinc oxide (ZnO) yang ditambahkan cukup tersebar secara merata dibeberapa kawasan sehingga zinc oxide (ZnO) telah berhasil mengisi fraksi kosong yang terdapat pada matriks sehingga meningkatkan kerapatan komposit yang dihasilkan.
Namun, pada tekanan yang sama dengan penambahan zinc oxide (ZnO) 5% akan mengurangi nilai densitas komposit yang dihasilkan. Hal ini disebabkan oleh penambahan pengisi yang lebih banyak menyebabkan tidak terjadinya pembasahan antara matriks dan oengisi pada komposit sehingga menurunkan interaksi antara pengisi dan komposit. Ketika penambahan pengisi maka suatu saat akan tercapai titik optimum yang membuat sifat mekanik dari komposit menjadi menurun.
Pada Gambar 4.3 diatas juga dapat dilihat bahwa dengan meningkatnya tekanan yang digunakan pada compression molding akan meningkatkan nilai densitas dari komposit yang dihasilkan, hal tersebut sesuai dengan penelitian Lee, et al, (2007) dimana peningkatan tekanan berpengaruh dalam menghasilkan komposit yang lebih padat (dense).
28
4.3.2 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Komposit
Gambar 4.4 berikut ini menunjukkan pengaruh perbandingan komposisi zinc oxide (ZnO) dan tekanan compression molding terhadap kekuatan tarik (Tensile Strength) komposit.
Gambar 4.4 Pengaruh Perbandingan Komposisi Zinc Oxide (ZnO) dan Tekanan Compression Molding Terhadap Kuat Tarik Komposit Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa penambahan zinc oxide (ZnO) dan tekanan terhadap kuat tarik komposit diperoleh nilai kuat tarik tertinggi sebesar 54 MPa yang didapat pada penambahan zinc oxide (ZnO) 3% pada tekanan 150 psi.
Nilai kuat tarik terendah diperoleh pada penambahan zinc oxide (ZnO) 7% pada tekanan 50 psi sebesar 8 MPa.
Berdasarkan Gambar 4.4 diatas dapat dilihat semakin meningkatnya penambahan zinc oxide (ZnO) yang ditambahkan maka nilai kuat tarik yang diperoleh akan semakin meningkat dibandingkan dengan komposit tanpa penambahan zinc oxide (ZnO) sebagai pengisi. Hal ini karena zinc oxide (ZnO) sebagai pengisi mampu mengisi ruang-ruang kosong pada matriks poliester sehingga perpindahan tegangan (stress) dari pengisi ke matriks semakin seragam dan juga zinc oxide (ZnO) yang ditambahkan telah terdistribusi secara merata sehingga meningkatkan kuat tarik dari komposit yang dihasilkan (Ramaniah et al, 2012). Ketika penambahan zinc oxide (ZnO) ditingkatkan menjadi 5% dan 7%, maka nilai kuat tarik yang diperoleh akan mengalami penurunan, hal ini disebabkan
04 128 1620 2428 3236 4044 4852
0% 1% 3% 5% 7%
Kekuatan Tarik (MPa)
Komposisi Zinc Oxide (ZnO)
Tekanan 50 Psi Tekanan 75 Psi Tekanan 100 Psi Tekanan 125 Psi Tekanan 150 Psi
