RANCANG BANGUN
MESIN WOOD PLASTIC COMPOSITE SCREW EXTRUSSION MOLDING
( Bagian Dari Prototipe Unit Produksi Panel Komposit Kayu Plastik Untuk Dinding Dan Lantai )
Aryo Satito1)
1
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang, Jl. Prof. H. Sudarto, SH. Tembalang, Semarang 50275
E-mail : aryosatito@gmail.com
Abstract
The HIBER 2016 research is focused on the realization of wood plastic composite extrusion molding molding. This equipment is ued to mix 70% wooden sawdust that has been decomposed of lignin and hemicellulose as filler composite material with 30% HDPE plastic powder as matrix composite material. The type of equipment extrusion molding that has been realized is the screw extruder type. This prototype is used to mix the sawdust as a filler material and the HDPE powder as a matrix material composite and melted the matrix material of this compund. This melting process occure continuously since the mixed material is poured from the hoper till the end of the nozzle extruder that serves a melted composite into the mold cavity. The wood plastic composite extrusion equipment that has been realized has a capacity of 50 kg / hr melted wood plastic composite dough is ready to mold. The power consumption of this equipment is 0.5 HP to rotate 1 phase 220 V electric motor and 1000 W for heating tube extrusion.
Keywords: wooden sawdust, HDPE, decomposed, extrusion
Abstrak
Penelitian Hibah Bersaing 2016 ini difokuskan pada realisasi rancang bangun mesin cetak ekstrusi komposit kayu plastik, yang merupakan peralatan untuk mencampurkan 70 % serbuk kayu yang telah didekomposisi dari lignin dan hemiselulosa sebagai material pengisi komposit dengan 30 % serbuk plastik HDPE sebagai material matriks komposit. Jenis peralatan extrusion molding yang telah direalisasikan dalam penelitian Hibah Bersaing tahap 2 ini adalah jenis screw extruder karena jenis ini mampu mencampurkan material pengisi dan material matriks komposit secara terus menerus sejak material dituangkan dari corong pengisi sampai ujung nozzle extruder yang berfungsi mengalirkan cairan komposit ke rongga cetakan. Prototipe peralatan wood plastik composite extrusion yang telah direalisasi dalam Penelitian Hibah Bersaing tahap 2 tahun 2016 ini berkapasitas 50 kg/jam campuran komposit kayu plastik siap cetak. Konsumsi daya listrik yang digunakan mesin ini sebesar 0,5 HP untuk memutarkan motor listrik 1 fase 220 V sebagai penggerak dan 1000 W untuk pemanas tabung ekstrusi.
Kata kunci: serbuk kayu,HDPE, dekomposisi, ekstrusi
PENDAHULUAN
ada saat ini kebanyakan terbuat dari material sintetis yang tidak dapat didaur ulang ( hebel.co.id/catalogue/php ).
Volume limbah kayu yang dihasilkan industri penggergajian kayu terdiri dari bagian kulit (Jawa: sebretan) sebesar 20 %, potongan kecil sebesar 14 %, dan serbuk gergajian yang mencapai 11 % (Purwanto, dkk. 1994). Bagian kulit dan potongan kecil kayu seringkali masih dapat dimanfaatkan untuk bahan baku aneka kerajinan, sedangkan serbuk gergajian pada umumnya hanya dibakar atau dibuang begitu saja. Di sisi lain dari kemajuan teknologi, kebutuhan akan bahan baku plastik juga terus meningkat. Konsekuensi dari semakin banyaknya pemakaian bahan baku plastik adalah terus meningkatnya jumlah limbah plastik di alam.
High Density Polyethylene (HDPE), adalah salah satu jenis plastik yang memiliki kemampuan untuk didaur ulang, merupakan salah satu jenis plastik yang paling banyak digunakan di dunia sehingga jenis plastik ini juga merupakan kontributor limbah terbesar di alam. Menurut Biro Pusat Statistik, pada tahun 2007 jumlah prosentase limbah plastik HDPE di Indonesia mencapai 62 % dari total limbah plastik yang ada (sumber : bps.go.id). Untuk itu, limbah HDPE harus dimanfaatkan antara lain untuk dibuat menjadi material komposit kayu plastik.
Dalam penelitian terapan terdahulu, yaitu “Aplikasi Teknologi Liquid Phase Sintering Pada Limbah Kayu Dan Plastik Untuk Menciptakan Material Baru,
(Satito,2010)” yang menjadi dasar penelitian ini, telah diperoleh komposisi dan proses
yang paling sesuai untuk komposit kayu plastik yang mengutamakan penampilan permukaan yang dekoratif. Komposisi tersebut adalah 30% serbuk HDPE dan 70% serbuk kayu yang diproses secara hot pressing pada tekanan 25 MPa dan temperatur proses pada maksimum 220 °C. Sedangkan untuk memperbaiki sifat fisik maupun sifat mekanis komposit, telah diselesaikan sebuah penelitian dengan judul ” Rancang Bangun Mesin Pembuat Butiran Pellet Sebagai Proses Pre-Impregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik Untuk Meningkatkan Kualitas Produk Panel Komposit,
(Satito,2013)” yang menghasilkan pellet komposit kayu plastic untuk bahan baku panel komposit. Guna menindaklanjuti kedua penelitian di atas, maka dilakukan penelitian lanjutan untuk memproduksi panel komposit kayu plastic yang akan digunakan sebagai pelapis dinding atau lantai.
Dalam penelitian terapan ini telah dilakukan beberapa hal, yaitu :
a. merancang peralatan / mesin screw extrusion mold yang akan menghasilkan panel pelapis dinding berbahanbaku komposit kayu plastic
b. merancang peralatan mold untuk mencetak pelapis dinding berbahanbaku komposit kayu plastic
c. Mengkaji kinerja mesin
d. Menghitung kapasitas produksi mesin
Penelitian Yang Relevan
Penelitian yang menggabungkan kayu dengan berbagai jenis termoplastik telah dilakukan oleh beberapa peneliti, antara lain : Okamoto, dkk (2000),Stark dan Rowland (2002), Setyawati (2003), Gardner ,et al (2008), Min dan Shuai (2007), Rude (2007), Satito (2010 dan 2013), dan Villechevrolle (2008). Okamoto dkk, (2000) melakukan penelitian tentang kemampuan kedap air dari komposit yang terbuat dari berbagai jenis serat kayu dan aneka polimer termoplastik seperti polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), and polystyrene (PST) sebagai matriks yang ditambah dengan tepung kayu yang diproses dengan steam explode (SE) untuk menghilangkan lignin dan hemiselulosa pada kayu. Hasilnya adalah semakin besar kandungan tepung kayu SE, kemampuan kedap air semakin menurun.
Sedangkan Stark dan Rowland (2002), meneliti tentang serbuk kayuk karakteristik serat kayu dan tepung kayu sebagai pengisi (filler) terhadap sifat mekanis pada komposit kayu dan polypropylene (PP). Hasilnya pada nisbah (ratio) antara tepung kayu ataupun serat kayu dan polypropylene sebesar 80:20 lebih baik sifat mekanisnya dibandingkan pada nisbah 60:40.
Setyawati (2003) melakukan penelitian tentang sifat fisik dan mekanis dari komposit kayu dan limbah plastik PP dengan variabel ukuran butiran pengisi ataupun matriks dengan penambahan stabilyzer MAH sebesar 2,5 %. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa semakin kecil ukuran partikel pengisi maka sifat mekanis maupun sifat fisik komposit akan meningkat. Hasil paling optimum dicapai oleh komposit dengan nisbah serbuk kayu dan matriks PP sebesar 50:50.
Gardner ,et al (2008) meneliti sifat mekanis komposit kayu dan matriks plastik ( polyethylene, polypropylene, dan polyvinylchloside) apabila komposit dibuat dengan menggunakan metoda ekstrusi. Hasilnya adalah komposit dengan matriks polimer polyvinylchloride sebesar 35% dan serbuk kayu 65% menunjukkan sifat mekanis tertinggi. Demikian juga dengan apa yang dilakukan oleh Villechevrolle (2008) juga meneliti sifat mekanis dan sifat fisik komposit apabila dibuat dengan menggunakan metoda ekstrusi 2 tahap.
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Satito (2010) diperoleh hasil antara lain :
a. pengujian kekuatan tarik diperoleh nilai rata-rata sebesar 20,5 MPa; 15,2 MPa; dan 12,6 MPa.
b. Kekuatan impak komposit adalah 54 J/m; 48 J/m dan 34 J/m. Kekuatan geser komposit adalah 6,7 MPa; 5,1 MPa dan 4,2 MPa. Masing-masing untuk komposisi dengan kandungan plastik sebesar 50%; 40% dan 30%.
c. Penampilan visual terbaik dicapai oleh komposit dengan komposisi 70% kayu dan 30% plastik.
kayu memiliki sifat hydrophilia atau menyerap air sedangkan plastik pada dasarnya memiliki sifat hydrophobia atau tidak menyerap air. Untuk menjembatani perbedaan sifat dasar itu, dalam komposit lazim digunakan zat aditif ( coupling agent ) yang berfungsi menghubungkan keduanya. Dalam hal ini Min dan Shuai (2007) meneliti pengaruh maleic anhydride dan isocyanate sebesar 2% pada komposit. Hasil dari penelitian ini adalah penggunaan maleic anhydride pada komposit menghasilkan sifat fisik dan sifat mekanis yang lebih unggul. Sedangkan apa yang dilakukan oleh Rude (2007) adalah mengevaluasi sifat mekanis komposit dengan melakukan penambahan coupling agent dengan pelumas (lubricant agent). Hasilnya adalah penggunaan zat pelumas zinc stearate akan memperbaiki kualitas permukaan komposit sehingga koefisien gesek permukaan komposit akan menurun. Peningkatan kekuatan tarik dan kekuatan geser komposit kayu plastik juga meningkat sebesar 30 % apabila bahan baku komposit kayu plastik mengalami proses pre-impregnation awal yang didahului dengan perendaman serbuk kayu pada larutan 10% NaOH + 90 % air. ( Satito, 2013).
Dari tinjauan pustaka yang telah diuraikan diatas, terlihat bahwa proses pembentukan komposit pada umumnya menggunakan metode ekstrusi. Selain daripada itu, material matriks yang digunakan adalah polyprophylene (PP) dan polyvinylchloride (PVC) yang seluruhnya menggunakan virgin material atau material baru. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian yang menggunakan bahan matriks polyethylene (PE) mengingat volume penggunaan polimer PE dengan densitas tinggi, high density polyethylene (HDPE) sangat dominan di Indonesia atau sebesar 62 % dari total penggunaan berbagai polimer yang digunakan (BPS, 2007). a. Komposit
Bahan komposit adalah bahan yang terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda kemudian digabungkan atau dicampur secara makroskopis. Hal ini berbeda dengan material paduan atau alloy yang penggabungan unsur-unsurnya bersifat mikroskopis. Pada bahan komposit, sifat-sifat unsur pembentuknya masih terlihat jelas, sedangkan pada material paduan sifat-sifat tersebut sudah tidak tampak nyata. Material komposit dapat didefinisikan sebagai material yang tersusun dari campuran antara dua atau lebih makrokonstituen (penyusun) yang berbeda dalam bentuk dan komposisi yang tidak saling melarutkan. Matriks adalah body constituent yang memberi bentuk komposit, sedangkan serat / lamina / partikel / flakes adalah pengisi (filler) komposit yang berperan sebagai structural constituent yang menentukan struktur internal dari komposit.
Matthews (1994) menyederhanakan difinisi Serbuk kayuldman tersebut diatas menjadi 2 kelompok saja, yaitu kelompok komposit dengan penguat serat (fibrous composite) bila perbandingan antara panjang dan diameternya adalah 100 dengan panjang minimum 5 mm, dan komposit dengan penguat partikel (particle composites).
b. Pre-Impregnation Proccess
Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, material bahan baku komposit sebaiknya mengalami proses awal yang sering disebut pre-impregnation proccess , yaitu proses pelapisan permukaan butiran / lamina penguat komposit dengan material pengikat komposit (Gibson, 1994). Dalam penelitian terapan ini, proses pre-impregnation proccess dilakukan dengan cara “membungkus” butiran-butiran serbuk kayu dengan plastik HDPE. Proses ini dilakukan dalam sebuah mesin / peralatan pembuat pellet sederhana. Secara skematis proses pre-impregnation bahan baku komposit kayu plastik dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 1 Diagram proses pre-impregnation bahan baku komposit
c. Sifat fisik material komposit yang diuji 1) Uji densitas pada komposit
Panel komposit kayu plastic yang telah dicetak dengan metode screw extrusion molding adalah gabungan antara serbuk gergajian kayu dan serbuk HDPE yang kemudian dipanaskan agar mencair agar dapat diinjeksikan ke cetakan pembentuk panel. Karena merupakan penggabungan 2 jenis material yang berbeda, maka densitas teoritis dapat dihitung dengan menggunakan persamaan rule of mixture
Manusia: untuk membuat panel pelapis dinding berbahanbaku
Konduksi panas (thermal conduction) adalah kemampuan material untuk mentransfer panas dari temperatur tinggi ke temperatur rendah (Callister, 2001).
x
Rencana penelitian terapan DIPA Polines 2014 ini dapat dituangkan dalam bentuk diagram tulang ikan yang memiliki komponen : manusia, metode, lingkungan, alat, dan bahan serta pemecahan masalah sebagai komponen kepala seperti terlihat di bawah,
Gambar 2 Diagram tulang ikan dari kegiatan penelitian
Langkah Penelitian
a. Melakukan Survei peralatan penghancur limbah plastik HDPE di Surabaya b. Melakukan survey mesin injeksi plunger type ke Jakarta.
dinding
berbahan baku komposit limbah kayu dan plastik HDPE
d. Realisasi rancangan mesin screw extrusion mold.
e. Uji coba kinerja dan hasil prototype mesin mesin screw extrusion mold. f. Uji water absorption material panel kayu komposit
g. Uji thermal conductivity material panel kayu komposit
HASIL DAN PEMBAHASAN
Unit mesin screw extrusion molding untuk membuat panel pelapis dinding berbahanbaku komposit limbah kayu dan plastik HDPE.
Dari studi pustaka dan studi lapangan yang dilakukan, telah diperoleh rancangan baku unit peralatan mesin screw extrusion molding khusus untuk komposit kayu plastik. Berdasarkan rancangan itulah, unit peralatan mesin screw extrusion molding dibuat dan hasil dari pembuatan peralatan ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 4 Unit peralatan mesin screw extrusion molding untuk membuat panel pelapis dinding berbahanbaku komposit serbuk limbah kayu dan serbuk limbah
plastik HDPE
Unit peralatan ini terdiri dari beberapa bagian, antara lain:
elemen pemanas yang mampu memanaskan campuran serbuk kayu dan plastik jenis hingga 220°C. Pada temperatur ini plastik akan mencair membungkus serbuk kayu. Campuran serbuk kayu dan plastik yang mencair kemudian diekstrusikan oleh plunger.
b. Unit poros ulir penekan plunger ekstrusi
c. Unit transmisi penggerak poros penekan yang terdiri dari plunger, poros ulir, mur pemutar poros ulir, rangkaian gear and sprocket, speed reducer 1:10, dan motor listrik.
d. Sebagai pelengkap, mesin screw extrusion molding ini dilengkapi dengan cetakan pembentuk cairan komposit kayu plastic menjadi produk panel komposit kayu plastic seperti gambar di bawah.
Gambar 5 Cetakan panel komposit kayu plastik
Dalam penelitian terapan yang berjudul “Rancang Bangun Mesin Screw extrusion Molding Untuk Membuat Panel Pelapis Dinding Berbahanbaku Komposit Limbah Kayu Dan Plastik High Density Polyethelene”, ini telah diselesaikan 1 unit mesin screw extrusion mold untuk panel pelapis dinding/lantai berbahan baku pre-impregnated pellet komposit kayu plastic HDPE.
Panel komposit kayu plastic pelapis dinding berbahanbaku komposit limbah kayu dan plastik high density polyethelene
Karena panel komposit kayu plastik untuk pelapis dinding atau lantai lebih mengutamakan penampilan visual permukaan, maka dalam penelitian terapan ini ditentukan komposisi 70% serbuk kayu dan 30% plastik yang akan dibuat. Hasil produksi mesin screw extrusion molding untuk komposit kayu palstik terlihat pada gambar di bawah ini.
Hasil panel komposit yang diproduksi dengan metode screw extrusion mold memiliki densitas rata-rata 0,96 gram/cm3 untuk komposit dengan pengisi serbuk kayu bangkirai. Sedangkan komposit dengan pengisi serbuk kayu meranti memiliki densitas komposit rata-rata 0,85 gram/cm3. Dan daya serap air dari komposit kayu plastic hasil penelitian ini mencapai rata-rata 1,6 %. Kemampuan konduktifitas termal untuk komposit dengan pengisi serbuk kayu bangkirai mencapai 0,142 W/m°C , dan 0,138 W/m°C untuk komposit dengan pengisi serbuk kayu meranti.
SIMPULAN
Dari serangkaian kegiatan pelaksanaan Program Penelitian Hibah Bersaing 2016 yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Berdasarkan studi literatur, studi pustaka, dan studi lapangan maka proses perancangan mesin screw extrusion mold untuk panel pelapis dinding/lantai berbahan baku pre-impregnated pellet komposit kayu plastic HDPE telah dirancang sesuai kebutuhan.
2. Dari rancangan tersebut di atas, kemudian direalisasikan pembuatan peralatan tersebut berupa 1 (satu) unit mesin screw extrusion molding untuk membuat panel pelapis dinding berbahanbaku komposit limbah kayu dan plastik high density polyethelene, dengan spesifikasi sebagai berikut:
a. Kapasitas produksi = 50 kg / jam
b. Kemampuan pemanasan = 300 °C dengan daya listrik 1000 W c. Daya motor penggerak = 0,5 HP
d. Ukuran peralatan (PxLxT) = 1000 x 500 x 600 mm
e. berat = 30 kg
f. Elektrik kontrol = analog (manual).
3. Produk berupa panel komposit serbuk kayu dan plastic berukuran 20 x 100 x 200 mm, yang dapat digunakan sebagai pelapis dinding atau lantai.
4. Produk memiliki sifat fisik antara lain, mold memiliki densitas rata-rata 0,96 gram/cm3 untuk komposit dengan pengisi serbuk kayu bangkirai. Sedangkan komposit dengan pengisi serbuk kayu meranti memiliki densitas komposit rata-rata 0,85 gram/cm3. Dan daya serap air dari komposit kayu plastic hasil penelitian ini mencapai rata-rata 1,6 %. Kemampuan konduktifitas termal untuk komposit dengan pengisi serbuk kayu bangkirai mencapai 0,142 W/m°C , dan 0,138 W/m°C untuk komposit dengan pengisi serbuk kayu meranti.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih kepada Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat, Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan, Kementerian Riset Teknologi dan Pendidikan Tinggi yang telah mendanai penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
manufactured from hot water extracted wood”, Proceedings of the 51st International Convention of Society of Wood Science and Technology, November 10-12, 2008 Concepción, CHILE
Matsuoka, Kaho., Kazuya Okubo.,Toru Fuji.,2008,”High homogenization yechnique for micro fibrillated bacteria cellulose to fabricate electric testing prove disk”, Doshisha
University, Kyoto.
Min, X.U., and Shuai, L.I.,2007, Impact of Coupling Agent on Properties of Wood-Plastik
Composites, Higher Education Press and Springer-Verlag
Okamoto, T., Takatani, M., Kitayama. T.,2000., Wood-Plastik Composite Added with
Steam-Exploded Wood Flour , 3rd International Wood and Natural Fibre Composites
Symposium, Kassel, Germany.
Rude, E. F., 2007, Evaluation of Coupling Mechanisms in Wood Plastik
Composites., (Thesis), Department of Mechanical and Materials Engineering.,
Washington State University
Satito, Aryo. 2012., Pengujian Sifat Mekanis Komposit Serbuk Kayu Dan Plastik High
Density Polyethylene (HDPE).Jurnal Rekayasa Mesin, vol.7/no.1, April 2012. p 19-25
Satito, Aryo. 2013., “ Rancang Bangun Mesin Pembuat Butiran Pellet sebagai proses Pre -Impregnation Bahan Baku Komposit Kayu Plastik Untuk Meningkatkan Kualitas
Produk Panel Komposit”, Laporan Penelitian Terapan DIPA Politeknik Negeri Semarang.
Setyawati,D. 2003., Sifat Fisis dan Mekanis Komposit Serbuk Kayu Plastik Polipropilena
Daur Ulang. [Thesis]. Program Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Bogor
Stark, N.M., and Rowlands, R.E.,2002, “ Charracteristic Evaluation of Wood Fiber
Characteristic on Mechanical Properties af Wood / Polypropylene Composites.,Wood
