BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Kebutuhan material baku kayu untuk produk-produk seni, seperti ukiran kayu selalu tinggi. Hal ini memicu penggunaan kayu tropis yang tinggi, padahal banyak pemerintahan di dunia telah memberikan himbauan untuk mengurangi penggunaan kayu tropis guna ikut mengurangi efek pemanasan global. Indonesia yang memiliki hutan tropis terbanyak sangat diharapkan partisipasinya dalam program go green demi keselamatan dunia (Misan, et. al., 2013).
Limbah kayu dari sisa-sisa pembuatan produk kerajinan banyak terbuang percuma tanpa dimanfaatkan lagi. Sebagai contoh, pembuatan kerajinan ukiran dari kayu memerlukan kayu berkualitas dengan ukuran tertentu padahal tidak semua material tersebut terpakai menjadi ukiran. Sebagian material terbuang berbentuk serpihan-serpihan kayu yang tidak dimanfaatkan lagi untuk ukiran, melainkan dijadikan kayu bakar. Tentunya, keadaan ini dijadikan dasar untuk membuat suatu material baru yang dapat dimanfaatkan menjadi material kerajinan ukiran dengan memanfaatkan material di lingkungan sekitar yang ramah lingkungan. Salah satu limbah produk pertanian yang keberadaannya melimpah tetapi belum termanfaatkan secara optimal adalah jerami dan sekam padi (Nur, 2014).
Indonesia sebagai negara agraris memiliki areal persawahan efektif yang cukup signifikan dan telah menghasilkan jutaan ton beras setiap tahunnya. Total luas panen padi di Indonesia pada tahun 2012 mencapai 13,4 juta hektar dan sekitar 47% berada di pulau Jawa dan Bali. Berdasarkan luas panen tersebut, produksi gabah padi mencapai 69 juta ton dengan produktivitas sekitar 5 ton/ha (BPS, 2013). Data luas panen padi daerah Jawa dan Bali dari tahun 2008 hingga 2012 dapat dilihat pada Tabel 1.1.
Berdasarkan data pada Tabel 1.1 diperoleh bahwa luas panen provinsi Bali dari tahun 2008 hingga 2012 mencapai rata-rata 149.611 ha. Dengan luas panen demikian dapat menghasilkan gabah padi sekitar 850 ribu ton setiap tahunnya.
Berdasarkan studi pustaka, perbandingan produksi gabah dan jerami adalah 1:1, sedangkan untuk gabah dan sekam adalah 1:0,24. Artinya, setiap 1 ton gabah yang dihasilkan akan menyisakan jerami setara 1 ton dan sekam setara 0,24 ton (Nur, 2014). Jadi dapat diperkirakan rata-rata produksi sekam padi sebesar 206 ribu ton setiap tahunnya.Meskipun Bali bukan merupakan penghasil sekam dan jerami padi paling tinggi di Indonesia tetapi limbah tersebut tersedia dalam jumlah banyak dan belum termanfaatkan secara optimal menjadi sesuatu yang lebih bermanfaat.
Tabel 1.1 Luas panen padi daerah Jawa dan Bali tahun 2008-2012 (BPS, 2013)
Provinsi Tahun (dalam ha)
2008 2009 2010 2011 2012 DKI Jakarta 1.640 1.974 2.015 1.723 1.897 Jawa Barat 1.803.628 1.950.203 2.037.657 1.964.466 1.918.799 Banten 362.637 366.138 406.411 397.021 362.636 Jawa Tengah 1.659.314 1.725.034 1.801.397 1.724.246 1.773.558 DI Yogyakarta 140.167 145.424 147.058 150.827 152.912 Jawa Timur 1.774.884 1.904.830 1.963.983 1.926.796 1.975.719 Bali 143.999 150.283 152.190 152.585 149.000
Selama ini limbah sekam padi hanya dimanfaatkan sebagai arang sekam, dedak sebagai pakan ternak, dan abu gosok. Namun, saat ini sekam padi sudah mulai dimanfaatkan sebagai material bakar terbarukan atau bioenergi (Nur, 2014). Oleh karena ketersedian limbah sekam padi yang cukup banyak di Indonesia mendorong upaya pengembangan berbagai produk-produk material terbarukan. Salah satunya dengan pembuatan material komposit bermaterial sekam padi (Karyasa, 2014).
Sekam padi mengandung unsur-unsur utama yaitu karbon (C), hidrogen (H), nitrogen (N), sulfur (S), dan oksigen (O). Komposisi unsur penyusun utama yang terdapat pada limbah sekam padi ditunjukkan pada Tabel 1.2. Berdasarkan data pada Tabel 1.2 tampak bahwa kandungan unsur-unsur karbon dan oksigen dari sekam padi cukup tinggi. Sekam padi merupakan limbah organik yang tersedia berlimpah dan bernilai ekonomis tinggi. Pemanfaatan sekam padi untuk pembuatan material tertentu merupakan inovasi efektif untuk menambah daya
guna limbah tersebut. Salah satu material anorganik terbarukan yang dapat dikembangkan adalah ultrafine amorphous silica (UFAS) bubuk super halus silika amorf dari sekam padi (Karyasa dan Walter, 2003; Coniwanti, et al.,2008). UFAS dapat dikembangkan menjadi suatu material komposit dengan menggabungkan beberapa material seperti sekam padi yang telah dihaluskan, resin, dan katalis. Hasil penggabungan material-material tersebut akan menghasilkan material komposit terbarukan yang ramah lingkungan. Material komposit yang diperoleh dapat dijadikan sebagai material pengganti kayu yang dapat dikembangkan untuk barang-barang kerajinan dan secara kasat mata akan tampak seperti kayu.
Tabel 1.2 Komposisi penyusun utama sekam padi (Nur, 2014)
Parameter Persentase (%)
Minimum Maksimum Rata-rata
Karbon 37,86 40,96 39,40
Hidrogen 4,30 5,50 4,66
Nitrogen 0,00 0,83 0,40
Sulfur 0,00 0,31 0,08
Oksigen 33,49 37,70 35,71
Material komposit merupakan material baru yang dibentuk dari dua atau lebih material berbeda (Matthews, et al., 2000; Niska dan Sain, 2008). Matriks dan filler adalah material pembentuk material komposit yang mana filler sangat berperan dalam memberikan kekuatan dan kekakuan komposit. Berdasarkan hasil pembuatan UFAS yang telah dilakukan Karyasa (2014) diperoleh kandungan unsur-unsur pembentuk UFAS yaitu Si (98,800%), Ca (0,708%), Fe (0,246%), Yb (0,050%), Cu (0,048), Mn (0,046%), Cr (0,043%), dan Ni (0,020%). Material komposit dari UFAS sekam padi ini memiliki beberapa keunggulan diantaranya memberi nilai tambah pada limbah pertanian, silika dari sekam padi bersifat amorf dan reaktif serta tidak memerlukan banyak energi kalau ditransformasi ke struktur kristobalit sehingga cocok dijadikan material dasar pembuatan material lainnya, dan silika dari abu sekam padi dapat berupa bubuk dengan tingkat kemurnian tinggi (Karyasa, 2014). Pada penelitian ini akan diuji tiga jenis material komposit bermaterial UFAS dengan komposisi berbeda. Terdapat tiga jenis UFAS yang
digunakan yaitu UFAS1, UFAS2, dan UFAS3. Perbedaan ketiganya terletak pada suhu pembakaran saat pembuatannya.UFAS1 diperoleh dari hasil pemanasan hingga 400oC, UFAS2 diperoleh dari hasil pemanasan hingga 600oC, dan UFAS3
diperoleh dari hasil pemanasan hingga 800oC.
Material komposit berbahan dasar UFAS dari sekam padi sebagai pengganti kayu untuk pembuatan kerajinan ukiran itu perlu diuji kelayakannya agar kualitas produk-produk yang dibuat dari material komposit tersebut terjamin. Oleh karena itu diperlukan adanya pengujian terhadap kualitas internal material komposit dengan teknik pengujian tak rusak agar struktur material pasca pengujian tetap diperoleh. Pengujian terhadap suatu peralatan atau material sangatlah penting untuk memenuhi standarisasi produk mesin atau material yang menentukan tingkat kualitas dan mutu suatu produk. Non-destructive testing (NDT) atau uji tak rusak adalah teknik pengujian terhadap suatu material yang bertujuan untuk mengetahui struktur internal, sifat-sifat material, geometri dan dimensi, serta cacat pada material tanpa merusak material yang diuji (Moore, 1981). Saat ini, NDT adalah pilihan pengujian yang sering digunakan dalam rekayasa forensik, teknik mesin, teknik elektro, teknik sipil, teknik aeronautika, obat-obatan, dan hasil karya seni.
Tomografi komputer (TK) merupakan salah satu teknik pengujian tak rusak yang dapat digunakan untuk menginspeksi bagian internal suatu material (Mix, 2005). Tomografi merupakan teknik pencitraan yang mempresentasikan tampang lintang dari suatu objek tanpa melalui pembedahan (Buzug, 2008). Tomografi pertama kali digunakan untuk mendiagnosa wanita yang mengidap tumor otak (Cierniak, 2011). Kemudian pemanfaatan tomografi meluas dari bidang kesehatan hingga industri. Pemanfaatan tomografi dalam bidang industri yaitu sebagai kualitas kontrol produk-produk yang dihasilkan.
Tomografi telah banyak dimanfaatkan untuk inspeksi bagian dalam material seperti penelitian yang telah dilakukan oleh Petit et al. (2013) yaitu menguji struktur dari benda padat, yakni polimer, baja, dan keramik dengan menggunakan TK sinar-X. Citra tomografi yang dihasilkan dapat menunjukkan perbedaan struktur mikro dari ketiga material tersebut dengan jelas. Hal ini
mendasari pemanfaatan tomografi dalam berbagai bidang yang telah dikembangkan dengan berbagai sistem tomografi sesuai dengan keperluan.
Satu sistem mikro-TK sinar-X telah dikembangkan di laboratorium Fisika Citra FMIPA UGM. Sistem TK dioperasikan menggunakan perangkat komputer, baik dalam proses pengambilan data hingga rekontruksi untuk menghasilkan citra tampang lintang dari objek uji. Peralatan mikro-TK sinar-X telah digunakan untuk melakukan inspeksi terhadap struktur kapasitor oleh Pratama and Suparta (2015). Hasil penelitian menunjukkan bahwa peralatan mikro-TK sinar-X dapat menghasilkan citra berbeda-beda dari beberapa kapasitor yang diuji. Selain itu, Louk and Suparta (2015) telah berhasil mengembangkan perangkat lunak untuk merekontruksi model tiga dimensi dari material uji yang diinspeksi dengan peralatan mikro-TK sinar-X tersebut. Keunggulan dari sistem TK diantaranya tidak memerlukan persiapan khusus bagi objek yang diuji, tidak melibatkan zat kimia, pengujian dapat diulang-ulang dan dilakukan secara kolektif, serta dapat direpresentasikan secara visual (Handayani, 2006).
Pengujian bagian internal suatu material akan memberikan hasil mengenai struktur internal material yang dapat dijadikan dasar analisis kualitas material yang tidak dapat diamati langsung secara kasat mata. Kualitas material komposit ditentukan oleh beberapa hal diantaranya kekakuan, kekuatan material, serta kerapatan yang meliputi homogenitas campuran dan porositas material (Matthews, et al., 2000). Porositas berhubungan erat dengan sifat-sifat mekanik material komposit seperti kekakuan dan kekuatan material (Aqida, et al., 2004). Kekuatan mekanik material dipengaruhi oleh ada tidaknya pori, orientasi pori, dan volume pori.Pengujian porositas bertujuan untuk mengetahui perbandingan antara jumlah volume ruang kosong (pori-pori) yang dimiliki oleh zat padat terhadap jumlah volume keseluruhan zat padat.
Metode pengujian porositas dapat dilakukan dengan alat tomografi komputer. Setiap irisan tampang lintang hasil tomografi memperlihatkan strukur internal material yang tidak dapat dilihat secara langsung dari bagian luar material. Struktur pori pada material akan mempengaruhi nilai porositas material tersebut. Analisis mengenai struktur pori dalam material dengan menggunakan
mikro-TK sinar-X telah dilakukan oleh Lin and Miller (2000). Selain itu, Ai-xiang, et al. (2007) juga melakukan penelitian terhadap struktur pori pada material granuler melalui rekontruksi hasil citra tomografi komputer. Hasil penelitian menunjukkan bahwa porositas suatu material berpori dapat dianalisis berdasarkan citra tomografi yang dihasilkan oleh scanner tomografi komputer. Berdasarkan uraian latar belakang tersebut, maka pada penelitian ini akan dilakukan uji porositas material komposit bermaterial UFAS dari sekam padi. Sistem mikro-TK sinar-X yang telah dikembangkan oleh Grup Riset Fisika Citra FMIPA UGM diharapkan dapat digunakan untuk menguji material komposit. Hasil pengujian akan dapat memberikan informasi mengenai kualitas struktur internal material sehingga dapat diusulkan menjadi ukuran kualitas material komposit.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Bagaimanakah koefisien atenuasi linier material komposit berdasarkan citra tomografi yang diperoleh?
2. Bagaimanakah cara mengukur porositas material komposit dengan metode mikro-TK sinar-X?
3. Bagaimanakah kinerja alat mikro-TK sinar-X di laboratorium Fisika Citra FMIPA UGM dalam hal pengujian kualitas material komposit?
1.3 Batasan Masalah
Permasalahan pada penelitian ini dibatasi pada beberapa hal berikut ini. 1. Dalam penelitian ini digunakan peralatan mikro-TK sinar-X yang ada di
laboratorium Fisika Citra FMIPA UGM.
2. Pengujian dilakukan terhadap 3 jenis material berbeda. Sampel dibuat dalam 3 variasi komposisi yaitu a) material 1 (M1) dibuat dari serbuk sekam padi ditambah UFAS1, resin, dan katalis, b) material 2 (M2) dibuat dari serbuk sekam padi ditambah UFAS2, resin, dan katalis, serta c) material 3 (M3) dibuat dari serbuk sekam padi ditambah UFAS3, resin, dan katalis. Sekam padi yang digunakan memiliki kehalusan rata-rata 150 mesh. Dimensi material uji
disesuaikan dengan ukuran objek yang dimungkinkan untuk dideteksi oleh peralatan mikro TK sinar-X yang digunakan.
3. Analisis terutama meliputi profil citra tomografi, koefisien atenuasi linier, dan porositas material komposit.
4. Parameter porositas material didasarkan pada citra tomografi yang dihasilkan. 1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Mengukur koefisien atenuasi linier material komposit berdasarkan citra tomografi yang dihasilkan suatu alat mikro-TK sinar-X.
2. Menjelaskan cara mengukur porositas material komposit berdasarkan metode uji menggunakan mikro-TK sinar-X dan hasilnya.
3. Mengetahui kualitas material komposit berbahan UFAS dari sekam padi yang dibuat dengan menggunakan perangkat mikro-TK sinar-X yang ada di laboratorium Fisika Citra FMIPA UGM.
1.5 Hipotesis Penelitian
Hipotesis penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Semakin tinggi suhu pembakaran UFAS (M1, M2, dan M3) akan menghasilkan nilai koefisien atenuasi linier yang semakin besar.
2. Semakin tinggi suhu pembakaran UFAS (M1, M2, dan M3) akan menghasilkan nilai porositas yang semakin kecil.
1.6 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Diperolehnya bukti rekam jejak penerapan mikro-TK sinar-X yang telah dibangun di laboratorium Fisika Citra FMIPA UGM untuk mengamati struktur internal dari objek tertentu, khususnya material komposit.
2. Diperolehnya metode analisis material komposit menggunakan alat mikro-TK sinar-X dengan cara menganalisis profil citra tomografi, koefisien atenuasi linier, dan porositas material berdasarkan citra tomografi yang dihasilkan.
3. Makin dipahaminya pengujian kualitas material komposit menggunakan alat mikro-TK sinar-X.
