PENGARUH UKURAN PARTIKEL DAN WAKTU PENGEMPA TERHADAP SIFAT FISIK DAN SIFAT
MEKANIK KOMPOSIT RESIN POLIESTER BERPENGISI SERBUK CANGKANG TELUR AYAM
(Gallus gallus Domesticus)
SKRIPSI
Oleh
VANESSA 140405035
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MARET 2019
PENGARUH UKURAN PARTIKEL DAN WAKTU PENGEMPA TERHADAP SIFAT FISIK DAN SIFAT
MEKANIK KOMPOSIT RESIN POLIESTER BERPENGISI SERBUK CANGKANG TELUR AYAM
(Gallus gallus Domesticus)
SKRIPSI
Oleh
VANESSA 140405035
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA
TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MARET 2019
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:
PENGARUH UKURAN PARTIKEL DAN WAKTU PENGEMPA TERHADAP SIFAT FISIK DAN MEKANIK KOMPOSIT RESIN
POLIESTER BERPENGISI SERBUK CANGKANG TELUR AYAM (Gallus gallus Domesticus)
dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya.
Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila di kemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.
Medan, Maret 2019
Vanessa NIM: 140405035
PRAKATA
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Pengaruh Ukuran Partikel dan Waktu Pengempa terhadap Sifat Fisik dan Mekanik Komposit Resin Poliester Berpengisi Serbuk Cangkang Telur (Gallus gallus Domesticus)”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik.
Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Tuhan Yang Maha Esa yang selalu memberkati dan menyertai penulis di sepanjang hidup penulis, terutama selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini. Pertolongan-Nya selalu baru dan tak pernah terlambat, rancangan- Nya penuh damai sejahtera.
2. Bapak Mhd. Hendra Sahputra Ginting, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini.
3. Ibu Dr. Maulida, S.T., M.Sc. dan Ibu Prof. Dr. Halimatuddahliana, S.T., M.Sc.
selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini.
4. Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T., selaku Koordinator Penelitian Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Ibu Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D, IPM, selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
6. Ibu Dr. Erni Misran, S.T., M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik Kimia USU.
7. Ibu Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D, IPM, selaku Dosen Pembimbing Akademik
8. Seluruh dosen/staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis.
9. Alvin, selaku partner penelitian penulis.
10. VESS Squad: Elyna, Santi, Sylvia Eva Jennifer yang terus memberikan semangat dan dukungan kepada penulis selama proses pembuatan skripsi:
11. Rekan-rekan mahasiswa Stambuk 2014 yang membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini, terkhusus Dhany Haryanto, Jesselin Wijaya, Lionardo Setiawan, Alvina Wijaya, Pittor Suherman dan Kelvin.
12. TRP squad: Alvin, Annida Zahra dan M. Rizky Ramadhan untuk kerja samanya yang baik, sharing ilmunya dan masukan yang baik.
13. Semua abang kakak senior dan adik-adik junior di Teknik Kimia USU, terkhusus abang kakak angkatan 2011.
14. Keluarga besar Laboratorium Operasi Teknik Kimia, terutama Bapak Bode Haryanto, S.T., M.T., Ph.D. selaku kepala laboratorium operasi teknik kimia dan rekan-rekan asisten.
15. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu untuk kontribusinya di dalam proses penyelesaian semua tugas akhir penulis.
Medan, Maret 2019 Penulis
Vanessa
DEDIKASI
Skripsi ini dipersembahkan untuk keluarga tercinta:
Papa, sosok yang selalu mendukung penulis, sosok yang selalu berjuang dan bekerja keras untuk memenuhi kebutuhan penulis dan keluarga, sosok yang selalu berusaha
kuat dan tegar dalam menghadapi permasalahan yang ada, sosok superhero bagi penulis
Mama, sosok yang selalu menjaga dan merawat penulis, sosok yang selalu berusaha memberikan yang terbaik dan mendoakan penulis, sosok motivator yang selalu ada
untuk penulis
Stevanie, Verren Widelia dan Stevenson Timothy, Adik-adik yang selalu berusaha menghibur dan mendukung penulis
“The love of a family is life’s greatest blessings”
-Anonymous-
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama: Vanessa
NIM: 140405035
Tempat/Tanggal Lahir:
Medan/29 Mei 1997
Email: vanessahong.vh@gmail.com Nama Orang Tua: Manap dan Lisbet
Alamat Orang Tua: JL. Jala IV, Lingk 03, Medan
Asal Sekolah:
• TK Dr. Wahidin Sudirohusodo (2001-2002)
• SD Dr. Wahidin Sudirohusodo (2002-2008)
• SMP Dr. Wahidin Sudirohusodo (2008-2011)
• SMA Dr. Wahidin Sudirohusodo (2011-2014) Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (HIMATEK FT USU).
2. Keluarga Mahasiswa Buddhis Universitas Sumatera Utara (KMB USU).
3. Asisten Laboratorium Ilmu Teknik Kimia I Tahun 2017-2018 modul Pemecahan dan Pengayakan, Pengeringan, Pencampuran, Sedimentasi dan Pertukaran Panas 4. Kerja Praktek di PT SMART, Tbk, Medan, Sumatera Utara: September 2017 s/d
Oktober 2017.
Artikel yang Dipublikasikan dalam Jurnal/Pertemuan Ilmiah:
1. International Conference on Agribusiness, Food and Agro Technology di Medan, Indonesia pada tanggal 19-21 September 2018.
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi ukuran partikel cangkang telur ayam (Gallus gallus Domesticus) dan waktu pengempaan terhadap sifat fisik dan sifat mekanik komposit poliester. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu penyiapan cangkang telur ayam sebagai pengisi, pembuatan komposit dan analisa sifat fisik dan sifat mekanik komposit. Cangkang telur yang telah dicuci dengan air bersih dan dikeringkan digiling menggunakan ballmill untuk mendapatkan serbuk cangkang telur ayam dengan ukuran yang lebih kecil. Serbuk cangkang telur ayam kemudian diayak untuk memperoleh ukuran partikel 50 mesh, 70 mesh, 90 mesh, 110 mesh, 130 mesh, 150 mesh dan 170 mesh. Cangkang telur dicampurkan dengan matriks poliester dengan perbandingan 70:30 (m/m) dan katalis metil etil keton peroksida (mekpo) sebanyak 1% dari massa matriks. Campuran kemudian dituang kedalam cetakan dan dicetak menggunakan compression molding selama variasi waktu tertentu (10 menit, 15 menit, 20 menit, 25 menit, 30 menit dan 35 menit). Dilakukan analisa scanning electron microscopy energy dispersive x-ray (SEM EDX), fourier transform infra red (FTIR), x-ray diffraction (XRD) pada cangkang telur ayam sebagai pengisi dan analisa scanning electron microscopy energy dispersive x-ray (SEM EDX), fourier transform infra red (FTIR), densitas, penyerapan air, kekuatan tarik, pemanjangan saat putus dan kekuatan bentur pada komposit. Hasil karakterisasi FTIR menunjukkan gugus C-O yang merupakan gugus khas dari kalsium karbonat. Hasil SEM-EDX menunjukkan unsur penyusun cangkang telur adalah Ca, C dan O. Sedangkan hasil XRD menunjukkan kristalinitas cangkang telur sebesar 99,94%. Sifat kekuatan tarik terbaik komposit sebesar 45,153 MPa dan kekuatan bentur terbaik komposit sebesar 9,04 J/m2 pada komposit poliester berpengisi cangkang telur ayam dengan ukuran partikel 150 mesh dan waktu pengempaan 15 menit. Densitas dan penyerapan air komposit cenderung meningkat dengan meningkatnya waktu pengempaan dan ukuran partikel yang kecil.
Kata kunci: cangkang telur ayam, compression molding, Gallus gallus Domesticus, kalsium karbonat, ukuran partikel
The effect of Particle Size and Pressing Time on Physical and Mechanical Properties of Polyester Composites Filled with Chicken
Eggshell (Gallus gallus Domesticus)
ABSTRACT
This research was done to find out the effect of chicken eggshell (Gallus gallus Domesticus) particle size and pressing time on physical and mechanical properties of polyester composite. This research was done by several steps such as preparing of chicken eggshell as filler, composite making and analysis of physical and mechanical properties of polyester composite. The chicken eggshell was washed by water then it was dried and ground by ballmill to obtain smaller particle size of chicken eggshell powder. The chicken eggshell powder was sifted to obtain different particle size (50 mesh, 70 mesh, 90 mesh, 110 mesh, 130 mesh, 150 mesh and 170 mesh). It was mixed with polyester resin as matrix at 70:30 (m/m) matrix to filler ratio and 1% of matrix mass of methyl ethyl ketone peroxide (MEKP) was used as catalyst. The mixture was poured into the mold and pressed by compression molding at certain time (10 minutes, 15 minutes, 20 minutes, 25 minutes, 30 minutes and 35 minutes). Scanning electron microscopy energy dispersive x-ray (SEM EDX), fourier transform infra red (FTIR), x-ray diffraction (XRD) analysis was done to chicken eggshell and analysis of scanning electron microscopy energy dispersive x-ray (SEM EDX), fourier transform infra red (FTIR), density, water absorption, tensile strength, elongation at break and impact strength was done to the composites. FTIR result showed that C-O functional group indicate calcite of the chicken eggshell. SEM-EDX result showed that the chicken eggshell is made up of Ca, C and O. XRD result showed that the cristalinity of chicken eggshell powder used was 99,94%. The highest tensile strength and impact strength was 45,153 MPa and 9,04 J/m2 respectively. It was obtained by using chicken eggshell powder at the size of 150 mesh and 15 minutes of pressing time. The density and water absorption of composites tend to increase as the increasing of pressing time and smaller particle size.
Kata kunci: chicken eggshell, compression molding, Gallus gallus Domesticus, calcite, particle size
DAFTAR ISI
Halaman
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i
PENGESAHAN SKRIPSI ii
LEMBAR PERSETUJUAN iii
PRAKATA iv
DEDIKASI vi
RIWAYAT HIDUP PENULIS vii
ABSTRAK viii
ABSTRACT ix
DAFTAR ISI x
DAFTAR GAMBAR xiv
DAFTAR TABEL xvii
DAFTAR LAMPIRAN xviii
DAFTAR SINGKATAN xix
DAFTAR SIMBOL xx
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 3
1.3 Tujuan Penelitian 3
1.4 Manfaat Penelitian 4
1.5 Ruang Lingkup Penelitian 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5
2.1 Komposit 5
2.2 Matriks 5
2.2.1 Poliester Tak Jenuh 6
2.3 Bahan Pengisi (Filler) 7
2.3.1 Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesitcus) 7
2.4 Komposit Partikel 10
2.5 Metode Penyediaan Komposit 10
2.6 Pengujian dan Karakterisasi Bahan pada Komposit
Poliester Tak Jenuh Berpengisi Cangkang Telur 12 2.6.1 Analisa Kerapatan ASTM D792-08 12 2.6.2 Analisa Penyerapan Air (Water Absorption)
ASTM D570-98 12
2.6.3 Uji Kekuatan Tarik ASTM D638-14 13 2.6.4 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) ASTM
D256-04 13
2.6.5 Fourier Transform Infra Red (FTIR) 13 2.6.6 Scanning Electron Microscopy (SEM) 14
2.6.7 X-Ray Diffraction (XRD) 14
2.7 Aplikasi Komposit Poliester Tak Jenuh Berpengisi
Cangkang Telur 15
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 16
3.1 Lokasi Penelitian 16
3.2 Bahan dan Peralatan 16
3.2.1 Bahan 16
3.2.2 Peralatan 17
3.3 Prosedur Penelitian 17
3.3.1 Penyediaan Matriks Komposit 17
3.3.2 Penyediaan Pengisi Komposit 18
3.3.3 Prosedur Pembuatan Komposit 19
3.4 Pengujian Komposit 22
3.4.1 Analisa Kerapatan ASTM D792-08 22 3.4.2 Analisa Penyerapan Air (Water Absorption)
ASTM D570-98 22
3.4.3 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength) ASTM
D638-10 23
3.4.4 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) ASTM
D256-04 24
3.4.5 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red
(FTIR) Spectrophotometry 24
3.4.6 Karakterisasi Scanning Electron Microscopy
Energy Dispersive X-ray (SEM-EDX) 25
3.4.3 Uji X-Ray Diffraction (XRD) 25
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 26
4.1 Karakterisasi Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus
gallus Domesticus) 26
4.1.1 Karakterisasi Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM-EDX) Cangkang
Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) 26 4.1.2 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD)
Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) 27
4.1.3 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) 29
4.2 Karakterisasi Komposit Poliester 30
4.2.1 Karakterisasi Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM-EDX) Poliester dan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dengan
Perbandingan Komposisi 70:30 30
4.2.2 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) Poliester dan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) 33
4.2.3 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dan Waktu
Pengempaan terhadap Densitas Komposit 34 4.2.4 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam
(Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap Penyerapan Air Komposit
35
4.2.5 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap Sifat Kekuatan Tarik
(Tensile Strength) Komposit 38
4.2.6 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap Sifat Pemanjangan Saat
Putus (Elongation at Break) Komposit 39 4.2.7 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam
(Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap Sifat Kekuatan Bentur
(Impact Strength) Komposit 41
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 43
5.1 Kesimpulan 43
5.2 Saran 43
DAFTAR PUSTAKA 45
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Struktur Kimia Poliester Tak Jenuh 6
Gambar 2.2 Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) 8 Gambar 3.1 Gambar Flowchart Prosedur Penyediaan Matriks Komposit 18 Gambar 3.2 Gambar Flowchart Prosedur Penyediaan Pengisi Komposit 18 Gambar 3.3 Gambar Flowchart Prosedur Pembuatan Produk Komposit 20
Gambar 3.4 Gambar Compression Molding 20
Gambar 3.5 Gambar Alat Uji Tarik 21
Gambar 3.6 Gambar Alat Uji Bentur 21
Gambar 3.7 Gambar Alat Uji FTIR 21
Gambar 3.8 Gambar Alat Uji SEM EDX 22
Gambar 3.9 Spesimen Uji Kekuatan Tarik ASTM D638-10 23
Gambar 3.10 Spesimen Uji Kekuatan Bentur 24
Gambar 4.1 Karakterisasi Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X-Ray (SEM EDX) Partikel Cangkang Telur
Ayam Ukuran 150 mesh 26
Gambar 4.2 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Cangkang Telur
Ayam Ukuran 150 mesh 28
Gambar 4.3 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) Partikel
Cangkang Telur Ayam Ukuran 150 mesh 29
Gambar 4.4 Karakterisasi SEM EDX dari (a) Putusan Poliester (b) Putusan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dengan Ukuran Partikel Pengisi 150 mesh dan Waktu Pengempaan 15 menit (c) Putusan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dengan Ukuran Partikel Pengisi 50 mesh dan Waktu Pengempaan 10 menit dengan
Perbesaran 20.000x 31
Gambar 4.5 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) Poliester dengan Waktu Pengempaan 15 menit dan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) dengan Ukuran Partikel 150 mesh dan Waktu
Pengempaan 10 menit 33
Gambar 4.6 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap
Densitas Komposit Poliester 34
Gambar 4.7 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap
Penyerapan Air Komposit Poliester 36
Gambar 4.8 Penyerapan Air Poliester, Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam dengan Penyerapan Air Paling Banyak dan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur
Ayam dengan Penyerapan Air Paling Sedikit 37 Gambar 4.9 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus
gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) 38
Gambar 4.10 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap
Pemanjangan Saat Putus (Elongation at Break) Komposit 40 Gambar 4.11 Pengaruh Ukuran Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus
gallus Domesticus) dan Waktu Pengempaan terhadap
Kekuatan Bentur (Impact Strength) Komposit Poliester 41 Gambar L1.1 Hasil FTIR Serbuk Cangkang Telur Ayam dengan Ukuran
Partikel 150 mesh 55
Gambar L1.2 Hasil FTIR Poliester dan Komposit Poliester Berpengisi
Cangkang Telur Ayam dengan Ukuran Partikel 150 mesh 56 Gambar L1.3 Hasil X-Ray Diffraction Cangkang Telur Ayam dengan
Ukuran Partikel 150 mesh 56
Gambar L1.4 Karakterisasi SEM EDX dari (a) Serbuk Cangkang Telur Ukuran 150 mesh (b) Putusan Poliester (c) Putusan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) dengan Ukuran Partikel Pengisi 150 mesh dan Waktu Pengempaan 15 menit (d) Putusan Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) dengan Ukuran Partikel Pengisi 50 mesh dan
Waktu Pengempaan 10 menit 59
Gambar L3.1 Penyediaan Serbuk Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus
Domesticus) 62
Gambar L3.2 Serbuk Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) 62 Gambar L3.3 Penyediaan Komposit Poliester Berpengisi Serbuk Cangkang
Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) 63
Gambar L3.4 Proses Pencetakan dengan Alat Pengempa Panas (Hot Press)
63 Gambar L3.5 Hasil Komposit Poliester Serbuk Cangkang Telur Ayam
(Gallus gallus Domesticus) 64
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Poliester Tak Jenuh. 6
Tabel 2.2 Komposisi Cangkang Telur Ayam. 9
Tabel 3.1 Sifat Fisika dan Kimia Poliester Tak Jenuh 16
Tabel 3.2 Sifat Fisika dan Kimia MEKPO. 16
Tabel 3.3 Komposisi Kimia Cangkang Telur. 17
Tabel L1.1 Data Nilai Kekuatan Tarik (Tensile Strength) 51 Tabel L1.2 Data Nilai Pemanjangan Saat Putus (Elongation at Break) 52 Tabel L1.3 Data Nilai Kekuatan Bentur (Impact Strength) 53
Tabel L1.4 Data Nilai Penyerapan Air 54
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 53
L1.1 Data Nilai Kekuatan Tarik (Tensile Strength) [MPa] 53 L1.2 Data Nilai Pemanjangan Saat Putus (Elongation at
Break) 54
L1.3 Data Nilai Kekuatan Bentur (Impact Strength) [J/m2] 55 L1.4 Data Fourier Transform Infra Red (FTIR) 56
L1.5 Data X-Ray Diffraction (XRD) 58
L1.6 Data Scanning Electron Microscopy Energy
Dispersive X-ray (SEM EDX) 59
LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 62
L2.1 Perhitungan Indeks Kristalinitas Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) 62 L2.2 Perhitungan Fraksi Massa Bahan Baku Komposit 62 L2.3 Perhitungan Penyerapan Air Komposit 63
LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 64
L3.1 Penyediaan Serbuk Cangkang Telur Ayam (Gallus
gallus Domesticus) 64
L3.2 Penyediaan Komposit Poliester Berpengisi Serbuk Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) 65 L3.3 Proses Pencetakan dengan Alat Pengempa Panas
(Hot Press) 65
L3.4 Hasil Komposit Poliester Serbuk Cangkang Telur
Ayam (Gallus gallus Domesticus) 66
DAFTAR SINGKATAN
ASTM American Standard Testing Method FT-IR Fourier Transform Infra Red
SEM EDX Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray XRD X-Ray Diffraction
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Dimensi
Mt persentasi pertambahan berat komposit Wt berat komposit setelah perendaman kg Wo berat komposit sebelum perendaman kg
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Beberapa tahun terakhir, penggunaan komposit dengan bahan polimer digunakan dalam berbagai aplikasi seperti otomotif, peralatan olahraga, kelautan, elektronik, industri, pembangunan, peralatan rumah tangga dan lain-lain [1]. Komposit dibuat dengan serat berkekuatan tinggi (karbon atau gelas) dalam matriks (polimer) yang ketika dicampurkan menghasilkan sifat yang lebih baik dari sifat material tersebut sendiri [2].
Material komposit adalah bahan yang paling menarik yang memiliki sifat yang tidak ditemukan di alam, yang terdiri dari dua atau lebih konstituen kimia yang berbeda yaitu matriks polimer dan penguat. Penguat biasanya lebih kaku dan kuat dengan relatif terhadap matriks, sedangkan matriks berperan untuk menahan penguat tetap pada tempatnya [3]. Komposit polimer memiliki kekuatan dan kekakuan, ringan dan ketahanan korosi yang tinggi [1]
Matriks polimer banyak digunakan dalam pembuatan komposit. Salah satu contoh matriks yang sering digunakan adalah poliester tak jenuh. Pada umumnya, poliester tak jenuh mempunyai sifat keras, kuat, bening, tahan terhadap asam, basa dan panas. Selain itu, harganya relatif murah dibandingkan resin-resin yang lain misalnya resin senyawa akrilat. Resin poliester sangat luas pemakaiannya baik pada proses produksi menggunakan katalisator maupun dengan radiasi, serta diproduksi dalam negeri [4]. Untuk meningkatkan suatu sifat yang diinginkan dalam polimer termoplastik, seperti: kekuatan (strength), kekakuan (stiffness) dan juga ketahanan terhadap api (fire retardant, ditambahkan ke dalam polimer bahan- bahan pengisi (filler) [5].
Salah satu pengisi anorganik yang paling umum digunakan adalah kalsium karbonat (CaCO3). Hal ini disebabkan karena biaya yang rendah dan banyak digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik seperti kekakuan dan dispersi partikel yang baik dalam matriks polimer [6].
Cangkang telur ayam mengandung sekitar 95% kalsium karbonat (kalsit) dan 5% material organik seperti polisakarida sulfat, kolagen tipe X dan protein lainnya.
Karena kandungan kalsium karbonat pada cangkang telur ayam yang tinggi (95%),
cangkang telur ayam merupakan kandidat yang berpotensi untuk digunakan untuk filler ramah lingkungan sebagai penguat komposit biopolimer. Selain itu, cangkang
telur ayam menyumbangkan sekitar 11% dari total berat telur ayam dan tersedia sebagai limbah dalam jumlah yang sangat besar dari industri penetasan dan pemrosesan makanan. Sekitar 250.000 ton cangkang telur ayam diproduksi setiap tahun di seluruh dunia hanya pada industri pemrosesan makanan [7].
Cangkang telur ayam telah digunakan dalam beberapa aplikasi yang berbeda, namun, komposisi kimia dan ketersediannya membuat cangkang telur ayam sebagai sumber filler dalam komposit polimer yang berpotensi [8]. Limbah cangkang telur ayam yang semakin banyak menjadi masalah terhadap lingkungan sehingga limbah cangkang telur ayam dimanfaatkan sebagai pengisi alami pada komposit dan diharapkan dapat meningkatkan sifat dari komposit tersebut dan mengurangi masalah limbah cangkang telur ayam.
Ukuran partikel dan waktu pengempaan merupakan variabel yang banyak digunakan dalam penelitian komposit yang bertujuan untuk memperoleh ukuran partikel terbaik dan waktu pengempaan optimum dalam pembuatan komposit agar komposit memiliki sifat fisik dan mekanik yang baik. Berikut ini adalah beberapa penelitian yang memvariasikan ukuran partikel dan waktu pengempaan dalam pembuatan komposit [9][10][11][12]:
1. Shehu, et al (2014) membuat komposit dengan matriks poliester dan pengisi partikel cangkang biji sawit dan memvariasikan persen berat dan ukuran partikel pengisi. Ukuran partikel yang digunakan adalah 75 µm, 150 µm dan 300 µm. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa sifat mekanik terbaik komposit diperoleh pada ukuran partikel 300 µm.
2. Daniel,et al (2017) membuat komposit dengan matriks poliester dan pengisi partikel sekam padi dan batok kelapa. Variabel yang digunakan adalah komposisi pengisi dan ukuran partikel pengisi. Ukuran partikel yang digunakan adalah 75 µm, 150 µm dan 300 µm dan sifat mekanik yang diperoleh berfluktuasi terhadap ukuran partikel. Nilai kekuatan lentur tertinggi terdapat pada ukuran partikel 75 µm, sementara nilai kekuatan bentur tertinggi pada ukuran partikel 150 µm dan modulus tarik tertinggi pada ukuran partikel 300 µm.
3. Tharazi, et al (2017) membuat komposit dengan matriks polylactic acid dan pengisi serat kenaf panjang dengan memvariasikan waktu pengempaan yaitu 5 menit, 10 menit dan 15 menit. Waktu pengempaan optimum yang diperoleh yaitu pada waktu pengempaan 10 menit.
4. Chen, et al (2011) membuat komposit dengan matriks polyethylene terephthalate dengan pengisi carbon fabric. Variasi yang digunakan adalah waktu pengempaan yaitu 3 menit, 6,5 menit dan 10 menit. Hasil yang diperoleh menunjukkan kekuatan impak komposit yang terbaik diperoleh pada waktu pengempaan 3 menit.
Berdasarkan uraian diatas, penelitian ini perlu dilakukan untuk memaksimalkan penggunaan limbah cangkang telur ayam dengan menjadikannya sebagai komposit yang dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang dan perlu dilakukan kajian pengaruh ukuran partikel serbuk cangkang telur dan waktu pengempa terhadap sifat fisik dan mekanik komposit yang dihasilkan.
1.2 Perumusan Masalah
Permasalahan yang dirumuskan dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh ukuran partikel serbuk cangkang telur ayam dan pengaruh waktu pengempaan terhadap karakteristik, sifat fisik dan sifat mekanik produk komposit poliester – cangkang telur ayam seperti uji tarik (tensile strength), uji bentur (impact strength), analisa penyerapan air, analisa densitas, Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan Scanning Electon Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM EDX).
1.3 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui ukuran partikel serbuk cangkang telur ayam terbaik untuk komposit bermatriks poliester dan mengetahui waktu pengempa optimum terhadap karakteristik, sifat fisik dan sifat mekanik produk komposit poliester – cangkang telur ayam seperti uji tarik (tensile strength), uji bentur (impact strength), analisa penyerapan air, analisa densitas, Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan Scanning Electon Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM EDX).
1.4 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat:
1. Memberikan informasi tambahan dalam dunia penelitian mengenai ukuran partikel serbuk cangkang telur ayam terbaik dan waktu pengempa optimum pada produk komposit dengan matriks poliester.
2. Mengurangi pencemaran lingkungan akibat cangkang telur ayam yang dihasilkan oleh industri rumah tangga maupun restoran.
1.5 Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Penelitian dan Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Departemen Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan baku yang digunakan pada penelitian ini yaitu poliester sebagai matriks dan serbuk cangkang telur ayam yang diperoleh dari berbagai industri rumah tangga dan restoran di kota Medan, Sumatera Utara.
Variabel yang digunakan adalah :
• Variabel terikat : perbandingan poliester tak jenuh terhadap metil etil keton peroksida (MEKPO) yaitu (99 : 1)% [13]
• Variabel bebas : ukuran partikel serbuk cangkang telur ayam yaitu sebesar 50, 70, 90, 110, 130, 150 dan 170 mesh dan variasi waktu pengempa yaitu 10, 15, 20, 25, 30 dan 35 menit.
Analisa yang dilakukan pada serbuk cangkang telur ayam adalah:
1. X-ray Diffraction (XRD)
2. Fourier Transform Infra Red (FTIR)
3. Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM EDX) Analisa yang dilakukan pada produk komposit adalah:
1. Fourier Transform Infra Red (FTIR)
2. Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM EDX) 3. Analisa densitas ASTM 792-08
4. Analisa penyerapan air ASTM 570-98 5. Uji tarik (tensile strength) ASTM D638-14 6. Uji bentur (impact strength) ASTM D256-04
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit
Komposit pertama dibuat pada abad pertengahan ketika menciptakan batu bata dengan mencampurkan jerami dan tanah liat. Jerami digunakan sebagai penguat berupa serat dan tanah liat digunakan sebagai matriks. Tetapi sekarang, komposit diproduksi dengan pemilihan serat dan matriks sesuai dengan kegunaannya.
Pengembagan dan penggunaan komposit pertama kali pada tahun 1940 [14].
Komposit adalah material yang terbuat dari dua atau lebih material dengan sifat fisika dan sifat kimia yang jauh berbeda yang ketika digabungkan menghasilkan material dengan karakteristik yang berbeda dengan material pembentuknya. Material pembentuk dari komposit tetap akan terpisah dan berbeda dalam struktur komposit yang terbentuk [15] ciri-cirinya pun tetap terbawa setelah komponen terbentuk sepenuhnya. Karena itu selalu ada antarmuka diantara dua bahan dan sifat-sifat antarmuka ini mempunyai pengaruh yang jelas terhadap sifat-sifat komposit [16].
Komposit biasanya tersusun dari fasa penguat seperti serat, lapisan atau partikel dan fasa matriks seperti logam, keramik atau polimer. Penguat yang digunakan biasanya memiliki densitas yang lebih rendah, kekuatan yang tinggi dan keras [17].
Komposit lebih disukai dengan alasan seperti lebih kuat, lebih ringan atau lebih murah dibandingkan dengan material tradisional [15].
2.2 Matriks
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matriks umumnya mempunyai kekuatan yang lebih rendah. Syarat pokok matriks yang digunakan dalam komposit adalah matriks harus bisa meneruskan beban, sehingga pengisi bisa melekat pada matriks dan kompatibel antara pengisi dan matriks. Umumnya matriks yang dipilih memiliki ketahanan panas yang tinggi [18]. Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut [19]:
1. Mentransfer tegangan ke serat secara merata.
2. Melindungi serat dari gesekan mekanik.
3. Memegang dan mempertahankan serat pada posisinya.
4. Melindungi dari lingkungan yang merugikan.
5. Tetap stabil setelah proses manufaktur.
2.2.1 Poliester Tak Jenuh
Poliester tak jenuh yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis ortho- phthalic resin [20]. Poliester tak jenuh merupakan resin sintetik yang tersusun dari rantai lurus yang dihasilkan dari reaksi glikol dengan asam disfungsional seperti asam maleat, asam adipat dan lain-lain . Sejak tahun 1930, resin poliester tak jenuh telah digunakan dalam banyak aplikasi sehingga membuatnya menjadi sistem termoset yang sangat penting. Resin ini dicampurkan dengan bermacam-macam pengisi, penguat dan dimatangkan dengan inisiator radikal bebas untuk menghasilkan komposit termoset dengan berbagai sifat kimia dan mekanik tergantung pilihan agen sambung silang, inisiator dan aditif lainnya. Sifat produk yang fleksibel dan biaya yang rendah telah meningkatkan penggunaan resin ini sebagai matriks [21].
Struktur kimia poliester tak jenuh [22]:
Gambar 2.1 Struktur Kimia Poliester Tak Jenuh Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Poliester Tak Jenuh [23]
No Spesifikasi Satuan Nilai Tipikal
1 Tensile strength MPa 55
2 Flexural strength MPa 86
3 Flexural modulus GPa 3,4
4 Elongation in
tension
% 2,0
5 Heat distortion temperature
oC 60
6 Penyerapan air 24 jam
mg 25
Berikut ini adalah penelitian terdahulu yang menggunakan poliester sebagai matriks dalam pembuatan komposit [24][13]:
1. Nadilah, dkk (2003) membuat komposit untuk diaplikasikan ke helm pengaman dengan menggunakan matriks poliester tak jenuh dengan pengisi
yang digunakan yaitu serat fiberglass dan ditambahkan metil etil keton peroksida sebagai inisiator dan cobalt naphtanate sebagai akselerator. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terdapat titik optimum penambahan inisiator dan akselerator untuk menghasilkan komposit yang memiliki sifat yang lebih baik.
2. Taufik dan Astuti (2014) membuat mikro komposit resin yang diperkuat daun pandan alas (Pandanus dubius). Resin yang digunakan adalah resin poliester sebagai matriks. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah perbandingan poliester dan katalis untuk mendapat nilai uji tarik dan uji tekan maksimum adalah (99 : 1)% dengan nilai kuat tekan terbaik pada penambahan serat 1 gram dan nilai kuat tarik terbaik pada penambahan 0,8 gram serat pandan
2.3 Bahan Pengisi (Filler)
Penggunaan bahan alami sebagai pengisi (filler) dan penguat (reinforcement) pada pembuatan komposit merupakan suatu paradigma untuk menghasilkan suatu material komposit yang ramah lingkungan sehingga tidak menimbulkan masalah bagi lingkungan hidup [25]. Filler dapat meningkatkan sifat mekanik seperti[26]:
a. kekuatan tensile b. kekuatan flexural
c. ketahanan terhadap abrasi d. kekerasan
e. kekuatan impact
serta mengurangi biaya per unit volume [25].
2.3.1 Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus)
Berikut adalah klasifikasi dan identifikasi dari ayam (Gallus gallus Domesticus) [27]:
Kingdom : Animalia
Phylum : Chordata
Kelas : Aves
Ordo : Galliformes
Family : Phasianidae
Genus : Gallus
Spesies/Subspesies : Gallus gallus Domesticus
Pada percobaan ini digunakan pengisi berbentuk serbuk yaitu serbuk cangkang telur ayam (Gallus gallus Domesticus). Kulit telur merupakan lapisan terluar dari telur yang berfungsi untuk melindungi semua bagian telur. Bila dilihat dengan mikroskop maka kulit telur terdiri dari 4 lapisan yaitu [28]:
a. Lapisan kutikula
Lapisan kutikula merupakan protein transparan yang melapisi permukaan kulit telur
b. Lapisan busa
Lapisan ini merupakan bagian terbesar dari lapisan kulit telur. Lapisan ini terdiri dari protein dan lapisan kapur yang terdiri dari kalsium karbonat, kalsium fosfat, magnesium karbonat dan magnesium fosfat.
c. Lapisan mamilary
Lapisan ini sangat tipis dan terdiri dari anyaman protein dan mineral.
d. Lapisan membran
Lapisan ini terdiri dari dua lapisan selaput yang menyelubungi seluruh isi telur. Tebalnya lebih kurang 65 mikron.
Cangkang telur ayam adalah produk samping dari peternakan yang telah menjadi masalah lingkungan terburuk khususnya di negara dimana industri dengan bahan baku telur berkembang dengan baik. Di Amerika Serikat 150.000 ton cangkang telur dibuang [29] dan untuk industri makanan saja setiap tahunnya terdapat 250.000 ton limbah cangkang telur diproduksi di seluruh dunia [7].
Adapun gambar cangkang telur ayam utuh dan serbuk cangkang telur ayam yang digunakan dalam penelitian ini yaitu:
Gambar 2.2 Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus)
Komposisi cangkang telur ayam adalah sebagai berikut [30]:
Tabel 2.2 Komposisi Cangkang Telur Ayam
Komponen Kimia %berat
Air 29 - 35
Protein Lemak murni
Abu Kalsium Kalsium karbonat
Fosfor Sodium Magnesium
1,4 - 4 0,10 - 0,20 89,9 - 91,1 35,1 - 36,4
90,9 0,12 0,15 - 0,17 0,37 - 0,40
Pottasium 0,10 - 0,13
Sulfur 0,09 - 0,19
Alamin 0,45
Arginin 0,56 - 0,57
Beberapa penelitian dengan bahan baku cangkang telur ayam yang telah dilakukan diantaranya yaitu[8][31][32][33]:
1. Hassan dan Aigbodion (2013) membuat komposit dengan pengisi cangkang telur ayam dan Al-Cu-Mg sebagai matriks dengan variasi persen berat cangkang telur ayam yang dikarbonisasi dan yang tidak dikarbonisasi. Dari hasil yang diperoleh, menggunakan cangkang telur ayam sebagai penguat dalam campuran Al-Cu-Mg memberikan sifat fisik dan mekanik yang lebih baik daripada menggunakan cangkang telur ayam yang dikarbonisasi dan dengan penambahan partikel cangkang telur ayam hingga 12% dapat digunakan sebagai penguat rendah biaya untuk produksi komposit bematriks logam untuk aplikasi keteknikan.
2. Chaithanyasai (2014) membuat komposit dengan matriks aluminium 6061 dan pengisi cangkang telur ayam. Persen berat cangkang telur ayam di variasikan yaitu 5, 10 dan 15% dalam campuran aluminium 6061. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terdapat peningkatan kekerasan sekitar 14% dengan penambahan persen berat penguat. Hasil SEM menunjukkan cangkang telur ayam dan aluminium 6061 terikat dengan baik, densitas komposit berkurang dengan signifikan dengan penambahan komposisi cangkang telur ayam kedalam komposit.
3. Ramesh dkk (2014) membuat komposit dengan pengisi cangkang telur ayam dan matriks yang digunakan adalah poliamida dan diproduksi dengan menggunakan injection molding. Sifat mekanik dari komposit yang diuji yaitu kekuatan tensile, kekuatan impact dan flexural strength. Dari percobaan diperoleh bahwa kekuatan tensile, kekuatan impact, flexural strength dan densitas meningkat dengan penambahan persentase cangkang telur ayam.
4. Hassen dkk (2015) menggunakan CaCO3 yang diekstrak dari limbah cangkang telur ayam sebagai bio-filler dengan matriks polipropilena dengan variasi penambahan maleic anhydride grafted polypropylen (MAPP) dan dicetak menggunakan extrusion compression molding. Hasil yang diperoleh dengan penambahan 5% MAPP yaitu meningkatkan dispersi dan pengikatan CaCO3 dalam polipropilena, kekuatan tensile berkurang 7,49%, flexural modulus meningkat 35,51% dan kekuatan impact meningkat 66,05%.
Dari uraian dan data komposisi cangkang telur ayam di atas, dapat dilihat bahwa serbuk cangkang telur ayam mengandung kalsium karbonat yang cukup tinggi dan berpotensi untuk dijadikan sebagai pengisi komposit untuk meningkatkan sifat mekanik dari komposit tersebut.
2.4 Komposit Partikel
Komposit partikel merupakan komposit yang dibuat dengan matriks yang diperkuat oleh pengisi partikel. Pengisi partikel saat ini banyak digunakan. Hal ini disebabkan karena penggunaan pengisi partikel dapat meningkatkan sifat-sifat komposit dan biasanya membutuhkan biaya yang lebih sedikit [34]. Penelitian mengenai kompositt partikel telah dilakukan oleh Fu, dkk. (2008) yang menggunakan matriks epoxy dan pengisi partikel yaitu partikel gelas yang berbentuk bulat. Hasil penelitian ini menunjukkan komposit yang diperkuat pengisi menunjukkan nilai modulus Young yang lebih baik dari pada komposit yang tidak berpengisi [5].
2.5 Metode Penyediaan Komposit
Berikut ini adalah metoda penyediaan komposit yang umum dilakukan, yaitu [14]:
1. Wet Lay Up Process
Resin diberikan dengan dituang, disikat atau disemprot. Rollers digunakan untuk mengkonsolidasikan laminate, membasahi penguat dan melepaskan udara yang terperangkap.
Dari penelitian yang dilakukan oleh Ramadhani (2011), komposit dibuat dengan penguat serat alami untuk wadah ikan hidup portable dengan metode wet lay up. Pada penelitian diperoleh bahwa kekuatan tarik rata- rata sebesar 9 Mpa dan tegangan luluh rata-rata sebesar 6,538 Mpa dan hasil perhitungan pembebanan pelat diperoleh tebal komposit minimum sebelum terjadi defleksi 3 mm yaitu 3,27 mm [35]
2. Metoda Filament Winding menggunakan sebuah mesin pemintal untuk membentuk jaringan filament.
Dari penelitian yang dilakukan oleh Hardoyo (2008), yaitu pembuatan komposit dengan matriks resin poliester dengan metode filament winding dengan pengisi SiO2 dapat dilihat bahwa dengan penambahan SiO2 39%
dari berat resin diperoleh kenaikan faktor kekakuan sebesar 112,6%
namun kuat tarik mengalami penurunan sehingga komposit yang diperoleh dapat diaplikasikan untuk tangki atau pipa dengan tekanan rendah namun membutuhkan kekakuan tinggi [36].
3. Injection molding
Kelebihan metoda ini adalah dapat memproduksi desain yang kompleks dan bagus serta bisa menghasilkan produk dalam jumlah besar.
Penelitian yang dilakukan oleh Nugroho, dkk (2014) menggunakan serat ampas tebu sebagai pengisi dan matriks polypropylene dengan perbandingan matriks terhadap pengisi 95% : 5% dan variabel bebas yang diberikan yaitu tekanan pada injection molding sebesar 7 bar, 8 bar dan 9 bar dengan 6 kali pengulangan untuk setiap variabel. Hasil yang diperoleh yaitu kekuatan tarik tertinggi pada 9 bar dengan nilai kekuatan tarik 1,27 N/mm2 dan nilai kekuatan tarik rata-rata 1,03 N/mm2. Sedangkan nilai terendah pada variabel tekanan injeksi 7 bar dengan nilai kekuatan tarik 0,69 N/mm2 dan kekuatan tarik rata-rata 0,74 N/mm2 [37].
4. Compression Molding
Metoda ini adalah metoda yang digunakan dalam pembuatan komposit pada penelitian ini. Metoda ini juga merupakan metoda dengan proses pencetakan yang cepat, permukaan yang diperoleh bagus dan biaya yang rendah.
Penelitian yang dilakukan oleh Sapee (2010) menggunakan sabut kelapa sebagai pengisi dengan persen massa sebesar 5%, 10% dan 15%. Matriks yang digunakan yaitu LDPE dan digunakan maleic anhydride-grafted polyethylene (MAH-g-LDPE) untuk meningkatkan ikatan interfasa antara serat pengisi dan matriks. Metode yang digunakan untuk pembuatan komposit ini adalah metode compression molding[38].
2.6 Pengujian dan Karakterisasi Bahan pada Komposit Poliester Tak Jenuh Berpengisi Cangkang telur
2.6.1 Uji Kerapatan ASTM D792-08
Pengujian densitas merupakan pengujian sifat fisis terhadap spesimen, yang bertujuan untuk mengetahui nilai kerapatan massa dari spesimen yang diuji [39]. Pada uji ini, sampel uji ditimbang terlebih dahulu kemudian dimasukkan ke dalam air 300 ml. Kenaikan volume air, merupakan volume sampel uji. Setelah didapatkan nilai massa dan volume, maka densitas sampel uji dapat diketahui [40].
2.6.2 Uji Penyerapan Air ASTM D570-98
Water absorption dalam komposit merupakan kemampuan komposit dalam menyerap uap air dalam waktu tertentu. Water absorption 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. Water absorption memiliki pengaruh yang merugikan dalam sifat mekaniknya dan mempengaruhi kemampuannya dalam jangka waktu yang lama juga penurunan perlahan dari ikatan interface komposit serta menurunkan sifat mekanis komposit seperti kekuatan tariknya. Karena itu, pengaruh- pengaruh dari water absorption sangat vital untuk penggunaan komposit di lingkungan terbuka [39].
2.6.3 Analisa Kekuatan Tarik ASTM D638-14
Kekuatan tarik merupakan salah satu sifat bahan polimer yang terpenting dan sering digunakan untuk uji sifat suatu bahan polimer. Penarikan suatu bahan biasanya menyebabkan terjadi perubahan bentuk dimana penipisan pada tebal dan pemanjangan [41]. Uji tarik biasanya dilakukan untuk mengetahui kemampuan deformasi bahan sebelum patah sehingga data yang diperoleh dapat digunakan untuk memilih bahan yang cocok untuk aplikasi keteknikan [42]
Kekuatan tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang mula-mula, dimensinya sama dengan tegangan [41] seperti persamaan dibawah ini [43]:
Kekuatan Tarik = Gaya pada saat putus lebar x tebal
2.6.4 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) ASTM D256-04
Pengujian impak merupakan suatu pengujian yang mengukur ketahanan beban terhadap beban kejut. Inilah yang membedakan pengujian impak dengan pengujian tarik dan kekerasan dimana pembebanan dilakukan secara perlahan-lahan. Pengujian impak merupakan suatu upaya untuk mensimulasikan kondisi operasi material yang sering ditemui dimana beban tidak selamanya terjadi secara perlahan-lahan melainkan datang secara tiba-tiba.
Pengujian impak bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap suatu material sampai material tersebut patah. Dalam pengujian impak terdiri dari dua teknik pengujian standar yaitu Charpy dan Izod. Pada pengujian standar Charpy dan Izod dirancang dan masih digunakan untuk mengukur energi impak [44].
2.6.5 Fourier Transform Infra Red (FTIR)
FTIR merupakan salah satu instrumen yang menggunakan prinsip spektroskopi. Spektroskopi adalah spektroskopi yang dilengkapi dengan transformasi fourier untuk deteksi dan analisis hasil spektrumnya. Spektroskopi inframerah berguna untuk identifikasi senyawa organik karena spektrumnya yang sangat kompleks yang terdiri dari banyak puncak-puncak. Selain itu, masing-masing kelompok fungsional menyerap sinar inframerah pada frekuensi yang unik [45].
Dalam ilmu material, analisa ini digunakan untuk mengetahui ada tidaknya reaksi atau interaksi antara bahan-bahan yang dicampurkan. Selain itu, nilai intensitas gugus yang terdeteksi dapat menentukan jumlah bahan yang bereaksi atau yang terkandung dalam suatu campuran [46].
2.6.6 Scanning Electron Microscopy (SEM)
SEM terdiri dari sebuah senapan elektron yang memproduksi berkas elektron pada tegangan dipercepat sebesar 2 – 30 kV. Berkas elektron tersebut dilewatkan pada beberapa lensa elektromagnetik untuk menghasilkan image berukuran <~10nm pada sampel yang ditampilkan dalam bentuk film fotografi atau ke dalam tabung layar. SEM sangat cocok digunakan dalam situasi yang membutuhkan pengamatan permukaan kasar dengan pembesaran berkisar antara 20 kali sampai 500.000 kali. Sebelum melalui lensa elektromagnetik terakhir scanning raster mendeflesikan berkas elektron untuk men-scan permukaan sampel. Hasil scan ini tersinkronisasi dengan tabung sinar katoda dan gambar sampel akan tampak pada area yang di-scan [47]. Pengujian analisa SEM setelah uji sifat mekanik bertujuan untuk mengamati distribusi partikel pengisi dalam matriks dan interfasa antara matriks dan pengisi [24].
2.6.7 X-Ray Diffraction (XRD)
X-ray diffraction adalah sebuah teknik berteknologi tinggi untuk menganalisa berbagai jenis material termasuk cairan, logam, mineral, polimer, katalis, plastik, obat- obatan, film pelapis tipis, keramik, sel surya dan semikonduktor. Analisa XRD dapat menentukan adanya cacat pada kristal tertentu, ketahanan bahan terhadap tekanan, tekstur, ukuran dan kristalinitas serta variabel lainnya terkait dengan struktur dasar sampel yang dianalisa. XRD saat ini merupakan teknik paling umum untuk mengetahui kristalinitas suatu sampel. Analisa XRD didasarkan pada gangguan konstruktif sinar X monokrom dan sebuah sampel kristal. Sinar X ini dihasilkan oleh sebuah tabung sinar katoda yang disaring untuk menghasilkan radiasi monokrom yang kemudian diarahkan ke sampel. Alat analisa XRD terdiri atas 3 elemen utama yaitu tabung sinar X, tempat sampel dan detektor sinar X. Sinar X pada tabung sinar katoda diperoleh dengan memanaskan sebuah filamen untuk menghasilkan elekton.
Kemudian elektron diarahkan dengan cepat ke sampel dengan diberikan tegangan
voltase. Setelah elektron mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan electron dari dalam sampel maka hasil spektrum analisa XRD akan diperoleh [48].
2.7 Aplikasi Komposit Poliester Berpengisi Cangkang Telur Ayam
Komposit saat ini dimanfaatkan dalam berbagai bidang. Salah satu bidang yang saat ini banyak menggunakan komposit adalah bidang otomotif. Dalam otomotif, komposit dapat digunakan untuk membuat dashboard, bumper, pelindung knalpot dan lain-lain untuk meringankan kendaraan sehingga dapat menghemat bahan bakar.
Pelindung knalpot merupakan salah satu komponen dalam sepeda motor. Saat ini banyak pelindung knalpot modifikasi yang beredar di pasaran. Dengan menggunakan komposit sebagai bahan baku diharapkan dapat mempermudah proses pembuatan pelindung knalpot modifikasi karena komposit polimer mudah dicetak. Selain itu, penggunaan komposit juga dapat membantu mengurangi biaya produksi pelindung knalpot.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Lokasi Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Penelitian dan Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Departemen Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara.
3.2 Bahan dan Peralatan 3.2.1 Bahan
Bahan baku yang digunakan sebagai matriks adalah resin poliester yang merupakan campuran antara resin dengan katalis Methyl Ethyl Keton Peroksida (MEKPO) berasal dari tempat penjualan bahan kimia plastik PT Justus Raya,.
Sementara sebagai pengisi digunakan serbuk cangkang telur yang diperoleh dari toko roti Alamiah Marelan. Tabel 3.1, Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 dibawah ini menunjukkan sifat fisika dan kimia poliester tak jenuh dan MEKPO serta komposisi kimia cangkang telur.
Tabel 3.1 Sifat fisika dan kimia poliester tak jenuh [49]
No. Sifat dan Wujud Keterangan 1. Bentuk Cairan kental
2. Warna Kuning terang
3. Viskositas 300 – 320 cP 4. Densitas 1,10 g/cm3 5. Titik nyala 31oC
Tabel 3.2 Sifat fisika dan kimia MEKPO [50]
No. Sifat dan Wujud Keterangan
1. Wujud dan bau Cairan bening dan sedikit berbau 2. Densitas 1,1 g/cm3
3. Titik nyala >200oF
4. Kestabilan Stabil dibawah suhu 80oF 5. Kelarutan dalam
air
Sedikit larut dalam air
Tabel 3.3 Komposisi kimia cangkang telur[51]
No. Elemen mg/L
1. Kalsium 2300,33±3,80 2. Magnesium 850,00±1,24 3. Natrium 33,83±0,72
4. Kalium 17,06±1,04
5. Zat besi 1,40±0,03
6. Zinc 0,99±0,04
7. Tembaga 0,063±0,01
3.2.2 Peralatan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Neraca Elektrik 2. Ball Mill 3. Ayakan 4. Gelas Ukur 5. Wadah
6. Alat Uji Tarik 7. Alat Uji Lentur 8. Alat Uji Bentur 9. Compression Molding
3.3 Prosedur Penelitian
3.3.1 Penyediaan Matriks Komposit
Matriks komposit dibuat dengan prosedur sebagai berikut:
1. Resin poliester tak jenuh dicampurkan katalis MEKPO dengan komposisi katalis 1% dari berat resin [13]
2. Campuran diaduk hingga merata menggunakan sendok besi.
Pada Gambar 3.1 di bawah ditunjukkan flowchart prosedur penyediaan matriks komposit.
Gambar 3.1 Gambar Flowchart Prosedur Penyediaan Matriks Komposit
3.3.2 Penyediaan Pengisi Komposit
Filler dibuat dengan prosedur sebagai berikut:
1. Kulit ari pada kulit telur dikupas kemudian dicuci dengan menggunakan air dan dikeringkan dengan cara dijemur diatas cahaya matahari selama 6 jam.
2. Kulit telur kemudian digiling dengan ball mill sehingga kulit telur tersebut menjadi serbuk selama 2 jam.
3. Dilakukan pengayakan dengan ayakan 50, 70, 90, 110, 130, 150 dan 170 mesh.
Flowchart prosedur penyediaan pengisi komposit ditunjukkan pada Gambar 3.2 di bawah ini.
Gambar 3.2 Gambar Flowchart Prosedur Penyediaan Pengisi Komposit
Mulai
Selesai
Dicampurkan resin poliester tak jenuh dan katalis MEKPO 1% dari berat resin
Diaduk campuran dengan sendok besi hingga merata
Mulai
Selesai
Dikupas kulit ari pada kulit telur kemudian cuci kulit telur dengan menggunakan air dan dijemur menggunakan cahaya matahari selama 6 jam
Digiling kulit telur dengan menggunakan ball mill selama 2 jam
Dilakukan pengayakan dengan ayakan 50, 70, 90, 110, 130, 150 dan 170 mesh
3.3.3 Proses Pembuatan Produk Komposit
Adapun proses pembuatan produk komposit yaitu sebagai berikut:
1. Dilakukan percampuran antara matriks dan pengisi dengan perbandingan matriks : pengisi serbuk cangkang telur sebesar 70:30 [52].
2. Alas cetakan besi terlebih dahulu diberikan bahan pelicin seperti gliserin agar komposit tidak melekat pada cetakan setelah proses pengempaan.
3. Dituangkan campuran bahan ke dalam cetakan besi 4. Ratakan permukaan campuran dengan sendok besi.
5. Di press dengan menggunakan alat Compresssion Molding selama 10, 15, 20, 25, 30, 35 menit.
6. Komposit yang sudah kering dilepas dari cetakan dan dipotong sesuai ukuran kemudian dihaluskan bagian-bagian permukaannya dengan alat kikir dan amplas.
7. Dilakukan pengujian terhadap komposit.
Gambar 3.3 di bawah ini menunjukkan gambar flowchart proses pembuatan komposit.
Mulai
Dilakukan pencampuran matriks dengan pengisi dengan perbandingan 70:30 ke dalam wadah
Dioleskan pelicin gliserin pada alas cetakan
Dituangkan campuran bahan kedalam cetakan
Diratakan permukaan campuran pada cetakan
Dipress menggunakan Compression Molding selama 10, 15, 20, 25, 30 dan 35 menit
Dilepaskan komposit dari cetakan dan dipotong
A B
Gambar 3.3 Gambar Flowchart Prosedur Pembuatan Produk Komposit
Berikut adalah gambar alat-alat yang digunakan selama pelaksanaan penelitian:
Gambar 3.4 Gambar Compression Molding Selesai
Dilakukan pengujian terhadap komposit Dihaluskan bagian permukaan dengan alat kikir
Apakah ada variasi yang lain?
Ya
Tidak
A B
Gambar 3.5 Gambar Alat Uji Tarik
Gambar 3.6 Gambar Alat Uji Bentur
Gambar 3.7 Gambar Alat Uji FTIR
Gambar 3.8 Gambar Alat Uji SEM-EDX
3.4 Pengujian Komposit
3.4.1 Analisa Kerapatan ASTM D792-08
Spesimen yang digunakan pada analisa kerapatan ASTM D792-08 merupakan spesimen yang sama dengan yang digunakan pada analisa penyerapan air yaitu spesimen dengan diameter 2 cm dan ketebalan 0,3 cm. Analisa kerapatan atau biasa disebut analisa densitas dilakukan dengan menimbang sampel komposit dan membagikan dengan volume dari komposit itu sendiri. Massa komposit diperoleh dengan menggunakan neraca elektrik dan volume komposit diukur dengan menggunakan gelas ukur. Persamaan yang digunakan untuk menghitung kerapatan komposit adalah [53]:
densitas komposit = massa komposit
volume komposit (3.1)
3.4.2 Analisa Penyerapan Air ASTM D570-98
Karakteristik penyerapan air dari poliester murni dan komposit poliester dianalisa dengan perendaman dalam air pada suhu ruangan setiap 24 jam hingga bahan komposit tidak lagi menyerap air (jenuh). Spesimen tes berbentuk lingkaran dengan ketebalan 0,3 cm dan diameter 2 cm sesuai dengan ASTM D570-98. Alat yang digunakan untuk menganalisa penyerapan air adalah wadah untuk merendam spesimen dan neraca elektrik untuk menimbang massa spesimen sebelum dan sesudah perendaman. Pada setiap rentang waktu pencelupan, sampel diambil dan dibersihkan
dengan tisu agar tidak ada air yang tersisa pada permukaan spesimen. Sampel kemudian ditimbang dan dihitung dengan persamaan [54]:
Mt=Wt-Wo
Wo x 100% (3.2)
Dimana:
Mt = Persentase pertambahan berat komposit Wt = Berat komposit setelah perendaman Wo = Berat komposit sebelum perendaman
3.4.3 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength) dengan ASTM D638-10
Sifat mekanis biasanya dipelajari dengan mengamati sifat kekukatan tarik (τt) menggunakan alat tensometer. Alat tensometer yang digunakan adalah Universal Testing Machine Gotech AI-7000M dengan kecepatan 30 mm/s. Secara praktis kekuatan tarik diartikan sebagai besarnya beban maksimum (Fmaks) yang dibutuhkan untuk memutuskan spesimen bahan dibagi dengan luas penampang bahan. Gambar 3.9 menunjukkan spesifikasi spesimen yang digunakan pada uji kekuatan tarik :
Gambar 3.9 Spesimen Kekuatan Tarik ASTM D638-10 Keterangan gambar:
W (width of narrow section) = 6 mm L (length of narrow section) = 33 mm WO (width overall) = 19 mm LO (length overall) = 115 mm
G (gage length) = 25 mm
D (distance between grips) = 65 mm R (radius of fillet) = 14 mm RO (outer radius) = 25 mm
Komposit hasil spesimen dipilih dan dipotong membentuk spesimen untuk pengujian kekuatan tarik (uji tarik). Pengujian kekuatan tarik dilakukan dengan tensometer terhadap tiap spesimen dengan ketebalan 4 mm. Tensometer terlebih dahulu dikondisikan pada beban 100 kgf dengan kecepatan 30 mm/menit, kemudian dijepit kuat dengan penjepit yang ada dialat. Mesin dihidupkan dan spesimen akan tertarik ke atas spesimen diamati sampai putus, dicatat tegangan maksimum dan regangannya.
3.4.4 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) ASTM D256-04
Uji kekuatan bentur dilakukan dengan menggunakan impact tester Gotech model GT-7045-MDL dengan energi benturan 5,5 J dan kecepatan 3,46 m/detik.
Spesimen yang akan diuji mempunyai bentuk 65 mm x 12,7 mm x 3 mm. Pada pengujian bentur dilakukan mengikuti metoda Unnotched Izod. Gambar 3.10 menunjukkan sepsifikasi spesimen yang digunakan pada uji kekuatan bentur
Gambar 3.10 Spesimen Uji Kekuatan Bentur
3.4.5 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spectrophotometry Karakterisasi fourier transform infra red (FTIR) spectrophotometry dilakukan di Balai Pengujian dan Identifikasi Barang Tipe B Medan menggunakan alat uji Thermo Nicolet iS10. Spesimen yang digunakan dalam karakterisasi FTIR adalah sampel patahan uji tarik. Spesimen yang akan dikarakterisasi terlebih dahulu dihaluskan hingga berbentuk serbuk kemudian diletakkan di atas ZnSe Crystal sebagai
65 mm 3 mm
12,7 mm
tempat sampel. Kemudian dijalankan alat pengujian Thermo Nicolet iS10 sehingga diperoleh spektrum FTIR dari sampel yang dianalisa.
3.4.6 Karakterisasi Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM EDX)
Karakterisasi Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray (SEM EDX) dilakukan di Laboratorium MIPA, Institut Teknologi Bandung. Analisa SEM EDX menggunakan alat JEOL JSM 6510 LA Scanning Electron Microscope. SEM EDX yang dilakukan memberikan perbesaran sampel 10.000 kali dan 20.000 kali.
3.4.7 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) dilakukan di Laboratorium Fisika, Universitas Negeri Medan menggunakan X-Ray Diffractometer Shimadzu.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 KARAKTERISASI PARTIKEL CANGKANG TELUR AYAM (GALLUS GALLUS DOMESTICUS)
4.1.1 Karakterisasi Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X-ray (SEM EDX) Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus)
Tujuan karakterisasi Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X-ray (SEM EDX) cangkang telur ayam (Gallus gallus domesticus) adalah untuk melihat morfologi partikel cangkang telur ayam dan untuk mengetahui kandungan unsur penyusun cangkang telur ayam. Hasil Analisa SEM EDX cangkang telur ayam dengan ukuran 150 mesh terlihat pada Gambar 4.1 dibawah ini.
Gambar 4.1. Hasil Karakterisasi Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X- ray (SEM EDX) Partikel Cangkang Telur Ayam Ukuran 150 mesh Dari Gambar 4.1 terlihat bentuk dari partikel cangkang telur ayam yang berbentuk bulat (spherical) dan memiliki pori. Kemampuan penyerapan dari pori cangkang telur ayam akan dimanfaatkan sebagai pengikat yang lebih baik dengan
pori
matriks sehingga dapat diperoleh komposit dengan kekuatan mekanik yang baik.
Kandungan unsur penyusun cangkang telur ayam terdiri dari unsur C, O dan Ca. Unsur C sebesar 23,80%, unsur O sebesar 41,93% dan unsur Ca sebesar 34,27%. (% massa).
Hasil penelitian ini didukung penelitian yang dilakukan oleh Ajala, et al (2018) yang meneliti cangkang telur ayam. Ajala, et al (2018) melakukan analisa SEM EDX terhadap cangkang telur ayam dan memperoleh hasil bahwa cangkang telur ayam tersusun atas unsur C sebesar 38,52%, O sebesar 39,88%, Cl sebesar 0,43% dan Ca sebesar 21,17% [51]. Makanan ayam yang berbeda mengakibatkan perbedaan kandungan penyusun cangkang telur [55]. Hal ini mengakibatkan persentase unsur penyusun cangkang telur yang berbeda antara penelitian ini dengan penelitian Ajala, et al (2018).
4.1.2 Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Partikel Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus)
Tujuan karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) cangkang telur ayam (Gallus gallus Domesticus) adalah untuk menganalisis sifat-sifat kristal dan indeks kristalinitas dari cangkang telur ayam dengan menggunakan sinar-X. Indeks kristalinitas adalah indeks yang menentukan struktur kristal dari suatu bahan [56]. Penentuan indeks kristalinitas suatu bahan dapat dilakukan dengan menggunakan metode Segal [57].
Metode segal menentukan indeks kristal dengan membandingkan intensitas peak kristal terhadap intensitas total [56] yang ditunjukkan dengan persamaan berikut.
CIR(%) = (I200 – Iam)/I200 x 100%
Hasil pengkarakterisasian kristalinitas menggunakan XRD ditunjukan oleh Gambar 4.2 dibawah ini.
Gambar 4.2. Karakteristik X-Ray Diffraction (XRD) Cangkang Telur Ayam (Gallus gallus Domesticus) Ukuran 150 mesh
Dari Gambar 4.2 dapat ditentukan indeks kristalinitas dari partikel cangkang telur ayam dengan menggunakan metode Segal berdasarkan data intensitas maksimum pada puncak serapan yang tajam (sharp peak). Intensitas maksimum dari XRD parikel cangkang telur yaitu sebesar 3450 pada 2θ =29,54° dan intensitas minimum sebesar 2 pada 2θ =54,18°. Kristalinitas cangkang telur ayam yaitu sebesar 99,94% (Lampiran B). Kristalinitas yang tinggi pada pengisi berkontribusi pada peningkatan kekuatan komposit seperti yang ditunjukkan pada penelitian Benyahia, et al (2016) yang menggunakan matriks poliester tak jenuh dan pengisi serat alfa yang diberi perlakuan sehingga diperoleh kristalinitas sebelum perlakuan 49,80% dan setelah perlakuan 60,90%. Peningkatan kristsalinitas meningkatkan kekuatan tarik komposit sebanyak 31,59% [58] sehingga dengan kristalinitas cangkang telur ayam sebesar 99,94%
(Lampiran B) diharapkan dapat meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit poliester berpengisi cangkang telur ayam.
Pada Gambar 4.2 juga terlihat komponen penyusun cangkang telur ayam adalah kalsium karbonat (CaCO3). Kalsium karbonat yang terdapat pada cangkang telur ayam didukung analisa SEM EDX yang menunjukkan adanya unsur Ca, O dan C. Hasil analisa XRD didukung penelitian Naemchan, et al (2008) yang melakukan analisa terhadap cangkang telur ayam dan membandingkan dengan kalsium karbonat komersial. Hasil analisa XRD Naemchan, et al (2008) menunjukkan kandungan cangkang telur ayam merupakan kalsit (kalsium karbonat) dan terdapat kemiripan peak yang ditunjukkan oleh hasil XRD cangkang telur ayam dan hasil XRD kalsium karbonat komersial [59].
