Pengaruh Variasi Fraksi Volume Serat Daun Nanas dan Ukuran Cetakan
terhadap Prosentase Penyusutan Komposit Matriks
Polyester
dengan
Cetakan Silikon
Khairul Anam
a *,
Anindito Purnowidodo
bdan Adhitya Octaridwan Yudhanto
cJurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya, Jl. MT. Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesia
a
khairul.anam27@ub.ac.id, banindito@ub.ac.id, cditosingh1@gmail.com
Abstrak
Penerapan komposit tidak terbatas pada bidang otomotif, industri pesawat terbang, dan indusri kapal laut saja, namun sekarang penggunaan komposit telah merambah ke bidang lainnya seperti industri alat olah raga, industri elektronik, industri peralatan rumah tangga, dan masih banyak lagi. Prosentase penyusutan pada komposit sangat berpengaruh terhadap produk yang dibuat meskipun sudah diberi toleransi. Oleh sebab itu, diperlukan penelitian lebih lanjut tentang pengaruh fraksi
volume serat alam jenis serat daun nanas (Ananas cosmosus L. Merr) dan ukuran cetakan terhadap
prosentase penyusutan komposit matriks polyester dengan cetakan silikon. Metode yang akan
dipakai pada penelitian ini adalah metode eksperimental nyata dengan menggunakan variasi fraksi volume serat daun nanas sebesar 0%, 10%, 20% dan 30%. Selain itu juga divariasikan ukuran cetakan berupa tinggi silinder (h) = 3, 4, 5 dan 6 cm dengan diameter 4 cm serta diameter (d) = 1.5,
2, 3, 4 dan 5 cm dengan tinggi 4 cm. Jenis matrik yang digunakan adalah polyester YUCALAC 157
BQTN dan orientasi serat daun nanas adalah acak. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa
besarnya prosentase penyusutan pada komposit matrik polyester akan menurun seiring
meningkatnya prosentase serat daun nanas. Selain itu, penyusutan volumetrik komposit akan meningkat seiring dengan besarnya ukuran Cetakan silikon (tinggi dan diameter). Namun, prosentase penyusutan komposit tidak berubah secara signifikan dengan berubahnya ukuran cetakan.
Kata kunci: serbuk daun nanas, prosentase penyusutan, komposit matriks polyester, cetakan silikon Pendahuluan
Pengetahuan tentang ilmu material
memegang peranan penting dalam dunia industri terutama industri bidang manufaktur baik logam maupun non logam. Namun, pertimbangan akan berat sebuah komponen, membuat material non logam menjadi pilihan utama di industri manufaktur. Salah satu contoh material non logam yang sering dipakai dalam dunia industri manufaktur adalah material komposit. Dimana material komposit adalah suatu material baru yang tersusun dari kombinasi dua material atau lebih yang memiliki sifat mekanik dan
karakteristik yang berbeda sebagai
penyusunnya sehingga menghasilkan material dengan sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dengan material pembentuknya,
namun sifat-sifat utama material
pembentuknya masih ada [1].
Dalam kehidupan sehari-hari penggunaan komposit semakin berkembang. Penerapannya tidak terbatas pada bidang otomotif, industri pesawat terbang, dan indusri kapal laut saja, namun sekarang penggunaan komposit telah merambah ke bidang lainnya seperti industri alat olah raga, industri elektronik dan industri
peralatan rumah tangga. Hal tersebut
disebabkan karena perbandingan antara
kekuatan dan berat dari komposit yang baik dibandingkan dengan material logam.
Salah satu jenis komposit dalam rekayasa
pembuatan komposit adalah komposit
berpenguat fiber. Contoh aplikasi komposit berpenguat fiber yang sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah alat pancing, raket tenis, sampai material lambung kapal.
Namun, pada perkembangannya, fiber yang digunakan adalah fiber buatan. Sehingga perlu adanya pengaplikasian material alam yang lebih ramah lingkungan atau yang disebut biokomposit. Salah satu contoh serat alam yang digunakan sebagai penguat komposit adalah serat daun nanas.
Bila dibandingkan antara berat dan kekuatanya, serat daun nanas memiliki sifat mekanik yang relatif baik dibandingkan dengan serat alam yang lain. R.M.N. Arib dalam risetnya meneliti tentang pengaruh penambahan serat daun nanas pada kekuatan tarik polyprophylene. Serat daun nanas dapat mengikat resin dengan cara ikatan kovalen yang bersifat polar, dan dapat dipakai sebagai penguat komposit. Hasilnya kekuatan tarik komposit yang paling tinggi terdapat pada fraksi volume 10,8% dengan kekuatan tariknya 687,02 MPa [2,3]. Serat daun nanas merupakan serat alam yang berasal dari tumbuhan nanas (Ananas cosmosus L. Merr) yang banyak terdapat di Indonesia. Dengan banyaknya tanaman nanas di Indonesia, potensinya sangat bagus untuk diolah menjadi
bahan penguat pada komposit selain
meningkatkan daya guna serat daun nanas. Matrik komposit juga sangat berpengaruh terhadap kekuatan dari material komposit. Salah satu jenis matrik komposit yang mudah diperoleh dan digunakan masyarakat dari kalangan umum maupun industri dalam skala
kecil maupun besar adalah resin polyester.
Resin polyester mempunyai kemampuan
untuk berikatan dengan serat alam tanpa menimbulkan reaksi dan gas [4]. Namun,
salah satu kekurangan dari polyester adalah
tingkat penyusutan volumenya yang tinggi [5].
Standar minimal pemberian serat pada komposit untuk fraksi volume adalah 10%, dan selebihnya bisa divariasikan asal masih dalam batas prosentase reinforcement atau bahan penguat yaitu kurang dari 50% [6]. Penelitian tentang komposit tidak hanya meliputi sifat mekaniknya saja, namun saat ini sudah meluas sampai ketahanan listrik, ketahanan panas, prosentase penyusutan dan
aplikasi lingkungan. Penyusutan pada
komposit sangat perlu dipertimbangkan
karena tidak bias dihindari namun bisa
diminimalisir. Salah satu efek dari adanya
penyusutan pada komposit ini adalah
berubahnya geometri komponen yang dibuat, sehingga produk yang dihasilkan tidak akan
terpakai karena tidak sesuai dengan
permintaan pasar.
Dari uraian diatas maka perlu dilakukan sebuah investigasi tentang pengaruh variasi fraksi volume serat daun nanas dan ukuran cetakan terhadap prosentase penyusutan
komposit matriks polyester dengan cetakan
silikon. Pemilihan silikon sebagai cetakan dalam penelitian ini tidak lepas dari mahalnya
cetakan menggunakan injection molding.
Selain itu, cetakan silikon juga cocok untuk
diterapkan pada proses pembuatan
komponen-komponen dengan ukuran kecil. Metode Penelitian
Metode yang akan dipakai pada penelitian
ini adalah metode eksperimental nyata (True
Experimental Research) dengan tujuan untuk
mengetahui pengaruh fraksi volume serat daun
nanas dan ukuran cetakan terhadap prosentase
penyusutan resin polyester dengan cetakan
silikon. Jenis resin polyester yang digunakan
adalah polyester YUCALAC 157 BQTN dan
orientasi serat daun nanas adalah acak. Orientasi serat daun nanas bisa dilihat pada Gambar 1 [7].
Gambar 1. Orientasi acak serat daun nanas. Dalam penelitian ini variabel bebas yang
digunakan adalah fraksi volume serat daun
ukuran cetakan terdiri dari tinggi silinder (h) = 3, 4, 5, 6 cm dengan diameter 4 cm dan diameter (d) = 1.5, 2, 3, 4, 5 cm dengan tinggi 4 cm. Variabel terikatnya adalah prosentase penyusutan. Dan variabel terkontrolnya adalah prosentasi katalis yang digunakan, yaitu 1%
dari volume matrik, curing menggunakan
suhu ruang (27oC), proses alkali menggunakn
NaOH (Natrium Hidroksida) selama 2 jam
dan cetakan spesimen berbentuk silinder seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Cetakan spesimen. Serat daun nanas
Serat daun nanas memiliki kekuatan mekanik yang relatif baik dibandingkan dengan serat alam lainya seperti yang terlihat pada Tabel 1 [8].
Tabel 1. Kekuatan mekanik serat alam. Sifat Rami Pisang Nanas Diameter (mm) - 80-250 20-80 Densitas (g/cm3) 1.3 1.35 1.44 Selulosa (%) 61 65 81 Lignin (%) 12 6 12 E (GN/m2) - 8-20 34-82 Elongasi (%) 1-1.2 1-3.5 0.8-1.6 Prosentase hemi-selulosa dan lignin serta zat-zat lain yang terkandung pada serat daun nanas (debu dan ekstraksi alcohol-benzena) merupakan zat-zat yang harus dikurangi atau dihilangkan jika serat daun nanas dijadikan penguat pada komposit. Ada dua cara yang biasanya digunakan untuk mengurangi atau
menghilangkan zat-zat tersebut yaitu water
retting dan degumming. Selain itu, untuk membersihkan dan memodifikasi permukaan
serat dengan menurunkan tegangan
permukaan dan meningkatkan adhesi
antarmuka antara serat alami dan matriks polimer dilakukan proses alkali. Dalam penelitian ini, NaOH dipakai sebagai larutan pada proses alkali. Tabel 2 menunjukkan komposisi kimia serat daun nanas setelah diberi perlakuan kimia [9].
Tabel 2. Komposisi kimia serat daun nanas setelah diberi perlakuan kimia.
Komposisi Kimia % Komposisi Water Retting Degumming Alpha-selulosa 87.36 94.21 Hemi-selulosa 4.58 2.26 Lignin 3.62 2.75 Ash 0.54 0.37 Ekstraksi alcohol -benzena 2.72 0.77
Pada Tabel 1 dan 2 dapat dilihat bahwa setelah proses perlakuan alkali, prosentase zat yang dapat mengurangi kekuatan serat pun berkurang seperti lignin dan hemi-selulosa. Berkurangnya zat tersebut sangat penting karena pada struktur serat alam agar terbuka dan dapat bergabung atau merekat secara maksimal dengan polimer. Kekuatan pada komposit dari gabungan antara polimer dan
serat daun nanas ini ada pada ikatan Hydroxil,
karena dengan ikatan tersebut serat dapat merekat dengan baik dan membuat rantai ikatan yang meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit. Kendala yang mungkin terjadi pada ikatan ini adalah serat alam memiliki sifat alami sebagai penyerap kelembaban,
dimana polimerisasi dari resin polyester
adalah polimerisasi kondensasi yang
menghasilkan air. Matrik resin polyester
Polyester adalah jenis resin yang paling banyak digunakan sebagai matrik pada serat gelas untuk badan kapal, mobil dan tandon air [10]. Tabel 3 menunjukkan sifat-sifat resin polyester [11]. Sedangkan Spesifikasi resin
unsaturated polyester yukalac 157 BQTN ditunjukkan pada Tabel 4 [11].
Tabel 3. Sifat – Sifat Resin Polyester.
Sifat Nilai Kekentalan (Mg/m3) 1.2-1.5 Modulus Young (GN/m2) 2-4.5 Poisson ratio 0.37-0.39 Kekuatan tarik (MN/m2) 40-90 Kekuatan tekan (MN/m2) 90-150 Regangan maksimum (%) 2 Temperatur maksimum (oC) 50-110 Tabel 4. Spesifikasi resin unsaturated polyester yukalac 157 BQTN.
Sifat Nilai
Berat jenis (gr/cm3) 1.215
Suhu distorsi panas (oC) 70
Kekuatan Flexural (kg/mm2) 9.4
Modulus Flexural (kg/mm2) 300
Daya rentang (kg/mm2) 5.5
Modulus rentang (kg/mm2) 300
Elongasi (%) 1.6
Metode hand lay up
Pada penelitian ini, metode yang digunakan dalam pembuatan komposit adalah metode hand lay up. Metode hand lay-up dilakukan dengan beberapa tahapan. Tahap pertama adalah meletakkan serat pada cetakan silikon. Tahap kedua adalah menuang matrik ke
dalam cetakan. Tahap ketiga adalah
penekanan pada permukaan untuk meratakan dan menghilangkan udara yang terperangkap. Dan tahap terakhir adalah pengeringan komposit.
Ada beberapa pertimbangan mengapa
dipilih metode hand lay up karena biayanya
murah, dapat digunakan untuk benda besar maupun kecil, alat yang digunakan sederhana, bisa digunakan untuk serat pendek maupun panjang dan pengerjaannya mudah. Namun,
metode ini juga memiliki beberapa
kekurangan seperti kekuatan lapisan
tergantung oleh pengerjaan tangan yang
melapisi, keseragaman produk kurang dan pengerjaan lama
Pengujian prosentase penyusutan
Pengujian prosentase penyusutan
disesuaikan dengan standar ASTM seri D6289. Pada dasarnya standar ini mengacu pada rumus densitas atau teori Archimedes, yaitu: ρ = (1) dimana : ρ = Densitas komposit (kg/m3) m = Massa komposit (kg) v = Volume komposit (m3)
Dari Pers. 1, perhitungan pada ASTM seri D6289 menjadi Pers. 2, yaitu:
MS = × 100 % (2)
dimana :
MS = Prosentase penyusutan (%)
Vo = Volume cetakan (m3)
V1 = Volume spesimen (m3)
Prosedur pembuatan spesimen
Langkah-langkah pembuatan spesimen
bahan komposit pada penelitian ini adalah:
1. Pembuatan cetakan spesimen dari silikon
2. Proses alkali pada serat daun nanas.
3. Perhitungan panjang serat.
4. Proses pemotongan serat.
5. Perhitungan fraksi volume serat daun
nanas dan resin.
6. Resin dituangkan ke dalam gelas ukur
kemudian ditambahkan katalis sebanyak 1% dari jumlah volume resin dan serat daun nanas sesuai prosentase fraksi volume dalam spesimen, kemudian resin, katalis, dan serat daun nanas di aduk rata.
8. Setelah 1 jam, spesimen dapat di lepas dari cetakan.
Hasil dan Pembahasan
Data hasil penelitian ini dijabarkan dari Pers. 1 dan 2. Dimana nilai yang terukur adalah berat komposit dan densitas yang
dipakai sebesar 1,215 gr/cm3. Volume cetakan
dihitung menggunakan volume tabung yaitu luas alas (lingkaran) kali tinggi.
Fraksi volume serat daun nanas
Dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan hasil berupa grafik hubungan antara fraksi volume serat daun nanas terhadap prosentase penyusutan komposit
matriks polyester dengan cetakan silikon
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dari Gambar 3 ditunjukkan bahwa semakin besar prosentase fraksi volume serat daun nanas maka prosentase penyusutannya juga semakin menurun. Hal ini dikarenakan, penambahan serat daun nanas akan meningkatkan densitas dan berat pada spesimen dengan kata lain serat daun nanas akan memberikan hambatan penyusutan terhadap matrik. Selain itu,
adanya ikatan hydroxyl antara serat daun
nanas dan matrik juga akan menyebabkan matrik akan mengisi serat daun nanas yang tidak mengalami penyusutan akibat adanya proses alkali. 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0 10 20 30 P ro s e n ta s e P e n y u s u ta n ( %) Fraksi Volume (%)
Gambar 3. Hubungan antara fraksi volume dengan prosentase penyusutan.
Tinggi cetakan
Dari penelitian yang telah dilakukan, juga didapatkan hasil berupa grafik hubungan
antara tinggi cetakan silikon terhadap
prosentase penyusutan komposit matriks polyester seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa semakin tinggi cetakan atau spesimen yang dibuat maka prosentase penyusutan akan meningkat. Bagaimanapun, peningkatan yang terjadi tidak terlalu signifikan. Fenomena ini bisa terjadi karena adhesi yang terjadi antara
komposit dengan dinding cetakan (curvature)
semakin dalam seiring bertambahnya tinggi cetakan. 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 3 4 5 6 P ro s e n ta s e P e n y u s u ta n ( %) Tinggi Cetakan (cm) 0% 10% 20% 30% Linear (0%) Linear (10%) Linear (20%) Linear (30%)
Gambar 4. Hubungan antara tinggi cetakan dengan prosentase penyusutan. Diameter cetakan
Selain itu, dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan hasil berupa grafik hubungan antara diameter cetakan silikon terhadap prosentase penyusutan komposit
matriks polyester seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 5. Seperti halnya pengaruh tinggi cetakan, dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa semakin besar diameter cetakan atau spesimen yang dibuat maka prosentase penyusutan akan meningkat namun tidak terlalu signifikan. Fenomena ini bisa terjadi karena adhesi yang terjadi antara komposit
dengan dinding cetakan (curvature) semakin
lebar dan dalam seiring bertambahnya tinggi cetakan.
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 1 3 5 P ro s e n ta s e P e n y u s u ta n ( %) Diameter Cetakan (cm) 0% 10% 20% 30% Linear (0%) Linear (10%) Linear (20%) Linear (30%)
Gambar 5. Hubungan antara diameter cetakan dengan prosentase penyusutan Kesimpulan
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa besarnya prosentase penyusutan pada komposit matrik polyester akan menurun seiring meningkatnya prosentase serat daun nanas. Selain itu, penyusutan volumetrik komposit akan meningkat seiring dengan besarnya ukuran Cetakan silikon (tinggi dan diameter). Namun, prosentase penyusutan komposit tidak berubah secara signifikan dengan berubahnya ukuran cetakan.
Referensi
[1] Schwartz, M.M., Composite Materials
Handbook, McGraw Hill Higher
Education, New York, 1983.
[2] Arib, R. M. N., Sapuan, S. M., Hamdan, M. A. M. M., Paridah, M. T., dan Zaman, H. M. D. K. Impact and Bending Properties of Pineapple Leaf Fiber (PALF) Reinforced Polypropylene (PP) laminated Composites. Brunei Darus Salam Journal of Technology and Commerce (2006) 130-135.
[3] Arib, R. M. N., Sapuan, S. M., Hamdan, M. A. M. M., Paridah, M. T., dan Zaman, H. M. D. K. Mechanical Properties of Pineapple Leaf Fiber (PALF) Reinforced
Polypropylene (PP) laminated
Composites. Material and Design 27 (2006) 391-396.
[4] Hartanto, Ludi, Study Perlakuan Alkali Dan Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Bending, Tarik, dan Impak
Komposit Berpenguat Serat Rami
Bermatrik Polyester BQTN 157. Tugas
Akhir Sarjana Teknik. Universitas
Muhammadiyah Surakarta, Solo. 2009. [5] Davis, Amelia, The Characterisation and
Assessment of Curvature in Asymmetric Carbon Fibre Composite Laminates.
M.Phil. Thesis, Department of
Metallurgy and Materials, Universitas of Birmingham. 2014.
[6] D. B. Miracle, Steven L. Donaldson, Composites. ASM Handbook, Volume 21. 2001.
[7] Callister, W. D., “Material Science and Engineering”. Seventh Edition. John Wiley & Sons Inc., Singapore. 2007. [8] Soumitra Biswas, G Srikanth dan
Sangeeta Nangia, Development of
Natural Fibre Composites in India, Department of science and technology, Government of India. 2009.
[9] Indra Doraiswamy, P. Chellamani,
Pineapple-leaf Fibres. Textile Institute. 1993.
[10] Hartomo, Memahami Polimer dan
