Pengaruh Orientasi Serat Terhadap Kekuatan Mekanik Komposit HDPE-Serat Pelepah Salak - UNS Institutional Repository

(1)

PENGARUH ORIENTASI SERAT TERHADAP KEKUATAN MEKANIK KOMPOSIT HDPE-SERAT PELEPAH SALAK

SKRIPSI

Ditujukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

LASIKUN NIM I0412030

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

(2)

(3)

PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS

Saya mahasisswa Program Studi S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS yang bertanda tangan dibawah ini:

Nama : Lasikun

NIM : I0412030

Judul tugas akhir : Pengaruh Orientasi Serat Terhadap Kekuatan Mekanik Komposit HDPE-Serat Pelepah Salak Dengan ini saya menyatakan bahwa tugas akhir atau skripsi yang saya susun tidak mencontoh atau melakukan plagiat dari karya tulis orang lain. Jika terbukti tugas akhir yang saya susun tersebut merupakan hasil dari plagiat dari karya orang lain maka tugas akhir yang saya susun tersebut dinyatakan batal dan gelar sarjana yang saya peroleh dengan sendirinya dibatalkan atau dicabut. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya dan apabila dikemudian hari terbukti melakukan kebohongan maka saya sanggup menanggung segala konsekuensinya.

Surakarta, 29 September 2017

(4)

(5)

(6)

HALAMAN MOTTO

“Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar.” (Umar bin Khattab)

“Barang siapa yang keluar untuk mencari ilmu maka ia berada di jalan Allah “hingga ia pulang.”.

(HR. Turmidzi)

“Ilmu itu lebih baik daripada harta. Ilmu menjaga engkau dan engkau menjaga harta. Ilmu itu penghukum (hakim) dan harta terhukum. Harta itu kurang apabila

dibelanjakan tapi ilmu bertambah bila dibelanjakan.” (Ali bin Abi Talib)

“Kebajikan itu adalah suatu hal yang ringan, yakni menunjukkan muka yang berseri-seri dan mengucapkan kata-kata yang lemah lembut.”

(7)

PENGARUH ORIENTASI SERAT TERHADAP KEKUATAN MEKANIK KOMPOSIT HDPE-SERAT PELEPAH SALAK

Lasikun

Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

Email: lasikununs@gmail.com

ABSTRAK

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui efek orientasi serat terhadap kekuatan mekanik serat pelepah salak/komposit HDPE. Komposit dibuat dengan menggunakan cetakan tekan panas dengan suhu 150o_{C, tekanan penekanan} 50 bar, dan waktu penahan 25 menit. Orientasi serat yang digunakan dalam komposit adalah 0o_{, 15}o_{, 30}o_{, 45}o_{, 60}o_{, 75}o_{, dan 90}o_{. Komposit, dengan 30% fraksi} volume serat, dievaluasi berdasarkan dua pengujian: Kekuatan tarik dengan ASTM D638 dan impak Izod dengan ASTM D5941.

Hasil percobaan dan prediksi menunjukkan bahwa orientasi serat pelepah salak memiliki pengaruh terhadap karakteristik komposit HDPE-serat pelepah salak. Kekuatan mekanik komposit menurun dengan meningkatnya orientasi serat komposit dari 0ohingga 90o. Dalam penelitian ini juga didapatkan prediksi sifat mekanik serat pelepah salak menggunakan beberapa permodelan. Modus kegagalan komposit pada semua orientasi serat, diamati melalui studi fraktografi SEM.

(8)

EFFECT OF FIBER ORIENTATION ON MECHANICAL PROPERTIES OF HDPE-ZALACCA MIDRIB FIBER

Lasikun

Mechanical Engineering Departement Engineering Faculty, Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia Email: lasikununs@gmail.com

ABSTRACT

The aim of the research is to investigate the fiber orientation effect on the tensile and impact properties of zalacca fiber/HDPE composites. The composites were produced by compression moulding with pressing temperature 150o_C, pressing pressure 50 bar, and holding time 25 minutes. The fiber orientations applied in composites were 0o_{, 15}o_{, 30}o_{, 45}o_{, 60}o_{, 75}o_{, and 90}o_{, at 30%}_{fiber volume} fraction, the samples were evaluated by using: Tensile test and Izod impact test acording to ASTM D638 and ASTM D5941 respectively.

The results of experiment and prediction indicate that the orientation of zalacca fiber influence the characteristics of HDPE composite-zalacca fiber. The composite mechanical strength decreases with increasing orientation of composite fibers from 0° to 90°. In this study also obtained by prediction of mechanical properties of zalacca fiber using modelings.The composite failure modes in all fiber orientations, observed by SEM.

(9)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan judul “Pengaruh Orientasi Serat Terhadap Kekuatan Mekanik Komposit HDPE-Serat Pelepah Salak”.

Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Teknik di Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Penulis mengucapkan terima kasih, khususnya kepada:

1. Dr. Techn. Ir. Sholihin As'ad, M.T., selaku Dekan Fakultas Teknik UNS. 2. Dr. Eng Syamsul Hadi, S.T., M.T., selaku Ketua Prodi Teknik Mesin UNS. 3. Dr. Eng Nurul Muhayat, S.T., M.T., selaku Koordinator Tugas akhir.

4. Dody Ariawan, S.T., M.T., Ph.D., selaku Pembimbing I. 5. Dr. Joko Triyono, S.T., M.T., selaku selaku Pembimbing II. 6. Para Dosen Program Studi Teknik Mesin UNS.

7. Maruto Adhi Prabowo, S.T., selaku laboran Material Teknik Mesin UNS. 8. Teman-teman satu tim seperjuangan dalam mengerjakan skripsi.

9. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin UNS.

10. Semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu.

Dengan segala keterbatasan yang ada penulis menyadari kekurangan, untuk itu kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan tugas akhir serupa berikutnya.

Surakarta, 29 September 2017

(10)

DAFTAR ISI

HALAMAN SURAT PENUGASAN ... ii

PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS... iii

HALAMAN PENGESAHAN... iv

HALAMAN DESIMINASI ...v

HALAMAN MOTTO ... vi

ABSTRAK ... vii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI...x

DAFTAR TABEL... xii

DAFTAR GAMBAR ... xvi

DAFTAR RUMUS ... xvii

DAFTAR NOTASI ... xix

DAFTAR LAMPIRAN ... xxii BAB I PENDAHULUAN..._{Error! Bookmark not defined.} 1.1 Latar Belakang Masalah ...Error! Bookmark not defined. 1.2 Rumusan Masalah...Error! Bookmark not defined. 1.3 Batasan Masalah ...Error! Bookmark not defined. 1.4 Tujuan Penelitian...Error! Bookmark not defined. 1.5 Manfaat Penelitian...Error! Bookmark not defined. 1.6 Sistematika Penulisan...Error! Bookmark not defined. BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI..._{Error! Bookmark not}

defined.

(11)

2.3 Hipotesis ...Error! Bookmark not defined. 2.4 Rencana penelitian ...Error! Bookmark not defined. BAB III METODE PENELITIAN..._{Error! Bookmark not defined.} 3.1 Tempat Penelitian...Error! Bookmark not defined. 3.3 Alat Penelitian ...Error! Bookmark not defined. 3.4 Alat Uji ...Error! Bookmark not defined. 3.5 Parameter...Error! Bookmark not defined. 3.6.1. Persiapan serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined. 3.6.2. Persiapan recycled HDPE (HDPE)...Error! Bookmark not defined. 3.6.3. Pembuatan spesimen komposit ...Error! Bookmark not defined. 3.6.4. Variabel penelitian ...Error! Bookmark not defined. 3.6.5. Tahap pengujian...Error! Bookmark not defined. 3.6.6. Tahap analisis ...Error! Bookmark not defined. 3.7 Bentuk dan Ukuran Spesimen Uji ...Error! Bookmark not defined. 3.7.1 Uji Tarik...Error! Bookmark not defined. 3.7.2 Uji Impak ...Error! Bookmark not defined. 3.8 Diagram Alir Penelitian...Error! Bookmark not defined. 3.9 Jadwal Penelitian ...Error! Bookmark not defined. BAB IV DATA DAN ANALISIS..._{Error! Bookmark not defined.} 4.1Properties of Single Zalacca Fiber...Error! Bookmark not defined. 4.1 Pengaruh Orientasi Serat Terhadap Kekuatan Mekanik Komposit

HDPE-Serat Pelepah Salak...Error! Bookmark not defined. 4.3 Hasil ujistrain gagekomposit HDPE-serat pelepah salakError! Bookmark

not defined.

4.3 Prediksi kekuatan material komposit HDPE-Serat pelepah salak ...Error! Bookmark not defined.

4.4 Pengaruh orientasi serat terhadap kekuatan iImpak ...Error! Bookmark not defined.

(12)

5.2 Saran ...Error! Bookmark not defined. DAFTAR PUSTAKA..._{Error! Bookmark not defined.} LAMPIRAN..._{Error! Bookmark not defined.}

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Peringkat kualitas papan komposit ...Error! Bookmark not defined. Tabel 2.2 Karakteristik HDPE ...Error! Bookmark not defined. Tabel 2.3 Komposisi kandungan serat pelepah salak ...Error! Bookmark not defined.

Tabel 3.1 Jenis Uji dan jumlah spesimen tiap variasi ...Error! Bookmark not defined.

Tabel 3.2 Jadwal penelitian...Error! Bookmark not defined.

Tabel 4.1 Hasil uji tarik serat tunggal ...Error! Bookmark not defined. Tabel 4.2 Sifat dari serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined. Tabel 4.3 Hasilpoissonrasio dari pengujianstrain gage....Error! Bookmark not defined.

(13)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kuat tarik untuk variasi orientasi serat...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.2 Kuat impak untuk variasi orientasi serat ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.3 Kekuatan tarik komposit serat curauaError! Bookmark not defined. Gambar 2.4 Kekuatan tarik komposit serat kaca ...Error! Bookmark not defined. Gambar 2.5 Orientasi serat terhadapyoung’s modulus(kekakuan) kompositError! Bookmark not defined.

Gambar 2.6 Fraksi volum serat terhadap kekuatanbendingkomposit ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.7 Fraksi volum serat terhadap kekuatan impak komposit ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.8 Variasi fraksi volum dan panjang serat terhadap kekuatan impak komposit UPRs-serat tapis kelapa ....Error! Bookmark not defined. Gambar 2.9 Tekanan terhadap kekuatanbending..Error! Bookmark not defined. Gambar 2.10MeshHDPE terhadap kekuatan impak...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.11 Mesh HDPE terhadap kekuatan lentur ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.12 Komposit serat (a)Continous fiber composite laminate,(b)Woven fiber composite,(c)Chopped Fiber Compositedan (d)Hybrid

composite...Error! Bookmark not defined. Gambar 2.13 Hubunganstress-strain ...Error! Bookmark not defined. Gambar 2.14 Potongan komposit yang diperkuat serat dan sel satuan ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.15 (a)Geometri dan tata nama, (b) Sel satuan terhadap σ1...Error! Bookmark not defined.

(14)

Gambar 2.17 (a) Geometri dan tata nama, (b) Sel satuan terhadapσ2...Error!

Bookmark not defined.

Gambar 2.18 (a) Geometri dan tata nama, (b) Sel satuan terhadap G2dan (c) Deformasi keseluruhan dari sel satuan...Error! Bookmark not defined. Gambar 2.19 Produk HDPE dan simbol HDPE...Error! Bookmark not defined. Gambar 2.20 Peletakan spesimen uji impakIzod..Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.1 (a) Pohon salak, (b) Serat pelepah salak ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.2 Plastik HDPE...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.3Wax Mirror Glaze...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.4 MesinCompression mold...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.5Panel BoxmesinCompression mold..Error! Bookmark not defined. Gambar 3.6 MesinCrusher...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.7 (a) Ayakan 20mesh,(b) Ayakan 40mesh...Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.8 MesinRoll...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.9 TimbanganDigital...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.10Oven...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.11Hardwareakuisisi data Adventech USB-4716 ...Error! Bookmark not defined.

(15)

Gambar 3.24 Spesimen uji impak ...Error! Bookmark not defined. Gambar 3.25 Diagram alir penelitian...Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.1 Kekuatan tarik komposit HDPE-serat pelepah salak ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.2Modulus of elasticitykomposit HDPE-serat pelepah salak ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.3 Hasilpoissonrasio komposit HDPE-serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.4 Perbandingan MOE teori dan eksperimen ...Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.5 Pengaruh orientasi serat terhadap perbandinganEx/E2komposit

HDPE-serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined. Gambar 4.6 Pengaruh orientasi serat terhadap perbandinganEx/E2pada komposit

laminacarbon/epoxy, boron/aluminium, danglass/epoxy...Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.7 Pengaruh orientasi serat terhadap perbandinganGxy/E2komposit HDPE-serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined. Gambar 4.8 Pengaruh orientasi serat terhadap perbandinganGxy/E2pada komposit

Gambar 4.9 Pengaruh orientasi serat terhadap perbandinganVxykomposit HDPE-serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined. Gambar 4.10 Pengaruh orientasi serat terhadap perbandinganVxy pada komposit

Gambar 4.11 Pengaruh orientasi serat terhadapshear-coupling(ηxy,x) komposit

HDPE-serat pelepah salak...Error! Bookmark not defined. Gambar 4.12 Pengaruh orientasi serat terhadapηxy,xpada komposit lamina

carbon/epoxy, boron/aluminium, danglass/epoxy ..Error! Bookmark

not defined.

(16)

Gambar 4.14 Energi serap komposit HDPE-serat pelepah salakError! Bookmark not defined.

Gambar 4.15 Foto SEM patahan uji tarik (a) Komposit dengan orientasi serat 0o, (b) Komposit dengan orientasi serat 45o, (c) Komposit dengan

(17)

DAFTAR RUMUS

Rumus 2.2 Nilai σ1...15

Rumus 2.3Compliance tensor...15

Rumus 2.4 Nilai S ...15

Rumus 2.5Engineeringdantensorial shear strain...16

Rumus 2.6I|nversdari matriks ...16

Rumus 2.7Stressdanstrainresultan ...16

Rumus 2.8 ̅_...16

Rumus 2.9Modulus of elasticity, shear moduli, poisson rasiodankoefisien shear-coupling...17

Rumus 2.10 Regangan di arah 1 ...19

Rumus 2.11 Tekanan pada serat dan matriks...20

Rumus 2.12 Kekuatan dalam arah 1 dalam serat dan matriks ...20

Rumus 2.13 Tegangan komposit σ1...20

Rumus 2.14 Tegangan dalam arah 1 ...20

Rumus 2.15 Modulus elastisitas pada arah 1 ...20

Rumus 2.16 Poissonrasio ...21

Rumus 2.17 Perubahan lebar komposit...21

Rumus 2.18 Total perubahan lebar komposit ...21

Rumus 2.19 Kontraksi masing-masing penyusun...21

Rumus 2.20 Kontraksi masing-masing penyusun per W ...22

Rumus 2.21Rasio Poisson...22

Rumus 2.22 Regangan melintang pada serat dan matriks...22

Rumus 2.23 Tegangan pada serat dan matriks...23

Rumus 2.24 Dimensi melintang sel satuan ...23

Rumus 2.25 Keseluruhan dimensi melintang sel satuan ...23

Rumus 2.26 Regangan melintang keseluruhan ...23

Rumus 2.27 Regangan melintang ...24

(18)

Rumus 2.31 (a)Straingeser pada elemen serat ...25

(b) Straingeser pada elemen matriks ...25

Rumus 2.32 Regangan geser serat ...25

Rumus 2.33 Regangan geser matriks ...25

Rumus 2.34 Deformasi total sel satuan...25

Rumus 2.35 Tegangan geser rata-rata untuk sel satuan ...26

Rumus 2.36 Regangan geser ...26

Rumus 2.40 Modulus geser aksial komposit...26

Rumus 2.41 Tegangan uji tarik ...31

Rumus 2.42 Regangan uji tarik...31

Rumus 2.43 Modulus elastisitas...32

Rumus 2.44 Kekuatan impak ...33

Rumus 2.45 Energi total yang diserap oleh benda ...33

Rumus 2.46 Kekuatan impak benda uji ...33

Rumus 4.1 Luas penampang rata-rata ...54

Rumus 4.2 Area penampang serat...54

Rumus 4.3Longitudinal effective moduli...55

Rumus 4.4Tranverse effective moduli...55

Rumus 4.5Shear effective moduli...55

Rumus 4.6Poisson rasio...55

Rumus 4.7 Prediksi kekuatan material komposit ...61

(19)

DAFTAR NOTASI

1 =gaya matriks pada arah 1

θ = orientasi matriks

S = sinθ εm =regangan matriks

εf1 =regangan serat pada arah 1

εf2 =regangan serat pada arah 2

γf12 =regangan serat pada arah 1-2

εm1 =regangan matriks pada arah 1

(20)

γm12 =regangan matriks pada arah 1-2 L = panjang sel

Lo = panjang spesimen uji tarik mula-mula

L1 = Panjang spesimen setelah mengalami uji tarik Δ L =perubahan panjang sel

Wf =lebar serat

Wm =lebar matriks

Δ Wf =perubahan lebar serat Δ Wm =perubahan lebar matriks

Af ₌_{daerah penampang serat} Am ₌_{daerah penampang matriks}

Δ Af =perubahan daerah penampang serat Δ Am =perubahan daerah penampang matriks

E = modulus of elasticity

Ef _{= modulus of elasticity}_serat Gf _{= shear moduli}_serat

Vf _{= poisson rasio}_serat

Em _{= modulus of elasticity}_matriks Gm _{= shear moduli}_matriks

Vm _{= poisson rasio}_matriks

E1 = modulus of elasticitypada arah 1

E2 = modulus of elasticitypada arah 2

G12 = shear modulipada arah 1-2

V12 = poisson rasiopada arah 1-2

Ex = modulus of elasticitypada arah x

Ey = modulus of elasticitypada arah y

Gxy = shear modulipada arah x-y

Vxy = poisson rasiopada arah x-y

ηxy =koefisienshear-couplingpada arah x-y Ef1 = modulus of elasticityserat pada arah 1 Ef

(21)

Gf12 = shear moduliserat pada arah 1-2 Vf

12 = poisson rasioserat pada arah 1-2

Em1 = modulus of elasticitymatriks pada arah 1 Em2 = modulus of elasticitymatriks pada arah 2 Gm12 = shear modulimatriks pada arah 1-2 Vm12 = poisson rasiomatriks pada arah 1-2 Vf =fraksi volum serat

vm =fraksi volum matriks = berat pendulum

= jarak dari pusat rotasi pendulum ke pusat massa = sudut pantul lengan ayun

(22)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Grafik uji tarik ...78

Lampiran 2. Hasil uji tarik komposit HDPE-serat pelepah salak ...109

Lampiran 3. Hasil uji impak komposit HDPE-serat pelepah salak...111

Lampiran 4. Hasil prediksi efektivitas komposit HDPE-serat pelepah salak ...112

Lampiran 5. Hasil uji komposisi serat pelepah salak ...137

Lampiran 6. Hasil uji tarik serat pelepah salak tunggal ...138