KEKUATAN IMPAK KOMPOSIT SANDWICH BERPENGUAT SERAT AREN

(1)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

KEKUATAN IMPAK KOMPOSIT

SANDWICH

BERPENGUAT SERAT AREN

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

GAGAS IKHSAN PUTRADI NIM. I0405028

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

commit to user

(3)

commit to user

(4)

commit to user

iv

KEKUATAN IMPAK KOMPOSIT SANDWICH BERPENGUAT SERAT AREN

Gagas Ikhsan Putrady

Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta

abstrak

Komposit sandwich adalah jenis komposit yang mempunyai kekuatan cukup tinggi apabila digunakan sebagai struktur sekunder maupun primer. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh tebal skin dan tebal core terhadap kekuatan impak komposit sandwich berpenguat serat aren dengan core serbuk gergaji kayu sengon laut.

Bahan penelitian ini adalah serat aren, unsaturated polyester resin 157 BQTN-EX, serbuk gergaji kayu sengon laut dan urea formaldehida. Serat aren dikenakan perlakuan alkali dengan cara direndam di dalam larutan NaOH 5 % selama ±4 jam. Spesimen ini dibuat dengan metode cetak tekan dengan variasi tebal skin (2, 3, 4, dan 5 mm) dan variasi tebal core (5, 10, 15, dan 20 mm). Pengujian impak komposit sandwich ini mengacu standar ASTM D-5942 dengan menggunakan alat uji impak charpy.

Hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan impak komposit sandwich serat aren core serbuk gergaji kayu sengon laut dengan tebal skin 2, 3, 4, dan 5 mm adalah 0,0179 J/mm2, 0,0198 J/mm2, 0,252 J/mm2, dan 0,022 J/mm2. Semakin tebal core, energi serapnya akan semakin meningkat. Tetapi kekuatan impak yang tertinggi terdapat pada komposit sandwich tebal core 10 mm dengan nilai 0,015 J/mm2. penampang patahan komposit sandwich mengindikasikan beberapa jenis kegagalan yaitu core gagal geser, core remuk, dan patah getas.

Kata kunci : komposit sandwich, kekuatan impak, core, skin, serat aren, sengon

(5)

commit to user

v

IMPACT TOUGHNESS OF SANDWICH COMPOSITE WITH PALM FIBER

AS REINFORCEMENT

Gagas Ikhsan Putrady

Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty of Sebelas Maret

University

abstract

Sandwich composite is a type of composites which has high enough strength when is used as secondary or primary structure. The study is aimed to investigate the effect of skin and core thickness versus the impact strength of sandwich composite with palm fibers and wood sawdust of sengon laut as reinforcement and core, respectively.

The materials used in this work are sugar palm fiber; unsaturated polyester resin 157 BQTN-EX; wood sawdust of sengon laut and urea formaldehyde. Sugar palm fiber with alkali treatment is imposed by soaking in NaOH 5% solution for ± 4 hours. The specimen was prepared by press methode with a variations of skin thickness (2, 3, 4 and 5 mm) and variations of core thickness (5, 10, 15 and 20 mm). The impact test procedures of composite sandwich refer ASTM D-5942 standard using Charpy impact test equipment.

The result shows that the value of impact strength of palm fiber composite sandwich with wood sawdust of sengon laut as core with skin thickness 2, 3, 4 and

5 mm are 0.0179, 0.0198, 0.252, and 0.022 J/mm2 respectively. Along with the

addition of core thickness, the absorbed energy will be increased. But in this research, the highest impact strength values contained in the composite sandwich

with a core thickness 10 mm with the value is 0.015 J/mm2. The sectional fracture

of composite sandwich indicates some types of failure which are core shear failure, core crushing, and brittle fracture.

(6)

commit to user

vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat, hidayah dan

bimbingan-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul

“ kekuatan impak komposit sandwich berpenguat serat aren”. Adapun tujuan

penulisan skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai

gelar sarjana teknik di Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta.

Penulis menyampaikan terima kasih yang sangat mendalam kepada

semua pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini,

khususnya kepada :

Bapak Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S, T., M, T. selaku pembimbing I dan

Bapak Heru Sukanto, ST., MT. selaku pembimbing II yang dengan sabar dan

penuh pengertian telah memberikan banyak bantuan dalam penelitian dan

penulisan skripsi ini.

Teman-teman Teknik Mesin FT UNS: Bayu, Ridwan, Ni’man, Kunto,

Santa, Agus, Hery, Heri , Irul, Amin, Dipo, Ahmad, Nopi, Didik, Fandy,

Gombret, Anton, Satyawan yang sangat banyak membantu penulis dalam tahap

penyelesaian laporan skripsi ini.

Penulis menyadari, bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak

kekurangan. Oleh karena itu, bila ada saran, koreksi dan kritik demi

kesempurnaan skripsi ini, akan penulis terima dengan ikhlas dan dengan ucapan

terima kasih.

Dengan segala keterbatasan yang ada, penulis berharap skripsi ini dapat

digunakan sebagaimana mestinya.

Surakarta, 26 Juli 2011

(7)

commit to user

vii

MOTTO

“Kami mendapatkan sebaik-baik kehidupan kami di dalam sabar

.

”

(Umar ibn al-Khaththab)

PERSEMBAHAN

Dengan segala kerendahan hati, segenap cinta dan kasih sayang, penulis

persembahkan skripsi ini untuk :

ALLAH SWT atas segala nikmat dan hidayah yang telah dikaruniakan,

ampunilah aku atas minimnya syukurku kepada MU.

Rasulullah Muhammad saw, mudah-mudahan ALLAH memperkenankanku tuk

menemuimu di surgaNYA kelak.

Ibundaku Sri Setyowati, Ayahanda Gunawan Putradi dan adikku Raras

Phusty Kesuma yang telah senantiasa memberikan do’a, semangat dan

dukungan baik moral, spiritual dan material tanpa henti.

Kekasihku Rosita Prabansari Mahalayasakti yang selalu mendukung dan sabar

atas semua yang kami lewati.

Teman-Teman yang telah memberikan kenyamanan dan ketenangan sehingga

menjadi rumah kedua yang tak terlupakan.

(8)

commit to user

viii

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENGESAHAN ... ii

SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ... iii

ABSTRAK ... iv

ABSTRACT ... .. v

KATA PENGANTAR ... vi

MOTTO DAN PERSEMBAHAN ... vii

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR TABEL ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang Masalah ... 1

1.1.1 Prospek Aplikasi Komposit Serat Alam ... 1

1.1.2 Ketersediaan Serat Aren ... 2

1.1.3 Ketersediaan Serbuk Gergaji Kayu Sengon Laut ... 3

1.1.4 Ketersediaan Urea Formaldehide dan Polyester ... 3

1.1.5 Pentingnya Pengujian Impak ... 4

1.2. Perumusan Masalah ... 4

1.3. Batasan Masalah ... 5

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 5

1.5. Sistematika Penulisan ... 5

BAB II. DASAR TEORI ... 7

2.1. Tinjauan Pustaka ... 7

2.2. Dasar Teori ... 9

2.2.1. Kajian Teori Komposit ... 9

(9)

2.2.2. Kajian Teori Pengujian impak ... 22

2.2.3. Analisis Perhitungan Pengujian impak ... 23

4.1.1 Pengaruh Tebal Skin Terhadap Ketangguhan Impak ... 36

4.1.2 Pengaruh Tebal Core Terhadap Ketangguhan Impak ... 38

4.2. Pengamatan Patahan Impak Secara Makro ... 41

4.2.1 Komposit Sandwich Tebal Skin 2 mm ... 41

(10)

commit to user

x

4.2.5 Komposit Sandwich Tebal Core 5 mm ... 42

BAB V. PENUTUP... 45

5.1. Kesimpulan ... 45

5.2. Saran ... 45

DAFTAR PUSTAKA ... 46

(11)

commit to user

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Sifat Mekanik dan Fisik Serat Aren dan Beberapa Serat Lainnya 15

Tabel 2.2. Spesifikasi Resin Unsaturated Polyester Yukalac BQTN 157

(Justus Kimia Raya, 1996) ... 17

Tabel 3.1. Bahan Yang Digunakan Dalam Penelitian ... 26

Tabel 4.1. Nilai Energi Serap Komposit Sandwich dengan Tebal Core

10 mm dan Vfskin 30% Variasi Tebal Skin ... 38

Tabel 4.2. Nilai Kekuatan Impak Komposit Sandwich dengan Tebal Core

10 mm dan Vfskin 30% Variasi Tebal Skin ... 38

Tabel 4.3. Nilai Energi Serap Komposit Sandwich dengan Tebal Skin 2

mm Variasi Tebal Core ... 40

Tabel 4.4. Nilai Kekuatan Impak Komposit Sandwich dengan Tebal

(12)

Gambar 2.4. Pembagian Komposit Menurut Penguatnya (Courney, 1983) 11 Gambar 2.5. Komposit Sandwich (www.diabgroub.com) ... 12

Gambar 2.6. Pohon Aren ... 14

Gambar 2.7. Struktur Mikro Komposit dengan Peletakan Serat Teratur dan Homogen (Gibson, 1994) ... 21

Gambar 2.8. Proses Hand Lay Up (Gibson, 1994) ... 21

Gambar 2.9. Skema Pengujian Impak Charpy (ASTM D 5942-96) ... 22

Gambar 2.10. Mekanisme Pengujian Impak Charpy (Flat wise impact)... 22

Gambar 3.1. Alat Uji Impak Charpy dan Moisture Analyzer ... 24

Gambar 3.2. Peralatan yang Digunakan Dalam Pembuatan Komposit Sandwich ... 25

Gambar 3.3. Bahan-Bahan Penyusun Komposit Sandwich ... 27

Gambar 3.4. Proses Pengujian Kadar Air, Pengovenan Serat dan Pengujian Kadar Air dengan Moisture Analyzer ... 28

(13)

commit to user

xiii

Gambar 4.2. Kurva Hubungan Antara Ketangguhan Impak dengan

Variasi Tebal Skin ... 37

Gambar 4.3. Kurva Hubungan Antara Energi Serap dengan Variasi Tebal Core ... 40

Gambar 4.4. Kurva Hubungan Antara Ketangguhan Impak dengan Variasi Tebal Core ... 40

Gambar 4.5. Kegagalan Pada Komposit Sandwich Tebal Skin 2 mm ... 41

Gambar 4.9. Kegagalan Pada Komposit Sandwich Tebal Core 5 mm ... 42

(14)

commit to user

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Data Perhitungan Energi Serap Dan Kekuatan Impak

Komposit Sandwich Variasi Tebal Skin ... 48

Lampiran 2. Data Perhitungan Energi Serap dan Kekuatan Impak Komposit Sandwich Variasi Tebal Core ... 49

Lampiran 3. Data Perhitungan Densitas Komposit Sandwich Variasi Tebal Skin ... 50

Lampiran 4. Data Perhitungan Densitas Komposit Sandwich Variasi Tebal Core ... 51

Lampiran 5. Perhitungan Perlakuan Alkali Serat Aren... 52

Lampiran 6. Perhitungan Kebutuhan Manufaktur Core ... 53

(15)

1.1.1 Prospek Aplikasi Komposit Serat Alam

Perkembangan teknologi komposit saat ini sudah mulai mengalami pergeseran

dari bahan komposit berpenguat serat sintetis menjadi bahan komposit berpenguat

serat alam. Inovasi pengembangan serat alam untuk aplikasi di bidang otomotif tidak

hanya terbatas pada komponen interior tetapi juga pada bagian eksterior kendaraan

(Peijs, 2002 dan McNaught, 2000). Sebagai contoh PT Toyota di Jepang sudah

menggunakan serat kenaf untuk pembuatan panel interior, sedangkan Daimler-Bens

di Jerman telah mengembangkan komposit serat alam flax sebagai komponen

eksterior. Pergeseran trend teknologi ini dilandasi oleh sifat komposit serat alam yang

lebih ramah lingkungan. Komposit ini juga memiliki rasio kekuatan terhadap density

yang tinggi sehingga komponen yang dihasilkan lebih ringan. Para industriawan

menggunakan komposit tersebut sebagai produk unggulan sesuai dengan

keistimewaannya. Hal ini didukung oleh beberapa keunggulan yang dimiliki oleh

serat alam, di antaranya adalah massa jenisnya yang rendah, terbaharukan, produksi

memerlukan energi yang rendah, proses lebih ramah lingkungan, serta mempunyai

sifat insulasi panas dan akustik yang baik (Jamasri, 2009).

Penggunaan kembali serat alam dipicu oleh adanya regulasi tentang

persyaratan habis pakai produk komponen otomotif bagi negara-negara Uni Eropa dan

sebagian Asia. Bahkan sejak tahun 2006, negara-negara Uni Eropa telah mendaur

ulang 85% komponen otomotif dan ditargetkan akan meningkat menjadi 95% pada

tahun 2015. Di Asia khususnya Jepang, sekitar 88% komponen otomotif telah di daur

ulang pada tahun 2005 dan akan meningkat pada tahun 2015 menjadi 95% (Jamasri,

2008). Meski begitu, sampai saat ini komposit serat alam belum banyak digunakan di

berbagai industri di Indonesia. PT INKA Madiun adalah salah satu industri yang telah

mengaplikasikan komposit serat alam sebagai prototipe pintu gerbong kereta api.

Substitusi panel baja dengan panel komposit itu mencapai 60 persen

(16)

commit to user

2

1.1.2 Ketersediaan Serat Aren

Kawasan Industri Mie Suun di Dusun Bendo, Klaten, Jawa Tengah berpeluang

sebagai pemasok limbah serat aren yang cukup menjanjikan. Luas Dukuh Bendo

mencapai 61.190 m2, dengan jumlah penduduk 1.164 jiwa. Mata pencaharian utama

penduduknya adalah sebagai pekerja di industri aren, dengan jumlah UKM sebanyak

35 buah. Dari kegiatan industri tersebut dihasilkan limbah serat aren dalam jumlah

besar (Firdayati dan Handajani, 2005).

(a) (b)

Gambar 1. Limbah pabrik aren (a) limbah cair,

(b) timbunan ampas aren di bantaran sungai

Saat ini, industri tepung aren menghasilkan limbah cair dan limbah padat

(gambar 1). Limbah cair berasal dari proses pemarutan/pelepasan pati dari serat dan

pengendapan tepung aren. Limbah padat yang berupa serbuk serat aren semula

dimanfaatkan oleh industri budidaya jamur di kota Yogyakarta. Namun pada dua

tahun terakhir, industri tersebut tidak beroperasi lagi, akibatnya timbunan limbah

padat memenuhi bantaran sungai dan daerah sekitar sawah (Firdayati dan Handajani,

2005).

Hasil survey oleh Diharjo (2006) menunjukkan bahwa kebutuhan bahan baku

batang aren per hari sekitar 150 ton. Dari kegiatan proses produksi tepung aren

dihasilkan tepung (pati), limbah padat (ampas dan kulit kayu) dan limbah cair. Produk

buangan limbah ampas tepung aren tersebut mencapai 50 ton per hari dan limbah kulit

aren mencapai 20 ton per hari. Limbah ampas yang mengandung serat kasar sekitar

50% dari limbah ampas (25 ton per hari). Eksistensi limbah ampas tepung aren yang

(17)

commit to user

3

komposit, seperti serat alam yang lain (kenaf, rami, rosella, abaca dll). Solusi kreatif

pemanfaatan limbah serat aren menjadi produk teknologi dengan nilai ekonomi tinggi

merupakan langkah yang tepat untuk menjawab permasalahan ini.

1.1.3 Ketersediaan Serbuk Gergaji Kayu Sengon Laut

Pemanfaatan limbah kayu sengon laut juga sudah banyak dilirik dan

diaplikasikan di dalam teknologi komposit. Menurut data Desperindagkop, di

karesidenan Surakarta banyak terdapat industri penggergajian kayu yang jumlahnya

mencapai sekitar 150 unit industri per kabupaten (Sukoharjo, Sragen, Boyolali,

Surakarta, Karanganyar, Klaten, Wonogiri). Jenis kayu yang dikerjakan

bermacam-macam seperti sengon laut, glugu, dan jati. Jumlah serbuk gergaji yang paling banyak

dihasilkan adalah kayu sengon laut dan glugu. Massa jenis kayu sengon laut (KSL)

adalah 0,3 gr/cm3. Dengan massa jenis yang ringan, pemanfaatan serbuk gergaji kayu

sengon laut (SGKSL) lebih sesuai sebagai bahan core pada struktur panel sandwich.

Setiap industri penggergajian dapat menghasilkan limbah SGKSL sekitar 40-60

kg/hari. Jadi produksi limbah SGKSL di Karesidenan Surakarta tersebut mencapai

sekitar 2,5 ton per hari. Limbah serbuk gergaji tersebut biasanya hanya dibiarkan

membusuk atau dibakar jika sudah mengering. Eksistensi limbah serbuk gergaji

dengan menambahkan perekat yang murah mempunyai potensi yang tinggi untuk

direkayasa menjadi produk core fleksibel untuk pembuatan panel komposit sandwich.

1.1.4 Ketersediaan Urea Formaldehide dan Polyester

Bahan urea formaldehide merupakan jenis resin yang tepat sebagai perekat

pembuatan core limbah serbuk gergaji karena harganya murah (Rp 10.000,- per liter).

Bahan ini mudah diperoleh karena dibuat PT. Pamalite Adhesive Industry di

Probolinggo Jawa Timur. Bahan UF ini sangat cocok untuk digunakan sebagai

perekat produk core karena komponen core di dalam struktur panel komposit

sandwich menderita pembebanan yang rendah.

Namun, jenis resin yang digunakan sebagai pembuat komposit skin diperlukan

bahan resin yang memiliki kekuatan tinggi, fluiditas tinggi dan murah. Jenis resin

yang paling cocok adalah unsaturated polyester yang harganya cukup terjangkau

yaitu sekitar Rp 24.000,-/liter. Resin ini sudah tersedia di pasaran yang disuplai oleh

(18)

commit to user

4

Tim Peneliti pada penelitian pendahuluan sebelumnya sehingga sudah diketahui

karakteristiknya.

1.1.5 Pentingnya Pengujian Impak

Beban terhadap aplikasi struktur tidak hanya diperoleh dari beban statis tetapi

juga dari beban dinamis. Kekuatan impak suatu material menunjukkan kemampuan

dari material tersebut untuk menyerap dan menghilangkan energi pada saat menerima

benturan atau beban kejut.

Seorang insinyur perlu mengetahui seberapa kuat bahan akan bertahan pada

kondisi dimana struktur akan digunakan. Dalam keadaan dimana keselamatan sangat

ekstrem diperlukan, komponen teknik dalam bentuk dan ukuran sebenarnya diuji pada

kemungkinan kondisi yang paling buruk ketika digunakan. Sebagai contoh, tabung

untuk memindahkan bahan bakar nuklir telah diuji dalam ukuran yang sebenarnya

ditabrak dengan kereta api untuk mendemonstrasikan bahwa bahan tersebut mampu

menahan keutuhan strukturnya (structural integrity). Pengujian dengan kuran

sebenarnya sangat mahal dan sangat jarang dilakukan. Oleh karena itulah pengujian

seringkali dilakukan dengan menggunakan beberapa sample untuk mewakili suatu

struktur.

Pada saat sekarang ini material komposit sedang dikembangkan untuk panel

transportasi publik, maka pengujian impak ini dilakukan untuk mengetahui seberapa

kuat pengaruh tebal core dan tebal skin pada komposit sandwich untuk bisa meredam

tumbukan. Dengan dukungan bahan baku yang melimpah, penelitian ini diajukan

untuk lebih memperkaya informasi karakteristik mekanis (khususnya kekuatan impak)

material komposit berbasis serat alam.

1.2Perumusan Masalah

Berdasarkan dari uraian latar belakang di atas, komposit sandwich merupakan

komposit yang cocok untuk struktur karena strukturnya yang ringan mampu menahan

beban tinggi dan modulus terhadap rasio beratnya. Struktur sandwich menerima

berbagai beban salah satunya beban impak, oleh karena itu agar rancangan panel

komposit sandwich aman digunakan, maka kajian riset yang mampu memprediksi

pengaruh dari variasi ketebalan skin dan core komposit sandwich terhadap

(19)

commit to user

5

1.3Batasan Masalah

Batasan-batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

a. Sifat-sifat serat aren diasumsikan homogen.

b. Distribusi serat pada skin komposit diasumsikan seragam.

c. Pencampuran partikel core diasumsikan merata.

d. Kepadatan core diasumsikan sama.

1.4Tujuan dan Manfaat Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Menguji secara eksperimental pengaruh variasi ketebalan skin serat aren

komposit sandwich terhadap ketangguhan komposit sandwich.

2. Menguji secara eksperimental pengaruh variasi ketebalan core serbuk gergaji

kayu sengon laut komposit sandwich terhadap kekuatan impak komposit

sandwich.

Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat, antara lain :

a. Secara teoritis diharapkan dapat memberikan informasi tentang optimasi

kekuatan impak dari komposit sandwich berpenguat serat aren dengan core

SG KSL.

b. Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan referensi untuk

membuat penelitian dari bahan yang sejenis ataupun penelitian lain di bidang

teknik.

c. Secara praktis dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam

pengolahan serat aren serta memberikan inovasi dalam ilmu pengetahuan dan

teknologi untuk pemanfaatan serat aren di dunia industri.

d. Meningkatkan nilai jual serat aren sekaligus memotifasi masyarakat untuk

memanfaatkan serat aren sehingga menghasilkan pendapatan bagi masyarakat.

1.5Sistematika Penulisan

Agar penelitian dapat mencapai tujuan dan terarah dengan baik, maka

penulisan penelitian ini disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut :

1. Bab I Latar Belakang Masalah, Perumusan Masalah, Tujuan Penelitian,

(20)

commit to user

6

2. Bab II Dasar Teori, berisi tinjauan pustaka, dasar teori komposit dan

penjelasan unsur-unsur penyusunnya.

3. Bab III Metode Penelitian, berisi alat dan bahan yang digunakan dalam

penelitian, pelaksanaan penelitian dan diagram alir.

4. Bab IV Hasil dan Pembahasan, berisi data hasil pengujian dan pembahasannya.

5. Bab V Penutup, berisi kesimpulan yang diperoleh dan saran-saran yang

(21)

dapat memberikan keuntungan dan meningkatkan ketahanan komposit sandwich

terhadap kegagalan delaminasi yang disebabkan oleh beban yang diterima (De Xie

dkk., 2009).

Komposit serat sisal dengan matrik urea formaldehid memiliki kekuatan

impak tertinggi pada fraksi volume 50% yaitu sebesar 9.42 kJ/m2_{. Penambahan fraksi}

volume serat akan mengakibatkan peningkatan kekuatan impak komposit (Zhong

dkk., 2007). Mekanikal propertis particle board dengan komposisi urea formaldehid

30% memiliki mekanikal propertis yang paling baik (Paul., 2008).

Ray dkk., (2001) pada penelitiannya menyatakan bahwa komposit berpenguat

serat jute dengan Vf=35% perlakuan alkali perendaman NaOH 5 % selama 4 jam

mempunyai sifat mekanik komposit paling bagus. Nilai modulus young, flexural

strength, dan breaking energy pada komposit ini berturut-turut 14,69 GPa, 238,9

MPa, dan 0,5697 J.

Santos dkk. (2007) meneliti bahwa peach palm fibres memiliki peningkatan

kekuatan mekanik seiring dengan dilakukannya perlakuan alkali pada serat mentah.

Mylsamy dan Rajendran. (2010) juga meneliti perbandingan propertis serat agave

americana mentah, perlakuan alkali NaOH 5%, dan perlakuan alkali NaOH 10%.

Hasil riset menunjukkan bahwa serat agave americana dengan perlakuan alkali 5%

memiliki kekuatan tarik paling tinggi. Pada riset ini juga diselidiki pengaruh

perlakuan alkali terhadap bahan-bahan penyusun serat alam seperti cellulose, lignin,

(22)

commit to user

8

Penambahan kandungan serat mampu meningkatkan kekuatan dan modulus

tarik bahan komposit berpenguat limbah serat aren bermatrik urea formaldehide. Pada

Vf 40 %, kekuatan, modulus dan regangan tarik komposit tersebut masing-masing

adalah 30 MPa, 600 MPa dan 4,5 %. Kekuatan dan modulus tarik komposit tersebut

dapat dikatakan masih rendah karena jenis matrik yang digunakan memiliki sifat

mekanis yang rendah pula. Kekuatan komposit ini masih dapat ditingkatkan dengan

mensubstitusi matrik yang memiliki propertis lebih baik, seperti polyester.

Ketersediaan serat aren yang berlimpah di klaten sangat mendukung pengembangan

komposit serat alam (Prasetyo dkk., 2005).

Komposit berpenguat serat aren dengan matrik polyester dapat dilakukan

proses manufaktur dengan mudah dan memiliki kekuatan diatas 42,25 Mpa untuk

fraksi volume serat sekitar 30 % (Diharjo dkk., 2006). Komposit berpenguat serat

aren perlakuan alkali (5% NaOH) selama 4 jam bermatriks polyester memiliki

kekuatan tarik dan bending tertinggi, sedangkan kekuatan impaknya mencapai nilai

tertinggi pada komposit berpenguat serat aren perlakuan alkali (5% NaOH) selama 2

jam. (Diharjo dkk., 2006)

Bahan core SGKSL - UF memiliki kekuatan tarik tertinggi pada kandungan

serbuk gergaji 60%, kekuatan bending tertinggi pada kandungan serbuk gergaji 40%,

kekuatan impak tertinggi pada kandungan serbuk gergaji 60%, kekuatan geser

tertinggi pada kandungan serbuk gergaji 70%, dan kekuatan buckling tertinggi pada

kandungan serbuk gergaji 60%. Berdasarkan analisis di atas, maka dapat disimpulkan

bahwa core serbuk gergaji kayu sengon laut - urea formaldehide memiliki sifat

mekanis tertinggi pada kandungan serbuk gergaji sebesar 60-70% (Diharjo dkk.,

2008).

Hartomo (2009) dalam laporan skripsinya menyatakan bahwa penambahan

fraksi volume pada core menyebabkan penurunan nilai kekuatan bending dan

menaikkan kekuatan impak komposit sandwich. Pada core dengan Vf=10% memiliki

kekuatan impak sebesar 14,224 KJ/m2 dan terus meningkat seiring dengan

penambahan fraksi volume core yang mencapai nilai 19,875 KJ/m2 pada core dengan

(23)

commit to user

9

Rochardjo dkk. (2008) menyatakan bahwa komposit sandwich kenaf-albazzia

dengan variasi tebal core 5, 10, 15, dan 20 mm memiliki nilai kekuatan impak

tertinggi pada komposit sandwich dengan tebal core 10 mm. Sedangkan untuk

komposit sandwich dengan variasi tebal skin memiliki nilai kekuatan impak yang

semakin meningkat seiring dengan peningkatan tebal skin.

2.2Dasar Teori

2.2.1Kajian Teori Komposit

Menurut Gibson (1994) komposit adalah perpaduan dari bahan yang dipilih

berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk

menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar

sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material

penyusun. Dari campuran tersebut akan dihasilkan material komposit yang

mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material

pembentuknya.

Penggabungan dua material atau lebih dibedakan menjadi dua macam antara

lain :

a. Penggabungan makro, yang memiliki ciri-ciri antara lain :

· Dapat dibedakan secara langsung dengan cara melihat.

· Penggabungannya lebih secara fisis dan mekanis.

· Penggabungannya dapat dipisahkan secara fisis ataupun secara mekanis.

· Contoh : glass fiber reinforced plastic (GFRP).

b. Penggabungan mikro, yang memiliki ciri-ciri antara lain :

· Tidak dapat dibedakan dengan cara melihat secara langsung.

· Penggabunganya lebih secara kimiawi.

· Penggabungannya tidak dapat dipisahkan secara fisis dan mekanis, tetapi dapat

dilakukan secara kimiawi.

· Contoh : Logam paduan, besi cor, baja, dll

Karakteristik dan sifat komposit dipengaruhi oleh material-material yang

menyusunnya. Dalam hal ini susunan struktur dan interaksi antar unsur-unsur

penyusunnya. Interaksi antar unsur-unsur penyusun komposit, yaitu serat dan matrik

(24)

commit to user

10

yang optimal antara matrik dan serat merupakan aspek yang penting dalam

penunjukan sifat-sifat mekanik komposit (Gibson, 1994).

Penggabungan material yang berbeda bertujuan untuk menemukan material

baru yang mempunyai sifat antara material penyusunnya yang tidak akan diperoleh

jika material penyusunnya berdiri sendiri. Material penyusun komposit tersebut bisa

berupa fibers, particles, laminate or layers, flakes fillers, dan matrik. Matrik sering

disebut sebagai unsur pokok bodi sedangkan fibers, particles, laminate or layers,

flakes fillers disebut sebagai unsur pokok struktur (Schwartz, 1986). Sifat material

hasil penggabungan ini diharapkan saling memperbaiki kelemahan dan kekurangan

bahan-bahan penyusunnya. Sifat-sifat yang dapat diperbaiki antara lain kekuatan,

kekakuan, ketahanan lelah, ketahanan bending, ketahanan korosi, berat jenis,

pengaruh terhadap temperatur, isolasi termal, dan isolasi konduktifitas (Jones, 1975).

Secara umum pengelompokan komposit dapat dibedakan menjadi dua,

pengelompokan tersebut yaitu berdasarkan matrik dan penguatnya. Berdasarkan

matriknya komposit dapat digolongkan menjadi tiga (Courney, 1983) yaitu :

a) Komposit matrik logam (KML), yaitu logam sebagai matrik

b) Komposit matrik polimer (KMP), yaitu polimer sebagai matrik

c) Komposit matrik keramik (KMK), yaitu keramik sebagai matrik.

Yang kedua adalah berdasarkan unsur penguatnya, menurut Courney (1983)

dapat dibedakan menjadi tiga :

a) Komposit partikel, yaitu penguatnya berbentuk partikel

Komposit partikel terdiri dari matrik yang berukuran kecil dengan bentuk

butir. Skema komposit partikel dapat kita lihat pada gambar 2.1 berikut ini :

(25)

commit to user

11

b) Komposit serat, yaitu penguatnya berbentuk serat

Skema komposit dengan serat sebagai penguatnya dapat kita lihat pada

gambar 2.2 berikut ini :

Gambar 2.2. Komposit serat (Courney, 1983)

c) Komposit struktur, yaitu cara penggabungan material komposit

Komposit struktur adalah cara pembuatan komposit dengan menggabungkan

beberapa lapis komposit. Skema pembuatan komposit struktur dapat kita lihat

pada gambar 2.3 berikut ini :

Gambar 2.3. Komposit struktur (Courney, 1983)

Skema pengelompokan komposit berdasarkan penguatnya dapat kita lihat pada

gambar 2.4.

(26)

commit to user

12

A. Sandwich

Sandwich adalah material komposit yang terdiri dari dua buah skin dimana

diantara dua skin tersebut terdapat core. Struktur komposit sandwich ditunjukkan pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Komposit Sandwich (www.diabgroub.com)

1. Skin

Bagian ini berfungsi untuk menahan tensile dan compressive stress. Skin

biasanya mempunyai rigidity atau tingkat kekakuan yang rendah. Material-material

konvensional seperti aluminium, baja, juga stainless steel bisa digunakan untuk

bagian ini. Material-material berbentuk plastikyang diperkuat dengan serat gelas dan

fiber menjadi pilihan yang baik karena bahan-bahan ini memiliki keunggulan seperti

mudah untuk digabungkan, desain dapat dirancang sesuai kebutuhan, serta bentuk

permukaan yang baik (Hartomo, 2009).

2. Core

Salah satu bagian terpenting dari sandwich adalah core, dimana bagian ini

harus cukup kaku agar jarak antar permukaan terjaga. Dengan kekakuannya core

harus mampu menahan geseran agar tidak terjadi slide antar permukaan. Bahan

dengan tingkat kekakuan yang rendah tidak baik untuk core, karena kekakuan pada

sandwich akan berkurang atau hilang. Tidak hanya kuat dan mempunyai densitas

rendah, core biasanya mempunyai syarat lain, seperti tingkat kadar air, buckling,

(27)

perlu diperhatikan dalam adesif :

a) Persiapan permukaan

Core dan skin harus dibersihkan sebelum disatukan, bisa menggunakan

mesin atau secara kimiawi.

b) Bahan pelarut

Core material biasanya sensitif terhadap bahan pelarut tertentu.

Sebagai contoh: Polystyrene foams sensitif terhadap styrene ( polyester

dan vinyl ester yang berisi styrene), sehingga epoxies dan

polyurethanes yang mungkin untuk digunakan.

c) Tekanan

Tekanan diperlukan untuk mencegah munculnya pori-pori. Proses ini

harus dilakukan dengan hati-hati sehingga core tidak mengalami

kegagalan.

d) Adesif

Sebaiknya adesif memiliki viskositas yang cukup rendah sehingga

memungkinkan untuk mengisi sel permukaan dengan baik dan

meminimalisir udara yang terjebak. Tetapi viskositas dari adesif

sebaiknya tidak terlalu rendah, sehingga saat ditekan adesif tidak

mudah tumpah.

B. Serat Aren

Aren (arenga pinnata wurmb atau Arenga Saccharifera Labill) termasuk suku

Arecaceae (pinang-pinangan). Aren merupakan tumbuhan berbiji tertutup

(Angiospermae) yaitu biji buahnya terbungkus daging buah. Tanaman aren banyak

terdapat mulai dari pantai timur india sampai ke Asia Tenggara. yakni meliputi India,

Bangladesh, Burma , Thailand, Laos, Malaysia, Indonesia, Vietnam, Hawai, Philipina,

(28)

commit to user

14

seluruh wilayah nusantara. Umur pohon aren mencapai lebih dari 50 tahun, dan di

atas umur ini pohon aren sudah sangat berkurang dalam memproduksi buah. Bahkan

sudah tidak mampu lagi memproduksi buah (Sunanto, 1993). Gambar 2.6 adalah

gambar pohon aren yang masih produktif.

Batang aren tidak berduri, tidak bercabang, tinggi mencapai 25 m, diameter 65

cm (mirip pohon kelapa). Pohon ini mulai berbunga dari umur 6-12 tahun. Umur

produktif 2-5 tahun. Pohon ini dalam pertumbuhannya berguna untuk perlindungan

erosi terutama tebing-tebing sungai dari bahaya tanah longsor maupun sebagai unsur

produksi (Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan dan Perkebunan, 1998).

Gambar 2.6. Pohon Aren

Pohon Aren merupakan pohon yang menghasilkan bahan-bahan industri sudah

sejak lama kita kenal. Hampir semua bagian atau produk tanaman ini dapat

dimanfaatkan dan memiliki nilai ekonomis. Semua bagian pohon aren ini dapat

diambil manfaatnya, mulai dari bagian-bagian fisik pohon maupun dari hasil-hasil

produksinya. Hampir semua dari bagian fisik pohon ini dapat dimanfaatkan misalnya

akar (untuk obat tradisional dan peralatan), batang (untuk berbagai macam peralatan

dan bangunan), daun muda atau jamur (untuk pembungkus atau pengganti kertas

rokok yang disebut dengan kawung). Di Indonesia pohon aren sebagian besar secara

nyata digunakan untuk bahan bangunan, keranjang, kerajinan tangan, atap rumah,

(29)

commit to user

15

Di Indonesia tanaman ini dapat tumbuh baik dan mampu berproduksi pada

daerah yang tanahnya subur pada ketinggian 500-800 m di atas permukaan laut. Pada

daerah-daerah yang mempunyai ketinggian kurang dari 500 m atau yang lebih dari

800 m, tanaman aren tetap dapat tumbuh namun produksi buahnya kurang

memuaskan. Di samping itu, banyaknya curah hujan juga sangat berpengaruh pada

tumbuhnya tanaman ini. Tanaman aren menghendaki curah hujan yang merata

sepanjang tahun, yaitu minimum sebanyak 1200 mm setahun. Jika diperhitungkan

dengan perumusan Schmidt dan Fergusion, iklim yang paling cocok untuk tanaman

aren ini adalah iklim sedang sampai iklim agak basah (Badan Penelitian dan

Pengembangan Kehutanan dan Perkebunan, 1998).

Tabel 2.1. Sifat mekanik dan fisik serat aren dan beberapa serat lainnya.

(30)

commit to user

16

C. Resin Unsaturated Polyester (UP)

Unsaturated Polyester merupakan jenis resin thermoset. Karena berupa resin

cair dengan viskositas yang relatif rendah, polyester mengeras pada suhu kamar

dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti

banyak resin lainnya. Sifat resin ini adalah kaku dan rapuh. Mengenai sifat termalnya

karena banyak mengandung monomer stiren, maka suhu deformasi thermal lebih

rendah daripada resin thermoset lainnya dan ketahanan panas jangka panjangnya

adalah kira-kira 110-140˚C. Ketahanan dingin resin polyester relatif cukup baik.

Resin polyester juga mempunyai sifat kelistrikan yang lebih baik diantara resin

thermoset (Wicaksono, 2006).

Penggunaan resin jenis ini dapat dilakukan dari proses hand lay up sampai

dengan proses yang kompleks yaitu dengan proses mekanik. Resin ini banyak

digunakan dalam aplikasi komposit pada dunia industri dengan pertimbangan harga

relatif murah, curing yang cepat, warna jernih, kestabilan dimensional dan mudah

penanganannya (Billmeyer, 1984). Pengesetan termal digunakan benzoil peroksida

(BPO) sebagai katalis. Temperatur optimal adalah 800-1300C, namun demikian

kebanyakan pengesetan dingin digunakan metyl etyl keton peroksida (MEKPO) yang

digunakan sebagai katalis dan ditambahkan pada 1 % (Justus, 2001).

Resin yang digunakan dalam penelitian ini adalah resin unsaturated polyester

(UP) Yukalac 157Ò BTQN-EX. Pemberian bahan tambahan katalis jenis methyl ethyl

keton peroxide (MEKPO) pada resin UP berfungsi untuk mempercepat proses

pengerasan cairan resin (curing). Penambahan katalis dalam jumlah banyak akan

menimbulkan panas yang berlebihan pada saat proses curing (Bilmeyer, 1984). Pada

tabel 2.2 kita dapat melihat spesifikasi resin Unsaturated Polyester Yukalac BQTN

157.

D. Katalis metyl etyl keton peroksida (MEKPO)

Katalis yang digunakan adalah katalis methyl ethyl keton peroxide (MEKPO)

dengan bentuk cair, berwarna bening. Fungsi dari katalis adalahmempercepat proses

pengeringan (curring) pada bahan matrik suatu komposit. Semakin banyak katalis

(31)

commit to user

17

Tetapi bila katalis yang dicampurkan terlalu banyak maka akan menyebabkan

komposit menjadi getas (Saito, 1985).

Penggunaan katalis sebaiknya diatur berdasarkan kebutuhannya. Pada saat

mencampurkan katalis ke dalam matriks maka akan timbul reaksi panas (60-90˚C).

Proses pengerasan resin diberi bahan tambahan berupa katalis jenis metyl etyl keton

peroksida (MEKPO). Katalis ini digunakan untuk mempercepat proses pengerasan

cairan resin pada suhu yang lebih tinggi. Pemakaian katalis dibatasi sampai 1% dari

volume resin (P.T. Justus SaktiRaya, 2001).

Table 2.2. Spesifikasi resin Unsaturated Polyester Yukalac BQTN 157 (Sumber :

Justus Kimia Raya, 1996)

Item Satuan Nilai tipikal Catatan

Berat Jenis Gr/cm3 1.215 250

Kekerasan 40 Barcol GYZJ 934-1

Suhu distorsi panas 0C 70

Penyerapan air (suhu

Ruangan)

% 0.188 24 Jam

% 0.446 3 Hari

Kekuatan Fleksural Kg/mm2 9.4

Modulus Fleksural Kg/mm2 300

Daya Rentang Kg/mm2 5.5

Modulus rentang Kg/mm2 300

(32)

commit to user

18

E. Resin urea-formaldehid

Resin urea-formaldehid adalah salah satu polimer yang merupakan hasil

kondensasi urea dengan formaldehid. Polimer jenis ini banyak digunakan di industri

untuk berbagai tujuan seperti bahan adesif (61%), papan fiber berdensitas medium

(27%), hardwood plywood (5%) dan laminasi (7%) pada produk mebelir (furniture),

panel dan lain-lain. Urea-formaldehid merupakan plastik thermosetting yang terbuat

dari urea dan formaldehid yang dipanaskan dalam suasana basa lembut seperti

amoniak atau piridin. Resin ini memiliki sifat tensile-strength dan hardness

permukaan yang cukup tinggi, dan absorpsi air yang rendah. Reaksi antara urea dan

formaldehid dengan katalis basa dapat menghasilkan mono-metilol urea sebagai

monomer reaktan reaksi pembentukan polimer urea-formaldehid. Basa yang

digunakan dapat berupa barium hidroksida ataupun kalium hidroksida. Laju

pengerasan pada temperatur kamar yang cepat membuat resin ini cocok digunakan

sebagai perekat (Salomone, 1996).

F. Pengeringan Serat

Proses pengeringan adalah proses terjadinya penguapan air ke udara karena

perbedaan kandungan uap air antara udara dengan bahan yang dikeringkan. Dalam

proses ini kandungan uap air udara lebih sedikit atau dengan kata lain udara

mempunyai kelembaban relatif yang rendah, sehingga terjadi penguapan.

Kemampuan udara membawa uap air bertambah besar jika perbedaan antara

kelembaban udara pengering dengan udara di sekitar bahan semakin besar. Faktor

yang dapat mempercepat proses pengeringan adalah kecepatan angin atau udara yang

mengalir dan penambahan temperatur. Akan tetapi pengeringan yang terlalu cepat

dapat merusak bahan, yakni permukaan bahan terlalu cepat kering, sehingga tidak

sebanding dengan kecepatan pergerakan air bahan ke permukaan. Hal ini

menyebabkan pengerasan pada permukaan bahan (Taib, 1988).

Kandungan air yang terdapat di dalam kayu terdiri dari (Reeb, 1995) :

a. Air bebas (free water) adalah air yang terdapat di antara rongga sel selulosa. Air

bebas paling mudah dan terlebih dahulu keluar apabila mengalami pengeringan.

Air bebas ini tidak mempengaruhi sifat dan bentuk kecuali berat. Bila air bebas

telah keluar maka dapat dikatakan suatu bahan telah mencapai kadar air titik

(33)

commit to user

19

b. Air terikat (bound water) adalah air yang berada di dalam sel selulosa. Air terikat

ini sangat sulit untuk dilepas apabila mengalami pengeringan. Air terikat inilah

yang dapat mempengaruhi sifat misalnya penyusutan.

SG KSL mempunyai sifat higroskopis yaitu dapat menyerap atau melepas air

atau kelembaban. Bila core SG KSL tersebut belum dikeringkan pada saat

penggunaan, maka core SG KSL dapat mengembang pada kondisi musim hujan atau

pada kelembaban tinggi dan dapat menyusut pada kondisi musim kemarau atau pada

kelembaban rendah. Pengeringan core SG KSL adalah proses untuk melepas sebagian

air yang terkandung di dalam core SG KSL hingga mencapai kadar air core SG KSL

tertentu atau yang diinginkan. Kadar air core SG KSL adalah banyaknya air yang

terkandung dalam core SG KSL yang dinyatakan dalam persen.

Beberapa keuntungan yang diperoleh dengan melakukan pengeringan core

SG KSL sebagai berikut :

a. Menjamin kestabilan core SG KSL.

b. Membuat core SG KSL menjadi ringan, hemat ongkos angkut.

c. Mudah pengerjaan selanjutnya.

d. Mencegah serangan jamur dan hama kayu, karena organisme tersebut pada

umumnya tidak dapat hidup di bawah kadar air 20 %.

Untuk menghasilkan kekuatan yang tinggi pada komposit sandwich, maka

kegagalan akibat terjadinya delaminasi antara komposit skin dengan core tidak boleh

terjadi. Hal ini dapat tercapai dengan mengurangi kadar air serbuk gergaji kayu

sengon laut dan serat aren. Kadar air bebas sel selulosa pada serat dan core SG KSL

harus dihilangkan, namun kadar air terikat di dalam sel harus dipertahankan agar tidak

terjadi degradasi kekuatan serat selulosa (Diharjo, 2006).

(34)

commit to user

20

dengan catatan : Kdair = kadar air (%); Wa = massa core basah (gr); Wo = massa core

kering (gr).

G. Fraksi Volume Komposit

Menurut Gibson (1994), penempatan serat harus mempertimbangkan geometri

serat, arah, distribusi dan fraksi volume, agar dapar dihasilkan komposit berkekuatan

tinggi. Untuk suatu lamina unidirectional, dengan serat kontinyu dengan jarak antar

serat yang sama, dan direkatkan secara baik oleh matrik.

Fraksi Volume (V) :

Kekuatan komposit dapat ditentukan dengan persamaan (Shackelford,

(35)

commit to user

21

Gambar 2.7. Struktur mikro komposit dengan peletakan serat teratur dan

homogen (Gibson, 1994).

H. Proses Pembuatan Komposit

Proses pembuatan komposit sangat beraneka ragam dari yang paling

sederhana sampai dengan yang komplek dengan sistem komputerisasi. Tiap proses

memiliki kelebihannya masing-masing. Ada berbagai macam proses yang dapat

digunakan untuk membuat komposit antara lain metode hand lay-up, metode

spray-up, metode vacuum bagging (Gibson, 1994).

Proses hand lay-up merupakan proses laminasi serat secara manual, dimana

merupakan metode pertama yang digunakan pada pembuatan komposit. metode hand

lay-up lebih ditekankan untuk pembuatan produk yang sederhana dan hanya menuntut

satu sisi saja yang memiliki permukaan halus (Gibson, 1994).

Gambar 2.8. Proses hand lay-up (Gibson, 1994).

Keuntungan hand lay up :

· Peralatan sedikit dan harga murah.

· Kemudahan dalam bentuk dan desain produk.

(36)

commit to user

22

Fraksi serat yang tinggi dapat diperoleh dengan cara mengkombinasikan metode

hand lay up dengan cetak tekan (press molding). Pada metode cetak tekan

pengontrolan fraksi volume dapat dilakukan dengan menggunakan stopper

(Rusmiyatno, 2007).

2.2.2 Kajian Teori Pengujian Impak

Pengujian impak bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap

suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impak merupakan respon

terhadap beban kejut atau beban tiba-tiba (beban impak). Dalam pengujian impak

terdiri dari dua teknik pengujian standar yaitu Charpy dan Izod. Skema dan

mekanisme pengujian impak Charpy ditunjukkan pada gambar 2.9 dan 2.10.

Spesimen impak charpy berbentuk batang dengan penampang lintang bujur

sangkar. Beban didapatkan dari tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari

posisi ketinggian h. Spesimen diposisikan pada dasar. Ketika dilepas, ujung pisau

pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen pada titik konsentrasi

tegangan untuk pukulan impak kecepatan tinggi. Palu pendulum akan melanjutkan

ayunan untuk mencapai ketinggian maksimum h’ yang lebih rendah dari h.

Gambar 2.9. Skema pengujian impak charpy (ASTM D 5942-96)

(37)

commit to user

23

Energi yang diserap dihitung dari perbedaan h’ dan h (mgh – mgh’), adalah

ukuran dari energi impak Posisi simpangan lengan pendulum terhadap garis vertikal

sebelum dibenturkan adalah α dan posisi lengan pendulum terhadap garis vertikal

setelah membentur spesimen adalah β. Panjang lengan ayunnya adalah R. Dengan

mengetahui besarnya energi potensial yang diserap oleh material maka ketangguhan

impak benda uji adalah (Shackelford, 1992):

Eserap = energi awal – energi yang tersisa

α = sudut ayunan pendulum tanpa spesimen (˚)

β = sudut ayunan pendulum setelah mematahkan spesimen (˚)

2.2.3 Analisis perhitungan impak sandwich

Harga ketangguhan impak pada sandwich dapat dihitung dengan persamaan (ASTM

(38)

commit to user

24

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Alat Penelitian

Peralatan yang digunakan dalam pengujian spesimen antara lain alat moisture

analyser di Laboraturium Perpindahan Panas FT UNS dan mesin uji impak charpy

yang terdapat di Laboratorium Material Teknik jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

(a) (b)

Gambar 3.1. (a) alat uji impak charpy, (b) moisture analyzer

Peralatan yang digunakan dalam pembuatan spesimen uji antara lain :

a. Timbangan Digital

Timbangan digunakan untuk menimbang seberapa beratnya resin dan serat

dicampurkan sesuai dengan fraksi volumenya. Selain itu juga untuk menguji

hasil komposit apakah sesuai dengan fraksi volume yang telah ditentukan.

b. Cetakan

Cetakan komposit terbuat dari besi cor.

c. Gelas ukur dan suntikan

Gelas ukur berfungsi untuk menakar matrik sesuai dengan hasil perhitungan.

Suntikkan berfungsi untuk menakar katalis yang akan dicampurkan sesuai

(39)

commit to user

25

d. Malam (lilin)

Malam atau lilin berfungsi sebagai bahan perapat sambungan plat pada

cetakan agar campuran matrik dan katalis tidak merembes atau bocor keluar

cetakan yang menyebabkan void pada tiap pojok cetakan.

e. Jangka sorong

Jangka sorong digunakan untuk mengukur panjang, lebar dan tebal spesimen.

f. Gerinda

Gerinda tangan digunakan untuk membentuk spesimen uji impak

g. Press Mold

Balok penekan ini digunakan untuk menekan komposit.

h. Gelas corong dan pengaduk

Gelas corong berfungsi untuk memasukkan campuran matrik dan serat ke

dalam cetakan komposit agar tidak tumpah. Pengaduk berfungsi sebagai alat

pengaduk antara matrik dan katalis agar proses pencampuran dapat merata.

(a) peralatan cetak (b) timbangan digital (c) oven

(40)

commit to user

26

3.2 Bahan Penelitian

Berikut ini bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan komposit sandwich antara lain :

Tabel 3.1. Bahan yang digunakan dalam penelitian.

No. Bahan Jenis Sumber _Keterangan

7. release blue band toko makanan memudahkan

pelepasan

(41)

commit to user

27

(a) serat aren (b) resin (c) katalis

(d) serbuk gergaji KSL (e) NaOH (f) hardener

Gambar 3.3. Bahan-bahan penyusun komposit sandwich

3.3 Pelaksanaan Penelitian

3.3.1 Persiapan Alat dan Bahan

Alat-alat dan bahan yang akan digunakan dalam pembuatan komposit

disiapkan seperti serat aren, serbuk gergaji kayu sengon laut, resin, katalis,

larutan NaOH, urea fomaldehid dan peralatan yang menunjang lainnya dalam

pembuatan spesimen.

3.3.2 Pengolahan Bahan Dasar

a. Pencucian Serat Aren

Mekanisme pembersihan serat aren yang ada di dalam limbah ampas

pati dilakukan dengan menggunakan air bersih. Hasilnya berupa serat bersih

yang selanjutnya serat ditiriskan (pengeringan alami) tanpa sinar matahari

selama 3 hari hingga kering. Serat yang sudah kering dimasukkan ke dalam

(42)

commit to user

28

b. Perlakuan Alkali

Proses perlakuan alkali pada serat yaitu dengan cara perendaman serat

ke dalam larutan alkali (NaOH 5 %). Perbandingan volume serat dengan

larutan alkali adalah 1 : 15 (Ray dkk, 2001).

c. Netralisasi Serat

Selanjutnya serat dinetralkan dari larutan NaOH dengan direndam di

dalam aquades selama 3 hari dimana setiap 12 jam serat dibilas 3 x dan airnya

selalu diganti secara periodik. Serat ditiriskan kembali hingga kering. Setelah

kering serat tersebut sudah siap untuk diolah lebih lanjut.

d. Pengeringan Serbuk Gergaji

Bahan serbuk gergaji kayu sengon laut dari industri pengolahan kayu

sengon laut di Boyolali kemudian dikeringkan dengan ditiriskan tanpa sinar

matahari. Serbuk gergaji yang sudah kering kemudian disimpan di dalam

plastik agar tidak mudah menyerap uap air.

e. Pengujian Kadar Air Serat

Tahap preparasi serat sebelum dilakukan pencetakan adalah

menyelidiki karakteristik pengeringan serat (kadar air yang terkandung di

dalam serat). Hal ini dilakukan dengan mengontrol kandungan air yang

terkandung di dalam serat aren dengan cara dioven dalam oven pemanas,

kemudian menguji kandungan air yang terkandung dalam serat aren tersebut

dengan alat uji moisture analyser yang ada di Laboratorium Perpindahan

Panas Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Kurva

karakteristik kadar air serat aren ini digunakan sebagai acuan pengeringan

serat sebelum dilakukan pencetakan.

(a) (b)

Gambar 3.4. Proses pengujian kadar air (a) pengovenan serat,

(43)

commit to user

29

3.3.3 Teknik Pembuatan Komposit

a. Teknik Manufaktur Core

Proses manufaktur core dilakukan dengan mencampur SGKSL dengan urea

formaldehid pada variasi fraksi berat serbuk 60%. Proses pencampuran dilakukan

dengan metode spray up menggunakan spray gun sehingga pencampuran bahan lebih

merata. Campuran SG-UF kemudian diletakkan secara merata pada permukaan

cetakan dan dilakukan pengepresan hingga ketebalan 5, 10, 15, dan 20 mm. Dengan

mengetahui massa jenis kayu sengon laut (0,3 gr/cm3) maka dapat diperhitungkan

kebutuhan bahan penyusun core. Ketika pengepresan berlangsung, pemanasan dapat

dilakukan di bawah sinar matahari atau di dalam oven untuk mempercepat

pengeringan (curing). Core SGKSL pada penelitian ini dibuat dengan ukuran luas 20

mm x 20 mm sesuai dengan luas cetakan.

Gambar 3.5. Dimensi komposit sandwich.

keterangan:

l = Panjang spesimen

b = Lebar sandwich (15 mm)

h = Tebal sandwich (mm)

Mekanisme pembuatan core dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 3.6. Diagram alir pembuatan core limbah SG KSL

(44)

commit to user

30

b. Teknik Manufaktur Komposit Sandwich

Proses pembuatan panel komposit sandwich dilakukan dengan

menggabungkan core serbuk gergaji KSL dengan skin komposit bahan serat aren.

Proses penggabungan dilakukan dengan metode hand lay up dan press mold. Proses

ini dimulai dengan melakukan perhitungan jumlah serat dan matrik yang dibutuhkan

agar terbentuk panel komposit sandwich dengan fraksi volume serat sebesar 30%, dan

fraksi volume matrik sebesar 70%, dimana massa jenis serat aren 1,4 gr/cm3.

Core SGKSL hasil pengepresan yang sudah mengering kemudian dilakukan

penyemprotan resin pada permukaannya dan dikeringkan kembali. Penyemprotan

resin ke permukaan core ini dilakukan agar resin cair pada proses manufaktur

komposit sandwich tidak meresap ke dalam core.

Gambar 3.7. Komposit sandwich dengan variasi ketebalan skin

Gambar 3.8. Komposit sandwich dengan variasi ketebalan core

Jadi untuk membuat panel komposit dengan fraksi volume serat 30%

dipergunakan stopper dengan tebal sesuai dengan kebutuhan. Setelah melakukan

perhitungan komposisi serat dan matrik yang diperlukan, langkah selanjutnya adalah

mempersiapkan cetakan dengan cara melapisi seluruh permukaan cetakan yang akan

bersentuhan dengan komposit menggunakan mika agar permukaan spesimen yang

terbentuk menjadi halus dan rata. Kemudian untuk mempermudah pengambilan panel

(45)

commit to user

31

komposit setelah mengeras, permukaan atas mika yang bersentuhan dengan panel

komposit diolesi dengan releaser. Setelah itu dilakukan pemasangan stopper pada

kedua ujung cetakan. Fungsi stopper untuk pembatas panjang dan sebagai pemberi

batas tebal komposit yang akan dibuat. Pembuatan panel komposit sandwich

dilakukan dengan metode kombinasi hand lay up dan press mold. Matrik resin dan

hardener yang dipakai adalah unsaturated polyester yukalac® 157 BQTN-EX dan

MEKPO, produksi PT. Justus Kimia Raya Semarang. Kadar hardener yang

digunakan adalah 1% (sesuai acuan dari PT. Justus).

Setelah cetakan, core, matrik, dan serat siap, proses pencetakan panel

komposit sandwich dimulai dengan menuangkan matrik secara merata di dalam

cetakan kemudian dilanjutkan dengan peletakan serat aren sesuai dengan hasil

perhitungan. Penambahan matrik dilakukan ketika lapisan serat diletakkan hingga

serat terbasahi seluruhnya. Kemudian core diletakkan di atas serat aren dan dilumuri

dengan matrik yaitu resin. Setelah merata kemudian serat aren diletakkan kembali

diatas core dan dibasahi kembali dengan resin secara merata, Setelah semua bahan

dimasukkan ke dalam cetakan maka segera dilakukan proses penekanan cetakan

dengan menggunakan dongkrak hidrolik manual. Setelah proses pengeringan di ruang

terbuka (curing) sekitar 7-8 jam, panel komposit sandwich dapat dikeluarkan dari

cetakan. Proses manufaktur komposit sandwich ditunjukkan pada gambar 3.9.

(46)

commit to user

32

Gambar 3.10. Proses manufaktur komposit sandwich

3.3.4 Proses Postcure Spesimen

Sebelum dilakukan pengujian impak charpy, terlebih dahulu dilakukan proses

postcure di dalam oven pada suhu 60°C selama 4 jam. Postcure dilakukan untuk

menyempurnakan ikatan rantai polimer polyester.

3.3.5 Variasi Penelitian

Dalam pengujian impak ini, variasi penelitian dari spesimen komposit

sandwich yang digunakan adalah variasi tebal skin yaitu skin dengan tebal 2 mm, 3

mm, 4 mm, 5 mm dan variasi tebal core 5 mm, 10 mm, 15 mm, dan 20 mm. Spesimen

uji impak komposit sandwich ini menggunakan komposisi skin serat aren-matrik

polyester dengan fraksi volume serat adalah 30%. Dan komposisi core serbuk gergaji

kayu sengon laut dengan komposisi 60 : 40 dengan urea formaldehyde. Spesimen

yang dibutuhkan dalam pengujian impak ini berjumlah 40 buah.

3.3.6 Pengujian Impak

Dengan uji impak dapat diketahui kekuatan suatu material. Kekuatan impak

komposit sangat tergantung pada ikatan antar penyusun material komposit tersebut.

(47)

commit to user

33

mengetahui ketahanan benda terhadap keadaan patah, maka digunakan metode

pengujian impak charphy. Langkah-langkah pengujian impak charpy dalam penelitian

ini:

a. Mempersiapkan spesimen dan peralatan uji impak charpy

b. Mengukur nilai α dengan cara menghitung simpangan alat uji impak charpy

tanpa menggunakan spesimen.

c. Mempersiapkan spesimen komposit sandwich variasi tebal skin 2 mm.

d. Meletakkan spesimen tersebut pada tumpuan alat uji impak dan mengangkat

pendulum pada posisi 90° dari spesimen.

e. Melepaskan palu atau bandul dengan cara menggeser handel, kemudian

setelah bandul berayun dan mematahkan spesimen, menggeser tuas panjang

untuk menghentikan ayunan pendulum.

f. Mengukur nilai β setelah pengujian.

g. Mengulangi langkah c-f untuk spesimen variasi tebal skin dengan ukuran 3

mm, 4 mm, 5 mm, dan spesimen variasi tebal core dengan ukuran 5 mm, 10

mm, 15 mm, 20 mm.

h. Melakukan perhitungan atas data yang telah didapatkan.

(48)

commit to user

34

Gambar 3.12. Alat uji impact charpy di Laboratorium Material UNS

Alat uji impak charpy yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.12. Pada

analisis energi serap dan kekuatan impak dari komposit sandwich ini akan dilakukan

analisis eliminasi faktor ketebalan. Penambahan ketebalan spesimen uji impak ini

akan berpengaruh terhadap nilai energi serap dan nilai kekuatan impak komposit

sandwich. Pada pengujian bending, ketebalan impak berpengaruh pada kekuatan

bending karena semakin tebal spesimen maka momen inersianya juga semakin besar.

Apabila momen inersianya besar, maka kekuatan bending yang dihasilkan akan

semakin kecil. Pada pengujian impak, tebal dari spesimen juga berpengaruh pada

kekuatan impak komposit sandwich. Dengan semakin meningkatnya ketebalan

komposit sandwich, maka kekuatan impak yang dihasilkan akan semakin kecil. Hal

ini dapat ditunjukkan pada rumus kekuatan impak yaitu ( serap 3 cU 10

b h x E

a = x ) dimana

acU = harga impak charpy, Eserap = energi serap, b = lebar spesimen, danh = tebal

spesimen. Berdasarkan rumus diatas dapat kita lihat bahwa dengan meningkatnya

ketebalan komposit sandwich akan menyebabkan menurunnya nilai kekuatan impak

komposit sandwich. Hal ini dikarenakan tebal komposit sandwich berbanding terbalik

(49)

commit to user

35

3.3.7 Diagram Alir Penelitian

Tahapan pelaksanaan penelitian dari awal sampai akhir dapat dilihat pada

gambar 3.13.

Gambar 3.13. Diagram Alir Penelitian

(50)

commit to user

36

BAB IV

DATA HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Kekuatan Impak Komposit Sandwich

4.1.1. Pengaruh Tebal Skin Terhadap Kekuatan Impak Komposit Sandwich

Data hasil pengujian impak sandwich core SG-KSL skin komposit serat aren

dengan tebal core 10 mm dan Vfskin 30% variasi tebal skin, 2 mm, 3 mm, 4 mm, dan

5 mm ditunjukkan pada tabel 4.1. Di dalam tabel 4.1 ini dipaparkan nilai energi serap

dan nilai kekuatan impak pengujian impak komposit sandwich.

Energi serap dan kekuatan impak komposit sandwich cenderung meningkat

seiring dengan peningkatan tebal skin. Peningkatan ini disebabkan adanya

peningkatan kekakuan dari skin sehingga kemampuan spesimen dalam menahan

beban impak juga akan meningkat. Pada hasil pengujian komposit sandwich dengan

tebal core 10 mm dan tebal skin 2 mm memiliki nilai rata-rata energi serap dan

kekuatan impak sebesar 4,310 J dan 0,0179 J/mm2. Sedangkan pada komposit

sandwich dengan tebal core 10 mm dan tebal skin 3 mm memiliki nilai energi serap

sebesar 4,848 J dan energi impak sebesar 0,0198 J/mm2. Nilai energi serap dan

kekuatan impak komposit sandwich dengan tebal skin 3 mm semakin meningkat bila

dibandingkan dengan sandwich tebal skin 2 mm. Nilai rata-rata energi serap dan

kekuatan impak yang tertinggi terdapat pada variasi komposit sandwich tebal core 10

mm dengan tebal skin 4 mm yaitu sebesar 7,262 J dan 0,0252 J/mm2. sedangkan pada

variasi tebal core 10 mm dengan tebal skin 5 mm menunjukkan penurunan nilai yaitu

6,724 J untuk rata-rata energi serap dan 0,022 J/mm2 untuk rata-rata kekuatan impak.

Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa nilai kekuatan impak paling tinggi terdapat

pada komposit sandwich tebal core 10 mm dengan tebal skin 4 mm.

Pada komposit sandwich dengan tebal core 10 mm dan tebal skin 5 mm

setelah dilakukan pengujian impak ternyata kegagalan yang terjadi pada spesimen

adalah patah tetapi bukan pada daerah tumbukan. Padahal seharusnya daerah

tumbukan mengalami beban yang paling besar tetapi ternyata kegagalan yang terjadi

bukan pada derah tumbukan. Hal ini mengindikasikan bahwa pada daerah yang patah

tersebut mengalami konsentrasi tegangan yang mengakibatkan kegagalan terjadi lebih

(51)

commit to user

37

Kenaikan kekuatan impak komposit sandwich seiring dengan penambahan

tebal skin disebabkan meningkatnya kemampuan komposit sandwich dalam menahan

beban maksimum yang terjadi. Dengan kata lain, skin menahan beban sampai dengan

batas maksimumnya kemudian beban didistribusikan core pada seluruh luasan, skin

dan core memberikan kontribusi optimumnya pada peningkatan kekuatan impak

komposit sandwich. Peningkatan kekuatan impak juga didukung oleh tegangan geser

core yang meningkat seiring dengan peningkatan tebal skin komposit sandwich.

Pada pengujian impak komposit sandwich dengan variasi tebal skin

didapatkan data hasil penelitian yang kurang teratur. Hal ini dikarenakan adanya

pengaruh dari penambahan tebal skin yang mempengaruhi nilai momen inersia dan

kekakuan komposit sandwich.

Kurva energi serap dan kurva kekuatan impak dapat kita lihat pada gambar 4.1

dan gambar 4.2 berikut ini :

Gambar 4.1. Kurva hubungan antara energi serap dengan variasi tebal skin

R2 = 0,751