PENGARUH PERLAKUAN AWAL SERAT KELAPA TERHADAP
SIFAT MEKANIK PADA KOMPOSIT SERAT KELAPA PEREKAT
RESIN POLYESTER
Teguh Wiyono1) Lujeng Widodo2)1)
Progdi Teknik Mesin Politeknik Pratama Mulia Surakarta
2)
Progdi Teknik Kimia Akademi Teknologi Warga Surakarta
Abstract
This study aims to determine the tensile strength and bending on coconut fiber composite with unsaturted polyester resins (UPRs) and metyl etyl ketone peroxide (MEKPO) 1%, against the effect of alkali treatment, heating and their combinations thereof. The treatments used are alkali soaking 6% for 3 hours, heating of 140 ° C for 10 hours, as well as alkali treatment 6% for 3 hours plus heating of 140 ° C for 10 hours. Composite with 40% fiber volume fraction is made using compression molding method at room temperature. Tensile test using standard reference ASTM D 638, bending testing with ASTM D 6272. The results showed that the highest tensile strength in the combination treatment of alkali 6% for 3 hours plus heating of 140 ° C for 10 hours amounted to 54.20 MPa and lows without treatment equal to 31.83 MPa. Further to the bending test, the results are the highest and the lowest at the same treatment also in the amount of 30.82 MPa and 27 MPa 77.
Keywords: coconut fiber, polyester, alkali, heating, alkali-heat combination, tensile strength and bending
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kekuatan tarik dan bending pada komposit serat kelapa dengan resin unsaturted polyester (UPRs) dan metyl etyl keton peroksida (MEKPO) 1%, terhadap pengaruh perlakuan alkali, pemanasan dan kombinasinya. Perlakuan yang dipergunakan adalah perendaman alkali 6% selama 3 jam, pemanasan 140 oC selama 10 jam, serta perlakuan alkali 6% selama 3 jam ditambah pemanasan 140 oC selama 10 jam. Komposit dengan fraksi volume 40% serat dibuat menggunakan metode cetak tekan pada suhu kamar. Pengujian tarik menggunakan acuan standar ASTM D 638, pengujian bending dengan standar ASTM D 6272. Hasil penelitian menunjukan bahwa kekuatan tarik yang tertinggi pada perlakuan kombinasi alkali 6% selama 3 jam ditambah pemanasan 140 oC selama 10 jam sebesar 54,20 MPa dan terendah yang tanpa perlakuan sebesar 31,83 MPa. Selanjutnya untuk uji bending, hasil yang didapat tertinggi dan terendah pada perlakuan yng sama pula yaitu sebesar 30,82 MPa dan 27, 77 MPa.
Kata kunci : Serat kelapa, polyester, alkali, pemanasan, kombinasi alkali-panas, kuat tarik dan bending
I. PENDAHULUAN
Pemakaian serat sintetik untuk industri transportasi kususnya kendaraan baik darat maupun lautan, sudah dimulai sejak tahun 1942 dengan bahan fibreglass reinforce plastic (FRP). Mulai saat itu banyak negara di dunia mulai mengadaptasi teknologi fibre glass sebagai bahan material untuk pembuatan alat transportasi tersebut, yang dibangun dengan menggunakan serat sintetik pada waktu itu relatif kecil. Seiring dengan perkembangan teknologi dan kondisi di dunia yang sudah mengglobal, maka kebutuhan barang dan jasa akan bertambah pula. Untuk mencukupi kebutuhan tersebut diperlukan alat transportasi antar pulau dan antar negara yang dari waktu ke waktu terus meningkat baik jumlah dan ukurannya, yang selanjutnya kebutuhan meterial untuk membuat alat transportasi juga akan bertambah.
Penggunaan serat gelas pada alat transportasi yang jumlahnya semakin banyak sulit hancur dalam jangka waktu lama, meyebabkan kerusakan lingkungan dan akan berdampak negatif terhadap kelangsungan hidup di bumi. Maka penggunaan serat alam menjadi material alternatif merupakan suatu solusi yang menjanjikan. Karena komposit serat alam dapat dipergunakan pada bagian–bagian yang terlindung dari cuaca. Menurut Brouwer (2000), selain serat alam memiliki harga yang murah keuntungan mendasar yang dimiliki oleh serat alam adalah jumlahnya berlimpah, mudah didapatkan, massa jenis yang rendah, memiliki sifat akustik yang baik dapat diperbaharui dan didaur ulang, ramah lingkungan serta kalau dibuat komposit tahan terhadap korosi.
Mallick P.K. (2007), menjelaskan prinsip keuntungan material komposit yang dipergunakan dalam pembuatan alat transportasi adalah mengurangi berat total yang akan mempengaruhi kecepatan, olah gerak, dan pemakaian bahan bakar. Bila dalam pembuatan alat transportasi banyak menggunakan bahan komposit, maka berat alat transportasi semakin ringan yang akan menambah jumlah muatan yang diangkut.
Hasil yang diharapkan dalam penelitian ialah didapatkan komposit dengan penguat serat kelapa yang mempunyai sifat mekanik yang baik. Untuk memperoleh
sifat tersebut, maka diberikan perlakuan alkali (NaOH), pemanasan serta kombinasi alkali dan pemanasan dengan tujuan komposit yang dihasilkan selain sifat mekanik juga berat dari komposit lebih ringan dan tahan korosi.
II. METODE PENELITIAN 1. Bahan dalam penelitian
Penelitian ini bahan yang digunakan adalah:
a. Serat kelapa yang disusun secara acak, dan tebal menyesuaian fraksi volume.
b. Resin : Unsaturated Polyester(UPRs) type Yukalac® 157 BQTN-EX (Ber-cobalt Quick-curing Tixotropic-agent Non-wax)
c. Katalis : MEKPO (Methyl Ethyl Kethone Perokside) 2. Peralatan dalam penelitian
a. Seperangkat alat cetak komposit Alat cetak komposit terdiri dari: kerangka dan landasan, cetakan, dongkrak, kunci pas dan ring ukuran 9 dan 12 serta alat pendukung lainya. b. Timbangan Elektrik Digunakan untuk mencari berat serat dan berat komposit setelah
dicetak.
c. Alat uji tarik dan bending (Servopuloser) Digunakan untuk melakukan uji tarik dan bending spesimen komposit.
d. Oven (Memmert 854 Schwabach)
Digunakan untuk mengoven spesimen sebelum pengujian tarik. 4. Prosedur Penelitian
a. Pembuatan uji serat tunggal
1). Serat dimasukan dalam aqua yang telah dicampur NaOH 6% selama 3 jam, dilanjutkan pembersihan dengan air sampai bersih.
2). Untuk perlakuan panas, serat dimasukan dalam oven dengan suhu 140oC, selama 10 jam
3). Serat yang telah di rendam dalam NaOH 6% selama 3 jam setelah kering dimasukan dalam oven dengan suhu 140oC selama 10 jam
4). Pembuatan spesimen untuk uji tarik serat acak baik untreatment, alkali treatment, heat treatment serta alkali heat treatment masing – masing 20 buah
Serat dengan perlakuan alkali, terlebih dahulu direndam dalam larutan NaOH 6% selama 3 jam dalam wadah tertutup. Kedua, serat dibersihkan dengan air sampai menunjukkan PH air netral atau PH = 7. Ketiga, serat dimasukkan dalam oven bersuhu 60°C selama 8 jam untuk menurunkan kadar air dalam serat (Zuraida dkk, 2011). Perlakuan serat yang kedua adalah serat diberi perlakuan panas, yaitu serat dimasukkan dalam oven bersuhu 140° C selama 10 jam , serta serat yang ketiga adalah setelah serat perlakuan yang pertama kemudian diperlakukan perlakuan ke dua
2. Ukuran dan bentuk spesimen uji tarik komposit (gambar 3.5) mengacu pada ASTM D 638, dan bending sesuai ASTM D 6272
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Analisa kekuatan tarik komposit
Kekuatan tarik komposit berbahan serat kelapa-polyester dengan perlakuan tanpa perlakuan (untreated), pemanasan (heat treated), perlakuan alkali (alkali treated), serta alkali-panas (alkali-panas) dapat dilihat pada gambar 5.4. Hasil uji tarik komposit serat kelapa-polyester memperlihatkan bahwa kekuatan tarik terbesar pada komposit dengan perlakuan serat perpaduan alkali 6% selama 3 jam ditambah perlakuan panas 140 oC selama 10 jam yaitu sebesar 54,20 MPa. Kekuatan tarik terendah adalah serat tanpa perlakuan sebesar 31,83 Mpa
Kekuatan komposit ini sangat dipengaruhi oleh kondisi serat kelapa sebagai penguat. Semakin kuat serat yang dipakai sebagai penguat akan semakin kuat pula komposit yang dibentuknya. Perlakuan alkali, menyebakan permukaan serat akan tergerus dan larut dalam cairan perendam. Bahan yang larut diantaranya lignin, lilin, pictins dan kotoran-kotoran lain. Lignin, wax, dan kotoran lain dapat menghalangi ikatan antar serat dan matrik bila tidak dihilangkan (Liu dan Dai, 2007). Diameter serat yang diperlakukan alkali dan panas akan berkurang. Berkurangnya diameter dari serat akan menyebabkan jumlah serat yang terkandung pada komposit akan meningkat, yang selanjutnya akan meningkatkan kekuatan komposit.
Penyebab dari bertambahnya kekuatan komposit adalah dengan fraksi volume yang tetap kalau jumlah serat meningkat maka kekuatan komposit akan semakin besar. Peningkatan sifat-sifat mekanis pada komposit berpenguat serat yang mengalami perlakuan permukaan menunjukan
0 10 20 30 40 50 60
Tanpa perlakuan Perlakuan panas Perlakan alkali Perlakuan
alkali-panas K ek u at an t ar ik (M P a) Perlakuan
fakta bahwa terjadi perbaikan karakteristik perekatan (adhesion) permukaan serat oleh perbaikan cacat alami dan topografi permukaan serat menjadi kasar. Selain itu pengaruh perlakuan kimia dan pemanasan pada serat juga dapat membersihkan dan mengubah topografi permukaan serat, meningkatkan kekerasan permukaan serat sehingga dapat meningkatkan daya ikat interfacial antara serat kenaf dengan matrik/resin polyester. Perubahan topografi permukaan serat yang kasar tersebut menghasilkan mechanical interlocking yang lebih baik dengan matrik.
2. Modulus tarik
Untuk modulus tarik dapat dilihat pada gambar 5.2. hasil uji tarik serat memperlihatkan bahwa modulus tarik terbesar pada serat dengan perlakuan perpaduan alkali 6% selama 3 jam ditambah perlakuan panas 140 oC selama 10 jam yaitu sebesar 1.314,03 MPa. Modulus tarik terendah adalah serat tanpa perlakuan sebesar 914,12 MPa
Tingginya modulus tarik pada perlakuan alkali-panas ini diakibatkan prosentase kandungan kristalinnya paling tinggi bila dibandingkan dengan perlakuan yang lain (tanpa perlakuan, panas, dan alkali-panas). Jumlah kristalin besar mengakibatkan permukaan dari kristal pada selulosa lebih luas dibanding perlakuan lain. Dengan jumlah permukaan luas mengakibatkan ikatan antar muka akan lebih besar dan serat semakin kuat, bila sudah menyatu menjadi komposit maka modulus tarik komposit tinggi. Pertambahan kristalin pada perlakuan alkali dan panas ini diakibatkan membukanya hemiselulosa yang membungkus kristalin menjadi kristalin tanpa penghalang. Selain kadar kristalin tinggi, penyebab modulus tarik pada perlakuan alkali-panas adalah pada permukaan serat terjadi kasar secara alami dikarenakan lignin, wax dan kotoran lain terlepas dan terbakar. Bila permukaan serat kasar dan bersih mengakibatkan ikatan antar serat dan matrik menjadi lebih kuat.
3. Kekuatan bending
Grafik kekuatan bending dapat dilihat pada gambar 5.3.
0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400
Tanpa perlakuan Perlakuan panas Perlakan alkali Perlakuan
alkali-panas M o d u lu s ta ri k ( M P a)
Hasil uji bending serat memperlihatkan bahwa kekuatan bending terbesar pada serat dengan perlakuan perpaduan alkali 6% selama 3 jam ditambah perlakuan panas 140 oC selama 10 jam yaitu sebesar 30,82 MPa. Kuat bending perlakuan alkali sebesar 29,74 MPa, disusul kuat bending perlakuan panas sebesar 28,63 MPa. Kekuatan bending terendah adalah serat tanpa perlakuan sebesar 27,77 MPa.
Penyebab kekuatan bending tinggi pada perlakuan alkali-panas yakni disebabkan kadar kristalin paling besar yang berakibat kekuatan serat paling tinggi. Peningkatan kadar kristalin pada serat diakibatkan penambahan kristalin yang tadinya terbungkus pada hemiselulsa menjadi terbuka. Selain kekuatan serat paling tinggi, penyebab lain yakni permukaan serat pada perlakuan tersebut kasar secara alami dan bersih. Hal ini berakibat ikatan antara serat dan matrik semakin baik sehingga dapat meningkatkan kekuatan bending dibanding perlakuan lain.
5.4 Modulus bending
Grafik modulus bending dapat dilihat pada gambar.4.
Hasil uji bending serat memperlihatkan bahwa modulus bending terbesar pada serat dengan perlakuan perpaduan alkali 6% selama 3 jam ditambah perlakuan panas 140 oC selama 10 jam yaitu sebesar 6398,61 MPa. Modulus bending terendah adalah serat tanpa perlakuan sebesar 5102,65 MPa atau terjadi penurunan sebesar 20,25%. Untuk perlakuan panas harga modulus bending sebesar 6976,95 MPa, sedangkan pada perlakuan alkali sebesar 6121,02 MPa.
Penyebab tingginya modulus bending pada perlakuan alkali-panas adalah serat sebagai filler pada komposit kristalin indexnya tinggi sehingga serat menjadi kuat yang mana akan menjadikan
0 5 10 15 20 25 30 35 Tanpa perlakuan Perlakuan panas
Perlakan alkali Perlakuan
alkali-panas K ek u at an b en d in g ( M P a)
Gambar 3 Hubungan perlakuan dengan kekuatan bending komposit
0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 Tanpa perlakuan Perlakuan panas Perlakan alkali Perlakuan alkali-panas M o d u lu s b en d in g ( M P a)
komposit lebih baik. Perlakuan alkali dan panas menunjukan bukti bahwa terjadi perbaikan karakteristik perekatan (adhesion). Pengaruh alkali-panas selain meningkatkan daya rekat juga mengubah topografi permukaan serat, meningkatkan kekerasan permukaan serat sehingga dapat meningkatkan daya ikat antara serat dengan matrik.
KESIMPULAN
1. Komposit serat kelapa-polyester dengan perlakuan alkali-panas mempunyai sifat mekanis paling baik memperlihatkan harga kekuataan tarik sebesar 54,20 MPa, kuat bending sebesar 30,32 MPa, modulus tarik sebesar 1314,03 MPa, serta modulus bending sebesar 6398,61 MPa.
2. Penampang patahan komposit serat kelapa-polyester tanpa perlakuan memperlihatkan ada kegagalan fiber pull out, sedangkan pada komposit serat kelapa-polyester perlakuan alkali-panas tidak menunjukan adanya fiber pull out
SARAN
Selama melakukan proses penelitian, ada beberapa saran sebagai berikut :
1. Hasil penelitian ini diharapkan dapat dijadikan sebagai acuan pada penelitian berikutnya, agar perkembangan di bidang material komposit dan penggunaan dapat maksimal. 2. Selama melakukan penelitian, sering terjadi pemadaman listrik sehingga perlu disediakan
generator agar pada waktu penggunaan listrik tidak terganggu.
3. Peralatan pengujian sebaiknya disediakan di laboratorium material, karena selama penelitian dengan menguji di lembaga lain yang jaraknya relatif jauh dan tidak hanya satu tempat memerlukan waktu yang banyak.
DAFTAR PUSTAKA
[1] ASTM, 1998. “Annual Book of ASTM Standar”, Section 4, Vol. 04.06, ASTM, West
Conshohocken.
[2] Brouwer, W.D., 2000, Natural fibre composites in the structural component alternative for sisal,
on the occion of the joint, FAO/CFC seminar, Roma, Italy.
[3] Callister, W.D, 2007, Materials Science and Engineering: An Introduction, SeventhEdition, John
Wiley & Sons, New York.
[4] Chand Navin dan Mohammed Fahim, 2008, Trybology of Natural Fiber Polymer Composites.
Wood Head Publishing Limited, Cambride, England.
[5] Cao, Y., Sakamoto S.,Goda K., 2007, Effect of Heat and Alkali Treatment on Mechanical
properties of Kenaf Fibers, 16th International Conference on Composites Materials, Kioto, Japan, pp 1-3.
[6] Edeerozey, M., Akil, H., Azhar, Arifin, Z., 2006, Chemical Modification of Kenaf Fiber,
University Sains Malaysia, Engineering Campus,Pulau Penang,Malaysia.
[7] Kalia, S., Kaith, B.S., Kaur, I., 2011, Cellulosa fibers : Bio-and nano-polymers Composites ,
Springer, India
[8] Liu, X., Tabil, L.G., Paninggrahi, S., 2007, Chemical Treatment of Natural Fiber for Use in
Natural Fiber-reinforced Composites : A Review. J. polym Environ, springer.
[9] Mohanty, A. K., M. Misra dan Lawrence T. Drzal .2005, .Natural Fibers, Biopolymers, and
Biocomposites, CRC Press, Taylor And Francis Group.
[10] Mubarak, Z., 2004, Pengaruh Varian Perlakuan Alkali Serat Cantula Terhadap Karakteristik Mekanik Komposit UPRs-Cantula, Skripsi, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
[11] Raharjo, W.W., dan Ariawan, D., 2011, Pengaruh Variasi Adhesif Terhadap Kekuatan Bending Komposit Cantula 3D-UPRs dengan Core Honeycomb Kardus Tipe C-Flute, Mekanika, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Universitas Sebelas Maret,Vol. 9 Nomor 2: 278-281.
[12] Reid, R.G., Oscar M.L., Asumani and Paskaramoorthy R., 2011, The Effect on the Mechanichal Properties of Kenaf Fibre Reinforced Polypropylene Resulting from Alkali-silane Surface Treatment , School of Mechanical, Industrial and Aeronautical Engineering Facility, Universitas of The Witwaterrsrand, Johanesburg, South Africa. [13] Rong, M.Z., Zhang M. Q., LiuY., Yang G. C., Zeng H. M., 2001, The Effect of Fiber Treatment
on the Mechanical Properties of Unidirectional Sisal-reinforced Epoxy Composites, Journal Composites Science and Technology, Elsevier, pp 1438 - 1439.
[14] Standard test Method for Flexural properties of Reinforced and Reinforced Plastiksand Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending, ASTM D 6272-00.
[15] Standard Test Method For Tensile properties Of Plastic, ASTM D 638-9
[16] Umar, K., dan Abbas S., 2011, Pengaruh Perlakuan Permukaan Serat Terhadap Sifat Mekanis Komposit Gnetum Gnemon-Epoxy Resin , Media Perpektif Vol.,11 , pp 6-7
[17] Zampaloni, M. F., Pourboghrat, S.A Yankovich, B.N. Rodgers, J. Moore, L.T. Drzal, A.K. Mohanty dan M. Misra., 2007, Kenaf Natural Fiber Reinforced Polypropylene Composites: A Discussion on Manufacturing Problems and Solution,Composites Part A.
[18] Zuraida, Norshahida, Sopyan I.,Zahurin H., 2011, Effect of Fiber Length Variations on Mechanical and Physical Properties of Coir Fiber Reinforced Cement-Albumen Composites (CFRCC), IIUM Engineering Journal. Vol. 12, No. 1.
