commit to user 4
BAB II DASAR TEORI
2.1.Tinjauan Pustaka
Serat alam sekarang telah menjadi bahan alternatif lain sebagai penguat dalam pembuatan komposit polimer. Serat alam sebagai bahan alternatif karena memiliki beberapa kelebihan dari serat sintetis, yaitu densitas yang rendah, harganya yang murah, tidak beracun, proses yang mudah, ramah lingkungan dan dapat diperbarui. Komposit serat alam telah banyak digunakan untuk beberapa industri otomotif, konstruksi dan beberapa perlengkapan tentara dll. Penelitian tentang komposit serat alam telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti tentang kekuatan mekanik dari komposit serat alam dan bagaimana serat alam dapat dipakai dengan polimer matrik yang lainnya. Semua penelitian yang telah dilakukan menekankan bahwa kekuatan dari komposit tergantung pada ikatan antarmuka antara serat alam dan matrik polimernya. Adhesi antara serat sebagai penguat dan matriknya memerankan peran yang penting dalam kekuatan mekanik suatu komposit karena perpindahan gaya atau beban antara matrik dan serat ditentukan dari efisensi dari penguatnya (Maheswar, dkk., 2012).
Serat yang mempunyai ikatan antarmuka yang rendah dengan matrik, maka perpindahan beban dari matrik ke serat tidak akan bagus. Perpindahan beban yang tidak baik akan mengakibatkan rendahnya sifat mekanik komposit. Benzeou, dkk., (2012), pada penelitiannya mengatakan bahwa komposit tanpa kandungan silane coupling agent mempunyai kekuatan terendah. Pada penelitiannya tentang komposit waste fibre – cement matrix, matriknya mempunyai ikatan yang lemah dengan seratnya. Hal serupa juga dikatakan oleh Anuar, dkk., (2011), penelitiannya tentang komposit kenaf bast fibre – PP – MAPP mengatakan komposit terendah pada komposit tanpa kandungan coupling agent. Adhesi antarmuka pada komposit rendah bila tidak ada penambahan coupling agent.
Perbaikan ikatan antarmuka antara serat dan matriknya dapat dilakukan dengan cara memodifikasi permukaan serat secara perlakuan kimia. Salah satu cara perlakuan kimia yang dapat dilakukan adalah dengan penambahan silane
commit to user
coupling agent. Penambahan silane coupling agent dapat dengan merendam serat pada larutan silane coupling agent dengan konsentrasi tertentu atau dengan penambahan silane coupling agent pada matriknya (Mohanty, dkk., 2005). Silane adalah senyawa kimia dengan rumus kimia SiH4. Silane digunakan sebagai
coupling agent agar serat alam dapat berikatan dengan matrik polimer, sehingga menstabilkan material komposit. Silane coupling agent dapat mengurangi jumlah gugus hidroksil selulosa dalam antarmuka serat dan matrik (Akil, dkk., 2011). Pada suatu kelembaban, kelompok alkoksi terhidrolisis mengarah pada pembentukan silanol. Silanol kemudian bereaksi dengan gugus hidroksil dari serat, membentuk ikatan kovalen yang stabil dengan dinding sel. Pelakuan silane juga dapat meningkatkan kekuatan mekanik komposit, mengurangi efek kelembapan pada kekuatan komposit dan meningkatkan adhesi (Mohanty, dkk., 2005). Perlakuan silane telah dikenalkan dalam beberapa penelitian yang telah dilakukan. Hasil yang memuaskan didapat pada komposit dengan perlakuan silane, dalam hal adhesi antarmuka antara serat dan matrik polimer.
Penelitian terhadap pengaruh penambahan silane coupling agent terhadap komposit telah banyak dilakukan. Benzour, dkk., (2012) melakukan penelitian tentang perlakuan serat dengan perlakuan silane coupling agent pada komposit sisa fiber dan matrik semen. Fiber direndam pada larutan silane coupling agent dengan presentase kandungan silane coupling agent antara 0%-1% selama 1 jam, pH dijaga pada 3.5 dengan asam asetat. Kekuatan tertinggi pada presentase kandungan silane coupling agent 0.50%. Kandungan silane coupling agent 0.50%, silane coupling agent dapat menyebar dengan merata di permukaan serat, sehingga penyebaran matrik lebih merata. Penelitian dengan menggunakan silane coupling agent juga dilakukan oleh Gharbi, dkk., (2014) pada penelitiannya sisa kacang olive direndam pada larutan presentase silane coupling agent 3%, pH dijaga pada 4.5-5 dengan asam asetat direndam selama 3 jam. Kekuatan bending komposit tanpa perlakuan adalah 40 Mpa. Perlakuan serat dengan silane coupling agent meningkatkan kekuatan bending dari komposit sebesar 10% terhadap kekuatan bending komposit tanpa perlakuan silane coupling agent. Perlakuan serat dengan silane coupling agent meningkatkan ikatan antarmuka, sehingga meningkatkan kekuatan mekanik pada komposit.
commit to user
Asumani, dkk., (2012) meneliti tentang pengaruh perlakuan serat dengan perlakuan alkali dan silane coupling agent terhadap kekuatan komposit kenaf – polypropylene. Pada penelitian ini mat serat kenaf direndam pada larutan silane coupling agent dengan konsentrasi larutan 5%, pH dijaga pada angka 4 – 5 dengan asam asetat. Mat serat kenaf direndam dalam larutan selama 4 jam. Pada penelitian ini perendaman pada larutan silane coupling agent meningkatkan kekuatan tarik sebesar 59% dan kekuatan bending meningkat 50%. Hal ini disebabkan meningkatnya kekuatan tarik antarmuka, sehingga serat berfungsi dengan baik sebagai penguat. Penelitian tentang coupling agent juga dilakukan oleh Anuar, dkk., (2011). Anuar, dkk., (2011) melakukan penelitian komposit serat kenaf – PP – MAPP, dengan penambahan coupling agent MAPP ke dalam matrik meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit. Khususnya untuk kekuatan impak meningkat 136% dari komposit tanpa coupling agent. Kuatnya ikatan antarmuka dan adhesi antara matrik dan serat mengurangi mobilitas dari polimer dan mencegah serat mengalami pull out dari matrik.
2.2 Kajian Teori Komposit
2.2.1 Komposit
Katakomposit (composite) merupakan kata sifat yang berarti susunan atau gabungan. Composite berasal dari kata kerja “to compos” yang berarti menyusun atau menggabung. Jadi secara sederhana, bahan komposit berarti bahan gabungan yang tersusun dari dua atau lebih bahan yang berlainan kemudian digabung atau dicampur secara makroskopis. Penggabungan dua material atau lebih tersebut dibedakan menjadi dua macam antara lain (Gibson, 1994):
1. Penggabungan makro, yang memiliki ciri-ciri antara lain : a. Mudah dibedakan secara langsung dengan cara melihat. b. Penggabungannya lebih secara fisis dan mekanis.
c. Penggabungannya dapat dipisahkan secara fisis ataupun secara mekanis. d. Contoh : Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP).
commit to user
2. Penggabungan mikro, yang memiliki ciri-ciri antara lain : a. Tidak dapat dibedakan dengan cara melihat secara langsung. b. Penggabunganya lebih secara kimiawi.
c. Penggabungannya tidak dapat dipisahkan secara fisis dan mekanis, tetapi dapat dilakukan secara kimiawi.
d. Contoh : Logam paduan, besi cor, baja dan lain-lain.
Penggabungan material ini dimaksudkan untuk menemukan atau mendapatkan material baru yang mempunyai sifat antara material penyusunnya. Sifat material hasil penggabungan ini diharapkan saling memperbaiki kelemahan dan kekurangan bahan-bahan penyusunnya. Adapun beberapa sifat-sifat yang dapat diperbaiki antara lain kekuatan, kekakuan, ketahanan korosi, ketahanan lelah, ketahanan pemakaian, berat jenis, pengaruh terhadap temperatur (Jones, 1999).
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 sangat berpengaruh terhadap kekuatan ikatan antarmuka (interfacial strength). Kekuatan ikatan antarmuka yang optimal antara matrik dan serat merupakan aspek yang penting dalam penunjukan sifat-sifat mekanik komposit (Gibson, 1994).
2.2.2 Komposit Serat Acak (Randomly Oriented Discontinuous Fibers)
Komposit serat acak tidak sekuat bila dibandingkan dengan komposit berserat panjang dan komposit serat acak tidak dapat digunakan sebagai bahan utama untuk pembuatan pesawat terbang. Komposit serat acak banyak digunakan dalam aplikasi lain. Contohnya, pembuatan komponen yang banyak terdapat lekukan, komposit serat acak cocok sebagai bahan utama. Komposit serat acak dapat dibuat dengan bentuk yang diinginkan dan serat acak dapat dicampur dengan matriknya sehingga tidak akan merusak serat sebagai penguat. Komposit serat acak sering digunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biaya manudakturnya yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus (Gibson, 1994).
commit to user
Berdasarkan arah orientasi dari serat acak yang digunakan dalam membuat komposit, serat acak dibagi menjadi dua bagian yaitu serat acak dua dimensi dan serat acak tiga dimensi. Serat acak dua dimensi adalah serat yang mempunyai panajng lebih panjang dari tebal komposit, sehingga posisi serat acak berarah dua dimensi. Serat acak tiga dimensi adalah serat yang mempunyai panjang lebih pendek dari tebal komposit, sehingga posisi serat acak berarah tiga dimensi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1 (Gibson,1994).
Gambar 2.1 Gambar serat acak : (a). tiga dimensi; (b). dua dimensi.
Komposit dengan serat acak seperti bulu ataupun serat mikro termasuk dalam komposit serat acak tiga dimensi. Namun, kebanyakan pembuatan komponen panel serat acak banyak yang mempunyai panjang serat lebih panjang dibandingkan dengan tebal komposit tersebut
2.2.3 Matrik
Matrik berfungsi sebagai pengikat bahan pengisi dengan tidak terjadi ikatan secara kimia. Bahan matrik meneruskan tegangan kepada partikel pengisi sehingga ketahanan bahan kompsoit bertambah. Bahan matrik dapat berupa logam, keramik, polimer dan lain – lain. Matrik memiliki fungsi (Gibson, 1994):
a. Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur
b. Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan c. Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat
d. Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan tahanan listrik.
2.3 Polypropylene
Polypropylene merupakan polimer kristalin yang dihasilkan dari proses polimerisasi gas propilena. Polypropylene jenis plastik yang mempunyai densitas paling rendah, yaitu 0.905 g/cm3. Titik lebur dari polypropylene adalah 165oC
commit to user
(Billmeyer, 1989). Polypropylene mempunyai ketahanan terhadap bahan kimia yang tinggi, tetapi ketahanan pukulnya (Impact strength) rendah.
2.4 Serat Kenaf
Serat kenaf merupakan salah satu serat alam yang digunakan sebagai penguat dalam pembuatan komposit dengan matrik polimer. Kenaf (Hibiscus cannabinus,L., family Malvaca) merupakan salah satu bahan penting yang banyak digunakan dalam komposit dan aplikasi industri lainnya. Kenaf dalam 3 bulan setelah menabur benih dapat tumbuh mencapai ketinggian 3 meter dalam berbagai cuaca dengan diameter dasar batang mencapai 3-5 cm (Akil, dkk., 2011). Kenaf memiliki kandungan selulosa 70%, lignin 2.8% dan hemiselulosa 27.2%. Karakteristik kenaf tergantung dari tempat tumbuh, musim dan kadar air. Kenaf banyak digunakan pada pabrik tekstil sebagai bahan pembuat karung yang dipakai untuk mengepak hasil pertanian dan industri, selain itu kenaf juga dapat dibuat menjadi benang ikat dan tali
Beberapa keuntungan dalam penggunaan serat alam sebagai penguat dalam pembuatan komposit serat alam, khususnya kenaf. Kenaf merupakan sumber selulosa dengan keuntungan ekonomi dan ekologis. Kenaf mempunyai massa jenis yang rendah, mempunyai sifat mekanik yang tinggi dan biodegradasi.
2.5 Silane Coupling Agent
Silane coupling agent adalah zat kimia tambahan yang mempunyai kemampuan untuk membentuk ikatan yang lebih kuat antara material organik dan material non organik. Silane coupling agent merupakan salah satu bahan tambahan guna meningkatkan adhesi serat terhadap matriknya. Komposit serat alam dengan gabungan coupling agent menunjukkan kekuatan tarik lebih tinggi dibandingkan komposit tanpa coupling agent pada jumlah serat yang sama. Pernyataan tersebut telah dibuktikan dalam beberapa penelitian, diantaranya Thamae dan Baillie ( 2007 ), Prasetyo ( 2013 ) dan Asumani (2012).
Bentuk umum dari silane coupling agent biasanya secara fungsional menunjukkan dua kelas. Struktur umumnya adalah R – (CH2)n – Si – X3,
merupakan sebuah molekul yang multifungsi yang salah satunya bereaksi dengan selulosa yang berada dipermukaan serat dan salah satu sisinya dengan fase polimer. Grup R adalaah kelompok organofungsional yang bereaksi dengan
commit to user
matrik, (CH2)n merupakan penghubung, Si adalah atom silikon dan grup Xadalah
grup yang menghidrolisis untuk membentuk kelompok silanol dalam larutan dan ini bereaksi dengan gugus hidroksil dari selulosa yang berada dipermukaan serat.
Gambar 2.2. Struktur ikatan silane (Sumber : Gelest, 2006)
Gambar 2.1 menunjukkan mekanisme pengikatan dari silane coupling agent. Interface kedua zat berinteraksi secara komplek terhadap faktor – faktor fisik dan kimia. Sebagian besar organosilane banyak yang memiliki satu unsur organik dan tiga unsur yang terhidrolisis. Grup R itu terdiri dari beberapa macam seperti, aminopropyl, vynil, methacreloxypropyne dan lain-lain. Grup X itu terdiri dari beberapa macam seperti, chloro, methoxy, ethoxy dan lain-lain.
Sangat penting bahwa untuk grup R dipilih sesuai dengan fungsinya sehingga mereka dapat bereaksi dengan fungsional dalam resin. Pada grup X harus dipilih yang sesuai sehingga bisa menghidrolisis untuk memungkinkan bereaksi antara silane dan grup OH pada permukaan selulosa. Saat serat kering, kondensasi secara terbalik menempati antara silanol dan grup OH pada permukaan selulosa, membentuk lapisan polysiloxane, yang terikat pada permukaan selulosa.
Permukaan selulosa yang telah terlapisi silane bersentuhan dengan resin (matrik), grup R pada permukaan serat bereaksi dengan gugus fungsi dari polimer resin, maka akan membentuk ikatan yang kovalen yang stabil dengan polimer. Apabila semua reaksi ini terjadi, maka silane coupling agent akan berfungsi sebagai jembatan untuk memperkuat ikatan antara permukaan selulosa serat dan resin (matrik) dengan rantai ikatan primer yang kuat. Gambar 2.2 menunjukkan ilustrasi gambaran ikatan antra silane coupling agent, selulosa, dan resin polimer.
R
(CH
2)n
Si
X
X
X
commit to user
2.6 Teori Pengujian Tarik
Pengujian tarik adalah pengujian mekanik secara statis dengan cara sampel ditarik dengan pembebanan pada kedua ujungnya dimana gaya tarik yang diberikan sebesar gaya patahan (P). Bertujuan untuk mengetahui sifat-sifat mekanik tarik dari komposit yang diuji. Pertambahan panjang (∆l) yang terjadi akibat gaya tarikan yang diberikan pada sampel uji disebut deformasi. Uji tarik ini menggunakan ASTM D638. Spesimen uji tarik pada ASTM D638 menggunakan bentuk dog bone dengan ukuran standar seperti pada Gambar 2.3. Laju kecepatan dari penarikan spesimen dengan dimensi sesuai dengan gambar 2.3 adalah 5 mm/menit atau 0.2 inch/menit.
Gambar 2.3. Spesimen Uji Tarik Type 1
Regangan merupakan ukuran keuletan suatu bahan yang harganya biasanya dinyatakan dalam persen :
(2.1) Dengan : ε = regangan (%) l = Pertambahan panjang (mm) l0 = Panjang mula-mula (mm) l = Panjang akhir (mm)
commit to user
b L
d P
Perbandingan gaya pada sampel terhadap luas penampang lintang pada saat pemberian gaya tegangan (stress). Tegangan tarik maksimum suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya tarik maksimum dengan luas penampang mula-mula. Adapun persamaannya adalah :
(2.2)
Dengan :
σ = Tegangan patahan (N/m2) P = Gaya patahan (N)
A = Luas penampang awal (m2)
2.7 Teori Pengujian Bending
Sifat komposit dapat dilihat juga dari kekuatan bending sehingga dapat diketahui kekuatan bending terbesar yang dapat diterima akibat pembebanan luar tanpa mengalami deformasi yang besar atau kegagalan. Akibat kekuatan bending, pada bagian atas spesimen akan mengalami tekanan, dan bagian bawah akan mengalami tegangan tarik.
Komposit akan mengalami patah pada bagian bawah yang disebabkan karena tidak mampu menahan tegangan tarik yang diterima. Kekuatan bending dapat diketahui dengan mengacu ASTM D790 dengan bentuk dan gambar spesimen seperti pada Gambar 2.4. Kecepatan dalam pengujian bending yang digunakan adalah 2 mm/menit (ASTM D790).
Gambar 2.4. Three point bending
Kekuatan bending ditentukan oleh MOR (Modulus of Rupture). Rumus untuk menghitung MOR adalah (ASTM D790)
MOR = 2 2 3 bd PL (2.3)
commit to user Dengan :
MOR = modulus of rupture ( pembebanan dari tengah), MPa P = beban bending maksimal, N
L = panjang jarak tumpuan, mm b = lebar spesimen, mm
d = tebal spesimen, mm
2.8 Teori Pengujian Impak
Perhitungan kekuatan impak mengacu pada ASTM D5941. Pengujian impak menggunakan spesimen tanpa takikan. Kekuatan impak dapat diketahui dahulu dengan menghitung energi yang diserap oleh benda (W), yaitu selisih energi potensial pendulum sebelum dan sesudah mengenai benda. (ASTM D5941). Rumus yang digunakan adalah :
W=[w.R.(cosβ–cosα)] (2.4)
Dengan :
W = berat pendulum (N) = m . g
R = jarak dari pusat rotasi pendulum ke pusat massa (m) Β = sudut pantul lengan ayun
α = sudut naik awal lengan ayun
Bila pada kondisi pendulum diayunkan bebas (tanpa mengenai benda uji) sudut pantul lengan ayun lebih kecil daripada sudut naiknya berarti terdapat gesekan, maka nilai W dikurangi dengan energi gesekan (Wgesek).
Jadi, persamaan untuk menghitung energi total yang diserap oleh benda (W) adalah: (ASTM D5941)
W = Wspesimen – Wgesek
W = w.R.(cos β – cos β’) (2.5)
Dengan :
commit to user
Maka, perhitungan nilai kekuatan impak benda uji adalah sebagai berikut: (ASTM D5941) 3 10 b h W aiU
2 m J (2.6) Dengan :h = ketebalan benda uji (m) b = lebar benda uji (m)
2.9 Teori Densitas Komposit
Perhitungan densitas komposit mengacu pada ASTM D792. Perhitungan densitas digunakan untuk mengetahui densitas suatu material. Densitas atau massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Densitas teoritis komposit dihitung menggunakan rumus (ASTM D792) :
sp = (a .d)/(a-b) (2.7)
Dengan :
sp = Specific gravity (g/cm3) a = massa spesimen di udara (g) b = massa spesimen dalam fluida (g) d = Spesifik gravity fluida (g/cm3)
2.10 Teori Void
Void atau rongga adalah ruang yang terbentuk dalam proses pembuatan komposit. Void terbentuk karena adanya udara yang terperangkap dalam komposit.
Void yang besar menunjukkan kemampuan yang rendah dari matrik untuk mengisi rongga dari pengisi atau penguat. Rumus perhitungan void (ASTM D2374) :
V : 100 (Td-Md)/Td (2.8)
Dengan :
V = Kandungan void, volume % Td = Densitas teoritis komposit (g/cm3) Md = Hasil pengukuran densitas (g/cm3)
commit to user
Rumus perhitungan densitas teoritis adalah ( ASTM D2374):
T : 100/(R/D + r/d) (2.9)
Dengan :
T = Densitas teoritis komposit (g/cm3) R = Komposit resin dalam komposit (%) D = Densitas resin (g/cm3)
r = Komposisi penguat atau pengisi dalam komposit (%) d = densitas penguat atau pengisi (g/cm3)
