II-1 LANDASAN TEORI
2.1 Styrofoam
Styrofoam atau plastik busa masih tergolong keluarga plastik. Bahan dasar styrofoam adalah polisterin, suatu jenis plastik yang sangat ringan, kaku, tembus cahaya dan murah tetapi cepat rapuh. Karena kelemahannya tersebut, polisterin dicampur dengan seng dan senyawa butadien. Hal ini menyebabkan polisterin kehilangan sifat jernihnya dan berubah warna menjadi putih susu.
Kemudian untuk kelenturannya, ditambahkan zat plas-ticizer seperti dioktil ptalat (DOP), butil hidroksi toluena atau n butyl stearat. Plastik busa yang mudah terurai menjadi struktur sel kecil merupakan hasil proses peniupan dengan menggunakan gas klorofluorokarbon (CFC). Hasilnya adalah bentuk seperti yang sering dipergunakan saat ini. [1]
Tabel 2.1 Karakteristik Styrofoam [1]
Density, ρeps (1,05 gr/cm3) Dielectric constant 2,4 – 2,7 Electric conductivity, s 10-16 S/m Thermal conductivity, k 0,036 W/mK
Young modulus, E 3000 – 3600 MPa Tensile Strength, Sf 46 – 60 MPa
Specific heat, Cp 1,3 kJ/kgK
Elongation 3 – 4%
Glass temperature transition 95°C
Melting point 240°C
Water absorbtion 0,03 – 0,1
Notch test 2 – 2 kJ/m2
Linear Ekspansion Coef. 8x10-5
2.1.1 Kandungan gas styrofoam
Styrofoam ketika dilakukan peleburan atau pemanasan baik menggunakan pemanas konvesional maupun pemanas elektrik, akan menghasilkan asap atau gas buang hasil pemanasan. Kandungan beberapa gas buang hasil pemanasan styrofoam, diantaranya: CO, CO2, NOx, SOx, NH3, Hidrocarbon, gas dioksin, dan gas partikulat, styrena.
Dalam himpunan peraturan pengendalian pencemaran udara kabupaten Bandung yang dikeluarkan oleh Dinas Lingkungan Hidup kabupaten Bandung pada tahun 2000 menetapkan bahwa baku mutu emisi untuk gas-gas serupa yang dihasilkan oleh peleburan styrofoam, sebagai berikut: [2]
NH3 = 0,5 mg/m3 Partikulat = 350 mg/m3 NOx = 0,5 ppm SOx = 800 mg/m3
Sedangkan untuk nilai batas ambang maksimum dari zat lainnya dilihat dari SNI tentang Nilai Ambang Batas (NAB) zat kimia di udara tempat bekerja yang dikeluarkan oleh Badan Standarisasi Nasional (BSN) yaitu:
Styrena = 0,1 ppm
Gas dioksin = 90 mg/m3
2.2 Ekstrusi
Ekstrusi pada thermoplastik adalah suatu proses pembentukan material dengan cara di panaskan hingga mencapai titik leleh dan melebur akibat panas dari luar atau akibat panas gesekan, yang kemudian dialirkan ke die atau cetakan oleh screw untuk menghasilkan material dengan bentuk penampang sesuai dengan bentuk lubang cetakan (die). Proses ekstrusi adalah proses continue yang menghasilkan beberapa produk seperti, film plastik, tali rafia, pipa, peletan, lembaran plastik, fiber, filamen, selubung kabel dan beberapa produk lainnya.
Mesin ekstrusi atau ekstruder memiliki banyak jenis ukuran, bentuk dan metode pengoperasian. Ada ekstruder yang dioperasikan secara hidraulik dimana pada ekstruder ini piston berperan untuk mendorong adonan melalui lubang pencetak (die) yang terletak pada ujung ekstruder. Terdapat pula ekstruder tipe roda, dimana bahan didorong keluar atas hasil kerja dua roda yang saling berputar.
Kemudian yang telah banyak dikenal saat ini ialah ekstruder tipe ulir (screw) dimana putaran ulir akan memompa bahan keluar melalui die.
2.3 Bagian-bagian Ekstruder
Bagian-bagian yang terdapat pada ekstruder dapat dilihat pada Gambar 2.1 diantaranya:
1. Hopper 2. Barrel 3. Screw 4. Band heater 5. Motor
6. Reduction gear box 7. Bearing
8. Die
9. Dan lain-lain
Gambar 2.1 Bagian-bagian Ekstruder [3]
2.2.1 Hopper
Hopper biasanya terbuat dari lembaran baja atau stainless steel untuk menampung sejumlah bahan untuk pemrosesan. Hopper ada yang menggunakan pemanas awal jika diperlukan proses pemanasan awal pada bahan.
2.2.2 Barrel (tabung)
Barrel merupakan silinder yang membentang dari feed section sampai ujung screw, ujung akhir barrel disebut kepala. Clearance antara barrel biasanya 0,1% dari diameter screw. Jika clearance terlalu besar, maka akan mengurangi kapasitas screw untuk melelehkan dan memompa. Jika clearance terlalu kecil, maka akan menyebabkan dinding barrel ataupun flight mengalami abrasi. [3]
Gambar 2.2 Barrel [4]
2.2.3 Elemen pemanas/ heater
Elemen pemanas adalah sebuah bahan yang bisa menghasilkan panas dari proses konversi energi listrik menjadi energi panas. Hubungan antara panas yang dihasilkan dengan energi listrik dapat dihitung dengan rumus.
W = I2R.t (1)
Keterangan:
W = Energi listrik atau panas (Joule) I = Arus listrik (Ampere)
R = Hambatan listrik (ohm) T = Waktu (detik)
Panas yang dihasilkan berbanding lurus dengan nilai hambatan listrik.
Jika hambatan listrik makin besar, maka panas yang dihasikan makin besar pula, begitu pun sebaliknya.
Salah satu luaran yang diharapkan dari pembuatan alat ini yaitu bahwa alat ini bisa meredam panas atau pemanasan yang terjadi dalam mesin tidak meradiasi keluar. Ketika zat padat dipanaskan maka suhunya akan naik. Ketika titik lelehnya tercapai, suhunya akan tetap sampai seluruh zat meleleh. Bila pemanasan diteruskan, cairan makin panas sampai titik didih tercapai. Walaupun pemanasan diteruskan pada cairan yang mendidih ini, suhu tetap sama sampai seluruh cairan berubah menjadi uap. Setelah menjadi uap suhu bisa naik lagi bila pemanasan diteruskan.
2.2.4 Screw
Screw adalah jantungnya ekstruder, screw mengalirkan bahan yang telah meleleh ke kepala die setelah mengalami proses pencampuran dan homogenisasi pada lelehan bahan tersebut. Pada ekstruder terdapat dua jenis screw, yaitu ulir tunggal (single Screw extruder/SSE) dan ulir ganda (twin Screw extruder/TSE).
Pada tabel 2.2 akan dijelaskan perbedaan fungsi dan penggunaan screw jenis tunggal dan screw jenis ganda
Tabel 2.2 Perbedaan ekstruder Ulir Tunggal dengan Ulir Ganda [4]
Pada ekstruder ulir tunggal daya untuk menggerakkan bahan dipengaruhi dua gesekan, pertama adalah gesekan yang diperoleh dari ulir dan bahan, sedangkan yang kedua adalah gesekan antara dinding barel ekstruder dan bahan.
SSE memiliki ulir yang berputar di dalam sebuah barrel. Jika bahan yang diolah menempel pada ulir dan tergelincir dari permukaan barel, maka tidak akan ada produk yang dihasilkan dari ekstruder karena bahan ikut berputar bersama ulir tanpa terdorong ke depan.
Perancangan untuk poros ulir sangat penting untuk diperhatikan, karena hasil ekstrusi sangat dipengaruhi oleh bentuk pitch, dan sudut pengaliran screw.
Sudut pitch yang umum untuk bahan plastik adalah berkisar 17,5º tetapi dapat lebih tinggi untuk beberapa jenis ulir tertentu. Rasio panjang barel terhadap diameter (L/D) juga penting, rasio ekstruder komersial berkisar 16:1 hingga 32:1, dan diameter barel umumnya dalam kisaran 25 sampai 200 mm.
Gambar 2.3 Single Screw [5]
2.2.5 Motor Listrik
Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk memutar screw. Motor listrik secara umum dibagi menjadi dua, yaitu motor AC dan motor DC. Motor dikategorikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
a. Motor AC (Arus bolak-balik)
Motor AC menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik: rotor dan stator. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekuensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya.
Gambar 2.5 Motor AC [6]
Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).
b. Motor DC (arus searah)
Motor DC sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung (direct-unidirectional). Motor DC digunakan pada penggunaan
Motor Listrik
Motor Arus Bolak-balik (AC)
Sinkron
Induksi Satu fase
Tiga Fase
Motor arus Searah (DC)
Separately Excited Self Excited
Seri Campuran
Shunt
Gambar 2.4 Klasifikasi utama jenis motor listrik
khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Gambar 2.6 Bagian-bagian Motor DC [6]
Motor DC memiliki tiga komponen utama, yaitu: kutub medan, dynamo, dan komutator. Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
Tegangan dynamo: meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan.
Arus medan: menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan. [6]
2.2.6 Reduction Gearbox
Roda gigi reduksi atau reduction gear box berfungsi untuk menurunkan besar putaran dari motor listrik agar menjadi putaran screw yang diinginkan.
Untuk memperkuat torsi sebuah motor yang biasanya dinyatakan dalam kg-cm digunakan gear reduksi. Torsi diukur berdasarkan kemampuan sebuah tuas sepanjang 1cm untuk menggerakkan benda sebesar x kg.
Gambar 2.7 Reduction Gearbox [7]
Semakin lambat putaran motor akibat penambahan gear maka semakin kuat torsi yang dihasilkan. Perubahan putaran ini berbanding terbalik dengan perbedaan diameter gear. Kecepatan motor akan turun dua kali lipat untuk gear yang dua kali lebih besar. Perlu diperhatikan bahwa gear yang digunakan harus memiliki ukuran gigi yang sama persis.
2.2.7 Die (cetakan)
Die yang terletak pada bagian akhir mesin ekstruder, berfungsi untuk membentuk hasil produk akhir material. Biasanya pada bagian yang menghubungkan ujung ekstruder dan pangkal die dipasang breaker plate, fungsinya untuk meredam putaran rotasional lelehan dan diubah menjadi searah, memperbaiki homogenisasi dengan memecah dan menggabungkan lagi, memperbaiki mixing dengan meningkatnya tekanan balik dan untuk menghilangkan kotoran dan material yang tidak leleh. [4]
Gambar 2.8 Cetakan [4]
Bentuk panampang yang dapat diproduksi bervariasi sesuai dengan konfigurasi die yang diinginkan, yaitu :
Film / lembaran (sheet)
Solid profile (bundar, segi empat, bentuk L, bentuk T, dll)
Hollow profile
Pelapisan / laminasi kawat & kabel
2.4 Prinsip Kerja Ekstruder Ulir Tunggal
Secara umum, prinsip kerja ekstruder ulir tunggal terbagi dalam tiga bagian pemrosesan, yaitu:
1. Bagian masuk (feeding section)
Bagian masuk adalah bagian yang mempunyai diameter ulir yang konstan dan merupakan daerah tempat bahan mengalir yang membawa bahan baku dalam bentuk bubuk atau granular menuju bagian pencairan.
2. Bagian pencairan (melt section)
Bagian pencairan ini disebut juga bagian kompresi, dimana bahan styrofoam dilumatkan dan dipanaskan hingga suhu tertentu, sehingga bahan mulai mencair.
3. Bagian akhir (metering section)
Pada bagian akhir sama seperti daerah pemasukan yang mempunyai daerah bebas alir yang konstan, namun daerah bebas alirnya lebih kecil. Disini bahan akan mengalami kenaikan suhu lagi karena tekanan dan gesekan pada daerah ini cukup besar. [8]
2.5 Prinsip Perpindahan Kalor
Pada dasarnya perpindahan panas terjadi akibat adanya ketidakseimbangan atau adanya perbedaan temperatur termal. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Ilmu perpindahan panas diperlukan untuk menganalisa proses perpindahan panas dari suatu benda lain atau dari suatu bagian benda ke bagian benda lainnya. Panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri.
Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate- frame, spiral, dan lamella. Penukar panas adalah peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas dari dua fluida yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsung (kedua fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinding pemisah/sekat). Fluida
yang dapat mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas, dan gas-gas. [9]
Ada beberapa hal yang mempengaruhi perpindahan panas, yaitu:
1. Waktu.
2. Selisih suhu rata-rata antara benda yang memberi panas dan benda yang menerima panas, dari arah terjadinya pengaliran panas.
3. Besarnya luas yang dipanaskan.
4. Tebal dari dinding pemisah.
5. Bahan dari dinding pemisah.
6. Sifat dari benda yang memberi panas dan benda yang menerima panas.
2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas konduksi, dimana proses perpindahan panas terjadi antara benda atau partikel-partikel yang berkontak langsung, melejat satu dengan yang lainnya, tidak ada pergerakan relatif di antara benda-benda tersebut.
Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi [10]
Misalnya panas yang berpindah dalam sebuah batang logam akibat pemanasan salah satu ujungnya. Ujung B menjadi naik temperaturnya walaupun yang dipanasi adalah ujung A. Bila dilihat secara atomik jadi sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. [10]
Sehingga rumusan untuk perpindahan panas konduksi, adalah:
qk = dQ/dt = k (A/L) ΔT (2)
qk = k (A/L) (T1 – T2) (3)
Keterangan:
qk = Laju aliran kalor konduksi (W) A = luas penampang (m2)
L = tebal dinding (m)
K = konduktifitas termal bahan (W/m2.°C) T = suhu permukaan dinding
Jika digambarkan dalam sebuah kotak, akan terlihat gerakan perpindahan panas konduksi seperti pada Gambar 2.8
Gambar 2.10 Skema perpindahan panas konduksi [11]
2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi, dimana perpindahan panas terjadi di antara permukaan sebuah benda padat dengan fluida (airan atau gas) yang menyentuh permukaan. Aplikasinya banyak ditemukan di kehidupan sehari-hari maupun dalam dunia industri, misalnya dalam memasak, pendinginan mobil, penukar panas dan lain-lain. Perpindahan panas konveksi tergantung pada gerakan curah (bulk) fluida, tidak seperti konduksi yang hanya mengandalkan gerakan skala atom atau molukuler, maka disamping dipengaruhi oleh sifat-sifat fluida, laju perpindahan panas konveksi juga ditentukan oleh rezim aliran fluida. [11]
Sehingga rumusan untuk perhitungan perpindahan panas konveksi:
qc = – hc A ∆T = hc A(Tw – Tf) (4) Keterangan:
qc = laju perpindahan panas konveksi (W) A = luas penampang bidang (m2) hc = koefisien konveksi (W/m2°C) Tw = suhu permukaan dinding (°C)
Tf = suhu fluida (°C)
Perpindahan panas konveksi terbagi menurut sifat aliran, diantaranya:
1. Konveksi paksa, yaitu apabila aliran fluida terjadi karena penyebab eksternal, seperti: pompa, kipas dan sebagainya.
2. Konveksi bebas, yaitu bila aliran yang terjadi disebabkan oleh gaya apung akibat perbedaan densitas
3. Konveksi yang disertai perubahan fasa.
2.5.1 Perpindahan Panas Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas yang terjadi di antara dua permukaan tanpa adanya media perantara. Misalnya perpindahan panas antara matahari dengan mobil berwarna hitam yang diparkir di tempat terik.
Gambar 2.11Perpindahan Konveksi [10]
Gambar 2.12 Perpindahan Panas Radiasi [10]
Laju perpindahan panas radiasi dihitung melalui persamaan berikut:
qr = ε σ A (T14 + T24) (5)
Keterangan:
qr = laju perpindahan panas radiasi (W) σ = konstanta Stefan-Boltzman (W/m2K) A = luas penampang (m2)
T = temperatur (°C atau K) ε = emisivitas bahan (0 < ε < 1) ε = 0 (benda putih)
ε = 1 (benda hitam)
2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi - Konveksi
Dalam keadaan sebenarnya ketiga jenis mekanisme tersebut terjadi secara bersamaan di dalam sistem, hanya saja peranan dari masing-masing mekanisme tersebut tidak sama besar. Perpindahan panas radiasi menjadi lebih dominan apabila benda mempunyai suhu yang relatif tinggi karena laju panasnya sebanding dengan fungsi suhu pangkat empat. Bila temperatur tersebut konstan, maka proses perpindahan panas tersebut dikatakan stasioner (tidak dipengaruhi oleh waktu) dan bila temperatur berubah-ubah, maka proses perpindahan panas tersebut tidak stasioner.
Gambar 2.13 Konduksi-konveksi
Berdasarkan gambar 2.11, maka rumus untuk menghitung laju aliran panas secara konduksi-konveksi yaitu:
Rtek = Rt1 + R2 + Rt3 + Rt4 (6)
Rtek=
2 2
3 1
2
1 .
1 2
ln 2
ln . 1
A hcB L k
r r
L k
r r
A
hcA s f
(7)
q = Rtek
T
(8)
Sifat material yang penting dalam perpindahan panas, baik konduksi maupun konveksi adalah konduktivitas. Konduktivitas fluida adalah daya hantar panasnya ketika tidak ada gerakan curah pada fluida tersebut. Konduktivitas suatu material umumnya berubah terhadap perubahan temperatur. Disamping itu densitas, masa jenis dan panas spesifik juga berperan dalam perhitungan panas.
[1]
