BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Komposit
Komposit didefenisikan sebagai kombinasi antara dua material atau lebih yang berbeda bentuknya, komposisi kimianya, dan tidak saling melarutkan antara materialnya dimana material yang satu fungsi sebagai penguat dan material yang lainnya berfungsi sebagai pengikat untuk menjaga unsur-unsurnya (Hasim J, 2003). Secara umum terdapat dua kategori material penyusun komposit yaitu:
1. matriks yang mengisolasi fasa,
2. penguat (reinforcement) atau fasa sebaran, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1 di bawah ini.
=
Gambar 2.1 Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit.
Pada umumnya bentuk dasar suatu bahan komposit adala tunggal dimana merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur bahan penyusun. Komposit terdiri suatu bahan utama (Matrik-matrik) dan suatu jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre). Material komposit terdiri dari lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk mendapatkan kombinasi karakteristik terbaikn dari setiap komponen penyusunnya. Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, bahan korosi dan ketahanan aus (Hasim J,2013). Komposit bahan hibrida yang terbuat dari bahan resin polimer diperkuat dengan serat, menggabungkan sifat-sifat mekanik dan fisik. Adapun tiga faktor yang menentukan sifat-sifat dari material komposit yaitu:
1. Material pembentuk. Sifat-sifat intristik material pembentuk memegang peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya.
2. Susunan struktur komponen, dimana bentuk serta orientasi dan ukuran tiap-tiap komponen penyusun struktur dan distribusinya merupakan faktor penting yang memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara keseluruhan.
3. Interaksi antar komponen. Karena komposit merupakan campuran atau kombinasi komponen-komponen yang berbeda baik dalam hal bahannya (Hasim J,2013).
2.2 Matriks
Matriks dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu termoplastik dan termoset. Termoplastik adalah polimer atau plastik yang akan menjadi lunak jika dipanaskan dan mengeras kembali jika didinginkan. Jadi jenis termoplastik ini dengan sendirinya ada segi negatif yaitu tidak dapat digunakan lagi apabila kondisi pemakaian melampaui suhu pelunakan. Adapun jenisnya yaitu: Polyamide (P I), Polysulfone (PS), Poluetheretherketone (P EEK), Polypropylene (PP) dan Polyethylene (P E). Sedangkan termoset adalah jenis polimer yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak dapat dibentuk kembali, artinya pemanasan kembali tidak akan banyak melunakkan, karena bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi.
Beberapa jenis matrik polimer termoset yang sering digunakan ialah polyester, epoxy, phenolics, dan polyamids. Dalam penelitian ini matriks yang digunakan adalah resin poliester. Poliester memiliki sifat- sifat sebagai berikut:
1. Suhu deformasi termal poliester lebih rendah jika dibandingkan dengan resin termoset lainnya, karena poliester banyak mengandung monomer stiren.
2. Memiliki ketahanan panas kira- kira 110 - 140 .
3. Relatif tahan terhadap asam kecuali asam pengoksid, tetapi lemah terhadap alkali.
5. Ketahanan terhadap cuaca sangat baik, khususnya terhadap kelembaban dan sinar UV. (Budha Maryanti, 2011)
Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa. Biasanya matriks mempunyai kerapatan / densitas , kekukuhan dan kekuatan yang jauh lebih rendah daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa mempunyai kekuatan dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai kerapatan yang rendah. Matriks jenis ini tergolong polimer thermoplastik, dan memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis dengan pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Dengan demikian struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan. Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada Tabel 2.1 (Tata Surdia, 2005).
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin
Sifat Mekanik Satuan Besaran
Berat Jenis (ρ)
Bahan penguat yang digunakan sebagai penguat komposit sangat beragam yang antara lain terdiri atas bahan reinforced sintesis dan alami. Pada kali ini penguat komposit yang digunakan ialah dari bahan serat TKKS yang kemudian dibentuk menjadi ukuran halus dan dicampurkan dalam matriks.
2.3 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit
mengandung serat kasar, lemak, dan magnesium yang tinggi sehingga dapat digunakan sebagai bahan sumber serat kasar dalam pakan ternak ruminansia (Sutardi, T. 1982).
Serat tandan kosong kelapa sawit merupakan sisa pengolahan kelapa sawit yang termasuk dalam kelompok media tumbuh jamur tiram karena komponen nutrisi dan serat yang masih terdapat dalam serat kelapa sawit. Kandungan nutrien serat kelapa sawit terdapat NDF, ADF (selulosa, lignin dan silika) merupakan komponen terbesar dari serat kelapa sawit. Selulosa, hemiselulosa dan lignin adalah sumber karbon dan energi utama bagi pertumbuhan jamur tiram, sementara protein digunakan sebagai sumber nitrogen bagi tubuh buah. Berikut ini merupakan Komposisi Nutrien serat tandan kosong kelapa sawit dapat dilihat pada Tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2. Kandungan Nutrisi Serat Kelapa Sawit (Sutardi, T. 1982) Kandungan Nutrisi Serat Kelapa Sawit (%)
Bahan Kering 93,21
Abu 6,46
Protein Kasar 5,93
Lemak 5,19
Serat Kasar 40,80
TDN 56,00
Selulosa 54,89
Lignin 21,18
ADF 78,11
NDF 84,67
Selulosa yang terkandung dalam limbah kelapa sawit memungkinkan kelapa
sawit dapat digunakan sebagai bahan baku produk-produk serat. Berikut ini
merupakan tabel sifat dasar batang sawit yang terlihat pada Tabel 2.3 dan Parameter
Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg yang terlihat pada Tabel 2.4.
Sifat Sifat Penting Bagian Dalam Batang
Tepi Tengah Pusat
Berat Jenis 0,35 0,28 0,20
Kadar Air, % 156 257 365
Kekuatan Lentur, kg/cm2 29996 11421 6980
Keteguhan Lentur, kg/cm2 295 129 67
Tabel 2.4. Parameter Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg
(Wibowo,T.F. 2011)
Kelarutan Unsur Alkali 1% 29,30
Debu 5,00
dan ujungnya yang runcing dan keras. TKKS tersebut dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Ukuran diameter serat TKKS cukup bervariasi, Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengamati ukuran diameter serat TKKS. Menurut Zuhri, et al (2009), diameter serat tunggal TKKS berkisar antara 250 s.d 610 μm. Berdasarkan publikasi Zuhri, et al (2009) dapat diketahui bahwa ukuran diameter serat tunggal TKKS cukup bervariasi. Kairiah dan Khairul (2006) menjelaskan bahwa ukuran diameter serat tunggal TKKS adalah 150 s.d. 442 μm. Jacob, et al (2004), Sreekala dan Thomas (2003) juga telah menjelaskan bahwa ukuran diameter serat tunggal TKKS berkisar antara 150 s.d 500 μm.
2.4 Busa Polimer
Busa didefinisikan sebagai penyebaran gelembung-gelembung gas yang terjadi pada material cair dan padat. Busa berkembang menjadi rongga-rongga mikro yang memiliki diameter 10 μm. Busa yang tersebar dalam polimer dapat mencapai 108/cm3 (Kumar, 2005).
fisik tersebut meliputi faktor geometri, seperti ukuran rongga dan ketebalan dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat karakteristik mekanik.
Material busa memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan rongga tersebut dapat diketahui melalui pengamatan struktur mikro material busa. Susunan rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan terbuka (open-cell) dan tertutup (closed-cell). Pada material busa dengan susunan rongga terbuka terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat fleksibel. Material busa dengan susunan rongga tertutup tidak terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat kaku. Perbedaan kedua jenis susunan rongga tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.3 (Klempner dan Sendijarevic, 2004).
a) Rongga Terbuka b) Rongga Tertutup
Gambar 2.3 Jenis Material Berongga
Rongga-rongga pada polimer terbentuk akibat adanya pencampuran fase padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat dan membentuk permukaan material yang berongga. Busa yang dihasilkan dari polimer merupakan gelembung udara atau rongga udara yang bergabung di dalam polimer tersebut . Gas yang digunakan untuk membentuk busa disebut blowing agent.
senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hidrogen aktif, seperti diol (polyol), yang mengandung grup hidroksil dengan pemercepat reaksi (katalis). Unsur Nitrogen yang bermuatan negatif pada isosianat akan tertarik ke arah unsur Oksigen yang bermuatan positif pada kelompok alkohol (polyol) untuk membentuk ikatan uretan antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer uretan. Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida (CO2). Gas ini yang kemudian akan membentuk busa pada material polimer yang terbentuk. Material yang terbentuk dari campuran BA dan polimer disebut dengan material polimer busa. Pemberian blowing agent dilakukan secara kimia dan fisika. Blowing agent secara kimia menimbulkan dekomposisi unsur-unsur material dalam suatu reaksi kimia. Blowing agent secara fisika terjadi akibat adanya gas yang diberikan pada material. Busa polimer yang bersifat fleksibel dihasilkan oleh reaksi polyurethane. Polyurethane dalam pembentukan busa polimer juga berfungsi sebagai blowing agent. Proses pembentukan rongga dari hasil reaksi polyurethane fleksibel berlangsung relatif cepat. Pada saat reaksi pembentukan polyurethane terjadi pengeluaran panas (eksoterm) dengan kenaikan temperatur mencapai 75 s.d. 1600C. Peningkatan volume yang dihasilkan poliuerethane sekitar 20 s.d 50 kali volume mula-mula.
Menurut Sivertsen (2007), reaksi kimia pembentukan busa polimer adalah reaksi polyisocyanante (OCN – R – NCO) dengan polyol (HO – R’ – OH) menghasilkan polyurethane (O – OC – HN – R – NH – CO – O –R’).
2.5 Pencetakan Sistem Tekan Panas
Gambar 2.4 Mesin Hot P ress
Keterangan gambar: 1. Rangka penahan 2. Hidrolik
3. Heater
4. Dudukan Hot Press
2.6 Sifat – Sifat Material
Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi empat sifat. Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
1. Sifat mekanik 2. Sifat fisik 3. Sifat teknologi 4. Sifat kimia 1
2 3
Di bawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut. (Prof. Ir. Tata Surdia MS. Met. E, 2005)
1. Sifat Mekanik
Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik. Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen pengujian dapat mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian yang tepat hanya didapatkan pada material uji yang memenuhi aspek ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:
a. Tegangan yaitu gaya diserap oleh material selama berdeformasi persatuan luas.
b. Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas.
c. Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan material. d. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi material
e. Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk mendeformasi plastis.
f. Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan pada ukuran mula.
g. Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah. h. Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi
perpatahan.
i. Kekerasan yaitu kemampuan material menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi pada permukaan.
2. Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material. Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan panas spesifik.
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur dengan serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan dan pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3. Sifat Teknologi
4.Sifat Kimia
Sifat kimia adalah sifat yang dimiliki oleh bahan yang berhubungan dengan tingkat reaktivitas terhadap zat lain. Yang termasuk dalam katagori sifat kimia bahan adalah: ketahanan terhadap korosi, aktivitas, daya larut, potensial elektrokimia dan sebagainya. Bahan yang menunjukkan ketahanan terhadap serangan korosi disebut sebagai bahan tahap korosi. Bahan yang dapat melarutkan bahan lain disebut sebagai bahan pelarut. Pada prinsipnya Sifat-sifat yang dimiliki oleh suatu bahan logam dapat diketahui dan dinyatakan atau direpresentasikan secara kuatitatif dengan melakukan beberapa metoda pengujian.
2.7 Uji Tarik
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Dengan melakukan uji tarik kita mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material bertambah panjang. Bila kita terus menarik suatu bahan sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap berupa kurva. Kurva ini menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan perubahan panjang seperti pada Gambar 2.5 (Daniel Andri Purwanto, 2009).
Yang menjadi perhatian dalam gambar tersebut adalah kemampuan maksimum bahan dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut "Ultimate Tensile Strength" disingkat dengan UTS. Untuk semua bahan, pada tahap sangat awal uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke, yaitu : rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan.
Pengujian dilakukan sampai sampel uji patah, maka pada saat yang sama diamati pertambahan panjang yang dialami sampel uji. Kekuatan tarik atau tekan diukur dari besarnya beban maksimum (Fmaks) yang digunakan untuk memutuskan/mematahkan spesimen bahan dengan luas awal . Umumnya kekuatan tarik polimer lebih rendah dari baja 70 kg.f/ . Hasil pengujian adalah grafik beban versus perpanjangan (elongasi).
Tegangan yang didapatkan dari kurva tegangan teoritik adalah tegangan yang membujur rata-rata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji itu.
=
... (2.1)
dimana:
= Tegangan (kg/ ) atau MPa
F = Gaya (N)
A = Luas Penampang ( )
Regangan yang didapatkan adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi perpanjangan (gage length) benda uji ( atau L), dengan panjang awal.
=
=
... (2.2)
dimana:
L = Panjang akhir (mm)
= Panjang awal (mm)
Modulus elastisitas atau modulus young adalah ukuran kekakuan suatu bahan,yang merupakan gradien bagian linear awal kurva tegangan – regangan.
E
=
... (2.3)
dimana:
E = Modulus Elastisitas (kg/ ) atau MPa σ = Tegangan (kg/ ) atau MPa
ε = Regangan (mm/mm)
Dari gambar kurva hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang kita dapat membuat hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs strain). Selanjutnya kita dapat gambarkan kurva standar hasil eksperimen uji tarik seperti pada Gambar 2.6 (Daniel Andri Purwanto, 2009).
2.7.1 Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik atau kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strenght), adalah nilai yang paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada kenyataannya nilai tersebut kurang bersifat mendasar dalam kaitannya dengan kekuatan material.
Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang lintang awal benda uji.
u=
... (2.4)
2.7.2 Deformasi
Struktur polimer cukup berbeda sehingga perilaku mekanisnya tidak selalu sama dengan perilaku logam atau keramik nonsilikat. Pada Gambar 2.7 menunjukan perilaku hasil uji tarik pada bahan polimer yang mempunyai sifat dan karakter yang berbeda (Sumaryono, 2012).
Gambar 2.7 Kurva tegangan-regangan untuk polimer a) getas (brittle); b) plastis; dan c) elastomer (highly elastic)
Deformasi elastis adalah suatu regangan yang dapat balik (reversible) seperti yang terlihat pada Gambar 2.8 (Sumaryono, 2012). Jika suatu tegangan diberikan dalam bentuk tarik, material akan menjadi sedikit lebih panjang, bila beban ditiadakan material tersebut akan kembali ke dimensi semula. Sebaliknya, bila material mengalami penekanan, material menjadi sedikit lebih pendek.
Gambar 2.8 Grafik deformasi tegangan-regangan
Pada tegangan yang lebih tinggi terjadi pergeseran tetap dari atom-atom dalam suatu bahan disamping regangan elastis. Regangan ini tidak mampu balik pada saat regangan ditiadakan, regangan ini disebut regangan plastis. Pada pemakaian produk, kita selalu menghindari terjadinya deformasi plastis sehingga perhitungan desain dilandaskan pada tegangan-tegangan didaerah elastis (proporsional).
2.7.3 Kekuatan Luluh
Titik dimana suatu bahan apabila diberi suatu beban memasuki fase peralihan deformasi elastis ke plastis. Yaitu titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Dalam praktek, biasanya batas proporsional sama dengan batas elastis.
2.8 Simulasi Numerik
secara internasional untuk mensimulasikan Fine Element Model dan Analisis guna memudahkan project owner, engineer dan designer untuk secara cepat membangun model penuh berdasarkan kebutuhan. Program Ansys ini dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat ScHwendler Cotporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan Ansys Workbench V 14.5 kita dapat mengimport data dari SolidWorks geometri dan CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys. Mesh dapat dibuat dengan banyak metode, yaitu secara manual sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari Ansys Workbench 14.5. Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan kondisi pembebanan dapat diterapkan.
