TESIS
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI GENTENG POLIMER MENGGUNAKAN ASPAL DAN POLYPROPILEN DENGAN VARIASI KOMPOSISI DAN SERAT
NANAS TERORIENTASI
Oleh
NENI JULI ASTUTI 107026011/FIS
PROGRAM PASCA SARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2012
PENGESAHAN TESIS
Judul : Pembuatan dan Karakterisasi Genteng Polimer Menggunakan Aspal dan Polypropilen Dengan Variasi Komposisi dan SeratNanas Terorientasi
Nama : Neni Juli Astuti
Nomor Induk Mahasiswa : 107026011 Program Studi : Magister Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Menyetujui Komisi Pembimbing
Prof. Drs. Basuki Wirjoesentono, M.Sc. Ph.D Dr. Susilawati, M.Si
Ketua Anggota
Ketua Program Studi Dekan,
Dr.Nasruddin MN, M. Eng. Sc Dr. Sutarman, M. Sc
PERNYATAAN ORISINALITAS
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI GENTENG POLIMER MENGGUNAKAN ASPAL DAN POLYPROPILEN DENGAN VARIASI
KOMPOSISI DAN SERAT NANAS TERORIENTASI
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil karya saya sendiri kecuali kutipan dn ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar
Medan, Juli 2012
NENI JULI ASTUTI NIM.107026011
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika universitas Sumatera utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Neni Juli Astuti
NIM : 107026011
Program Studi : Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Exclusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI GENTENG POLIMER MENGGUNAKAN ASPAL DAN POLYPROPILEN DENGAN VARIASI
KOMPOSISI DAN SERAT NANAS TERORIENTASI
Beserta perangkat yang ada. Dengan hak bebas royalti ini, universitas Sumatera Utara untuk berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data base, merawat dan mempublikasikan tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetapmmencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, Juli 2012
i
KATA PENGANTAR
Pertama-tama penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan karunianya sehingga tesis ini dapat diselesaikan.
Dengan selesainya tesis ini, penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada:
Kepala Lembaga Penjaminan Mutu Pendidikan (LPMP) Sumatera Utara, Drs. H. Bambang Winarji, M. Pd atas kemudahan dan bantuan dana sehingga penulis dapat menyelesaikan studi di Program Studi Ilmu Fisika Pasca Sarjana FMIPA USU.
Rektor Universitas Sumatera Utara, Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H, MSc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis mengikuti pendidikan di program Magister Sains.
Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Dr. Sutarman, M.Sc atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister sains pada program Pascasarjana FMIPA Univeritas Sumatera Utara.
Ketua Program Studi Magister Fisika, Dr. Nasruddin MN. M.Eng. Sc., Sekretaris Program Studi Magister Fisika, Dr. Anwar Dharma Sembiring, M.S., beserta seluruh staf pengajar pada Program Studi Magister Fisika Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.
Terimakasih yang tidak terhingga kepada Prof. Drs. Wirjoesentono, M.Sc., Ph.D dan Dr. Susilawati, M. Si selaku Pembimbing yang dengan penuh perhatian dan kesabaran memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis hingga selesainya penelitian ini.
Kepada Laboran di Laboratorium Polimer dan Fisika, Bapak Edi dan Bapak Aman yang telah membantu saya dalam melakukan penelitian hingga selesai.
Kepada suami tersayang Warjio, MA, Ph.D, terimakasih yang tak terhingga atas segala pengertian dan kesabaran ketika penulis sejak awal mengikuti Program Magister Sains di Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara. Demikian juga kepada ananda tersayang Haykal Muhammad Raihan dan Alif Alfitra Salam.
Kepada kedua Ibunda tersayang Ibu Siti Asma Ilyas dan Ibu Jumiem yang tiada henti-hentinya memberikan bantuan moril dan doa hingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini.
Ucapan terimakasih yang tulus penulis sampaikan kepada rekan-rekan mahasiswa Sekolah Program Pascasarjana Program Studi Magister Ilmu Fisika Universitas Sumatera Utara angkatan 2010/2011 khususnya Suriati, Milawarni, Mila Anzani, Mika Augustina, Ayu Andriani dan lain-lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu namanya, yang selalu memberikan bantuan sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini tepat pada waktunya.
Ucapan terima kasih yang tulus untuk teman-teman sejawat di kantor yang selalu memberikan bantuan sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini tepat pada waktunya.
ii
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI GENTENG POLIMER MENGGUNAKAN ASPAL DAN POLYPROPILEN DENGAN VARIASI KOMPOSISI DAN SERAT
NANAS TERORIENTASI
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian dan pengujian tentang pembuatan dan karakterisasi genteng komposit polimer menggunakan serat nanas sebagai penguat dan polipropilen dan aspal sebagai matrik. Penelitian ini bertujuan untuk mencari alternatif bahan penyusun genteng polimer yang lebih murah dan ramah lingkungan. Komposisi polipropilen dan aspal yang digunakan tetap yaitu 10% dari berat total sampel, sedangkan komposisi pasir dan serat nanas divariasikan dengan perbandingan (80%:0%), (79%:1%), (78%:2%), (77%:3%), (76%:4%) dan (75%:5%). Dari hasil penelitian untuk kerapatan menurun dari 1870 kg/m3 menjadi 1840,75 kg/m3, sedangkan untuk daya serap air dari 0,43% menjadi 0,87%. Penggunaan serat nanas 1% sampai 4% dapat memperbaiki sifat mekanik genteng. Kekuatan tarik dari 8,32 kgf/ cm2 sampai 118,40 kgf/cm2, kuat lentur 3,14 MPa sampai 10,51 MPa, kuat impak 1,47 kJ/m2 sampai 26,27 kJ/m2. Karakteristik optimal diperoleh pada komposisi 4% serat nanas, karakteristik menurun pada komposisi di atas 4%.Pada sudut orintasi serat 0o atau arah serat searah dengan pembebanan, sifat mekanik genteng mencapai titik tertinggi dan dan titik terendah diperoleh pada sudut orientasi serat 90o.
iii
PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF POLYMERS TILES OF ASPHALT AND POLYPROPILEN WITH COMPOSITION VARIATION AND
PINEAPPLE FIBER ORIENTATION ABSTRACT
Research and testing has been done on the manufacture and characterization of polymer composite tile using pineapple fibers as reinforcement, polypropylene as the matrix and the asphalt. This study aimed to explore alternative building blocks of the polymer tiles are less expensive and environmentally friendly. And the polypropylene composition of the used asphalt that is 10% of the total weight of the sample, while the sand and pineapple fiber composition varied by comparison (80%:0%), (79%:1%), (78%:2%), (77%:3%), (76%:4%) and (75%:5%). From the research results for the density decreased from 1870 to 1840 kg/m3 kg/m3, while for the water absorption of 0.43% to 0.87%. The use of pineapple fiber 1% to 4% can improve the mechanical properties of the tile. Tensile strength of 8.32 kgf/cm2 to 118.40 kgf/cm2, flexural strength 3.14 MPa to 10.51 MPa, a strong impact kJ/m2 to 1.47 kJ/m2. Optimal characteristics obtained at 4% pineapple fiber composition, characteristics of the composition decreases above 4%. In orientation angle 0o fibers or fiber direction in the direction of loading, mechanical properties and the tiles reach the highest point and lowest point is obtained at an angle of 90° fiber orientation.
iv DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR ... i ABSTRAK ... ii ABSTRACK ... iii DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... ix BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 3 1.3 Batasan Masalah ... 4 1.4 Tujuan Penelitian ... 4 1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Komposit ... 5
2.1.1 Klasifikasi Komposit ... 7
2.1.2 Faktor Ikatan Fiber-Matrik ... 10
2.1.3 Faktor Ikatan Filler-Matrik ... 10
2.1.4 Pembebanan ... 12
2.1.5 Daya Serap Air ... 13
2.2 Jenis-Jenis Atap ... 13 2.3 Aspal ... 18 2.3.1 Sumber Aspal ... 18 2.3.2 Kandungan Aspal ... 18 2.3.3 Jenis-Jenis Aspal ... 19 2.4 Pasir... 20 2.5 Polipropilen ... 21 2.5.1 Sifat-Sifat Polipropilen ... 22 2.5.2 Mampu Cetak ... 23 2.5.3 Penggunaan Polipropilen ... 23
v
2.6 Serat ... 24
2.6.1 Efek Orientasi Serat Terhadap Kekuatan ... 24
2.6.2 Serat Nanas ... 29
2.6.2.1 Ekstraksi Serat Daun Nanas ... 31
2.6.2.2 Komposisi Kimia ... 33
2.6.2.3 Durability Serat Daun Nanas ... 37
2.6.2.3 Pemanfaatan Serat Daun Nanas ... 38
2.6.2 Serat Gelas ... 39
2.7 Pengujian Sampel... 40
2.7.1 Uji Fisis ... 41
2.7.1.1 Kerapatan ... 41
2.7.1.2 Pengujian Daya Serap Air ... 41
2.7.2 Sifat Mekanik ... 42
2.7.2.1 Kuat Lentur ... 42
2.7.2.2 Kekuatan Impak ... 43
2.7.2.3 Kekuatan Tarik ... 45
2.7.3 Pengujian Termal ... 47
2.7.3 Scanning Electron Microscopy ... 48
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... .. 56
3.1 Tempat Penelitian ... 56
3.2 Peralatan dan Bahan ... 56
3.2.1 Peralatan ... 56
3.2.2 Bahan ... 56
3.3 Prosedur Penelitian ... 57
3.4 Prosedur Pengujian ... 58
3.4.1 Uji Kerapatan ... 58
3.4.2 Uji Daya Serap Air... 59
3.4.3 Uji Lentur ... 59
3.4.4 Uji Impak ... 60
3.4.5 Uji Tarik ... 60
3.4.6 Uji Termal ... 61
3.4.6 Pengujian Dengan SEM ... 61
vi
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... .. 64
4.1 Sifat Fisis ... 64
4.1.1 Kerapatan ... 64
4.1.2 Daya Serap Air ... 66
4.2 Sifat Mekanik Genteng Komposit Polimer ... 67
4.2.1 Kekuatan Tarik ... 67
4.2.2 Kuat Lentur ... 69
4.2.3 Kuat Impak ... 71
4.3 Titik Bakar dan Titik Nyala ... 73
4.4 Pengujian Terhadap Sampel dengan Orientasi Serat ... 75
4.5 Analisis Hasil pengujian dengan SEM ... .. 79
BAB V KESIMPULAN ... .. 83
5.1 Kesimpulan ... 83
5.1 Saran ... 83
vii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1.Komposisi Komposit ... 5
Gambar 2.2 Struktur Bagan Komposit... 9
Gambar 2.3 Hubungan Antara Model Kegagalan, Kekuatan, dan Orientasi Serat26 Gambar 2.4 Grafik Regangan-Tegangan pada Serat dengan Variasi Orientasi .... 28
Gambar 2.5Alat Pengujian Impak ... 44
Gambar 2.6 Alat Uji Tarik ... 46
Gambar 2.7 Grafik Tegangan Regangan ... 47
Gambar 2.8 Skema Kerja Alat Uji Nyala ... 48
Gambar 2.9 Skema SEM... 51
Gambar 2.10 Sinyal-Sinyal Yang Dihasilkan SEM ... 52
Gambar 2.11 Perbandingan Gambar Dari Sinyal Yang Dihasilkan SEM ... 53
Gambar 2.12 Mekanisme Kontras dari Elektron Sekunder ... 53
Gambar 2.13 Mekanisme Kontras Dari Backscattered Electron Secunder ... 54
Gambar 2.14 Contoh Diagram Hasil EDS ... 55
Gambar 2.15 Contoh Hasil EDS ... 55
Gambar 3.1 Ukuran sampel Uji Lentur Sesuai ASTM-638 ... 59
Gambar 3.2 Ukuran sampel Uji Impak Sesuai ASTM-638 ... 60
Gambar 3.3 Ukuran sampel Uji Tarik Sesuai ASTM-638 ... 61
Gambar 3.4 Diagram Alir Penelitian ... 63
Gambar 4.1 Grafik Kerapatan-Komposisi Pasir:Serat ... 65
Gambar 4.2 Grafik Daya Serap Air-Komposisi Pasir:Serat ... 67
Gambar 4.3 Grafik Uji Tarik-Komposisi Pasir:Serat ... 68
Gambar 4.4 Grafik Uji Lentur-Komposisi Pasir:Serat ... 70
Gambar 4.5 Grafik Kuat impak - komposisi material... 72
Gambar 4.6 Grafik kemampuan nyala genteng komposit polimer ... 73
Gambar 4.7 Grafik Jarak Bakar Genteng Polimer ... 74
Gambar 4.8 Grafik Kerapatan Untuk Variasi Orientasi Sudut ... 76
Gambar 4.9 Grafik daya serap air Untuk Variasi Orientasi Sudut ... 76
Gambar 4.10 Grafik Kuat Tarik Untuk Variasi Orientasi Sudut ... 77
Gambar 4.11 Grafik Kuat Lentur Untuk Variasi Orientasi Sudut ... 78
Gambar 4.12 Grafik Kuat Impak Untuk Variasi Orientasi Sudut ... 78
viii
Gambar 4.14 Hasil SEM Genteng Polimer tanpa Serat Untuk Perbesaran
100, 200, 1000, 1500, 2000, dan 3000 kali ... 80 Gambar 4.15 Hasil SEM Genteng Polimer Dengan Serat 4% Serat Untuk
ix
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Keuntungan dan Kerugian Komposit ... 6
Tabel 2.2 Data Jenis Pengujian dan Persyaratan Aspal Tipe Grade 60/70 ... 20
Tabel 2.3 Karakteristik Fisis Serat Daun Nanas ... 30
Tabel 2.4 Komposisi Kimia Serat Nanas ... 33
Tabel 2.5 Komposisi Kimia Serat Nanas Pada Metode Pemisahan Serat ... 35
Tabel 2.6 Perubahan Komposisi Kimia Serat Nanas ... 35
Tabel 2.7 Karakteristik Serat Daun Nanas ... 35
Tabel 2.8 Sifat-Sifat Beberapa Jenis Serat Alam ... 36
Tabel 2.9 Tenacity dan Elongation Serat Nanas ... 37
Tabel 2.10 Properties Benang dari Serat Nanas ... 38
Tabel 2.11 Perbandingan antara Serat Alami dan Serat Gelas ... 40
Tabel 3.1 Komposisi Bahan ... 58
Tabel 4.1 Nilai Kerapatan Rata-Rata ... 64
Tabel 4.2 Nilai rata-rata daya serap air genteng komposit polimer ... 66
Tabel 4.3 Nilai rata-rata kuat tarik ... 68
Tabel 4.4 Nilai rata-rata kuat lentur ... 70
Tabel 4.5 Nilai rata-rata kuat impak ... 71
x
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Uji Kerapatan ... 87
Lampiran 2 Uji Daya Serap Air ... 88
Lampiran 3 Uji Tarik ... 89
Lampiran 4 Uji Lentur ... 90
Lampiran 5 Uji Impak ... 91
Lampiran 6 Uji Nyala dan Uji Bakar ... 92
Lampiran 7 Uji Kerapatan (Untuk Orientasi Sudut) ... 93
Lampiran 8 Uji Daya Serap Air (Untuk Orientasi Sudut) ... 94
Lampiran 9 Kuat Lentur Untuk Orientasi Serat ... 95
Lampiran 10 Kuat Impak Untuk Orientasi Serat ... 96
Lampiran 11 Kuat Tarik Untuk Orientasi Serat ... 97 Lampiran 12 Waktu Nyala dan Jarak Bakar Untuk Oriantasi Sudut 45° dan 90° 98 Lampiran 13 Foto-Foto Dokumentasi
Lampiran 14 Standar Nasional Indonesia Genteng Beton Lampiran 15 Standar Genteng Ukraina
