Sabut KelapaDengan Matrik Polyester Terhadap Kekuatan Mekanis Material Komposit

(1)

Edisi 8 No 1 April 2016

Pengaruh

Perbandingan

Volume

Serat

Sabut

KelapaDengan Matrik

Polyester

Terhadap Kekuatan

Mekanis Material Komposit

Khanif Setiawan 1_{, Bambang Sugiantoro} 2_{, Lutfi Ikhsan Nasif}3 1,2,3_{Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto,}

Jl. Semingkir No. 1 Purwokerto email : hanif.sttw@gmail.com,

Abstrak

Dalam ilmu perkembangan pengetahuan dan teknologi komposit mulai bergeser dari serat sintetis ke serat alami, pemanfaatan material komposit pada saat ini semakin berkembang, seiring dengan meningkatnya penggunaan bahan tersebut yang semakin meluas mulai dari yang sederhana seperti alat-alat rumah tangga sampai sektor industri. Tujuan dalam penelitian ini untuk mendeskripsikan hasil pengujian pengaruh perbandingan volume serat sabut kelapa terhadap pengujian tarik, pengujian impack dan struktur makro. Serat tersebut diharapkan dapat menghasilkan komposit yang lebih keras dan lebih ulet. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan spesimen baru menggunakan variasi volume serat 30%, 40% dan 50%. Penelitian yang dilakukan adalah penelitian eksperimen yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi volume serat. Dalam penelitian ini material benda kerja yang digunakan sebanyak 18 buah. Dari hasil penelitian tersebut lebih baik menggunakan serat sabut kelapa 30% dan resin 70% yang menghasilkan kuat tarik sebesar 18,6 N/mm². Dan untuk pengujian impack sebaiknya menggunakan 50% serat sabut kelapa 50% resin yang menghasilkan 0,0186 J/mm2_{. Jadi dengan komposisi yang menggunakan resin lebih banyak} dibandingkan serat akan menghasilkan kekuatan tarik yang baik, dan jika dengan komposisi resin dan serat seimbang akan menghasilkan harga impack yang baik.

Kata kunci : Serat sabut kelapa, matrik, kekuatan mekanis

1. Pendahuluan

Perkembangan penggunaan bahan komposit berbahan alam (Natural Composite/Naco) dalam bidang industri otomotif saat ini mengalami perkembangan yang sangat pesat dan berusaha menggeser keberadaan bahan sintetis yang sudah biasa dipergunakan sebagai penguat pada bahan komposit seperti, E-Glass, Kevlar-49, Carbon/Graphite, Silicone Carbide, Aluminium Oxide dan

Boron[1]_{. Sebagai contoh, PT. Toyota di Jepang telah memanfaatkan bahan komposit berpenguat} serat kenaf sebagai komponen panelinterior mobil. Selain itu, produsen mobil Daimler-Bens telah memanfaatkan serat abaca sebagai penguat bahan komposit untuk dashboard. Penggunaan bahan serat alam ini lebih disukai karena disamping biayanya relatif lebih murah juga bersifat ramah lingkungan[2]_{. Tanaman kelapa merupakan tanaman yang banyak dijumpai di seluruh pelosok} Nusantara, sehingga hasil alam berupa kelapa di Indonesia sangat melimpah. Sampai saat ini pemanfaatan limbah berupa sabut kelapa masih terbatas pada industri-industri mebel dan kerajinan rumah tangga dan belum diolah menjadi produk teknologi. Limbah serat buah kelapa sangat potensial digunakan sebagai penguat bahan baru pada komposit[3]_{.Beberapa keistimewaan} pemanfaatan serat sabut kelapa sebagai bahan baru rekayasa antara lain menghasilkan bahan baru komposit alam yang ramah lingkungan dan mendukung gagasan pemanfaatan serat sabut kelapa menjadi produk yang memiliki nilai ekonomi, nilai teknologi tinggi dan juga dapat diperbarui. Untuk mencapai tujuan tersebut maka perlu dilakukan adanya penelitian tentang pemanfaatan limbah serat sabut kelapa sebagai bahan penguat komposit.

(2)

Pada umumnya bahan komposit terdiri dari dua unsur, yaitu serat (fiber) dan bahan pengikat serat-serat tersebut yang disebut matriks. Komposit juga dapat dibentuk dari kombinasi dua atau lebih material, baik logam, organik ataupun anorganik. Kombinasi material yang mungkin di dalam komposit tidak terbatas, namun unsur pokok dari bentuknya terbatas. Unsur pokok dalam komposit adalah serat, partikel, lamina atau lapisan, flake, filler dan matriks. Matrik adalah unsur pokok tubuh komposit yang menjadi bagian penutup dan pengikat struktur komposit. Serat, partikel, lamina (lapisan), flake, filler dan matriks merupakan unsur pokok struktur karena unsur tersebut menentukan struktur karena unsur tersebut menentukan struktur internal komposit[5]_.

Unsur utama komposit adalah serat, serat inilah yang terutama menentukan karakteristik bahan komposit, seperti kekakuan, kekuatan serta sifat-sifat mekanik yang lainnya. Seratlah yang menahan sebagian besar gaya-gaya yang bekerja pada bahan komposit, sedangkan matriks bertugas melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik. Salah satu keuntungan material komposit adalah kemampuan material tersebut untuk diarahkan sehingga kekuatannya dapat diatur hanya pada arah tertentu yang kita kehendaki[6]_{. Hal ini dinamakan "}_{Tailoring Properties}_{" ini adalah} salah satu sifat istimewa komposit dibandingkan dengan material konvensional lainnya. Selain kuat, kaku dan ringan komposit juga memiliki ketahanan terhadap korosi yang tinggi serta memiliki ketahanan yang tinggi pula terhadap beban dinamis[7] _{oleh karena itu, untuk bahan serat digunakan} bahan yang kuat, kaku dan getas, sedangkan bahan matriks dipilih bahan-bahan yang liat dan lunak. Selain itu, keuntungan lain penggunaan komposit antara lain ringan, tahan korosi, tahan air,

performance-nya menarik, tanpa proses pemesinan dan beban konstruksi juga menjadi lebih ringan.

Komposit sendiri dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam diantaranya adalah komposit partikulat, komposit fiber dan komposit structure. Dimana pada komposit fiber dapat dibagi menjadi dua yaitu continuous dan discontinuous[8]_.

Dalam struktur komposit, bahan komposit partikel tersusun dari partikel-partikel disebut bahan komposit partikel (particulate composite). Menurut definisinya partikelnya berbentuk beberapa macam seperti bulat, kubik, tetragonal atau bahkan bentuk-bentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi secara rata-rata berdimensi sama. Bahan komposit partikel umumnya digunakan sebagai pengisi dan penguat bahan komposit keramik (ceramic matrik composite). Bahan komposit partikel pada umumnya lebih lemah dibanding bahan komposit serat. Bahan komposit partikel mempunyai keunggulan, seperti ketahanan terhadap aus, tidak mudah retak dan mempunyai daya pengikat dengan matrik yang baik. Unsur utama komposit adalah serat yang mempunyai banyak keunggulan, oleh karena itu bahan komposit serat yang paling banyak dipakai. Bahan Komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat oleh matrik yang saling berhubungan. Bahan komposit serat ini terdiri dari dua macam, yaitu serat panjang (continuos fiber) dan serat pendek (short fiber atau

whisker). Dalam penelitian ini diambil bahan komposit serat (fiber composite). Pengunaan bahan komposit serat sangat efisien dalam menerima beban dan gaya. Karena itu bahan komposit serat sangat kuat dan kaku bila dibebani searah serat, sebaliknya sangat lemah bila dibebani dalam arah tegak lurus serat[9]_. _{Secara garis besar dapat disebutkan bahwa serat alam adalah kelompok serat} yang dihasilkan dari tumbuhan, binatang dan mineral. Penggunaan serat alam pada industri tekstil dan kertas secara luas tersedia dalam bentuk serat sutera, kapas, kapuk, rami kasar (flak), goni, rami halus dan serat daun. Disamping serat alami ini digunakan pada industri tekstil dan kertas, komposit dengan serat alam ini digunakan juga sebagai bahan interior otomotif dan pesawat terbang dan penelitian komposit dengan serat alam ini masih diteliti dan dikaji sampai sekarang[10]_.

(3)

Edisi 8 No 1 April 2016 ISSN 1978-2497

ITEKS

Intuisi Teknologi Dan Seni

==============================================================

3

Tabel 1.1 Komposisi unsur kimia serat alam[7]

Serat Sifat mekanis dan dimensi dari beberapa serat alam dapat ditunjukan pada tabel 1.2 berikut:

Tabel 1.2 Sifat mekanis dan dimensi dari beberapa serat alam[4]

Salah satu faktor yang sangat penting dalam menentukan karakteristik material komposit Salah satu faktor yang sangat penting dalam menentukan karakteristik material komposit adalah kandungan/prosentase antara matriks dan serat. Sebelum melakukan proses pencetakan komposit, telebih dahulu dilakukan penghitungan mengenai volume skin atau layer komposit (Vskin atau layer), volume serat (Vserat), massa serat (mserat) sebelum komposit dicetak. Volume Skin/Layer (Vskin) di cari dengan persamaan 2.1, 2.2.dan 2.3.

Vskin=pskin lskin tskin……….(Pers 1.1)[2]

di mana :

Vskin = Volume skin/layer sebelum dicetak (cm3) pskin = Panjang skin/layer sebelum dicetak (cm) lskin = Lebar skin/layer sebelum dicetak (cm) tskin = Tinggi skin/layer sebelum dicetak (cm)

(4)

ITEKS

Intuisi Teknologi Dan Seni

==============================================================

4

di mana :

Vskin =Volume skin/layer sebelum dicetak (cm3) Vserat =Volume serat sebelum dicetak (cm3) Fraksi volume=Fraksi volume (%)

Massa Serat (mserat)t =Vserat.ρserat…..(Pers 1.3)[4]

di mana :

mserat=Massa serat sebelum dicetak (gr) Vserat=Volume serat sebelum dicetak (cm3)

ρserat=Massa jenis serat sebelum dicetak (gr/cm3)

Volume Matrik Vm=FRAKSImatrik.Vskin……(Pers 1.4)[4] di mana :

Vm=Volume matrik (cm3)

FRAKSImatrik=fraksi matrik yang digunakan (%) Vkatalis = Vm . FRAKSIkatalis

Vkatalis = volume katalis (cm3)

FRAKSIkatalis=fraksi katalis yang digunakan (%)

2. Metode Penelitian

(5)

ITEKS

Intuisi Teknologi Dan Seni

==============================================================

5

2.4 Pengujian Specimen Tarik

Salah satu pengujian tegangan dan regangan (stress strain test) adalah pengujian tarik (tension test). Dari pengujian ini dapat kita ketahui beberapa sifatmekanik material yang sangat dibutuhkan dalam desain rekayasa. Sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.2. Pengujian Tarik[3]

Dari pengujian ini adalah grafik beban versus perpanjangan (elongation). Beban dan elongation /Engineering Stress (σ) dihitung dengan persamaan 2.1

𝜎_AoF………(Pers 2.1)

di mana :

σ=Engineering Stress (tegangan) (N/m²).

F=Beban yang diberikan dalam arah tegak lurus terhadap penampang spesimen (N). Ao =Luas penampang mula-mula spesimen sebelum diberikan pembebanan (m2_).

Engineering Strain (ε) dihitung dengan persamaan 2.3, sebagai berikut,

ε𝑙𝑖−𝑙𝑜_𝑙𝑜 ∆𝐿/𝑙𝑜………..(Pers 2.3)

Di mana :

ε=Engineering Strain (regangan).

lo=Panjang mula-mula spesimen sebelum diberikan pembebanan. li=Panjang spesimen setelah ditarik.

2.5 Beban Impak

(6)

ITEKS

Intuisi Teknologi Dan Seni

==============================================================

6

struktur dan struktur secara keseluruhan terhadap beban impak, analisis kekuatan struktur terhadap beban impak yang tertera pada gambar 2.9 dibawah.

Gambar 2.3. Analisis kekuatan struktur terhadap beban impak[11]

2.1. Variabel Penelitian

a. Variabel Bebas; Dalam penelitian komposit dengan serat sabut kelapa yang dilakukan pengujian tarik dan pengujian impak, yang menjadi variable bebas adalah fraksi volume serat 30%, 40% dan 50%.

b. Variabel Terikat; Dalam penelitian komposit dengan serat sabut kelapa yang dilakukan pengujian tarik dan pengujian impack ,ini yang menjadi variable terikat adalah kekuatan dengan serat sabut kelapa dan kekuatan impack komposit dengan serat sabut kelapa.

c. Variabel Kontrol; Dalam penelitian komposit dengan serat sabut kelapa yang dilakukan pengujian tarik dan pengujian impack ini variable kontrolnya adalah jenis matrik dan jenis material pengisinya. Matriks atau pengikat serat yang digunakan adalah jenis Resin Polyester Unsaturated Polyester sedangkan jenis material pengisinya adalah Serat Acak (Randomly) serat sabut kelapa.

2.2 Uji Tarik

Mesin yang digunakan untuk uji tarik sebisa mungkin mampu menjaga agar kecepatan pembebanan tarik tetap konstan selama pengujian. Uji Tarik ini menggunakan uji tarik Servopulser yang ada di Laboratorium Ilmu Bahan Diploma Teknik Mesin universitas Gajah Mada Yogyakarta.

2.3 Mesin Uji Impack

Uji impack dilakukan dengan tujuan mengetahui karakteristik fracture toughness (crack growth resistance) suatu material. Di industri nuklir, khususnya untuk bejana tekan reaktor nuklir, uji impack banyak dilakukan dalam kaitannya dengan Surveillance Test Program, yaitu pengujian-pengujian terhadap material untuk mengetahui derajat penggetasan (embrittlement) yang diakibatkan oleh pemanasan dan iradiasi neutron. Hasil-hasil pengujian ini selanjutnya akan digunakan untuk melakukan kajian integritas struktur bejana tekan reaktor. Matrik yang digunakan adalah jenis

(7)

Tabel 3.1 Data hasil pengujian tarik komposit serat sabut kelapa.

Rumus dan Perhitungan tegangan tarik komposit 30%, 40% dan 60% serat sabut kelapa.Untuk menghitung tegangan tarik, spesmen 1 dengan memasukan persamaan

a) Fraksi komposit serat 30% serat sabut kelapa. Spesmen 1σ = 𝑃

𝐴𝑜

= 1900 𝑁

102,09 𝑚𝑚2

= 19 N/mm2

b) Fraksi komposit serat 40% serat sabut kelapa Spesmen 1σ = 𝑃

𝐴𝑜

= 1980 𝑁

110,39 𝑚𝑚2 = 18 N/mm2

c) Fraksi kompsosit serat 50% serat sabut kelapa Spesmen 1σ= 𝑃 menghitung regangan tarik, spesmen 1 dengan memasukkan persamaan

a) Fraksi komposit 30% serat sabut kelapa Spesmen 1 ɛ = 𝐴𝐿

𝐿𝑜𝑥 100%

= 7,9 mm

50 mm𝑥 100% = 16%

b) Fraksi komposit serat 40% serat sabut kelapa Spesmen 1 ɛ = 𝐴𝐿

𝐿𝑜𝑥 100%

= 22,2 mm

50 mm 𝑥 100% = 44 %

c) Fraksi komposit serat 50% serat sabut kelapa = 1000 𝑁

88,04 𝑚𝑚2 = 11 N/mm2

No Spesimen Lebar Tebal Tegangan Regangan

(8)

Tabel 3.2 Data hasil pengujian tarik serat sabut kelapa

Variasi Sabut Kelapa Tegangan Max _ɛ

( σU ) hasil pengujian tarik serat sabut kelapa dijelaskan pada grafik 3.1

Gambar 3.1 Grafik,a,b,c adalah hasil uji tarik 3 specimen fraksi volume serat sabut kelapa hubungannya dengan regangan tarik.

3.1. Data Pengujian Impack

Hasil pengujian Impack dilakukan menggunakan palu seberat 20 kg, serta dilakukan pada posisi tengah menggunakan Metode Carpy, panjang lengan palu 0,8 m, menggunakan standard ASTM 23. Hasil pengujian spesmen dengan 30%, 40% dan 50% sabut kelapa pada campuran resin dan katalis. Contoh analisa perhitungan uji impack untuk spesmen 30% serat sabut kelapa adalah sebagai berikut :

a

b

(9)

Pengujian impack komposit serat sabut kelapa masing-masing sampel dilakukan pengujian 3 kali, karena pada penelitian ini menggunakan 3 sampel dan masing-masing sampel dilakukan pengujian 3 kali maka jumlah total 9 kali pengujian. Data uji impack dengan masing-masing spesimen menggunakan mesin uji impack, didapat data harga impack. Data dan hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.2

Tabel 3.3 Data hasil pengujian impack komposit serat sabut kelapa

Tabel 4.2 menunjukan hasil pengujian impack spesmen dengan fraksi volume serat 30%, 40% dan 50% serat sabut kelapa, perbandingan harga impack rata-rata dilihat pada gambar 3.2

(10)

ITEKS

Intuisi Teknologi Dan Seni

==============================================================

10

4.3 Pengujian Struktur Makro

Pada penelitian ini sifat komposit serat sabut kelapa dengan masing-masing fraksi volume 30%, 40% dan 50%, agar lebih bisa diketahui susunan partikel serat sabut kelapa dilakukan pengambilan foto makro pada hasil patahan pengujian tarik. Foto makro ini menggunakan perbesaran 10x, berikut ini adalah hasil foto makro pengujian tarik komposit serat sabut kelapa. Foto struktur makro komposit serat sabut kelapa dengan fraksi volume 30%, 40% dan 50 % sebagai berikut,

Gambar 3.3 Foto makro serat sabut kelapa 30%, 40% dan 50% setelah uji tarik.

Hasil uji variasi serat terhadap kekuatan tarik dapat dilihat pada tabel 4.4 Tabel 3.4 Data hasil uji variasi serat terhadap kekuatan tarik

Spesmen 30% 40% 50%

1 19 18 11

2 10 13 8

3 27 3 11

Total 56 34 30

Observasi 3 3 3

Rata-rata 18,6 11,3 10

Berdasarkan analisa diatas dapat diambil kesimpulan bahwa kekuatan tarik maksimal dihasilkan pada komposisi serat sabut kelapa sebesar 30% yaitu dengan rata-rata 18,6 N/mm2_{. Akan tetapi pada regangan yang dihasilkan terbesar pada komposisi serta sabut}

(a) Foto makro serat sabut kelapa

30% setelah uji tarik (b) Foto makro serat sabut kelapa 40% _{setelah uji tarik}

(11)

Edisi 8 No 1 April 2016 komposisi serat sabut kelapa sebesar 50% yaitu dengan rata-rata 0,0186 J/mm2_{. Setelah data} hasil pengujian didapat maka diketahui pernyataan sebagai berikut :

a.

Penambahan fraksi volume serat sabut kelapa komposit ada pengaruh terhadap kekuatan tarik dan impak. Di karenakan terdapat kenaikan volume serat di 30%, karena lebih banyak campuran resinnya. Sedangkan untuk impack fraksi kenaikan terbesar terjadi di fraksi volume 50% karena lebih banyak campuran seratnya.

b.

Dari penelitian diperoleh besarnya kekuatan tegangan tarik rata-rata pada fraksi volume serat sabut kelapa 30% sebesar 18,6 Mpa, fraksi volume serat sabut kelapa 40% sebesar 11,3 Mpa, fraksi volume serat sabut kelapa 50% sebesar 10 Mpa. Hasil analisis data yang dilakukan diperoleh ada pengaruh positif terhadap kekuatan tarik, itu dibuktikan dengan adanya kenaikan kekuatan tarik dari fraksi volume serat 30% ke 40% dan 50%. Kemudian kekuatan tarik terbesar terjadi pada fraksi volume 30%. Maka atas dasar hasil pengolahan dan interprestasi data diatas dapat disimpulkan bahwa ada pengaruh kekuatan tarik yang dihasilkan apabila fraksi volume partikel-partikel matrik pada serat sabut kelapa dikurangi jadi kekuatan tarik dipengaruhi banyaknya campuran resin dan katalis.

c.

Dari penelitian diperoleh besarnya harga impack rata-rata pada fraksi volume serat sabut kelapa 30% sebesar 0,0163 J/mm2, fraksi volume serat sabut kelapa 40% sebesar 0,0116 J/mm2_{, fraksi volume serat sabut kelapa 50% sebesar 0,0186 J/mm}2_. Hasil analisis data yang dilakukan diperoleh ada pengaruh negatif terhadap harga impack, itu dibuktikan dengan adanya penurunan harga impack pada komposisi 40% serat sabut kelapa. Kemudian harga impack rata-rata terbesar terjadi pada fraksi volume 50%. Maka atas dasar hasil pengolahan dan interprestasi data diatas dapat disimpulkan bahwa ada pengaruh harga impack yang dihasilkan terhadap fraksi volume partikel-partikel matrik pada komposit serat sabut kelapa.

4. Kesimpulan Dan Saran 4.1.Kesimpulan

Setelah dilakukan penelitian dan pengujian terhadap komposit sabut kelapa dan plastik dimana pengujian tersebut meliputi pengujian kekuatan tarik, pengujian impack dan pengamatan dengan foto makro dapat diperoleh data-data yang dihasilkan dari masing-masing spesimen, maka di ambil kesimpulan sebagai berikut :

a. Pada pengujian tarik, kekuatan tarik mengalami kenaikan dari fraksi volume serat 30% ke 40% dan dari 40% ke 50%, dimana kekuatan tarik terbesar terjadi pada fraksi volume serat 30% yaitu sebesar 18,6 N/mm2_{,itu diakibatkan pada} proses pengepresan spesimen kurang merata dan kurang menyatu antara serat dan resin.

b. Pada pengujian impack, harga impack mengalmi penurunan dari 30% ke 50%, dimana harga impack terbesar dihasilkan pada komposisi serat sabut kelapa 50% yaitu sebesar 0,0186 J/mm2_.

4.2.Saran

(12)

ITEKS

Intuisi Teknologi Dan Seni

==============================================================

12

2. Void diusahakan seminimal mungkin dalam proses pembuatan komposit serat sabut kelapa, penyebaran serat sabut kelapa harus benar-benar merata sehingga akan menghasilkan kekuatan dan kekakuan yang baik dan ketepatan dalam pengujian, dan untuk meminimalisir terjadinya void agar pencampuran antara serat dan matrik dapat dilakukan dengan menggunakan alat pres yang baik, tidak menggunakan alat pres sederhana pada penelitian ini, dan juga dibutuhkan ketelitian dalam penempatan serat pada pembuatan komposit.

5. Referensi

[1] http://id.wikipedia.org/wiki/materialkomposit

[2] Jamasri, 2002, Buku Pegangan Kuliah Komposit, Surakarta [3] http://www.technovelgy.com

[4] Jones, R. M., 1975. “Mechanics of Composite Materials”, Scripta Book Company,

Washington D.C., USA.

[5] Kaw A.K., Mechanics of Composite materials, CRC Press, New York. 1997.

[6] Purwanto, Eko H., Sifat Fisis Dan Mekanis Fraksi Volume 5%,10%,15%, 20%, 25%

Core Arang Bambu Apus Pada Komposit Sandwich Dengan Cara Tuang,

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta,2009.

[7] Arif, Yunito Akhmad, 2008, Analisa Pengaruh Fraksi Volume Serat Kelapa Pada

Komposit Matriks Polyester Terhadap Kekuatan Tarik, Impact Dan Bending,

Teknik Material, ITS, Surabaya.

[8] Karnani R dan kawan-kawan, 1997, Biofiber-reinforces Polypropylene Composites, Polymer engineering and Science, vol. 37 No. 2 pp. 476-483.

[9] Mahendra Kalis, 2008, Analisis Sifat Fisis Dan Mekanis Papan Partikel Berbahan Baku Serbuk Sabut Kelapa Dengan Kadar Perekat UF Yang Berbeda, Skripsi Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta

[10] Yanuar D., dan Kuncoro Diharjo, 2003. “ Karakteristik Mekanis Komposit Sandwich Serat Gelas Serat Chopped Strand Mat Dengan Penambahan Lapisan Gel

Coat”, Skripsi, Teknik Mesin FT UNS, Surakarta.