KARAKTERISTIK IMPAK KOMPOSIT UNSATURATED
POLYESTER BERPENGUAT SERAT BATANG PISANG
Kaleb Priyanto1*, Lujeng Widodo2, Nurfaizi Yoga3 Jurusan Teknik Mesin, Akademi Teknologi Warga Surakarta1,3
Jurusan Teknik Tekstil, Akademi Teknologi Warga Surakarta2 *E-mail:kaleb.atw@gmail.com
ABSTRAK
Komposit merupakan salah satu material alternatif yang memiliki peluang untuk menggantikan material logam, khususnya untuk kebutuhan material yang kuat, ringan, dan anti korosi. Pemilihan serat batang pisang untuk bahan penguat komposit sebagai bahan penelitian didasarkan pada pertimbangan atas potensi melimpahnya serat batang pisang di Indonesia dan belum banyak dimanfaatkan dengan baik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui harga impak dan energi serap rata-rata komposit serat batang pisang dengan Matriks polyester.Pengujian impak dilakukan berdasarkan ASTM D 6110-10. Serat batang pisang yang panjang dan kering dipotong sehingga menghasilkan ukuran 13 cm sesuai panjang cetakannya. Fraksi berat serat batang pisang masing-masing spesimen ditentukan sebesar 5%, 10% dan 15% digabungkan dengan konstituen matriks secara acak ke dalam cetakan. Pengujian impak dilakukan terhadap tiga spesimen tiap variasi. Harga impak dan energi serap diperoleh dari rata-rata nilai pengujian sampel spesimen komposit..Hasil penelitian menunjukkan bahwa terjadi peningkatan ketangguhan impak dari spesimen komposit seiring bertambah banyaknya fraksi berat serat hingga 15% fraksi berat serat di dalam komposit. Nilai pengujian impak komposit polyester berpenguat serat batang pisang didapatkan harga impak maksimal yaitu sebesar 0,012 J/mm², sedangkan energi serap yang paling tinggi yaitu sebesar 1,693 J. Model patahan yang terjadi pada spesimen yang telah mengakami pengujian impak menunjukkan kegagalan
brittle failure untuk spesimen dengan persentase fraksi berat serat terendah. Di sisi lain, kegagalan
pada spesimen dengan persentase fraksi berat serat tertinggi didominasi oleh terjadinya fiber pull out. Kata Kunci: Komposit, batang pisang, serat, poliester, impak
ABSTRACT
Composite is an alternative material that has the opportunity to replace metal materials, especially for the needs of strong, lightweight, and anti-corrosion materials. The selection of banana stem fiber for composite reinforcement material as research material is based on consideration of the potential abundance of banana stem fiber in Indonesia and has not been well utilized. The purpose of this study was to determine the impact value and average absorption of banana stem fiber composites with polyester matrix. Impact testing was carried out based on ASTM D 6110-10. Long, dry banana stem fibers are cut to produce a size of 13 cm according to the length of the mold. The weight fraction of banana stem fibers of each spesimen determined at 5%, 10%, and 15% were combined with random matrix constituents into the mold. Impact testing was carried out on three spesimens per variation. The impact value and absorption energy are obtained from the average value of composite spesimen samples. The research results show that there is an increase in the impact toughness of the composite spesimens as the number of fiber weight fractions increases to 15% of the fiber weight fraction in the composite. The impact test value of polyester composite reinforced banana stem fiber obtained the
model that occurs in spesimens that have been subjected to impact testing shows brittle failure for spesimens with a percentage lowest fiber weight fraction. On the other hand, the failure of the spesimen with the highest percentage of fiber weight fraction is dominated by the occurrence of fiber pull out.
Keywords: composites, banana stem, fiber,polyester, impact
1. PENDAHULUAN
Material komposit adalah material yang menggabungkan sifat-sifat dari dua atau lebih material sehingga membentuk material baru yang memiliki keunggulan sifat masing-masing material tersebut. Penggunaan bahan komposit sebagai pengganti logam dalam bidang rekayasa sudah semakin meluas, tidak hanya dalam bidang transportasi tetapi juga merambah bidang lainnya seperti properti, arsitektur dan lain sebagainya. Komposit bermatriks polimer memiliki sifat ringan, tahan korosi, tahan air, dan dapat dibentuk tanpa proses pemesinan. Karena sifat panel komposit yang ringan, maka beban akibat konstruksi tersebut juga menjadi lebih ringan. Harga produk komponen yang dibuat dari komposit dapat turun (cost reduction) hingga 60% dibandingkan dengan produk logam [1]. Pemilihan serat alam sebagai penguat komposit bermatriks polimer menjadi salah satu faktor yang mempengaruhi penurunan biaya produksi material. Salah satu jenis serat yang dapat dimanfaatkan sebagai penguat adalah serat batang pohon pisang. Jenis serat tersebut memiliki sifat mekanis yang cukup baik. Yuliono melalui hasil penelitiannya mengungkapkan nilai tegangan tarik maksimum tali dari serat batang pisang berdiameter 10 mm pada orde 14x105
sebesar 16x105 kg/m2 [2]. Nopriantina, dkk melakukan penelitian mengenai pengaruh
ketebalan serat pelepah pisang kepok (Musa paradisiaca) terhadap karakteristik mekanik komposit poliester - serat alam. Metode hand lay-up digunakan di dalam penelitian tersebut untuk pembuatan spesimen komposit dengan mengacu pada ASTM D-4762. Pengujian kuat tekan dilakukan berdasarkan ASTM D-695 dan kuat tarik berdasarkan ASTM D-638. Nilai kuat tekan komposit maksimum sebesar 12,92 N/mm2 diperoleh pada penambahan serat
dengan variasi ketebalan 0,70 mm, di sisi lain, kuat tarik komposit maksimum 2,53 N/mm2
diperoleh pada penambahan serat dengan ketebalan 0,82 mm[3]. Pisang merupakan tanaman semak yang berbatang semu (pseudostem) tingginya bervariasi antara 1-4 meter, tergantung varietasnya.Daunnya melebar, panjang, tulang daunnya, dan tepinya tidak mempunyai ikatan yang kompak sehingga mudah robek bila terkena tiupan angin kencang. Batangnya mempunyai bonggol (umbi) yang besar sekali dan terdapat banyak mata yang bisa menjadi tunas anakan. Bunganya tunggal, keluar pada ujung batang dan hanya sekali berbunga seumur hidupnya (manokropik).
Witono, dkk, mengungkapkan bahwa perlakuan alkalisasi dengan menggunakan NaOH merupakan salah satu cara yang dilakukan pada serat terlebih khusus serat alam sebelum digunakan sebagai penguat untuk material komposit dengan fungsi agar serat terhidar dari zat-zat pengotor yang tidak perlu. Fungsi alkalisasi pada serat adalah memutus ikatan kimia
lignin dengan cellulose, Lignin merupakan kandungan kimia yang menyerupai lilin dan dapat
dalam waktu tertentu. Terlebih khusus pada penelitian kali ini, perlakuan alkalisasi serat batang pisang dilakukan dengan presentase sebesar 5% dalam waktu perendaman 2 jam[4].
Unsaturated polyester merupakan thermoset yang paling banyak digunakan terutama
untuk aplikasi konstruksi ringan oleh karena karakteristiknya yang khas yaitu dapat dibuat kaku dan fleksibel, transparan, tahan air, tahan kimia dan tahan cuaca, serta dapat diwarnai, memiliki berat jenis 1,19 g/cm3 dan kekuatan tarik 12,07 MPa. Keuntungan lain Matriks
polyester adalah mudah dikombinasikan dengan serat dan dapat digunakan untuk semua
bentuk penguatan plastik. Matriks ini banyak digunakan pada proses hand lay-up dan proses
press mold. Menurut datasheet PT. Justus Sakti Raya, Unsaturated Polyester Resin (UPR)
adalah jenis polimer termoset. UPR terbuat dari reaksi polimerisasi antara asam dikarboksilat dengan glikol. Polimer dilarutkan dalam monomer reaktif seperti styrene untuk menghasilkan cairan dengan viskositas rendah. Ketika mengering, monomer bereaksi dengan ikatan tak jenuh pada polimer dan berubah menjadi struktur termoset padat[5]. Dalam industri komposit, pemakaian Unsaturated Polyester Resin (UPR) adalah sebesar 75% dari total Matriks yang digunakan. Unsaturated Polyester Resin (UPR) merupakan sebuah makromolekul dengan adanya gugus poliester dan tergolong kategori Matriks termoset dimana Matriks ini merupakan produk dari reaksi tahap demi tahap (step-growth) antara asam jenuh seperti asam phtalat atau isophtalat dengan asam tidak jenuh seperti asam maleat atau fumarat yang dikondensasikan dengan alkohol dihidris [6]. UPR berupa Matriks cair dengan viskositas yang cukup rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak Matriks termoset lainnya[7].
Pada pengujian impak, banyaknya energi yang diserap oleh bahan untuk terjadinya perpatahan merupakan ukuran ketahanan impak atau ketangguhan bahan tersebut. Suatu material dikatakan tangguh bila memiliki kemampuan menyerap beban kejut yang besar tanpa terjadinya retak atau terdeformasi dengan mudah. Pada pengujian impak, energi yang diserap oleh benda uji biasanya dinyatakan dalam satuan Joule dan dibaca langsung pada skala (dial) penunjuk yang telah dikalibrasi yang terdapat pada mesin penguji [8]. Alat uji impak charpy terdiri dari tiga bagian utama yaitu skala, pendulum (hammer) dan dudukan (anvil). Skala digunakan untuk menunjukkan perubahan sudut yang terjadi setelah pendulum bergerak untuk mematahkan spesimen. Pendulum (hammer) digunakan untuk mematahkan spesimen, massa pendulum yang digunakan dalam pengujian ini adalah 9,7 Kg dengan jarak antara pusat gravitasi dan sumbu pendulum adalah 0,6 m. Anvil digunakan untuk meletakkan spesimen yang akan diuji.
2. BAHAN DAN METODE
Komposit unsaturated polyester diperkuat serat batang pisang dibuat dengan variasi fraksi berat 5%, 10%, dan 15%. Matriks yang digunakan dalam penelitian ini adalah
unsaturated polyester dengan merk dagang Yucalac BQTN 157 dengan campuran katalis Methyl Ethyl Katone Peroxide (MEXPO). Bentuk serat yang digunakan adalah serat bentuk
acak (random continous). Massa jenis serat batang pisang yang digunakan adalah 1,35 g/cm3.
Pengujian impak komposit menggunakan metode charpy. Alat uji impak ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar 1. Alat Uji impak
Karakterisasi yang dilakukan terhadap komposit serat batang pisang meliputi pengujian impak dan pengamatan foto makro terhadap kegagalan yang dihasilkan.Dimensi cetakan spesimen 132 x 60 x 13 mm. Besarnya energi yang diperlukan pendulum untuk mematahkan spesimen material komposit ditentukan dengan persamaan berikut ini[9]:
E serap = W x R (cos β – cos β’) (1)
Keterangan:
W : Berat beban/pembentur(N)
R : Jarak antara pusat gravitasi dan sumbu pendulum(m)
E : Energi yang terserap(Joule)
β : Sudut ayunan pendulum setelah mematahkanspesimen
β ’ : Sudut ayunan pendulum tanpaspesimen
Setelah diketahui besarnya energi yang diperlukan pendulum untuk mematahkan spesimen, maka
Harga impak (HI) suatu bahan yang diuji dengan metode charpy dirumuskan dengan Persamaan (2):
HI=
(2)
keterangan:
E : Energi yang diserap(Joule)
diinginkan. Serat dicuci lalu direndam kedalam larutan NaOH 5% selama 2 jam. Setelah itu serat dikeringkan di bawah sinar matahari. Proses penyeritan menggunakan dekotikator ditunjukkan oleh Gambar 2a. Gambar 2b menunjukkan bentuk serat yang dihasilkan, sedangkan Gambar 2c menunjukkan proses perendaman serat ke dalam larutan NaOH 5%.
Gambar 2. Proses preparasi serat batang pisang
Matriks dan katalis dicampur lalu dituangkan pada serat secara merata di semua bagian cetakan.Setelah kering dan mengeras, komposit dibentuk sesuai dimensi spesimen uji impak. Spesifikasi spesimen komposit ditunjukkan oleh Tabel 1.
Tabel 1.Variasi komposit
Variasi Serat (g) Matriks
5% 6,12 116
10% 12,25 110
15% 18,37 109
Spesimen yang telah dibentuk sebelum dilakukan pengujian impak ditunjukkan oleh Gambar 3. Spesimen dengan fraksi berat serat 5% diberi kode A1, A2, dan A3. Spesimen dengan fraksi berat serat 10% diberi kode B1, B2, dan B3.Sedangkan spesimen dengan fraksi berat serat 15% diberi kode C1, C2, dan C3.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perbedaan harga impak rata-rata dari masing-masing variasi komposit tidak terlalu signifikan, hal tersebut disebabkan seluruh spesimen menggunakan satu jenis matriks yang sama dengan rentang variasi persentase yang tidak terlalu besar. Gambar 4 menunjukkan harga impak komposit polyester berpenguat serat batang pisang. Data tersebut menunjukkan peningkatan harga impak seiring penambahan fraksi berat serat di dalam komposit. Harga impak paling tinggi yaitu pada fraksi berat 15% yaitu sebesar 0,012 J/mm², sedangkan harga impak terendah berada pada fraksi berat 5% yaitu sebesar 0,008 J/mm². Nilai rata-rata harga impak antara komposit dengan variasi fraksi berat 5% dan 10% tidak jauh berbeda yaitu 0,008 J/mm², namun standar deviasi yang terjadi pada kedua variasi tersebut menunjukkan perbedaan yang signifikan. Komposit dengan fraksi volume 5% memiliki rentang perbedaan harga impak cukup besar antar spesimen. Hal tersebut disebabkan sebaran 5% serat di dalam matriks tidak merata, sedangkan komposit dengan prosentase serat lebih besar menunjukkan homogenitas yang lebih baik.
Gambar 4. Harga Impak komposit serat batang pisang dengan variasi fraksi berat Gambar 5 menunjukkan hasil pengujianspesimen komposit serat batang pisang dengan fraksi berat 5%, 10% dan 15%. Energi serap yang paling tinggi dihasilkan dari pengujian terhadap komposit dengan fraksi berat serat 15% yaitu sebesar 1,693 J, sedangkan energi serap yang terkecil yaitu 1,141 J dihasilkan dari pengujian komposit dengan fraksi berat serat 5%. Hal ini juga sama menunjukkan bahwa semakin besar jumlah serat yang terkandung pada komposit polyester, maka semakin besar energi yang diserap oleh komposit.
Gambar 5.Energi serap rata-rata hasil pengujian impak
Spesimen yang telah mengalami beban impak pada pengujian mekanis diamati
model kegagalannya dengan menggunakan mikroskop optik. Brittle fracture terjadi
pada model kegagalan semua spesimen. Brittle fracture merupakan kegagalan getas
yang sering dialami oleh komposit dengan matriks polyester. Hal tersebut serupa
dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Soemardi, dkk yang menyatakan bahwa
salah satu
modus kegagalan yang terjadi pada komposit rami epoksi adalah brittle failure (getas) khususnya untuk fraksi volume serat 10-30%[10].Model patahan komposit dengan fraksi berat serat 5% ditunjukkan oleh Gambar 6. Pada gambar tersebut, kegagalan impak komposit didominasi oleh adanya brittle fracture dan konsentrasi void. Void merupakan rongga udara yang terjebak di dalam matriks pada saat proses pencetakan. Terbentuknya void cukup sulit dihindari pada material komposit khususnya yang dibuat dengan metode lay up dan press mold. Warna matriks yang lebih cerah pada beberapa bagian, menunjukkan bahwa serat tidak terdistribusi secara homogen. Hal tersebut menjadi penyebab munculnya nilai energi serap yang beragam dan memiliki standar deviasi cukup besar antar spesimen meskipun dengan fraksi berat yang sama.
Gambar 6. Hasil Foto Makro Pengujian Impak Fraksi Berat Serat 5%.
Model patahan komposit dengan fraksi berat serat 10% ditunjukkan oleh Gambar 7. Pada gambar tersebut terlihat adanya fiber pull out. Fiber pull out merupakan model kegagalan komposit serat oleh akibat lemahnya ikatan antarmuka matriks dan penguat. Priyanto (2015) melalui penelitiannya tentang kekuatan bending komposit hybrid mengungkapkan bahwa kegagalan fiber pull out seringkali terjadi pada bagian serat yang tidak terbasahi oleh matriks karena tingginya viskositas matriks sehingga tidak dapat masuk ke dalam tumpukan serat. Hal tersebut terjadi pada spesimen komposit serat batang pisang dengan fraksi berat serat 15%. Fraksi berat serat yang meningkat seiring dengan fraksi berat matriks yang berkurang sehingga berdampak pada ikatan antarmukanya.
Gambar 7. Hasil Foto Makro Pengujian Impak Fraksi Berat Serat 10%.
Gambar 8 menunjukkan model patahan komposit dengan fraksi berat serat 15%. Pada jenis ini, Nampak adanya void yang berada pada permukaan spesimen dan bukan pada patahannya. Void tersebut disebabkan oleh semakin berkurangnya fraksi volume matriks akibat peningkatan fraksi volume serat. Penguatan yang terjadi pada spesimen jenis ini disebabkan oleh konsentrasi serat yang sangat padat yang ditandai dengan warna spesimen yang cenderung lebih gelap.
Gambar 8. Hasil Foto Makro Pengujian Impak Fraksi Berat Serat 15%.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan data hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Komposisi komposit dengan fraksi berat serat 5% memiliki Harga Impak rata-rata terendah yaitu 0,008 J/mm². Namun pada variasi tersebut selisih harga impak antar spesimen cukup tinggi dengan standar deviasi sebesar 0,404. Hal tersebut disebabkan oleh distribusi serat yang tidak homogen khusunya pada titik pembebanan impak. Komposit dengan fraksi berat serat 10% memiliki Harga Impak rata-rata yang sama dengan kombosit yang memiliki fraksi berat serat 5%. Namun harga impak tiap-tiap spesimen lebih seragam. Harga Impak tertinggi dari ketiga variasi yang diteliti adalah komposit dengan fraksi berat serat 15%. Harga Impak rata-rata yang dimiliki oleh jenis tersebut mencapai 0,012 J/mm² dengan nilai yang lebih seragam untuk tiap-tiap spesimen ujinya.
2. Model kegagalan yang terjadi pada spesimen yang telah mengalami beban impak secara umum adalah brittle failure dan fiber pull out. Keberadaan void pada bagian patahan spesimen dengan persentase fraksi berat serat yang rendah terjadi akibat adanya udara yang terjebak pada saat proses pembuatan komposit. Di sisi lain, komposit dengan persentase fraksi berat serat yang semakin tinggi mengurangi kemampuan matriks dalam mengikat secara efektif dan menimbulkan void pada permukaan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis ingin mengucapkan terima kasih yang tulus atas dukungan keuangan Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, Akademi Teknologi Warga Surakarta Tahun 2018.
DAFTAR PUSTAKA
[1] K. A. Widi, Studi Perlakuan Pelarutan Serat Alam Batang Pelas Duri Terhadap Unjuk Kerja Mekanis Pada Material Komposit, Jurnal Flywheel, Volume 4, Nomor 2, Desember,2011.
[2] E.N. Yuliono, A. Yulianto dan M.P. Aji, Kuat Tarik Tali Berbahan Dasar Serat Batang Pisang, Jurnal Fisika, FMIPA Universitas Negeri Semarang Jalan Raya Sekaran Gunungpati Semarang, Vol. 3 No. 1, 2013.
[3] N. Nopriantina, Astuti, Pengaruh ketebalan serat pelepah pisang kepok (musa
paradisiaca) terhadap sifat mekanik material komposit poliester-serat alam, Jurnal
Fisika Unand; 2 (3)., 2013.
[4]
K.
Witono,Y.S. Irawan,R. Soenoko,H. Suryanto, H, Pengaruh Perlakuan Alkali (NaOH) Terhadap Morfologi dan Kekuatan Tarik Serat Mendong. Jurnal Rekayasa Mesin Vol.4, No.3: 227-234, 2013[5]
Anonim, Technical data sheet, PT Justus Sakti Raya Corporation, Jakarta,
2001.
[6] S. Waigaonkar, B.J.C. Babu, A. Rajput, Curing Studies of Unsaturated Polyester Resin
in FRP Products, Vol 18.hal. 31-39, Indian Journal of Engineering & Material
Sciences, Indian, 2011.
[7] S.E. Michael, Halimatuddahliana, Daya Serap Air dan Kandungan Serat (Fiber
Content) Komposit Poliester Tidak Jenuh (Unsaturated Polyester) Berpengisi Serat
Tandan Kosong Sawit dan Selulosa, 2013.
[8] A.H. Yuwono, Teori dasar pengujian mekanik pada material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta, 2009.
[9] B. Putranto, Perancangan Alat Uji Impak Charpy Untuk Material Komposit Berpenguat Serat Alam (Natural Fiber), 2011.
[10]
T.P. Soemardi, W. Kusumaningsih, A.P. Irawan, Karakteristik Mekanik Komposit Lamina Serat Rami Epoksi Sebagai Bahan Alternatif Soket Prostesis. MAKARA, Teknologi, vol. 13, no. 2, November, p96-101, 2009.[11] K.Priyanto, Kekuatan Bending dan Ketahanan Bakar Komposit Hybrid Serat Gelas, Serat Karbon, dann Serbuk Genteng Sokka dengan Matriks Bisphenol-A. Thesis. Universitas Sebelas Maret. Surakarta, 2015.
