i
ANALISIS TERMAL-MEKANIS KOMPOSIT MATRIK
POLYESTER DENGAN ADITIF PARTIKEL
MONTMORILLONITE BERPENGUAT SERAT KENAF ANYAM
SKRIPSI
Oleh : Nasiruddin 101910101002
PROGRAM STRATA 1 TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JEMBER
i
ANALISIS TERMAL-MEKANIS KOMPOSIT MATRIK
POLYESTER DENGAN ADITIF PARTIKEL
MONTMORILLONITE BERPENGUAT SERAT KENAF ANYAM
Diajukan guna melengkapi tugas akhir dan memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Studi Teknik Mesin (S1) dan mencapai gelar Sarjana Teknik
Oleh : Nasiruddin 101910101002
PROGRAM STRATA 1 TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JEMBER
ii
PERSEMBAHAN
Skripsi ini saya persembahkan untuk:
1. Kedua Orang tua-ku yang telah menyayangi serta membesarkanku; 2. Guru-guruku dari taman kanak-kanak sampai dengan perguruan tinggi;
3. Almamater yang saya banggakan Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Jember.
iii
MOTO
Semua penulis akan meninggal, Hanya karya-Nya lah yang akan abadi sepanjang masa. Maka tulislah sesuatu yang akan membahagiakan dirimu di akhirat nanti
iv
PERNYATAAN
Saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Nasiruddin NIM : 101910101002
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang berjudul “Analisis Termal-mekanis Komposit matrik Polyester dengan aditif partikel Montmorillonite berpenguat serat Kenaf Anyam” adalah benar-benar hasil karya sendiri, kecuali jika disebutkan sumbernya dan belum pernah diajukan pada instansi manapun, serta bukan karya jiplakan. Saya bertanggung jawab atas kebenaran isinya sesuai dengan sikap ilmiah yang harus dijunjung tinggi.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya, tanpa ada tekanan dan paksaan dari pihak manapun serta bersedia mendapat sanksi akademik jika ternyata di kemudian hari pernyataan ini tidak benar.
Jember, 24 September 2014 Yang menyatakan
Nasiruddin NIM 101910101002
v
ANALISIS TERMAL-MEKANIS KOMPOSIT MATRIK POLYESTER DENGAN ADITIF PARTIKEL MONTMORILLONITE BERPENGUAT
SERAT KENAF ANYAM
SKRIPSI
Oleh Nasiruddin NIM 101910101002
Pembimbing:
Dosen Pembimbing I : Hary Sutjahjono, S.T., M.T. Dosen Pembimbing II : Santoso Mulyadi, S.T., M.T.
vi
PENGESAHAN
Skripsi berjudul “Analisis Termal-mekanis Komposit matrik Polyester dengan aditif partikel Montmorillonite berpenguat serat Kenaf Anyam” telah diuji dan disahkan pada:
Hari, Tanggal : Selasa, 7 Oktober 2014
Tempat : Fakultas Teknik Universitas Jember
Penguji
Ketua, Sekretaris,
Hary Sutjahjono, S.T., M.T. Santoso Mulyadi, S.T., M.T.
NIP 19681205 199702 1 002 NIP 19700228 199702 1 001
Anggota I, Anggota II,
Dedi Dwi Laksana S.T., M.T. Ir. F.X. Kristianta M.Eng.
NIP. 19691201 199602 1 001 NIP. 19650120 200112 1 001
Mengesahkan
Dekan Fakultas Teknik Universitas Jember,
Ir. Widyono Hadi M.T. NIP. 19610414 198902 1 001
vii
RINGKASAN
Analisis Termal-Mekanis Komposit Matrik Polyester Dengan Aditif
Partikel Montmorillonite Berpenguat Serat Kenaf Anyam; Nasiruddin
101910101002: Program Studi Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember.
Komposit alam berbasis serat akhir-akhir mulai ini menjadi topik bahasan. Serat kenaf merupakan salah satu serat alam yang banyak dimanfaatkan sebagai serat komposit untuk dijadikan obyek penelitian karena selain produksi yang melimpah (penghasil serat nomor satu di dunia), memungkinkan untuk ditanam di daerah Jember, juga karena kekuatan mekanis serat yang cukup baik. Penggunaan komposit yang luas memungkinkan komposit mengalami paparan panas sehingga dapat menyebabkan kebakaran. Selama ini, pengujian kedua sifat sekaligus yaitu sifat mekanik dan termal belum banyak dilakukan. Untuk itulah, pengujian termal mekanis ini dilakukan guna meningkatkan daya tahan panas/ mempertahankan kekuatan khususnya kekuatan tarik setelah komposit tersebut diberi panas selama beberapa waktu.
Metode penelitian ini adalah analisis kuantitatif dan deskriptif. Standard pengujian yang dipakai ialah ASTM D 3039. Variabel yang digunakan yaitu pengaruh variasi fraksi berat aditif MMT (0%, 10%, 20%, 30% dan 40%) serta pengaruh suhu konduksi (Suhu ruang, 50 oC, 100 oC,200 oC dan 250 oC). Pembuatan sampel menggunakan metode hand-lay up. Proses pengujian termal mekanis meliputi pemasangan sampel pada mesin uji tarik dan pemanas dipasangkan secara konduksi pada obyek selama 20 menit . Setelah itu, pengujian tarik dilakukan.
Hipotesa penulis ialah semakin tinggi persentase fraksi berat montmorillonite maka semakin tinggi sifat daya tahan termalnya namun di sisi lain, kekuatan tariknya menurun. Setelah dilakukan pengujian, ternyata berbeda. Penambahan aditif 40% MMT dapat meningkatkan kekuatan tarik komposit hingga 50%.
viii
Dari pengujian ini, maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1) Penambahan montmorillonite meningkatkan kekuatan tarik komposit, meskipun pada fraksi 10%, 20% dan 30% kekuatannya dibawah sampel kontrol; 2) Secara umum, semakin tinggi suhu yang dipaparkan pada komposit maka kekuatan tarik komposit menurun secara drastis mulai 100 oC; 3) Daya tahan termal-mekanis terbaik pada komposit fraksi berat 40% hingga suhu 100 oC; 4) Kondisi morfologi komposit setelah pengujian termal-mekanis pada suhu di atas 100 oC, komposit mulai mengalami kegagalan panas seperti arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan pecahnya matriks.
ix
SUMMARY
Thermo-mechanical Analysis of Woven Kenaf Fiber Reinforced Matric Polyester with Aditif Monmorillonite; Nasiruddin 101910101002: Tier One Program Studies Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering, University of Jember.
Recently, Nature Fiber Reinforced is trending topic. Kenaf fiber is natural fiber which gained research interest because product available (most productly in the world) and potentially of jember to grown it. The use of composites in a wide variety of applications is application of composite due to outstanding thermal properties wihich composite is flammable. Termo-mechanical test use for upgrading strength of material in fire especially at thermal-tensile durability properties
Research methodology are used is quantitative dan descriptive analysis. Standard Test is ASTM D 3039. Variabel variety is weight fraction aditif MMT ( 0%, 10%, 20%, 30% and 40%) and conducting treatment (Room temperature, 50 oC, 100
o
C,200 oC and 250 oC). Process of thermal-mechanical test is sample assembly at tensile test machine and conducted heater during 20 minutes. After that, tensile test is running.
Writer Hipotesis is the greater persentase of weight fraction montmorillonite the thermal properties up but tensile strength down. After research, exactly different. Add aditif MMT 40% could upgrading composites tensile strength until 50%.
From this research, conclusion is :(1) Adding montmorillonite upgrading tensile strength, though 10%, 20% and 30% weight fraction make strength under reference(0% wt MMT); (2) Gwenerally, the greater temperature which conducted at composites then tensile strength down drastically get started from 100 oC.;(3) The best of Thermo-mechanical properties at composite 40% MMT weight fraction until temperature 100 oC; (4) Morfologi composite pasca thermal-mechanical test at
x
temperature over 100 oC, composites started at thermal defect like char, soften and degradation at matriks and organic fiber, delamination and matriks crack.
xi
PRAKATA
Segala puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-Nya yang telah diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW sebagai sumber inspirasi dan panutan umat manusia dalam menjalani kehidupan di dunia ini.
Skripsi yang berjudul “Analisis Termal-mekanis Komposit matrik Polyester dengan aditif partikel Montmorillonite berpenguat serat Kenaf Anyam” ini diajukan guna untuk memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata Satu (S1) pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Univertas Jember.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bimbingan, dukungan, dan arahan kepada penulis selama penyusunan skripsi ini khususnya kepada :
1. Kedua orangtua dan keluarga, ayahanda Ahmad Mashuri dan Ibunda Uminidah atas segala bentuk kasih sayang, do’a dan dukungan yang tak hentinya diberikan kepada saya. Kedua saudaraku tercinta, Imam Sholahuddin dan Idatul Fitria yang telah menjadi guru dan penyemangat tersendiri untuk saya.
2. Bapak Hary Sutjahjono S.T., M.T. dan Bapak Andi Sanata S.T., M.T. sebagai bapak dosen pembimbing utama serta Bapak Santoso Mulyadi S.T., M.T., selaku bapak dosen pembimbing anggota yang telah bersedia untuk meluangkan waktu dalam membimbing dan mengarahkan saya selama proses penelitian dan penyusunan skripsi ini dari awal sampai akhir.
3. Bapak Dedi Dwi Laksana S.T., M.T. selaku bapak dosen penguji I, dan Ir. F.X. Kristianta M.Eng., selaku bapak dosen penguji II yang telah memberikan kritik dan saran yang sangat membangun dalam penyusunan skripsi ini.
xii
4. Seluruh staf pengajar dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember yang telah banyak memberikan ilmu, pengetahuan, dan wawasan selama saya belajar di bangku perkuliahan.
5. Segenap teman-teman teknik mesin, khususnya angkatan 2010 (Mechanical-X) yang telah banyak sekali berbagi ilmu dan pengalaman selama masa perkuliahan. 6. Teman-teman penghuni kontrakan manggis, penghuni kontrakan brantas 21, penunggu kampus patrang yang menemani dan membantu saya selama pengerjaan skripsi ini
7. Semua pihak yang telah membantu proses penelitian dan penyusunan skripsi ini Penulis menyadari bahwa sebagai manusia yang tak lepas kesalahan dan kekurangan, oleh karena itu diharapkan adanya kritik, saran, dan ide yang bersifat konstruktif demi kesempurnaan karya tulis skripsi ini dan penelitian berikutnya yang berkaitan. Semoga hasil dari penelitian pada skripsi ini dapat memberikan manfaat kepada berbagai pihak.
Jember, September 2014
xiii
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL ………i
HALAMAN PERSEMBAHAN ... ii MOTO ... iii PERNYATAAN ... iv PENGESAHAN ... vi RINGKASAN ... vii SUMMARY ... ix PRAKATA ... xi
DAFTAR ISI ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR TABEL ... xvii
DAFTAR LAMPIRAN ... xviii
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan dan Manfaat ... 4
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Material Komposit ... 5
2.1.1 Komposit Laminate ... 8
2.2 Polyester, Serat Kenaf dan Montmorillonite ... 9
2. 3 Karakterisasi ... 11
2.3.1 Pengujian Tarik Material Komposit ... 11
2.3.2 Pengujian Termal-Mekanis ... 13
2.3.3 Pengujian Morfologi ... 15
xiv
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN ... 17
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 17
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ... 17
3.3 Prosedur Penelitian ... 18
3.3.1 Langkah-langkah pembuatan sampel ... 18
3.3.2 Langkah-langkah pengujian sampel ... 19
3.4 Analisa Data ... 20
3.5 Diagram Alir Penelitian ... 21
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 22
4.1 Data Hasil Pengujian ... 22
4.2 Pembahasan ... 26 BAB 5. PENUTUP ... 34 5.1 Kesimpulan ... 34 5.2 Saran ... 34 DAFTAR PUSTAKA ... 35 LAMPIRAN ... 37
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kegagalan panas pada laminate menunjukkan perbedan wilayah
kerusakan………...7 Gambar 2.2 Grafik pengaruh kenaikan suhu terhadap kekuatan tarik pada laminate glass/vinylester, glass/polyester dan glass/polypropylene……….8 Gambar 2.3 Komposit laminate ………..………..8 Gambar 2.4 Resin polyester (Yukalac 157 BQTN-EX)………9 Gambar 2.5 Tanaman kenaf, benang/serat kenaf dan serat kenaf yang telah
dianyam………...10 Gambar 2.6 Standar persiapan sampel uji ASTM D 3039………..12 Gambar 2.7 Sampel uji tarik dengan pengukur panas untuk mengukur kekuatan pada kenaikan suhu………..14 Gambar 2.8 Skema ideal dari sebuah laminate dibawah pembebanan tarik dengan pemodelan dua lapis dan skema pengujian termal-mekanis pada penelitian ini…....15 Gambar 2.9 Bentuk patahan pada komposit ………..……16 Gambar 3.1 Model pengujian tarik dengan pemanasan salah satu sisinya……...…..20 Gambar 3.2 Diagram alir penelitian………21 Gambar 4.1 Grafik hubungan antara nilai kekuatan tarik dengan variasi suhu pada masing-masing persentase fraksi berat montmorillonite………..……...22 Gambar 4.2 Pengaruh penambahan aditif MMT terhadap kekuatan tarik komposit kenaf pada suhu ruang……….23 Gambar 4.3 Pengaruh suhu terhadap kekuatan tarik komposit pada masing-masing kandungan fraksi berat MMT………..23 Gambar 4.4 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan berbagai macam variasi fraksi berat (% wt) aditif MMT ………..………26
xvi
Gambar 4.5 Foto makro patahan sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 40% (% wt) pada suhu 150 oC, 200 oC dan 250 oC. Garis merah menunjukkan letak dimana batas arang………...…………...28 Gambar 4.6 Bentuk patahan yang sering terjadi pada pengujian komposit polimer ……….29 Gambar 4.7 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 0% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150 oC, 200 oC dan 250 oC…….………30 Gambar 4.8 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 20% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150 oC, 200 oC dan 250 oC…...….31 Gambar 4.9 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 40% (%wt) setelah perlakuan suhu uji termal-mekanis………..….…...32
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat fisik dari serat kenaf dan unsaturated polyester ………..…….10
Tabel 2.2 Rangkuman hasil penelitian serat kenaf dengan perlakuan panas……...10
Tabel 2.3 Spesimen geometri yang dibutuhkan………...12
Tabel 2.4 Geometri spesimen yang direkomendasikan………...12
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
1. Tabel data hasil pengujian termal-mekanis 2. Gambar sampel uji keseluruhan
3. Perhitungan kekuatan tarik 4. Tabel konversi mesh ke mikron 5. Rasio pencampuran larutan matriks
6. Gambar bahan cetakan serta gambar teknik cetakan komposit 7. Gambar bahan - bahan untuk membuat sampel uji
8. Gambar perangkat tambahan penting untuk pembuatan komposit 9. Gambar perangkat tambahan penting untuk proses pengujian 10. Standard ASTM D 3039
1
BAB 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada abad ke-21, perkembangan teknologi material komposit sudah mulai bergeser menuju pemanfaatan serat alam sebagai pengganti serat penguat sintetis (Diharjo, dkk., 2008). Serat alam telah menjadi salah satu alternatif penguat komposit polimer yang mendapat perhatian khusus dengan kelebihan materi yang ringan, tidak mudah abrasi dalam pemrosesannya, ramah lingkungan serta terbarukan (Issac, 2012). Berbagai jenis tanaman serat tumbuh subur di Indonesia seperti kenaf, rosella, rami dan abaca. Produksi serat kenaf menempati urutan pertama dari produksi serat alam di dunia yaitu 970.000 ton/tahun. Salah satu faktor pendukung tingginya produksi serat kenaf ialah masa tanam yang pendek (4 bulan) dan tahan di ladang marginal, seperti lahan yang sering banjir, gambut dan tadah hujan, sedikit gangguan hama dan penyakit serta biaya produksi yang rendah. Ada empat propinsi di Indonesia yang memiliki potensi untuk pengembangan budidaya tanaman kenaf, salah satunya adalah propinsi jawa timur, dan Jember termasuk daerah yang berpotensi untuk mengembangkan tanaman ini (Diharjo, dkk., 2008).
Penggunaan material komposit yang sangat luas memungkinkan terkena berbagai paparan panas sehingga beresiko terjadinya kebakaran. Beberapa kasus kebakaran pada pesawat terbang dan kapal dapat mendeskripsikan pentingnya memahami sifat panas terhadap komposit dan kebutuhan akan material polimer tahan panas (Mouritz, dkk., 2006). Kestabilan panas dalam sistem komposit dipengaruhi oleh suhu, rasio antar matriks, dispersi dan ikatan serat dengan matriks serta suhu terlalu tinggi dapat menyebabkan dekomposisi (Onggo, dkk., 2005).
Terkait dengan aplikasi komposit sebagai panel atau aplikasi khusus lainnya sebagai isolator panas misalnya gantungan lampu, sifat hambatan panas menjadi sangat penting untuk dikaji. Daya tahan terhadap termal serta kekuatan yang baik akan memberikan waktu yang lebih lama pada material untuk mempertahankan diri
2
dari kegagalan panas. Hasil riset Cornell University/ National Institute of Standards and Technology (NIST) menunjukkan bahwa komposit plastik - lempung dengan komposisi 90% : 10% (w/w), dapat mempertahankan diri dari kerusakan akibat pembakaran api sebesar 60 – 80 %. Genteng merupakan produk keramik dari tanah liat/lempung yang memiliki kandungan 54,59% SiO2 dan 19,92% Al2O3. Lempung ini dapat dikategorikan sebagai Montmorillonite karena mempunyai kemampuan mengadsorbsi tinggi, sifat liat yang tinggi, berkerut jika dikeringkan dan butirannya berkeping halus. Kedua senyawa tersebut merupakan bahan geomaterial yang mampu meningkatkan ketahanan panas dan kekuatan komposit. Unsur lain yang terkandung (CaO, MgO, K2O dan TiO2) juga dapat meningkatkan tahan panas (Diharjo, dkk., 2013). Pada penelitian sebelumnya, perlakuan durasi Termal terhadap kekuatan tarik serat kenaf didapatkan nilai kekuatan tarik menurun dari 120 MPa ke 40 MPa pada temperatur dari 20oC ke 100oC serta durasi waktu 8 dan 24 jam (Khalid, dkk., 2011). Penelitian serupa pada rentang suhu yang berbeda 110oC hingga 190oC dengan variasi waktu 3-9 jam didapatkan kekuatan tarik antara 43,2 MPa sampai 52,5 MPa (Du, dkk., 2008). Begitu pula dengan perlakuan Termal mekanis pada komposit kenaf menunjukkan penurunan pada Modulus sisa-nya dari 3x109Pa hingga 0 Pa (Kuroda, 2009).
Pada penelitian ini akan dilakukan analisis Termal-mekanis terhadap sampel uji komposit bermatrik polyester berpenguat serat kenaf dengan aditif partikel montmorillonite (limbah genteng) dengan tujuan meningkatkan kinerja komposit akibat paparan panas. Keterbatasan kekuatan komposit matrik polimer terhadap efek temperatur serta kemampuan partikel montmorillonite dalam menghambat laju pemanasan akan menjadi topik penelitian yang menarik dengan menghubungkan sifat keduanya.
3
1.2 Rumusan Masalah
Dari penjelasan diatas dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut:
1 Bagaimanakah pengaruh variasi fraksi berat aditif montmorillonite pada komposit matrik polyester berpenguat serat kenaf terhadap nilai kekuatan tarik?
2 Bagaimanakah pengaruh variasi suhu terhadap kekuatan tarik komposit matrik polyester berpenguat serat kenaf menggunakan aditif partikel montmorillonite? 3 Bagaimanakah kondisi morfologi komposit matrik polyester berpenguat serat
kenaf menggunakan aditif partikel montmorillonite setelah dilakukan pengujian tarik dengan paparan panas?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini sebagai berikut:
1. Polyester yang digunakan merupakan produk Yukalac 157 BQTN-EX.
2. Serat yang digunakan adalah satu lapisan serat jenis kenaf berbentuk anyam orientasi 45o/135o.
3. Aditif partikel montmorillonite berasal dari limbah genteng dengan ukuran ≤ 297 μm atau mesh ≥ 50. Variasi aditif menggunakan fraksi berat 0%, 10%, 20%, 30%, 40%.
4. Variasi suhu pengujian Termal mekanis; suhu ruang, 50oC,100 oC, 150 oC, 200 oC, dan 250 oC dengan waktu pemanasan konduksi selama 20 menit. Luas permukaan konduksi pada sampel yaitu 25 mm x 75 mm.
5. Standar uji sifat mekanis komposit matrik polimer menggunakan ASTM D3039. 6. Proses pembuatan sampel menggunakan metode hand-lay up.
4
1.4 Tujuan dan Manfaat
Adapun tujuan dari penelitian ini ialah :
1 Untuk mengetahui pengaruh variasi fraksi berat aditif montmorillonite pada komposit matrik polyester berpenguat serat kenaf terhadap nilai kekuatan tarik. 2 Untuk mengetahui pengaruh variasi suhu terhadap kekuatan tarik komposit matrik
polyester berpenguat serat kenaf menggunaan aditif partikel montmorillonite. Sedangkan manfaat yang diperoleh dari penulisan karya ilmiah ini adalah: 1 Memberikan informasi mengenai karakteristik Termal-mekanis Komposit Matrik
Polyester berpenguat Serat Kenaf Anyam dengan penambahan Aditif Partikel Montmorillonite.
2 Memberikan tambahan koleksi pustaka kepada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jember.
5
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Komposit
Material komposit di definisikan sebagai kombinasi antara dua material atau lebih yang berbeda bentuk, komposisi kimia, dan tidak saling melarutkan dimana material yang satu berperan sebagai penguat dan yang lainnya sebagai pengikat serta dapat dilihat perbedaannya secara makroskopis. Komposit disusun dari dua komponen yaitu matriks atau resin dan reinforcement atau penguat atau ada juga yang menyebut filler. Filler ini nanti akan berfungsi sebagai penguat berupa partikel atau serat yang menerima distribusi tegangan dari komposit (Yunus, 2011). Komposit polimer mulai fenomenal sejak tahun 1960-an dan sekarang telah berkembang pada aplikasi pesawat terbang, pesawat antariksa, perahu, kapal, mobil otomotif, infrastruktur sipil, peralatan olahraga dan produk konsumen. Penggunaan komposit diberbagai bidang tergantung pada karakteristik fisik, termal, kimia dan mekanisnya. Kelebihan komposit terhadap berbagai paduan logam diantaranya ringan, kekakuan spesifik yang tinggi dan kekuatan spesifik, ketahanan lelah yang baik, tahan korosi, isolasi panas, perambatan panas yang rendah.
Masalah besar dari penggunaan Polimer berpenguat serat (Fiber Reinforced Polymer/ FRP) pada aplikasi struktur teknik adalah derajat dari ketahanan panas dan keterbatasan informasi sifat material tersebut ketika mengalami pemanasan. Pada suhu yang lebih rendah diantara 100o-200oC, FRP akan mengalami pelunakan, creep dan terdistorsi menyebabkan kegagalan ketika mengalami pembebanan struktur ketika 300o-500oC, matriks polimer terdekomposisi, melepaskan panas dan gas beracun (Yousif, 2013). Penelitian mengenai sifat Termal-mekanis pada komposit silanized-kenaf/polystyrene dengan menggunakan metode DMA (Dynamic Mechanical Termal Analysis). Dengan pemberian coupling agent 3-methacryloxypropyltriethoxysilane mulai dari 5-15% dan tanpa pemberian coupling agent serta polystyrene murni (PS). Hasilnya, modulus sisa tertinggi terdapat pada
6
pemberian CA 15% yaitu sebesar 3 GPa pada suhu 50oC lalu cenderung menurun pada suhu setelahnya hingga modulus terendah yaitu 0 GPa terletak pada suhu 140oC. Nilai terendah didapatkan pada PS dengan modulus sisa sebesar 1 GPa pada suhu 50oC lalu cenderung menurun pada suhu setelahnya hingga modulus terendah yaitu 0 GPa terletak pada suhu 130oC (Kuroda, 2009).
Sifat hambatan panas bahan komposit sangat dibutuhkan untuk aplikasinya sebagai isolator termal. Penggunaan material partikel tahan panas pada komposit diharapkan dapat meningkatkan hambatan termal. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan kandungan partikel montmorillonite mampu meningkatkan hambatan panas komposit matrik bisphenolic. Pada kadar partikel 10% dan 50% (v/v), komposit secara berurutan memiliki hambatan panas 0,807x10-2 K/W dan 0,939x10-2 K/W. Hambatan panas untuk komposit dengan ukuran partikel 125-177 µm dan < 74 µm masing-masing adalah 0,725x10-2 K/W dan 0,888x10-2 K/W. Penelitian menunjukkan bahwa peningkatan kandungan partikel dan pengecilan ukuran partikel mampu meningkatkan hambatan panas komposit. Komposit ini sangat berpotensi digunakan sebagai isolator panas untuk berbagai aplikasi (Diharjo, dkk., 2013). Namun, pada umumnya matrik komposit berasal dari bahan organik tidak dapat bekerja pada paparan suhu diatas 200oC (Tran Doang Hung, 2011).
Secara umum, kegagalan panas mengakibatkan laminate menjadi bentuk arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan pecahnya matriks. Gambar 2.1 dibawah menunjukkan gambaran mengenai ketebalan komposit yang telah dipanasi hingga menjadi arang pada salah satu sisinya dan dampak yang terlihat terjadi di berbagai wilayah pada material. Permukaan panas terkena langsung panas pada wilayah pertama sehingga dekomposisi termal menjadi arang, yang terlihat lapisan hitam pada gambar. Isi polimer pada wilayah ini adalah diabaikan karena matriks seluruhnya terdegradasi dan berbagai residu material organik telah memadat menjadi arang. Dibawah wilayah arang yang merupakan daerah tipis disebut daerah dekomposisi dimana matriks polimer telah dipanasi yang diatas reaksi temperatur dekomposisi tetapi dibawah temperatur bentuk arang. Pada
7
daerah ini matriks secara parsial terdegradasi, umumnya dengan pemotongan rantai menjadi molekul fragmen berat yang itu sangat berat untuk menguap. Bagaimanapun juga, proses dekomposisi tidaklah sempurna dan oleh karena itu matriks tidak dikurangi menjadi arang dan gas pembakaran. Dibawah wilayah dekomposisi, komposit termasuk delaminasi yang retak diantara lapisan dan retak matriks yang baik dalam lapisan. Daerah terdekat permukaan dingin pada laminate tidak terpengaruh panas karena temperatur terlalu rendah untuk menyebabkan berbagai pelunakan atau dekomposisi pada matriks. Dengan menambah waktu pembakaran, wilayah dekomposisi dan wilayah arang bertambah secara progresif pada permukaan yang tidak terkena panas sebelumnya dan secepatnya matriks polimer secara sempurna menjadi arang (Mouritz, dkk., 2006).
Gambar 2.1 Kegagalan panas pada laminate menunjukkan perbedan wilayah kerusakan (Mouritz, dkk., 2006).
Pengukuran kekuatan tarik saat komposit dipanasi hingga 400oC pada tiga tipe dari laminate anyam: glass/vinyl ester, glass/polyester dan glass/polypropylene (Mouritz, dkk., 2006).
8
Gambar 2.2Grafik pengaruh kenaikan suhu terhadap kekuatan tarik pada laminate glass/vinylester, glass/polyester dan glass/polypropylene (Mouritz, dkk., 2006).
2.1.1 Komposit Laminate
Menurut Wikipedia, Komposit Laminate merupakan gabungan dari beberapa lapisan seperti pada komposit berpenguat serat yang dapat menyediakan sifat mekanis seperti kekutan geser, kekuatan bending, kekuatan dan koefisien termal. Lapisan pada material yang berbeda dapat menjadi komposit hybrid. Secara umum, lapisan serat terdiri atas orthotropic (dengan arah orthogonal) atau isotropic (dengan arah tranversal) dan anisotropic (arah secara acak).
9
2.2 Polyester, Serat Kenaf dan Montmorillonite
Resin polyester (Yukalac 157 BQTN-EX) digunakan sebagai bahan matriks dengan sifat densitas 1,215 g/cm3, titik leleh 170oC dengan serapan air 0,118% (24 jam), tensile strength 5,5 kg/mm2 dan perpanjangan putus 1,6% (Mashuri, 2007). Polyester ini merupakan jenis Ortho-phthalic Resin dan sangat popular di bidang pembuatan kapal di Indonesia. Bidang aplikasi lainnya antara lain: tangki, alat saniter, ornamen dan lain-lain. YUKALAC® 157 BQTN-EX ber-sertifikat LR Register & FDA (Justus, 2011). Ortho-phthalic Resin dapat bekerja dengan baik pada suhu sedang hingga rendah dan sering digunakan karena harganya yang murah (Pepper, 2012).
Gambar 2.4 Resin polyester (Yukalac 157 BQTN-EX).
Kenaf (Hibiscus cannabinus, L. family Malvaceae ) adalah tanaman tahunan yang dapat tumbuh dibawah kondisi cuaca yang beragam. Tanaman ini tumbuh lebih dari tiga meter selama tiga bulan pada kondisi lingkungan sedang dengan diameter tangkai 25-51 mm. Tanaman dikotil ini memiliki tiga lapis yaitu kulit, inti dan non ferrous cell (Aji, dkk., 2009).
10
Gambar 2.5 Tanaman kenaf, benang/serat kenaf dan serat kenaf yang telah dianyam.
Berikut ini merupakan rangkuman peneltian mengenai sifat fisik serat kenaf dan polyester pada tabel 2.1 dan Penelitian tentang efek dari temperatur terhadap kekuatan tarik serat kenaf pada tabel 2.2.
Tabel 2.1Sifat fisik dari serat kenaf dan unsaturated polyester (Osman, dkk., 2012)
Fiber Density (g/cm3) Tensile strength (MPa) Young modulus (GPa) Fiber diameter (mm) Fiber Length (mm) Serat Kenaf 1,04-1,5 110-930 4,3-53 0,024-0,14 1-60 Unsaturated Polyester 1.12 39 3.231 - -
Tabel 2.2Rangkuman hasil penelitian serat kenaf dengan perlakuan panas. Serat Temperatur (ºC) Pemanasan (jam) Kekuatan Tarik (MPa) Referensi Kenaf 110-190 3 6 9 220 – 160 175 – 50 150 – 75 (Du, dkk., 2008) Kenaf 20 50 100 8 – 24 8 – 24 8 – 24 125 – 110 105 – 70 60 – 40 (Khalid, dkk., 2011)
11
Genteng merupakan produk keramik dari tanah liat/lempung yang memiliki kandungan 54,59% SiO2 dan 19,92% Al2O3. Lempung ini dapat dikategorikan sebagai Montmorillonite karena mempunyai kemampuan mengadsorbsi tinggi, sifat liat yang tinggi, berkerut jika dikeringkan dan butirannya berkeping halus. Kedua senyawa tersebut merupakan bahan geomaterial yang mampu meningkatkan ketahanan panas dan kekuatan komposit. Kedua kandungan tersebut menghambat adanya perambatan api (flame resistence). Flame resistence merupakan komponen atau kombinasi komponen yang dapat menghambat nyala bila ditambahkan pada suatu kandungan sehingga dihasilkan suatu material yang memiliki kemampuan hambat nyala. (Diharjo, dkk., 2013).
Pada penggunaan montmorillonite (MMT) modifikasi filler pada komposit polyester berpenguat kenaf dapat meningkatkan sifat mekanis sebesar 10% atau lebih. Sedangkan penambahan MMT tanpa modifikasi meningkatkan kekuatan tariknya dibandingkan dengan tipe yang lain seperti trymethil ammonium bromide-montmorillonnite dan alkyl dimethyl benzyl ammonium-montmorillonite (Sreenivasan, dkk., 2012). Penambahan tanah liat pada polyamide-6, PA-6, (4,7%) menuju sifat mekanis superior dan pemanasan temperatur distorsi bertambah menjadi 152oC, dimana 87oC lebih tinggi dibandingkan PA-6 murni (Mouritz, dkk., 2006).
2. 3 Karakterisasi
2.3.1 Pengujian Tarik Material Komposit
ASTM D 3039 merupakan standard pengujian sifat tarik pada Komposit bermatrik polimer. Material komposit terbatas pada serat kontinyu maupun serat diskontinyu dengan laminate yang seimbang dan simetris. Metode pengujiannya dengan menggunakan sebuah flat strip tipis yang berbentuk persegi panjang dengan penampang dipasang pegangan dan beban yang tetap. Kekuatan ultimate material dapat ditentukan dari beban maksimum dilakukan sebelum kegagalan. Metode pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan kekuatan tarik ultimate.
12
Gambar 2.5Standar persapan sampel uji ASTM D 3039.
Tabel 2.3 Spesimen geometri yang dibutuhkan
Parameter Kebutuhan
Spesifikasi :
Bentuk
Panjang minimal Lebar spesimen
Toleransi lebar spesimen Ketebalan spesimen
Toleransi ketebalan spesimen Kerataan spesimen
Constant rectangular cross-section Gripping + 2 times width + gage length As needed
± 1% dari lebar As needed ± 4% dari tebal
Flat with light finger pressure
Tabel 2.4 Geometri spesimen yang direkomendasikan
Fiber orientation Width
(mm) Overall length (mm) Thickness (mm) Tab Length (mm) Tab Thickness (mm) Tab Bevel Angle 0o unidirectional 90o unidirectional
Balanced & symmetric
Random-discontinuous 15 25 25 25 250 175 250 250 1.0 2.0 2.5 2.5 56 25 Emery cloth Emery cloth 1.5 1.5 - - 7 or 90 90 - -
Perhitungan ultimate tensile strength menggunakan persamaan dibawah ini:
σtu = Fmax / A0 1)
13
dimana :
σtu = kekuatan tarik ultimate MPa [psi];
Fmax = beban maksimum sebelum kegagalan, N [lbf]; σi = tegangan tarik pada data yang ke-, MPa [psi]; Pi = beban pada data yang ke-, N [lbf];
A0 = luasan seksi silang rata-rata dari lebar x tebal, mm2 [in2], sebesar 125 mm2
2.3.2 Pengujian Termal-Mekanis
Pengujian termal-mekanis merupakan pengujian kekuatan mekanis dengan diberi pemanasan pada material tersebut. Pada penelitian ini kekuatan mekanis yang diukur ialah kekuatan tarik. Pengukuran kekuatan tarik ini mengalami beberapa kesulitan karena temperatur sering melewati jarak uji pemanasan dan juga masalah mengenai pegangan yang selip atau kegagalan pada pegangan selama proses. Satu metode yang dapat mengatasi masalah tersebut dengan menggunakan heated gauge length set-up yang tertera pada gambar. Sampel konvensional untuk uji tarik dengan temperatur kontrol terdiri atas balok metal dan pemanas kartrid dengan desain jepit seperti gambar. Keuntungan dari desain ini ialah menjaga pegangan sampel tetap dingin, jadi mencegah keselipan atau deformasi. Penambahan penyekatan secara umum dibutuhkan di sekitar pegangan atas, untuk mencegahnya menjadi hangat dengan konveksi udara dari balok panas (Mouritz, dkk., 2006).
14
Gambar 2.6 Sampel uji tarik dengan pengukur panas untuk mengukur kekuatan pada kenaikan suhu (Sumber : Mouritz & Gibson, 2006 dan Easby, dkk., 2007)
Sampel berbentuk ‘dog bone’ digunakan untuk uji tarik pada spesimen, ketebalan dimensi 8 mm dan variasi temperature uji antara 25oC hingga 400oC dengan sebuah box berisi pemanas(Easby, dkk., 2007). Pada referensi lain, uji tarik dengan variasi temperatur 20oC hingga 300oC dengan spesimen berdasarkan ASTM D 3039 berdimensi 150 mm x 25 mm x 4 mm(Feih, dkk., 2007).
Analisis termal-mekanis bisa digambarkan melalui pemodelan dua lapis. Model dua lapis (two layer model) digunakan untuk menghitung sifat mekanis dari laminate dibawah kombinasi pembebanan tarik dan pemanasan pada satu sisi serta model laminasi untuk memprediksi sifat dibawah pengaruh pembebanan tarik dan pemanasan pada salah satu sisi. Model diasumsikan mengalami pemanasan pada laminate-nya pada kedua lapisannya dimana salah satunya tidak terkena panas serta yang lainnya menjadi arang. Skema dari kondisi material tertera pada gambar di bawah ini. Secara sederhana, kekuatan tarik mempengaruhi lapisan arang diasumsikan konstan. Kekuatan tarik dari lapisan yang belum terkena panas tersebut juga diasumsikan konstan dan juga nilai kekuatan tariknya berdasarkan suhu kamar meskipun kenyataanya kekuatan tarik dari lapisan yang belum terkena panas ialah tidak konstan.
15
Kekuatannya terendah pada batas arang dan meningkat pada permukaan yang tidak terkena panas. Setidaknya pendekatan ini sangat membantu dalam menginterprestasikan sifat sisa setelah pemanasan.
Gambar 2.7Skema ideal dari sebuah laminate dibawah pembebanan tarik dengan pemodelan dua lapis (Sumber : Mouritz & Gibson, 2006)dan Skema pengujian pada penelitian ini (kanan).
2.3.3 Pengujian Morfologi
Pengujian morfologi mengggunakan foto makro dengan kamera biasa 5 MP. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan tampilan tentang cacat yang terjadi akibat perlakuan termal mekanis. Berikut kode kegagalan pada komposit berikut contohnya berdasarkan ASTM D 3039:
Gaya Tarik Panas konduksi K = 2.15W/m K T = suhu ruang, 50oC,100oC,150 oC, 200 oC oC,250 oC
16
Tabel 2.5 Kode Kegagalan Uji Tarik
Karakter Pertama Karakter Kedua Karakter Ketiga
Tipe Kegagalan Kode Luasan Kegagalan Kode Lokasi Kegagalan Kode Sudut Delaminasi Grip/ Cekam Lateral Multi-mode Long splitting Explosive Other A D G L M (xyz) S X O Didalam Grip/Cekam Pada Grip/Cekam < 1 W dari grip/ cekam Gage Multiple Areas Various Unknown I A W G M V U Bottom Top Left Right Middle Various Unknown B T L R M V U
Gambar 2.8Bentuk Patahan Komposit (Sumber: ASTM D 3039)
2.4 Hipotesa
Hipotesis pada penelitian ini ialah bahwa semakin besar persentase fraksi berat montmorillonite maka semakin tinggi sifat daya tahan termalnya namun di sisi lain, kekuatan tariknya menurun karena penambahan persentase fraksi berat montmorillonite tersebut menyebabkan material menjadi getas.
17
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan metode penelitian kuantitatif dan deskriptif. Penelitian kuantitatif menekankan analisisnya pada data-data numerik. Dengan metode kuantitatif akan diperoleh signifikasi perbedaan kelompok atau signifikasi hubungan antar variabel yang diteliti. Sedangkan penelitian deskriptif melakukan analisis hanya sampai pada taraf deskripsi yaitu menganalisis dan menyajikan fakta secara sistematik sehingga dapat lebih mudah untuk dipahami dan disimpulkan (Dharminto, 2014). Untuk memudahkan penjelasan, Acuan yang dijadikan rujukan di dalam penelitian ini ialah sampel kontrol yaitu sampel komposit tanpa partikel MMT (0% wt MMT).
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Pelaksanaan penelitian dilaksanakan pada Agustus hingga September 2014 di Laboratorium Uji Bahan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Jember.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian
Alat dan bahan yang digunakan selama penelitian ini berlangsung antara lain: Alat :
1. Universal Machine Testing Merk ESSOM TM 113 30 kN. 2. Thermocontrol dan Termokopel.
3. Heater Jacket (pemanas)
4. Ayakan mesh 50 (Ayakan tepung).
5. Cetakan Komposit dari Kaca, Plastik Astralon, Plastisin dan Margarin. 6. Penggaris dan
7. Palu dan lumpang besi, 8. Timbangan digital 9. Kamera 5 MP
18
10. Pencekam khusus komposit polimer 11. Cutter dan Gunting
12. Gerinda Tangan Bahan :
1. Serat kenaf anyam.
2. Resin polyester Yukalac BQTN –EX 157. 3. Partikel Montmorillonite.
4. Hardener
3.3 Prosedur Penelitian
3.3.1 Langkah-langkah pembuatan sampel
1. Persiapkan cetakan kaca, serta alat pendukung untuk membuat sampel.
2. Hancurkan partikel genteng, tumbuk dengan lumpang besi lalu ayak dengan ayakan tepung (mesh berukuran 50)
3. Potong serat kenaf anyam sesuai dimensi ASTM D 3039 sebanyak sampel yang dibutuhkan yaitu dengan dimensi 30 mm x 150 mm per cetakan sampel. 4. Ukur dan timbang resin sesuai kebutuhan, tambahkan katalis (hardener) 1%, dan timbang montmorillonite. Kemudian campur resin, katalis dan montmorillonite dengan persentase sesuai dengan rencana penelitian (lihat lampiran). Aduk secara perlahan dengan hitungan pengadukan 100 kali saat pencampuran resin dan katalis, lalu aduk 60 kali saat pencampuran resin-katalis dengan montmorillonite. Campuran resin, katalis dan montmorillonite selanjutnya disebut sebagai larutan campuran matriks.
5. Lapisi cetakan dengan margarin secukupnya pada permukaan pinggiran cetakan kacanya agar memudahkan pelepasannya nanti, kemudian tuangkan larutan campuran matriks pada cetakan hingga terisi setinggi 3 mm, lalu letakkan serat kenaf anyam diatas larutan campuran matriks, setelah itu tambahkan lagi
19
campuran ke dalam cetakan. Tutup cetakan dengan plastik astralon. Pastikan tidak terjadi rongga udara (void) saat menutup cetakan.
6. Tunggu hingga setengah hari, kemudian lepaskan hasil cetakan dari cetakan. Potong pada sisi kiri dan kanan yang berlebih pada komposit dengan menggunakan gerinda tangan. Kemudian, berikan pemberat kepada sampel uji selama 3 hari untuk menghindari komposit mengalami lengkungan.
3.3.2 Langkah-langkah pengujian sampel
Sebuah sampel komposit kemudian dipasang pada mesin uji tarik dan pemanas dipasangkan pada obyek lalu atur suhunya seperti rencana. Beri penanda jarak cekam pada sampel uji agar dapat memberikan ruang saat pemanas dipasang. Suhu pada pemanas diukur dengan thermocouple dan diatur suhunya menggunakan termokontrol untuk menjaga agar suhu dalam kondisi tetap. Panas secara konduksi tersebut dilakukan selama 20 menit. Setelah itu, spesimen langsung dilakukan uji tarik dengan menggunakan mesin uji tarik sesuai standar ASTM D3039.
Ketika pengujian tarik siap dilakukan, setel penanda displacement dengan meletakkan ujung dasarnya ke dasar mesin uji tarik. Saat penanda displacement tidak lagi menyentuh dasar mesin uji tarik, lakukan penyetelan ulang dengan mengendorkan pengikatnya dan meletakkan ke dasar mesin uji tarik. Hal ini dimaksudkan supaya penanda displacement dapat bekerja dengan baik. Reset display saat akan melakukan pengujian tarik. Proses pengujian minimal dilakukan oleh dua orang, orang pertama memegang pencekam sedangkan yang lainnya mengungkit dengan tuas yang disediakan. Selama proses, jangan lupa untuk melakukan perekaman. Simpan rekaman video tersebut untuk selanjutnya diolah datanya dengan bantuan media player classic (untuk melihat data dengan menggunakan arah pada keyboard) dan Microsoft excel (untuk membuat grafik).
20
Gambar 3.1Pengujian tarik dengan pemanasan salah satu sisinya
3.4 Analisa Data
Analisa data dilakukan setelah diperoleh hasil pengujian morfologi, pengujian uji tarik dengan perlakuan panas pada salah satu sisi luarnya terhadap komposit polyester kenaf-montmorillonite ialah sebagai berikut:
1 Analisis pengaruh variasi fraksi berat aditif montmorillonite pada komposit matrik polyester berpenguat serat kenaf terhadap nilai kekuatan tarik.
2 Analisis pengaruh variasi suhu terhadap kekuatan tarik komposit matrik polyester berpenguat serat kenaf menggunakan aditif partikel montmorillonite.
21 Resin Polyester + Hardener(1%) Montmorillonite ≤ 297 µm
Serat Kenaf Anyam (1 layer) orientasi 45o / 135 o
Fraksi Berat dengan persentase Montmorillonite : a. 0 %, b. 10 %, c. 20%, d. 30%, e. 40%
Pembuatan sampel komposit berdasarkan ASTM D 3039
Persiapan Alat pendukung untuk pengujian
Pengujian Tarik berdasarkan ASTM D 3039 Konduksi Panas selama 20 menit
dengan variasi suhu : a. suhu ruang, b. 50oC, c. 100oC, d. 150oC,
e. 200oC, f. 250oC
Pengujian Makro
Pengolahan Data
Penulisan Laporan
3.5 Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.2 Diagram alir penelitian Mulai
22
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Pengujian
Prosedur Pengujian termal mekanis meliputi penyiapan bahan uji dan alat uji berdasarkan standar uji material komposit polimer ASTM D 3039, proses pengujian tarik pada komposit menggunakan pencekam (clamp) khusus untuk material jenis komposit polimer. Data hasil pengujian diperoleh melalui pengujian tarik menggunakan universal machine testing merk ESSOM TM 113 kapasitas 30 kN di laboratorium Uji Bahan teknik mesin Universitas Jember. Sampel uji yang digunakan ialah komposit polyester-kenaf dengan variasi penambahan aditif MMT 0%, 10%, 20%, 30% dan 40%. Pemberian panas dilakukan selama dua puluh menit sebelum pengujian tarik berlangsung berupa konduksi panas pada satu sisi dengan variasi suhu ruang, 50 oC, 100 oC, 150 oC, 200 oC dan 250 oC untuk memperoleh data pengujian termal-mekanis. Hasil data pengujian termal mekanis diperoleh grafik sebagai berikut ini :
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara nilai kekuatan tarik dengan variasi suhu pada masing-masing persentase fraksi berat Montmorillonite
23
Pengaruh variasi fraksi berat terhadap nilai kekuatan tarik
Gambar 4.2 Pengaruh penambahan aditif MMT terhadap kekuatan tarik komposit kenaf pada suhu ruang.
Pengaruh variasi suhu
Gambar 4.3 Pengaruh suhu terhadap kekuatan tarik komposit pada masing-masing kandungan fraksi berat MMT.
24
Secara umum, ketahanan panas komposit mulai mengalami penurunan yang tajam pada suhu uji 150 oC dengan penurunan kekuatan tarik rata-rata sebesar 1,6 kali lipat. Keadaan morfologi komposit setelah uji termal-mekanis ialah sebagai berikut:
(a) 0% fraksi berat aditif MMT.
25
(c) 20% fraksi berat aditif MMT.
26
(e) 40%. fraksi berat aditif MMT.
Gambar 4.4 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan berbagai macam variasi fraksi berat (% wt) aditif MMT.
Dari beberapa Foto Makro Sampel Uji Komposit Polyester-Kenaf dengan variasi fraksi berat aditif MMT pada suhu dbawah 150 oC, rata-rata didapatkan letak patahan yang di sekitar pencekam. Sedangkan pada suhu antara 150 oC hingga 250 o
C, rata-rata letak patahan sampel uji berada di tengah serta komposit mulai mengalami delaminasi.
4.2 Pembahasan
4.2.1 Analisa Persentase fraksi berat montmorillonite terhadap Kekuatan Tarik Semakin tinggi persentase fraksi berat MMT, maka kekuatan tariknya semakin meningkat. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan dari partikel MMT dan serat kenaf meskipun nilai kekuatan tarik komposit fraksi berat 10%, 20% dan 30% masih berada dibawah kekuatan komposit fraksi berat 0% (tanpa aditif MMT). Partikel montmorillonite bekerja dengan baik pada penambahan fraksi berat sebesar 40%. Pada fraksi berat 40% inilah, ikatan antara penguat dan pengikat melebihi dari kekuatan komposit tanpa aditif MMT.
27
Meskipun perlakuan dalam hal proses pembuatan sampel sama, komposit uji mengalami pembasahan (wetting) yang kurang sempurna pada fraksi berat 10%, 20% dan 30% antara partikel MMT dengan resinnya. Hal ini dikarenakan pada saat proses pembuatan sampel, pengadukan campuran terlalu tergesa-gesa sehingga reaksi yang seharusnya berjalan lebih lambat. Sehingga proses pembasahan pada komposit kurang sempurna.
Berdasarkan hipotesis penulis tentang peningkatan pengaruh persentase fraksi berat MMT yaitu semakin tinggi kandungan montmorillonite maka kekuatan tarik menurun akibat material yang semakin getas, hasil penelitian ini menunjukkan hal yang berbeda. Penambahan 40% aditif MMT meningkatkan kekuatan tarik komposit sebesar 50% dibandingkan dengan komposit tanpa tambahan aditif MMT pada suhu ruang. Hal tersebut sejalan dengan penelitian yang dilakukan oleh (Sreenivasan, dkk., 2012), bahwa penambahan partikel MMT tanpa modifikasi meningkatkan kekuatan tarik dibandingkan dengan penambahan MMT yang disertai modifikasi.
4.2.2 Analisa Variasi suhu terhadap Kekuatan Tarik
Pengujian termal pada komposit ini hanya dilakukan pada salah satu sisi permukaan komposit dengan luasan permukaan kontak yang dilekatkan pada konduksi panas sebesar 75 mm x 25 mm. Secara umum, peningkatan suhu menyebabkan penurunan kekuatan tarik komposit (lihat Gambar 4.3). Hal ini diakibatkan oleh fenomena pelunakan pada komposit polimer berpenguat serat pada suhu yang lebih rendah diantara 100o-200oC mengalami pelunakan (Yousif, 2013) sehingga matrik komposit yang berasal dari bahan organik (termasuk polyester) tidak dapat bekerja pada paparan suhu diatas 200oC (Tran Doang Hung, 2011). Ketika pengujian tarik, resin dan penguat pada sampel uji tidak dapat menahan gaya tarik disebabkan komposit yang mengalami pelunakan.
28
Menurut (Mouritz, dkk., 2006), Kekuatan terendah komposit saat uji termal-mekanis terjadi pada batas arang dan meningkat pada permukaan yang tidak terkena panas. Dengan kata lain, kekuatan tarik setelah uji termal ditentukan oleh permukaan atau volume komposit yang belum terkena panas (virgin). Semakin banyak luasan permukaan virgin, maka semakin besar kekuatan komposit tersebut untuk menahan gaya tarik yang diberikan kepadanya. Dari penjelasan diatas, komposit polyester-kenaf aditif MMT dengan fraksi berat sebesar 40% mampu menahan panas dan kekuatan tariknya melebihi komposit polyester-kenaf tanpa MMT akibat banyaknya luas permukaan virgin. Daerah batas arang dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini:
Gambar 4.5 Foto makro patahan sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 40% (% wt) pada suhu 150 oC, 200 oC dan 250 oC. Garis merah menunjukkan letak dimana batas arang.
4.2.3 Kondisi Morfologi Komposit setelah Uji termal-mekanis
Setelah Pengujian termal-mekanis, kondisi morfologi komposit meliputi berbagai bentuk patahannya serta efek dari pemanasan itu seperti terbentuknya lapisan arang pada komposit penting untuk dikaji. Karena melalui kondisi morfologi tersebut dapat menjelaskan mengenai fenomena termal-mekanis yang terjadi pada komposit. Selama pengujian yang dilakukan
29
oleh penulis, bentuk patahan dari komposit kurang lebih sama dengan bentuk patahan dari ASTM D 3039 seperti dibawah ini :
Gambar 4.6 Bentuk patahan yang sering terjadi pada pengujian komposit polimer .
Dari gambar diatas, terdapat berbagai macam kode huruf yang perlu kita pahami. Huruf pertama menunjukkan tipe kegagalan dari komposit polimer, huruf kedua menunjukkan letak area kegagalan dari material tersebut sedangkan huruf yang ketiga menjelaskan tentang posisi kegagalan (lihat tabel 2.5). Dari kiri dapat kita lihat bahwa pada gambar terdapat kode LGM yang berarti komposit mengalami kegagalan tipe lateral dengan luasan di sekitar gage dan lokasinya berada di tengahl. Sedangkan untuk kode AIT berarti kompsit mengalami tipe kegagalan sudut dengan luasan di dalam cekam terletak di lokasi atas. Kode LAT menunjukkan bahwa komposit gagal secara lateral pada cekam dan terletak pada lokasi atas. Kode XGM berarti bahwa komposit mengalami kegagalan explosive dengan luasan di sekitar gage dan posisinya berada di tengah. Kode DGM merupakan bentuk kegagalan komposit tipe delaminasi di sekitar gage dan posisinya terletak di tengah.
Faktor- faktor yang mempengaruhi kegagalan diatas meliputi: (a) Kondisi pencekam jika konsentrasi tegangan berada pada pecekam dapat
30
dipastikan letak patahannya berada di sekitar pencekam, (b) Seberapa banyak rongga udara (void) pada komposit. Semakin banyak rongga udara maka kekuatan komposit semakin turun. (c) Besar Suhu Termal. Saat suhu berada di atas daya tahan termal komposit, komposit akan melunak saat pengujian tarik menyebabkan letak patahan berada di tengah. Hal ini dikarenakan penempatan pemanas (heater) pada posisi tengah sampel uji. Selain kegagalan patahan pada komposit yang dapat diindentifikasi melalui ASTM D 3039, kegagalan pada morfologi juga perlu diperhatikan secara seksama. Berikut ini merupakan salah satu bentuk kegagalan komposit setelah diberi perlakuan uji:
Gambar 4.7 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 0% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150 oC, 200 oC dan 250 o
C.
Fiber pull out
31
(a) Penampang patahan
(b) Letak patahan.
Gambar 4.8 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 20% (%wt) setelah perlakuan suhu uji (dari kiri) 150 oC, 200 oC dan 250 oC.
Fiber Pull Out Delaminasi
Fiber pull out
32
(a) Penampang patahan (dari kiri) pada suhu ruang, 50 oC, 100 oC, 150 oC
(b) Bentuk patahan pada (dari kiri) 150 oC, 200 oC dan 250 oC
Gambar 4.9 Foto makro sampel uji komposit polyester-kenaf dengan aditif MMT 40% (%wt) setelah perlakuan suhu uji termal-mekanis.
Kegagalan panas mengakibatkan laminate menjadi bentuk arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan pecahnya matriks (Mouritz, dkk., 2006). Komposit saat pengujian termal-mekanis pada penelitian ini umumnya mengalami pelunakan, degradasi
Fiber break
33
matriks dan fiber organik, delaminasi serta pecahnya matrik saat dilakukannya pengujian termal-mekanis. Kegagalan panas pada morfologi komposit menyebabkan permukaannya menjadi arang setelah material dalam kondisi dingin.
34
BAB 5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Dari pembahasan yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Penambahan montmorillonite meningkatkan kekuatan tarik komposit matrik polyester dengan aditif partikel montmorillonite berpenguat serat kenaf (komposit kenaf-polyester aditif MMT), meskipun pada fraksi 10%, 20% dan 30% kekuatannya dibawah sampel kontrol.
2. Secara umum, semakin tinggi suhu yang dipaparkan pada komposit maka kekuatan tarik komposit kenaf-polyester aditif MMT menurun secara drastis mulai 100 oC. 3. Daya tahan termal-mekanis terbaik pada komposit kenaf-polyester aditif MMT ialah fraksi berat MMT 40% dengan ketahanan termal hingga suhu 100 oC
4. Kondisi morfologi komposit kenaf-polyester aditif MMT setelah pengujian termal-mekanis mulai mengalami kegagalan panas yang dapat ditunjukkan melalui gambar seperti arang, melunak dan degradasi pada matriks dan fiber organik, delaminasi dan pecahnya matriks saat pengujian tarik pada suhu di atas 100 oC.
5.2 Saran
Saran yang dapat diberikan dari penelitian ini adalah:
1. Perlu adanya penelitian lebih lanjut mengenai pengaruh sifat termal terhadap sifat mekanis yang berbeda seperti kekuatan bending, kekuatan tekan, kekuatan impact. 2. Penelitian tentang komposit berbasis serat kenaf perlu dikembangkan mengingat potensi produksi kenaf yang melimpah di sekitar kita.
35
DAFTAR PUSTAKA
Aji, I. S., S. M. Sapuan, E. S. Zainudin, dan K. Abdan. 2009. Kenaf Fibres as Reinforcement for Polymeric Composite a Review. International Journal of Mechanical and Materials Engineering (IJMME). 4. 239-248.
Dharminto. (2014). Metode Penelitian dan Penelitian Sampel. Retrieved 22 maret 2014, from http://eprints.undip.ac.id/5613/1/METODE_PENELITIAN_-_dharminto.pdf
Diharjo, K., R. Afandi, A. Purwanto, N. S. Suharty, S. J. A. Nasir, B. H. Jihad, et al. 2013. Hambatan Panas Komposit Serbuk Genteng Sokka Bermatrik Bisphenolik LP-1Q-EX 1-6.
Diharjo, K., dan B. K. R. A. P. T. A. R. Andhika. 2013. Pengaruh Kandungan dan Ukuran Serbuk Genteng Sokka terhadap Ketahanan Bakar Komposit Geopolimer. Jurnal Rekayasa Mesin. 4. 27-34.
Diharjo, K., dan Santoso. (2008, 22 November 2008). Pengaruh Orientasi Anyaman dan Density Kenaf Acak Terhadap Kekuatan Tarik Bahan Komposit Berpenguat Serat Kenaf Anyam dan Acak. Paper presented at the Prosiding Seminar Nasional Teknoin, Yogyakarta.
Du, Y., J. Zhang, dan Y. A. Xue. 2008. Temperature-duration Effects on Tensile Properties of Kenaf Bast Fiber Bundles. Forest Product Journal. 58. 59-65. Easby, R. C., S. Feih, C. Konstantis, G. L. Delfa, V. U. Miano, A. Elmughrabi, et al.
2007. Failure Model for Phenolic and Polyester Pultrusions Under Load in Fire. Plastics, Rubber and Composites. 36. 379-388.
Feih, S., Z. Mathys, A.G.Gibson, dan A.P.Mouritz. 2007. Modelling the Tension and Compression Strengths of Polymer. Elsevier. 551-564.
Issac, Z. S. M. N. B. K. M. H. D. H. 2012. Composites Laminates Effect of Fibre Types Cold-pressed Kenaf and Fibreglass Hybrid. World of Academy Science 71(Engineering and Science). 969-973.
Justus. (2011). YUKALAC Unsaturated Polyster Resin. Retrieved 15 maret, 2014 Khalid, N. H. A., J. M. Yatim, dan W. A. W. A. Rahman. (2011). Temperature Effect
on Tensile Properties of Kenaf Bast Fiber. Paper presented at the Proceeding of 10th International Annual Symposium, Permai Hotel Kuala Terengganu, Kuala Terengganu.
Kuroda, Y. X. S. K. K. H. T. K. S. 2009. Thermomechanical Properties of the Silanized-Kenaf Polystyrene Composites. Express Polymer Letters. 3. 657-664.
Mashuri. 2007. Efek Termal dan Bahan Penggandeng (Coupling Agent) Silane Terhadap Kestabilan Mekanik Bahan Komposit Poliester Dengan Pengisi Partikulit SiC. Jurnal Sains Materi Indonesia. 9. 40-45.
Mouritz, A. P., dan A. G. Gibson. (2006). Fire Properties of Polymer Composite Materials (Vol. 143,
36
Onggo, H., W. Subowo, dan Sudirman. (2005). Analisis Sifat Termal Komposit Polypropylene Kenaf. Paper presented at the Prosiding Simposium Nasional Polimer V.
Osman, E., A. Vakhguelt, S. Mutasher, dan I. Sbaski. 2012. Effect of Water Absorbtion on Tensile Properties of Kenaf Fiber Reinforced Unsaturated Polyester Composite. Sunaree J.Sci Technol. 20. 183-195.
Pepper, T. (2012). Polyester Resins. Ashland Chemical Company.
Sreenivasan, S., S. Sulaiman, B. T. H. T. Baharudin, M. K. A. Ariffin, dan K. Abdan. 2012. Recent Developments of Kenaf Fiber Reinforced Thermoset Composites A Review.
Tran Doang Hung, P. L., Dora Kroisova,Oleg Bortnovsky,Nguyen Thang Xiem. (2011). New generation of geopolymer composite for fire resistance: InTech. Wikipedia. (2014, 15 agustus 2014). Composite laminates. Retrieved 8 oktober,
2014, from http://en.wikipedia.org/wiki/Composite_laminates
Yousif, Z. N. A. B. F. (2013). Thermal Degradation Study of Kenaf Fibre-Epoxy Composites Using Thermo Gravimetric Analysis. Paper presented at the 3rd Malaysian Postgraduate Conference (MPC2013).
Yunus, S. (2011). Komposit Proses, Fabrikasi dan Aplikasi Jember: Jember University Press.
37
LAMPIRAN
1. Tabel Data Hasil Pengujian Termal-Mekanis
Aditif MMT Serat Kenaf Anyam (layer) Temperatur
heater Data Primer tertinggi (kg) Kekuatan Tarik (MPa)
wt (%) (oC) Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3 Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3
0 1 suhu ruang 27 82 69 2.12 6.44 5.42 50 70 100 81 5.49 7.85 6.36 100 78 69 11 6.12 5.42 0.86 150 26 4 20 2.04 0.31 1.57 200 12 11 14 0.94 0.86 1.10 250 6 4 9 0.47 0.31 0.71 10 1 suhu ruang 53 39 29 4.16 3.06 2.28 50 53 33 85 4.16 2.59 6.67 100 57 69 52 4.47 5.42 4.08 150 11 13 18 0.86 1.02 1.41 200 19 7 9 1.49 0.55 0.71 250 5 4 9 0.39 0.31 0.71 20 1 suhu ruang 18 64 63 1.41 5.02 4.94 50 51 57 23 4.00 4.47 1.81 100 44 65 49 3.45 5.10 3.85 150 26 - 26 2.04 - 2.04 200 12 11 9 0.94 0.86 0.71 250 3 3 2 0.24 0.24 0.16 30 1 suhu ruang 17 72 69 1.33 5.65 5.42 50 61 53 69 4.79 4.16 5.42 100 55 54 51 4.32 4.24 4.00 150 29 29 12 2.28 2.28 0.94 200 10 9 9 0.78 0.71 0.71 250 10 6 4 0.78 0.47 0.31 40 1 suhu ruang 121 90 106 9.50 7.06 8.32 50 97 44 29 7.61 3.45 2.28 100 22 42 80 1.73 3.30 6.28 150 6 17 24 0.47 1.33 1.88 200 10 4 6 0.78 0.31 0.47 250 5 9 5 0.39 0.71 0.39
38
2. Gambar Sampel Uji Keseluruhan 0% Aditif MMT (% wt) 10% Aditif MMT (% wt) 20% Aditif MMT (%wt) 30% Aditif MMT (% wt) 40% Aditif MMT (% wt) S uhu r ua ng S uhu 50 o C
39 S uhu 100 o C S uhu 150 o C S uhu 200 o C
40
S
uhu
250
o C
3. Perhitungan Kekuatan Tarik
Perhitungan kekuatan tarik pada tabel dengan keluaran data primer dengan satuan kg. Untuk mendapatkan kekuatan tarik, keluaran data primer harus dikonversi terlebih dahulu ke satuan Newton dengan perhitungan rumus sebagai berikut:
Fmax = m. g (3)
Dimana :
Fmax = Gaya tarik tertinggi (N) m = gaya tarik pada komposit (kg)
g = konstanta percepatan gravitasi sebesar 9,81 m/s2.
Setelah didapatkan perhitungan gaya tarik maksimal, kekuatan tarik maksimal didapatkan dari persamaan (1) berikut ini :
σtu = Fmax / A0 (Lihat halaman 12)
Contoh :
1) Diketahui keluaran data primer tertinggi pada komposit polyester-kenaf aditif MMT fraksi berat 0% dengan sebesar 27 kg. Berapakah gaya tarik maksimal (N) serta Kekuatan tarik yang akan didapatkan (MPa) ?
Jawab :
1) σtu = Fmax / A0
= (m.g) / A0
41
σtu = 264,87 N/ 125 mm2 = 2,12 N/mm2
= 2,12 MPa
4. Tabel konversi mesh ke micron
US Sieve Series Opening (µm) US Sieve Series Opening (µm)
4 5 6 7 8 10 12 14 16 18 20 25 30 35 4760 4000 3360 2830 2380 2000 1680 1410 1190 1000 841 707 595 500 40 45 50 60 70 80 100 120 140 170 200 230 270 325 400 420 354 297 250 210 177 149 125 105 88 74 63 53 44 37
Sumber : http://www.js-aoxin.com/en/shownews.asp?id=75 (diakses 16 maret 2014)
5. Rasio Pencampuran Larutan Matriks per sampel
Bahan 0% wt 10% wt 20% wt 30% wt 40% wt Resin (ml) Hardener(ml) MMT (gr) 32 0,32 - 45 0,45 5 40 0,4 10 35 0,35 15 36 0.36 24
Catatan = Untuk pembuatan sampel dengan jumlah yang lebih banyak tinggal mengalikan saja dengan rasio diatas.
42
44
45
46
47
