61
PEMBANDINGAN KEKUATAN BENDING SANDWICH COMPOSITE
DARI LIMBAH KARDUS DENGAN KAYU LAPIS
Utsman Syah Amrullah1, Riyanto Heri Nugroho2, Agus Dani 3 1,2,3
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang 1
[email protected], 2 [email protected], 3 [email protected]
Abstrak
Permasalahan limbah kertas dan terutama limbah kardus (card board) akan semakin meningkat dari tahun ke tahun, seiring dengan meningkatnya penggunaan kertas dan kardus sebagai bahan untuk packing suatu produk elektronik atau customer good, packing dalam jasa pengiriman, dan penggunaan yang lainnya. Akbat buruk dari banyaknya limbah kardus banyak sekali, diantaranya kesulitan dalam penyimpanan, mengundang datangnya tikus untuk bersarang dan mengurangi keindahan rumah. Limbah kardus sangat mudah dijumpai disekitar lingkungan masyarakat, seyogyanya dapat dimaksimalkan pemanfaatannya untuk kepentingan yang lebih besar. Pada penelitian ini, limbah kardus akan dibuat sebagai bahan core/inti composite, dan juga memanfaatkan jute/karung goni sebagai layer kompositnya. Spesimen komposite dibuat dengan ketebalan inti 8 mm dan dilapisi karung goni pada bagian top dan bottomnya, menggunakan epoxy resin dan pembuatannya dengan hand lay up dilanjutkan vacuum bagging untuk proses pengawetannya. Spesimen yang dibuat diharapkan dapat menjadi material alternatif pengganti kayu lapis yang sudah banyak beredar. Pembandingan dilakukan utuk mengetahui kekuatan komposit limbah kardus menerima beban bending. Pengujian dilakukan dengan metode three point bending menggunakan mesin uji tarik. Hasil pengujian menunjukkan spesimen kayu lapis dengan tebal t=7,8 mm, akan mengalami patah pada maksimum beban 239,5014 N dengan defleksi maksimum 9,3 mm. Sedangkan spesimen komposit dengan t=9,26 mm akan mengalami patah pada beban maksimum 330,8703 N dengan defleksi pada saat itu 13,85 mm. Tipe patahan yang terjadi pada spesimen kayu lapis berupa patahan ulet (ductile), sedangkan tipe patahan pada komposite berupa patahan getas (brittle)
Kata kunci : kardus, sandwich composite, kayu lapis, kekuatan bending, flextural test
1. Pendahuluan
Kardus bekas packing air mineral, bekas packing peralatan elektronik baru, atau packing kue sangat mudah dijumpai di sekitar tempat tinggal atau perumahan penduduk. Melimpahnya limbah kardus seperti ini lama kelamaan akan menimbulkan dampak negatif. Di lingkungan rumah tangga menyebabkan pengaturan ruang penyimpanan (gudang) menjadi lebih sulit, gudang terasa penuh oleh tumpukan kardus, mau dibuang sayang mau disimpan tempat menjadi penuh, mengundang tikus untuk datang dan menyebabkan pemandangan yang tidak sedap.
Sudah banyak upaya dilakukan untuk mendaur ulang kertas dan kardus, salah satu diantaranya adalah diolah sebagai bahan pulp (bubur) kertas untuk selanjutnya diproses menjadi kertas dan kardus lagi. Melalui penelitian ini, akan memanfaatkan limbah kardus sebagai bahan core/inti sandwich composite. Dimana kardus limbah akan dibuat sebagai inti komposit dengan ketebalan tertentu dan dipadukan dengan material limbah lainnya yaitu karung bekas/goni/jute sebagai lapisan atas dan bawah dari sandwich komposit.
Manfaatnya menjadi material alternatif, sebagai material pengganti kayu lapis yang sudah banyak beredar di pasaran.
Diharapkan material komposit ini dapat mengurangi limbah kardus dan limbah karung goni, serta alternatif material kayu lapis yang sudah tersedia dipasaran.
1.1 Rumusan Masalah
Permasalahan yang akan diselesaikan dalam penelitian ini adalah:
1. Cara pembuatan inti /core composite dari limbah kardus
2. Pembandingan kekuatan bending spesimen komposit yang dibuat, dibandingkan dengan kayu lapis
3. Tipe patahan yang terjadi 1.2 Batasan Masalah
Agar penelitian dapat lebih fokus, dibatasi hal-hal berikut ini:
1. Material yang digunakan adalah kardus bekas packing (limbah kardus)
62 2. Perbandingan resin epoxy dan hardener adalah
2:1 sesuai rekomendasi pabrik pembuat resin 3. Komposit dibuat dengan metode hand lay up
dan dilanjutkan dengan proses pengawetan dengan vacuum bagging
1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Tujuan dari manfaat dari penelitian ini adalah: 1. memanfaatkan limbah kardus sebagai core
sandwich composite dan limbah karung goni (jute)
2. mengetahui kekakuan/stiffness dari material komposit
3.
mengetahui perbandingan kekuatan bending dengan kayu lapis2. Tinjauan Pustaka 2.1 Material Komposite
Komposit (composite) adalah material sintetis yang sengaja diciptakan untuk mendapatkan sifat-sifat unggul yang diinginkan. Komposit dibuat dari kombinasi satu atau dua material berbeda dengan tujuan mendapatkan sifat unggul.
Komposit dibuat dengan cara menggabungkan Matrik dan Reinforce. Matrik berupa bahan kimia (resin) dari jenis thermoplastik atau thermoset. Material komposit dipakai karena memiliki sifat kuat, taham korosi dan bobot yang ringan. Contoh penggunaannya antara lain, pada industri pesawat terbang seperti pada radome, landing gear door serta interior, pada industri aoutomobile seperti penggunaan fairing, bamper dan dashboard dan industri yang lain seperti pada tangki air, bak kamar mandi, bodi kapal nelayan dan lain-lain.
Jenis komposit berdasarkan strukturnya terdiri dari 2 tipe, yaitu:
1. Laminar 2. Sandwich
Gambar 1.Laminar composite
Gambar 2. Sandwich Composite
Tipe Laminar merupakan komposit yang penguatnya/reinforce-nya berupa lapisan/fabric yang disusun secara tunggal atau bisa juga multi layer. Sedangkan tipe Sandwich, tersusun dari lapisan reinforce dan memiliki inti/core untuk mendapatkan weight rasio yang besar.
Inti pada sandwich komposit memiliki fungsi meningkatkan rasio berat berbanding volume dari suatu material komposit. Variasi ketebalan inti dijelaskan pada tabel 1. tentang karakteristik dari sandwich komposit, meliputi stiffness, strength dan weightnya.
Tabel 1. Karakteristik Sandwich Composite (SAE-International handbook vol.6)
Secara umum komposit tersusun oleh dua bagian utama yaitu Reinforce/penguat dan Matrik/resin/adhesive. Masing-masing bagian memiliki fungsi dan kegunaan tersendiri. Serat-serat/fiber yang umum digunakan untuk membuat komposit seperti fiber glass, fiber Aramid/kevlar, serat carbon/ghrapite dan hybrid fiber. Serat-serat ini berfungsi sebagai penguat terhadap beban yang diterima komposit. Jenis dan arah penyusunan serat akan mempengaruhi kekuatan komposit terhadap arah pembebanan yang berbeda.
Gambar 3. (a) Fiber glass (b) Carbon fiber (c)Aramid fiber
Untuk komposit bertipe sandwich, memiliki core/inti. Core ini berfungsi untuk meningkatkan stiffness dan menambah rasio valome/berat. Ada beberapa jenis tipe core, yaitu: Nomex honey comb core, Metal honey comb core, Balsa wood core, Foamed core.
Gambar 4. Honey comb core
63 Resin/matrik/adhesive memiliki fungsi untuk menjaga dan mengikat fiber selalu dalam posisinya dan berfungsi untuk meneruskan beban yang diterima ke reinforce dari komposit tersebut. Resin yang umum dipakai dapat berupa thermoset seperti Epoxy, Polyesther, Penolic atau dari bahan thermoplastik seperti Polyamide. Hal-hal yang harus diperhatikan dalam pemilihan resin adalah compatibilitas dengan reinforce-nya, sifat mekanik, harga, density, flamebility dan lain-lain.
(a) (b) Gambar 5 (a) Epoxy resin (b) Polyester resin 2.2 Metode Pembuatan Komposit
Proses manufaktur komposit dapat dilakukan dengan banyak metode. Setiap metode memiliki keuntungan dan kerugian masing-masing disesuaikan dengan keperluan dan tujuan akhir dari pembuatan komposit tersebut. Beberapa metode untuk pembuatan komposit diantaranya:
(a) Hand lay up, metode ini merupakan metode yang paling sederhana. Resin/adhesive atau matrik dioleskan secara manual menggunakan kuas ke lapisan fiber atau reinforce-nya.
(b) Spray up, resin disaplikasikan pada fiber dengan cara disemprotkan.
(c) Filament winding, merupakan proses pembuatan komposit berbentuk tabung
(d) Vacuum bagging, metode ini menggunakan pompa vacuum untuk menghisap dan membuang udara keluar sekaligus memasukkan resin agar merata ke seluruh permukaan fiber.
(e) Pre peg, merupakan bentuk komposite yang berbentuk lembaran seperti stiker. Lapisan pelindungnya dibuka dan langsung dapat digunakan (f) Compression molding
(g) Pultrusion
(h) Sheet Molding Compound (SMC)
Gambar 6. Hand lay up
Gambar 7. Vacuum bagging 2.3 Card board
Kardus (card board) adalah lembaran kertas ber corrugated (bergelombang) yang umum dipakai sebagai packing box (kemasan) produk makanan, minuman atau untuk packing barang elektronik. Kardus ini sangat melimpah dan mudah dijumpai di sekeliling lingkungan. Karena setelah produk yang dikemas kardus tersebut diambil atau dipakai, maka packing kardus ini berkurang fungsinya, dalam arti menjadi limbah/sampah.
Jenis-jenis Kardus
1. Single-face board. Terdiri dari satu sisi yang datar atau liner yang dilem dengan corrugated medium atau fluting. Tipe ini banyak digunakan untuk bahan pembungkus, bantalan atau pengisi wadah kemasan. Single face tidak digunakan untuk produksi box.
2. Single-wall board. Terdiri dari dua muka yang datar atau liner dengan satu corrugated medium atau fluting dibagian tengahnya. Lebih dari 90 % karton gelombang yang dibuat menggunakan bahan tipe ini.
3. Double-wall board. Terdiri dari dua muka yang datar dan dua corrugated medium atau fluting dan liner tengah diantara kedua fluting. Total lembaran kertas yang menyusun corrugated board tipe ini ada lima lapisan kertas. Corrugated tipe ini dipakai untuk packaging dengan beban berat.
4. Triple-wall board. Tipe ini mempunyai tiga corrugated medium atau fluting dan total lembaran kertas penyusunnya ada tujuh lembar. Hanya sedikit pabrik corrugated yang mampu memproduksi tipe ini. Kebanyakan tipe triple wall dibuat dari menggabungkan lembaran single wall dan double wall secara manual bukan langsung di mesin corrugator.
(www.harpackindo.id,2017)
(a) (b)
(c) d
Gambar 8.(a)Single face (b) Single wall (c) Double wall (d) Triple wall
64 2.4 Kekuatan Bending
Dalam ilmu Mekanika Bahan, kekuatan bending didefinisikan sebagai kemampuan suatu material/struktur untuk menahan defleksi, deformasi terhadap beban yang diterima.
Suatu struktur sedehana yang mengalami lentur dapat sebagaimana gambar 9, dimana y adalah defleksi pada jarak x, dengan x adalah jarak lendutan yang ditinjau, dx adalah jarak m-n, dθ sudut segitiga m-o-n, dan r adalah jari-jari lengkung.
Gambar 9. Lendutan pada batang 3. Pembahasan
3.1 Pembuatan Core Kardus
Untuk membuat inti komposit dari limbah kardus, langkah membuatnya dijelaskan sebagai berikut:
1. Pilih kardus bekas yang memiliki bentuk corrugated dan tebal yang sama (penampangnya seragam)
2. Potong kardus menjadi ukuran yang sama yaitu 25 x 25 cm sebanyak 5 atau 6 lembar
3. Potongan tersebut disatukan menggunakan lem kayu, satukan menjadi 5 atau 6 tumpuk dan tunggu hingga benar-benar kering (24 jam).
Gambar 10. Potongan kardus disatukan 4. Lakukan pemotongan menggunakan pemotong
yang tajam sesuai ketebalan yang diinginkan. Dan hasil pemotongan disatukan dengan rapi menggunakan lem kayu.
Gambar 11. Dipotong dengan tebal 8 mm
5. Untuk mendapatkan core yang rata, dilakukan penggosokan dengan kertas gosok.
Gambar 12. Core kardus 3.2 Spesimen
Komposit dengan inti kardus dibuat dengan menggunakan hand lay up dan kemudian dilakukan vacuum bagging untuk mendapatkan kepadatan resin yang diinginkan.
Langkah-langkah pembuatan spesimen komposit, yaitu:
1. Bersihkan cetakan yang akan dipakai, kemudian oleskan PVA (polyvinil alkohol) sebagai bahan anti lengket. Ditunggu sekitar 20 menit sampai lapisan PVA mengering dengan sempurna. 2. Resin dan hardener dicampur dengan
perbandingan 2:1 sesuai rekomendasi pabrik. Pada penelitian ini luas permukaan specimen adalah 65 x 250 mm dua sisi yaitu atas dan bawah, ditetapkan volume resin 30 cc. Dengan komposisi 20 cc epoxy,dan 10 cc hardener. 3. Oleskan resin menggunakan kuas ke permukaan
core di kedua sisinya. Dan juga dioleskan pada kedua sisi dari goni/jute yang dipakai.
4. Susunlah dari bawah ke atas: jute – core - jute diatas cetakan, kemudian peel ply dan paling atas breather
5. Selimuti dengan vacuum bag, susun instalasi pemvacuuman.
6. Gunakan sealent tape untuk mencegah kebocoran
7. Lakukan proses pemvakuman. Setelah benar-benar vakum, tutup shut off valve dan biarkan selama 24 jam.
Gambar 13. Proses Vacuum Bagging Setelah selesai proses vacuum bagging, komposit dipotong untuk menjadi spesimen uji berdasarkan standart ASTMD709.
65 0 100 200 300 0 5 10 15 Fo rc e (N ) Displacement (mm) Gambar 14. Spesimen uji
Data spesimen uji sesuai tabel 2. sebagai berikut: Tabel.2 Data spesimen
Spesimen Dimensi (mm) Berat (gr) Berat jenis
(gr/mm3) Core1 t=8 247 x 26 x 9,24 23,91 0,000403 Core2 t=8 247 x 27 x 9,24 28,28 0,000459 Kayulapis1 264 x 29,5 x 7,8 20,47 0,000337 Kayulapis2 264 x 28,5 x 7,8 18,83 0,000133 3.3 Uji Flextural
Pengujian flextural dilakukan dengan menggunakan mesin uji tarik TARNO GROCKI, yang dilengkapi dengan beberapa peralatan tambahan agar data dapat terbaca dengan lebih akurat. Peralatan uji ditunjukkan dalam gambar 14.
Gambar 15. Alat uji flextural Langkah-langkah melakukan pengujian:
1. Spesimen diposisikan pada mesin uji dengan jarak span atau tumpuan 150 mm
2. Dial indicator diposisikan pada posisi nol (posisi belum terjadi defleksi)
3. Beban diberikan pada spesimen diantara dua span dengan jarak yang sama
4. Ujung penekan diposisikan tepat dipermukaan specimen
5. Beban mulai diberikan dengan kecepatan 0,01 mm/detik
6. Dibiarkan sampai terjadi patah atau beban semakin turun mencapai nol
4. Hasil Pengujian dan Analisa 4.1 Spesimen Kayu lapis1
Gambar 16. Grafik Gaya vs Defleksi spesimen kayu lapis1
Gambar 17. Tipe patahan spesimen kayu lapis1 Spesimen kayu lapis1 mampu menerima beban maksimum sebesar 160,853 N dan mengalami defleksi maksimum 4,41mm sebelum mengalami patah. Setelah beban maksimum tercapai, alat ukur akan menunjukkan penurunan nilai beban secara drastis, akan tetapi pada suatu saat tertentu sempat mengalami sedikit kenaikan dikarenakan masih adanya serat kayu yang saling mengikat. Sedangkan hasil pengamatan menunjukkan tipe patahan yang terjadi adalah patahan ulet (ductile). Hal ini terjadi karena susunan dari serat-serat kayu lapis disusun menyilang sedemikian rupa yang memang diharapkan dapat meningkatkan keuletannya. 4.2 Spesimen Kayu lapis2
Gambar 18. Grafik Gaya vs Defleksi spesimen kayu lapis2
Gambar 19. Tipe patahan spesimen kayu lapis2 -100 0 100 200 0 5 10 15 Force (N) Displacement (mm)
66 0 200 400 0 10 20 Fo rce (N) Displacement (mm)
Spesimen kayu lapis2 mampu menerima beban maksimum sebesar 239,5014 N dan mengalami defleksi maksimum 9,3 mm sebelum mengalami patah. Setelah beban maksimum tercapai, alat ukur akan menunjukkan penurunan nilai beban secara drastis, akan tetapi pada saat tertentu sempat mengalami sedikit kenaikan dikarenakan masih adanya serat kayu yang saling mengikat. Sedangkan hasil pengamatan menunjukkan tipe patahan yang terjadi adalah patahan ulet (ductile), dengan trending yang mirip dengan spesimen kayu lapis1
4.3 Spesimen komposit core2 t=8mm
Gambar 20. Grafik Gaya vs Defleksi spesimen komposit core1 t=8mm
Gambar 21. Tipe patahan spesimen komposit core1 t= 8mm
Spesimen komposit core1 t=8 mm mampu menerima beban maksimum sebesar 163,999 N dan mengalami defleksi maksimum 7,8 mm sebelum mengalami patah. Setelah beban maksimum tercapai, alat ukur akan menunjukkan penurunan nilai beban secara drastis. Sedangkan hasil pengamatan menunjukkan tipe patahan yang terjadi adalah patahan getas (britlle)
4.4 Spesimen komposit core2 t=8 mm
Gambar 22. Grafik Gaya vs Defleksi spesimen komposit core2 t=8 mm
Gambar 23. Tipe patahan spesimen komposit core2 t= 8mm
Spesimen komposit core2 t=8 mm mampu menerima beban maksimum sebesar 330,8703N dan mengalami defleksi maksimum 13,85 mm sebelum mengalami patah. Setelah beban maksimum tercapai, alat ukur akan menunjukkan penurunan nilai beban secara drastis. Sedangkan hasil pengamatan menunjukkan tipe patahan yang terjadi adalah patahan getas (britlle)
5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan:
1. Limbah kardus dapat dibuat sebagai inti untuk komposit tipe sandwich dengan cara merangkai potongan melintang penampangnya. Inti limbah kardus yang baik adalah yang memiliki bentuk corugated yang seragam.
2. Hasil pengujian menunjukkan kayu lapis akan patah pada beban maksimum 239,5014 N dengan defleksi 9,3 mm. Sedangkan komposit mampu menahan beban maksimum 330,8703N pada defleksi 13,85 mm untuk patah.
3. Tipe patahan spesimen kayu lapis berupa patahan ulet (ductile) sedangkan patahan pada spesimen komposit bertipe getas (brittle). 5.2 Saran
1. Untuk mendapatkan komposit yang lebih ulet perlu dipertimbangkan variasi orientasi/arah penyusunan serat
2. Perlu kombinasi core dan lapisan layer jenis lain agar kekuatan bending lebih baik
Daftar Pustaka:
ASTM, 1998, Annual Book of ASTM Standard Section 4, Vol.13, ASTM, New York, C 393 – 94.
Mallick P.K., (1997): Composite Engineering Handbooks, Marcel Dekker Inc. New York Matthews F.L. and Rawlings R.D.,(1999):
Composite Material: Engineering and Science, Woodhead Publishing Limited, UK
0 100 200 0 5 10 15 20 Fo rce (N) Displacement (mm)
67 Rifki Nugraha, (2010): Analisis Karakteristik
Bending komposit sandwich Dengan Variasi Ketebalan Inti (Core) Epoxy, Jurusan Teknik Mesin ITS
Wijoyo, Achmad Nurhidayat,(2014): Kajian Komprehensif Kekuatan Bending Komposit Sandwich Serat Aren-Polyester Dengan Core Gedebog Pohong, Fakultas Teknik Universitas Surakarta, Jurnal Jurnal Teknologi, Volume 7 Nomor 2, Desember 2014, 128-133
Www.avtcomposite.com diakses 26 Desember 2016 Www.harpackindo.id diakses 16 Januari 2017
68
