Pengaruh Komposisi Bahan Pengeras (Gypsum) terhadap Sifat Fisik dan Mekanik Papan Partikel Resin Poliester Berpengisi Serbuk Kulit Kerang

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Komposit

Material komposit yaitu material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan. Kelebihan material komposit dibandingkan dengan logam adalah ketahanan terhadap korosi atau pengaruh lingkungan bebas dan untuk jenis komposit tertentu memiliki kekuatan dan kekakuan yang lebih baik. Oleh karena itu penelitian yang berkelanjutan berbanding lurus dengan perkembangan teknologi bahan tersebut khususnya komposit. Perkembangan komposit tidak hanya dari komposit sintetis tetapi juga komposit natural yang terbarukan sehingga mengurangi pencemaran lingkungan hidup. Penelitian mengenai material komposit maupun komponen yang terbuat dari material komposit telah banyak dilakukan [21].

Secara umum komposit tersusun dari material pengikat (matriks) dan material penguat (reinforce). Logam, keramik, dan polimer dapat digunakan sebagai material pengikat pada pembuatan komposit tergantung dari sifat yang ingin dihasilkan. Namun, polimer merupakan material yang paling luas digunakan sebagai matriks dalam komposit modern yang lebih dikenal dengan reinforced plastic [22].

2.2 Interface dan Interfasa

matriks dan penguat yang mengalami kontak dengan keduanya dengan membuat suatu ikatan antara keduanya untuk perpindahan beban. Ikatan yang terjadi pada

interface matriks – penguat terbentuk saat permukaan penguat telah terbasahi oleh matriks [23].

Interface yang ada pada komposit ini berfungsi sebagai penerus (transmitter) beban antara matriks dan penguat. Bila energi permukaan semakin kecil maka akan semakin mudah terjadi pembasahan. Hubungannya dengan kelarutan (adsorbsi) adalah, bila semakin besar adsorbsi maka energi permukaan akan semakin kecil.

Adsorbsi merupakan reaksi permukaan yang tergantung pada konsentrasi dan temperatur. Hubungan daya ikat antara matriks – penguat terhadap sifat mekanis komposit sangatlah erat, karena apabila daya ikat antara matrik – penguat baik maka dapat meningkatkan sifat mekanis dan performa dari komposit. Interface matriks – penguat merupakan suatu batas dua dimensi, sementara interphase matriks – penguat merupakan batas tiga dimensi [23].

Ada lima mekanisme yang menerangkan pengikatan pada antarmuka pada komposit, yaitu sebagai berikut [24] [25]:

1. Adsorpsi dan Pembasahan

Pembasahan merupakan kontak antara fasa cair dan permukaan fasa padat, dihasilkan dari interaksi antara molekul ketika keduanya terbawa secara bersamaan. Pada mekanisme ini, leburan fasa matriks (resin) harus menutupi seluruh permukaan pengisi agar udara dapat disingkirkan

2. Interdifusi

Menurut mekanisme ini, suatu ikatan akan terbentuk apabila molekul-molekul polimer meresap dari suatu permukaan ke dalam struktur molekul-molekul permukaan yang lain. Kekuatan ikatannya bergantung pada jumlah peresapannya.

3. Daya Elektrostatik

4. Ikatan Kimia

Pengikatan kimia ini dapat terjadi apabila pencampuran komposit menggunakan agen penghubung atau bahan penyerasi. Pengikatan terbentuk sebagao hasil dari suatu reaksi kimia antara bahan pengisi dengan bahan penyerasi yang digunakan. Kekuatan pengikatannya bergantung pada jenis ikatan kimianya.

5. Ikatan Mekanik

Pengikatan mekanik ini terjadi secara interlocking mekanik apabila geometri permukaan matrik dan bahan pengisi yang digunakan dalam pembuatan komposit tidak rata. Beberapa faktor yang mempengaruhi ikatan mekanik ini adalah kekerasan permukaan, aspek geometri dan tekanan yang digunakan dalam proses pabrikasi.

2.3 Matriks

Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matrik, umumnya lebih ulet tetapi mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih rendah [21].

Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut [21] : • Mentransfer tegangan ke serat.

• Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat. • Melepas ikatan.

• Tetap stabil setelah proses manufaktur.

pengurangan kebutuhan energi dan biaya. Pada reinforceed plastics dapat dipilih matriks dari jenis thermoplastic atau thermosetting [22].

Salah satu contoh penggunaan plastik sebagai matriks adalah penelitian yang dilakukan oleh (Mulana, dkk., 2011) dalam pembuatan papan komposit dari plastik daur ulang dari polietilen sebagai matriks dengan pengisi serbuk kayu dan jerami. Hasil yang terbaik yang diperoleh pada pengujian kekerasan terdapat pada perbandingan filler dan matriks 80:20 sebesar 79,5 dan 67 sedangkan pada pengujian kekuatan tarik terdapat pada perbandingan 60:40 sebesar 3,62 MPa (megapascal) [26].

2.3.1 Resin Poliester Tak Jenuh

Matriks yang digunakan dalam penelitian ini adalah resin poliester. Resin poliester merupakan resin yang paling banyak digunakan dalam berbagai aplikasi yang menggunakan resin termoset, baik itu secara terpisah maupun dalam bentuk materal komposit. Walaupun secara mekanik, sifat mekanik yang dimiliki oleh poliester tidaklah terlalu baik atau hanya sedang – sedang saja. Hal ini karena resin ini mudah didapat, harga relatif terjangkau serta yang terpenting adalah mudah dalam proses fabrikasinya. Jenis dari resin poliester yang digunakan sebagai matriks komposit adalah tipe yang tidak jenuh (unsaturated polyester) yang merupakan termoset yang dapat mengalami pengerasan (curing) dari fasa cair menjadi fasa padat saat mendapat perlakuan yang tepat. Berbeda dengan tipe polister jenuh (saturated polyester) seperti Terylene™, yang tidak bisa mengalami curing dengan cara seperti

Gambar 2.1 Struktur Kimia Poliester Tak Jenuh Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Poliester Tak Jenuh Yukalac BQTN 157 [28]

No Spesifikasi Satuan Nilai Tipikal

1 Berat Jenis Gr/cm3 1,215

2.3.2 Katalis Methyl Ethyl Keton Peroksida (MEKPO)

Katalis yang digunakan adalah katalis Methyl Ethyl Keton Peroksida

Sudah banyak penelitan yang telah dilakukan dengan menggunakan bahan-bahan alami yang terdapat di alam dengan komposit resin poliester tak jenuh, untuk memperbaiki sifat nya maka ditambahkan pengisi yang berasal dari alam seperti yang telah dilakukan oleh (Sudarsono, 2012) yang menggunakan poliester tak jenuh sebagai matriks dengan katalis MEKPO dan pengisi bahan kayu sengon laut dan serat alami jenis rami diperoleh hasil berupa tegangagan tekuk 45,663 Mpa dengan modulus young 1,244 GPa dan regangan 1,795 % [3]. (Kartini, dkk., 2002) menggunakan resin poliester sebagai matriks dan pengisi serat ijuk diperoleh nikai kekuatan tarik 56,47 MPa dan kekerasan 94,6[4]. (Azwar, 2009) menggunakan resin poliester tak jenuh dengan filler serbuk kayu diperoleh sifat mekanik yang paling bagus yaitu 0,0722 kN/mm2 untuk filler kayu lunak dan 0,0657 kN/mm2 untuk filler kayu keras. [5]. Dan (Carli, dkk., 2012) menggunakan Fiberglass jenis E- Glass ( Woven roving ), berupa benang panjang yang dianyam dan digulung pada silinder. Untuk matriks nya

menggunakan Epoxy dan Polyester. Hasil yang diperoleh berupa pengujian tarik maksimum

rata-rata 118,8 MPa, regangan 9,1 % dan modulus Elastisitas 1,3 GPa, untuk uji bendingnya

tegangan bending rata-rata 79,92 MPa, momen bending 1540,17 Nmm [7].

2.4 Bahan Pengisi (Filler)

Bahan pengisi adalah penanggung beban utama pada komposit. Bahan pengisi ini biasanya ditambahkan ke dalam matriks untuk meningkatkan sifat mekanik dari komposit misalnya kekuatan atau kekakuan komposit. Berikut adalah beberapa sifat yang dapat diperoleh dengan penambahan bahan pengisi [29]:

a. Peningkatan sifat fisik.

b. Penyerapan kelembapan yang rendah. c. Sifat pembasahan yang baik.

d. Biaya yang rendah.

e. Ketahanan terhadap api yang baik.

f. Ketahanan terhadap bahan kimia yang baik.

2.4.1 Kulit Kerang Darah (Anadoragranosa)

karena banyak diminati masyarakat Adapun klasifikasi dan identifikasi dari spesies kerang darah ini adalah sebagai berikut [30]:

Kingdom : Animalia Phyllum : Mollusca Class : Bivalvia Subclass : Pteriomorphia Ordo : Arcoida Famili : Archidae Genus : Anadara

Species : Anadara granosa

Berikut adalah gambar kulit kerang darah yang biasa dikonsumsi oleh masyarakat dalam bentuk utuh dan serbuk:

Gambar 2.2 Kulit Kerang Darah (Anadora granosa)

Anadara granosa hidup dengan cara membenamkan diri di pantai-pantai dan terdapat di pantai laut pada substrat lumpur berpasir dengan kedalaman 10 m sampai 30 m [31]. Anadora granosa mempunyai ciri khas yaitu ditutupi oleh dua keping cangkang (valve) yang dapat dibuka dan ditutup karena terdapat sebuah persendian berupa engsel elastis yang merupakan penghubung kedua valve tersebut [32].

Cangkang berwarna putih ditutupi periostrakum yang berwarna kuning kecoklatan sampai coklat kehitaman, ukuran kerang dewasa 6 cm – 9 cm. Komposisi

kimia kerang darah adalah mengandung protein 9%-13%, lemak mencapai 2%, glikogen

1%-7 % dan memiliki 80 kalori dalam 100 gram daging segar. Adapun karakteristik dari

kerang darah adalah berbau amis, teksturnya lunak namun kenyal dan dagingnya

berwarna merah kecoklatan [30].

kulit kerang hanya dimanfaatkan sebagai kerajinan tangan atau seni dekoratif, juga sebagai campuran makanan ternak guna memenuhi kadar kalsium [12].

Beberapa penelitian dengan bahan baku kulit kerang telah dilakukan untuk memaksimalkan pengunaan dari limbah kulit kerang ini, diantaranya adalah (Mei, dkk., 2014) menggunakan kulit kerang yang dimodifikasi sebagai pengisi yang akan disubstitusi dengan kalsium karbonat dalam polipropilen dengan variasi komposisi tertentu dan dicampur dalam twin-screw extruder. Hasil yang diperoleh didapat rasio pengisi optimal kulit kerang termodifikasi adalah 15% (wt) untuk mencapai keseimbangan yang baik antara kekuatan dan ketangguhan dari komposit polipropilen [16]. (Othman, dkk., 2013) menggunkan kulit kerang abu kulit kerang sebagai bahan pengisi dan pengganti semen pada pembuatan beton. Hasil yang diperoleh struktur morfologi beton yang tampak lebih padat adalah 5% dan 10% (wt) dimana memengaruhi kekuatan, modulus elastisitas, permeabilitas air dan porositas konkrit [17]. (Yao, dkk., 2012) menggunakan limbah kulit kerang yang modifikasi dengan furfural dan asam klorida sebagai pengisi FCS dan ACS yang kemudian digunakan dalam polipropilen dan kalsium karbonat. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa modifikasi kulit kerang menjadi FCS dapat meningkatkan kompatibilitas dan afinitas antara partikel FCS dan matriks polipropilen sehingga meningkatkan stabilitas termal komposit tersebut [18]. (Yusof dan Amalina, 2013) menggunakan pengisi kalsium karbonat dari kulit kerang yang digunakan dalam polyester tak jenuh (UP). Hasil yang diperoleh pengisi berukuran mikro yaitu 574,81 µm, modulus lentur meningkat seiring penambahan pengisi ke dalam komposit bermatriks UP [19].

Adapun komposisi kimia dalam cangkang kulit kerang darah (Anadora granosa) adalah sebagai berikut [10]:

Dari data komposisi serbuk kulit kerang di atas, dapat dilihat bahwa serbuk kulit kerang mengandung kalsium oksida (CaO) dan magnesium oksida (MgO) yang relatif cukup tinggi dan berpotensi untuk dijadikan sebagai pengisi komposit untuk meningkatkan sifat mekanik dari komposit tersebut.

2.5 Gypsum

Gypsum adalah batu putih yang terbentuk karena pengendapan air laut,

kemudian dipanaskan 175 ºC disebut STUCCO. Gypsum adalah salah satu mineral

terbanyak dalam lingkungan sedimen yaitu batu yang terdiri dari mineral yang

diproduksi secara besar-besaran biasanya dengan persipitasi dari air asin. Kristal gypsum

dapat tidak berwarna dan transparan secara ekstrim membuat kontras yang kuat untuk

pemakaian paling banyak di dinding kering. Gypsum adalah penyekat alami, hangat bila

disentuh dibandingkan dengan batu biasa.

Gypsum mempunyai beberapa kandungan yang terkandung di dalamnya dimana

dapat dilihat pada tabel 2.3 di bawah ini [34]:

No Bahan Kandungan (%)

1 Calcium (Ca) 23,28

2 Hydrogen (H) 2,34

3 Calsium Oksida (CaO) 32,57

4 Air (H2O) 20,93

5 Sulfur (S) 18,62

Adapun keuntungan dari gypsum ketika digunakan sebagai material dari suatu benda adalah [38]:

 Ringan

Berat dinding panel gypsum hanya 20% dari berat dinding batu bata  Tahan api

Sistem dinding partisi gypsum tidak mudah terbakar  Fleksibilitas untuk disain

dan dapat dibuat melengkung, diharuskan penggunaannya dalam gedunggedung tinggi.

 Meredam suara

Bermacam-macam sistem tersedia untuk memenuhi kebutuhan peredam suara  Pemasangan yang cepat

Sistem dinding partisi gypsum sangat cepat pemasangannya sehingga mempercepat penyelesaian suatu pekerjaan.

Beberapa penelitian dengan bahan baku gypsum telah dilakukan untuk memaksimalkan pembuatan papan komposit ini, diantaranya adalah (Maail, 2006) menggunakan semen-gypsum sebagai matriks dan serat inti kenaf (Hibisculs cannabinus L.) sebagai pengisi dengan perbandingan 40:60, 50:50 dan 60:40. Selanjutnya dilakukan pengeringan selama 2 ,4, 8 dan 16 jam. Hasil pengujian water absorption dan uji mekanik menunjukkan bahwa kualitas terbaik dari papan komposit terdapat pada perbandingan 40:60 dengan waktu pengeringan 8 jam [35] dan (Singh, dkk., 1994) menggunakan pengisi serat sisal dan serat kaca sebagai pengganti kayu dicampur dengan matriks gypsum untuk membuat pintu. Hasil yang diperoleh pengujian kekuatan impact dan water absorption lebih besar dari serat kaca sedangkan pada kekuatan tarik serat kaca lebih besar dari serat sisal. Sedangkan dalam faktor ekonomi penggunaan serat silsa lebih hemat dan lebih cocok dibuat sebagai pintu [36].

2.6 Metode Penyediaan Papan Komposit

Metoda penyediaan komposit yang umum dilakukan, yaitu [33]:

1. Metoda Vacuum Bagging yang menggunakan kombinasi ruang vakum dan sebuah film penyerap resin.

2. Metoda Vacuum Resin Transfer Moulding (RTM) menggunakan pemanasan dan proses pemvakuman.

3. Metoda Filament Winding menggunakan sebuah mesin pemintal untuk membentuk jaringan filament.

4. Metoda Pultrusi menggunakan peralatan untuk membentuk komposit menjadi bentuk-bentuk struktural. Metoda ini banyak digunakan untuk produksi dalam skala besar.

5. Metoda Hand Lay-Up menggunakan cetakan yang telah diberi gel coat pada permukaannya kemudian ditambahkan resin dan pengisi kedalam cetakan tersebut dan dibiarkan mongering (curing)

6. Metoda Compression Molding menggunakan cetakan yang ditekan pada tekanan tinggi sampai mencapai 1000 psi, diawali dengan mengalirkan resin dan zat pengisi dengan viskositas tinggi ke dalam cetakan, kemudian mold ditutup dan dilakukan penekanan terhadap material komposit tersebut, sehingga mengakibatkan mengerasnya material komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.

Pada penelitian yang akan dilakukan kami menggunakan metode

CompressionMolding yang menggunakan alat Hot Press, karena: a) Penyebaran komposit lebih merata

b) Meminimalkan adanya void

2.7 Papan Komposit

akustik yang baik dan isolasi panas yang baik. Selain itu keuntungan dari papan komposit antara lain [1]:

 Papan partikel merupakan bahan konstruksi yang cukup kuat  Bahan isolasi dan akustik yang baik.

 Dapat menghasilkan bidang yang luas.  Pengerjaan mudah dan cepat.

 Tahan api.

 Mudah difinishing, dilapisi kertas dekor, dilapis finil dan lain sebagainya.  Memiliki kestabilan dimensi.

Jenis papan yang dihasilkan adalah jenis papan partikel biasa dengan ketentuan ketebalan ≥ 15 mm

2.8 Pengujian dan Karakterisasi Bahan pada PapanKomposit 2.8.1 Penyiapan Contoh Uji

Lembaran-lembaran papan partikel yang telah mendapatkan perlakuan

pengkondisian, kemudian dipotong untuk mendapatkan contoh uji sifat fisis dan mekanis

menurut standar JIS A 5908-2003.

C : Sampel untuk uji pengembangan tebal ( 5 x 5 cm) D : Sampel untuk uji kuat rekat internal (5 x 5 cm) E : Sampel untuk uji kuat impak ( 5 x 10 cm)

2.8.2Uji Kerapatan

Pada uji ini, contoh uji berukuran 200 mm x 50 mm x 15 mm dalam keadaan kering udara dan kemudian diukur panjang, lebar dan tebalnya untuk menentukan volume contoh uji (panjang, lebar, tebal). Kerapatan papan partikel dihitung dengan menggunakan rumus [37]:

(2.1)

Berikut gambar spesimen dari uji kerapatan:

Gambar 2.4 Ukuran Dimensi Spesimen Uji Kerapatan JIS A 5908-2003

2.8.3 Uji Kadar Air

Contoh uji berukuran 200 mm × 50 mm × 15 mm ditimbang untuk

mendapatkan berat awal (BA), kemudian dioven pada suhu 103±2˚C selama 24 jam

kemudian didiamkan sampai mencapai suhu kamar dan ditimbang. Selanjutnya

dimasukkan ke dalam oven kembali selama ± 3 jam, kemudian didiamkan kembali

sampai mencapai suhu kamar dan ditimbang. Tahap ini dilakukan sampai mencapai berat

konstan, yaitu perbedaan hasil penimbangan terakhir dan sebelumnya maksimum 1%.

Nilai kadar air dihitung dengan rumus [37]:

(2.2) Keterangan:

Berikut gambar spesimen dari uji kadar air:

Gambar 2.5 Ukuran Dimensi Spesimen Uji Kadar Air JIS A 5908-2003

2.8.4 Uji MOR (Modulus of Rapture) dan MOE (Modulus of Elastisitas)

Material papan komposit mempunyai sifat tekan lebih baik dibanding tarik, pada perlakuan uji lentur spesimen, bagian atas spesimen terjadi proses tekan dan bagian bawah terjadi proses tarik sehingga kegagalan yang terjadi akibat uji bending yaitu mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu menahan tegangan tarik [38]. Gambaran secara umum mengenai uji MOE dan MOR ditunjukkan pada Gambar 2.6 berikut.

Gambar 2.6 Gambaran Umum Uji MOE [39]

Contoh uji berukuran 100 mm × 100 mm × 15 mm pada kondisi kering udara

dibentangkan dengan jarak sangga 8 cm . Pembebanan dilakukan di tengah-tengah jarak

sangga dengan kecepatan pembebanan sebesar 10 mm/menit. Kemudian ukur besarnya

Sampel

beban yang mampu ditahan oleh contoh uji tersebut sampai batas proporsi. Nilai MOE

dihitung dengan rumus[37]:

(2.3)

Keterangan :

MOE = Modulus of Elasticity (kg/cm2₎

ΔP = perubahan beban yang digunakan (kg) L = jarak sangga (cm)

Δy = perubahan defleksi setiap perubahan beban (cm) b = lebar contoh uji (cm)

h = tebal contoh uji (cm)

nilai MOE dikonversi ke N/mm2dengan faktor konversi 0,098

Sedangkan untuk uji MOR, pembebanan pada pengujian MOE dilanjutkan sampai contoh uji mengalami kerusakan (patah). Nilai MOR dihitung dengan rumus [37]:

(2.4)

Keterangan :

MOR = Modulus of Rupture (kg/cm2) P = berat beban sampai patah (kg) L = jarak sangga (cm)

b = lebar contoh uji (cm) h = tebal contoh uji (cm)

Gambar 2.7 Ukuran Dimensi Spesimen MOE dan MOR JIS A 5908-2003 2.8.5 Uji Pengembangan Tebal

Contoh uji berukuran 50 mm × 50 mm × 15 mm sebelum diberi air, terlebih dahulu diukur ketebalan bahan uji, kemudian direndam dalam air dingin selama 24 jam. Selanjutnyan bahan uji diukur kembali tebalnya. Perhitungan sampel uji melalui pengukuran tebal sebelum perendaman air (t1) dan tebal setelah perendaman selama

24 jam(t2). Rumus untuk menghitung pengembangan tebal [40]:

(2.5)

Keterangan :

Pt = Pengembangan tebal (%)

t1 = Tebal bahan uji sebelum perendaman (cm)

t2 = Tebal bahan uji setelah perendaman (cm)

Berikut gambar spesimen dari pengembangan tebal:

Gambar 2.8 Ukuran Dimensi Spesimen Pengembangan Tebal JIS A 5908-2003

2.8.6 Uji Keteguhan Rekat Internal (Internal Bond)

Ukuran papan partikel pada uji ini berukuran 50 mm × 50 mm × 15 mm

direkatkan pada dua buah median (balok aluminium) menggunakan perekat epoxy merk

Araldite dan dibiarkan mengering selama selama 24 jam. Kedua median ditarik lurus

Gambar 2.9 Pengujian Internal Bond [37]

Nilai keteguhan rekat internal dihitung dengan rumus[39]:

(2.6)

Keteranagan:

IB = keteguhan rekat internal (kg/cm2) P = beban saat ikatan partikel lepas (kg) A = luas permukaan contoh uji (cm2)

Nilai IB dikonversi ke N/mm2 dengan faktor konversi 0,098 Berikut gambar spesimen dari keteguhan rekat internal:

2.8.7 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength)

Pengujian impak dilakukan untuk mengetahui karakteristik patah dari bahan. Pengujian ini biasanya mengikuti dua metoda yaitu metoda Charpy dan Izod yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan impak, yang kadang juga disebut seabgai ketangguhan ketok (notch toughness). Untuk metoda Charpy dan Izod, spesimen berupa bentuk persegi dimana terdapat bentuk V-notch, berikut adalah gambar specimen V-notch metoda Charpy dan Izod [41].

Gambar 2.11 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan Izod

Gambar 2.12 Skema Pengujian Impak

Berikut gambar spesimen yang akan diuji mempunyai bentuk 100 mm x 50 mm ×15 mm sebagai berikut: