PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT SKRIPSI

(1)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK

TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK

EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE

NANOKOMPOSIT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

SUPARDI NIM. I1407033

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

commit to user

v

PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK

EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT

Supardi Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail : supardi_soedarmo@yahoo.com

Intisari

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik komposit epoxy-montmorillonite berupa, kekuatan tarik, fracture toughness dengan adanya variasi kecepatan putaran pengaduk.

Bahan utama yang digunakan adalah resin epoxy jenis bisphenol A dengan

hardenerversamide 140 dan organoclay montmorillonite nanomer I.30E. Pembuatan

spesimen menggunakan metode hot mixing, dengan variasi kecepatan putaran pengaduk yang digunakan adalah 150, 250, 350, 450 rpm. Proses pencampuran dilakukan selama 3 jam pada suhu 75 _°C dengan fraksi berat montmorillonite 2%. Pengujian kekuatan tarik mengacu pada ASTM D638, sedangkan pengujian kekuatan

fracturetoughness mengacu pada ASTM D5045. Pada penelitian ini juga dilakukan

pengamatan permukaan patah hasil uji tarik dengan SEM (scanning electron

micrograph).

Hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan tarik dan fracture toughness

meningkat secara berturut-turut seiring bertambahnya kecepatan putaran pengaduk hingga pada kecepatan 350 rpm sebesar 19,18% dan 25,18%. Kekuatan kemudian turun pada kecepatan 450 rpm sebesar 7,39% dan 10,69% untuk kekuatan tarik dan

fracture toughness.

Kata Kunci: Komposit epoxy-montmorillonite, kekuatan tarik, fracture toughness,

(3)

commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT atas berkat rahmat, hidayah dan

inayah-Nyalah serta penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Adapun tujuan penulisan

skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai gelar

sarjana teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas

Maret Surakarta.

Penulis menghaturkan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua

pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini,

khususnya kepada :

1. Kedua Orang tuaku tercinta Bapak Samiran Prapto Sudarmo dan Ibu

Sumilah, kakak-kakakku Hari kusumawan, Sugiarto, Tri gunarsih dan Fitri

yuniarsih terimakasih atas do’a, kasih sayang, semangat dan dukungan baik

secara moral maupun materiil hingga terselesaikannya studi S1 saya.

2. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3. Bapak Rendy Adhi Rachmanto, S.T., M.T., dan Bapak Tri Istanto, S.T., M.T.,

selaku pembimbing akademik yang selama ini telah membantu dan

memperjuangkan dalam kelancaran kegiatan akademik.

4. Bapak Ir. Wijang R, M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi I yang dengan

sabar dan tulus ikhlas telah membantu serta membimbing dalam penyusunan

skripsi.

5. Bapak Heru Sukanto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi II yang

dengan sabar membimbing dan memberikan solusi dalam penyusunan skripsi.

6. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T., Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T.,

M.Kom., dan Bapak Wahyu Purwo R, S.T., M.T., sebagai tim penguji yang

telah memberikan masukan-masukan dan ilmu yang berharga.

7. Seluruh Dosen beserta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut

mendidik dan membuka wacana keilmuan serta membantu penulis hingga

(4)

commit to user

viii

8. Teman seperjuangan skripsi Dhidhit Wahyu Widyatmaja dan Aji Pramujo

yang telah banyak memberikan dukungan serta semangat hingga

terselesaikannya skripsi ini.

9. Teman-teman Teknik Mesin Fakultas Teknik Non Reguler UNS angkatan

2007 (Eko Sri Wahyudi, Khamdan Mujadi, Iva Irawan, Heri Saputro, Frans

Sukma, Apriyan Triyasmoko Eko Yulianto, Agus Sunanto, Dany Pradipta

yang dengan ikhlas memberi “rumah kedua” untuk singgah selama kuliah,

Hery Kusbandriyo, Mahalevi Balamukti, Diky Prasetya P, Willy Saputra, Tri

Haryono, Purwoto Utomo, Fandi Danar P, Tri Prastyo, Pradiptra Fajar Y,

Wisnu Adi PJ, Triono Karso,) dan semua tanpa terkecuali yang telah

memberikan dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi.

10. Elisa Mursriyani yang selalu sabar dan tak henti-hentinya memberi motifasi

dan semangat untuk terus tetap berjuang hingga terselesaikannya studi S1

saya. Terimakasih banyak. “yang baik pasti akan mendapatkan yang terbaik”

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi

ini.

Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu

pengetahuan dan kita semua, Amin.

Surakarta, Juli 2012

(5)

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II. DASAR TEORI ... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ... 5

2.2. Teori Tentang Komposit... 6

2.2.1. Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit... 6

2.3. Nanokomposit Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)... 7

2.3.1. Resin Epoxy... 7

2.3.2. Organoclay montmorillonite (OMMT)... 8

2.3.3. Pencampuran Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)... 9

2.3.4. Post Curing... 11

2.4. Pengujian Spesimen... 11

2.4.1. Pengujian Kekuatan Tarik... 11

2.4.2. Pengujian fracture toughnes)... 12

2.5. SEM (Scanning Electron Microscopy)... 12

BAB III. METODE PENELITIAN ... 13

3.1. Tempat Penelitian ... 13

3.2. Bahan Penelitian... 13

(6)

commit to user

x

3.6. Langkah Kerja Penelitian ... 16

3.6.1. Pengeringan Organoclay Montmorillonite... 16

3.6.2. Pembuatan cetakan... 16

3.6.3. Proses Mixing... 17

3.6.4. Pengecekan kehomogenan campuran... 18

3.6.5. Pencetakan spesimen... 18

3.6.6. Post Curing... 18

3.6.7. Tahap pengujian... 19

3.6.7.1. Pengujian kekuatan tarik... 19

3.6.7.2. Pengujian Fracture Toughness... 19

3.6.8. Foto SEM (Scanning Electron Microscopy)... 20

3.7. Diagram Alir Penelitian ...21

BAB IV. HASIL DAN ANALISA ... 22

4.1. Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Kekuatan Tarik... 22

4.3. Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Fracture Toughness... 24

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 26

5.1. Kesimpulan ... 26

5.2. Saran ... 26

DAFTAR PUSTAKA ... 27

(7)

Polymer-clay nanokomposit merupakan kelas baru dari material komposit

dimana clay yang tersusun lapisan silikat berukuran nanometer terdispersi/tersebar

acak pada matrik polimer. Sebagai akibat penyebaran clay tersebut maka

nanokomposit menunjukkan sifat yang lebih unggul dibanding komposit yang

diperkuat serat. Hanya dengan penambahan clay yang sangat sedikit (<5% berat)

ke dalam matrik polimer, dapat meningkatkan kekuatan komposit (Kusmono,

2010).

Pemilihan resin epoxy pada penelitian ini disebabkan kekuatan dan

kekakuan resin epoxy relatif lebih besar dibandingkan dengan polimer jenis

lainnya. Selain itu resin epoxy mempunyai penyusutan yang kecil dibandingkan

dengan polimer lain. Namun pada keadaan padatnya, resin epoxy biasanya

bersifat brittle dan tidak resistan terhadap keretakan, namun jika dikombinasikan

dengan nanoclay, maka sifat mekaniknya menjadi lebih baik.

Feng dkk (2004), menyebutkan bahwa material penguat yang berukuran

nanometer seperti clay merupakan material yang bisa berfungsi sebagai penguat

antara campuran polimer yang tidak saling melarutkan. Penambahan unsur clay

jenis nanomer lebih mudah terdispersi dalam resin dan bahan ini menawarkan

perbaikan sifat mekanis yang lebih baik dibanding sebelum diberi tambahan

partikel nano. Karabulut (2003), meneliti tentang pengaruh kadar montmorillonite

terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Dari penelitian tersebut dihasilkan

nanokomposit dengan karakteristik mekanik yang paling optimum pada

penambahan MMT 2% wt.

Banyak faktor yang mempengaruhi sifat nanokomposit, diantaranya adalah

perbandingan komposisi polimer dengan clay dan perlakuan selama proses

pembuatan yang salah satunya adalah kecepatan putaran pengaduk saat proses

pencampuran. Jika kecepatan pengadukan terlalu rendah maka partikel clay tidak

akan tersebar secara merata dalam polimer, namun jika putaran pengaduk terlalu

(8)

commit to user

komposit tersebut. Sehingga perlu dilakukan penelitian untuk mendapatkan proses

yang tepat khususnya mengenai kecepatan putaran pengaduk agar didapatkan

komposit dengan kualitas mekanik terbaik.

Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk

terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai

lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150, 180 rpm. Didapatkan pada

kecepatan 180 rpm menghasilkan penyebaran clay yang paling merata sehingga

komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan

putaran 60, 90, 120 maupun 150.

Khosrokhavar (2010), meneliti tentang pengaruh kecepatan pengaduk

jenis screw dengan variasi kecepatan 50, 100 dan 150 rpm terhadap karakteristik

mekanik nanokomposit. Dari variasi tersebut didapatkan pada kecepatan 150 rpm

memiliki karakteristik mekanik tebaik dibandingkan pada kecepatan lainnya.

Karabulut (2003) dalam penelitiannya menghasilkan pada putaran pengadukan

350 rpm menghasilkan kekuatan tarik tertinggi dibanding pada putaran 150 dan

500 rpm.

Dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya tersebut mendasari

penelitian ini untuk mengetahui pengaruh variasi kecepatan putar pengaduk pada

saat proses mixing dengan empat variasi kecepatan yang berbeda yaitu: 150 rpm,

250 rpm, 350 rpm, 450 rpm. Sehingga diharapkan dari variasi tersebut akan

didapatkan nilai kecepatan terbaik yang sesuai dengan komposit epoxy-clay dan

dapat menghasilkan kekuatan tertinggi pada komposit.

1.2 Perumusan Masalah

Penelitian nanokomposit Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT)

berfokus pada pengaruh variasi putaran pengadukan saat proses pencampuran

terhadap karakteristik nanokomposit.

Adapun sifat sifat yang ingin diketahui adalah

1. Sifat mekanik (kekuatan tarik, fracture toughness)

(9)

commit to user

3

1.3 Batasan Masalah

Penelitian ini akan menggunakan beberapa batasan masalah untuk

memfokuskan hasil yang akan dituju. Adapun batasan-batasan tersebut adalah :

1. Kecepatan putaran pengaduk pada setiap variasi kecepatan dianggap

konstan.

2. Temperatur pada proses pencampuran dianggap konstan.

3. Pengaduk yang digunakan adalah jenis turbin bersudu empat.

4. Komposisi montmorillonite dalam campuran adalah 2% fraksi berat.

5. Volume campuran 83,15 cm3 (9,21% volume tanki)

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik nanokomposit

Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT) berupa:

1. Kekuatan tarik

2. Fracture toughness

Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat

sebagai berikut:

1. Nilai tambah pengetahuan tentang nanokomposit Epoxy-Organoclay

Montmorillonite (OMMT).

2. Penelitian ini dapat dipakai sebagai literatur pada penelitian yang sejenis

dalam rangka pengembangan teknologi nanokomposit.

3. Nanokomposit diharapkan dapat menghasilkan material komposit

alternatif baru yang mampu memperbaiki sifat-sifat komposit

konvensional.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Bab I Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,

perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian,

(10)

commit to user

2. Bab II Dasar teori, berisi tinjauan pustaka serta kajian teoritis yang

memuat penelitian-penelitian sejenis serta landasan teori yang berkaitan

dengan permasalahan yang diteliti.

3. Bab III Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,

tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan

pengambilan data.

4. Bab IV Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan

data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan.

5. Bab V Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. Kesimpulan

memuat pertanyaan singkat dan tepat yang dijabarkan dari hasil

penelitian serta merupakan jawaban dari tujuan penelitian dan

pembuktian kebenaran hipotesis. Saran memuat pengalaman dan

pertimbangan penulis yang ditunjukkan kepada para peneliti yang ingin

(11)

lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150, 180 rpm. Didapatkan pada

kecepatan 180 rpm menghasilkan penyebaran clay yang paling merata sehingga

komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan

putaran 60, 90, 120 maupun 150.

Khosrokhavar dkk (2010), meneliti tentang pengaruh berbagai parameter

proses pembuatan nanokomposit yang salah satunya adalah pengaruh kecepatan

pengaduk jenis screw dengan variasi kecepatan 50, 100 dan 150 rpm terhadap

karakteristik mekanik nanokomposit. Dari ketiga variasi kecepatan tersebut

didapatkan pada kecepatan 150 rpm memiliki karakteristik mekanik terbaik

dibandingkan pada kecepatan 50 dan 100 rpm.

Karabulut (2003), dalam penelitiannya tentang pengaruh kadar

montmorillonite 1, 2, dan 5 dalam % fraksi berat terhadap fracture toughness

nanokomposit. Hasil pengujian menunjukan pada sampel dengan kandungan

montmorillonite 2% memiliki tingkat penghambat retak yang paling baik

dibandingkan sampel dengan kadar montmorillonite 1 dan 5%. Dari hasil tersebut

kemudian sampel dengan kadar 2% MMT diuji kekuatan tarik dengan divariasi

kecepatan putar saat pengadukan 150, 350, dan 500 rpm. Dari penelitian ini

diperoleh hasil bahwa pada putaran 350 rpm memiliki tingkat penyebaran clay

yang lebih merata dan memiliki kekuatan tarik yang tertinggi dibandingkan pada

putaran 150 dan 500 rpm.

Polymer-clay nanokomposit merupakan kelas baru dari material komposit

dimana clay yang tersusun lapisan silikat berukuran nanometer terdispersi/tersebar

acak pada matrik polimer. Hanya dengan penambahan clay yang sangat sedikit

(<5% berat) ke dalam matrik polimer, dapat meningkatkan kekuatan komposit

(12)

commit to user

Jika dilihat dari tingkat penetrasi polimer ke dalam lapisan silikat clay, ada

dua jenis struktur ideal nanokomposit yaitu intercalated dan exfoliated.

Nanokomposit tipe intercalated terbentuk ketika satu atau beberapa lapisan

molekul polimer masuk ke dalam interlayer clay. Sedangkan nanokomposit tipe

exfoliated terbentuk ketika nanolayer silikat terdelaminasi oleh rantai polimer dan

tersebar secara acak ke dalam matrik polimer.

Gambar 2.1. Penetrasi polimer ke dalam silikat (Dubois dkk, 2000)

2.2 Teori Tentang Komposit

2.2.1 Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit

Komposit adalah kombinasi dari satu atau lebih material yang berbeda,

dengan tujuan untuk menghasilkan sifat lebih baik dari material penyusunnya.

Pencampuran ini dapat menghasilkan sifat baru yang tidak ditemui pada

masing-masing material penyusunnya. Sifat yang dihasilkan komposit akan bergantung

pada sifat, jumlah dan geometri dari penguat. Ada dua istilah material dalam

komposit, yaitu matrik dan penguat (reinforcement).

· Reinforcement (penguat).

Reinforcement berfungsi sebagai penguat atau kerangka dari suatu

komposit. Biasanya reinforcement ini berupa fiber atau logam. Berikut ini adalah

beberapa reinforcement yang paling banyak digunakan antara lain: fiber glass,

serat karbon, serat alam dan lain-lain.

· Matrik.

Matrik berfungsi untuk menjaga reinforcement agar tetap pada tempatnya

di dalam struktur, membantu distribusi beban, mengendalikan sifat elektrik dan

kimia dari komposit. Matrik yang paling umum dipakai adalah beton, keramik dan

(13)

commit to user

7

Menurut Gaylord (1974), matrik pada material komposit berfungsi untuk

mendistribusikan beban pada serat-serat penguat. Oleh karena itu adanya cacat

seperti void dan retak pada matriks akan mempengaruhi fungsi matrik sebagai

pendistribusi beban, misalnya terjadi pada konsentrasi tegangan disekitar cacat

yang dapat menurunkan sifat mekanik dari material komposit.

2.3 Nanokomposit Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)

Nanokomposit dibuat dengan menyisipkan nanopartikel ke dalam sebuah

material matrik. Nanopartikel yang biasa digunakan adalah clay, carbon nano

tube. Sedangkan matrik yang biasa digunakan berupa matrik polimer dan keramik.

Komposit dengan penguatan serat adalah jenis komposit yang paling

sering dipakai dalam berbagai aplikasi, hal ini dikarenakan komposit jenis ini

memiliki sifat kekuatan tarik dan kekakuan yang bagus. Namun kelemahannya

adalah struktur serat tersebut memiliki kekuatan tekan serta kekuatan tarik arah

melintang serat yang kurang bagus.

Penambahan unsur clay jenis nanomer lebih mudah tersebar dalam resin

epoxy dan bahan ini menawarkan perbaikan sifat mekanis yang lebih baik

dibanding komposit dengan penguat serat.

2.3.1 Resin Epoxy

Dari sekian banyak resin yang ada di pasaran, ada tiga jenis resin yang

banyak digunakan, yaitu poliester, vinil ester, dan epoxy. Pada penelitian ini resin

yang akan digunakan adalah jenis resin epoxy. Pemilihan resin epoxy sebagai

bahan dasar disebabkan kekuatan resin epoxy relatif lebih besar dibandingkan

dengan polimer jenis lainnya. Perbandingan kekuatan antar polimer-polimer resin

(14)

commit to user

Gambar 2.2. Perbandingan kekuatan tarik dari setiap jenis resin (Hadiyawarman dkk, 2008)

Resin epoxy termasuk kedalam golongan thermoset, sehingga dalam

pencetakan perlu diperhatikan hal sebagai berikut:

1. Mempunyai penyusutan yang kecil.

2. Dapat dipakai dalam temperatur kamar.

3. Perekat yang bagus untuk banyak bahan logam, sehingga perlu diperhatikan

material cetakan komposit.

Pada keadaan padatnya, resin epoxy biasanya bersifat brittle dan tidak

resistan terhadap keretakan, namun jika dikombinasikan dengan nanoclay, maka

sifat-sifat mekaniknya menjadi lebih baik.

2.3.2 Organoclay montmorillonite (OMMT)

Clay (tanah liat), bila ditinjau dalam bidang geologi berarti bahan alam

yang berasal dari dalam tanah. Salah satu contoh clay yang paling umum

digunakan adalah montmorillonite (MMT) yang dapat digunakan sebagai bahan

baku untuk pembuatan berbagai produk industri, contohnya adalah sebagai bahan

baku penyusun komposit.

Sifat dari clay terutama MMT yang sangat penting sehingga banyak

digunakan dalam komposit adalah permukaan bidang sentuh yang besar dan

ukuran partikel yang kecil. Kemudian dengan ukuran partikel yang kecil maka

secara otomatis permukaan bidang sentuh yang dimiliki MMT besar, maka kontak

(15)

commit to user

9

komposit tersebut akan semakin kuat. Karena itulah, MMT dapat digunakan

sebagai penguat komposit yang efektif.

2.3.3 Pencampuran Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT)

Mixing merupakan proses menyebaran material-material secara acak,

dimana material yang satu menyebar ke dalam material yang lain demikian pula

sebaliknya, sedang bahan-bahan itu sebelumnya terpisah dalam keadaan dua fase

atau lebih yang akhirnya membentuk hasil yang lebih seragam atau homogen

(Rahayu, 2008).

Jenis-jenis pengaduk secara umum terdapat empat jenis yang biasa

digunakan yaitu:

ü Pengaduk jenis baling-baling

Gambar 2.3. Pengaduk Jenis Baling–baling

Pengaduk jenis baling-baling digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah

dibawah 3000 cP.

ü Pengaduk dayung

Gambar 2.4. Pangaduk Jenis Dayung (Paddle) Berdaun Dua

Pengaduk jenis ini digunakan pada cairan kental di atas 1×106 cP dimana

endapan pada dinding dapat terbentuk. Jenis pengaduk ini adalah pencampur

yang buruk.

ü Pengaduk turbin

(16)

commit to user

Pengaduk ini seringkali disebut sebagai pengaduk serbaguna karena dapat

digunakan untuk berbagai jenis keperluan, dengan rentang kekentalan yang

sangat luas yaitu di bawah 100.000 cP. Diameter dari sebuah turbin biasanya

antara 20-60 % dari diameter tangki.

ü Pengaduk helical-ribbon

Gambar 2.6. Pengaduk jenis hellical ribbon

Jenis pengaduk ini digunakan pada larutan dengan kekentalan yang tinggi di

atas 1×106 cP.

Gambar 2.7. Dimensi tangki

Dimana:

D = diameter pengaduk

Dt = diameter tangki

W = lebar pengaduk

Geometri dari tangki dirancang untuk menghindari terjadinya dead zone

yaitu daerah dimana fluida tidak bisa digerakkan oleh aliran pengaduk (Agung

dkk, 2010).

lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150 dan 180 rpm. Dari kelima

parameter kecepatan tersebut didapatkan pada kecepatan 180 rpm menghasilkan Ė

=

3

1 ; = 1

4

(17)

commit to user

11

penyebaran clay yang paling merata, sehingga komposit memiliki kekuatan tarik

lebih baik dibandingkan komposit dengan putaran 60, 90, 120 maupun 150 rpm.

Nigam dkk (2004), dalam penelitiannya tentang Epoxy-Montmorillonite

Clay Nanocomposites. Dalam penelitian tersebut resin epoxy dicampur dengan

claymontmorillonite pada suhu 75 0C selama 3 jam untuk mencapai penyebaran

yang optimal dari resin epoxy masuk diantara lapisan silikat organoclay

montmorillonite.

2.3.4 Post Curing

Spesimen dilakukan post curing pada suhu 100oC selama 100 menit

sebelum pengujian dimaksudkan agar pada suhu dan waktu post curing tersebut

dapat mengoptimalkan crosslinking pada ikatan polimer (Chow dkk, 2007).

2.3. Pengujian Spesimen

Sifat mekanis merupakan sifat terpenting dari semua jenis material plastik

karena semua kondisi pemakaian serta penggunaan dari plastik melibatkan beban

mekanis.

Pengujian yang dilakukan terhadap spesimen adalah pengujian kekuatan

tarik (ASTM D638), fracture toughness (ASTM D5045).

2.4.1 Pengujian kekuatan tarik

Uji tarik banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dasar

kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Pada uji

tarik benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar secara

kontinyu. Bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan

yang dialami benda uji. Tegangan diperoleh dengan cara membagi beban dengan

luas penampang lintang benda uji.

σ

=

" ……… (2.1)

Dimana: σ = Tegangan (MPa)

F = Beban (N)

(18)

commit to user

2.4.2 Pengujian fracture toughness

Pengujian fracture toughness akan menggunakan spesimen jenis Single

Edge Notch Bending (SEN-B). Dimana notch akan dibuat mengunakan gergaji

dengan ketebalan mata gergaji 1mm dan dilanjutkan dengan cutter. Spesimen

diuji menggunakan mesin universal testing dengan mengacu pada ASTM D5045.

2.5 SEM (Scanning Electron Microscopy)

SEM digunakan untuk mengamati permukaan patah hasil uji tarik,

sehingga bisa diketahui secara visual pengaruh kecepatan putaran terhadap

struktur dari komposit. Untuk pelaksanaan SEM, permukaan patah dilapisi dengan

(19)

commit to user

13 BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di laboratorium material teknik mesin Universitas

Sebelas Maret Surakarta.

3.2 Bahan Penelitian

Pada penelitian ini bahan yang digunakan antara lain:

a. Organoclay Montmorillonite

Organoclaymontmorillonite yang digunakan dalam penelitian ini adalahjenis

Nanomer I.30E.

b. Resin Epoxy

Resin epoxy yang digunakan adalah jenis Bisphenol A Epichlorohydrin.

c. Hardener

Hardener yang dipakai adalah jenis Polyaminoamide.

d. Silicon rubber

Silicon digunakan sebagai bahan cetakan komposit agar mudah dalam proses

pelepasan spesimen.

(a) (b) (c) (d)

Gambar 3.1 Bahan Penelitian : (a) Organoclay Montmorillonite (b) Resin Epoxy; (c) Hardener; (d) Silicon rubber

3.3 Alat Penelitian

Spesifikasi alat yang digunakan dalam penelitian dan pengambilan data

antara lain adalah :

(20)

commit to user

Pengaduk yang dipakai adalah jenis turbin bersudu empat yang

dirangkaikan dengan mixer yang dimodifikasi dengan penambahan rangkaian

dimmer untuk mengatur kecepatan putar pengadukan.

b. Timbangan digital

Digunakan untuk mengukur fraksi berat komposisi komposit.

c. Pompa vacum

Pompa vacum digunakan untuk meminimalisir void yang terjadi

didalam spesimen.

d. Desikator vacum

Desikator digunakan sebagai ruang pemvacuman spesimen yang

dirangkaikan dengan pompa vacum.

e. Timer

Timer digunakan untuk mengetahui atau membatasi lamanya proses

pengadukan dan proses pemvacuman.

f. Thermometer digital

Thermometer digital digunakan untuk mengetahui suhu campuran

resin dan organoclay pada saat proses pengadukan.

g. Thermocontrol

Thermocontrol dirangkaikan dengan kontaktor sehingga dapat

digunakan untuk menguntrol suhu campuran resin dan clay selama proses

pengadukan.

h. Oven

Oven digunakan untuk mengeringkan clay sebelum dicampur dengan

resin.

i. Stabilizer tegangan

Stabilizer dipakai untuk mengantisipasi ketidakstabilan tegangan

listik yang dapat mempengaruhi kestabilan kecepatan putar pengaduk.

(21)

commit to user

15

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)

Gambar 3.2 Alat Penelitian : (a) Alat Pengaduk; (b) Timbangan digital; (c) Pompa vacum; (d) Desikator vacum; (e) Kontaktor; (f) Thermometer digital;

(g) Thermocontrol; (h) Oven (i) Stabilizer tegangan

3.4 Alat Uji

a. Universal Testing Machine (UTM)

Alat ini digunakan untuk pengujian tarik dan fracture toughness spesimen

komposit.

b. Scanning Electron Microscopy (SEM)

Alat ini digunakan untuk mengambil gambar penampang patahan spesimen uji

tarik.

(a) (b)

Gambar 3.3 Alat Pengujian: (a) UTM; (b) Scanning Electron Microscopy.

3.5 Parameter

Dalam penelitian ini parameter yang dibuat tetap adalah:

a. Komposisi clay yang dipakai adalah 2% wt.

b. Perbandingan Resin Epoxy : Hardener yang dipakai adalah 60:40.

(22)

commit to user

d. Suhu pencampuran resin epoxy dan montmorillonite adalah 75ºC selama 3

jam.

Parameter yang diubah-ubah yaitu kecepatan poros pengaduk 150 rpm,

250 rpm, 350 rpm, 450 rpm.

3.6 Langkah Kerja Penelitian

Gambar 3.4. Diagram alir pembentukan nanokomposit (Nigam dkk, 2004)

3.6.1 Pengeringan Organoclay Montmorillonite

Sebelum OMMT dicampur dengan resin, terlebih dahulu dikeringkan

dalam oven pada suhu 120oC selama 4 jam. Hal tersebut dilakukan untuk

mengurangi kadar air yang terkandung dalam serbuk montmorillonite, (Karabulut,

2003)

3.6.2 Pembuatan cetakan

Cetakan uji tarik dan fracture toughness dibuat dari bahan silicon rubber

untuk memudahkan proses pelepasan spesimen dan menekan biaya pembuatan

cetakan.

Gambar 3.5. Pembuatan cetakan silikon Polimer

Organoclay

Mixing

Curing agent

Polymerisation

(23)

commit to user

17

3.6.3 Proses Mixing

Proses pencampuran Epoxy-Montmorillonite dicampur dan dijaga pada

suhu 75oC menggunakan thermocontrol selama 3 jam yang kemudian hardener

dituang dalam campuran tersebut. Variasi kecepatan putar pengaduk 150, 250,

350 dan 450 rpm dengan jenis pengaduk turbin bersudu empat. Untuk mengatur

kecepatan pengaduk digunakan dimmer AC sebagai pengatur tegangan yang

masuk ke dalam motor penggerak sehingga kecepatan poros dapat diatur sesuai

yang diinginkan.

Gambar 3.6. Dimensi tangki

Dimana:

D = diameter pengaduk (33,33 mm)

Dt = diameter tangki (100 mm)

W = lebar pengaduk (8,25 mm)

Gambar 3.7. Rangkaian peralatan proses mixing Digital Tachometer

Dimmer AC Thermo

control

Kontaktor Stabilizer Motor

Penggerak

(24)

commit to user

3.6.4 Pengecekan kehomogenan campuran

Sebelum dilakukan proses pencetakan spesimen, terlebih dahulu campuran

dilakukan pengecekan apakah campuran masuk dalam kategori homogen atau

tidak.

Gambar 3.8. Pengecekan kehomogenan campuran

Campuran dituang ke dalam tabung yang telah dihitung volumenya,

kemudian ditimbang. Proses tersebut dilakukan hingga 5 sampel, kemudian

masing-masing sampel dihitung densitasnya. Jika standar deviasi hasil densitas

dari sampel tidak lebih dari 10% maka campuran masuk dalam kategori homogen

(Konijnenberg, 1995).

3.6.5 Pencetakan spesimen

Campuran resin/MMT/hardener dituang dalam cetakan yang telah didesain

sesuai dengan ASTM uji tarik dan fracture toughness. Setelah penuangan selesai

cetakan yang berisi campuran bahan komposit dimasukan ke dalam desikator

vacum untuk meminimalisir void di dalam komposit.

Gambar 3.9. Proses pencetakan spesimen

3.6.6 Post Curing

Spesimen dilakukan post curing pada suhu 100oC selama 100 menit

sebelum pengujian dimaksudkan agar pada suhu dan waktu post curing tersebut

(25)

commit to user

19

3.6.7 Tahap pengujian

Pengujian spesimen yang dilakukan adalah:

3.6.7.1 Pengujian kekuatan tarik

Pengujian tarik akan menggunakan metode ASTM D638 tipe 1. Pengujian

dilakukan dengan mesin Universal Testing dengan kecepatan 50 mm/menit. Dari

pengujian ini akan diperoleh kekuatan tarik dari komposit.

Gambar 3.10 Spesimen uji tarik

2 =

…..………(3.1)

Dimana: = Tegangan tarik (Mpa)

F = Beban tarik(N)

A = Luas penampang(mm2)

3.6.7.2 Pengujian Fracture Toughness

Pengujian fracture toughness mengacu pada ASTM D5045 dengan

spesimen jenis Single Edge Notch Bending (SEN-B) dimana notch akan dibuat

mengunakan gergaji dengan ketebalan mata gergaji 1mm dan dilanjutkan dengan

pisau cutter. Spesimen SEN-B diuji menggunakan mesin universal testing yang

diatur dengan kecepatan 10 mm/menit. Dari hasil pengujian dapat dihitung nilai

fracture toughness seperti rumus berikut:

(26)

commit to user

W = lebar spesimen (cm)

a = panjang total notch (cm)

f(a/w) = faktor koreksi geometri

= 1.99-0.41(a/w)+18.7(a/w)2 -38.48(a/w)3+53.85(a/w)4

Gambar 3.11 Pengujian fracture toughness

3.6.8 Foto SEM (Scanning Electron Microscopy)

SEM digunakan untuk mengamati permukaan patah hasil uji tarik,

sehingga bisa diketahui secara visual pengaruh kecepatan putaran terhadap

struktur dari komposit. SEM dilakukan di laboratorium MIPA Universitas Negeri

Malang. Pengambilan foto SEM dimulai dari pembesaran terkecil pada variasi

350 rpm hingga void dapat terlihat, kemudian dari skala pembesaran tersebut

(27)

commit to user

21

3.7Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.12. Diagram Alir Penelitian

Keterangan: Perbandingan Fraksi Berat

1. MMT : (Campuran resin + Hardener) = 2 : 98 dengan variasi kecepatan: 150, 250, 350 dan 450 rpm

Pengecekan kehomogenan campuran

Mixing Campuran II (campuran I + hardener versamide 140) selama 5 menit)

Pencetakan komposit

Post curing 100oC selama 100 menit Divakum selama 30 menit

curing selama 24 jam pada temperatur ruangan

Pengujian - Uji tarik

- Uji Fracture Toughness

SELESAI Analisa Hasil Pengujian

(28)

commit to user

22 BAB IV

HASIL DAN ANALISA

Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pengujian untuk mengetahui

karakteristik mekanik nanokomposit Epoxy-Montmorillonite. Pengujian yang

dilakukan antara lain uji tarik dan fracture toughness serta pengamatan

permukaan patah hasil uji tarik dengan foto SEM.

4.1Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Kekuatan Tarik

Grafik hasil pengujian kekuatan tarik komposit epoxy-montmorillonite

dengan variasi kecepatan putaran pengaduk 150, 250, 350 dan 450 rpm yang telah

dilakukan dapat dilihat pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1. Pengaruh variasi kecepatan putaran mixing terhadap kekuatan tarik komposit epoxy-MMT

Gambar 4.1 memperlihatkan hubungan antara kecepatan putaran dan

kekuatan tarik komposit. Nilai kekuatan tarik dari putaran 150 rpm sampai dengan

350 rpm meningkat sebesar 19,18%.

Peningkatan ini disebabkan karena dengan bertambahnya kecepatan

putaran yang diberikan maka tingkat penyebaran partikel clay dalam resin juga

akan semakin tinggi. Menurut Karabulut (2003), partikel clay yang tersebar

merata di dalam matrik akan memperbesar bidang kontak antara keduanya,

sehingga dapat meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit.

(29)

commit to user

23

Kekuatan tarik menurun sebesar 7,39% pada kecepatan putaran 450 rpm,

hal itu disebabkan pada kecepatan tersebut campuran tidak homogen (tabel 4.1)

yang diakibatkan oleh terlalu tingginya kecepatan sehingga menimbulkan void di

dalam komposit yang lebih banyak dibandingkan pada variasi putaran 350 rpm

(Gambar 4.2).

Tabel 4.1. Pengaruh kecepatan terhadap kehomogenan campuran

150

Dari data tabel diatas terlihat pada keempat variasi kecepatan hanya pada

350 rpm saja yang masuk dalam kategori homogen (<10% Konijnenberg, 1995).

Tabel 4.2. Prosentase void pada setiap variasi kecepatan.

150

konsentrasi tegangan pada daerah void tersebut saat komposit dikenai

pembebanan sehingga akan menurunkan kekuatan tarik komposit. Berdasarkan

prosentase void pada tabel 4.2, pada kecepatan 150 dan 250 rpm memiliki nilai

yang kecil dibandingkan 350 rpm, namun pada kedua variasi putaran tersebut

terjadi ketidakhomogenan campuran yang menyebabkan menurunnya kekuatan

komposit.

Menurut Gaylord (1974), matrik pada material komposit berfungsi untuk

mendistribusikan beban pada serat-serat penguat. Oleh karena itu adanya cacat

seperti void dan retak pada matriks akan mempengaruhi fungsi matriks sebagai

pendistribusi beban, misalnya terjadi pada konsentrasi tegangan disekitar cacat

(30)

commit to user

(a) (b)

Gambar 4.2. Pengamatan foto SEM komposit epoxy-montmorillonite variasi kecepatan putaran pengaduk (a) 350 rpm dan (b) 450 rpm

4.2Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Fracture Toughness

Ketangguhan retak komposit dapat diketahui setelah dilakukan pengujian

fracture toughness menggunakan universal testing machine.

Gambar 4.3. Pengaruh variasi kecepatan putaran mixing terhadap ketangguhan retak komposit epoxy-MMT.

Seperti halnya pada pengujian tarik, Gambar 4.3 juga menunjukkan bahwa

semakin bertambahnya kecepatan putaran mixing maka ketangguhan retak dari

komposit juga mengalami peningkatan sampai pada kecepatan 350 rpm. Nilai

ketangguhan retak dari kecepatan 150 rpm sampai dengan kecepatan 350 rpm

meningkat sebesar 25,18% dan kemudian pada kecepatan putaran 450 rpm turun

(31)

commit to user

25

Peningkatan fracture toughness dari komposit ini disebabkan karena clay

yang tersebar merata di dalam polimer akan membatasi pergerakan ikatan polimer

pada saat terkena pembebanan, sehingga partikel clay akan menjadi crack

displacement yang menyebabkan komposit tersebut akan memiliki ketangguhan

retak yang lebih baik dibandingkan tanpa ada penyebaran partikel MMT di

dalamnya. Namun pada kecepatan putaran 450 rpm terjadi penurunan

ketangguhan retak, hal itu disebabkan pada putaran tersebut terlalu tinggi

sehingga pada proses mixing justru terjadi void. Akibat adanya void maka pada

daerah tersebut akan memiliki penampang yang lebih kecil dibandingkan daerah

sekitarnya, sehingga menyebabkan konsentrasi tegangan pada daerah tersebut

(32)

commit to user

26 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan hasil yang diperoleh dari analisa data, maka dapat

disimpulkan bahwa hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan tarik dan fracture

toughness meningkat secara berturut-turut seiring bertambahnya kecepatan

putaran pengaduk hingga pada kecepatan 350 rpm sebesar 19,18% dan 25,18%.

5.2.Saran

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai variasi kecepatan

putaran pengaduk terhadap karakteristik mekanik komposit Epoxy-MMT, maka

untuk penelitian selanjutnya perlu diperhatikan:

a. Penggunaan foto TEM untuk mengetahui lebih detail struktur penyebaran clay

didalam polimer.

b. Penggunaan baffle pada tabung pencampur untuk meminimalisir terjadinya