DAFTAR ISI
Kata Pengantar
ii
Daftar Isi
iii
Makalah KNEP IV - 2013
iii
Grup Engineering Perhotelan
, 5 & # 6& 2 .$ &!#
"
/
3
/ 75& 5 869:
&; 8#: 2 #
0
Grup konversi energi
! 2 "(#1'
"$#-+&
/2
" # / 3-"'!
"# $ 1 #"(#-&
4/
1 <+= >#?% 4 2 5 65 #" #1
47
3
$ ! ; 2 "8
22
@
, $ / 9; ,; A &5
89,A: 2 ''#1'!"
27
*
1 55 2
92
-
5 2 &&" (#"! &#"1!#1 "&!8
9:
)
,
& 81& 15 B: 3 !&!#"
1
0:
C
/ & 2 .&
;7
B
#$-
# > ( , ( F /5 & 5
# >&2% 2 "#=#-!&&
042
#$)
9 ( 5 (+ 2 '''"#'$
04:
#$C
2 ' #=#' !$
020
#$
! 5 ! ( # .
!8#
"''$092
#$
, & 5 2 "#' #
$ !
09:
Grup Bidang Umum
(%
/ , # $ ( & !
& 2 '!"5
000
(%
# 5 % / (; #
2 , !'%$"!&'$
0;/
(%
! 5B 5 8#>:
! 2 '$
'#'''"
0;0
(%3
!
; ! ?'
'
07/
(%@
! $ , > $ 2
'' "$
077
Jadwal Lengkap KNEP IV - 2013
@
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
549
Sifat tarik komposit unsaturated polyester serat sisal local
NPG. Suardana, I Made Astika , Ikhsan Dwi Gusmanto
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana, Bali-Indonesia npgsuardana@me.unud.ac.id
Abstrak
Serat alam ada banyak jenisnya, salah satunya adalah serat sisal. Pada studi ini, serat sisal diekstrak dari daun tanaman sisal (Agave sisalana) yang dibudidayakan di Bali. Serat sisal digunakan sebagai penguat polimer komposit. Orientasi serat dan perlakuan kimia serat sisal dengan NaOH dilakukan untuk membuat komposit polimer serat sisal tersebut. Kombinasi orientasi serat (longitudinal atau transversal) dengan serat tanpa perlakukan dan dengan perlakuan alkali dicetak dengan matrik unsaturated polyester (UP) untuk diukur perilaku tarik komposit tersebut. Kombinasi orientasi serat longitudinal dengan perlakuan NaOH memiliki sifat tarik terbaik dibandingkan dengan kombinasi lainnya. SEM morfologi juga menunjukkan peningkatan adhesi antara serat dengan matrik UP untuk orientasi serat longitudinal. Studi ini menunjukkan serat sisal lokal Bali dapat digunakan sebagai penguat komposit polimer.
Kata kunci: serat alam, orientasi serat, perlakuan kimia, komposit, sifat tarik
Abstract
There are many kinds of natural fibers, one of them is sisal fiber. In this study, sisal fiber was extracted from the leaves of the sisal plant (Agave sisalana) that was cultivated in Bali. Sisal fibers were used as reinforcement of polymer composite. Fiber orientations and chemical treatment of the sisal fiber with NaOH were performed for sisal fiber polymer composites. The combination of fibers orientation (Longitudinal or transversal) with untreated and alkali treated fibers were compounded with unsaturated polyester (UP) matrix for measuring tensile behavior. The combination of longitudinal fiber orientation with NaOH chemical treatments has the best tensile properties compared to the other combination. SEM morphology also demonstrated increased adhesion between sisal fibers and UP matrix with NaOH treatments for longitudinal orientation. This study shows the potential of local sisal fiber to be used as reinforcement of the polymer composites.
Keywords: natural fiber, fiber orientation, chemical treatment, composite, tensile properties
1. Latar belakang
Sifat-sifat serat alam dari hasil pertanian dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu kondisi dimana pohon penghasil serat tersebut tumbuh, kematangan bahan serat, umur pohon, metode ekstraksi serat dan sebagainya [1,2]. Salah satu produk pertanian yang bisa digunakan seratnya berasal dari pohon sisal (Agave Sisalana). Serat sisal yang dihasilkan dari berbagai negara telah banyak diteliti, termasuk yang dari Indonesia. Beberapa hasil penelitian karakteristik serat sisal yang telah dipublikasikan dan dirangkum oleh Yan Li, et al (2000) [3] seperti tabel berikut ini
Tabel 1. Sifat-sifat serat sisal.dari beberapa penelitian.
Kekuatan tarik (MPa) Modulus Elastisitas (GPa) Regangan Max. (%) Peneliti 530-630
500-600 347 530-640 604 450-700 450-700 400-700
17-22 16-21 14 9.4-22 9.4-15.8 7-13 7-13 9-20
3.64-5.12 3.6-5.1 5 3-7 - 4-9 4-9 5-14
Murherjee, styanarayana 1984 Pavitan, et.al 1987
Bessel, Mutuli, 1988 Chand, et al. 1988 Satyanarayana,et.al 1990 Prasantha, et.al. 1995 Manikandan, et. Al. 1996 Kalaprasad, et.al. 1997
Peneliti lainnya juga telah pula melakukan penelitian yang sama yaitu Fung, et al. (2001) [5] meneliti serat sisal dari Guangdong China diperoleh kekuatan tarik 495.6 MPa, Modulus elastisitas 12.9 GPa, regangan tarik saat patah 3.8%. Josephet. al (2002) [4] meneliti serat sisal yang beasal dari India diperoleh tegangan tarik 400-700MPa, modulus elastisitas 9 – 20 GPa dan regangan tarik saat patah 5-14%. Kim dan Netravali (2010) [6] memperoleh kekuatan tarik, regangan patah dan modulus Young serat sisal dari Mexico masing-masing 283.5 MPa, 7.84%, and 5.24 GPa. Berdasarkan hasil penelitian kami serat sisal lokal Bali memiliki kekuatan tarik 426.91MPa, regangan maksimum 4.56% dan modulus Young 10.41GPa.
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
550
Untuk memperbaiki kemampuan ikat antara serat dan matriknya maka salah satunya bisa dilakukan dengan perlakuan kimia pada serat tersebut. Perlakuan kimia yang paling banyak dan umum dilakukan untuk meningkatkan kekuatan tarik komposit adalah perlakuan alkali. Banyak peneiliti telah meneliti serat sisal untuk memperkuat polimer seperti Sisal- Low-density polyethylene,sisal-Polyester, sisal-epoxy, sisal-polypropylene, sisal-phenol-formaldehyde, sisal-polyvinyl-acetate, and sisal-starch-based, sisal-urea formaldehyde [7].
Berdasarkan latar belakang di atas dan beberapa studi yang telah dilakukan peneliti sebelumnya serta sifat tarik serat sisal lokal Bali yang tidak kalah dengan serat sisal dari berbagai negara maka pada studi ini dipilih serat lokal tersebut sebagai penguat komposit unsaturated polyester. Serat juga diberi perlakuan NaOH dan diposisikan dalam arah longitudinal (sejajar arah pembebanan) dan transversal (tegak lurus arah pembebanan) Komposit ini dievaluasi kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitasnya.
2.
Prosedur eksperimen
2.1. Bahan
Bahan-bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah polimer unsaturated Polyester, NaOH hardener MEKPO, gliserin dan aquades diperoleh dari toko bahan kimia di Denpasar. Serat sisal diperoleh dari desa Kubu Karangasem Bali
2.2. Perlakuan serat
Pertama,serat sisal direndam pada air mendidih selama 30 menit. lalu dikeringkan di dalam oven dengan suhu 1000C selama 1 jam dan selanjutnya dikeringkan pada suhu ruang selama 12 jam. Setelah itu serat direndam pada larutan 5% NaOH dengan perbandingan 20 ml larutan untuk 1 gr serat selama 2 jam pada suhu ruang, selanjutnya serat dicuci dengan air kran mengalir untuk menghilangkan larutan NaOH yang masih menempel pada serat dan kemudian dikeringkan dalam oven dengan suhu 1000C selama 1 jam dan selanjutnya dibiarkan pada suhu ruang selama 12 jam.
2.3. Pembuatan komposit
Proses pembuatan komposit unsaturated polyester dengan penguat 30% fraksi volume serat sisal menggunakan teknik Hand lay up press mold dengan beban 20 N. Komposit dibuat dalam dua jenis perlakuan yaitu dengan perlakuan dan tanpa perlakuan alkali sebagai pembandingnya dan dua jenis arah serat yaitu arah longitudinal dan transversal. Resin polyester dicampur dengan hardener 1% sebagai pengeras. Komposit yang telah dikeluarkan dari cetakan dimasukan ke dalam oven dengan suhu 1000 C selama 1 jam untuk proses post curing, Komposit kemudian dipotong menjadi spesimen benda uji.
2.4. Uji Komposit
Pengujian dilakukan dengan mesin uji Universal Testing Machine Person Parke. Spesimen pengujian tarik di bentuk menurut standar ASTM D 3039. Dengan jumlah spesimen masing- masing 5 spesimen setiap perlakuan. Struktur patahan setelah uji tarik dievaluasi dengan menggunakan foto Scanning Electron Microscope (SEM) merek Jeol type JCM 5000 Japan. Hasil perhitungan data penelitian diplot dalam bentuk grafik hubungan perlakuan kimia dan arah serat terhadap kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas lalu dianalisis dikaitkan dengan hasil SEM.
3. Pembahasan
Gambar 1 - 3 menunjukkan grafik hubungan antara arah serat dan perlakuan serat masing-masing dengan kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas komposit unsaturated polyester serat sisal. Kekuatan tarik maksimum terjadi pada komposit serat arah memanjang (longitudinal) dengan perlakuan NaOH yaitu sebesar 109,43 MPa, sedangkan yang terendah adalah komposit serat tanpa perlakuan arah serat melintang (transversal) sebesar 1,52 MPa. Komposit dengan serat diberi perlakuan alkali memiliki sifat tarik lebih besar dari komposit dengan serat tanpa perlakuan baik arah serat longitudinal maupun transversal. Hal ini terjadi karena komposit yang diperkuat dengan serat tanpa perlakuan ikatan antara serat dengan matrik kurang sempurna dikarenakan permukaan serat sisal masih mengandung hemiselulosa, lignin dan wax pada permukaannya seperti ditunjukkan pada Gambar 4a. Disamping itu pula karena ketidakcocokan (incompatibility) antara serat alam yang mudah menyerap air (hydropilic) dan matrik yang bersifat hydrophobic. Sehingga ketika dilakukan uji tarik maka kegagalan terjadi karena lepasnya ikatan serat dengan matriknya (fiber pull out) yang terlebih dahulu diawali dengan debonding. Hal ini didukung dengan hasil foto SEM Gambar 6a terlihat permukaan patahan komposit didominasi debonding dan fiber pullout. Sedangkan serat yang diberi perlakuan alkalisasi dengan persentase 5% NaOH menyebabkan kandungan hemiselulosa, lignin, wax dan kotoran berkurang sehingga permukaan serat tampak lebih bersih dan kasar seperti terlihat pada Gambar 4b. Disamping itu diameter serat juga semakin kecil setelah perlakuan alkali, sehingga meningkatkan aspect ratio serat tersebut [7]. Konsekwensinya, ikatan serat dengan matrik atau interaksi antara serat dan matriknya semakin baik dan efektif sehingga meningkatkan
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
551
Gambar 1. Grafik hubungan antara arah dan perlakuan serat dengan kekuatan tarik maximum komposit
Gambar 2. Grafik hubungan antara arah serat dengan regangan komposit saat tegangan maximum
Gambar 3. Modulus elastisitas komposit dengan arah serat a). longitudinal dan b) transversal
0
20
40
60
80
100
120
Longitudinal
Tanpa
Longitudinal
NaOH
Transversal
Tanpa
Transversal
NaOH
K
e
ku
a
ta
n
T
a
ri
k
(M
P
a
)
Komposit dengan variasi arah dan perlakuan alkali serat
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
Longitudinal
Tanpa
Longitudinal
NaOH
Transversal
Tanpa
Transversal
NaOH
R
e
g
a
n
g
a
n
m
a
ksi
m
u
m
(
m
m
/m
m
)
Komposit dengan variasi arah dan perlakuan alkali serat
4.8
5
5.2
5.4
5.6
5.8
6
6.2
6.4
6.6
6.8
Longitudinal tanpa
Longitudinal alkali
M
od
u
lu
s
E
la
st
isi
ta
s,
E
(
GP
a
)
Komposir arah serat longitudinal tanpa
dan dengan perlakuan alkali
0
100
200
300
400
500
600
Transversal tanpa Transversal alkali
M
od
u
lu
s
e
la
st
isi
ta
s,
E
(
M
P
a
)
Komposit arah serat transversal tanpa
dan dengan pelakuan alkali
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
552
Gambar 4 Hasil foto SEM permukaan serat sisal a). Tanpa perlakuan, b). Dengan perlakuan alkali
Arah serat pada komposit berpengaruh pada sifat tarik komposit tersebut. Komposit yang seratnya disusun longitudinal memiliki kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas jauh lebih besar dari pada komposit yang seratnya disusun transversal. Hal ini dikarenakan komposit dengan arah serat longitudinal seluruh seratnya searah dengan pembebanan sehingga serat dengan matrik bersamaan menerima beban, maka akan menghasilkan sifat tarik yang cukup besar. Sedangkan sifat tarik komposit dengan arah serat transversal lebih kecil dikarenakan arah serat tegak lurus terhadap beban tarik sehingga komposit hanya mengandalkan ikatan matriknya [9]. Hal ini didukung pula dengan foto bentuk patahan komposit setelah diuji tarik Gambar 5, yang mana bentuk patahan serat longitudinal tidak tegak lurus dengan arah pembebanan akan tetapi bertingkat yang artinya serat benar-benar menahan beban tarik bersama matriknya. Sedangkan komposit dengan arah serat transversal bentuk patahannya tegak lurus dengan arah pembebanan atau searah orientasi seratnya, artinya serat sama sekali tidak ikut menahan beban yang didistribusikan matriknya atau bahkan serat memperlemah kemampuan komposit untuk menerima beban..
Gambar 5. Foto bentuk patahan komposit dengan arah serat a) longitudinal, b) transversal, setelah uji tarik.
Gambar 3 menunjukan bahwa komposit yang seratnya mengalami perlakuan 5% NaOH mampu meningkatkan modulus elastisitasnya baik dengan arah serat longitudinal maupun transversal. Untuk komposit dengan arah serat longitudinal nilai modulus elastisitas (7,08 GPa) lebih tinggi dari komposit yang seratnya tanpa perlakuan yakni sebesar 6,56 GPa. Untuk komposit yang arah seratnya transversal modulus elastisitas (761,6 MPa) lebih tinggi dari kommposit yang seratnya tanpa perlakuan yakni sebesar 356,25 MPa. Modulus elastisitas komposit umumnya berbanding lurus dengan kekuatan tarik yieldnya, sehingga komposit yang seratnya diberi perlakuan NaOH modulus elastisitasnyapun lebih besar dari komposit dengan serat tanpa perlakuan.
Kekuatan tarik, modulus elastisitas dan regangan maksimum yang dimiliki komposit UP berpenguat serat sisal lokal Bali ini sangat feasible diaplikasikan untuk berbagai produk.
3HUPXNDDQ
VHUDWWDQSD
ZD[GDQ
OLJQLQ
:D[
/DSLVDQ
/LJQLQ
C
D
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
553
Gambar 6 Hasil foto SEM permukaan patahan komposit setelah uji tarik a). dengan serat tanpa perlakuan dan b) dengan perlakuan alkali .
4. Simpulan
Dari hasil pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa arah serat longitudinal sangat signifikan mempengaruhi sifat tarik komposit. Hal ini disebabkan serat arah longitudinal pada kompositnya ikut menahan beban yang didistribusikan oleh matriknya, sedangkan serat arah transversal sama sekali tidak menahan beban yang didistribusikan oleh matriknya. Demikian pula dengan perlakuan alkali (5%NaOH) pada serat sangat signifikan pengaruhnya terhadap sifat tarik komposit unsaturated polyester, karena dengan perlakuan alkali dapat meningkatkan ikatan permukaan (interfacial bonding) antara serat dan matriknya. Jadi dengan demikian serat sisal lokal Bali bisa diandalkan untuk digunakan sebagai penguat komposit polimer.
Daftar Pustaka
[1] Sgriccia N, M.C. Hawley and M. Misra, Characterization of natural fiber surfaces and natural fiber
composites”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 39, Issue 10: 1632-1637,
October 2008
[2]. Fábio Tomczak, Thais Helena Demétrio Sydenstricker, Kestur Gundappa Satyanarayana, Studies on lignocellulosic fibers of Brazil. Part II: Morphology and properties of Brazilian coconut fibers. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 38, Issue 7: 1710-1721, July 2007. [3] Yan Li, Yiu-Wing Mai, Lin Ye, Sisal fibre and its composites: a review of recent developments,
Composites Science and Technology 60: 2037-2055, 2000
[4] Joseph, P. V., Mathew, G., Joseph, K., Thomas, S., Pradeep, P. Mechanical Properties of Short Sisal Fiber-Reinforced Polypropylene Composites: Comparison of Experimental Data with Theoretical Predictions, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, 602–611 (2003) © 2003 Wiley Periodicals, Inc. [5] FUNG, K. L., LI,R. K. Y., TJONG, S. C. Interface Modification on the Properties of Sisal Fiber-Reinforced
Polypropylene Composites, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 85, 169–176 (2002), © 2002 Wiley Periodicals, Inc..
[6] Jun Tae Kim, Anil N. Netravali, Mercerization of sisal fibers: Effect of tension on mechanical properties
of sisal fiber and fiber-reinforced composites, Composites: Part A 41: 1245–1252, 2010
[7] Zhong, J. B., Wei, J. Lv, C. Mechanical properties of sisal fibre reinforced ureaformaldehyde resin
composites, eXPRESS Polymer Letters Vol.1, No.10: 681–687 Available online at
www.expresspolymlett.com DOI: 10.3144/expresspolymlett.2007.93, 2007
[8] A. Valadez-Gonzalez, J.M. Cervantes-Uc, R. Olayo, P.J. Herrera-Franco, Effect of fiber surface treatment on the fiber–matrix bond strength of natural fiber reinforced composites, Composites: Part B 30: 309–
320, 1999.
[9] Lokantara, Putu. NPG Suardana Analisis arah dan perlakuan serat tapis serta rasio epoxy hardener terhadap sifat fisis dan mekanis komposit tapis/epoxy. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM Vol.1,No.1:15-21, 2007.
'HERQGLQJ
)LEHUSXOORXW
0DWULN
1HFNLQJ
SDGD
VHUDW
0DWULN
'HERQGLQJ
)LEHUSXOORXW
0DWULN