KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGUAT SERAT BAMBU DAN SERAT GELAS SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN BAKU INDUSTRI PDF

Preview

Summary

KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGUAT SERAT BAMBU DAN SERAT GELAS SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN BAKU INDUSTRI (Daniel Andri Porwanto, Lizda Johar M ST.MT) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626 E-mail : d4ni_el27@@yahoo.com A...

Description

Accelerat ing t he world's research.

KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGUAT SERAT BAMBU DAN SERAT GELAS SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN BAKU INDUSTRI Nenda Andintya

Related papers Cangkang kepit ing dan resin robin agust ian

T ESIS Fullt ext 1 5 Adi Prabu A komposit e Anggit Ndut

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

KARAKTERISASI KOMPOSIT BERPENGUAT SERAT BAMBU DAN SERAT GELAS SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN BAKU INDUSTRI (Daniel Andri Porwanto, Lizda Johar M ST.MT) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626 E-mail : d4ni_el27@@yahoo.com

Abstrak Dalam tugas akhir ini, dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik bahan komposit berpenguat serat bambu dan serat glass sebagai alternatif bahan baku industri. Adapun penelitian ini terbagi dalam beberapa tahapan. Tahap pertama pembuatan spesimen komposit dengan masing-masing penguat dengan fraksi volume 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 12.5% dan spesimen tanpa penguat atau fraksi volume 0% sebagai pembanding. Bahan polimer yang digunakan yaitu poliester BQTN 157-EX Yukalac sebagai matriksnya. Pembuatan spesimen dengan menggunakan metode hand lay-up. Tahap kedua yaitu pengujian bahan komposit. Pengujian yang dilakukan yaitu uji tarik dan uji densitas bahan komposit. Uji tarik dilakukan menggunakan standar ASTM D 638M-84 M-1. Tahap ketiga yaitu hasil analisa data dan pembahasan. Dari hasil peneletian diperoleh kesimpulan pengaruh fraksi volume serat terhadap karakteristik sampel komposit tidak menunjukkan tren yang seharusnya, hal ini dikarenakan banyaknya void pada sampel komposit, baik komposit berpenguat serat bambu maupun berpenguat serat gelas diperoleh nilai karakteristik yang mendekati ideal pada masing-masing fraksi volume 2,5%, komposit polimer berpenguat serat bambu pada fraksi volume 2,5% memiliki karakteristik paling mendekati ideal yakni memiliki kekuatan tarik sebesar 38,57 MPa, modulus elastisitas sebesar 1326,92 MPa dan densitas sebesar 1,203 gram/ml dan material komposit polimer berpenguat serat bambu pada fraksi volume penguat 2,5% dapat digunakan sebagai alternatif bahan baku industri yaitu menggantikan bahan baja rolan untuk ketel sesuai standar JIS G3103. Kata kunci: Karakterisasi, Komposit, Penguat, Bambu, Gelas, Alternatif, Industri 1.Pendahuluan Dewasa ini perkembangan teknologi bahan semakin pesat. Pemenuhan kebutuhan akan bahan dengan karakteristik tertentu juga menjadi faktor pendorongnya. Berbagai macam bahan telah digunakan dan juga penelitian lebih lanjut terus dilakukan untuk mendapatkan bahan yang tepat guna, salah satunya bahan komposit polimer. Kemampuannya yang mudah dibentuk sesuai kebutuhan, baik dalam segi kekuatan maupun keunggulan sifat-sifat yang lain, mendorong penggunaan bahan komposit polimer sebagai bahan alternatif atau bahan pengganti material logam konvensional pada berbagai produk yang dihasilkan oleh industri khususnya industri manufaktur. Material komposit yaitu material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih unsurunsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan (Schwartz, 1984). 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. Parlindungan Manik dkk (2004) melakukan penelitian mengenai komposit dengan serat bambu apus sebagai penguat. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa komposit dengan serat bambu tipe chopped strand mat belum dapat digunakan sebagai bahan alternatif pengganti kayu sebagai bahan pembuatan kulit kapal, karena kekuatan tarik komposit yang diperoleh belum memenuhi aturan Biro Klasifikasi Indonesia (BKI). Hendri Nurdin (2008), meneliti pengaruh jenis serat pada komposit terhadap kekuatan tarik bahan komposit polimer/serat gelas. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa jenis serat Eglass dengan tipe chopped strand mat memiliki kekuatan tarik sebesar 75,55 MPa. Dari beberapa penelitian tersebut belum ada yang membandingkan karakteristik komposit antara komposit yang berpenguat serat bambu apus dan komposit yang berpenguat serat gelas dengan tipe sama yaitu chopped strand mat dengan proses yang sama dalam satu lingkup penelitian. Hal ini mendorong penulis untuk melakukan penelitian lebih lanjut. Adapun dalam penelitian ini karakteristik komposit yang ingin diketahui adalah sifat kekakuan, kekuatan, dan densitas dari komposit polimer berpenguat serat gelas dan komposit polimer berpenguat serat bambu. Hal ini dikarenakan peneliti ingin memperoleh bahan komposit yang kuat, kaku, dan juga ringan. Sehingga uji yang perlu dilakukan harus dapat mengetahui karakteristik komposit polimer yang

sesuai, yaitu uji tarik dan uji densitas. Dari latar belakang tersebut di atas, permasalahan yang muncul dalam tugas akhir ini adalah bagaimana karakteristik bahan komposit berpenguat serat bambu dan serat gelas sebagai alternatif bahan baku industri. Adapun tujuan dalam pengerjaan penelitian tugas akhir ini adalah melakukan karakterisasi bahan komposit berpenguat serat bambu dan serat gelas sebagai alternatif bahan baku industri. Karakterisasi tersebut dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi fraksi volume kedua jenis komposit, mengetahaui perbandingan karakteristik kedua jenis komposit satu sama lain, mengetahui komposit dengan karakteristik yang mendekati ideal, dan juga mengetahui komposit yang dapat digunakan sebagai alternatif bahan baku industri. Supaya mendapatkan penelitian yang terarah dan fokus maka dilakukan beberapa pendekatan sebagai berikut : • Karakteristik yang dimaksud dalam penelitian ini adalah kekuatan tarik , modulus elastisitas, dan densitas. • Tidak membahas proses kimia yang terjadi, karena tinjauan pembahasan secara makroskopis. • Bentuk serat yang digunakan adalah tipe chopped strand mat dengan panjang sekitar 1,5 cm. • Serat bambu terbuat dari jenis bambu apus (gigantochloa apus kurz). • Serat gelas yang digunakan berjenis E-glass. • Untuk uji tarik digunakan standar ASTM D 638M-84. 2. Teori Dasar 2.1 Komposit Pengertian bahan komposit berarti terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda yang digabung atau dicampur secara makroskopis menjadi suatu bahan yang berguna (Jones, 1975), karena bahan komposit merupakan bahan gabungan secara makro, maka bahan komposit dapat didefinisikan sebagai suatu sistem material yang tersusun dari campuran/kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan (Schwartz, 1984). Bahan komposit secara umum terdiri dari penguat dan matrik. Penguat komposit pada umumnya mempunyai sifat kurang ulet tetapi lebih kaku serta lebih kuat. Fungsi utama dari penguat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari penguat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada penguat, sehingga penguat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu penguat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit.

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. Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut : • Mentransfer tegangan ke serat. • Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat. • Melindungi serat. • Memisahkan serat. • Melepas ikatan. • Tetap stabil setelah proses manufaktur. Tujuan dibuatnya komposit yaitu memperbaiki sifat mekanik atau sifat spesifik tertentu, mempermudah desain yang sulit pada manufaktur, keleluasaan dalam bentuk atau desain yang dapat menghemat biaya produksi, dan menjadikan bahan lebih ringan. komposit yang diproduksi oleh suatu instansi atau pabrik biasanya dapat diprediksi sifat mekanik dari bahan komposit berdasarkan bahan matrik dan bahan penguatnya (Callister, 2007). Adapun beberapa sifat mekanik yang dapat diprediksi dari komposit yaitu kekuatan tarik dan kelayakan sebagai material komposit (validitas komposit). Dalam komposit kekuatan tarik dipengaruhi oleh kekuatan interface-nya. Dari pengujian kekuatan interface sangat sulit ditentukan karena prosesnya yang tidak sederhana. Sehingga hasil pengujian juga sangat sulit ditentukan karena adanya faktor teknis pembuatan spesimen. Untuk komposit polimer/serat , perbedaan campuran unsur matrik dan perbedaan serat juga menghasilkan kekuatan adhesive yang berbeda sehingga tidak jarang serat akan putus sebelum terlepas dari matriknya (Matthew, 1999). Adapun besarnya kekuatan tarik yang dihasilkan oleh komposit polimer/serat dapat prediksi dengan menggunakan persamaan 2.1. Berdasarkan persamaan ini dapat digunakan oleh peneliti sejauh untuk mengetahui sejauh mana besarnya kekuatan tarik yang dihasilkan oleh komposit berdasarkan matrik dan penguat penyusunnya. Berikut ini persamaan tensile prediction. = σmVm σc σ f V f .........................................(2.1)

+

dengan:σ c = kekuatan tarik komposit (MPa) σ m = kekuatan tarik matrik (MPa) σ f = kekuatan tarik penguat (MPa) V m = fraksi volume matrik V f = fraksi volume penguat Jumlah kandungan serat dalam komposit, merupakan hal yang menjadi perhatian khusus pada komposit berpenguat serat. Untuk memperoleh komposit berkekuatan tinggi, distribusi serat dengan matrik harus merata pada proses pencampuran agar mengurangi timbulnya void. Untuk menghitung fraksi volume parameter yang harus diketahui adalah densitas resin, densitas penguat, massa matrik dan massa penguat. Adapun fraksi volume yang ditentukan dengan persamaan :

……………...…(2.2)

….…………….(2.3) Gambar2.1 Komposit partikel Jika selama pembuatan komposit diketahui berat penguat dan berat matrik, serta densitas penguat dan densitas matrik, maka fraksi volume dan fraksi penguat B. Komposit serat (fibrous composites) Komposit serat adalah komposit yang terdiri dari dapat dihitung dengan persamaan: serat dan matriks. Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga …………………… tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang ….(2.4) dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan dengan : W f = fraksi berat penguat menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena w f = berat penguat (gr) itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus w c = berat komposit (gr) -3 elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun ρ f = densitas penguat (gr.cm ) -3 komposit. Pemilihan serat atau penguat penyusun pada ρ c = densitas komposit (gr.cm ) komposit juga harus mempertimbangkan beberapa hal v f = fraksi volume penguat salah satunya harga. Hal ini penting karena sebagai v m = fraksi volume matrik pertimbangan bila akan digunakan pada skala produksi V f = volume penguat (cm3) besar. V m = volume matrik (cm3) Jenis komposit serat terbagi menjadi 4 macam Berdasarkan bentuk penguatnya, secara garis besar komposit diklasifikasikan menjadi tiga macam yaitu Continous fiber composite (komposit diperkuat (Jones, 1975), yaitu: komposit partikel, komposit serat  dengan serat kontinue), dan komposit lapis.  Woven fiber composite (komposit diperkuat A. Komposit partikel (particulate composites) dengan serat anyaman), Merupakan komposit yang menggunakan partikel Chopped fiber composite (komposit diperkuat serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara  serat pendek/acak), merata dalam matriknya. Komposit partikel banyak Hybrid composite (komposit diperkuat serat dibuat untuk bahan baku industry. Proses produksi yang  kontinyu dan serat acak). mudah juga menjadi salah satu pertimbangan bila komposit akan diproduksi massal. Kelayakan bahan komposit partikel yang telah dibuat dapat diketahui dengan melakukan pendekatan uji validitas. Adapun pendekatan yang dimaksud yaitu dengan mengetahui modulus elastisitas komposit dalam rentang batas atas (upper bound) dan batas bawah (lower bound). Berikut ini persamaan matematis yang digunakan : • Upper bound (a) (b) (c)

•

= EmVm Ec E f V f .......................................(2.5) Lower bound Ec = (E m E f )/(V m E f V f E m )........................(2.6)

Dengan : E c = modulus elastisitas komposit (MPa) E m = modulus elastisitas matriks (MPa) E f = modulus elastisitas filler (MPa) V m = fraksi volume matriks V f = fraksi volume filler

(d) + Gambar2.2 Jenis komposit serat (a) Continous fiber composite , (b) Woven fiber composite, (c) Chopped fiber composite, (d) Hybrid composite. + C. Komposit lapis (laminates composites) Jenis komposit ini terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri. Contoh komposit ini yaitu bimetal, pelapisan logam, kaca yang dilapisi, dan komposit lapis serat.

Gambar2.3 Komposit lapis Berdasarkan jenis matrik yang digunakan komposit dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama yaiu a. Komposit matrik logam (metal matrix composites/MMC), Komposit matrik logam (metal matrix composites) ditemukan berkembang pada industri otomotif, Metal matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida . Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah continous filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aerospace. Contoh : alumunium beserta paduannya, titanium beserta paduannya, magnesium beserta paduannya. Kelebihan MMC dibandingkan dengan komposit polimer yaitu : • Transfer tegangan dan regangan yang baik. • Ketahanan terhadap temperature tinggi • Tidak menyerap kelembapan. • Tidak mudah terbakar. • Kekuatan tekan dan geser yang baik. • Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik Kekurangan MMC : • Biayanya mahal • Standarisasi material dan proses yang sedikit Sifat Matrik pada MMC : • Mempunyai keuletan yang tinggi • Mempunyai titik lebur yang rendah • Mempunyai densitas yang rendah Aplikasi MMC, yaitu sebagai berikut : • Komponen automotive (blok-silindermesin,pully,poros gardan,dll) • Peralatan militer (sudu turbin,cakram kompresor,dll) • Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang) • Peralatan elektronik b.

Komposit matrik keramik (ceramic matrix composites/CMC) Komposit matrik keramik (ceramic matrix composites ) digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai penguat dan 1 fasa sebagai matrik, dimana matriksnya terbuat dari keramik. bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat

dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida. Penguat yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid. Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah penguat. Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah :  Gelas anorganic.  Keramik gelas  Alumina  Silikon Nitrida Keuntungan dari CMC :  Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam  Sangat tanggung , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron  Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus  Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi  Tahan pada temperatur tinggi (creep)  Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi Kerugian dari CMC  Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar  Relatif mahal dan non-cot effective  Hanya untuk aplikasi tertentu Aplikasi CMC, yaitu sebagai berikut :  Chemical processing contohnya filters, membranes, seals, liners, piping, hangers  Power generation contohnya combustorrs, vanrs, nozzles, recuperators, heat exchange tubes, liner  Wate inineration contohnya furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors.  Kombinasi dalam rekayasa wisker SiC/alumina polikristalin untuk perkakas potong.  Serat grafit/gelas boron silikat untuk alas cermin laser.  Grafit/keramik gelas untuk bantalan,perapat dan lem.  SiC/litium aluminosilikat (LAS) untuk calon material mesin panas. c.

Komposit matrik polimer (polymer matrix composites/PMC) Komposit ini menggunakan bahan polimer sebagai matriknya. Secara umum, sifat-sifat komposit polimer ditentukan oleh sifat-sifat penguat,Sifat-sifat polimer,rasio penguat terhadap polimer dalam komposit (fraksi volume penguat), geometri dan orientasi penguat pada komposit. Apapun komposit polimer yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut: • Sifat-sifat mekanis yang bagus • Sifat-sifat daya rekat yang bagus • Sifat-sifat ketangguhan yang bagus • Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus sifat-sifat mekanis yang bagus. Komposit polimer memiliki beberapa sifat yaitu biaya pembuatan lebih rendah, dapat dibuat dengan

produksi missal, ketangguhan baik, tahan simpan, siklus pabrikasi dapat dipersingkat, kemampuan mengikuti bentuk, lebih ringan. Adapun keuntungan dari PMC adalah ringan, specific stiffness tinggi, Specific strength tinggi, Anisotropy. Aplikasi PMC, yaitu sebagai berikut : a. Matrik berbasis poliester dengan serat gelas  Alat-alat rumah tangga  Panel pintu kendaraan  Lemari perkantoran  Peralatan elektronika. b. Matrik berbasis termoplastik dengan serat gelas contohnya kotak air radiator. c. Matrik berbasis termoset dengan serat carbon  Rotor helikopter  Komponen ruang angkasa  Rantai pesawat terbang 2.2 Polimer Polimer yaitu bahan dengan berat molekul (Mr) lebih besar dari 10.000. keunggulan bahan polimer yaitu kemampuan cetaknya baik. Pada temperatur rendah bahan dapat dicetak dengan penyuntikan, penekanan, ekstruksi, dan seterusnya, produk ringan dan kuat, banyak polimer bersifat isolasi listrik, polimer dapat bersifat konduktor. baik sekali ketahannya terhadap air dan zat kimia, produk dengan sifat yang berbeda dapat dibuat tergantung cara, pembuatannya, umumnya bahan polimer lebih murah harganya. Bahan polimer biasa digunakan sebagai matrik pada komposit polimer. Adapun polimer yang sering dipakai antara lain : • Thermoplastic Thermoplastic adalah plastik yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik (reversibel) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Contoh dari thermoplastic yaitu Polyamide (PI), Polysulfone (PS), Poluetheretherketone (PEEK), Polypropylene (PP), Polyethylene (PE) dll. • Thermoset Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akan membentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastik jenis termoset tidak begitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yang bersifat termoplastik. Contoh dari thermoset yaitu epoksi, polyester, plenol, resin amino, resin furan dll.

2.2.1 Unsaturated Polyester Resin (UPR) Jenis UPR populernya sering disebut polyester saja. UPR berupa resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya. Salah satu resin yang termasuk jenis UPR adalah resin Yuka...