2 Nanas atau Ananas comosus merupakan salah satu alternatif tanaman
penghasil serat yang selama ini hanya dimanfaatkan buahnya sebagai sumber bahan pangan, sedangkan daun nanas dapat dimanfaatkan sebagai bahan penghasil
serat tekstil [6]. Dari penelitian yang telah dilakukan oleh Mujiyono dan Didik [7], diperoleh bahwa serat daun nanas memiliki kekuatan tarik hampir dua kali
lebih tinggi dibandingkan dengan fiberglass, yaitu 42,33 kgmm
2
untuk serat daun nanas dan 21,65 kgmm
2
untuk fiberglass. Dengan demikian serat daun nanas memiliki potensi untuk digunakan sebagai pengisi dalam suatu komposit.
Dalam penelitian ini, digunakan jenis komposit diperkuat serat dengan orientasi acak, dimana panjang dan komposisi serat yang digunakan menjadi
faktor yang sangat penting. Dari penelitian yang telah dilakukan oleh Dyah dkk. [8] tentang pengaruh panjang dan komposisi serat terhadap kekuatan impact
komposit poliester dan serat pandan wangi diperoleh untuk serat dengan panjang 3 cm, 4 cm, dan 5 cm berturut-turut yaitu 1306,667 KJm
2
, 1960 KJm
2
, dan 2400 KJm
2 ,
sedangkan untuk rasio matriks dan serat 8020, 7030, dan 6040 berturut- turut yaitu 980 KJm
2
, 12968,667 KJm
2
, dan 2940 KJm
2
. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin panjang serat dan bertambahnya komposisi
serat yang digunakan maka kekuatan impact komposit tersebut akan semakin meningkat.
Berdasarkan uraian di atas maka dilakukan kajian mengenai pemanfaatan serat daun nanas sebagai pengisi pada matriks epoksi yang dapat menghasilkan
bahan komposit yang memiliki sifat – sifat yang unggul lebih baik.
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Perumusan masalah yang dikaji dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimana pengaruh panjang serat terhadap sifat mekanik komposit
epoksi berpengisi serat daun nanas. 2. Bagaimana pengaruh komposisi serat terhadap sifat mekanik komposit
epoksi berpengisi serat daun nanas.
Universitas Sumatera Utara
3
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh panjang serat dan komposisi pengisi terhadap sifat mekanik komposit epoksi berpengisi serat
daun nanas.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut : 1. Meningkatkan nilai tambah kegunaan dari tanaman nanas, khususnya serat
daun nanas. 2. Dapat dijadikan sebagai informasi karakteristik produk komposit epoksi
berpengisi serat daun nanas. 3. Sebagai bahan perbandingan sifat komposit epoksi berpengisi serat daun
nanas dengan komposit epoksi berpengisi lain yang telah diteliti sebelumnya.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Penelitian Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik dan Laboratorium Penelitian Fakultas Farmasi Universitas
Sumatera Utara serta Laboratorium Fisika Terpadu Universitas Negeri Medan. Adapun bahan baku yang digunakan pada penelitian ini, yaitu epoksi sebagai
matriks dan serat daun nanas sebagai pengisi. Variasi yang dilakukan : 1. Variasi panjang serat, yaitu 1 mm, 4 mm, 7 mm, dan 10 mm.
2. Variasi komposisi matriks dan serat, yaitu 955, 9010, dan 8515 vv. Uji dan analisis yang dilakukan pada komposit epoksi adalah :
1. Analisis Fourier Transform Infra Red FTIR. 2. Uji tarik tensile strength ASTM D638 tipe IV.
3. Uji lentur flexural strength ASTM D 790. 4. Uji bentur impact strength ASTM D 4812-11.
5. Analisis Scanning Electron Microscopy SEM . 6. Uji daya serap air water absorption ASTM D 570.
Universitas Sumatera Utara
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 KOMPOSIT
2.1.1 Pengertian Komposit
Di dalam dunia industri kata komposit dalam pengertian bahan komposit berarti terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda yang digabung atau
dicampur menjadi satu. Menurut Kaw, komposit adalah struktur material yang terdiri dari dua kombinasi bahan atau lebih, yang dibentuk pada skala
makroskopik dan menyatu secara fisika [9]. Sedangkan menurut Matthews dkk, komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih
material pembentuknya melalui campuran yang tidak homogen, dimana sifat mekanik dari masing-masing material pembentuknya berbeda. Dari campuran
tersebut akan dihasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Material komposit
mempunyai sifat dari material konvensional pada umumnya dari proses pembuatannya melalui percampuran yang tidak homogen, sehingga kita leluasa
merencanakan kekuatan material komposit yang kita inginkan dengan jalan mengatur komposisi dari material pembentuknya. Komposit merupakan sejumlah
sistem multi fasa sifat gabungan, yaitu gabungan antara bahan matriks atau pengikat dengan penguat [10].
2.1.2 Jenis – Jenis Komposit
2.1.2.1 Berdasarkan Bahan Matriks
Berdasarkan bahan matriksnya, komposit dapat dibagi menjadi tiga [10], yaitu :
1. Komposit matriks logam atau yang dikenal dengan istilah Metal Matrix Composite MMC. Komposit dengan matriks logam biasanya terdiri dari
aluminium, titanium, dan magnesium. Secara umum komposit matriks logam mempunyai sifat seperti :
a. Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik .
Universitas Sumatera Utara
5 b. Kekuatankekakuan spesifik yang tinggi.
c. Diharapkan tahan terhadap temperatur yang tinggi. 2. Komposit matriks keramik atau yang dikenal dengan istilah Ceramic
Matrix Composite CMC. Adapun keuntungan yang diperoleh dari komposit matriks keramik seperti :
a. Tahan pada temperatur tinggi creep. b. Kekuatan tinggi, ketahanan korosi, dan tahan aus.
Sedangkan kelemahan komposit matriks keramik yaitu : a. Susah diproduksi dalam jumlah besar.
b. Biaya mahal. 3. Komposit matriks polimer atau dikenal dengan istilah Polymer Matrix
Composites PMC. Untuk pembuatan komposit ini, jenis polimer yang banyak digunakan antara lain adalah :
a. Polimer termoplastik seperti poliester, nilon 66, polieter sulfon, polipropilen, dan polietereterketon. Komposit ini dapat didaur
ulang. b. Polimer termoset untuk aplikasi temperatur tinggi seperti
epoksida, bismaleimida BMI, dan poli imida PI. Komposit ini tidak dapat didaur ulang.
Pada penelitian ini, jenis matriks yang digunakan adalah polimer termoset yaitu resin epoksi.
2.1.2.2 Berdasarkan Bahan Pengisi
Berdasarkan bahan pengisi yang digunakan, komposit dibagi menjadi tiga [1], yaitu:
1. Laminated Composite Komposit Laminat Merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang
digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri.
2. Particulate Composite Komposit Partikel Merupakan komposit yang menggunakan partikelserbuk sebagai
pengisinya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya.
Universitas Sumatera Utara
6 3. Fibrous Composite Komposit Serat
Merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat fiber. Fiber yang
digunakan bisa berupa glass fibers, carbon fibers, aramid fibers poly aramide, dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara acak maupun
dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman. Pada penelitian ini, jenis bahan pengisi yang
digunakan adalah serat yaitu serat daun nanas.
2.1.2.3 Tipe – Tipe Komposit
Berdasarkan penempatannya ada beberapa tipe serat pada komposit [11], yaitu:
1. Komposit Serat Anyaman Komposit ini tidak mudah dipengaruhi pemisahan antar lapisan karena
susunan seratnya mengikat antar lapisan. Susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan melemah.
2. Komposit Gabungan Komposit gabungan merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus
dengan serat acak. Tipe ini digunakan supaya dapat menganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.
3. Komposit Serat Panjang Tipe ini mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina
diantara matriksnya. Tipe ini mempunyai kelemahan pemisahan antar lapisan.
4. Komposit Serat Pendek Komposit ini adalah tipe komposit dengan serat pendek. Tipe ini
dibedakan lagi menjadi tiga, yaitu : a. Serat dengan susunan lurus.
b. Serat dengan susunan miring. c. Serat acak.
Universitas Sumatera Utara
7
a b
c
Gambar 2.1 Tipe Komposit Serat Pendek [11] Pada penelitian ini, jenis serat yang digunakan adalah serat pendek dengan
arah orientasi acak.
a b
c d
Gambar 2.2 Tipe Komposit Serat a Komposit Serat Panjang b Komposit Serat Anyaman c Komposit Serat Pendek d Komposit Gabungan [11]
2.1.3 Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Sifat Komposit
Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi sifat – sifat komposit yang
dihasilkan antara lain [12] : 1. Faktor Letak Serat
Serat adalah bahan pengisi matriks yang digunakan untuk dapat memperbaiki sifat dan struktur matriks yang tidak dimilikinya, juga
diharapkan mampu menjadi bahan penguat matriks pada komposit untuk menahan gaya yang terjadi.
Dalam pembuatan komposit tata letak dan arah serat dalam matriks yang akan menentukan kekuatan mekanik komposit, dimana letak dan arah
dapat mempengaruhi kinerja komposit tersebut. Menurut tata letak dan arah serat diklasifikasikan menjadi tiga bagian yaitu:
Universitas Sumatera Utara
8 a. One dimensional reinforcement, mempunyai kekuatan dan
modulus maksimum pada arah axis serat. b. Two dimensional reinforcement planar, mempunyai kekuatan
pada dua arah atau masing-masing arah orientasi serat. c. Three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic
kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan dua tipe sebelumnya. Pada pencampuran dan arah serat mempunyai beberapa keunggulan,
jika orientasi serat semakin acak random maka sifat mekanik pada satu arahnya akan melemah, bila arah tiap serat menyebar maka kekuatannya
juga akan menyebar ke segala arah maka kekuatan akan meningkat. 2. Panjang Serat
Panjang serat dalam pembuatan komposit serat pada matriks sangat berpengaruh terhadap kekuatan. Ada dua penggunaan serat dalam
campuran komposit yaitu serat pendek dan serat panjang. Serat panjang lebih kuat dibanding serat pendek. Serat alami jika dibandingkan dengan
serat sintetis mempunyai panjang dan diameter yang tidak seragam pada setiap jenisnya. Oleh karena itu panjang dan diameter sangat berpengaruh
pada kekuatan maupun modulus komposit. Panjang serat berbanding diameter serat sering disebut dengan istilah
aspect ratio. Bila aspect ratio makin besar maka makin besar pula kekuatan tarik serat pada komposit tersebut. Serat panjang continous
fiber lebih efisien dalam peletakannya daripada serat pendek. Akan tetapi, serat pendek lebih mudah peletakannya dibanding serat panjang. Panjang
serat mempengaruhi kemampuan proses dari komposit serat. Pada umumnya, serat panjang lebih mudah penanganannya jika dibandingkan
dengan serat pendek. Serat panjang pada keadaan normal dibentuk dengan proses filament winding, dimana pelapisan serat dengan matriks akan
menghasilkan distribusi yang bagus dan orientasi yang menguntungkan. Ditinjau dari teorinya, serat panjang dapat mengalirkan beban maupun
tegangan dari titik tegangan ke arah serat yang lain. Pada struktur continous fiber yang ideal, serat akan bebas tegangan atau mempunyai
tegangan yang sama. Selama fabrikasi, beberapa serat akan menerima
Universitas Sumatera Utara
9 tegangan yang tinggi dan yang lain mungkin tidak terkena tegangan
sehingga keadaan di atas tidak dapat tercapai. Sedangkan komposit serat pendek, dengan orientasi yang benar, akan
menghasilkan kekuatan yang lebih besar jika dibandingkan continous fiber. Hal ini terjadi pada whisker, yang mempunyai keseragaman
kekuatan tarik setinggi 1500 kipsin
2
10,3 GPa. Komposit berserat pendek dapat diproduksi dengan cacat permukaan yang rendah sehingga
kekuatannya dapat mencapai kekuatan teoritisnya. Faktor yang mempengaruhi variasi panjang serat chopped fiber
composites adalah critical length panjang kritis. Panjang kritis yaitu panjang minimum serat pada suatu diameter serat yang dibutuhkan pada
tegangan untuk mencapai tegangan saat patah yang tinggi. 3. Bentuk Serat
Bentuk serat yang digunakan untuk pembuatan komposit tidak begitu mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah diameter seratnya. Pada
umumnya, semakin kecil diameter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang lebih tinggi. Selain bentuknya kandungan seratnya juga
mempengaruhi. 4. Faktor Matriks
Matriks dalam komposit berfungsi sebagai bahan mengikat serat menjadi sebuah unit struktur, melindungi dari perusakan eksternal,
meneruskan atau memindahkan beban eksternal pada bidang geser antara serat dan matriks, sehingga matriks dan serat saling berhubungan.
Pembuatan komposit serat membutuhkan ikatan permukaan yang kuat antara serat dan matriks. Selain itu matriks juga harus mempunyai
kecocokan secara kimia agar reaksi yang tidak diinginkan tidak terjadi pada permukaan kontak antara keduanya. Untuk memilih matriks harus
diperhatikan sifat-sifatnya, antara lain seperti tahan terhadap panas, tahan cuaca yang buruk dan tahan terhadap goncangan yang biasanya menjadi
pertimbangan dalam pemilihan material matriks.
Universitas Sumatera Utara
10 Bahan Polimer yang sering digunakan sebagai material matriks dalam
komposit ada dua macam adalah termoplastik dan termoset. Termoplastik dan termoset ada banyak macam jenisnya, yaitu:
a. Termoplastik, contohnya : polyamide PI, polysulfone PS, polyetheretherketone
PEEK, polyhenylene
sulfide PPS,
polypropylene PP, polyethylene PE, dan sebagainya. b. Termoset, contohnya : epoksi, polyester, phenolic, plenol, resin
amino, resin furan, dan sebagainya. 5. Faktor Ikatan Fiber Matriks
Komposit serat yang baik harus mampu untuk menyerap matriks yang memudahkan terjadi antara dua fase. Selain itu komposit serat juga harus
mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan yang tinggi, karena serat dan matriks berinteraksi dan pada akhirnya terjadi pendistribusian
tegangan. Kemampuan ini harus dimiliki oleh matriks dan serat. Hal yang mempengaruhi ikatan antara serat dan matriks adalah void, yaitu adanya
celah pada serat atau bentuk serat yang kurang sempurna yang dapat menyebabkan matriks tidak akan mampu mengisi ruang kosong pada
cetakan. Bila komposit tersebut menerima beban, maka daerah tegangan akan berpindah ke daerah void sehingga akan mengurangi kekuatan
komposit tersebut. Pada pengujian tarik komposit akan berakibat lolosnya serat dari matriks. Hal ini disebabkan karena kekuatan atau ikatan
interfacial antara matriks dan serat yang kurang besar. 6. Katalis
Katalis ini digunakan untuk membantu proses pengeringan resin dan serat dalam komposit. Waktu yang dibutuhkan resin untuk berubah
menjadi plastik tergantung pada jumlah katalis yang dicampurkan. Semakin banyak katalis yang ditambahkan maka makin cepat pula proses
curing-nya. tetapi apabila pemberian katalis berlebihan maka akan menghasilkan material yang getas ataupun resin bisa terbakar.
Universitas Sumatera Utara
11
2.2 RESIN EPOKSI
Resin epoksi termasuk ke dalam golongan termoset, sehingga dalam pencetakan perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut [13] :
1. Mempunyai penyusutan yang kecil pada pengawetan. 2. Dapat diukur dalam temperatur kamar dalam waktu yang optimal.
3. Memiliki viskositas yang rendah disesuaikan dengan material penyangga. 4. Memiliki kelengketan yang baik dengan material penyangga.
Resin ini berbentuk cairan kental atau hampir padat, yang digunakan untuk material ketika hendak dikeraskan. Hardener untuk sistem curing pada temperatur
ruang dengan resin epoksi pada umumnya adalah senyawa poliamid yang terdiri dari dua atau lebih grup amina. Curing time sistem epoksi bergantung pada
kereaktifan atom hidrogen dalam senyawa amina. Reaksi curing pada sistem resin epoksi secara eksotermis, berarti
dilepaskan sejumlah kalor pada proses curing berlangsung. Laju kecepatan proses curing bergantung pada temperatur ruang. Untuk kenaikan temperatur setiap
10
o
C, maka laju kecepatan curing akan menjadi dua kali lebih cepat, sedangkan untuk penurunan temperaturnya dengan besar yang sama, maka laju kecepatan
curing akan turun menjadi setengah dari laju kecepatan curing sebelumnya. Epoksi memiliki ketahanan korosi yang lebih baik dari pada polyester pada
keadaan basah, namun tidak tahan terhadap asam. Epoksi memiliki sifat mekanik, listrik, kestabilan dimensi dan penahan panas yang baik [13].
Tahapan reaksi curing dari resin epoksi [14], yaitu: 1. Sebuah grup epoksi bereaksi dengan satu
–NH yang terdapat pada amina, dimana setiap grup epoksi dibuka maka satu gugus hidroksil akan dihasilkan.
CH
3
CH
3
NH
2
NH
2
NH
2
NH
2
CH
3
CH
3
N NH
2
NH
2
N H
CH
2
OH OH
CH
2
H
Gambar 2.3 Reaksi Epoksi Tahap 1 [14]
Universitas Sumatera Utara
12 2.
Tahapan selanjutnya adalah proses pengikatan rantai satu sama lainnya atau sambung silang, untuk mencapai hal ini setiap molekul amina akan
mempunyai lebih dari dua gugus –NH, terjadi saling mengikat antara rantai
molekul ini menyebabkan peningkatan viskositas yang cepat.
CH
3
CH
3
CH
3
OH OH
CH
3
N NH
2
NH
2
N H
CH
2
CH
2
H
CH
3
OH OH
CH
3
N NH
2
N H
CH
2
CH
2
CH
2
OH
Gambar 2.4 Reaksi Epoksi Tahap 2 [14]
3. Grup epoksi yang tidak bereaksi dapat berikatan dengan gugus hidroksil
dari rantai yang lain dengan bantuan katalis amina dan panas matahari.
CH
3
CH
3
CH
3
OH OH
CH
3
N NH
2
N H
CH
2
CH
2
CH
2
OH
CH
3
OH O
CH
3
N NH
2
N H
CH
2
CH
2
CH
2
OH
CH
3
CH
3
OH
Gambar 2.5 Reaksi Epoksi Tahap 3 [14]
Universitas Sumatera Utara
13
4. Berikut merupakan struktur epoksi yang sudah mengalami proses curing.
Gambar 2.6 Rumus Struktur Epoksi [14]
2.3 SERAT
