7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit
Orang-orang telah membuat komposit selama ribuan tahun. Salah satu contoh adalah lumpur batu bata. Lumpur dapat dikeringkan menjadi bentuk batu bata yang
dapat digunakan sebagai bahan bangunan. Batu bata ini cukup kuat jika kita mencoba untuk memukulnya memiliki kuat tekan yang baik tapi akan patah dengan cukup
mudah jika kita mencoba untuk menekuknya memiliki kekuatan tarik rendah. Jerami tampaknya sangat kuat jika kita mencoba untuk meregangkan itu, tetapi kita
dapat meremas itu mudah. Dengan mencampurkan lumpur dan jerami bersama-sama adalah mungkin untuk membuat batu bata yang tahan terhadap kedua sifat ini dan
membuat blok bangunan yang sangat baik. [24]. Komposit adalah material yang terdiri dari dua atau lebih bahan yang terpisah
dikombinasikan dalam unit struktural makroskopik yang terbuat dari berbagai kombinasi dari tiga bahan [25]. Dari pencampuran tersebut akan dihasilkan material
komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Material komposit mempunyai sifat yang berbeda dari
material yang umum atau biasa digunakan [26]. Tujuan pembuatan komposit yaitu sebagai berikut [27] :
- Memperbaiki sifat mekanik danatau sifat spesifik tertentu
- Mempermudah design yang sulit pada manufaktur
- Keleluasaan dalam bentukdesign yang dapat menghemat biaya
- Menjadikan bahan lebih ringan
2.2 Konstituen Komposit
Pada prinsipnya, komposit dibentuk berdasarkan kombinasi antara dua atau lebih material seperti bahan logam, organik ataupun nonorganik. Meskipun ada
terdapat kombinasi bahan yang tidak terbatas, tetapi bentuk konstituen lebih terbatas. Bentuk konstituen yang umum digunakan dalam bahan komposit yaitu serat, partikel,
laminae lapisan, serpihan flakes, pengisi, dan matriks. Matriks merupakan konstituen utama yang melindungi dan memberikan bentuk pada komposit. Serat,
Universitas Sumatera Utara
8 partikel, laminae, serpihan, dan pengisi merupakan konstituen struktural. Hal ini
berarti bahwa mereka menentukan struktur internal dari komposit. Secara umum, meskipun tidak selalu konstituen struktural dianggap sebagai fasa tambahan.
Jenis komposit yang paling umum dijumpai adalah jenis dimana konstituen struktural dikelilingi dalam matriks, tetapi ada banyak komposit juga yang tidak
memiliki matriks dan tersusun dari satu atau lebih bentuk konstituen yang merupakan gabungan dua atau lebih bahan. Sebagai contoh istilah sandwich dan laminates
merupakan susunan dari beberapa lapis yang bila digabung akan memberikan bentuk komposit. Banyak barang tenunan tidak memiliki matriks konstituen tetapi terdiri
dari serat dengan sejumlah komposisi dengan atau tanpa ikatan fasa [28].
2.2.1 Matriks
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi
volume terbesar dominan. Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut [27]. :
1. Mentransfer tegangan ke serat.
2. Membentuk ikatan koheren.
3. permukaan matrikserat.
4. Melindungi serat.
5. Memisahkan serat.
6. Melepas ikatan.
7. Tetap stabil setelah proses manufaktur
Berdasarkan jenis matrik yang digunakan komposit dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama yaitu:
1. Komposit matrik logam Metal Matrix CompositesMMC,
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,
titanium, magnesium.
Universitas Sumatera Utara
9 Kelebihan MMC dibandingkan dengan komposit polimer yaitu :
a. Transfer tegangan dan regangan yang baik.
b. Ketahanan terhadap suhu tinggi
c. Tidak menyerap kelembapan.
d. Tidak mudah terbakar.
e. Kekuatan tekan dan geser yang baik.
f. Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik
Kekurangan MMC : a.
Biayanya mahal b.
Standarisasi material dan proses yang sedikit c.
Mempunyai keuletan yang tinggi d.
Mempunyai titik lebur yang rendah e.
Mempunyai densitas yang rendah 2.
Komposit matrik keramik Ceramic Matrix CompositesCMC 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. Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah : a.
Gelas anorganic. b.
Keramik gelas c.
Alumina d.
Silikon Nitrida Keuntungan dari CMC :
a. Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam
b. Sangat tanggung , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron
c. Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus
d. Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi
e. Tahan pada temperatur tinggi
f. Kekuatan ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi
Universitas Sumatera Utara
10 Kerugian dari CMC :
a. Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar b. Relatif mahal dan non-cot effective
c. Hanya untuk aplikasi tertentu 3.
Komposit matrik polimer polymer matrix compositesPMC 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:
a. Sifat-sifat mekanis yang bagus b. Sifat-sifat daya rekat yang bagus
c. Sifat-sifat ketangguhan yang bagus d. Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus sifat-sifat mekanis yang bagus.
Komposit matriks polimer merupakan komposit yang paling sering digunakan karena komposit polimer memiliki beberapa keunggulan yaitu biaya pembuatan lebih
rendah, ketangguhan baik, tahan simpan, siklus pabrikasi dapat dipersingkat, kemampuan mengikuti bentuk, lebih ringan [27]
2.2.1.1 Resin Polyester 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 Tery
lene™, yang tidak bisa mengalami curing dengan cara seperti ini. Oleh karena itu merupakan hal yang biasa untuk menyebut resin poliester tidak
Universitas Sumatera Utara
11 jenuh unsaturated polyester dengan hanya menyebutnya sebagai resin poliester.
Ada dua prinsip dari resin poliester yang digunakan sebagai laminasi dalam industri komposit. Yaitu resin poliester orthopthalic, merupakan resin standar yang
digunakan banyak orang, serta resin poliester isopthalic yang saat ini menjadi material pilihan pada dunia industri seperti industri perkapalan yang membutuhkan
material dengan ketahanan terhadap air yang tinggi [1]. Struktur kimia poliester tak jenuh [29]:
[ −O−C− −C−O−CH
2
− CH
2
−O−C−CH−C−O]
n
Gambar 2.1 Struktur Kimia Poliester Tak Jenuh Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Poliester Tak Jenuh Yukalac BQTN 157 [1]
No Spesifikasi
Satuan Nilai Tipikal
1 Berat Jenis
Grcm
3
1,215 2
Kekerasan -
40 3
Suhu Dispersi Panas
o
C 70
4 Penyerapan Air
Suhu Ruangan 0,188
0,446 5
Kekuatan Flestural 9,4
6 Modulus Flestural
Kgmm
2
300 7
8 9
Daya Rentang Modulus Rentang
Elongasi Kgmm
Kgmm
2
5,5 300
1
2.2.1.2 Katalis Metil Etil Keton Peroksida
Katalis yang digunakan untuk resin polyester ini adalah katalis Methyl Ethyl Keton Peroksida MEKPO dengan bentuk cair, berwarna bening. Fungsi dari katalis
adalah mempercepat proses pengeringan curing pada bahan matriks suatu komposit. Semakin banyak katalis yang dicampurkan pada cairan matriks akan
mempercepat proses laju pengeringan, tetapi akibat mencampurkan katlis terlalu banyak adalah membuat komposit menjadi getas. Penggunaan katalis sebaiknya
diatur berdasarkan kebutuhannya. Pada saat mencampurkan katalis ke dalam matriks maka akan timbul reaksi panas 600-900
o
C. Proses pengerasan resin diberi bahan tambahan yaitu, katalis jenis Methyl Ethyl Keton Peroksida MEKPO, katalis
digunakan untuk mempercepat proses pengerasan cairan resin pada suhu yang lebih tinggi. Pemakaian katalis dibatasi sampai1 dari volum resin [30].
Universitas Sumatera Utara
12 Banyak penelitian yang telah menggunakan bahan poliester tak jenuh sebagai
matriks dan metil etil keton peroksida sebagai katalis dalam pembuatan komposit diantaranya adalah :
1. Sudarsono, 2012, menggunakan resin unsaturated polyester dengan merek
Yukalak R sebagai matriks dan metil etil keton peroksida MEKP sebagai hardener curing agent yang dicampur dengan pengisi bahan kayu sengon
laut dan serat alam jenis rami. Dimana dari hasil penelitian yang dilakukan, didapat nilai tegangan tekuk komposit terbaik sebesar 45,663 MPa, dengan
modulus young 1,244 GPa dan regangan 1,795 . 2.
Kartini, dkk., 2002, menggunakan resin poliester yang bermerek dagang Yukalac tipe 2252 BW-EX dan sebagai pengeringnya digunakan katalis
MEKPO metil etil keton peroksida. Pengisi yang digunakan berupa serat ijuk yang diambil dari pohon enau Arenga pinnata di daerah Sukabumi
dengan diameter 0,1-0,5 mm; serat pisang yang diperoleh dari daerah Bogor dengan ketebalan 2 mm. Dimana dari hasil penelitian yang dilakukan, didapat
nilai kekuatan tarik terbaik sebesar 56,47 MPa dengan nilai kekerasan diperoleh 94,6.
3. Azwar, 2009, menggunakan resin poliester tak jenuh dan katalis MEKPO
sebagai katalis dengan perbandingan fraksi volume pengisi 10, 15 dan 20 . Pengisi yang digunakan adalah serbuk kayu. Dimana dari hasil
penelitian yang dilakukan, didapat bahwa dengan ukuran pengisi 0,40 mm dengan komposisi 10 fraksi volume memiliki sifat mekanik yang paling
baik yaitu 0,0722 kNmm
2
untuk pengisi kayu lunak dan 0,0657 kNmm
2
untuk pengisi kayu keras. 4.
Carli, dkk., 2012, menggunakan fiber glass berjenis E-Glass Woven Roving berupa benang panjang yang dianyam sebagai bahan pengisi dan resin epoksi
dan poliester sebagai bahan perekatnya. Dimana dari hasil penelitian yang dilakukan, didapat bahwa dengan perekat resin epoksi, tegangan tarik rata-
rata sebesar 112,8 MPa, regangan 5,1, modulus elastisitas 2,2 Gpa, tegangan bending rata-rata 119,2 MPa, dan momen bending 2324,97 Nmm.
Sedangkan dengan perekat resin poliester, didapat tegangan tarik rata-rata
Universitas Sumatera Utara
13 118,8 MPa, regangan 9,1, modulus elastisitas 1,3 Gpa, tegangan bending
rata-rata 79,92 MPa, dan momen bending 1540,17 Nmm.
2.2.2 Pengisi
Berdasarkan sifat penguatannya, maka komposit dibagi menjadi dua, yaitu:
Komposit Isotropik Komposit isotropik adalah komposit yang penguatannya memberikan
penguatan yang sama untuk berbagai arah dalam arah transversal maupun longitudinal sehingga segala pengaruh tegangan atau regangan dari luar akan
mempunyai nilai penguatan yang sama. Berikut adalah Gambar 2.4 yang menunjukkan arah penguatan komposit isotropik.
Gambar 2.2 Gambar Komposit Arah Penguatan Isotropik [34]
Komposit Anisotropik Komposit anisotropik adalah komposit yang matriksnya memberikan
penguatan tidak sama terhadap arah yang berbeda, misalnya nilai penguatan untuk arah transversal tidak sama dengan penguatan arah longitudinal. Berikut adalah
Gambar 2.5 yang menunjukkan arah penguatan komposit anisotropik.
Anisotropik
Gambar 2.3 Gambar Komposit Arah Penguatan Anisotropik [34]
Universitas Sumatera Utara
14 Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan bahan komposit. Klasifikasi yang
disebutkan di sini yaitu berdasarkan bentuk konstituen struktural. Hal ini memberikan pembagian lima kelas dari komposit, yaitu [28]:
1. Komposit serat fiber composite, terdiri dari serat dengan atau tanpa matriks.
Komposit serat merupakan jenis komposit yang menggunakan serat sebagai penguat. Serat yang digunakan biasanya berupa serat gelas, serat karbon, serat
aramid dan sebagainya. Serat ini bisa disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman.
Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan,
karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban
maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit.
2. Komposit serpihan flake composite, terdiri dari serpihan datar dengan atau
tanpa matriks. Komposit serpihan terdiri atas serpihan-serpihan yang saling menahan dengan
mengikat permukaan atau dimasukkan ke dalam matriks. Pengertian dari serpihan adalah partikel kecil yang telah ditentukan sebelumnya yang dihasilkan dalam
peralatan yang khusus dengan orientasi serat sejajar permukaannya. Sifat- sifat khusus yang dapat diperoleh dari serpihan adalah bentuknya besar dan datar sehingga
dapat disusun dengan rapat untuk menghasilkan suatu bahan penguat yang tinggi untuk luas penampang lintang tertentu. Pada umumnya serpihan-serpihan saling
tumpang tindih pada suatu komposit sehingga dapat membentuk lintasan fluida ataupun uap yang dapat mengurangi kerusakan mekanis karena penetrasi atau
perembesan. 3.
Komposit partikulat particulate composite, terdiri dari partikel dengan atau tanpa matriks.
Komposit Partikel merupakan komposit yang menggunakan partikel atau serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriks. Komposit
partikel merupakan produk yang dihasilkan dengan menempatkan partikel-partikel dan sekaligus mengikatnya dengan suatu matriks bersama-sama dengan satu atau
Universitas Sumatera Utara
15 lebih unsur-unsur perlakuan seperti panas, tekanan, kelembaban, katalisator dan lain-
lain. Komposit partikel ini berbeda dengan jenis serat acak sehingga bersifat isotropis. Kekuatan komposit serat dipengaruhi oleh tegangan koheren di antara fase
partikel dan matriks yang menunjukkan sambungan yang baik. Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel yaitu kekuatan lebih
seragam pada berbagai arah, dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material dan cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat
adalah dengan menghalangi pergerakan dislokasi. 4.
Komposit berpengisi skeletal filled composite, terdiri dari matriks skeletal kontinu yang diisi dengan material kedua.
Filled composite adalah komposit dengan penambahan material ke dalam matriks dengan struktur tiga dimensi dan biasanya filler juga dalam bentuk tiga
dimensi. 5.
Komposit laminar laminar composite, terdiri dari lapisan konstituen. Komposit Laminar merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau
lebih yang digabungkan menjadi satu dan setiap lapisannya memiliki karakteristik khusus. Komposit laminar ini terdiri dari empat jenis yaitu komposit serat kontinyu,
komposit serat anyam, komposit serat acak dan komposit serat hibrid. Berikut ini adalah Gambar 2.4 yang menunjukkan kelas komposit
Gambar 2.4 Kelas Komposit [28]
FILLED COMPOSITE
FLAKE COMPOSITE
FIBER COMPOSITE
PARTICULATE COMPOSITE
LAMINAR COMPOSITE
Universitas Sumatera Utara
16
2.2.2.1 Kulit Kerang
Pada penelitian ini, jenis pengisi yang digunakan adalah berbentuk serbuk yaitu kulit kerang.
Kerang merupakan nama sekumpulan moluska dwicang kerang daripada famili cardiidae yang merupakan salah satu komoditi perikanan yang telah
lama dibudidayakan sebagai salah satu usaha sampingan masyarakat pesisir. Teknik budidayanya mudah dikerjakan, tidak memerlukan modal yang besar dan dapat dipanen
setelah berumur 6 – 7 bulan. Hasil panen kerang per hektar per tahun dapat mencapai
200 – 300 ton kerang utuh atau sekitar 60 – 100 ton daging kerang [14]
. Cangkang biasanya terdiri dari tiga lapisan, yaitu:
a lapisan luar tipis, hampir berupa kulit dan disebut periostracum, yang melindungi b lapisan kedua yang tebal, terbuat dari kalsium karbonat; dan
c lapisan dalam terdiri dari mother of pearl, dibentuk oleh selaput mantel dalam bentuk lapisan tipis. Lapisan tipis ini yang membuat cangkang menebal saat
hewannya bertambah tua [35]. Adapun klasifikasi kerang darah yang digunakan sebagai pengisi adalah [36]:
Fillum : Mollusca
Kelas : Pelecypoda Lamellibranchiata
Subkelas : Fillibranchiata
Ordo : Eutaxodontida
Super Famili : Arcacea Famili
: Arcidae Subfamili
: Anadarinae Genus
: Anadara Spesies
: Maculosa Berikut ini adalah Gambar 2.5 yang menunjukkan gambar kerang dan serbuknya
Gambar 2.5 Gambar Kerang Darah dan Serbuk Kulit Kerang Darah
Universitas Sumatera Utara
17
Dari gambar 2.5 diatas, dapat dilihat struktur kerang yang terlihat keras dan warna serbuk kulit kerang yang putih keabuan. Hal ini tampak pada Tabel 2.2 yang
menunjukkan komposisi kimia serbuk kulit kerang.
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Serbuk Kulit Kerang [14]
Komponen Kimia Komposisi
CaO 66,70
SiO
2
7,88 Fe
2
O
3
0,03 MgO
22,28 Al
2
O
3
1,25 Dari Tabel 2.2 di atas, dapat dilihat bahwa serbuk kulit kerang mengandung
kalsium oksida CaO dan magnesium oksida MgO yang relatif cukup tinggi dan berpotensi dijadikan sebagai filler komposit untuk meningkatkan sifat mekanik dari
komposit yang akan dihasilkan. Banyak peneliti juga menggunakan kulit kerang sebagai pengisi untuk memperbaiki
sifat komposit diantaranya adalah : 1.
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, dimana dari hasil penelitian didapat rasio pengisi optimal kulit kerang
termodifikasi adalah 15 wt untuk mencapai keseimbangan yang baik antara kekuatan dan ketangguhan dari komposit polipropilen. Penambahan
kulit kerang termodifikasi pada komposit polipropilen menyebabkan peningkatan yang tinggi terhadap kekuatan bentur, elongation at break, dan
kekuatan lentur [20]. 2.
Othman, dkk., 2013, menggunakan kulit kerang abu kulit kerang sebagai bahan pengisi dan pengganti semen pada pembuatan beton, dimana dari hasil
penelitian yang dilakukan secara keseluruhan didapat struktur morfologi beton yang tampak lebih padat adalah 5 dan 10 wt dimana
memengaruhi kekuatan, modulus elastisitas, permeabilitas air dan porositas konkrit [21].
3. Yao, dkk., 2014, menggunakan limbah kulit kerang yang modifikasi dengan
furfural dan asam klorida sebagai pengisi FCS furfural clam shell dan ACS
Universitas Sumatera Utara
18 acid clam shell yang kemudian digunakan dalam polipropilen dan kalsium
karbonat, dimana dari hasil penelitian yang dilakukan, menunjukkan bahwa modifikasi kulit kerang menjadi FCS dapat meningkatkan kompatibilitas dan
afinitas antara partikel FCS dan matriks polipropilen sehingga meningkatkan stabilitas termal komposit tersebut [22].
4. Yusof dan Amalina, 2013, menggunakan pengisi kalsium karbonat dari kulit
kerang yang digunakan dalam polyester tak jenuh UP, dimana dari hasil penelitian yang dilakukan, didapat bahwa untuk pengisi berukuran mikro
yaitu 574,81 µm, modulus lentur meningkat seiring penambahan pengisi ke dalam komposit bermatriks UP [23].
2.3 Papan Partikel Komposit
Papan partikel adalah lembaran hasil pengempaan panas campuran partikel kayu atau bahan berlignoselulosa lainnya dengan perekat organik dan bahan lainnya.
Papan partikel merupakan produk panel yang dihasilkan dengan memanpatkan partikel-partikel kayu sekaligus mengikatnya dengan suatu perekat. Sifat-sifat papan
partikel antara lain penyusutan dianggap tidak ada, keawetan terhadap jamur tinggi karena adanya bahan pengawet, merupakan bahan akustik yang baik dan isolasi
panas yang baik. Selain itu keuntungan dari papan komposit antara lain [37]:
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.
Sifat dan keunggulan dari papan partikel sangat tergantung dari tipe atau jenis dari papan partikel yang dihasilkan. Tipe-tipe papan partikel yang banyak itu sangat
berbeda dalam hal ukuran dan bentuk partikel, jumlah resin perekat yang digunakan dan kerapatan panel yang dihasilkan. Pada penelitian yang akan
dilakukan, akan dihasilkan jenis papan partikel biasa berkerapatan tinggi dengan ketentuan ketebalan ≥ 15 mm.
Universitas Sumatera Utara
19
2.4 Metoda Penyediaan Papan Komposit