Pengaruh Perlakuan Alkali (NaOH) Terhadap Sifat Mekanik Komposit Epoksi Berpengisi Partikel Serat Buah Pinang
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 KOMPOSIT
Bahan komposit menunjukkan artian bahwa dua atau lebih material digabung
pada skala makroskopis untuk membentuk material ketiga yang berbeda. Materialmaterial yang berbeda dapat digabung dalam skala mikroskopis seperti memadukan
logam. Bila suatu komposit dirancang dengan baik maka akan memberikan kualitas
yang bagus daripada komponen atau konstituen penyusunnya. Beberapa sifat yang
dapat dikembangkan dengan membentuk bahan komposit yaitu [8]: kekuatan
(strength), kekakuan (stiffness), tahanan korosi (corrosion resistance), tahanan aus
(wear resistance), daya pikat (attractiveness), berat, perioda lelah (fatigue life), sifat
ketergantungan
suhu
(temperature-dependent
behavior),
insulasi
termal,
konduktivitas termal, dan insulasi akustik (acoustical insulation).
Secara umum, tidak semua sifat-sifat di atas dikembangkan pada waktu yang
bersamaan karena dikhawatirkan malah akan mengganggu sifat material itu sendiri
misalnya insulasi termal dan konduktivitas termal. Tujuan pembentukan bahan
komposit itu sendiri yaitu untuk membentuk suatu bahan baru yang memiliki sifat
khusus untuk keperluan tertentu pula.
Bahan
komposit
memiliki
sejarah
penggunaan
yang
sangat
panjang.
Penggunaan komposit untuk pertama sekali tidak diketahui tetapi beberapa sejarah
menunjukkan bahwa bahan komposit telah digunakan. Misalnya penggunaan jerami
untuk meningkatkan kekuatan bata. Plywood yang dapat digunakan sebagai bahan
pengganti kayu karena memiliki kekuatan dan tahanan termal yang baik. Dewasa ini,
bahan komposit matriks-resin dengan penguat serat memiliki perbandingan kekuatan
dan kekakuan terhadap
berat yang sangat tinggi telah menjadi salah satu
permasalahan yang dihadapi dalam industri mobil dan penerbangan [8].
Material komposit merupakan perpaduan dari dua material atau lebih yang
memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki sifat lebih
baik dari kedua material penyusunnya (matriks dan penguat) [9]. Tugas utama
matriks adalah mengikat serat bersama-sama, karena sekumpulan serat tanpa matriks
tidak dapat menahan gaya dalam arah tekan dan transversal. Komposit merupakan
5
Universitas Sumatera Utara
material yang sangat berguna karena berisi susunan dari beberapa material dalam
kekuatan yang tinggi, yang termasuk dalam pembentukan komposit itu. Komposit
berkualitas tinggi adalah komposit yang dapat diberi gaya dari segala arah.
Bahan komposit dapat diklasifikasikan kedalam beberapa jenis, bergantung
pada geometri dan jenis seratnya. Hal ini dapat dimengerti, karena serat merupakan
unsur utama dalam bahan komposit tersebut. Sifat-sifat mekanik bahan komposit,
seperti kekuatan, kekakuan, keliatan dan ketahanan tergantung dari geometri dan
sifat-sifat seratnya.
Secara garis besar, bahan komposit terdiri dari dua macam yaitu bahan
komposit partikel (particulate composite) dan bahan komposit serat (fiber
composite). Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh
matriks. Bentuk partikel ini dapat bermacam-macam, seperti: bulat, kubik, tetragonal
atau bahkan bentuk-bentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi secara rata-rata
berdimensi sama. Sedang bahan komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat
oleh matriks. Bahan komposit serat ini juga terdiri dari dua macam yaitu serat
panjang (continuous fiber) dan serat pendek (short fiber atau whisker) [10].
2.1.1 Bahan Komposit Partikel (Particulate Composite)
Bahan komposit yang bahan penguatnya terdiri dari partikel-partikel disebut
bahan komposit partikel (particulate composite). Partikel, secara definisi adalah
bukan serat, karena tidak mempunyai ukuran panjang. Bahan komposit partikel pada
umumnya lebih lemah dan keliatannya (fracture toughness) lebih rendah dibanding
bahan komposit serat panjang. Tetapi dari segi lain, bahan ini sering lebih unggul,
seperti ketahanan terhadap aus. Partikel – partikel ini umumnya digunakan sebagai
pengisi dan penguat bahan komposit bermatriks keramik (ceramic matrix composite),
pada jenis ini anehnya, keramik digunakan sebagai bahan matriks. Bahan komposit
keramik dan metal banyak digunakan untuk perkakas potong berkecepatan tinggi
(high speed cutting tool), pipa proteksi termokopel dan piranti – piranti lain yang
membutuhkan temperatur tinggi dan tahan aus (abrasi).
6
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Bahan Komposit Serat (Fiber Composite)
Bahan komposit serat adalah jenis bahan komposit yang umum dikenal,
paling banyak dipakai dan dibicarakan. Karena itu pengertian bahan komposit disini
adalah berarti bahan komposit serat. Komposit serat ini juga merupakan jenis
komposit yang hanya terdiri dari satu laminat atau satu lapisan yang menggunakan
penguat berupa serat/fiber. Fiber yang digunakan bisa berupa glass fibers, carbon
fibers, aramid fibers (polyaramid), dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara
acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa dengan bentuk yang lebih
komplek seperti anyaman. Ada dua hal yang membuat serat dapat menahan gaya
dengan efektif, yaitu jika [10]:
a) Perekatan (bonding) antara serat dan matriks sangat baik dan kuat, sehingga
serat tidak mudah lepas dari matriks (debonding).
b) Kelangsungan (aspect ratio), yaitu perbandingan antara panjang dan diameter
serat harus cukup besar. Hal ini disyaratkan agar tegangan geser yang terjadi
pada permukaan antara serat dan matriks kecil. Biasanya disyaratkan agar
kelangsungan
serat
lebih
besar
disbanding
100,
agar
serat
dapat
melaksanakan tugasnya dengan baik.
2.2 EPOKSI
Resin epoksi termasuk ke dalam golongan thermosetting, sehingga dalam
pencetakan perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut:
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 epoksi mengandung struktur epoksi atau oxirene. Resin ini berbentuk
cairan kental atau hampir padat, yang digunakan untuk material ketika hendak
dikeraskan. Resin epoksi jika direaksikan dengan hardener yang akan membentuk
polimer crosslink. 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.
7
Universitas Sumatera Utara
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 daripada polyester pada keadaan basah, namun tidak tahan
terhadap asam. Epoksi memiliki sifat mekanik, listrik, kestabilan dimensi dan
penahan panas yang baik [11].
Adapun spesifikasi dari resin epoksi dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Epoksi [12]
Sifat – sifat
Satuan
Nilai Tipikal
Massa jenis
Gram/cm3
1,17
Kekuatan tarik
Kgf/mm2
5,95
Kekuatan tekan
Kgf/mm2
14
Kekuatan lentur
Kgf/mm2
12
0
Temperatur pencetakan
C
90
2.3 SERAT BUAH PINANG
Sabut dari buah pinang adalah bagian berserat keras yang menutupi bagian
endosperma yang komposisinya 30-45% dari total volume buah. Serat kulit pinang
sebagian besar terdiri dari hemiselulosa dan bahan bukan selulosa. Serat buah pinang
mengandung 13% sampai 24,6% senyawa lignin, 35% sampai 64,8% hemiselulosa,
kandungan abu sebanyak 4,4%, dan sisanya sebanyak 8% sampai 25% kandungan
air. Serat berdampingan dengan lapisan dalam yang merupakan kelompok sel yang
mengalami lignifikasi secara tidak teratur yang disebut serat keras dan lapisanlapisan tengah yang mengandung serat lembut.
8
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Dari Beberapa Serat Alam [13]
Kandungan Lignin
Kandungan Selulosa
Kandungan Hemiselulosa
(%)
(%)
(%)
13-24,6
-
35-64,8
Tongkol Jagung
10-13
38-42
21-23
Sabut Kelapa
40-45
32-43
0,15-0,25
Sisal
10-14
66-72
12
5
63-64
19
Serat
Pinang
Pisang
Tabel diatas membandingkan komposisi serat buah pinang dengan beberapa
serat alam lainnya. Serat buah pinang tinggi akan hemiselulosa dan merupakan serat
yang
mengandung
hemiselulosa
paling
tinggi.
Serat
sabut
kelapa
memiliki
kandungan lignin yang paling besar. Dan sisal memiliki kandungan selulosa paling
tinggi dibandingkan dengan sisal, pisang, dan serat lainnya. Sifat dari serat alami
tergantung pada sifat tanaman, wilayah di mana tanaman itu tumbuh, umur tanaman,
dan metode yang digunakan untuk mengekstraksi serat. Serat pinang merupakan
serat yang keras dan menunjukkan kesamaan dengan sabut kelapa dilihat dari
struktur selular [13].
2.4 ALKALISASI
Alkalisasi pada serat merupakan metode perendaman serat ke dalam basa
alkali. Reaksi berikut menggambarkan proses yang terjadi saat perlakuan alkali pada
serat:
Fiber – OH + NaOH
Fiber-O-Na+ + H2O
Tujuan dari proses alkalisasi adalah menghilangkan komponen penyusun
serat
yang
kurang
efektif
dalam
menentukan
kekuatan
antar
muka
yaitu
hemiselulosa, lignin atau pektin. Dengan berkurangnya hemiselulosa, lignin atau
pektin, wetability serat oleh matriks akan semakin baik, sehingga kekuatan
antarmuka pun akan meningkat. Selain itu, pengurangan hemiselulosa, lignin atau
pektin, akan meningkatkan kekasaran permukaan yang menghasilkan mechanical
interlocking yang lebih baik [14].
9
Universitas Sumatera Utara
2.5 PROSES PABRIKASI KOMPOSIT
Material komposit dapat diproduksi dengan berbagai macam metode proses
pabrikasi. Metode-metode pabrikasi ini disesuaikan dengan jenis matriks penyusun
komposit dan bentuk material komposit yang diinginkan sesuai aplikasi selanjutnya,
antara lain [15]:
2.5.1 Open Molding Process (Pencetakan Terbuka)
1. Handlay-up Process
Proses ini dilakukan dalam kondisi dingin dan dengan memanfaatkan
keterampilan tangan. Serat bahan komposit ditata sedemikian rupa mengikuti
bentuk cetakan, kemudian dituangkan resin sebagai pengikat antara satu
lapisan serat dengan lapisan yang lain. Demikian seterusnya, sehingga sesuai
dengan ukuran dan bentuk yang telah ditentukan. Ada dua cara aplikasi resin
yaitu:
a. Manual Resin Application, proses pengaplikasian antara resin dan
fiber dilakukan secara manual dengan tangan.
b. Mechanical Resin Application, proses pengaplikasian antara resin dan
fiber menggunakan bantuan mesin dan berlangsung secara kontinu.
2. Chopped Laminate Process
Proses ini menggunakan alat pemotong fiber yang biasanya serat panjang
membentuk serat menjadi lebih pendek.
a. Atomized Spray-Up, pada teknik pabrikasinya sistem pada metode ini
tidak kontinu, biasanya digunakan untuk membuat material komposit
dengan ukuran yang lebih kecil.
b. Non Atomized Application, untuk metode ini pada pengaplikasiannya
menggunakan mesin potong fiber, pelaminasi resin dan tekanan dari
roller yang berjalan kontinu. Metode ini lebih menguntungkan bila
digunakan untuk pabrikasi material komposit yang berdimensi besar
mengingat prosesnya yang kontinu.
3. Filament Winding Process
Proses ini melalui metode yang memanfaatkan sistem gulungan benang pada
sebuah sumbu putar. Serat komposit dibuat dalam bentuk benang digulung
pada sebuah mandril yang dibentuk sesuai dengan bentuk rancangan benda
10
Universitas Sumatera Utara
teknik, misalnya berbentuk tabung, kemudian resin yang berfungsi sebagai
matriks dituangkan bersamaan dengan proses penggulungan serat tersebut,
sehingga keduanya merekat dan saling mengikat antara satu lapisan gulungan
dengan
gulungan
berikutnya,
sampai
membentuk
benda
teknik
yang
direncanakan.
2.5.2 Close Molding Process (Pencetakan Tertutup)
1. Compression molding
Metode ini menggunakan cetakan yang ditekan pada tekanan tinggi sampai
mencapai 1000 Psi. Diawali dengan mengalirkan resin dan reinforcement
dengan viskositas yang tinggi ke dalam cetakan dengan suhu 330 - 400o F,
kemudian mold ditutup dan penekanan terhadap material komposit tersebut,
sehingga terjadi perubahan kimia yang menyebabkan mengerasnya material
komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.
2. Pultrusion
Pada metode ini pembentukan material komposit yang menggabungkan
antara resin dan fiber berlangsung secara kontinu. Proses pultrusi digunakan
pada pabrikasi komposit yang berprofil penampang lintang tetap, seperti pada
berbagai macam rods, bar section, ladder side rails, tool handles dan
komponen elektrikal kabel. Reinforcement yang digunakan seperti roving,
mat diletakkan pada tempat yang khusus dengan menggunakan performin
ghapers atau guides untuk membentuk karakteristiknya. Proses penguatan
dilakukan melalui resin bath atau wet out yaitu tempat material diselubungi
dengan cairan resin. Adanya panas akan mengaktifkan sistem curing
sehingga akan mengubah fasa resin menjadi padat.
3. Resin Transfer Molding (RTM)
Pada proses ini resin ditransfer atau diinjeksikan ke dalam suatu tempat yang
berisi fiberglass reinforcement. Metode ini termasuk closed mold process
dimana reinforcement diletakkan di antara dua permukaan cetakan yang
terdiri dari dua bagian yang satu disebut bagian female dan yang lainnya
disebut male. Pasangan cetakan tersebut lalu ditutup, diberi klem, lalu resin
termoset berviskositas rendah diinjeksikan pada tekanan 50 - 100 psi ke
11
Universitas Sumatera Utara
dalam lubang cetakan melalui port injeksi. Resin diinjeksikan sampai
memenuhi seluruh rongga cetakan hingga meresap dan membasahi seluruh
material reinforcement.
4. Vacuum Bag Molding
Metode ini merupakan pengembangan metode close mold yang bertujuan
untuk meningkatkan sifat mekanik dengan cara meminimalisasi jumlah udara
yang
terperangkap
dalam
proses
pembuatannya.
Selain
itu
dengan
berkurangnya tekanan di dalam vacuum bag molding maka tekanan udara
atmosferik dari luar akan digunakan sebagai gaya untuk menghilangkan
kelebihan resin yang ada dalam laminasi sehingga menghasilkan kandungan
fiber reinforcement yang tinggi. Bentuk cetakan yang digunakan disesuaikan
dengan bentuk produk yang ingin dibuat.
5. Wet Lay-Up
Metode ini reinforcement digabungkan dengan menggunakan tangan seperti
metode hand lay-up untuk kemudian ditaruh ke dalam cetakan vacuum bag
untuk
mempercepat
proses
laminasi
dan
menghilangkan
udara
yang
terperangkap yang dapat menimbulkan adanya void dalam produk komposit
yang dicetak.
6. Prepreg
Metode ini merupakan metode advance dalam pembuatan komposit dengan
adanya pemanasan atau cetakan yang diletakan pada autoclave setelah
campuran komposit dimasukkan. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan gaya
tekan dari luar. Teknik menggunakan prepreg-vacuum bag-autoclave banyak
dimanfaatkan untuk pembuatan peralatan pesawat terbang dan perlengkapan
militer.
7. Vacuum Infusion Processing
Metode ini adalah variasi dari vacuum bag molding dimana resin yang
dituang dalam ruang hampa masuk ke dalam cetakan dan membentuk
laminasi. Pada metode ini tekanan dalam rongga cetakan lebih rendah
dibandingkan tekanan atmosferik udara. Setelah cetakan dipenuhi resin
kemudian dilapisi dengan fiber reinforcement dapat menggunakan tangan
yang disebut dengan istilah lay-up dry, kemudian resin diinfusikan kembali
12
Universitas Sumatera Utara
ke dalam cetakan untuk menyempurnakan sistem laminasi komposit sehingga
tidak terdapat ruang untuk kelebihan resin. Rasio resin yang sangat tinggi
terhadap fiber glass yang digunakan memungkinkan penggunaan metode
vacuum infusion yang menghasilkan sifat mekanik sistem laminasi yang
sangat baik. Vacuum Infusion Processing dapat digunakan untuk pencetakan
dengan struktur yang besar dan tidak dianjurkan untuk proses dengan volume
yang rendah.
Pada penelitian ini, digunakan metode Open Molding Process dengan metode
Handlay-up Process. Metode ini digunakan karena komposit yang akan dicetak
memerlukan keterampilan tangan untuk mencetaknya sesuai dengan bentuk cetakan
dari masing- masing uji yang akan dilakukan.
2.6 PENGUJIAN KOMPOSIT
2.6.1 Karakteristik Fourier Transform-Infra Red (FT-IR)
Spektrofotometer infra merah terutama ditujukan untuk senyawa organik
yaitu menentukan gugus fungsional yang dimiliki senyawa tersebut. Pola pada
daerah sidik jadi sangat berbeda satu dengan yang lain, karenanya hal ini dapat
digunakan untuk mengidentifikasi senyawa tersebut. Penetapan secara kualitatif
dapat dilakukan dengan membandingkan tinggi peak (transmitansi) pada panjang
gelombang tertentu yang dihasilkan oleh zat yang diuji dan zat yang standar. Dalam
ilmu material analisa ini digunakan untuk mengetahui ada tidaknya reaksi atau
interaksi antara bahan-bahan yang dicampurkan. Selain itu, nilai intensitas gugus
yang terdeteksi dapat menentukan jumlah bahan yang bereaksi atau yang terkandung
dalam suatu campuran [16].
2.6.2 Pengujian Kekuatan Tarik (Tensile Strength) ASTM D 638
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan
mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik.
Pengujian kekuatan tarik dilakukan
dengan tensometer terhadap tiap spesimen dengan ketebalan 4 mm. Tensometer
terlebih dahulu dikondisikan pada beban 100 kgf dengan kecepatan 50 mm/menit,
kemudian dijepit kuat dengan penjepit yang ada dialat. Mesin dihidupkan dan
13
Universitas Sumatera Utara
spesimen akan tertarik ke atas spesimen diamati sampai putus, dicatat tegangan
maksimum dan regangannya.
Dengan melakukan uji tarik kita mengetahui bagaimana bahan tersebut
bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material bertambah
panjang. Bila kita terus menarik suatu bahan sampai putus, kita akan mendapatkan
profil tarikan yang lengkap berupa kurva. Kurva ini menunjukkan hubungan antara
gaya tarikan dengan perubahan panjang.
Gambar 2.1 Uji Tarik ASTM D 638 [17]
Adapun yang menjadi perhatian dalam gambar tersebut adalah kemampuan
maksimum bahan dalam menahan beban.
Kemampuan ini umumnya disebut
Ultimate Tensile Strength disingkat dengan UTS. Untuk semua bahan, pada tahap
sangat awal uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding
lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Dengan mengikuti aturan Hooke,
yaitu rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan.
Pengujian dilakukan sampai sampel uji patah, maka pada saat yang sama
diamati pertambahan panjang yang dialami sampel uji. Kekuatan tarik atau tekan
diukur
dari
besarnya
beban
maksimum
(F maks)
yang
digunakan
untuk
memutuskan/mematahkan spesimen bahan dengan luas awal A0 . Hasil pengujian
adalah grafik beban versus perpanjangan (elongation) [17].
14
Universitas Sumatera Utara
Enginering Stess (σ) :
(2.1)
dimana :
Fmaks = Beban yang diberikan terhadap penampang spesimen (N)
A0
= Luas penampang awal spesimen sebelum diberikan pembebanan (m2 )
= Enginering Stress (N/m2 )
Enginering Strain ( ):
(2.2)
dimana :
= Enginering Strain
l0
= Panjang mula-mula spesimen sebelum pembebanan
Δl
= Pertambahan panjang
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan:
(2.3)
dimana :
E
= Modulus Elastisitas atau Modulus Young (N/m2 )
= Enginering Stress (N/m-2 )
= Enginering Strain
2.6.3 Pengujian Kekuatan Lentur (Bending Strength) ASTM D 790
Spesimen yang akan diuji kekuatan lenturnya memiliki bentuk slab dan
pengujian dilakukan dengan perlakuan uji tiga titik tekuk (three point bend test).
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya kekuatan lentur dari material
komposit. Pengujian dilakukan dengan jalan memberi beban lentur secara perlahanlahan sampai spesimen mencapai titik lelah. Pada perlakuan uji bending bagian atas
spesimen mengalami proses penekanan dan bagian bawah mengalami proses tarik
15
Universitas Sumatera Utara
sehingga akibatnya spesimen mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu
menahan tegangan tarik. Dimensi balok dapat kita lihat pada gambar berikut ini [18]:
Gambar 2.2 Penampang Uji Bengkok [18]
Momen bending
yang terjadi pada komposit dapat dihitung dengan
persamaan :
(2.4)
Menentukan kekuatan bending menggunakan persamaan [18]:
(2.5)
Sedangkan untuk menentukan modulus elastisitas bending menggunakan
rumus sebagai berikut [15] :
(2.6)
dimana:
M
b
= momen bending
= kekuatan bending (MPa)
P
= beban yang diberikan (N)
L
= jarak antara titik tumpuan (mm)
b
= lebar spesimen (mm)
d
= tebal spesimen (mm)
= defleksi (mm)
Eb
= modulus elastisitas (MPa)
Sedangkan kekakuan dapat dicari dengan persamaan [18]:
(2.7)
16
Universitas Sumatera Utara
(2.8)
dimana :
D : kekakuan (N/mm2 )
E : modulus elastisitas (N/mm2 )
I : momen inersia (mm4 )
b : lebar (mm)
d : tinggi (mm)
2.6.4 Pengujian Kekuatan Bentur (Impact Strength) ASTM D 4812-11
Pengujian impact bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap
suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impact merupakan respon
terhadap beban kejut atau beban tiba-tiba (beban impact) [19].
Pengujian ini biasanya mengikuti dua metode yaitu metode Charpy dan Izod
yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan impak, yang kadang juga disebut
seabgai ketangguhan ketok (notch toughness). Untuk metode Charpy dan Izod,
spesimen berupa dalam bentuk persegi dimana terdapat bentuk V-notch (Gambar
2.3).
Gambar 2.3 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan Izod [20]
Spesimen Charpy berbentuk batang dengan penampang lintang bujur sangkar
dengan takikan V oleh proses permesinan (gambar 2.4a). Mesin pengujian impact
diperlihatkan secara skematik dengan (gambar 2.4b). Beban didapatkan dari
tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari posisi ketinggian h. Spesimen
diposisikan pada dasar seperti pada (gambar 2.4b) tersebut. Ketika dilepas, ujung
17
Universitas Sumatera Utara
pisau pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen ditakikannya
yang bekerja sebagai titik konsentrasi tegangan untuk pukulan impact kecepatan
tinggi.
Palu
pendulum akan
melanjutkan
ayunan
untuk
mencapai ketinggian
maksimum h’ yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap dihitung dari perbedaan
h’ dan h (mgh –mgh’), adalah ukuran dari energi impact. Posisi simpangan lengan
pendulum terhadap garis vertikal sebelum dibenturkan adalah α dan posisi lengan
pendulum terhadap garis vertikal setelah membentur spesimen adalah β. Dengan
mengetahui besarnya energi potensial yang diserap oleh material maka kekuatan
impact benda uji dapat dihitung [19].
Eserap = energi awal – energi yang tersisa
= m.g.h – m.g.h’
= m.g.(R – R.cos α) – m.g.(R – R.cos β)
Esrp
= m.g.R.(cos β – cos α)
(2.9)
dimana :
Esrp
: energi serap (J)
m
: berat pendulum (kg) = 20 kg
g
: percepatan gravitasi (m/s2) = 10 m/s2
R
: panjang lengan (m) = 0,8 m
α
: sudut pendulum sebelum diayunkan = 30o
β
: sudut ayunan pendulum setelah mematahkan spesimen
Harga impact dapat dihitung dengan :
(2.10)
dimana :
HI : Harga Impact (J/mm2 )
Esrp : energi serap (J)
Ao : Luas penampang (mm2 )
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Peralatan Uji Bentur
(a) Spesimen yang digunakan untuk uji bentur, (b) Skematik peralatan uji bentur [19]
Keretakan akibat uji bentur ada tiga bentuk, yaitu [18]:
1. Patahan getas
Permukaan patahan terlihat rata dan mengkilap, kalau potongan-potongannya
kita
sambungkan
lagi,
ternyata
keretakannya
tidak
disertai
dengan
deformasinya bahan. Patahan jenis ini mempunyai harga impact yang rendah.
2. Patahan liat
Permukaan patahan ini tidak rata, nampak seperti buram dan berserat, tipe ini
mempunyai harga impact yang tinggi.
3. Patahan campuran
Patahan yang terjadi merupakan campuran dari patahan getas dan patahan
liat. Patahan ini paling banyak terjadi.
Semakin besar posisi sudut β akan semakin getas, demikian sebaliknya.
Artinya pada material getas, energi untuk mematahkan material cenderung semakin
kecil, demikian sebaliknya [19].
19
Universitas Sumatera Utara
2.6.5 Analisa Penyerapan Air (Water Absorption) ASTM D 570
Penyerapan air (water-absorption) dalam komposit merupakan kemampuan
komposit
dalam
menyerap uap air dalam waktu tertentu. Penyerapan air pada
komposit merupakan salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit
di luar ruangan. Semua komposit polimer akan menyerap air jika berada di
udara lembab atau ketika polimer tersebut dicelupkan di dalam air.
Penyerapan air
pada komposit berpenguat serat alami memiliki beberapa pengaruh yang merugikan
dalam sifatnya dan mempengaruhi kemampuannya dalam jangka
waktu yang lama
juga penurunan secara perlahan dari ikatan interface komposit serta menurunkan
sifat mekanis komposit seperti kekuatan tariknya. Penurunan ikatan antarmuka
komposit menyebabkan penurunan sifat mekanis komposit tersebut. Karena itu,
pengaruh
dari penyerapan air
sangat
vital
untuk penggunaan
komposit
berpenguat serat alami di lingkungan terbuka [21].
2.6.6 Analisa Scanning Electron Microscopy (SEM)
Electron Microscopy (EM) adalah salah satu teknik yang digunakan untuk
karakterisasi material komposit. Dua teknik utama EM dibedakan menjadi Scanning
Electron Microscopy (SEM) dan Transmission Electron Microscopy (TEM). SEM
merupakan metode yang tepat untuk mengkarakterisasi material komposit dengan
batas maksimum resolusi mikroskop elektron 10 nm. Metode mikroskopi dapat
secara cepat menunjukkan ukuran nominal dan bentuk serat. Permukaan spesimen
yang akan diuji, di-scan dengan pancaran berkas elektron dan pantulan dari elektron
ditangkap, kemudian ditampilkan diatas tabung sinar katoda. Bayangan yang tampak
diatas layer menampilkan gambaran permukaan dari spesimen [22].
2.7 APLIKASI DAN KEGUNAAN PRODUK KOMPOSIT
Penggunaan serat alam (organik) seperti serat buah pinang memiliki potensi
untuk digunakan sebagai pengganti fiberglass, serat karbon, ataupun pengisi lainnya
pada material komposit diperkuat serat. Potensi serat alam ini didukung oleh
beberapa keunggulan serat organik, antara lain : densitas yang rendah,
ramah
lingkungan, biodegradable, ketersediaan yang melimpah, ketangguhan yang tinggi,
proses penyiapan yang relatif mudah, harga bahan baku yang relatif murah, dan
20
Universitas Sumatera Utara
mengurangi konsumsi energi pabrikasi [23]. Dari Tabel 2.3 dapat dilihat bahwa
beberapa serat alam seperti kayu dan flax memiliki harga yang jauh lebih murah
dibandingkan serat gelas [24].
Tabel 2.3 Perbandingan Harga antara Serat Alam dan Serat Sintetik [24]
Serat
Kayu
Flax
Gelas
Serat Buah Pinang*
*Untuk penelitian ini
Harga
$/m3
420
600
4850
50
Spesifik Graviti
kg/m3
1600
1500
2600
1250
Harga
$/kg
0,26
0,40
1,87
0,04
Produk material komposit sudah digunakan sejak lama di bidang industri
otomotif. Bahan ini dapat digunakan dalam sektor aksesoris otomotif, beberapa
diantaranya kaca spion, pengisi jok mobil, bamper mobil, dashboard dll. Dalam
proses pabrikasi aksesoris tersebut biasanya menggunakan metode hand lay up [24].
Dalam penelitian
ini,
komposit
epoksi berpengisi serat buah pinang
diaplikasikan dalam pembuatan aksesoris eksterior mobil, yaitu cover kaca spion
mobil.
(a)
(b)
Gambar 2.5 Cover Kaca Spion Mobil Dari Komposit Epoksi
(a) Tampak Depan (b) Tampak Belakang
21
Universitas Sumatera Utara
2.8
ANALISIS BIAYA
Dalam penelitian ini, dilakukan suatu analisis biaya terhadap pembuatan
komposit epoksi berpengisi serat buah pinang. Rincian biaya diberikan dalam Tabel
2.4 berikut.
Tabel 2.4 Rincian Biaya Pembuatan Komposit Epoksi Berpengisi Serat Buah Pinang
Bahan dan Peralatan
Resin Epoksi dan Hardener
Lilin Cetakan (Malam)
Serat buah pinang
Plastik Transparan
Analisa Fourier Transform
Infra-Red (FTIR)
Analisa Sifat Mekanik
Analisa Scanning Electron
Microscopy (SEM)
Total
Jumlah
1 kg
4 buah
1 kg
10 lembar
3 sampel
Harga (Rp)
Rp 92.500/kg
Rp 5.000/buah
Rp 500/kg
Rp 500/lembar
Rp 75.000/sampel
117 sampel
2 sampel
Rp 30.000/sampel
Rp 175.000/sampel
Total (Rp)
92.500,20.000,500,5.000,225.000,3.510.000,350.000,4.203.000,-
Dari rincian biaya yang telah dilakukan di atas maka total biaya yang
diperlukan untuk membuat komposit epoksi-serat buah pinang yaitu sebesar Rp
4.203.000,-.
Produk yang akan dihasilkan dari komposit epoksi berpengisi serat buah
pinang yaitu cover kaca spion mobil. Adapun dimensi cover spion mobil yang akan
diproduksi, yaitu :
Panjang
= 20 cm
Lebar
= 13 cm
Tebal
= 5 mm
Volume resin epoksi dan hardener yang diperlukan untuk membuat 1 unit cover kaca
spion adalah : v = p × l × t = 20 × 13 × 0,5 = 130 cm3 .
22
Universitas Sumatera Utara
Adapun perkiraan biaya pembuatan 1 set produk (cover spion mobil sebelah
kanan dan kiri) antara lain :
Tabel 2.5 Perkiraan Rincian Biaya Pembuatan Produk
Bahan dan Peralatan
Resin Epoksi dan Hardener
Serat daun nanas
Cetakan
Biaya Analisa Produk
Biaya Tambahan
Total
Jumlah yang
diperlukan
184 gram
130 gram
2 buah
3 sampel
-
Biaya Total (Rp)
17.000,100,14.000,100.000,20.000,Rp 151.100,-
Total biaya yang diperkirakan untuk membuat 1 set produk (cover kaca spion
mobil sebelah kanan dan kiri) yaitu sebesar Rp 151.100,-. Harga produk sejenis di
pasaran memiliki rentang harga Rp 125.000,- s/d Rp 250.000,-. Oleh karena itu,
produk ini memiliki potensi untuk dipasarkan dan bersaing dengan produk lainnya
yang sejenis.
23
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 KOMPOSIT
Bahan komposit menunjukkan artian bahwa dua atau lebih material digabung
pada skala makroskopis untuk membentuk material ketiga yang berbeda. Materialmaterial yang berbeda dapat digabung dalam skala mikroskopis seperti memadukan
logam. Bila suatu komposit dirancang dengan baik maka akan memberikan kualitas
yang bagus daripada komponen atau konstituen penyusunnya. Beberapa sifat yang
dapat dikembangkan dengan membentuk bahan komposit yaitu [8]: kekuatan
(strength), kekakuan (stiffness), tahanan korosi (corrosion resistance), tahanan aus
(wear resistance), daya pikat (attractiveness), berat, perioda lelah (fatigue life), sifat
ketergantungan
suhu
(temperature-dependent
behavior),
insulasi
termal,
konduktivitas termal, dan insulasi akustik (acoustical insulation).
Secara umum, tidak semua sifat-sifat di atas dikembangkan pada waktu yang
bersamaan karena dikhawatirkan malah akan mengganggu sifat material itu sendiri
misalnya insulasi termal dan konduktivitas termal. Tujuan pembentukan bahan
komposit itu sendiri yaitu untuk membentuk suatu bahan baru yang memiliki sifat
khusus untuk keperluan tertentu pula.
Bahan
komposit
memiliki
sejarah
penggunaan
yang
sangat
panjang.
Penggunaan komposit untuk pertama sekali tidak diketahui tetapi beberapa sejarah
menunjukkan bahwa bahan komposit telah digunakan. Misalnya penggunaan jerami
untuk meningkatkan kekuatan bata. Plywood yang dapat digunakan sebagai bahan
pengganti kayu karena memiliki kekuatan dan tahanan termal yang baik. Dewasa ini,
bahan komposit matriks-resin dengan penguat serat memiliki perbandingan kekuatan
dan kekakuan terhadap
berat yang sangat tinggi telah menjadi salah satu
permasalahan yang dihadapi dalam industri mobil dan penerbangan [8].
Material komposit merupakan perpaduan dari dua material atau lebih yang
memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki sifat lebih
baik dari kedua material penyusunnya (matriks dan penguat) [9]. Tugas utama
matriks adalah mengikat serat bersama-sama, karena sekumpulan serat tanpa matriks
tidak dapat menahan gaya dalam arah tekan dan transversal. Komposit merupakan
5
Universitas Sumatera Utara
material yang sangat berguna karena berisi susunan dari beberapa material dalam
kekuatan yang tinggi, yang termasuk dalam pembentukan komposit itu. Komposit
berkualitas tinggi adalah komposit yang dapat diberi gaya dari segala arah.
Bahan komposit dapat diklasifikasikan kedalam beberapa jenis, bergantung
pada geometri dan jenis seratnya. Hal ini dapat dimengerti, karena serat merupakan
unsur utama dalam bahan komposit tersebut. Sifat-sifat mekanik bahan komposit,
seperti kekuatan, kekakuan, keliatan dan ketahanan tergantung dari geometri dan
sifat-sifat seratnya.
Secara garis besar, bahan komposit terdiri dari dua macam yaitu bahan
komposit partikel (particulate composite) dan bahan komposit serat (fiber
composite). Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh
matriks. Bentuk partikel ini dapat bermacam-macam, seperti: bulat, kubik, tetragonal
atau bahkan bentuk-bentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi secara rata-rata
berdimensi sama. Sedang bahan komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat
oleh matriks. Bahan komposit serat ini juga terdiri dari dua macam yaitu serat
panjang (continuous fiber) dan serat pendek (short fiber atau whisker) [10].
2.1.1 Bahan Komposit Partikel (Particulate Composite)
Bahan komposit yang bahan penguatnya terdiri dari partikel-partikel disebut
bahan komposit partikel (particulate composite). Partikel, secara definisi adalah
bukan serat, karena tidak mempunyai ukuran panjang. Bahan komposit partikel pada
umumnya lebih lemah dan keliatannya (fracture toughness) lebih rendah dibanding
bahan komposit serat panjang. Tetapi dari segi lain, bahan ini sering lebih unggul,
seperti ketahanan terhadap aus. Partikel – partikel ini umumnya digunakan sebagai
pengisi dan penguat bahan komposit bermatriks keramik (ceramic matrix composite),
pada jenis ini anehnya, keramik digunakan sebagai bahan matriks. Bahan komposit
keramik dan metal banyak digunakan untuk perkakas potong berkecepatan tinggi
(high speed cutting tool), pipa proteksi termokopel dan piranti – piranti lain yang
membutuhkan temperatur tinggi dan tahan aus (abrasi).
6
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Bahan Komposit Serat (Fiber Composite)
Bahan komposit serat adalah jenis bahan komposit yang umum dikenal,
paling banyak dipakai dan dibicarakan. Karena itu pengertian bahan komposit disini
adalah berarti bahan komposit serat. Komposit serat ini juga merupakan jenis
komposit yang hanya terdiri dari satu laminat atau satu lapisan yang menggunakan
penguat berupa serat/fiber. Fiber yang digunakan bisa berupa glass fibers, carbon
fibers, aramid fibers (polyaramid), dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara
acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa dengan bentuk yang lebih
komplek seperti anyaman. Ada dua hal yang membuat serat dapat menahan gaya
dengan efektif, yaitu jika [10]:
a) Perekatan (bonding) antara serat dan matriks sangat baik dan kuat, sehingga
serat tidak mudah lepas dari matriks (debonding).
b) Kelangsungan (aspect ratio), yaitu perbandingan antara panjang dan diameter
serat harus cukup besar. Hal ini disyaratkan agar tegangan geser yang terjadi
pada permukaan antara serat dan matriks kecil. Biasanya disyaratkan agar
kelangsungan
serat
lebih
besar
disbanding
100,
agar
serat
dapat
melaksanakan tugasnya dengan baik.
2.2 EPOKSI
Resin epoksi termasuk ke dalam golongan thermosetting, sehingga dalam
pencetakan perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut:
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 epoksi mengandung struktur epoksi atau oxirene. Resin ini berbentuk
cairan kental atau hampir padat, yang digunakan untuk material ketika hendak
dikeraskan. Resin epoksi jika direaksikan dengan hardener yang akan membentuk
polimer crosslink. 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.
7
Universitas Sumatera Utara
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 daripada polyester pada keadaan basah, namun tidak tahan
terhadap asam. Epoksi memiliki sifat mekanik, listrik, kestabilan dimensi dan
penahan panas yang baik [11].
Adapun spesifikasi dari resin epoksi dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 2.1 Spesifikasi Resin Epoksi [12]
Sifat – sifat
Satuan
Nilai Tipikal
Massa jenis
Gram/cm3
1,17
Kekuatan tarik
Kgf/mm2
5,95
Kekuatan tekan
Kgf/mm2
14
Kekuatan lentur
Kgf/mm2
12
0
Temperatur pencetakan
C
90
2.3 SERAT BUAH PINANG
Sabut dari buah pinang adalah bagian berserat keras yang menutupi bagian
endosperma yang komposisinya 30-45% dari total volume buah. Serat kulit pinang
sebagian besar terdiri dari hemiselulosa dan bahan bukan selulosa. Serat buah pinang
mengandung 13% sampai 24,6% senyawa lignin, 35% sampai 64,8% hemiselulosa,
kandungan abu sebanyak 4,4%, dan sisanya sebanyak 8% sampai 25% kandungan
air. Serat berdampingan dengan lapisan dalam yang merupakan kelompok sel yang
mengalami lignifikasi secara tidak teratur yang disebut serat keras dan lapisanlapisan tengah yang mengandung serat lembut.
8
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Dari Beberapa Serat Alam [13]
Kandungan Lignin
Kandungan Selulosa
Kandungan Hemiselulosa
(%)
(%)
(%)
13-24,6
-
35-64,8
Tongkol Jagung
10-13
38-42
21-23
Sabut Kelapa
40-45
32-43
0,15-0,25
Sisal
10-14
66-72
12
5
63-64
19
Serat
Pinang
Pisang
Tabel diatas membandingkan komposisi serat buah pinang dengan beberapa
serat alam lainnya. Serat buah pinang tinggi akan hemiselulosa dan merupakan serat
yang
mengandung
hemiselulosa
paling
tinggi.
Serat
sabut
kelapa
memiliki
kandungan lignin yang paling besar. Dan sisal memiliki kandungan selulosa paling
tinggi dibandingkan dengan sisal, pisang, dan serat lainnya. Sifat dari serat alami
tergantung pada sifat tanaman, wilayah di mana tanaman itu tumbuh, umur tanaman,
dan metode yang digunakan untuk mengekstraksi serat. Serat pinang merupakan
serat yang keras dan menunjukkan kesamaan dengan sabut kelapa dilihat dari
struktur selular [13].
2.4 ALKALISASI
Alkalisasi pada serat merupakan metode perendaman serat ke dalam basa
alkali. Reaksi berikut menggambarkan proses yang terjadi saat perlakuan alkali pada
serat:
Fiber – OH + NaOH
Fiber-O-Na+ + H2O
Tujuan dari proses alkalisasi adalah menghilangkan komponen penyusun
serat
yang
kurang
efektif
dalam
menentukan
kekuatan
antar
muka
yaitu
hemiselulosa, lignin atau pektin. Dengan berkurangnya hemiselulosa, lignin atau
pektin, wetability serat oleh matriks akan semakin baik, sehingga kekuatan
antarmuka pun akan meningkat. Selain itu, pengurangan hemiselulosa, lignin atau
pektin, akan meningkatkan kekasaran permukaan yang menghasilkan mechanical
interlocking yang lebih baik [14].
9
Universitas Sumatera Utara
2.5 PROSES PABRIKASI KOMPOSIT
Material komposit dapat diproduksi dengan berbagai macam metode proses
pabrikasi. Metode-metode pabrikasi ini disesuaikan dengan jenis matriks penyusun
komposit dan bentuk material komposit yang diinginkan sesuai aplikasi selanjutnya,
antara lain [15]:
2.5.1 Open Molding Process (Pencetakan Terbuka)
1. Handlay-up Process
Proses ini dilakukan dalam kondisi dingin dan dengan memanfaatkan
keterampilan tangan. Serat bahan komposit ditata sedemikian rupa mengikuti
bentuk cetakan, kemudian dituangkan resin sebagai pengikat antara satu
lapisan serat dengan lapisan yang lain. Demikian seterusnya, sehingga sesuai
dengan ukuran dan bentuk yang telah ditentukan. Ada dua cara aplikasi resin
yaitu:
a. Manual Resin Application, proses pengaplikasian antara resin dan
fiber dilakukan secara manual dengan tangan.
b. Mechanical Resin Application, proses pengaplikasian antara resin dan
fiber menggunakan bantuan mesin dan berlangsung secara kontinu.
2. Chopped Laminate Process
Proses ini menggunakan alat pemotong fiber yang biasanya serat panjang
membentuk serat menjadi lebih pendek.
a. Atomized Spray-Up, pada teknik pabrikasinya sistem pada metode ini
tidak kontinu, biasanya digunakan untuk membuat material komposit
dengan ukuran yang lebih kecil.
b. Non Atomized Application, untuk metode ini pada pengaplikasiannya
menggunakan mesin potong fiber, pelaminasi resin dan tekanan dari
roller yang berjalan kontinu. Metode ini lebih menguntungkan bila
digunakan untuk pabrikasi material komposit yang berdimensi besar
mengingat prosesnya yang kontinu.
3. Filament Winding Process
Proses ini melalui metode yang memanfaatkan sistem gulungan benang pada
sebuah sumbu putar. Serat komposit dibuat dalam bentuk benang digulung
pada sebuah mandril yang dibentuk sesuai dengan bentuk rancangan benda
10
Universitas Sumatera Utara
teknik, misalnya berbentuk tabung, kemudian resin yang berfungsi sebagai
matriks dituangkan bersamaan dengan proses penggulungan serat tersebut,
sehingga keduanya merekat dan saling mengikat antara satu lapisan gulungan
dengan
gulungan
berikutnya,
sampai
membentuk
benda
teknik
yang
direncanakan.
2.5.2 Close Molding Process (Pencetakan Tertutup)
1. Compression molding
Metode ini menggunakan cetakan yang ditekan pada tekanan tinggi sampai
mencapai 1000 Psi. Diawali dengan mengalirkan resin dan reinforcement
dengan viskositas yang tinggi ke dalam cetakan dengan suhu 330 - 400o F,
kemudian mold ditutup dan penekanan terhadap material komposit tersebut,
sehingga terjadi perubahan kimia yang menyebabkan mengerasnya material
komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.
2. Pultrusion
Pada metode ini pembentukan material komposit yang menggabungkan
antara resin dan fiber berlangsung secara kontinu. Proses pultrusi digunakan
pada pabrikasi komposit yang berprofil penampang lintang tetap, seperti pada
berbagai macam rods, bar section, ladder side rails, tool handles dan
komponen elektrikal kabel. Reinforcement yang digunakan seperti roving,
mat diletakkan pada tempat yang khusus dengan menggunakan performin
ghapers atau guides untuk membentuk karakteristiknya. Proses penguatan
dilakukan melalui resin bath atau wet out yaitu tempat material diselubungi
dengan cairan resin. Adanya panas akan mengaktifkan sistem curing
sehingga akan mengubah fasa resin menjadi padat.
3. Resin Transfer Molding (RTM)
Pada proses ini resin ditransfer atau diinjeksikan ke dalam suatu tempat yang
berisi fiberglass reinforcement. Metode ini termasuk closed mold process
dimana reinforcement diletakkan di antara dua permukaan cetakan yang
terdiri dari dua bagian yang satu disebut bagian female dan yang lainnya
disebut male. Pasangan cetakan tersebut lalu ditutup, diberi klem, lalu resin
termoset berviskositas rendah diinjeksikan pada tekanan 50 - 100 psi ke
11
Universitas Sumatera Utara
dalam lubang cetakan melalui port injeksi. Resin diinjeksikan sampai
memenuhi seluruh rongga cetakan hingga meresap dan membasahi seluruh
material reinforcement.
4. Vacuum Bag Molding
Metode ini merupakan pengembangan metode close mold yang bertujuan
untuk meningkatkan sifat mekanik dengan cara meminimalisasi jumlah udara
yang
terperangkap
dalam
proses
pembuatannya.
Selain
itu
dengan
berkurangnya tekanan di dalam vacuum bag molding maka tekanan udara
atmosferik dari luar akan digunakan sebagai gaya untuk menghilangkan
kelebihan resin yang ada dalam laminasi sehingga menghasilkan kandungan
fiber reinforcement yang tinggi. Bentuk cetakan yang digunakan disesuaikan
dengan bentuk produk yang ingin dibuat.
5. Wet Lay-Up
Metode ini reinforcement digabungkan dengan menggunakan tangan seperti
metode hand lay-up untuk kemudian ditaruh ke dalam cetakan vacuum bag
untuk
mempercepat
proses
laminasi
dan
menghilangkan
udara
yang
terperangkap yang dapat menimbulkan adanya void dalam produk komposit
yang dicetak.
6. Prepreg
Metode ini merupakan metode advance dalam pembuatan komposit dengan
adanya pemanasan atau cetakan yang diletakan pada autoclave setelah
campuran komposit dimasukkan. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan gaya
tekan dari luar. Teknik menggunakan prepreg-vacuum bag-autoclave banyak
dimanfaatkan untuk pembuatan peralatan pesawat terbang dan perlengkapan
militer.
7. Vacuum Infusion Processing
Metode ini adalah variasi dari vacuum bag molding dimana resin yang
dituang dalam ruang hampa masuk ke dalam cetakan dan membentuk
laminasi. Pada metode ini tekanan dalam rongga cetakan lebih rendah
dibandingkan tekanan atmosferik udara. Setelah cetakan dipenuhi resin
kemudian dilapisi dengan fiber reinforcement dapat menggunakan tangan
yang disebut dengan istilah lay-up dry, kemudian resin diinfusikan kembali
12
Universitas Sumatera Utara
ke dalam cetakan untuk menyempurnakan sistem laminasi komposit sehingga
tidak terdapat ruang untuk kelebihan resin. Rasio resin yang sangat tinggi
terhadap fiber glass yang digunakan memungkinkan penggunaan metode
vacuum infusion yang menghasilkan sifat mekanik sistem laminasi yang
sangat baik. Vacuum Infusion Processing dapat digunakan untuk pencetakan
dengan struktur yang besar dan tidak dianjurkan untuk proses dengan volume
yang rendah.
Pada penelitian ini, digunakan metode Open Molding Process dengan metode
Handlay-up Process. Metode ini digunakan karena komposit yang akan dicetak
memerlukan keterampilan tangan untuk mencetaknya sesuai dengan bentuk cetakan
dari masing- masing uji yang akan dilakukan.
2.6 PENGUJIAN KOMPOSIT
2.6.1 Karakteristik Fourier Transform-Infra Red (FT-IR)
Spektrofotometer infra merah terutama ditujukan untuk senyawa organik
yaitu menentukan gugus fungsional yang dimiliki senyawa tersebut. Pola pada
daerah sidik jadi sangat berbeda satu dengan yang lain, karenanya hal ini dapat
digunakan untuk mengidentifikasi senyawa tersebut. Penetapan secara kualitatif
dapat dilakukan dengan membandingkan tinggi peak (transmitansi) pada panjang
gelombang tertentu yang dihasilkan oleh zat yang diuji dan zat yang standar. Dalam
ilmu material analisa ini digunakan untuk mengetahui ada tidaknya reaksi atau
interaksi antara bahan-bahan yang dicampurkan. Selain itu, nilai intensitas gugus
yang terdeteksi dapat menentukan jumlah bahan yang bereaksi atau yang terkandung
dalam suatu campuran [16].
2.6.2 Pengujian Kekuatan Tarik (Tensile Strength) ASTM D 638
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan
mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik.
Pengujian kekuatan tarik dilakukan
dengan tensometer terhadap tiap spesimen dengan ketebalan 4 mm. Tensometer
terlebih dahulu dikondisikan pada beban 100 kgf dengan kecepatan 50 mm/menit,
kemudian dijepit kuat dengan penjepit yang ada dialat. Mesin dihidupkan dan
13
Universitas Sumatera Utara
spesimen akan tertarik ke atas spesimen diamati sampai putus, dicatat tegangan
maksimum dan regangannya.
Dengan melakukan uji tarik kita mengetahui bagaimana bahan tersebut
bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material bertambah
panjang. Bila kita terus menarik suatu bahan sampai putus, kita akan mendapatkan
profil tarikan yang lengkap berupa kurva. Kurva ini menunjukkan hubungan antara
gaya tarikan dengan perubahan panjang.
Gambar 2.1 Uji Tarik ASTM D 638 [17]
Adapun yang menjadi perhatian dalam gambar tersebut adalah kemampuan
maksimum bahan dalam menahan beban.
Kemampuan ini umumnya disebut
Ultimate Tensile Strength disingkat dengan UTS. Untuk semua bahan, pada tahap
sangat awal uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding
lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Dengan mengikuti aturan Hooke,
yaitu rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan.
Pengujian dilakukan sampai sampel uji patah, maka pada saat yang sama
diamati pertambahan panjang yang dialami sampel uji. Kekuatan tarik atau tekan
diukur
dari
besarnya
beban
maksimum
(F maks)
yang
digunakan
untuk
memutuskan/mematahkan spesimen bahan dengan luas awal A0 . Hasil pengujian
adalah grafik beban versus perpanjangan (elongation) [17].
14
Universitas Sumatera Utara
Enginering Stess (σ) :
(2.1)
dimana :
Fmaks = Beban yang diberikan terhadap penampang spesimen (N)
A0
= Luas penampang awal spesimen sebelum diberikan pembebanan (m2 )
= Enginering Stress (N/m2 )
Enginering Strain ( ):
(2.2)
dimana :
= Enginering Strain
l0
= Panjang mula-mula spesimen sebelum pembebanan
Δl
= Pertambahan panjang
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan:
(2.3)
dimana :
E
= Modulus Elastisitas atau Modulus Young (N/m2 )
= Enginering Stress (N/m-2 )
= Enginering Strain
2.6.3 Pengujian Kekuatan Lentur (Bending Strength) ASTM D 790
Spesimen yang akan diuji kekuatan lenturnya memiliki bentuk slab dan
pengujian dilakukan dengan perlakuan uji tiga titik tekuk (three point bend test).
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya kekuatan lentur dari material
komposit. Pengujian dilakukan dengan jalan memberi beban lentur secara perlahanlahan sampai spesimen mencapai titik lelah. Pada perlakuan uji bending bagian atas
spesimen mengalami proses penekanan dan bagian bawah mengalami proses tarik
15
Universitas Sumatera Utara
sehingga akibatnya spesimen mengalami patah bagian bawah karena tidak mampu
menahan tegangan tarik. Dimensi balok dapat kita lihat pada gambar berikut ini [18]:
Gambar 2.2 Penampang Uji Bengkok [18]
Momen bending
yang terjadi pada komposit dapat dihitung dengan
persamaan :
(2.4)
Menentukan kekuatan bending menggunakan persamaan [18]:
(2.5)
Sedangkan untuk menentukan modulus elastisitas bending menggunakan
rumus sebagai berikut [15] :
(2.6)
dimana:
M
b
= momen bending
= kekuatan bending (MPa)
P
= beban yang diberikan (N)
L
= jarak antara titik tumpuan (mm)
b
= lebar spesimen (mm)
d
= tebal spesimen (mm)
= defleksi (mm)
Eb
= modulus elastisitas (MPa)
Sedangkan kekakuan dapat dicari dengan persamaan [18]:
(2.7)
16
Universitas Sumatera Utara
(2.8)
dimana :
D : kekakuan (N/mm2 )
E : modulus elastisitas (N/mm2 )
I : momen inersia (mm4 )
b : lebar (mm)
d : tinggi (mm)
2.6.4 Pengujian Kekuatan Bentur (Impact Strength) ASTM D 4812-11
Pengujian impact bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap
suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impact merupakan respon
terhadap beban kejut atau beban tiba-tiba (beban impact) [19].
Pengujian ini biasanya mengikuti dua metode yaitu metode Charpy dan Izod
yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan impak, yang kadang juga disebut
seabgai ketangguhan ketok (notch toughness). Untuk metode Charpy dan Izod,
spesimen berupa dalam bentuk persegi dimana terdapat bentuk V-notch (Gambar
2.3).
Gambar 2.3 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan Izod [20]
Spesimen Charpy berbentuk batang dengan penampang lintang bujur sangkar
dengan takikan V oleh proses permesinan (gambar 2.4a). Mesin pengujian impact
diperlihatkan secara skematik dengan (gambar 2.4b). Beban didapatkan dari
tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari posisi ketinggian h. Spesimen
diposisikan pada dasar seperti pada (gambar 2.4b) tersebut. Ketika dilepas, ujung
17
Universitas Sumatera Utara
pisau pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen ditakikannya
yang bekerja sebagai titik konsentrasi tegangan untuk pukulan impact kecepatan
tinggi.
Palu
pendulum akan
melanjutkan
ayunan
untuk
mencapai ketinggian
maksimum h’ yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap dihitung dari perbedaan
h’ dan h (mgh –mgh’), adalah ukuran dari energi impact. Posisi simpangan lengan
pendulum terhadap garis vertikal sebelum dibenturkan adalah α dan posisi lengan
pendulum terhadap garis vertikal setelah membentur spesimen adalah β. Dengan
mengetahui besarnya energi potensial yang diserap oleh material maka kekuatan
impact benda uji dapat dihitung [19].
Eserap = energi awal – energi yang tersisa
= m.g.h – m.g.h’
= m.g.(R – R.cos α) – m.g.(R – R.cos β)
Esrp
= m.g.R.(cos β – cos α)
(2.9)
dimana :
Esrp
: energi serap (J)
m
: berat pendulum (kg) = 20 kg
g
: percepatan gravitasi (m/s2) = 10 m/s2
R
: panjang lengan (m) = 0,8 m
α
: sudut pendulum sebelum diayunkan = 30o
β
: sudut ayunan pendulum setelah mematahkan spesimen
Harga impact dapat dihitung dengan :
(2.10)
dimana :
HI : Harga Impact (J/mm2 )
Esrp : energi serap (J)
Ao : Luas penampang (mm2 )
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Peralatan Uji Bentur
(a) Spesimen yang digunakan untuk uji bentur, (b) Skematik peralatan uji bentur [19]
Keretakan akibat uji bentur ada tiga bentuk, yaitu [18]:
1. Patahan getas
Permukaan patahan terlihat rata dan mengkilap, kalau potongan-potongannya
kita
sambungkan
lagi,
ternyata
keretakannya
tidak
disertai
dengan
deformasinya bahan. Patahan jenis ini mempunyai harga impact yang rendah.
2. Patahan liat
Permukaan patahan ini tidak rata, nampak seperti buram dan berserat, tipe ini
mempunyai harga impact yang tinggi.
3. Patahan campuran
Patahan yang terjadi merupakan campuran dari patahan getas dan patahan
liat. Patahan ini paling banyak terjadi.
Semakin besar posisi sudut β akan semakin getas, demikian sebaliknya.
Artinya pada material getas, energi untuk mematahkan material cenderung semakin
kecil, demikian sebaliknya [19].
19
Universitas Sumatera Utara
2.6.5 Analisa Penyerapan Air (Water Absorption) ASTM D 570
Penyerapan air (water-absorption) dalam komposit merupakan kemampuan
komposit
dalam
menyerap uap air dalam waktu tertentu. Penyerapan air pada
komposit merupakan salah satu masalah terutama dalam penggunaan komposit
di luar ruangan. Semua komposit polimer akan menyerap air jika berada di
udara lembab atau ketika polimer tersebut dicelupkan di dalam air.
Penyerapan air
pada komposit berpenguat serat alami memiliki beberapa pengaruh yang merugikan
dalam sifatnya dan mempengaruhi kemampuannya dalam jangka
waktu yang lama
juga penurunan secara perlahan dari ikatan interface komposit serta menurunkan
sifat mekanis komposit seperti kekuatan tariknya. Penurunan ikatan antarmuka
komposit menyebabkan penurunan sifat mekanis komposit tersebut. Karena itu,
pengaruh
dari penyerapan air
sangat
vital
untuk penggunaan
komposit
berpenguat serat alami di lingkungan terbuka [21].
2.6.6 Analisa Scanning Electron Microscopy (SEM)
Electron Microscopy (EM) adalah salah satu teknik yang digunakan untuk
karakterisasi material komposit. Dua teknik utama EM dibedakan menjadi Scanning
Electron Microscopy (SEM) dan Transmission Electron Microscopy (TEM). SEM
merupakan metode yang tepat untuk mengkarakterisasi material komposit dengan
batas maksimum resolusi mikroskop elektron 10 nm. Metode mikroskopi dapat
secara cepat menunjukkan ukuran nominal dan bentuk serat. Permukaan spesimen
yang akan diuji, di-scan dengan pancaran berkas elektron dan pantulan dari elektron
ditangkap, kemudian ditampilkan diatas tabung sinar katoda. Bayangan yang tampak
diatas layer menampilkan gambaran permukaan dari spesimen [22].
2.7 APLIKASI DAN KEGUNAAN PRODUK KOMPOSIT
Penggunaan serat alam (organik) seperti serat buah pinang memiliki potensi
untuk digunakan sebagai pengganti fiberglass, serat karbon, ataupun pengisi lainnya
pada material komposit diperkuat serat. Potensi serat alam ini didukung oleh
beberapa keunggulan serat organik, antara lain : densitas yang rendah,
ramah
lingkungan, biodegradable, ketersediaan yang melimpah, ketangguhan yang tinggi,
proses penyiapan yang relatif mudah, harga bahan baku yang relatif murah, dan
20
Universitas Sumatera Utara
mengurangi konsumsi energi pabrikasi [23]. Dari Tabel 2.3 dapat dilihat bahwa
beberapa serat alam seperti kayu dan flax memiliki harga yang jauh lebih murah
dibandingkan serat gelas [24].
Tabel 2.3 Perbandingan Harga antara Serat Alam dan Serat Sintetik [24]
Serat
Kayu
Flax
Gelas
Serat Buah Pinang*
*Untuk penelitian ini
Harga
$/m3
420
600
4850
50
Spesifik Graviti
kg/m3
1600
1500
2600
1250
Harga
$/kg
0,26
0,40
1,87
0,04
Produk material komposit sudah digunakan sejak lama di bidang industri
otomotif. Bahan ini dapat digunakan dalam sektor aksesoris otomotif, beberapa
diantaranya kaca spion, pengisi jok mobil, bamper mobil, dashboard dll. Dalam
proses pabrikasi aksesoris tersebut biasanya menggunakan metode hand lay up [24].
Dalam penelitian
ini,
komposit
epoksi berpengisi serat buah pinang
diaplikasikan dalam pembuatan aksesoris eksterior mobil, yaitu cover kaca spion
mobil.
(a)
(b)
Gambar 2.5 Cover Kaca Spion Mobil Dari Komposit Epoksi
(a) Tampak Depan (b) Tampak Belakang
21
Universitas Sumatera Utara
2.8
ANALISIS BIAYA
Dalam penelitian ini, dilakukan suatu analisis biaya terhadap pembuatan
komposit epoksi berpengisi serat buah pinang. Rincian biaya diberikan dalam Tabel
2.4 berikut.
Tabel 2.4 Rincian Biaya Pembuatan Komposit Epoksi Berpengisi Serat Buah Pinang
Bahan dan Peralatan
Resin Epoksi dan Hardener
Lilin Cetakan (Malam)
Serat buah pinang
Plastik Transparan
Analisa Fourier Transform
Infra-Red (FTIR)
Analisa Sifat Mekanik
Analisa Scanning Electron
Microscopy (SEM)
Total
Jumlah
1 kg
4 buah
1 kg
10 lembar
3 sampel
Harga (Rp)
Rp 92.500/kg
Rp 5.000/buah
Rp 500/kg
Rp 500/lembar
Rp 75.000/sampel
117 sampel
2 sampel
Rp 30.000/sampel
Rp 175.000/sampel
Total (Rp)
92.500,20.000,500,5.000,225.000,3.510.000,350.000,4.203.000,-
Dari rincian biaya yang telah dilakukan di atas maka total biaya yang
diperlukan untuk membuat komposit epoksi-serat buah pinang yaitu sebesar Rp
4.203.000,-.
Produk yang akan dihasilkan dari komposit epoksi berpengisi serat buah
pinang yaitu cover kaca spion mobil. Adapun dimensi cover spion mobil yang akan
diproduksi, yaitu :
Panjang
= 20 cm
Lebar
= 13 cm
Tebal
= 5 mm
Volume resin epoksi dan hardener yang diperlukan untuk membuat 1 unit cover kaca
spion adalah : v = p × l × t = 20 × 13 × 0,5 = 130 cm3 .
22
Universitas Sumatera Utara
Adapun perkiraan biaya pembuatan 1 set produk (cover spion mobil sebelah
kanan dan kiri) antara lain :
Tabel 2.5 Perkiraan Rincian Biaya Pembuatan Produk
Bahan dan Peralatan
Resin Epoksi dan Hardener
Serat daun nanas
Cetakan
Biaya Analisa Produk
Biaya Tambahan
Total
Jumlah yang
diperlukan
184 gram
130 gram
2 buah
3 sampel
-
Biaya Total (Rp)
17.000,100,14.000,100.000,20.000,Rp 151.100,-
Total biaya yang diperkirakan untuk membuat 1 set produk (cover kaca spion
mobil sebelah kanan dan kiri) yaitu sebesar Rp 151.100,-. Harga produk sejenis di
pasaran memiliki rentang harga Rp 125.000,- s/d Rp 250.000,-. Oleh karena itu,
produk ini memiliki potensi untuk dipasarkan dan bersaing dengan produk lainnya
yang sejenis.
23
Universitas Sumatera Utara