Kaji Eksperimental dan Simulasi Ansys 14.5 Perlakuan Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit Serta Pembuatan Komposit Busa Polimer pada Proses Hot Press Menggunakan Alat Uji Tarik
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring dengan inovasi yang dilakukan dalam bidang material, serat alam
dijadikan sebagai bahan penguat komposit. Suatu material komposit pada
umumnya diperkuat oleh serat, dimana serat sangat mempengaruhi dan
menentukan kekuatan dari komposit tersebut. Bahan serat dapat diperoleh dari
bahan alam dan non alam. Serat alam merupakan serat yang diperoleh dari serat
sumber daya alam yang dapat diperbaharui seperti, serat tandan kosong kelapa
sawit (TKKS), serat jerami, serat bamboo, serat pisang, serat kayu dan lain
sebagainya. Sedangkan serat buatan (sintetis) diperoleh dari proses kimia seperti
serat karbon, serat boron, atau serat grafit, serat gelas, serat alumina, serat aramid,
dan serat silicon karbida.
Komposit dari bahan serat (fibrous composite) terus diteliti dan
dikembangkan guna menjadi bahan alternatif baru yang dapat menggantikan
fungsi logam, hal ini
disebabkan sifat dari komposit serat yang kuat dan
mempunyai berat yang lebih ringan dibandingkan dengan logam. Penelitian yang
mengarah pada pengembangan bahan komposit telah banyak dilakukan, terutama
yang berkaitan dengan komposit penguatan serat alam yang berbahan matrik
polimer. Penelitian ini dilakukan seiring dengan majunya eksploitasi penggunaan
bahan alami dalam kehidupan sehari-hari.
Keuntungan mendasar yang dimiliki oleh serat alam adalah jumlahnya
berlimpah, memiliki specific cost yang rendah, dapat diperbarui dan didaur ulang,
serta tidak mencemari lingkungan. Untuk memperoleh sifat mekanik yang tinggi
(kekuatan tarik, tekan, dan lentur maksimum dan modulus elastisitas) maka serat
alam telah diberi bermacam perlakuan yang dapat meningkatkan sifat mekanik
tersebut. Penggunaan serat TKKS sebagai bahan komposit merupakan langkah
yang tepat. Pada penelitian ini digunakan serat TKKS sebagai penguat dari
komposit polimer berbahan dasar busa polimer (polimeric foam).
Universitas Sumatera Utara
Busa polimer (polimeric foam) merupakan jenis polimer berongga (busa)
yang memiliki dua sifat penting, yaitu massa jenis yang rendah dan daya serap
energi yang baik (Wang dan Pan, 2006). Busa polimer biasanya dibuat dari
polyurethane dengan rongga terbuka yang mempunyai massa jenis (ρ) < 1 g/cm3
(Avalle, et al, 2001). Busa polimer dapat mendistribusikan energi yang diterima
melalui dinding-dinding rongga dalam jumlah yang banyak. Pada penelitian ini,
metode
pembentukan
busa
polimer
menggunakan
sistem
tekan
panas
menggunakan mesin hot press. Diawali dengan menuangkan resin dan
reinforcement dengan viskositas yang tinggi ke dalam cetakan pada suhu
pemakaian 75 , kemudian cetakan ditutup dan penekanan terhadap material
komposit tersebut, sehingga terjadi perubahan kimia yang menyebabkan
mengerasnya material komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.
Untuk mengetahui kekuatan dan perilaku mekanik dari polymeric foam
tersebut, tentunya perlu diadakan pengujian lebih lanjut. Adapun metode
pengujian yang akan dilakukan adalah pengujian tarik yang kemudian
disimulasikan dengan metode numerik prangkat lunak ANSYS 14.5 dikomputer.
Simulasi numerik yang dimaksud adalah untuk mendapatkan distribusi tegangan
sebagai perilaku mekanik dari struktur polymeric foam yang diperkuat serat
TKKS pengujian tarik.
Hasil yang diharapkan pada penelitian ini ialah bahan komposit berongga
dengan berat produk relative lebih ringan (low density) dan sifat mekanis yang
lebih baik dibandingkan dengan bentuk komposit polimer padat (compact), serta
bisa diperoleht sifat – sifat mekanis dari bahan tersebut.
1.2 Perumusan Masalah
Pemanfaatan busa polimer (polimeric foam) yang dibuat dari polyurethane
sebagai produk yang mampu menahan beban tarik masih terbatas jumlahnya.
Untuk meningkatkan kekakuan dan kekuatan busa polimer maka di dalam
penelitian ini polyurethane sebagai bahan pembentuk busa diformulasikan dengan
beberapa material tambahan yaitu serat TKKS dan resin termoset. Selain itu Data
respon busa polimer yang diperkuat serat TKKS akibat beban tarik dalam
penelitian terdahulu masih terdapat beberapa kekurangan yakni, pemakaian
Universitas Sumatera Utara
cetakan yang tidak sesuai dengan standar cetakan untuk polimer sehingga data
yang dihasilkan tidak dapat dinilai keabsahannya dan tidak dapat dijadikan tolak
ukur untuk pengujian tarik pada komposit polimer. Agar busa polimer yang
diperkuat serat TKKS dapat direkomendasikan sebagai produk yang dapat
diketahui kemampuannya menahan beban tarik maka respon yang dialami oleh
busa polimer akibat pengujian kekuatan tarik harus diketahui. Oleh karena itu, di
dalam penelitian ini akan dilakukan penyelidikan respon busa polimer yang
diperkuat serat TKKS akibat pengujian kekuatan tarik secara eksperimen serta
disimulasikan dengan metode numerik prangkat lunak ANSYS 14.5 dikomputer.
Sasaran penelitian ini adalah memberikan informasi data respon dan distribusi
tegangan akibat pengujian kekuatan tarik terhadap busa polimer yang diperkuat
serat TKKS sehingga dapat digunakan di dalam aplikasi keteknikan.
1.3 Batasan Masalah
Dalam skripsi ini penulis mengambil batasan untuk memperjelas ruang
lingkup permasalahan. Batasan itu antara lain:
1. Bahan baku yang digunakan adalah serat TKKS, busa polimer
(polimeric foam) dan resin BTQN 157 EX.
2. Proses pencetakan spesimen dengan menggunakan mesin hot press
3. Cetakan yang digunakan sesuai standar ASTM D-638 tipe I
4. Proses pengujian sifat mekanik dilakukan pada mesin Uji Tarik
5. Melakukan simulasi numerik menggunakan software ANSYS 14.5
1.4 Tujuan Penelitian
1.4.1. Tujuan umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk menyelidiki respon
material komposit berbahan busa polimer yang diperkuat serat TKKS melalui
eksperimen dengan melakukan pengujian tarik.
1.4.2. Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah:
Universitas Sumatera Utara
1. Untuk mengetahui proses perlakuan serat tandan kosong kelapa sawit
sampai pembuatan bahan komposit busa polimer pada hot press dan
pengujian menggunakan alat uji tarik.
2. Untuk
mengetahui
massa
jenis
dari
bahan
spesimen
serta
menganalisanya pada 5 variasi kadar persentase NaOH
3. Untuk memperoleh respon tegangan dan regangan pada bahan serta
menganalisa tegangan maksimum, regangan maksimum terhadap 5
variasi kadar persentase NaOH
4. Menghitung besarnya modulus elastisitas bahan pada 5 variasi kadar
persentase NaOH
5. Mendapatkan distribusi tegangan dari simulasi ANSYS 14.5 dan
membandingkan hasil tegangan yang diperoleh dari simulasi ANSYS
14.5 dengan hasil yang diperoleh pada uji eksperimental uji tarik untuk
mendapatkan hasil penelitian yang akurat.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi
kepada pembaca tentang pemilihan dan perbandingan komposisi dari bahan baku
yang digunakan untuk membuat material komposit, sehingga dapat pembaca dapat
mengetahui data respon tegangan dan regangan serta menganalisa batas tegangan
elastis, tegangan maksimum, regangan saat patah, dan kerusakan busa polimer
untuk menghasilkan produk akhir yang sesuai dan juga ramah lingkungan.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 5 bab:
BAB I
: PENDAHULUAN
Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai tugas akhir
yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika
penulisan.
Universitas Sumatera Utara
BAB II
: TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan
pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan
untuk menganalisa persoalan.
BAB III
: METODE PENELITIAN
Berisikan metode dari pengujian Tarik dan.berisi juga spesifikasi
material komposit busa polimer diperkuat serat TKKS
yang
dijadikan studi kasus dan juga mengenai langkah pelayanan serat,
pencampuran bahan, pembuatan spesimen.
BAB IV
: PENGUJIAN DAN ANALISIS PENELITIAN
Berisikan penyajian hasil dan analisis data yang diperoleh dari
pengujian Tarik.
BAB V
: KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan jawaban dari tujuan penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring dengan inovasi yang dilakukan dalam bidang material, serat alam
dijadikan sebagai bahan penguat komposit. Suatu material komposit pada
umumnya diperkuat oleh serat, dimana serat sangat mempengaruhi dan
menentukan kekuatan dari komposit tersebut. Bahan serat dapat diperoleh dari
bahan alam dan non alam. Serat alam merupakan serat yang diperoleh dari serat
sumber daya alam yang dapat diperbaharui seperti, serat tandan kosong kelapa
sawit (TKKS), serat jerami, serat bamboo, serat pisang, serat kayu dan lain
sebagainya. Sedangkan serat buatan (sintetis) diperoleh dari proses kimia seperti
serat karbon, serat boron, atau serat grafit, serat gelas, serat alumina, serat aramid,
dan serat silicon karbida.
Komposit dari bahan serat (fibrous composite) terus diteliti dan
dikembangkan guna menjadi bahan alternatif baru yang dapat menggantikan
fungsi logam, hal ini
disebabkan sifat dari komposit serat yang kuat dan
mempunyai berat yang lebih ringan dibandingkan dengan logam. Penelitian yang
mengarah pada pengembangan bahan komposit telah banyak dilakukan, terutama
yang berkaitan dengan komposit penguatan serat alam yang berbahan matrik
polimer. Penelitian ini dilakukan seiring dengan majunya eksploitasi penggunaan
bahan alami dalam kehidupan sehari-hari.
Keuntungan mendasar yang dimiliki oleh serat alam adalah jumlahnya
berlimpah, memiliki specific cost yang rendah, dapat diperbarui dan didaur ulang,
serta tidak mencemari lingkungan. Untuk memperoleh sifat mekanik yang tinggi
(kekuatan tarik, tekan, dan lentur maksimum dan modulus elastisitas) maka serat
alam telah diberi bermacam perlakuan yang dapat meningkatkan sifat mekanik
tersebut. Penggunaan serat TKKS sebagai bahan komposit merupakan langkah
yang tepat. Pada penelitian ini digunakan serat TKKS sebagai penguat dari
komposit polimer berbahan dasar busa polimer (polimeric foam).
Universitas Sumatera Utara
Busa polimer (polimeric foam) merupakan jenis polimer berongga (busa)
yang memiliki dua sifat penting, yaitu massa jenis yang rendah dan daya serap
energi yang baik (Wang dan Pan, 2006). Busa polimer biasanya dibuat dari
polyurethane dengan rongga terbuka yang mempunyai massa jenis (ρ) < 1 g/cm3
(Avalle, et al, 2001). Busa polimer dapat mendistribusikan energi yang diterima
melalui dinding-dinding rongga dalam jumlah yang banyak. Pada penelitian ini,
metode
pembentukan
busa
polimer
menggunakan
sistem
tekan
panas
menggunakan mesin hot press. Diawali dengan menuangkan resin dan
reinforcement dengan viskositas yang tinggi ke dalam cetakan pada suhu
pemakaian 75 , kemudian cetakan ditutup dan penekanan terhadap material
komposit tersebut, sehingga terjadi perubahan kimia yang menyebabkan
mengerasnya material komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.
Untuk mengetahui kekuatan dan perilaku mekanik dari polymeric foam
tersebut, tentunya perlu diadakan pengujian lebih lanjut. Adapun metode
pengujian yang akan dilakukan adalah pengujian tarik yang kemudian
disimulasikan dengan metode numerik prangkat lunak ANSYS 14.5 dikomputer.
Simulasi numerik yang dimaksud adalah untuk mendapatkan distribusi tegangan
sebagai perilaku mekanik dari struktur polymeric foam yang diperkuat serat
TKKS pengujian tarik.
Hasil yang diharapkan pada penelitian ini ialah bahan komposit berongga
dengan berat produk relative lebih ringan (low density) dan sifat mekanis yang
lebih baik dibandingkan dengan bentuk komposit polimer padat (compact), serta
bisa diperoleht sifat – sifat mekanis dari bahan tersebut.
1.2 Perumusan Masalah
Pemanfaatan busa polimer (polimeric foam) yang dibuat dari polyurethane
sebagai produk yang mampu menahan beban tarik masih terbatas jumlahnya.
Untuk meningkatkan kekakuan dan kekuatan busa polimer maka di dalam
penelitian ini polyurethane sebagai bahan pembentuk busa diformulasikan dengan
beberapa material tambahan yaitu serat TKKS dan resin termoset. Selain itu Data
respon busa polimer yang diperkuat serat TKKS akibat beban tarik dalam
penelitian terdahulu masih terdapat beberapa kekurangan yakni, pemakaian
Universitas Sumatera Utara
cetakan yang tidak sesuai dengan standar cetakan untuk polimer sehingga data
yang dihasilkan tidak dapat dinilai keabsahannya dan tidak dapat dijadikan tolak
ukur untuk pengujian tarik pada komposit polimer. Agar busa polimer yang
diperkuat serat TKKS dapat direkomendasikan sebagai produk yang dapat
diketahui kemampuannya menahan beban tarik maka respon yang dialami oleh
busa polimer akibat pengujian kekuatan tarik harus diketahui. Oleh karena itu, di
dalam penelitian ini akan dilakukan penyelidikan respon busa polimer yang
diperkuat serat TKKS akibat pengujian kekuatan tarik secara eksperimen serta
disimulasikan dengan metode numerik prangkat lunak ANSYS 14.5 dikomputer.
Sasaran penelitian ini adalah memberikan informasi data respon dan distribusi
tegangan akibat pengujian kekuatan tarik terhadap busa polimer yang diperkuat
serat TKKS sehingga dapat digunakan di dalam aplikasi keteknikan.
1.3 Batasan Masalah
Dalam skripsi ini penulis mengambil batasan untuk memperjelas ruang
lingkup permasalahan. Batasan itu antara lain:
1. Bahan baku yang digunakan adalah serat TKKS, busa polimer
(polimeric foam) dan resin BTQN 157 EX.
2. Proses pencetakan spesimen dengan menggunakan mesin hot press
3. Cetakan yang digunakan sesuai standar ASTM D-638 tipe I
4. Proses pengujian sifat mekanik dilakukan pada mesin Uji Tarik
5. Melakukan simulasi numerik menggunakan software ANSYS 14.5
1.4 Tujuan Penelitian
1.4.1. Tujuan umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk menyelidiki respon
material komposit berbahan busa polimer yang diperkuat serat TKKS melalui
eksperimen dengan melakukan pengujian tarik.
1.4.2. Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah:
Universitas Sumatera Utara
1. Untuk mengetahui proses perlakuan serat tandan kosong kelapa sawit
sampai pembuatan bahan komposit busa polimer pada hot press dan
pengujian menggunakan alat uji tarik.
2. Untuk
mengetahui
massa
jenis
dari
bahan
spesimen
serta
menganalisanya pada 5 variasi kadar persentase NaOH
3. Untuk memperoleh respon tegangan dan regangan pada bahan serta
menganalisa tegangan maksimum, regangan maksimum terhadap 5
variasi kadar persentase NaOH
4. Menghitung besarnya modulus elastisitas bahan pada 5 variasi kadar
persentase NaOH
5. Mendapatkan distribusi tegangan dari simulasi ANSYS 14.5 dan
membandingkan hasil tegangan yang diperoleh dari simulasi ANSYS
14.5 dengan hasil yang diperoleh pada uji eksperimental uji tarik untuk
mendapatkan hasil penelitian yang akurat.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi
kepada pembaca tentang pemilihan dan perbandingan komposisi dari bahan baku
yang digunakan untuk membuat material komposit, sehingga dapat pembaca dapat
mengetahui data respon tegangan dan regangan serta menganalisa batas tegangan
elastis, tegangan maksimum, regangan saat patah, dan kerusakan busa polimer
untuk menghasilkan produk akhir yang sesuai dan juga ramah lingkungan.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 5 bab:
BAB I
: PENDAHULUAN
Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai tugas akhir
yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika
penulisan.
Universitas Sumatera Utara
BAB II
: TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan
pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan
untuk menganalisa persoalan.
BAB III
: METODE PENELITIAN
Berisikan metode dari pengujian Tarik dan.berisi juga spesifikasi
material komposit busa polimer diperkuat serat TKKS
yang
dijadikan studi kasus dan juga mengenai langkah pelayanan serat,
pencampuran bahan, pembuatan spesimen.
BAB IV
: PENGUJIAN DAN ANALISIS PENELITIAN
Berisikan penyajian hasil dan analisis data yang diperoleh dari
pengujian Tarik.
BAB V
: KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan jawaban dari tujuan penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara