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
KAJI EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI MATERIAL KOMPOSIT
BUSA POLIMER YANG DIPERKUAT SERAT TKKS
HASIL PROSES HOT PRESS
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan UntukMelengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ENDA PRANANTA GINTING
NIM. 120421025
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan yang Maha Esa, atas berkah
dan karuniaNya serta nikmat kesehatan yang diberikanNya sehingga penulis dapat
menyelesaikan Skripsi ini dengan sebaik-baiknya.
Skripsi berjudul “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”, disusun untuk memperoleh
gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih yang teristimewa
kepada Ayah saya (Stensi Ginting) yang telah berpulang ke rumah Tuhan di surga
dan Ibu saya (Asmidar S. Tarigan) serta sanak keluarga saya tercinta yang sudah
banyak berdoa dan memberikan dukungannya dan dana kepada saya dalam
menyelesaikan studi saya di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Terimakasih saya ucapkan juga kepada, Bapak Ir.
Syahrul Abda, M.Sc sebagai dosen pembimbing skripsi yang telah banyak
memberikan bimbingan dan saran – saran kepada penulis sejak awal penelitian
sampai dengan selesainya penulisan skripsi ini. Ucapan terimakasih juga
disampaikan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan
Fakultas Teknik USU, beserta segenap staf dan jajarannya. Ucapan terimakasih
disampaikan kepada Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penghargaan juga disampaikan
kepada Bapak dan ibu dosen beserta seluruh staf Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Ucapan terimakasih saya sampaikan
kepada rekan satu tim Firdaus Ginting dan Pardiansah Hasibuan yang telah sama
– sama bekerja mulai dari penelitian sampai dengan selesainya penulisan skripsi
ini. Ucapan terimakasih juga disampaikan kepada rekan rekan mahasiswa Teknik
Mesin serta kepada teman spesial saya Juliana Sinaga yang telah banyak
memberikan dorongan dan motivasinya. Penulis telah berupaya dengan
Universitas Sumatera Utara
semaksimal mungkin dalam penyelesaian skripsi ini,namun penulis menyadari
masih banyak kekurangan dan kelemahan baik dari segi isi maupun tata bahasa,
untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari
pembaca demi sempurnanya skripsi ini. Kiranya isi skripsi ini bermanfaat dalam
memperkaya khasanah ilmu pengetahuan.
Medan, 28 Desember 2015
Penulis,
Enda Prananta Ginting
Nim : 120421025
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Seiring dengan inovasi yang dilakukan dalam bidang material, serat alam
dijadikan sebagai bahan penguat komposit, dimana serat sangat mempengaruhi
dan menentukan kekuatan dari komposit. Kajian eksperimen ini melaporkan
proses perlakuan serat tandan kosong kelapa sawit dan pembuatan spesimen
komposit polymeric foam (busa polimer) pada proses mesin hot press diikuti uji
tarik. Permasalahan, bahwa sifat dari komposit diperkuat serat memiliki berat
yang ringan dan relatif kuat. Pemakaian blowing agent membuat material ini
menjadi lebih ringan lagi. Sebagai penguat penelitian ini menngunakan serat alam
yang didapat dari pengolahan serat TKKS. Tujuan kajian ini untuk mengetahui
karekteristik dari massa jenis, tegangan, regangan, dan modulus elastisitas. Matrik
Poliuretan dbuat dari campuran antara poliol, isosianat, resin BTQN 157 Ex, serta
katalis MEKPO. Proses perlakuan serat dimulai dari persiapan tandan kosong
kelapa
sawit,penumbukan
serat,
perendaman
serat,
pengeringan
serat,
penimbangan serat pasca pengeringan serta pencacahan serat. Bentuk spesimen uji
dibuat berbentuk persegi panjang sesuai standar ASTM D-638. Jumlah spesimen
uji 25 buah yang dibuat dalam 5 variasi perendaman serat pada persentase larutan
NaOH, dimana setiap variasi terdiri dari 5 spesimen. Uji mekanik dilakukan
menggunakan metoda uji tarik pada mesin uji servo pulser. Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa untuk variasi, massa jenis rata - rata ( ) maximum 1,06
gr/
dan minimum 0,93 gr/
, tegangan rata - rata ( ) maksimum 15,3941
MPa dan minimum 13,421 MPa, regangan rata – rata maksimum 0,0279 dan
minimum 0,0222, modulus elastisitas rata – rata (E) maksimum 611,6615 MPa
dan minimum 484,8661 MPa. Hasil karekteristik komposit busa polimer berbeda
beda, hal ini memberi informasi bahwa proses pencampuran yang tidak merata
yang mempengaruhi hasil yang tidak merata.
Kata kunci : Perlakuan serat TKKS, komposit busa polimer, mesin hot press,
larutan NaOH, uji tarik
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Along the innovations of the field of materials, natural fibers are used as
reinforcement materials composite which are the fibers greatly affect and
determine the strength of the composite. This experimental study reported the
empty fruit bunches of oil palm fiber’s treatment process and manufacture of
polymeric foam composite spesimens in the process of hot press machine
followed by a tensile test. The issues, that characteristic of composites reinforced
fibers has a light weight and relatively strong. Using blowing agent makes the
materials become lighter again. As a reinforcement of this study is using the
natural fiber obtained from the processing of oil palm empty fruit bunch fiber. The
purpose of this study are to determine the characteristic of density, stress, strain,
and modulus elasticity. Polyurethane matrix are made by mixture of polyol,
icocyanate, resin BTQN 157 Ex and MEKPO catalyst. Fiber treatment process
starts from the preparating the oil palm empty fruit bunches, pulverizating the
fiber, soaking the fiber, drying the fiber, weighing the fiber after drying and
enumerating the fiber. Form the test specimens were made according to the
standard rectangular ASTM D-638. Number of test specimens 25 pieces that made
in 5 variants on the fiber immersion percentage of NaOH solution, with each
variants consists of 5 specimens. Mechanical test carried out by using the method
of tensile test on a test machine servo pulser. The results obtained show that for
variants in the density of the average maximum 1,06 gr/
gr/
and minimum 0,93
, average stress maximum 15,3941 MPa and minimum 13,421 MPa, strain
the average maximum 0,0279 and minimum 0,0222, the modulus elastcty of the
average maximum 611,6615 MPa and minimum 484,8661 MPa. Characteristics of
the polymeric foam composite result is different, it informs that the process of
mixing uneven affecting uneven results.
Key Word : Treatment of oil palm fiber, polymeric foam composite, hot press
machine, NaOH solution, tensile test
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...........................................................................
i
ABSTRAK .............................................................................................
iii
ABSTRACT ...........................................................................................
iv
DAFTAR ISI ..........................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR .............................................................................
viii
DAFTAR TABEL ..................................................................................
xi
DAFTAR SIMBOL ................................................................................
xiii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ....................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah .............................................................
2
1.3 Batasan Masalah ..................................................................
3
1.4 Tujuan Penelitian .................................................................
3
1.4.1 Tujuan Umum …………………………………… .
3
1.4.2 Tujuan Khusus …………………………………........
3
1.5 Manfaat Penelitian ...............................................................
4
1.6 Sistematika Penulisan ..........................................................
4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Komposit ...............................................................
6
2.2 Matriks ................................................................................
7
2.3 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ....................................
8
2.4 Busa Polimer .......................................................................
11
2.5 Pencetakan Sistem Tekan Panas .........................................
13
2.6 Sifat – Sifat Material ...........................................................
14
2.7 Uji Tarik ..............................................................................
17
2.7.1 Kekuatan Tarik ..........................................................
20
2.7.2 Deformasi ..................................................................
20
2.7.3 Kekuatan Luluh .........................................................
21
2.8 Simulasi Numerik ................................................................
21
Universitas Sumatera Utara
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu ..............................................................
23
3.2 Alat dan Bahan ....................................................................
23
3.2.1 Alat .............................................................................
23
3.2.2 Bahan ..........................................................................
27
3.3 Proses Pembuatan Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ......
32
3.3.1 Proses Pereduksian Ukuran Janjang ............................
32
3.3.2 Proses Perlakuan Serat TKKS ....................................
33
3.3.3 Pencacahan Serat TKKS ............................................
44
3.4 Proses Pembuatan Spesimen Uji Tarik ...............................
45
3.4.1 Persiapan Cetakan Spesimen Uji Tarik ......................
45
3.4.2 Proses Pencetakan Spesimen Uji Tarik ......................
46
3.5 Pengujian Mengukur Massa Jenis .......................................
49
3.6 Pengujian Tarik ...................................................................
50
3.7 Simulasi Numerik ................................................................
53
3.8 Diagram Alir Penelitian ......................................................
58
BAB 4 Hasil Dan Pembahasan
4.1 Hasil ....................................................................................
61
4.1.1 Pembuatan Spesimen Uji Tarik ..................................
61
4.1.2 Pengujian Massa Jenis ................................................
62
4.1.3 Hasil Pengujian Tarik ... ..............................................
67
4.1.4 Analisa Modulus Elastisitas .......................................
123
4.1.5 Hasil Simulasi Numerik .............................................
126
4.2 Pembahasan …………………………………... .................
133
4.2.1 Hubungan Massa Jenis Rata – rata dengan NaOH .....
133
4.2.2 Hubungan Tegangan Rata – rata dengan NaOH ........
135
4.2.3 Hubungan Regangan Rata – rata dengan NaOH .........
137
4.2.4 Hubungan Modulus Elastisitas Rata – ratadengan
NaOH ..........................................................................
138
Universitas Sumatera Utara
4.2.5 Perbandingan Hasil Eksperimen dan Simulasi
Ansys 14.5 ..................................................................
140
4.2.6 Respon Pengujian Tarik ............................................
140
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ........................................................................
150
5.2 Saran ..................................................................................
151
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit ....
6
Gambar 2.2. Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) ........................... ..
11
Gambar 2.3. Jenis Material Berongga .....................................................
12
Gambar 2.4. Mesin Hot Press .................................................................
14
Gambar 2.5. Gaya Tarik terhadap Pertambahan Panjang .......................
17
Gambar 2.6. Kurva Tegangan dan Regangan Hasil Uji Tarik ................
19
Gambar 2.7. Kurva tegangan-regangan untuk polimer a) getas (brittle);
b) plastis; dan c) elastomer (highly elastic) .......................
20
Gambar 2.8. Grafik deformasi tegangan-regangan ...................................
21
Gambar 3.1. Mesin Pencacah ..................................................................
23
Gambar 3.2. Neraca Digital ...................................................................
24
Gambar 3.3. Cetakan uji tarik .................................................................
25
Gambar 3.4. Alas dan tutup cetakan ......................................................
25
Gambar 3.5. Mesin Hot Press .................................................................
26
Gambar 3.6. Alat Pendukung ..................................................................
27
Gambar 3.7. Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ...................................
28
Gambar 3.8. Resin BTQN 157 EX .........................................................
28
Gambar 3.9. (a) Polyol ; (b) Isosianate ...................................................
29
Gambar 3.10. Katalis MEKPO................................................................
30
Gambar 3.11. Wax ..................................................................................
30
Gambar 3.12. Butiran NaOH ..................................................................
31
Gambar 3.13. Aquades ............................................................................
31
Gambar 3.14. Larutan NaOH ..................................................................
32
Gambar 3.15. Janjang sawit ....................................................................
32
Gambar 3.16. Proses pencabikan janjang sawit ......................................
33
Gambar 3.17. Janjang sawit yang telah dicacah .....................................
33
Gambar 3.18. Proses pencucian serat TKKS ..........................................
34
Gambar 3.19. Penirisan air serat TKKS di atas saringan kawat .............
35
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.20. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 4 jam
40
Gambar 3.21. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 8 jam
40
Gambar 3.22. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 12 jam 41
Gambar 3.23. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 16 jam 41
Gambar 3.24. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 20 jam 41
Gambar 3.25. Proses pencucian akhir .....................................................
42
Gambar 3.26. Proses pengeringan serat TKKS; (a) Serat A1- A5; (b)
Serat B1- B5; (c) Serat C1- C5; (d) Serat D1- D5; (e)
Serat E1- E5 .....................................................................
44
Gambar 3.27. Proses pencacahan serat TKKS ........................................
45
Gambar 3.28. Ukuran Cetakan Uji Tarik ASTM D638 – Tipe I ............
45
Gambar 3.29. Foto Spesimen Uji Tarik ..................................................
48
Gambar 3.30. Mengukur massa spesimen ..............................................
49
Gambar 3.31. Mengukur volume air .......................................................
50
Gambar 3.32. Setup alat uji tarik ............................................................
51
Gambar 3.33. Tampilan awal Ansys 14.5 ...............................................
53
Gambar 3.34. Tampilan Engineering Data ........................................
54
Gambar 3.35. Tampilan Desain Geometry ........................................
55
Gambar 3.36. Tampilan Proses Meshing ..........................................
56
Gambar 3.37. Tampilan Parameter Simulasi ....................................
57
Gambar 3.38. Variabel yang akan disimulasi ....................................
58
Gambar 3.39. Diagram alir penelitian ..................................................
60
Gambar 4.1. Bentuk Spesimen Uji Tarik ...............................................
61
Gambar 4.2. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
70
...........
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.3. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
72
Gambar 4.4. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
73
Gambar 4.5. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
76
Gambar 4.6. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
78
Gambar 4.7. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
..........
78
Gambar 4.8. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
80
Gambar 4.9. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
82
Gambar 4.10. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
84
Gambar 4.11. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
86
Gambar 4.12. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
88
Gambar 4.13. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
89
Gambar 4.14. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
91
Gambar 4.15. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
94
Gambar 4.16. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
96
Gambar 4.17. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
98
Gambar 4.18. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
100
Gambar 4.20. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
100
Gambar 4.21. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
103
Gambar 4.22. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
105
Gambar 4.23. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
107
Gambar 4.24. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
109
Gambar 4.25. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
111
Gambar 4.26. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
112
Gambar 4.27. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
114
Gambar 4.28. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
116
Gambar 4.29. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
118
Gambar 4.30. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
120
Gambar 4.31. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
122
Gambar 4.32. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
123
Gambar 4.32 Distribusi Tegangan Pada Normal Stress (X Axis) ..........
127
Gambar 4.33 Distribusi Tegangan Pada Normal Stress (Y Axis) ..........
128
Gambar 4.34 Distribusi Tegangan Pada Equivalent Stre .......................
128
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.35 Distribusi Tegangan Pada Maximum Principal Stress .....
129
Gambar 4.36 Distribusi Tegangan Pada Minimum Principal Stress ......
129
Gambar 4.37 Distribusi Tegangan Pada Normal Elastic Strain (X Axis)
130
Gambar 4.38 Distribusi Tegangan Pada Normal Elastic Strain (Y Axis)
130
Gambar 4.39 Distribusi Tegangan Pada Equivalent Elastic Strain .........
131
Gambar 4.40 Distribusi Tegangan Pada Maximum Elastic Strain ..........
131
Gambar 4.41 Distribusi Tegangan Pada Minimum Elastic Strain ..........
132
Gambar 4.42 Distribusi Tegangan Pada Total Deformation ..................
132
Gambar 4.43 Grafik rata – rata pengujian massa jenis terhadap NaOH
134
Gambar 4.44 Hubungan Tegangan Rata - rata dengan NaOH ...............
136
Gambar 4.45 Grafik Hubungan Regangan Rata - rata dengan NaOH ...
138
Gambar 4.46 Grafik Hubungan Modulus Elastisitas
Rata - rata dengan NaOH .................................................
140
Gambar 4.47 Respon pengujian tarik D1 - D5 ......................................
149
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin ..................................
8
Tabel 2.2. Kandungan Nutrisi Serat Kelapa Sawit .............................. ..
9
Tabel 2.3. Sifat-Sifat Dasar Batang Sawit ..............................................
9
Tabel 2.4. Parameter Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg
10
Tabel 3.1. Spesifikasi Mesin Pencacah ...................................................
24
Tabel 3.2. Hasil perhitungan untuk pembuatan larutan NaOH
pada tingkat kemolaran 0,2 % ................................................
37
Tabel 3.3. Data Konsentrasi larutan yang disiapkan untuk limavariasi
konsentrasi pada fraksi volume (100 ml) dan
fraksi berat basah (100 gr). .....................................................
38
Tabel 3.4. Data perendaman Serat TKKS dalam larutan
NaOH pada rasio (Fb : Fv = 1 : 4) .........................................
39
Tabel 3.5. Keterangan ukuran cetakan uji tarik ASTM D638 –Tipe I....
46
Tabel 3.6. Perbandingan bahan pembentuk spesimen ............................
47
Tabel 4.1. Pengujian massa jenis ............................................................
62
Tabel 4.2. Hasil pengujian massa jenis spesimen ...................................
66
Tabel 4.3. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
68
Tabel 4.4. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
70
Tabel 4.5. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
72
Tabel 4.6. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
74
Tabel 4.7. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
76
Tabel 4.8. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
79
Tabel 4.9. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
81
Tabel 4.10. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
83
Tabel 4.11. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
85
Tabel 4.12. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
87
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.13. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
90
Tabel 4.14. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
92
Tabel 4.15. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
94
Tabel 4.16. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
97
Tabel 4.17. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
99
Tabel 4.18. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
101
Tabel 4.19. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
103
Tabel 4.20. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
105
Tabel 4.21. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
107
Tabel 4.22. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
109
Tabel 4.23. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
112
Tabel 4.24. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
114
Tabel 4.25. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
117
Tabel 4.26. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
118
Tabel 4.27. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
121
Tabel 4.28. Hubungan Modulus Elastisitas dengan NaOH ....................
125
Tabel 4.29. Hubungan Massa Jenis Rata – rata dengan NaOH .............
133
Tabel 4.30. Hubungan Tegangan Rata - rata dengan NaOH .................
135
Tabel 4.31. Hubungan Regangan Rata - rata dengan NaOH .................
137
Tabel 4.32. Hubungan Modulus Elastisitas Rata – rata dengan NaOH .
138
Tabel 4.33. Perbandingan Hasil Eksperimen dan Hasil
Simulasi Ansys 14.5 ......................................................
140
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
Satuan
m
Massa zat
kg
V
Volume zat
ml (
Massa jenis
gr/
F
Gaya
N
A
Luas penampang
)
Tegangan
MPa (kg/
Pertambahan Panjang
mm
Panjang akhir
mm
Panjang awal
mm
ε
Regangan
mm/mm
E
Modulus Elastisitas
MPa (kg/
L
)
)
Universitas Sumatera Utara
BUSA POLIMER YANG DIPERKUAT SERAT TKKS
HASIL PROSES HOT PRESS
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan UntukMelengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ENDA PRANANTA GINTING
NIM. 120421025
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan yang Maha Esa, atas berkah
dan karuniaNya serta nikmat kesehatan yang diberikanNya sehingga penulis dapat
menyelesaikan Skripsi ini dengan sebaik-baiknya.
Skripsi berjudul “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”, disusun untuk memperoleh
gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih yang teristimewa
kepada Ayah saya (Stensi Ginting) yang telah berpulang ke rumah Tuhan di surga
dan Ibu saya (Asmidar S. Tarigan) serta sanak keluarga saya tercinta yang sudah
banyak berdoa dan memberikan dukungannya dan dana kepada saya dalam
menyelesaikan studi saya di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Terimakasih saya ucapkan juga kepada, Bapak Ir.
Syahrul Abda, M.Sc sebagai dosen pembimbing skripsi yang telah banyak
memberikan bimbingan dan saran – saran kepada penulis sejak awal penelitian
sampai dengan selesainya penulisan skripsi ini. Ucapan terimakasih juga
disampaikan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan
Fakultas Teknik USU, beserta segenap staf dan jajarannya. Ucapan terimakasih
disampaikan kepada Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penghargaan juga disampaikan
kepada Bapak dan ibu dosen beserta seluruh staf Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Ucapan terimakasih saya sampaikan
kepada rekan satu tim Firdaus Ginting dan Pardiansah Hasibuan yang telah sama
– sama bekerja mulai dari penelitian sampai dengan selesainya penulisan skripsi
ini. Ucapan terimakasih juga disampaikan kepada rekan rekan mahasiswa Teknik
Mesin serta kepada teman spesial saya Juliana Sinaga yang telah banyak
memberikan dorongan dan motivasinya. Penulis telah berupaya dengan
Universitas Sumatera Utara
semaksimal mungkin dalam penyelesaian skripsi ini,namun penulis menyadari
masih banyak kekurangan dan kelemahan baik dari segi isi maupun tata bahasa,
untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari
pembaca demi sempurnanya skripsi ini. Kiranya isi skripsi ini bermanfaat dalam
memperkaya khasanah ilmu pengetahuan.
Medan, 28 Desember 2015
Penulis,
Enda Prananta Ginting
Nim : 120421025
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Seiring dengan inovasi yang dilakukan dalam bidang material, serat alam
dijadikan sebagai bahan penguat komposit, dimana serat sangat mempengaruhi
dan menentukan kekuatan dari komposit. Kajian eksperimen ini melaporkan
proses perlakuan serat tandan kosong kelapa sawit dan pembuatan spesimen
komposit polymeric foam (busa polimer) pada proses mesin hot press diikuti uji
tarik. Permasalahan, bahwa sifat dari komposit diperkuat serat memiliki berat
yang ringan dan relatif kuat. Pemakaian blowing agent membuat material ini
menjadi lebih ringan lagi. Sebagai penguat penelitian ini menngunakan serat alam
yang didapat dari pengolahan serat TKKS. Tujuan kajian ini untuk mengetahui
karekteristik dari massa jenis, tegangan, regangan, dan modulus elastisitas. Matrik
Poliuretan dbuat dari campuran antara poliol, isosianat, resin BTQN 157 Ex, serta
katalis MEKPO. Proses perlakuan serat dimulai dari persiapan tandan kosong
kelapa
sawit,penumbukan
serat,
perendaman
serat,
pengeringan
serat,
penimbangan serat pasca pengeringan serta pencacahan serat. Bentuk spesimen uji
dibuat berbentuk persegi panjang sesuai standar ASTM D-638. Jumlah spesimen
uji 25 buah yang dibuat dalam 5 variasi perendaman serat pada persentase larutan
NaOH, dimana setiap variasi terdiri dari 5 spesimen. Uji mekanik dilakukan
menggunakan metoda uji tarik pada mesin uji servo pulser. Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa untuk variasi, massa jenis rata - rata ( ) maximum 1,06
gr/
dan minimum 0,93 gr/
, tegangan rata - rata ( ) maksimum 15,3941
MPa dan minimum 13,421 MPa, regangan rata – rata maksimum 0,0279 dan
minimum 0,0222, modulus elastisitas rata – rata (E) maksimum 611,6615 MPa
dan minimum 484,8661 MPa. Hasil karekteristik komposit busa polimer berbeda
beda, hal ini memberi informasi bahwa proses pencampuran yang tidak merata
yang mempengaruhi hasil yang tidak merata.
Kata kunci : Perlakuan serat TKKS, komposit busa polimer, mesin hot press,
larutan NaOH, uji tarik
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Along the innovations of the field of materials, natural fibers are used as
reinforcement materials composite which are the fibers greatly affect and
determine the strength of the composite. This experimental study reported the
empty fruit bunches of oil palm fiber’s treatment process and manufacture of
polymeric foam composite spesimens in the process of hot press machine
followed by a tensile test. The issues, that characteristic of composites reinforced
fibers has a light weight and relatively strong. Using blowing agent makes the
materials become lighter again. As a reinforcement of this study is using the
natural fiber obtained from the processing of oil palm empty fruit bunch fiber. The
purpose of this study are to determine the characteristic of density, stress, strain,
and modulus elasticity. Polyurethane matrix are made by mixture of polyol,
icocyanate, resin BTQN 157 Ex and MEKPO catalyst. Fiber treatment process
starts from the preparating the oil palm empty fruit bunches, pulverizating the
fiber, soaking the fiber, drying the fiber, weighing the fiber after drying and
enumerating the fiber. Form the test specimens were made according to the
standard rectangular ASTM D-638. Number of test specimens 25 pieces that made
in 5 variants on the fiber immersion percentage of NaOH solution, with each
variants consists of 5 specimens. Mechanical test carried out by using the method
of tensile test on a test machine servo pulser. The results obtained show that for
variants in the density of the average maximum 1,06 gr/
gr/
and minimum 0,93
, average stress maximum 15,3941 MPa and minimum 13,421 MPa, strain
the average maximum 0,0279 and minimum 0,0222, the modulus elastcty of the
average maximum 611,6615 MPa and minimum 484,8661 MPa. Characteristics of
the polymeric foam composite result is different, it informs that the process of
mixing uneven affecting uneven results.
Key Word : Treatment of oil palm fiber, polymeric foam composite, hot press
machine, NaOH solution, tensile test
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...........................................................................
i
ABSTRAK .............................................................................................
iii
ABSTRACT ...........................................................................................
iv
DAFTAR ISI ..........................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR .............................................................................
viii
DAFTAR TABEL ..................................................................................
xi
DAFTAR SIMBOL ................................................................................
xiii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ....................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah .............................................................
2
1.3 Batasan Masalah ..................................................................
3
1.4 Tujuan Penelitian .................................................................
3
1.4.1 Tujuan Umum …………………………………… .
3
1.4.2 Tujuan Khusus …………………………………........
3
1.5 Manfaat Penelitian ...............................................................
4
1.6 Sistematika Penulisan ..........................................................
4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Komposit ...............................................................
6
2.2 Matriks ................................................................................
7
2.3 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ....................................
8
2.4 Busa Polimer .......................................................................
11
2.5 Pencetakan Sistem Tekan Panas .........................................
13
2.6 Sifat – Sifat Material ...........................................................
14
2.7 Uji Tarik ..............................................................................
17
2.7.1 Kekuatan Tarik ..........................................................
20
2.7.2 Deformasi ..................................................................
20
2.7.3 Kekuatan Luluh .........................................................
21
2.8 Simulasi Numerik ................................................................
21
Universitas Sumatera Utara
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu ..............................................................
23
3.2 Alat dan Bahan ....................................................................
23
3.2.1 Alat .............................................................................
23
3.2.2 Bahan ..........................................................................
27
3.3 Proses Pembuatan Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ......
32
3.3.1 Proses Pereduksian Ukuran Janjang ............................
32
3.3.2 Proses Perlakuan Serat TKKS ....................................
33
3.3.3 Pencacahan Serat TKKS ............................................
44
3.4 Proses Pembuatan Spesimen Uji Tarik ...............................
45
3.4.1 Persiapan Cetakan Spesimen Uji Tarik ......................
45
3.4.2 Proses Pencetakan Spesimen Uji Tarik ......................
46
3.5 Pengujian Mengukur Massa Jenis .......................................
49
3.6 Pengujian Tarik ...................................................................
50
3.7 Simulasi Numerik ................................................................
53
3.8 Diagram Alir Penelitian ......................................................
58
BAB 4 Hasil Dan Pembahasan
4.1 Hasil ....................................................................................
61
4.1.1 Pembuatan Spesimen Uji Tarik ..................................
61
4.1.2 Pengujian Massa Jenis ................................................
62
4.1.3 Hasil Pengujian Tarik ... ..............................................
67
4.1.4 Analisa Modulus Elastisitas .......................................
123
4.1.5 Hasil Simulasi Numerik .............................................
126
4.2 Pembahasan …………………………………... .................
133
4.2.1 Hubungan Massa Jenis Rata – rata dengan NaOH .....
133
4.2.2 Hubungan Tegangan Rata – rata dengan NaOH ........
135
4.2.3 Hubungan Regangan Rata – rata dengan NaOH .........
137
4.2.4 Hubungan Modulus Elastisitas Rata – ratadengan
NaOH ..........................................................................
138
Universitas Sumatera Utara
4.2.5 Perbandingan Hasil Eksperimen dan Simulasi
Ansys 14.5 ..................................................................
140
4.2.6 Respon Pengujian Tarik ............................................
140
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ........................................................................
150
5.2 Saran ..................................................................................
151
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit ....
6
Gambar 2.2. Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) ........................... ..
11
Gambar 2.3. Jenis Material Berongga .....................................................
12
Gambar 2.4. Mesin Hot Press .................................................................
14
Gambar 2.5. Gaya Tarik terhadap Pertambahan Panjang .......................
17
Gambar 2.6. Kurva Tegangan dan Regangan Hasil Uji Tarik ................
19
Gambar 2.7. Kurva tegangan-regangan untuk polimer a) getas (brittle);
b) plastis; dan c) elastomer (highly elastic) .......................
20
Gambar 2.8. Grafik deformasi tegangan-regangan ...................................
21
Gambar 3.1. Mesin Pencacah ..................................................................
23
Gambar 3.2. Neraca Digital ...................................................................
24
Gambar 3.3. Cetakan uji tarik .................................................................
25
Gambar 3.4. Alas dan tutup cetakan ......................................................
25
Gambar 3.5. Mesin Hot Press .................................................................
26
Gambar 3.6. Alat Pendukung ..................................................................
27
Gambar 3.7. Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ...................................
28
Gambar 3.8. Resin BTQN 157 EX .........................................................
28
Gambar 3.9. (a) Polyol ; (b) Isosianate ...................................................
29
Gambar 3.10. Katalis MEKPO................................................................
30
Gambar 3.11. Wax ..................................................................................
30
Gambar 3.12. Butiran NaOH ..................................................................
31
Gambar 3.13. Aquades ............................................................................
31
Gambar 3.14. Larutan NaOH ..................................................................
32
Gambar 3.15. Janjang sawit ....................................................................
32
Gambar 3.16. Proses pencabikan janjang sawit ......................................
33
Gambar 3.17. Janjang sawit yang telah dicacah .....................................
33
Gambar 3.18. Proses pencucian serat TKKS ..........................................
34
Gambar 3.19. Penirisan air serat TKKS di atas saringan kawat .............
35
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.20. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 4 jam
40
Gambar 3.21. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 8 jam
40
Gambar 3.22. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 12 jam 41
Gambar 3.23. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 16 jam 41
Gambar 3.24. Kondisi perendaman serat TKKS dalam Larutan NaOH
kemolaran0,2% pada konsentarasi 1% - 5% selama 20 jam 41
Gambar 3.25. Proses pencucian akhir .....................................................
42
Gambar 3.26. Proses pengeringan serat TKKS; (a) Serat A1- A5; (b)
Serat B1- B5; (c) Serat C1- C5; (d) Serat D1- D5; (e)
Serat E1- E5 .....................................................................
44
Gambar 3.27. Proses pencacahan serat TKKS ........................................
45
Gambar 3.28. Ukuran Cetakan Uji Tarik ASTM D638 – Tipe I ............
45
Gambar 3.29. Foto Spesimen Uji Tarik ..................................................
48
Gambar 3.30. Mengukur massa spesimen ..............................................
49
Gambar 3.31. Mengukur volume air .......................................................
50
Gambar 3.32. Setup alat uji tarik ............................................................
51
Gambar 3.33. Tampilan awal Ansys 14.5 ...............................................
53
Gambar 3.34. Tampilan Engineering Data ........................................
54
Gambar 3.35. Tampilan Desain Geometry ........................................
55
Gambar 3.36. Tampilan Proses Meshing ..........................................
56
Gambar 3.37. Tampilan Parameter Simulasi ....................................
57
Gambar 3.38. Variabel yang akan disimulasi ....................................
58
Gambar 3.39. Diagram alir penelitian ..................................................
60
Gambar 4.1. Bentuk Spesimen Uji Tarik ...............................................
61
Gambar 4.2. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
70
...........
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.3. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
72
Gambar 4.4. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
73
Gambar 4.5. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
76
Gambar 4.6. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
78
Gambar 4.7. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
..........
78
Gambar 4.8. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
80
Gambar 4.9. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
...........
82
Gambar 4.10. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
84
Gambar 4.11. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
86
Gambar 4.12. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
88
Gambar 4.13. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
89
Gambar 4.14. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
91
Gambar 4.15. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
94
Gambar 4.16. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
96
Gambar 4.17. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
98
Gambar 4.18. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
100
Gambar 4.20. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
100
Gambar 4.21. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
103
Gambar 4.22. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
105
Gambar 4.23. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
107
Gambar 4.24. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
109
Gambar 4.25. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
111
Gambar 4.26. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
112
Gambar 4.27. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
114
Gambar 4.28. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
116
Gambar 4.29. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
118
Gambar 4.30. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
120
Gambar 4.31. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
122
Gambar 4.32. Grafik respon tegangan – regangan spesimen
.........
123
Gambar 4.32 Distribusi Tegangan Pada Normal Stress (X Axis) ..........
127
Gambar 4.33 Distribusi Tegangan Pada Normal Stress (Y Axis) ..........
128
Gambar 4.34 Distribusi Tegangan Pada Equivalent Stre .......................
128
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.35 Distribusi Tegangan Pada Maximum Principal Stress .....
129
Gambar 4.36 Distribusi Tegangan Pada Minimum Principal Stress ......
129
Gambar 4.37 Distribusi Tegangan Pada Normal Elastic Strain (X Axis)
130
Gambar 4.38 Distribusi Tegangan Pada Normal Elastic Strain (Y Axis)
130
Gambar 4.39 Distribusi Tegangan Pada Equivalent Elastic Strain .........
131
Gambar 4.40 Distribusi Tegangan Pada Maximum Elastic Strain ..........
131
Gambar 4.41 Distribusi Tegangan Pada Minimum Elastic Strain ..........
132
Gambar 4.42 Distribusi Tegangan Pada Total Deformation ..................
132
Gambar 4.43 Grafik rata – rata pengujian massa jenis terhadap NaOH
134
Gambar 4.44 Hubungan Tegangan Rata - rata dengan NaOH ...............
136
Gambar 4.45 Grafik Hubungan Regangan Rata - rata dengan NaOH ...
138
Gambar 4.46 Grafik Hubungan Modulus Elastisitas
Rata - rata dengan NaOH .................................................
140
Gambar 4.47 Respon pengujian tarik D1 - D5 ......................................
149
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin ..................................
8
Tabel 2.2. Kandungan Nutrisi Serat Kelapa Sawit .............................. ..
9
Tabel 2.3. Sifat-Sifat Dasar Batang Sawit ..............................................
9
Tabel 2.4. Parameter Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg
10
Tabel 3.1. Spesifikasi Mesin Pencacah ...................................................
24
Tabel 3.2. Hasil perhitungan untuk pembuatan larutan NaOH
pada tingkat kemolaran 0,2 % ................................................
37
Tabel 3.3. Data Konsentrasi larutan yang disiapkan untuk limavariasi
konsentrasi pada fraksi volume (100 ml) dan
fraksi berat basah (100 gr). .....................................................
38
Tabel 3.4. Data perendaman Serat TKKS dalam larutan
NaOH pada rasio (Fb : Fv = 1 : 4) .........................................
39
Tabel 3.5. Keterangan ukuran cetakan uji tarik ASTM D638 –Tipe I....
46
Tabel 3.6. Perbandingan bahan pembentuk spesimen ............................
47
Tabel 4.1. Pengujian massa jenis ............................................................
62
Tabel 4.2. Hasil pengujian massa jenis spesimen ...................................
66
Tabel 4.3. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
68
Tabel 4.4. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
70
Tabel 4.5. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
72
Tabel 4.6. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
74
Tabel 4.7. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
76
Tabel 4.8. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
79
Tabel 4.9. Data uji tarik polimer busa spesimen
............................
81
Tabel 4.10. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
83
Tabel 4.11. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
85
Tabel 4.12. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
87
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.13. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
90
Tabel 4.14. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
92
Tabel 4.15. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
94
Tabel 4.16. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
97
Tabel 4.17. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
99
Tabel 4.18. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
101
Tabel 4.19. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
103
Tabel 4.20. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
105
Tabel 4.21. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
107
Tabel 4.22. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
109
Tabel 4.23. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
112
Tabel 4.24. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
114
Tabel 4.25. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
117
Tabel 4.26. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
118
Tabel 4.27. Data uji tarik polimer busa spesimen
..........................
121
Tabel 4.28. Hubungan Modulus Elastisitas dengan NaOH ....................
125
Tabel 4.29. Hubungan Massa Jenis Rata – rata dengan NaOH .............
133
Tabel 4.30. Hubungan Tegangan Rata - rata dengan NaOH .................
135
Tabel 4.31. Hubungan Regangan Rata - rata dengan NaOH .................
137
Tabel 4.32. Hubungan Modulus Elastisitas Rata – rata dengan NaOH .
138
Tabel 4.33. Perbandingan Hasil Eksperimen dan Hasil
Simulasi Ansys 14.5 ......................................................
140
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
Satuan
m
Massa zat
kg
V
Volume zat
ml (
Massa jenis
gr/
F
Gaya
N
A
Luas penampang
)
Tegangan
MPa (kg/
Pertambahan Panjang
mm
Panjang akhir
mm
Panjang awal
mm
ε
Regangan
mm/mm
E
Modulus Elastisitas
MPa (kg/
L
)
)
Universitas Sumatera Utara