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 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Komposit
Komposit didefenisikan sebagai kombinasi antara dua material atau lebih
yang berbeda bentuknya, komposisi kimianya, dan tidak saling melarutkan antara
materialnya dimana material yang satu fungsi sebagai penguat dan material yang
lainnya berfungsi sebagai pengikat untuk menjaga unsur-unsurnya (Hasim J,
2003). Secara umum terdapat dua kategori material penyusun komposit yaitu:
1. matriks yang mengisolasi fasa,
2. penguat (reinforcement) atau fasa sebaran, seperti yang terlihat pada
Gambar 2.1 di bawah ini.
Matriks
Penguat
=
Komposit
Gambar 2.1 Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit.
Pada umumnya bentuk dasar suatu bahan komposit adala tunggal dimana
merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama
untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur
bahan penyusun. Komposit terdiri suatu bahan utama (Matrik-matrik) dan suatu
jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan
dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre). Material
komposit terdiri dari lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk
mendapatkan
kombinasi
karakteristik
terbaikn
dari
setiap
komponen
penyusunnya. Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat
yang lebih ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, bahan korosi dan
ketahanan aus (Hasim J,2013). Komposit bahan hibrida yang terbuat dari bahan
resin polimer diperkuat dengan serat, menggabungkan sifat-sifat mekanik dan
fisik. Adapun tiga faktor yang menentukan sifat-sifat dari material komposit yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Material pembentuk. Sifat-sifat intristik material pembentuk memegang
peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya.
2. Susunan struktur komponen, dimana bentuk serta orientasi dan ukuran
tiap-tiap komponen penyusun struktur dan distribusinya merupakan faktor
penting yang memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara
keseluruhan.
3. Interaksi antar komponen. Karena komposit merupakan campuran atau
kombinasi komponen-komponen yang berbeda baik dalam hal bahannya
(Hasim J,2013).
2.2 Matriks
Matriks dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu termoplastik dan
termoset. Termoplastik adalah polimer atau plastik yang akan menjadi lunak jika
dipanaskan dan mengeras kembali jika didinginkan. Jadi jenis termoplastik ini
dengan sendirinya ada segi negatif yaitu tidak dapat digunakan lagi apabila
kondisi pemakaian melampaui suhu pelunakan. Adapun jenisnya yaitu: Polyamide
(PI), Polysulfone (PS), Poluetheretherketone (PEEK), Polypropylene (PP) dan
Polyethylene (PE). Sedangkan termoset adalah jenis polimer yang apabila telah
mengalami kondisi tertentu tidak dapat dibentuk kembali, artinya pemanasan
kembali tidak akan banyak melunakkan, karena bangun polimernya berbentuk
jaringan tiga dimensi.
Beberapa jenis matrik polimer termoset yang sering digunakan ialah
polyester, epoxy, phenolics, dan polyamids. Dalam penelitian ini matriks yang
digunakan adalah resin poliester. Poliester memiliki sifat- sifat sebagai berikut:
1. Suhu deformasi termal poliester lebih rendah jika dibandingkan
dengan resin termoset lainnya, karena poliester banyak mengandung
monomer stiren.
2. Memiliki ketahanan panas kira- kira 110
- 140 .
3. Relatif tahan terhadap asam kecuali asam pengoksid, tetapi lemah
terhadap alkali.
4. Mudah mengembang dalam pelarut yang melarutkan polimer stiren.
Universitas Sumatera Utara
5. Ketahanan
terhadap
cuaca
sangat
baik,
khususnya
terhadap
kelembaban dan sinar UV. (Budha Maryanti, 2011)
Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa. Biasanya matriks
mempunyai kerapatan / densitas , kekukuhan dan kekuatan yang jauh lebih rendah
daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa mempunyai kekuatan
dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai kerapatan yang rendah.
Matriks jenis ini tergolong polimer thermoplastik, dan memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis dengan pemberian
tekanan ketika proses pembentukannya. Dengan demikian struktur molekulnya
menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan.
Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada Tabel 2.1 (Tata Surdia, 2005).
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin
Sifat Mekanik
Satuan
Besaran
Berat Jenis (ρ)
Mg.m-3
1,2 s/d 1,5
Modulus Young (E)
GPa
2 s/d 4,5
Kekuatan Tarik (σT)
MPa
40 s/d 90
Bahan penguat yang digunakan sebagai penguat komposit sangat beragam
yang antara lain terdiri atas bahan reinforced sintesis dan alami. Pada kali ini
penguat komposit yang digunakan ialah dari bahan serat TKKS yang kemudian
dibentuk menjadi ukuran halus dan dicampurkan dalam matriks.
2.3 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit
Serat tandan kosong kelapa sawit adalah hasil ikutan pengolahan sawit yang
dipisahkan dari buah setelah pengambilan minyak dan biji dalam proses pemerasan.
sering dibuang sebagai limbah dan hanya sedikit yang dapat digunakan untuk diproduksi
atau didaur ulang. Dan peneliti ingin coba mengamati sifat atau karakterisitik dari serat
ini karena sifatnya yang kuat dan juga ringan jika dicampur dengan bahan yang lain.
Adapun komposisi Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit, Sekitar 12-13% dari sawit segar
merupakan serat tandan kosong kelapa sawit. Serat tandan kosong kelapa sawit
Universitas Sumatera Utara
mengandung serat kasar, lemak, dan magnesium yang tinggi sehingga dapat digunakan
sebagai bahan sumber serat kasar dalam pakan ternak ruminansia (Sutardi, T. 1982).
Serat tandan kosong kelapa sawit merupakan sisa pengolahan kelapa
sawit yang termasuk dalam kelompok media tumbuh jamur tiram karena
komponen nutrisi dan serat yang masih terdapat dalam serat kelapa sawit.
Kandungan nutrien serat kelapa sawit terdapat NDF, ADF (selulosa, lignin dan
silika) merupakan komponen terbesar dari serat kelapa sawit. Selulosa,
hemiselulosa dan lignin adalah sumber karbon dan energi utama bagi
pertumbuhan jamur tiram, sementara protein digunakan sebagai sumber nitrogen
bagi tubuh buah. Berikut ini merupakan Komposisi Nutrien serat tandan kosong
kelapa sawit dapat dilihat pada Tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2. Kandungan Nutrisi Serat Kelapa Sawit (Sutardi, T. 1982)
Kandungan Nutrisi
Serat Kelapa Sawit (%)
Bahan Kering
93,21
Abu
6,46
Protein Kasar
5,93
Lemak
5,19
Serat Kasar
40,80
TDN
56,00
Selulosa
54,89
Lignin
21,18
ADF
78,11
NDF
84,67
Selulosa yang terkandung dalam limbah kelapa sawit memungkinkan kelapa
sawit dapat digunakan sebagai bahan baku produk-produk serat. Berikut ini
merupakan tabel sifat dasar batang sawit yang terlihat pada Tabel 2.3 dan Parameter
Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg yang terlihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.3. Sifat-Sifat Dasar Batang Sawit (Bakar, ES. 2003)
Universitas Sumatera Utara
Sifat Sifat Penting
Bagian Dalam Batang
Tepi
Tengah
Pusat
Berat Jenis
0,35
0,28
0,20
Kadar Air, %
156
257
365
Kekuatan Lentur, kg/cm2
29996
11421
6980
Keteguhan Lentur, kg/cm2
295
129
67
Susut Volume
26
39
48
Kelas Awet
V
V
V
Kelas Kuat
III-V
V
V
Tabel 2.4. Parameter Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg
(Wibowo,T.F. 2011)
Material Kandungan
Komposisi (%)
Uap Air
5,40
Protein
3,00
Serat
35,00
Minyak
3,00
Kelarutan Air
16,20
Kelarutan Unsur Alkali 1%
29,30
Debu
5,00
K
1,71
Ca
0,14
Mg
0,12
P
0,06
Mn, Zn, Cu, Fe
1,07
TOTAL
100,00
Serat TKKS banyak mengandung serat disamping zat-zat lainnya. Bagian
dari tandanan yang banyak mengandung serat atau selulosa adalah bagian pangkal
Universitas Sumatera Utara
dan ujungnya yang runcing dan keras. TKKS tersebut dapat dilihat seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Ukuran diameter serat TKKS cukup bervariasi, Beberapa penelitian telah
dilakukan untuk mengamati ukuran diameter serat TKKS. Menurut Zuhri, et al
(2009), diameter serat tunggal TKKS berkisar antara 250 s.d 610 μm. Berdasarkan
publikasi Zuhri, et al (2009) dapat diketahui bahwa ukuran diameter serat tunggal
TKKS cukup bervariasi. Kairiah dan Khairul (2006) menjelaskan bahwa ukuran
diameter serat tunggal TKKS adalah 150 s.d. 442 μm. Jacob, et al (2004),
Sreekala dan Thomas (2003) juga telah menjelaskan bahwa ukuran diameter serat
tunggal TKKS berkisar antara 150 s.d 500 μm.
2.4 Busa Polimer
Busa didefinisikan sebagai penyebaran gelembung-gelembung gas yang
terjadi pada material cair dan padat. Busa berkembang menjadi rongga-rongga
mikro yang memiliki diameter 10 μm. Busa yang tersebar dalam polimer dapat
mencapai 108/cm3 (Kumar, 2005).
Pada saat ini, perkembangan penelitian telah menghasilkan karakteristik
fisik dan mekanik material busa (Klempner dan Sendijarevic, 2004). Karakteristik
Universitas Sumatera Utara
fisik tersebut meliputi faktor geometri, seperti ukuran rongga dan ketebalan
dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat karakteristik mekanik.
Material busa memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan rongga
tersebut dapat diketahui melalui pengamatan struktur mikro material busa.
Susunan rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan terbuka (open-cell) dan
tertutup (closed-cell). Pada material busa dengan susunan rongga terbuka terdapat
pemutusan dinding rongga dan bersifat fleksibel. Material busa dengan susunan
rongga tertutup tidak terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat kaku.
Perbedaan kedua jenis susunan rongga tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.3
(Klempner dan Sendijarevic, 2004).
a) Rongga Terbuka
b) Rongga Tertutup
Gambar 2.3 Jenis Material Berongga
Rongga-rongga pada polimer terbentuk akibat adanya pencampuran fase
padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat dan membentuk permukaan
material yang berongga. Busa yang dihasilkan dari polimer merupakan gelembung
udara atau rongga udara yang bergabung di dalam polimer tersebut . Gas yang
digunakan untuk membentuk busa disebut blowing agent.
Blowing agent ialah material yang digunakan untuk menghasilkan struktur
berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan pada
penelitian ini ialah polyuretan. Polyuretan adalah suatu jenis polimer yang
mengandung jaringan uretan, yaitu -NH-CO-O-. Poliuretan dibentuk oleh reaksi
Universitas Sumatera Utara
senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hidrogen aktif,
seperti diol (polyol), yang mengandung grup hidroksil dengan pemercepat reaksi
(katalis). Unsur Nitrogen yang bermuatan negatif pada isosianat akan tertarik ke
arah unsur Oksigen yang bermuatan positif pada kelompok alkohol (polyol) untuk
membentuk ikatan uretan antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer
uretan. Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida
(CO2). Gas ini yang kemudian akan membentuk busa pada material polimer yang
terbentuk. Material yang terbentuk dari campuran BA dan polimer disebut dengan
material polimer busa. Pemberian blowing agent dilakukan secara kimia dan
fisika. Blowing agent secara kimia menimbulkan dekomposisi unsur-unsur
material dalam suatu reaksi kimia. Blowing agent secara fisika terjadi akibat
adanya gas yang diberikan pada material. Busa polimer yang bersifat fleksibel
dihasilkan oleh reaksi polyurethane. Polyurethane dalam pembentukan busa
polimer juga berfungsi sebagai blowing agent. Proses pembentukan rongga dari
hasil reaksi polyurethane fleksibel berlangsung relatif cepat. Pada saat reaksi
pembentukan polyurethane terjadi pengeluaran panas (eksoterm) dengan kenaikan
temperatur mencapai 75 s.d. 1600C. Peningkatan volume yang dihasilkan
poliuerethane sekitar 20 s.d 50 kali volume mula-mula.
Menurut Sivertsen (2007), reaksi kimia pembentukan busa polimer adalah
reaksi polyisocyanante (OCN – R – NCO) dengan polyol (HO – R’ – OH)
menghasilkan polyurethane (O – OC – HN – R – NH – CO – O – R’).
2.5 Pencetakan Sistem Tekan Panas
Pencetakan Sistem Tekan Panas ini menggunakan cetakan yang ditekan
pada tekanan tinggi 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.
Gambar mesin hot press dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Universitas Sumatera Utara
3
4
2
1
Gambar 2.4 Mesin Hot Press
Keterangan gambar:
1. Rangka penahan
2. Hidrolik
3. Heater
4. Dudukan Hot Press
2.6 Sifat – Sifat Material
Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya,
pada bidang teknik mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi empat sifat.
Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
1. Sifat mekanik
2. Sifat fisik
3. Sifat teknologi
4. Sifat kimia
Universitas Sumatera Utara
Di bawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut.
(Prof. Ir. Tata Surdia MS. Met. E, 2005)
1. Sifat Mekanik
Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting
yang mendasari pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat
mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap
pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan
keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua
yaitu beban statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya
pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi
waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan
pengujian mekanik. Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak
(destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau data
yang mencirikan keadaan dari material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau
spesimen. Spesimen pengujian dapat mewakili seluruh material apabila
berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian yang
tepat hanya
didapatkan pada material uji yang memenuhi aspek
ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat
pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik
tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan,
keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur,
kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:
a. Tegangan yaitu gaya diserap oleh material selama berdeformasi
persatuan luas.
b. Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas.
c. Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan material.
d. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi material
atau kemampuan material untuk menahan deformasi.
Universitas Sumatera Utara
e. Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk
mendeformasi plastis.
f. Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan
pada ukuran mula.
g. Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah.
h. Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi
perpatahan.
i. Kekerasan yaitu kemampuan material menahan deformasi plastis
lokal akibat penetrasi pada permukaan.
2. Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat
fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan
disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan
dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material.
Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan
panas spesifik.
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik.
Sifat mekanik dapat diatur dengan serangkaian proses perlakukan fisik.
Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan dan
pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3. Sifat Teknologi
Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material
adalah sifat teknologi yaitu kemampuan material untuk dibentuk atau
diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat dengan
proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau
penempaan.
Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses
pengecoran. Sifat-sifat teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat
mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu bentuk. Sifat material
terdiri dari sifat mekanik yang merupakan sifat material terhadap
pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang ditentukan oleh
komposisi yang dikandung oleh material itu sendiri.
Universitas Sumatera Utara
4. Sifat Kimia
Sifat kimia adalah sifat yang dimiliki oleh bahan yang
berhubungan dengan tingkat reaktivitas terhadap zat lain. Yang termasuk
dalam katagori sifat kimia bahan adalah: ketahanan terhadap korosi,
aktivitas, daya larut, potensial elektrokimia dan sebagainya. Bahan yang
menunjukkan ketahanan terhadap serangan korosi disebut sebagai bahan
tahap korosi. Bahan yang dapat melarutkan bahan lain disebut sebagai
bahan pelarut. Pada prinsipnya Sifat-sifat yang dimiliki oleh suatu bahan
logam dapat diketahui dan dinyatakan atau direpresentasikan secara
kuatitatif dengan melakukan beberapa metoda pengujian.
2.7 Uji Tarik
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan
mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. 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 seperti pada Gambar 2.5 (Daniel Andri Purwanto, 2009).
Gambar 2.5 Gaya Tarik terhadap Pertambahan Panjang.
Universitas Sumatera Utara
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. Ini disebut daerah linier atau linear
zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban 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 (Fmaks) yang digunakan untuk
memutuskan/mematahkan spesimen bahan dengan luas awal
kekuatan tarik polimer lebih rendah dari baja 70 kg.f/
. Umumnya
. Hasil pengujian
adalah grafik beban versus perpanjangan (elongasi).
Tegangan yang didapatkan dari kurva tegangan teoritik adalah tegangan yang
membujur rata-rata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara
membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji itu.
=
........ (2.1)
dimana:
= Tegangan (kg/
) atau MPa
F = Gaya (N)
A = Luas Penampang (
)
Regangan yang didapatkan adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh
dengan cara membagi perpanjangan (gage length) benda uji ( atau L), dengan
panjang awal.
=
=
........ (2.2)
dimana:
= Regangan (mm/mm)
Δl = Pertambahan Panjang (mm)
Universitas Sumatera Utara
= Panjang akhir (mm)
L
= Panjang awal (mm)
Modulus elastisitas atau modulus young adalah ukuran kekakuan suatu
bahan,yang merupakan gradien bagian linear awal kurva tegangan – regangan.
E
=
........ (2.3)
dimana:
E = Modulus Elastisitas (kg/
σ = Tegangan (kg/
) atau MPa
) atau MPa
ε = Regangan (mm/mm)
Dari gambar kurva hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan
panjang kita dapat membuat hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs
strain). Selanjutnya kita dapat gambarkan kurva standar hasil eksperimen uji tarik
seperti pada Gambar 2.6 (Daniel Andri Purwanto, 2009).
Gambar 2.6 Kurva Tegangan dan Regangan Hasil Uji Tarik
Universitas Sumatera Utara
2.7.1 Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik atau kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strenght),
adalah nilai yang paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada
kenyataannya nilai tersebut kurang bersifat mendasar dalam kaitannya dengan
kekuatan material.
Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang
lintang awal benda uji.
u =
........ (2.4)
2.7.2 Deformasi
Struktur polimer cukup berbeda sehingga perilaku mekanisnya tidak selalu
sama dengan perilaku logam atau keramik nonsilikat. Pada Gambar 2.7
menunjukan perilaku hasil uji tarik pada bahan polimer yang mempunyai sifat dan
karakter yang berbeda (Sumaryono, 2012).
Gambar 2.7 Kurva tegangan-regangan untuk polimer a) getas (brittle); b) plastis;
dan c) elastomer (highly elastic)
Pada semua padatan, tegangan akan menimbulkan regangan elastis
(deformasi elastis). Regangan elastis muncul ketika ada tegangan, tetap konstan
apabila tegangannya konstan dan hilang apabila tegangannya dihilangkan.
Universitas Sumatera Utara
Deformasi elastis adalah suatu regangan yang dapat balik (reversible) seperti yang
terlihat pada Gambar 2.8 (Sumaryono, 2012). Jika suatu tegangan diberikan dalam
bentuk tarik, material akan menjadi sedikit lebih panjang, bila beban ditiadakan
material tersebut akan kembali ke dimensi semula. Sebaliknya, bila material
mengalami penekanan, material menjadi sedikit lebih pendek.
Gambar 2.8 Grafik deformasi tegangan-regangan
Pada tegangan yang lebih tinggi terjadi pergeseran tetap dari atom-atom
dalam suatu bahan disamping regangan elastis. Regangan ini tidak mampu balik
pada saat regangan ditiadakan, regangan ini disebut regangan plastis. Pada
pemakaian produk, kita selalu menghindari terjadinya deformasi plastis sehingga
perhitungan desain dilandaskan pada tegangan-tegangan didaerah elastis
(proporsional).
2.7.3 Kekuatan Luluh
Titik dimana suatu bahan apabila diberi suatu beban memasuki fase
peralihan deformasi elastis ke plastis. Yaitu titik sampai di mana penerapan
hukum Hook masih bisa ditolerir. Dalam praktek, biasanya batas proporsional
sama dengan batas elastis.
2.8 Simulasi Numerik
Untuk menyelesaikan permasalahan numerik digunakan alat bantu
software Ansys Workbench 14.5 adalah aplikasi desain yang digunakan dan diakui
Universitas Sumatera Utara
secara internasional untuk mensimulasikan Fine Element Model dan Analisis guna
memudahkan project owner, engineer dan designer untuk secara cepat
membangun model penuh berdasarkan kebutuhan.
Program Ansys ini
dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space
Administration (NASA). Perangkat ScHwendler Cotporation adalah program
analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan
perpindahan panas (heat transfer ) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan
Ansys Workbench V 14.5 kita dapat mengimport data dari SolidWorks geometri
dan CAD (Computer Aided Design ) atau dengan membuat geometri sendiri
dengan Ansys. Mesh dapat dibuat dengan banyak metode, yaitu secara manual
sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat
atau dipilih dari Ansys Workbench 14.5. Demikian juga banyak tipe kondisi batas
dan kondisi pembebanan dapat diterapkan.
Ansys Workbench V 14.5 ini juga digunakan untuk mensimulasikan semua
disiplin ilmu fisika baik statis maupun dinamis, analisis struktural (kedua-duanya
linier dan nonlinier), perpindahan panas, dinamika fluida, dan elektromagnetik
untuk para engineer. Ansys Workbench V 14.5 merupakan hal yang
memungkinkan untuk mensimulasikan tes atau kondisi kerja, memungkinkan
untuk menguji dalam lingkungan virtual sebelum pembuatan produk prototipe.
Selanjutnya, menentukan dan memperbaiki titik lemah, komputasi hidup dan
meramalkan kemungkinan masalah yang mungkin dengan simulasi 3D dalam
lingkungan virtual.
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Komposit
Komposit didefenisikan sebagai kombinasi antara dua material atau lebih
yang berbeda bentuknya, komposisi kimianya, dan tidak saling melarutkan antara
materialnya dimana material yang satu fungsi sebagai penguat dan material yang
lainnya berfungsi sebagai pengikat untuk menjaga unsur-unsurnya (Hasim J,
2003). Secara umum terdapat dua kategori material penyusun komposit yaitu:
1. matriks yang mengisolasi fasa,
2. penguat (reinforcement) atau fasa sebaran, seperti yang terlihat pada
Gambar 2.1 di bawah ini.
Matriks
Penguat
=
Komposit
Gambar 2.1 Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit.
Pada umumnya bentuk dasar suatu bahan komposit adala tunggal dimana
merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama
untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur
bahan penyusun. Komposit terdiri suatu bahan utama (Matrik-matrik) dan suatu
jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan
dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre). Material
komposit terdiri dari lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk
mendapatkan
kombinasi
karakteristik
terbaikn
dari
setiap
komponen
penyusunnya. Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat
yang lebih ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, bahan korosi dan
ketahanan aus (Hasim J,2013). Komposit bahan hibrida yang terbuat dari bahan
resin polimer diperkuat dengan serat, menggabungkan sifat-sifat mekanik dan
fisik. Adapun tiga faktor yang menentukan sifat-sifat dari material komposit yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Material pembentuk. Sifat-sifat intristik material pembentuk memegang
peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya.
2. Susunan struktur komponen, dimana bentuk serta orientasi dan ukuran
tiap-tiap komponen penyusun struktur dan distribusinya merupakan faktor
penting yang memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara
keseluruhan.
3. Interaksi antar komponen. Karena komposit merupakan campuran atau
kombinasi komponen-komponen yang berbeda baik dalam hal bahannya
(Hasim J,2013).
2.2 Matriks
Matriks dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu termoplastik dan
termoset. Termoplastik adalah polimer atau plastik yang akan menjadi lunak jika
dipanaskan dan mengeras kembali jika didinginkan. Jadi jenis termoplastik ini
dengan sendirinya ada segi negatif yaitu tidak dapat digunakan lagi apabila
kondisi pemakaian melampaui suhu pelunakan. Adapun jenisnya yaitu: Polyamide
(PI), Polysulfone (PS), Poluetheretherketone (PEEK), Polypropylene (PP) dan
Polyethylene (PE). Sedangkan termoset adalah jenis polimer yang apabila telah
mengalami kondisi tertentu tidak dapat dibentuk kembali, artinya pemanasan
kembali tidak akan banyak melunakkan, karena bangun polimernya berbentuk
jaringan tiga dimensi.
Beberapa jenis matrik polimer termoset yang sering digunakan ialah
polyester, epoxy, phenolics, dan polyamids. Dalam penelitian ini matriks yang
digunakan adalah resin poliester. Poliester memiliki sifat- sifat sebagai berikut:
1. Suhu deformasi termal poliester lebih rendah jika dibandingkan
dengan resin termoset lainnya, karena poliester banyak mengandung
monomer stiren.
2. Memiliki ketahanan panas kira- kira 110
- 140 .
3. Relatif tahan terhadap asam kecuali asam pengoksid, tetapi lemah
terhadap alkali.
4. Mudah mengembang dalam pelarut yang melarutkan polimer stiren.
Universitas Sumatera Utara
5. Ketahanan
terhadap
cuaca
sangat
baik,
khususnya
terhadap
kelembaban dan sinar UV. (Budha Maryanti, 2011)
Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa. Biasanya matriks
mempunyai kerapatan / densitas , kekukuhan dan kekuatan yang jauh lebih rendah
daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa mempunyai kekuatan
dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai kerapatan yang rendah.
Matriks jenis ini tergolong polimer thermoplastik, dan memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis dengan pemberian
tekanan ketika proses pembentukannya. Dengan demikian struktur molekulnya
menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan.
Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada Tabel 2.1 (Tata Surdia, 2005).
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin
Sifat Mekanik
Satuan
Besaran
Berat Jenis (ρ)
Mg.m-3
1,2 s/d 1,5
Modulus Young (E)
GPa
2 s/d 4,5
Kekuatan Tarik (σT)
MPa
40 s/d 90
Bahan penguat yang digunakan sebagai penguat komposit sangat beragam
yang antara lain terdiri atas bahan reinforced sintesis dan alami. Pada kali ini
penguat komposit yang digunakan ialah dari bahan serat TKKS yang kemudian
dibentuk menjadi ukuran halus dan dicampurkan dalam matriks.
2.3 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit
Serat tandan kosong kelapa sawit adalah hasil ikutan pengolahan sawit yang
dipisahkan dari buah setelah pengambilan minyak dan biji dalam proses pemerasan.
sering dibuang sebagai limbah dan hanya sedikit yang dapat digunakan untuk diproduksi
atau didaur ulang. Dan peneliti ingin coba mengamati sifat atau karakterisitik dari serat
ini karena sifatnya yang kuat dan juga ringan jika dicampur dengan bahan yang lain.
Adapun komposisi Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit, Sekitar 12-13% dari sawit segar
merupakan serat tandan kosong kelapa sawit. Serat tandan kosong kelapa sawit
Universitas Sumatera Utara
mengandung serat kasar, lemak, dan magnesium yang tinggi sehingga dapat digunakan
sebagai bahan sumber serat kasar dalam pakan ternak ruminansia (Sutardi, T. 1982).
Serat tandan kosong kelapa sawit merupakan sisa pengolahan kelapa
sawit yang termasuk dalam kelompok media tumbuh jamur tiram karena
komponen nutrisi dan serat yang masih terdapat dalam serat kelapa sawit.
Kandungan nutrien serat kelapa sawit terdapat NDF, ADF (selulosa, lignin dan
silika) merupakan komponen terbesar dari serat kelapa sawit. Selulosa,
hemiselulosa dan lignin adalah sumber karbon dan energi utama bagi
pertumbuhan jamur tiram, sementara protein digunakan sebagai sumber nitrogen
bagi tubuh buah. Berikut ini merupakan Komposisi Nutrien serat tandan kosong
kelapa sawit dapat dilihat pada Tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2. Kandungan Nutrisi Serat Kelapa Sawit (Sutardi, T. 1982)
Kandungan Nutrisi
Serat Kelapa Sawit (%)
Bahan Kering
93,21
Abu
6,46
Protein Kasar
5,93
Lemak
5,19
Serat Kasar
40,80
TDN
56,00
Selulosa
54,89
Lignin
21,18
ADF
78,11
NDF
84,67
Selulosa yang terkandung dalam limbah kelapa sawit memungkinkan kelapa
sawit dapat digunakan sebagai bahan baku produk-produk serat. Berikut ini
merupakan tabel sifat dasar batang sawit yang terlihat pada Tabel 2.3 dan Parameter
Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg yang terlihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.3. Sifat-Sifat Dasar Batang Sawit (Bakar, ES. 2003)
Universitas Sumatera Utara
Sifat Sifat Penting
Bagian Dalam Batang
Tepi
Tengah
Pusat
Berat Jenis
0,35
0,28
0,20
Kadar Air, %
156
257
365
Kekuatan Lentur, kg/cm2
29996
11421
6980
Keteguhan Lentur, kg/cm2
295
129
67
Susut Volume
26
39
48
Kelas Awet
V
V
V
Kelas Kuat
III-V
V
V
Tabel 2.4. Parameter Tipikal Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit per Kg
(Wibowo,T.F. 2011)
Material Kandungan
Komposisi (%)
Uap Air
5,40
Protein
3,00
Serat
35,00
Minyak
3,00
Kelarutan Air
16,20
Kelarutan Unsur Alkali 1%
29,30
Debu
5,00
K
1,71
Ca
0,14
Mg
0,12
P
0,06
Mn, Zn, Cu, Fe
1,07
TOTAL
100,00
Serat TKKS banyak mengandung serat disamping zat-zat lainnya. Bagian
dari tandanan yang banyak mengandung serat atau selulosa adalah bagian pangkal
Universitas Sumatera Utara
dan ujungnya yang runcing dan keras. TKKS tersebut dapat dilihat seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Ukuran diameter serat TKKS cukup bervariasi, Beberapa penelitian telah
dilakukan untuk mengamati ukuran diameter serat TKKS. Menurut Zuhri, et al
(2009), diameter serat tunggal TKKS berkisar antara 250 s.d 610 μm. Berdasarkan
publikasi Zuhri, et al (2009) dapat diketahui bahwa ukuran diameter serat tunggal
TKKS cukup bervariasi. Kairiah dan Khairul (2006) menjelaskan bahwa ukuran
diameter serat tunggal TKKS adalah 150 s.d. 442 μm. Jacob, et al (2004),
Sreekala dan Thomas (2003) juga telah menjelaskan bahwa ukuran diameter serat
tunggal TKKS berkisar antara 150 s.d 500 μm.
2.4 Busa Polimer
Busa didefinisikan sebagai penyebaran gelembung-gelembung gas yang
terjadi pada material cair dan padat. Busa berkembang menjadi rongga-rongga
mikro yang memiliki diameter 10 μm. Busa yang tersebar dalam polimer dapat
mencapai 108/cm3 (Kumar, 2005).
Pada saat ini, perkembangan penelitian telah menghasilkan karakteristik
fisik dan mekanik material busa (Klempner dan Sendijarevic, 2004). Karakteristik
Universitas Sumatera Utara
fisik tersebut meliputi faktor geometri, seperti ukuran rongga dan ketebalan
dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat karakteristik mekanik.
Material busa memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan rongga
tersebut dapat diketahui melalui pengamatan struktur mikro material busa.
Susunan rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan terbuka (open-cell) dan
tertutup (closed-cell). Pada material busa dengan susunan rongga terbuka terdapat
pemutusan dinding rongga dan bersifat fleksibel. Material busa dengan susunan
rongga tertutup tidak terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat kaku.
Perbedaan kedua jenis susunan rongga tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.3
(Klempner dan Sendijarevic, 2004).
a) Rongga Terbuka
b) Rongga Tertutup
Gambar 2.3 Jenis Material Berongga
Rongga-rongga pada polimer terbentuk akibat adanya pencampuran fase
padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat dan membentuk permukaan
material yang berongga. Busa yang dihasilkan dari polimer merupakan gelembung
udara atau rongga udara yang bergabung di dalam polimer tersebut . Gas yang
digunakan untuk membentuk busa disebut blowing agent.
Blowing agent ialah material yang digunakan untuk menghasilkan struktur
berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan pada
penelitian ini ialah polyuretan. Polyuretan adalah suatu jenis polimer yang
mengandung jaringan uretan, yaitu -NH-CO-O-. Poliuretan dibentuk oleh reaksi
Universitas Sumatera Utara
senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hidrogen aktif,
seperti diol (polyol), yang mengandung grup hidroksil dengan pemercepat reaksi
(katalis). Unsur Nitrogen yang bermuatan negatif pada isosianat akan tertarik ke
arah unsur Oksigen yang bermuatan positif pada kelompok alkohol (polyol) untuk
membentuk ikatan uretan antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer
uretan. Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida
(CO2). Gas ini yang kemudian akan membentuk busa pada material polimer yang
terbentuk. Material yang terbentuk dari campuran BA dan polimer disebut dengan
material polimer busa. Pemberian blowing agent dilakukan secara kimia dan
fisika. Blowing agent secara kimia menimbulkan dekomposisi unsur-unsur
material dalam suatu reaksi kimia. Blowing agent secara fisika terjadi akibat
adanya gas yang diberikan pada material. Busa polimer yang bersifat fleksibel
dihasilkan oleh reaksi polyurethane. Polyurethane dalam pembentukan busa
polimer juga berfungsi sebagai blowing agent. Proses pembentukan rongga dari
hasil reaksi polyurethane fleksibel berlangsung relatif cepat. Pada saat reaksi
pembentukan polyurethane terjadi pengeluaran panas (eksoterm) dengan kenaikan
temperatur mencapai 75 s.d. 1600C. Peningkatan volume yang dihasilkan
poliuerethane sekitar 20 s.d 50 kali volume mula-mula.
Menurut Sivertsen (2007), reaksi kimia pembentukan busa polimer adalah
reaksi polyisocyanante (OCN – R – NCO) dengan polyol (HO – R’ – OH)
menghasilkan polyurethane (O – OC – HN – R – NH – CO – O – R’).
2.5 Pencetakan Sistem Tekan Panas
Pencetakan Sistem Tekan Panas ini menggunakan cetakan yang ditekan
pada tekanan tinggi 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.
Gambar mesin hot press dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Universitas Sumatera Utara
3
4
2
1
Gambar 2.4 Mesin Hot Press
Keterangan gambar:
1. Rangka penahan
2. Hidrolik
3. Heater
4. Dudukan Hot Press
2.6 Sifat – Sifat Material
Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya,
pada bidang teknik mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi empat sifat.
Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
1. Sifat mekanik
2. Sifat fisik
3. Sifat teknologi
4. Sifat kimia
Universitas Sumatera Utara
Di bawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut.
(Prof. Ir. Tata Surdia MS. Met. E, 2005)
1. Sifat Mekanik
Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting
yang mendasari pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat
mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap
pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan
keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua
yaitu beban statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya
pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi
waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan
pengujian mekanik. Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak
(destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau data
yang mencirikan keadaan dari material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau
spesimen. Spesimen pengujian dapat mewakili seluruh material apabila
berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian yang
tepat hanya
didapatkan pada material uji yang memenuhi aspek
ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat
pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik
tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan,
keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur,
kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:
a. Tegangan yaitu gaya diserap oleh material selama berdeformasi
persatuan luas.
b. Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas.
c. Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan material.
d. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi material
atau kemampuan material untuk menahan deformasi.
Universitas Sumatera Utara
e. Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk
mendeformasi plastis.
f. Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan
pada ukuran mula.
g. Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah.
h. Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi
perpatahan.
i. Kekerasan yaitu kemampuan material menahan deformasi plastis
lokal akibat penetrasi pada permukaan.
2. Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat
fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan
disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan
dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material.
Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan
panas spesifik.
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik.
Sifat mekanik dapat diatur dengan serangkaian proses perlakukan fisik.
Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan dan
pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3. Sifat Teknologi
Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material
adalah sifat teknologi yaitu kemampuan material untuk dibentuk atau
diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat dengan
proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau
penempaan.
Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses
pengecoran. Sifat-sifat teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat
mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu bentuk. Sifat material
terdiri dari sifat mekanik yang merupakan sifat material terhadap
pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang ditentukan oleh
komposisi yang dikandung oleh material itu sendiri.
Universitas Sumatera Utara
4. Sifat Kimia
Sifat kimia adalah sifat yang dimiliki oleh bahan yang
berhubungan dengan tingkat reaktivitas terhadap zat lain. Yang termasuk
dalam katagori sifat kimia bahan adalah: ketahanan terhadap korosi,
aktivitas, daya larut, potensial elektrokimia dan sebagainya. Bahan yang
menunjukkan ketahanan terhadap serangan korosi disebut sebagai bahan
tahap korosi. Bahan yang dapat melarutkan bahan lain disebut sebagai
bahan pelarut. Pada prinsipnya Sifat-sifat yang dimiliki oleh suatu bahan
logam dapat diketahui dan dinyatakan atau direpresentasikan secara
kuatitatif dengan melakukan beberapa metoda pengujian.
2.7 Uji Tarik
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan
mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. 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 seperti pada Gambar 2.5 (Daniel Andri Purwanto, 2009).
Gambar 2.5 Gaya Tarik terhadap Pertambahan Panjang.
Universitas Sumatera Utara
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. Ini disebut daerah linier atau linear
zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban 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 (Fmaks) yang digunakan untuk
memutuskan/mematahkan spesimen bahan dengan luas awal
kekuatan tarik polimer lebih rendah dari baja 70 kg.f/
. Umumnya
. Hasil pengujian
adalah grafik beban versus perpanjangan (elongasi).
Tegangan yang didapatkan dari kurva tegangan teoritik adalah tegangan yang
membujur rata-rata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara
membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji itu.
=
........ (2.1)
dimana:
= Tegangan (kg/
) atau MPa
F = Gaya (N)
A = Luas Penampang (
)
Regangan yang didapatkan adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh
dengan cara membagi perpanjangan (gage length) benda uji ( atau L), dengan
panjang awal.
=
=
........ (2.2)
dimana:
= Regangan (mm/mm)
Δl = Pertambahan Panjang (mm)
Universitas Sumatera Utara
= Panjang akhir (mm)
L
= Panjang awal (mm)
Modulus elastisitas atau modulus young adalah ukuran kekakuan suatu
bahan,yang merupakan gradien bagian linear awal kurva tegangan – regangan.
E
=
........ (2.3)
dimana:
E = Modulus Elastisitas (kg/
σ = Tegangan (kg/
) atau MPa
) atau MPa
ε = Regangan (mm/mm)
Dari gambar kurva hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan
panjang kita dapat membuat hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs
strain). Selanjutnya kita dapat gambarkan kurva standar hasil eksperimen uji tarik
seperti pada Gambar 2.6 (Daniel Andri Purwanto, 2009).
Gambar 2.6 Kurva Tegangan dan Regangan Hasil Uji Tarik
Universitas Sumatera Utara
2.7.1 Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik atau kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strenght),
adalah nilai yang paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada
kenyataannya nilai tersebut kurang bersifat mendasar dalam kaitannya dengan
kekuatan material.
Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang
lintang awal benda uji.
u =
........ (2.4)
2.7.2 Deformasi
Struktur polimer cukup berbeda sehingga perilaku mekanisnya tidak selalu
sama dengan perilaku logam atau keramik nonsilikat. Pada Gambar 2.7
menunjukan perilaku hasil uji tarik pada bahan polimer yang mempunyai sifat dan
karakter yang berbeda (Sumaryono, 2012).
Gambar 2.7 Kurva tegangan-regangan untuk polimer a) getas (brittle); b) plastis;
dan c) elastomer (highly elastic)
Pada semua padatan, tegangan akan menimbulkan regangan elastis
(deformasi elastis). Regangan elastis muncul ketika ada tegangan, tetap konstan
apabila tegangannya konstan dan hilang apabila tegangannya dihilangkan.
Universitas Sumatera Utara
Deformasi elastis adalah suatu regangan yang dapat balik (reversible) seperti yang
terlihat pada Gambar 2.8 (Sumaryono, 2012). Jika suatu tegangan diberikan dalam
bentuk tarik, material akan menjadi sedikit lebih panjang, bila beban ditiadakan
material tersebut akan kembali ke dimensi semula. Sebaliknya, bila material
mengalami penekanan, material menjadi sedikit lebih pendek.
Gambar 2.8 Grafik deformasi tegangan-regangan
Pada tegangan yang lebih tinggi terjadi pergeseran tetap dari atom-atom
dalam suatu bahan disamping regangan elastis. Regangan ini tidak mampu balik
pada saat regangan ditiadakan, regangan ini disebut regangan plastis. Pada
pemakaian produk, kita selalu menghindari terjadinya deformasi plastis sehingga
perhitungan desain dilandaskan pada tegangan-tegangan didaerah elastis
(proporsional).
2.7.3 Kekuatan Luluh
Titik dimana suatu bahan apabila diberi suatu beban memasuki fase
peralihan deformasi elastis ke plastis. Yaitu titik sampai di mana penerapan
hukum Hook masih bisa ditolerir. Dalam praktek, biasanya batas proporsional
sama dengan batas elastis.
2.8 Simulasi Numerik
Untuk menyelesaikan permasalahan numerik digunakan alat bantu
software Ansys Workbench 14.5 adalah aplikasi desain yang digunakan dan diakui
Universitas Sumatera Utara
secara internasional untuk mensimulasikan Fine Element Model dan Analisis guna
memudahkan project owner, engineer dan designer untuk secara cepat
membangun model penuh berdasarkan kebutuhan.
Program Ansys ini
dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space
Administration (NASA). Perangkat ScHwendler Cotporation adalah program
analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan
perpindahan panas (heat transfer ) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan
Ansys Workbench V 14.5 kita dapat mengimport data dari SolidWorks geometri
dan CAD (Computer Aided Design ) atau dengan membuat geometri sendiri
dengan Ansys. Mesh dapat dibuat dengan banyak metode, yaitu secara manual
sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat
atau dipilih dari Ansys Workbench 14.5. Demikian juga banyak tipe kondisi batas
dan kondisi pembebanan dapat diterapkan.
Ansys Workbench V 14.5 ini juga digunakan untuk mensimulasikan semua
disiplin ilmu fisika baik statis maupun dinamis, analisis struktural (kedua-duanya
linier dan nonlinier), perpindahan panas, dinamika fluida, dan elektromagnetik
untuk para engineer. Ansys Workbench V 14.5 merupakan hal yang
memungkinkan untuk mensimulasikan tes atau kondisi kerja, memungkinkan
untuk menguji dalam lingkungan virtual sebelum pembuatan produk prototipe.
Selanjutnya, menentukan dan memperbaiki titik lemah, komputasi hidup dan
meramalkan kemungkinan masalah yang mungkin dengan simulasi 3D dalam
lingkungan virtual.
Universitas Sumatera Utara