Teknologi Terapan LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN PEMULA

  Lampiran B16 Teknologi Terapan LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN PEMULA ANALISIS PERILAKU FISIK DAN MEKANIK SERAT TUNGGAL WIDURI DAN KOMPOSIT WIDURI-POLIESTER Tahun ke-1 dari rencana 1 tahun YEREMIAS M. PELL, ST., M.ENG (Ketua) NIDN. 0008037503 DAUD P. MANGESA, ST., MT (Anggota) NIDN. 0010097107 GUSNAWATI, ST., M.Eng (Anggota) NIDN. 0020117901 UNIVERSITAS NUSA CENDANA Oktober 2016

  Penelitian tentang material komposit berbasis serta alam dewasa ini didorong oleh semangat untuk mendapatkan material baru yang selain murah tetapi juga berkualitas. Salah satu pemanfaatan material komposit serat alam yang bisa diteliti adalah sebagai pengganti material untuk konstruksi bangunan seperti balok dan tiang. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji sifat atau perilaku material komposit berbasis serat alam, khususnya serat widutri dengan matriks resin poliester. Metode penelitian terbagi dalam dua kelompok, pertama penelitian pustaka, yang diambil dari penelitian-penelitian tentang komposit widuri-poliester. Perilaku serat tunggal yang dikaji adalah densitas serat, diameter serat, kekuatan tari serat dan sifat mampu rekat antara serat widuri dan matriks resin poliester. Serat terlebih dahulu diberi perlakuan NaOH 5% dengan cara direndam selama 1 jam, 2 jam dan 3 jam. Metode penelitian kedua yaitu penelitian eksperimen. Perilaku komposit yang diteliti di sini yaitu sifat tarik dan sifat bending komposit widuri poliester, dengan orientasi serat acak. Panjang serat divariasikan 1 cm, 3 cm dan 5 cm. Hasil yang diperoleh sebagai berikut; serat widuri yang diteliti diambil dari serat kulit batang widuri dari tanaman widuri yang berbunga. Karena densitas, diameter, kekuatan tarik serat dan sifat mampu rekatnya memenuhi syarat untuk pembuatan komposit widuri poliester. Bahkan kemampuan rekat antara serat widuri dengan resin poliester sudah bisa terjadi pada panjang serat 3 mm sampai 5 mm. Artinya ini adalah panjang serat minimal yang bisa berikatan dengan resin poliester sebagai matriksnya. Selanjutnya hasil pengujian tarik komposit menunjukkan bahwa semakin panjang serat maka kekuatan tarik, regangan dan modulus elastisitas semakin tinggi. Tetapi nilai kekuatan bending tertinggi pada komposit dengan panjang serat 3 cm dan terendah pada panjang serat 5 cm. Modulus bending tertinggi pada komposit dengan panjang serat 5 cm dan terendah pada 3 cm. Hasil-hasil ini, dapat dijadikan dasar untuk penelitian lebih lanjut khususnya yang bersifat aplikasi.

  

Kata kunci : densitas serat, kekuatan tarik serat, mampu rekat, sifat tarik dan

sifat bending komposit.

  Halaman

  ……………………………………………………

  HALAMAN SAMPUL

  i ……………………………………………

  HALAMAN PENGESAHAN

  ii

  RINGKASAN ............................................................................................ iii

  ……………………………………………………………

  DAFTAR ISI

  iv

  DAFTAR GAMBAR ............................................................................... v DAFTAR TABEL

  ......................................................................................... vi …

  DAFTAR LAMPIRAN ...………………………………………… vii

  BAB I PENDAHULUAN

  ……………………………………………………

  1.1. Latar Belakang

  1 ……………………………………………

  1.2. Permasalahan

  3

  1.3. Tujuan Penelitian ............................................................................... 4

  1.4. Target Luaran .............................................................................. 4

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kajian Pustaka ...............................................................................

  5

  2.2. Teori Dasar ………………………………………………….....…

  7 ……………………………………………

  2.3. Jenis-jenis Komposit

  7 2.4. Komposit Serat Alam ..................................................................

  9

  2.5. Serat Widuri .......................................................................................... 9

  2.6. Resin Poliester .............................................................................. 11

  2.7. Perilaku/Sifat Fisik dan Mekanik Serat Tungga ...................... 12

  2.8. Perilaku Mekanik Komposit ....................................................... 15

  2.9. Fraksi Volume Serat dan Matriks ..................................................... 16

  BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1. Tujuan Penelitian ...............................................................................

  19

  BAB IV METODE PELAKSANAAN

  …

  

4.1. Lokasi Penelitian ........................………………………… 20

  …………………

  

4.2. Bahan/Sumber Penelitian ..............................…… 20

  

4.3. Proses Penelitian ................................................................................ 21

  4.4. Metode Analisa Data ...............…………………………………………

  23 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1. Densitas Serat Widuri ...................................................................

  24 5.2. Diameter Serat Widuri ...................................................................

  25 5.3. Sifat Tarik Serat Tunggal ..................................................................

  26 5.4. Sifat Mampu Rekat antara Serat Widuri dan Resin Polyester ....

  27 5.5. Sifat Tarik Komposit Widuri-Polyester ........................................

  30 5.6. Sifat Bending Komposit Widuri-Polyester .........................................

  32 BAB VI KESUMPULAN DAN SARAN

  6.1. Kesimpulan .....................……………………………………………

  34 …………………………………………………………

  6.2. Saran

  35 DAFTAR PUSTAKA

  LAMPIRAN-LAMPIRAN

  Halaman

Gambar 2.1. Klasifikasi komposit berdasarkan penguatan ……………………… 9Gambar 2.2. Klasifikasi dan contoh-contoh serat alam………………………… 9Gambar 2.3. Tanaman widuri . ............................................................... 10Gambar 2.4. Pengukuran densitas dengan prinsip Archimedes ........................... 12 Gambar 2.5. Mekanisme uji pull-out....................................................................

  14 Gambar 4.1. Spesimen Uji Tarik menurut ASTM D638-02 …………….....…

  23 Gambar 4.2. Bentuk spesimen uji bending standar ASTM D790-02…………

  23 Gambar 5.1. Serat tanpa perlakuan dan serat dengan perlakuan NaOH ........

  24 Gambar 5.2. Grafik hubungan antara panjang tertanam serat dengan IFSS......

  28 Gambar 5.3. Kurva tegangan-regangan untuk serat widuri, matriks poliester dan komposit ................................................................... 31

  Halaman

Tabel 2.1. Sifat-sifat resin polyester ................………………………

  11 Tabel 5.1. Densitas serat tunggal widuri ..............………………………

  24 Tabel 5.2. Diameter serat tunggal widuri. ...................................................

  25 Tabel 5.3. Sifat tarik serat tunggal widuri ........................................................ 26

Tabel 5.4. Hasil Pengujian Pull-out dengan Perhitungan untuk

  Interfacial Shear Strenght, IFSS ............................................... 27

Tabel 5.5. Sifat tarik komposit widuri-poliester ...…………….....…

  30 Tabel 5.6. Sifat bending komposit widuri-poliester .....................…………

  32

  Lampiran 1. Penggunaan Anggara Lampiran 2. Susunan Organisasi

Lampiran 3. Biodata Ketua dan Anggota Pelaksana

Lampiran 4 Foto-foto Kegiatan Penelitian

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Penelitian tentang material komposit berbasis serta alam dewasa ini semakin banyak dilakukan oleh banyak pihak, baik dikalangan akademisi maupun dikalangan praktisi. Hal ini didorong oleh semangat untuk mendapatkan material baru yang selain murah tetapi juga berkualitas. Ada juga semangat untuk mendapatkan material yang bisa diperbaharui dan ramah lingkungan, dan semangat yang lainnya. Semua itu akhirnya dikembangkan dalam ilmu rekayasa material. Tentang material komposit serat alam, memang belum sepenuhnya tercapai material yang diharapkan dalam semua semangat yang ada, tetapi kita sedang menuju ke sana. Oleh karena itu, material ini terus diupayakan untuk dikembangkan melalui serangkaian penelitian baik dari penelitian mendasar maupun sampai pada penerapannya.

  Komposit berpenguat serat alam muncul sebagai salah satu potensi alternatif pengganti komposit serat sintetis seperti serat kaca, serat karbon, serat aramid, serat boron dan lainnya. Beberapa jenis serat alam yang sudah diteliti dan masih dikembangkan antara lain serat rami, kenaf, rosela, sisal, bambu, hemp, nenas, pisang, melinjo, gewang, lontar, widuri dan lain sebagainya. Diantaranya adalah serat widuri dengan nama ilmiah calotropis gigantea, yang sudah pernah diteliti oleh, Ashori dan Bahreini (2009), Pell dalam publikasinya (2010, 2011 dan 2012), Wowa (2013), Agil (2013), Pa, dkk (2014), Nogo (2015), Bate (2015) dan Mengga (2015).

  Dasar pemilihan jenis serat ini dilatarbelakangi oleh dua faktor yaitu pertama jenis tanaman widuri tergolong baru untuk menjadi penguat komposit dan kedua merupakan jenis tanaman tropis yang sangat banyak tumbuh di daerah Indonesia bagian timur khususnya daerah NTT. Oleh Pell (2010) dalam penelusurannya diperoleh informasi bahwa di Kabupaten Flores Timur, serat dari tanaman widuri atau dalam bahasa setempat keroko, telah dimanfaatkan sebagai tali pancing, jala/jaring ikan, tali jangkar/sauh dan tali busur untuk memanah. Hal ini menjadi ide dasar untuk mengembangkan serat tanaman widuri melalui suatu penelitian ilmiah dalam bidang rekayasa material. Dari beberapa penelitian tentang serat widuri ini, diperoleh informasi bahwa kekuatan tarik serat tunggal widuri sangat berpotensi untuk dijadikan penguat pada komposit. Selain serat tunggalnya, tahun 2011, Pell juga sudah meneliti tentang serat widuri sebagai penguat komposit dengan matriks resin epoksi (komposit widuri-epoksi). Sedangkan para peneliti yang lain menggunakan resin poliester sebagai matriksnya. Perbedaan lain pun masih dapat dibaca dalam setiap hasil penelitian tersebut. Dengan perbedaan-perbedaan tersebut, maka pada penelitian kali ini akan dilakukaan telaah pustaka agar bisa diperoleh informasi yang lengkap khususnya tentang pemanfaatan serat widuri sebagai penguat komposit.

  Semua penelitian yang sudah dilakukan tersebut, bertujuan untuk mendapatkan informasi tentang karakteristik atau sifat mekaniknya. Hal ini penting karena dengan mengetahui karaktekristik atau sifat mekanik tersebut, maka pemanfaatan lebih lanjut dalam penerapannya dapat lebih tepat. Inilah yang belum jelas dilihat dalam penelitian-penelitian di atas.

  Suatu material ketika digunakan maka hal penting yang harus diketahui yaitu jenis material dan perilakunya. Ini berkaitan dengan kondisi dan jenis pembebanan yang harus ditangani oleh material tersebut. Kondisi pembebanan seperti pembebanan ringan, sedang atau berat. Sedangkan jenis pembebanan seperti tarik, tekan, lentur, torsi, impak dan geser. Selain kondisi dan jenis pembebanan, hal penting lainnya yaitu arah pembebanannya seperti dalam arah tegak lurus atau sejajar bidang kerja. Inilah yang menarik untuk diteliti, karena salah satu perilaku komposit sangat tergantung pada arah dan posisi material penyusunnya. Artinya, kekuatan dan kekakuan bahan bisa diatur seperti yang diinginkan.

  Salah satu pemanfaatan material komposit serat alam yang bisa diteliti adalah sebagai pengganti material untuk konstruksi bangunan seperti balok dan tiang, khususnya sebagai bingkai pintu dan jendela. Hal ini didasari bahwa bingkai pintu dan jendela, pada umumnya dari bahan kayu. Sementara disisi lain, ketersediaan kayu untuk dijadikan bahan bangunan seperti ini membutuhkan waktu yang relatif lama berkisar 15-30 tahun. Wajar saja jika harganyapun mahal. Belum lagi masalah pelestarian lingkungan hidup dengan isu global

  “selamatkanlah bumi kita.” Dan slogan-slogan lainnya, yang pada dasarnya mencegah penggunaan kayu untuk keperluan apa saja. Kondisi ini tidak sejalan dengan pertambahan penduduk, yang berdampak pada peningkatan kebutuhan untuk bahan bangunan seperti kayu.

  Tentunya ini juga harus disadari bahwa hal ini tidak serta merta terjadi, tetapi harus melalui proses penelitian yang terus menerus baik dari segi analisis, perancangan, proses manufakturnya, sampai menjadi suatu material yang benar- benar berkualitas. Selama ini yang diketahui umum bahwa untuk balok atau tiang hanya dari bahan logam, beton dan kayu. Masih sangat jarang material komposit khususnya yang berbasis serat alam dipakai untuk menggantikan ketiga material di atas. Padahal secara teoritis hal ini sangat mungkin dilakukan karena arah pembebanan pada komposit sangat bisa diatur dengan arah atau orientasi seratnya. Misalnya untuk pembebanan tarik pada sebuah tiang, maka arah serat harus diatur searah dengan arah pembebanannya, jangan diatur dalam posisi tegak lurus pembebanan.

  Jadi penelitian ini akan dicoba untuk mengkaji secara mendalam tentang potensi material komposit berbasis serat alam yaitu serat widuri dengan matriksnya resin poliester untuk diaplikasikan sebagai material alternatif pengganti kayu pada bahan bangunan khususnya bingkai pintu atau jendela. Maka untuk melengkapi dasar pemikiran tersebut maka perilaku serat tunggalnya pun harus dipahami seperti densitas, kekuatan seratnya, kemampuan berikatan antara matriks dan serat. Sehingga berdasarkan alasan-alasan ini, maka penelitian ini diangkat dalam judul, “analisis perilaku fisik dan mekanik serat tunggal

  

widuri dan komposit widuri-poliester.” Diharapkan hasil ini bisa menambahkan

  deretan informasi tentang komposit polimer berbasis serat alam dalam bidang rekayasa material.

1.2.Permasalahan

1.2.1. Rumusan Masalah

  Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan permasalahan yang akan diteliti dalam penelitian ini yaitu bagaimana menganalisa perilaku fisik dan mekanik serat tunggal widuri dan komposit widuri-poliester sebagai alternatif material pengganti kayu untuk bingkai pintu atau jendela.

1.2.2. Batasan Masalah

  Untuk memudahkan pelaksanaan penelitian dan pencapaian tujuan penelitian natinya, maka permasalahan di atas perlu dibatasi :

  1. Serat yang dipakai sebagai penguat komposit yaitu serat widuri, yang diambil dari kulit batang tanaman widuri yang sedang berbunga dan diambil di daerah Kota Kupang dan sekitarnya. .

  2. Resin yang digunakan sebagai matriks yaitu poliester.

  3. Perilaku fisik hanya pada pengujian serat tunggal yaitu pengukuran kadar air dan densitasnya. Sedangkan perilaku mekanik pada serat tunggal yaitu sifat tarik, sifat mampu basah, dan sifat mampu rekat. Untuk perilaku kompositnya yang diteliti yaitu sifat tarik, bending.

  4. Arah orientasi serat yaitu lurus dan kontinu untuk serat panjang dan acak untuk serat pendek.

  5. Fraksi volume yang digunakan yaitu 20 %, 30% dan 40%.

  6. Metode pencetakan yaitu cetak tekan pada temperatur kamar.

  1.3. Tujuan Penelitian

  Adapun tujuan umum penelitian adalah untuk menganalisa perilaku fisik (densitas dan diameter) dan mekanik (sifat tarik, sifat mampu basah/wettability, sifat mampu rekat) serat tunggal widuri dan perilaku mekanik (sifat tarik dan sifat bending) komposit widuri-poliester sebagai alternatif material pengganti kayu untuk bingkai pintu atau jendela.

  1.4. Target Luaran

  Temuan yang menjadi target dan bisa diterapkan dalam rangka menunjang pembangunan ipteks-sosbud, dari penelitian ini adalah menghasilkan material komposit yang dapat dipakai sebagai balok ataupun tiang menggantikan kayu pada konstruksi bangunan khususnya untuk bingkai pintu dan jendela. Material yang dihasilkan ini diharapkan selain memiliki perilaku mekanik yang baik tetapi juga memiliki perilaku fisik yang berkualitas seperti bernilai artistik. Artistik yang dimaksud disini yaitu penampilan fisik dari komposit ini, yaitu susunan serat bisa dilihat secara nyata. Sehingga penggunaannya sebagai balok ataupun tiang pada bingkai pintu dan jendela dapat memenuhi syarat kuat dan indah.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Kajian Pustaka

  Alasan untuk memilih serat alam dalam penggunaan sebagai bahan penguat komposit menurut beberapa peneliti antara lain Mallick (2007), mengemukakan secara lebih lengkap tentang alasan-alasan memilh serat alam untuk penguatan komposit yaitu pertama, lebih ramah lingkungan di mana serat lebih

  

biodegradable , tidak seperti serat glass dan serat karbon, konsumsi energi untuk

  menghasilkannya lebih kecil. Kedua, berat jenis serat alam lebih kecil, dalam kisaran 1,25 ÷1,5 g/cm³ dibandingkan serat E-Glass (2,54 g/cm³) dan serat karbon 1,8 ÷ 2,1 g/cm³.. ketiga, untuk beberapa jenis serat alam mempunyai rasio berat-modulus lebih baik daripada serat E-glass, ini berarti bahwa serat alam sangat kompetitif dengan serat E-glass dalam desain kekakuan (stiffness-

  

critical) . Keempat, komposit serat alam mempunyai daya redam akustik lebih

  tinggi dibanding komposit serat kaca dan serat karbon, hal ini berarti sangat cocok untuk peredaman suara. Dan kelima, serat alam lebih ekonomis dibanding serat glass dan serat karbon.

  Pell (2010), secara khusus mengemukakan temuannya tentang alasan penggunaan serat widuri sebagai penguat komposit karena, pertama serat widuri sudah pernah dijadikan sebagai tali pancing, jala ikan dan tali busur oleh sebagian

  3

  masyarakat di Flores Timur. Kedua, densitas serat widuri adalah 1,16 g/cm . Dan ketiga, kekuatan tarik serat tunggal widuri sebesar 270,68MPa - 515,4 MPa. Ketiga alasan ini menurut Pell menunjukkan bahwa serat widuri tergolong dan memenuhi syarat ringan dan kuat. Ini juga berarti bahwa serat widuri berpotensi untuk digunakan sebagai penguat dan pengisi pada material komposit.

  Berdasarkan informasi awal yang disampaikan oleh Pell tahun 2010 dan sudah dipublikasikan sampai tahun 2012. Pell (2010-2012) sudah meneliti tentang karakteristik serat tunggal widuri dan komposit widuri epoksi. Serat widuri yang digunakan Pell, diambil dari kulit batang tanaman widuri tanpa spesifikasi lebih lanjut dari tanaman tersebut. Penelitian komposit berpenguat serat widuri selanjutnya dilakukan oleh Pa (2013-2014), Wowa dan Agil di tahun (2013). Serat widuri yang diteliti dibagi dalam 3 kelompok yaitu dari tanaman widuri sebelum berbunga, sedang berbunga dan sedang atau sudah berbuah. Penelitian dari Pell, Pa, Wowa dan Agil ini kemudian menjadi dasar selanjutnya bagi peneliti lain untuk serat widuri. Pa tahun 2013 sudah meneliti kembali tentang densitas, diameter, kandungan air dan kekuatan tarik serat widuri pada ketiga kelompok tanaman widuri di atas. Sedangkan Wowa secara khusus meneliti tentang karakteristik serat widuri akibat perlakuan NaOH 5% terhadap wettability dan sifat mampu rekat antara serat widuri dengan resin poliester. Wettability diperoleh melalui pengukuran sudut kontak antara serat dan resin poliester sedangkan sifat mampu rekat diperoleh melalui pengujian pull-out. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan perlakuan NaOH pada serat memberikan sifat wettability yang baik. Dan nilai kekuatan geser antar muka (interfacial shear strenght/IFSS) antara serat dan resin yaitu semakin panjang serat tertanam, nilai IFSS-nya semakin kecil.

  Setelah Wowa berhasil membuktikan bahwa antara serat widuri dan resin poliester bisa berikatan dengan baik, maka Agil (2013), melakukan penelitian tentang sifat tarik dan impak pada komposit widuri-poliester untuk serat kontinu. Hasilnya menunjukkan bahwa pada kondisi serat dari tanaman sedang berbunga, nilai kekuatan tarik dan impaknya lebih tinggi daripada kondisi tanaman sebelum berbunga dan sedang berbuah. Sedangkan perlakuan NaOH 5 % pada serat, diperoleh hasil bahwa pada perlakuan 2 jam memberikan nilai kekuatan tarik dan impak yang lebih tinggi.

  Penelitian komposit widuri-poliester selanjutnya dilakukan oleh Nogo (2015) tentang sifat bending (kekuatan, modulus elastisitas dan momen bending) pada fraksi volum yang berbeda yaitu 20%, 30% dan 40%, dengan penguatan serat kontinu dalam arah 0 . Hasilnya pada fraksi volum 30% dan 40% memiliki sifat bending yang lebih tinggi dari fraksi volum 20%. Nilai-nilai dari ketiga parameter sifat bending yang lebih tinggi ini diperoleh untuk kondisi serat dari tanaman widuri yang berbunga dan berbuah, sedangkan pada kondisi serat dari tanaman sebelum berbunga memberikan nilai kekuatan bending, modulus elastisitas bending dan momen bending yang rendah.

  Setelah Pa, Wowa, Agil dan Nogo, komposit widuri-poliester selanjutnya diteliti oleh Bate dan Mengga tahun 2015. Ketiganya meneliti tentang pengaruh panjang serat (3 mm, 5 mm dan 7 mm) dan fraksi volum (20%. 30% dan 40%) terhadap sifat mekanik komposit ini, dengan orientasi serat acak. Bate meneliti tentang sifat bending, Mengga meneliti tetang sifat tarik dan Banola meneliti tentang sifat impak. Serat widuri yang digunakan dalam penelitian yaitu dari kulit batang tanaman widuri yang sedang berbunga. Bate menyampaikan dalam hasilnya yaitu bahwa dengan bertambahnya fraksi volum dan panjang serat, tidak memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sifat bending kompositnya. Dengan kata lain komposit yang diteliti memiliki sifat bending yang relatif hampir sama pada keadaan di atas. Hasil yang sama juga disampaikan oleh Mengga dan Banola, yaitu bahwa dengan bertambahnya fraksi volum dan panjang serat, tidak memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sifat tarik dan impak pada kompositnya.

2.2. Teori Dasar

2.2.1. Pengertian Komposit

  Material komposit merupakan campuran atau gabungan dua atau lebih penyusun yang berbeda dalam bentuk dan komposisi, di mana mereka tidak saling melarutkan. Matriks merupakan body constituent yang memberi bentuk pada komposit, sedangkan serat, partikel, lamina, flakes dan filler merupakan

  

structural constituent yang menentukan internal structure dari komposit

(Schwartz, 1984).

  Gibson (1994), memberikan pengertian material komposit adalah penggabungan dari dua atau lebih material ke dalam satu unit struktur yang mempunyai sifat-sifat yang tidak dapat dipenuhi apabila material-material tersebut masih berdiri sendiri atau sebelum digabung.

  Akovali (2001) , memberikan pengertian komposit secara umum digambarkan sebagai kombinasi dua atau lebih komponen yang berbeda, bentuk atau komposisi dalam macroscale, dengan dua atau lebih fasa terpisah dan mempunyai ikatan interfaces diantara mereka.

2.3. Jenis-jenis Komposit

  Jenis-jenis komposit menurut Jones, (1999 ) dibagi dalam empat kelompok yaitu:

  1. Fibrous composite materias (komposit berpenguat serat) yaitu terdiri dari serat dan matriks.

  2. Particulate composite materials (komposit berpenguat partikel) yaitu terdiri dari partikel-partikel dan matriks.

  3. Laminated composite materials (komposit laminat), yaitu terdiri lapisan- lapisan lamina.

  4. Kombinasi dari beberapa atau ketiga jenis di atas.

  Pada gambar di bawah ini dapat dilihat pembagian komposit berdasarkan penguatan, yaitu :

Gambar 2.1. Klasifikasi komposit berdasarkan penguatan

  (sumber: dari berbagai sumber)

2.4. Komposit Serat Alam

  Dalam gambar 2.1. dapat dilihat bahwa salah satu penguat pada komposit yaitu serat. Secara umum ada 2 jenis serat yaitu serat sintetis atau serat buatan melalui proses pabrikasi, dan serat alam yaitu serat yang bisa diambil langsung dari alam. Sebagai penguat, semua serat harus mempunyai kekakuan yang lebih tinggi daripada matriks, sehingga mampu berfungsi sebagai penahan beban. Berdasarkan bahan baku serat, maka serat alam dapat dikelompokan seperti dalam gambar 2.2.

Gambar 2.2. Klasifikasi dan contoh-contoh serat alam (Mohanty, dkk.

  2005, Bismarck, dkk. 2005, Pell, 2010)

2.5. Serat Widuri

  Serat widuri merupakan salah satu serat alam yang berasal dari tanaman widuri. Tanaman widuri dengan dengan nama ilmiah calotropis gigantea merupakan jenis tanaman tropis dan dan sub tropis yang biasa tumbuh di daerah dataran rendah bahkan lebih cocok di daerah pesisir pantai. Beberapa nama daerah untuk tanaman widuri antara lain, Sumatera: rubik, biduri, lembega, rembega, rumbigo. Jawa: babakoan, badori, biduri, widuri, saduri, sidoguri, bidhuri, burigha. Bali: Manori, maduri. Nusa Tenggara: muduri, rembiga, kore, kroko, kolonsusu, modo kapauk, modo kampauk. Sulawesi: rambega. Dari nama-nama ini menunjukkan bahwa Indonesia termasuk daerah penyebaran anaman ini. Nusa Tenggara Timur (NTT) secara khusus termasuk daerah yang sangat berpotensi untuk menjadi daerah tumbuh kembang dan penyebaran tanaman ini. Walaupun sampai sekarang belum ada satupun literatur yang bercerita tentang potensi tanaman widuri di NTT, tetapi pembuktian itu bisa diperoleh hanya dari penelitian-penelitian parsial tentang penggunaan tanaman ini sebagai penguat pada komposit. Itu pun sangat terbatas, paling tidak sampai saat ini.

  Ciri-ciri tanaman widuri sebagai berikut: akar tunggang, tinggi sekitar 2-3 m, berkayu silindris dengan diameter batang terbesar jika sudah berumur lebih dari 3 tahun sekitar 8 cm dan sudah berbuku-buku, warna batang putih kotor

  (krem), jika masih dibawah umur 1 tahun permukaan batang halus dan warnanya masih agak hijau, percabangan simpodial (batang utama tidak tampak jelas). Mempunyai daun tunggal tidak bertangkai (sesilis), tersusun berhadapan (folia oposita), karena ada serbuk putih yang menempel pada permukaan daun sebelah menyebelah sehingga kelihatan warna daun hijau keputih-putihan, panjang daun 8-20 cm dengan lebar 4-15 cm, agak tebal sehingga tidak mudah lentur, bentuk daun bulat telur, ujung tumpul (obtusus) sedangkan pada bagian pangkal berbentuk hati/berlekuk (emerginatus), pinggir daun rata tidak bergerigi, pertulangan menyirip (pinnate), permukaan kasap (scaber). Bunga majemuk, muncul dari ketiak daun (axillaris), bertangkai panjang, kelopak berwarna putih keungu-unguan, bunga berwarna ungu terdiri dari 5 bagian yang simetris dan pada ujung/puncak bunga terdapat bintang kecil berwarna kuning yang membagi kelima bagian bunga itu, sehingga dalam bahasa Inggris disebut sebagai crown

  

flower . Buah bumbung (folliculus), bulat telur, warna hijau, bagian dalam buah

  terdapat biji yang menempel pada tulang tengah buah dan pada setiap biji tersebut mempunyai benang yang sangat halus dengan panjang sekitar 3 cm. Bentuk biji lonjong, kecil - berwarna cokelat. Perkembangbiakan secara generatif (biji) dengan cara penyebaran oleh angin. Gambar tanaman widuri dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 2.3. Gambar tanaman widuri Ada 2 jenis serat widuri yaitu dari buah widuri dan dari kulit batang widuri. Serat buah widuri diperoleh dari rambut yang menempel pada biji yang terdapat dalam buahnya. Warna rambut putih dan sangat halus. Dapat dijadikan serat untuk bahan tekstil. Sedangkan serat kulit batang diperoleh dari kulit batang widuri, yang berada terbungkus dalam lapisan kulitnya. Sehingga untuk mendapatkan serat ini, perlu diekstrak lebih lanjut. Serat kulit batang inilah yang berpotensi baik sebagi penguat pada komposit.

2.6. Resin Poliester

  Unsaturated polyester (UPE) resin atau sering disebut resin poliester,

  digunakan dalam berbagai industri manufaktur dan lainnya. Di pasaran, bentuk UPE berupa cairan kental/liquid dengan viskositas rendah. Setelah dicampurkan dengan katalis, dapat mengeras pada suhu kamar. Terdapat 2 kategori penggunaannya yaitu sebagai matriks yang diperkuat (reinforced) dan yang tidak diperkuat (nonreinforced). Sebagai matriks yang diperkuat dipakai pada material komposit, seperti komposit poliester yang diperkuat serat kaca. Sebagai komposit, penerapannya seperti pada industri maritim (kapal), otomotif, panel bangunan, pipa, tangki, dan sebagainya. Sedangkan untuk kategori nonreinforced digunakan seperti pada bola boling, pelapisan, dan sebagainya. Sifat-sifat poliesetr dapat dilihat dalam tabel 2.1. berikut ini.

Tabel 2.1. Sifat-sifat resin poliester

  Sifat Satuan Nilai spesifik Keterangan 1,215

Berat jenis 25 -

  C Kekerasan -

  40 Borcol/GYZJ934-1 ₂

  70 - Suhu dostorsi panas C ₂ - Kekuatan bending kg/mm 9,4 Modulus bending kg/mm 300 - ₂ Daya rentang kg/mm - 5,5 ₂

• Modulus elastisitas kg/mm 300
• Perpanjangan % 2,1 Penyerapan air % 0,188 24 jam

  Sumber: PT. Justus Kimia Raya, 1996

2.7. Perilaku/Sifat Fisik dan Mekanik Serat Tunggal

  2.7.1. Densitas Serat

  Massa jenis atau densitas adalah suatu besaran kerapatan massa benda yang dinyatakan dalam berat benda per satuan volume benda tersebut. Simbol densitas yaitu . Besaran massa jenis dapat membantu menerangkan mengapa benda yang berukuran sama memiliki berat yang berbeda, atau misalnya benda yang lebih besar secara volume tetapi lebih ringan dari benda yang lebih kecil. Berdasarkan pengertian di atas, maka secara matematis rumus umum untuk menghitung densitas adalah:

   = m/v ................................................................................... (2.1)

  3

   Dimana: = densitas, gr/cm m = massa benda, gr

  3

  v = volume benda, cm Salah satu metode untuk menghitung densitas serat adalh dengan menerapkan prinsip Archimedes, seperti pada gambar 2.5.

Gambar 2.4. Pengukuran densitas dengan prinsip

  Archimedes Berdasarkan prnsip ini maka densitas serat dapat dihitung dengan persamaan:

  M fa ρ b = ρ s ——— ………………………………………………… (2.2)

  M - M

  fa f

  3 Di mana: ρb

  = densitas curah serat ; gr/cm ρ s = adalah densitas larutan ; gr Mfa = adalah berat serat di udara; gr Mfs = adalah berat serat setelah dicelupkan dalam larutan; gr

  2.7.2. Sifat Tarik Serat Tunggal

  Perilaku mekanik serat tunggal yang pertama yaitu sifat tariknya, yang terdiri dari kekuatan serat, regangan dan modulus elastisitas serat. Persamaan untuk menghitung ketiga perilaku mekanik ini sebagai berikut:

  1. Kekuatan Tarik

  Kekuatan tarik serat diartikan sebagai besarnya beban yang bekerja pada penampang melintng seratnya. Dalam hal ini penampang serat dianggap berbentuk lingkaran, sehingga secara matematis dapat ditulis persamaannya yaitu:

  …………………………………………….. P

  (2.3)  s =

  A di mana: σ s = tegangan tarik maksimum, MPa P = beban tarik, N A = luas penampang serat rata-rata, mm²

  2. Regangan Tarik Regangan tarik serat diartikan sebagai deformasi tiap satuan panjang serat, akibat pengaruh beban yang diberikan. Regangan serat dapat dihitung dengan persamaan:

  Δ l ............................................................................. (2.4)

  s =  l s

  di mana: ε = regangan bahan, % Δ l = penambahan panjang serat, mm

  L = panjang mula-mula serat sebelum ditarik, mm

  3. Modulus Elastisitas Modulus elastis suatu bahan dapat dihitung dengan perbandingan tegangan dan regangan tariknya, pada daerah elastis. Untuk serat keadaan ini sangat sulit diperoleh. Oleh karena itu diperlukan metode khusus untuk mendapatkan nilai modulus elastis serat. Secara matemaris persamaan untuk menghitung modulus elastisitas serat adalah:

  σ

  s

  E s = — ......……….................…………………… (2.5) ε

  s

  di mana: E s = modulus elastisitas serat, GPa

2.7.3. Sifat Mampu Rekat Serat dan Resin/Matriks

  Perilaku ikatan antar muka (interfacial) antara serat dan matriks selanjutnya dapat ditentukan melalui pengujian pull-out. Pengujian pull-out dilakukan untuk mendapatkan tegangan geser antar-muka (interfacial shaer

  

strenght/IFSS ) antara serat dan matrik, serta memberi informasi perilaku

kegagalan serat-matrik akibat kompatibilitas dua bahan yang rendah.

  Pengujian pull-out secara sederhana dapat dijelaskan dari Gambar 2.6. (a), di mana serat tunggal ditanam di dalam matriks dengan kedalaman tanam sebesar lx kemudian diberi beban tarik aksial sebesar P. Beban P diharapkan mampu mencabut serat yang tertanam dan diasumsikan tegangan geser di sepanjang permukaan serat tertanam adalah seragam.

  Nilai tegangan geser antara matrik dan serat dapat dihitung dari besarnya beban yang digunakan untuk memutuskan/mencabut serat dari matrik dengan menggunakan persamaan, diambil dari gambar 2.6:

  ………………………………… F

  (2.6) τ

  =

  π d l _x

  Di mana: F = beban maksimum, N d = diameter serat, mm L = panjang serat tertanam, mm

  Dengan asumsi tegangan geser yang dialami permukaan serat adalah sama pada setiap titiknya, maka IFSS dapat dihitung dengan persamaan kesetimbangan gaya (gambar 2.6.b), sebagai berikut:

  Serat Matriks Serat P

  Panjang serat bebas, 25.4 cm df Kedalaman

  L serat (a) _τ

  σ (b) Gambar 2.5. Mekanisme uji pull-out; (a). Spesimen uji pull-out serat tunggal, (b).

  Kesetimbangan gaya tarik aksial dan gaya geser interfacial antara permukaan serat dan matrik, (Pell, 2010) Dari gambar 2.5. di atas, selanjutnya dirumuskan sebagai berikut:

  P aksial = P geser

  2

  πd σ — = τ π d

  f L

  4 τ d

  σ …………………………………..

  f = ——

  (2.7)

  4 L Dimana : τ

  = tegangan geser interfasial/IFSS (MPa) σ

  s = tegangan tarik serat (MPa)

  d = diameter serat (mm) L = panjang serat tertanam (mm). Persamaan 2.7 di atas menunjukkan bahwa tegangan tarik serat bervariasi secara linier dengan jarak dari ujung seratnya, seperti yang diperlihatkan dalam

gambar 2.5. Jika panjang serat keseluruhannya adalah L maka secara teoritis distribusi tegangan serat akan bernilai maksimum pada jarak L/2. Sehingga

  persamaan 2.7 menjadi : 2 τ L …………………………………

  σ max = —— ............... (2.8) s

  d Nilai batas yang lain dari tegangan maksimum serat adalah kekuatan tarik serat (S f ). Dalam hubungan dengan panjang serat ini, maka persamaan 2.9 dapat ditulis kembali menurut Gibson (1994), sebagai: : d S

  f …………………………………...............

  L c = —— (2.9)

  τ

  2 Hasil uji pull-out dapat memberikan harga tegangan geser antar-muka serat matrik yang diyakini merupakan salah satu faktor penentu sifat kekuatan

  interlaminat komposit.

2.8. Perilaku Mekanik Komposit

2.8.1. Perilaku/sifat Tarik Komposit

  Untuk mengetahui perilaku/sifat tarik komposit dilakukan pengujian tarik dengan

spesimennya sesuai standar ASTM D.638-02. Dengan uji tarik ini dapat diketahui

perilaku atau sifat-sifat mekanis yang lain dari material komposit ini yaitu batas elastisitas

dan kekuatan luluh. Kekuatan tarik komposit dapat diketahui dengan persamaan :

  F σ ………………………………………………….. t = ——

  (2.10) A o

  σ dimana : t = tegangan tarik komposit, MPa F = beban tarik, N ₂ A = luas penampang awal, mm _o Regangan komposit dapat diketahui dengan persamaan :

  Δ L ε …………………………………………….. t = —— x 100 %

  (2.11) L Modulus elatis kemudian dihitung dengan persamaan : σ t c …………………………………………………….. Et = ——

  (2.12) ε t Dimana : Et = modulus elastis komposit, (GPa)

  σ t = tegangan tarik komposit, (MPa) ε t = regangan patah komposit, (%).

2.8.2. Perilaku/Sifat Bending Komposit Kekuatan bending adalah kemampuan material menahan beban tekan dari luar.

  

Dalam pengujian bending defleksi akan terjadi pada titik pembebanannya sehingga dapat

diketahui hubungan antara defleksi dan tegangannya. Tegangan bending ini dapat

dihitung dengan persamaan yang mengacu pada standar ASTM D790-02 yaitu metode

: tree-point bending ₂ σ ……………………………………………….. _{b = 3PL/2bd b}

  (2.13) Dimana : σ = tegangan bending (MPa) _b P b = beban bending (N) L = panjang spesimen (mm) b = lebar specimen (mm) d b = tebal specimen (mm)

2.9. Fraksi Volume Serat dan Matriks

  Salah satu faktor penting yang menentukan karakteristik dari komposit adalah

perbandingan matrik dan penguat/serat. Perbandingan ini dapat ditunjukkan dalam bentuk

fraksi volume serat (υf) atau fraksi berat serat (wf). Namun formulasi kekuatan komposit

  

lebih banyak menggunakan fraksi volume serat. Menurut Gibson (1994), fraksi volume

serat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut: a. Fraksi volume serat dan matriks :

  …………………… (2.16) dimana :

  a. Fraksi berat serat dan matriks : ………………………….

  (2.17) dimana : Jika diketahui densitas serat maka : …………………………………………

  (2.18) Dalam bentuk berat maka persamaan di atas dapat ditulis : W _{f f f}

  V 1 ρ ……………… w = —— = ρ —— - —— = —— V (2.19.a) _{f f f} W c

  V c ρ c ρ c W _{m m m}

  V 1 ρ ……………… w m = —— = ρ m —— - —— = —— V m (2.19.b) W c

  V c ρ c ρ c Dalam bentuk volume maka persamaan di atas dapat ditulis :

  ρ c V = —— W dan _{f f}

  ρ f

  ρ c ................................................................... (2.20) V f = —— W m

  ρ m

TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

  3.1. Tujuan Penelitian

  Adapun tujuan umum penelitian adalah untuk menganalisa perilaku fisik (densitas dan diameter) dan mekanik (sifat tarik, sifat mampu rekat) serat tunggal widuri dan perilaku mekanik (sifat tarik dan sifat bending) komposit widuri-poliester sebagai alternatif material pengganti kayu untuk bingkai pintu atau jendela.

  3.2. Manfaat Penelitian

  Maanfaat penelitian ini adalah:

  1. Mendapatkan material alternatif pengganti kayu untuk bingkai pintu dan jendela.

  2. Memanfaatkan tanaman yang dianggap liar sekaligus menaikkan nilai ekonominya.

  3. Bisa mendatangkan peluang lapangan kerja baru.

  4. Dapat dijadikan referensi dan bahan studi atau eksperimen selanjutnya dengan variabel lain.

METODE PENELITIAN

  4.1. Lokasi Penelitian

  Penelitian ini sudah dilakukan di Universitas Nusa Cendana (Undana) dan pengambilan data sebagian di Laboratorium Bahan Politeknik Negeri Kupang dan yang lainnya sudah dilakukan di Laboratorium Bahan Jurusan Teknik Mesin dan Industri UGM, Yoyakarta.

  4.2. Bahan dan Sumber Penelitian

  Bahan yang dimaksudkan di sini yaitu bahan untuk pembuatan komposit yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

  1. Serat widuri yaitu serat yang diambil dari kulit batang tanaman widuri.

  2. Resin poliester

  3. Katalis

  4. NaOH padat

  3

  5. Air Demineralized dengan densitas 0,6 gr/cm Sedangkan alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

  1. Waskom, untuk merendam serat dengan NaOH 5% 2. Gunting, untuk memotong serat sesuai ukuran yang diingnkan.

  3. Jangka sorong, untuk mengukur dimensi spesimen.

  4. Timbangan digital, untuk mengukur berat serat dan resin dalam penentuan fraksi volume serat.

  5. Seperangkat alat untuk mengukur densitas serat.

  6. Seperangkat alat untuk mencetak spesimen uji mampu rekat (uji pull-out).

  7. Seperangkat alat cetakan untuk komposit.

  8. Seperangkat alat untuk pembuatan spesimen uji mampu basah (uji wettability).

  9. Mikroskop optik.

  10. Kamera digital.

  11. Mesin uji universal, untuk pengujian tarik komposit.

  12. Mesin uji bending.