Sifat Tarik Komposit Unsaturated Polyester Serat Sisal Lokal.
DAFTAR ISI
ii
iii
Kata Pengantar
Daftar Isi
Makalah KNEP IV - 2013
iii
Grup Engineering Perhotelan
, 5 & # 6&
2 .$ &! # /
"
3
/ 7 5& 5 869 :
&; 8# : 2
#
Grup konversi energi
! 2 " (
#1'
"$#-
+&
" # / 3-"
'!
"
# $
1 #"( #-&
1 #?%
4 2 5 6
5 #"
# 1
3
$ ! ; 2 " 8
@
, $ / 9; , ; A &5
8 9,A: 2 ' '
#1'!"
*
1 55 2
-
5
2 &&"
(#" ! &
#"
1
!#1
"&!8
)
,
& 8 1 & 15 B: 3 !
&!
#"
1
C
/ & 2
. &
0
/2
4/
47
22
27
92
9:
0:
;7
#$-
# >
( , ( F /5 & 5
# >&2% 2 " # =
#
-
! &&
#$)
9 ( 5 (+ 2
' ' '"
# ' $
#$C
2
'
# =
# '
!$
#$
! 5
! ( # .
!8
#"
' ' $
#$
, & 5 2 " # '
#
$
!
Grup Bidang Umum
(%
/ , # $
( & !
& 2 '!"
5
(%
# 5 % / (; #
2 ,
! '%$
"
!&'$
(%
! 5 B 5 8#>:
! 2 '$
'
# ' '' "
(%3
!
; ! ? '
'
(%@
! $ , > $ 2
' ' " $
Jadwal Lengkap KNEP IV - 2013
B
042
04:
020
092
09:
000
0;/
0;0
07/
077
@
Sifat tarik komposit unsaturated polyester serat sisal local
NPG. Suardana, I Made Astika , Ikhsan Dwi Gusmanto
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana, Bali-Indonesia
npgsuardana@me.unud.ac.id
Abstrak
Serat alam ada banyak jenisnya, salah satunya adalah serat sisal. Pada studi ini, serat sisal diekstrak
dari daun tanaman sisal (Agave sisalana) yang dibudidayakan di Bali. Serat sisal digunakan sebagai
penguat polimer komposit. Orientasi serat dan perlakuan kimia serat sisal dengan NaOH dilakukan
untuk membuat komposit polimer serat sisal tersebut. Kombinasi orientasi serat (longitudinal atau
transversal) dengan serat tanpa perlakukan dan dengan perlakuan alkali dicetak dengan matrik
unsaturated polyester (UP) untuk diukur perilaku tarik komposit tersebut. Kombinasi orientasi serat
longitudinal dengan perlakuan NaOH memiliki sifat tarik terbaik dibandingkan dengan kombinasi lainnya.
SEM morfologi juga menunjukkan peningkatan adhesi antara serat dengan matrik UP untuk orientasi
serat longitudinal. Studi ini menunjukkan serat sisal lokal Bali dapat digunakan sebagai penguat
komposit polimer.
Kata kunci: serat alam, orientasi serat, perlakuan kimia, komposit, sifat tarik
Abstract
There are many kinds of natural fibers, one of them is sisal fiber. In this study, sisal fiber was extracted
from the leaves of the sisal plant (Agave sisalana) that was cultivated in Bali. Sisal fibers were used as
reinforcement of polymer composite. Fiber orientations and chemical treatment of the sisal fiber with
NaOH were performed for sisal fiber polymer composites. The combination of fibers orientation
(Longitudinal or transversal) with untreated and alkali treated fibers were compounded with unsaturated
polyester (UP) matrix for measuring tensile behavior. The combination of longitudinal fiber orientation
with NaOH chemical treatments has the best tensile properties compared to the other combination.
SEM morphology also demonstrated increased adhesion between sisal fibers and UP matrix with NaOH
treatments for longitudinal orientation. This study shows the potential of local sisal fiber to be used as
reinforcement of the polymer composites.
Keywords: natural fiber, fiber orientation, chemical treatment, composite, tensile properties
1. Latar belakang
Sifat-sifat serat alam dari hasil pertanian dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu kondisi dimana pohon
penghasil serat tersebut tumbuh, kematangan bahan serat, umur pohon, metode ekstraksi serat dan sebagainya
[1,2]. Salah satu produk pertanian yang bisa digunakan seratnya berasal dari pohon sisal (Agave Sisalana). Serat
sisal yang dihasilkan dari berbagai negara telah banyak diteliti, termasuk yang dari Indonesia. Beberapa hasil
penelitian karakteristik serat sisal yang telah dipublikasikan dan dirangkum oleh Yan Li, et al (2000) [3] seperti
tabel berikut ini
Tabel 1. Sifat-sifat serat sisal.dari beberapa penelitian.
Kekuatan tarik (MPa)
530-630
500-600
347
530-640
604
450-700
450-700
400-700
Modulus Elastisitas (GPa)
17-22
16-21
14
9.4-22
9.4-15.8
7-13
7-13
9-20
Regangan Max. (%)
3.64-5.12
3.6-5.1
5
3-7
4-9
4-9
5-14
Peneliti
Murherjee, styanarayana 1984
Pavitan, et.al 1987
Bessel, Mutuli, 1988
Chand, et al. 1988
Satyanarayana,et.al 1990
Prasantha, et.al. 1995
Manikandan, et. Al. 1996
Kalaprasad, et.al. 1997
Peneliti lainnya juga telah pula melakukan penelitian yang sama yaitu Fung, et al. (2001) [5] meneliti serat
sisal dari Guangdong China diperoleh kekuatan tarik 495.6 MPa, Modulus elastisitas 12.9 GPa, regangan tarik
saat patah 3.8%. Joseph et. al (2002) [4] meneliti serat sisal yang beasal dari India diperoleh tegangan tarik 400700MPa, modulus elastisitas 9 – 20 GPa dan regangan tarik saat patah 5-14%. Kim dan Netravali (2010) [6]
memperoleh kekuatan tarik, regangan patah dan modulus Young serat sisal dari Mexico masing-masing 283.5
MPa, 7.84%, and 5.24 GPa. Berdasarkan hasil penelitian kami serat sisal lokal Bali memiliki kekuatan tarik
426.91MPa, regangan maksimum 4.56% dan modulus Young 10.41GPa.
Banyak faktor yang berpengaruh terhadap sifat mekanik komposit seperti sifat-sifat komponen pembentuknya
termasuk kemampuan saling ikat diantara komponen-komponen tersebut atau sering disebut ikatan antar
permukaan serat dan matrik, fraksi volume atau berat, aspect ratio, perlakuan kimia, arah serat dan sebagainya.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
549
Untuk memperbaiki kemampuan ikat antara serat dan matriknya maka salah satunya bisa dilakukan dengan
perlakuan kimia pada serat tersebut. Perlakuan kimia yang paling banyak dan umum dilakukan untuk
meningkatkan kekuatan tarik komposit adalah perlakuan alkali. Banyak peneiliti telah meneliti serat sisal untuk
memperkuat polimer seperti Sisal- Low-density polyethylene,sisal-Polyester, sisal-epoxy, sisal-polypropylene,
sisal-phenol-formaldehyde, sisal-polyvinyl-acetate, and sisal-starch-based, sisal-urea formaldehyde [7].
Berdasarkan latar belakang di atas dan beberapa studi yang telah dilakukan peneliti sebelumnya serta sifat
tarik serat sisal lokal Bali yang tidak kalah dengan serat sisal dari berbagai negara maka pada studi ini dipilih
serat lokal tersebut sebagai penguat komposit unsaturated polyester. Serat juga diberi perlakuan NaOH dan
diposisikan dalam arah longitudinal (sejajar arah pembebanan) dan transversal (tegak lurus arah pembebanan)
Komposit ini dievaluasi kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitasnya.
2.
Prosedur eksperimen
2.1. Bahan
Bahan-bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah polimer unsaturated Polyester, NaOH
hardener MEKPO, gliserin dan aquades diperoleh dari toko bahan kimia di Denpasar. Serat sisal diperoleh dari
desa Kubu Karangasem Bali
2.2. Perlakuan serat
Pertama,serat sisal direndam pada air mendidih selama 30 menit. lalu dikeringkan di dalam oven dengan
0
suhu 100 C selama 1 jam dan selanjutnya dikeringkan pada suhu ruang selama 12 jam. Setelah itu serat
direndam pada larutan 5% NaOH dengan perbandingan 20 ml larutan untuk 1 gr serat selama 2 jam pada suhu
ruang, selanjutnya serat dicuci dengan air kran mengalir untuk menghilangkan larutan NaOH yang masih
0
menempel pada serat dan kemudian dikeringkan dalam oven dengan suhu 100 C selama 1 jam dan selanjutnya
dibiarkan pada suhu ruang selama 12 jam.
2.3. Pembuatan komposit
Proses pembuatan komposit unsaturated polyester dengan penguat 30% fraksi volume serat sisal
menggunakan teknik Hand lay up press mold dengan beban 20 N. Komposit dibuat dalam dua jenis perlakuan
yaitu dengan perlakuan dan tanpa perlakuan alkali sebagai pembandingnya dan dua jenis arah serat yaitu arah
longitudinal dan transversal. Resin polyester dicampur dengan hardener 1% sebagai pengeras. Komposit yang
0
telah dikeluarkan dari cetakan dimasukan ke dalam oven dengan suhu 100 C selama 1 jam untuk proses post
curing, Komposit kemudian dipotong menjadi spesimen benda uji.
2.4. Uji Komposit
Pengujian dilakukan dengan mesin uji Universal Testing Machine Person Parke. Spesimen pengujian tarik di
bentuk menurut standar ASTM D 3039. Dengan jumlah spesimen masing- masing 5 spesimen setiap perlakuan.
Struktur patahan setelah uji tarik dievaluasi dengan menggunakan foto Scanning Electron Microscope (SEM)
merek Jeol type JCM 5000 Japan. Hasil perhitungan data penelitian diplot dalam bentuk grafik hubungan
perlakuan kimia dan arah serat terhadap kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas lalu dianalisis
dikaitkan dengan hasil SEM.
3. Pembahasan
Gambar 1 - 3 menunjukkan grafik hubungan antara arah serat dan perlakuan serat masing-masing dengan
kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas komposit unsaturated polyester serat sisal. Kekuatan tarik
maksimum terjadi pada komposit serat arah memanjang (longitudinal) dengan perlakuan NaOH yaitu sebesar
109,43 MPa, sedangkan yang terendah adalah komposit serat tanpa perlakuan arah serat melintang (transversal)
sebesar 1,52 MPa. Komposit dengan serat diberi perlakuan alkali memiliki sifat tarik lebih besar dari komposit
dengan serat tanpa perlakuan baik arah serat longitudinal maupun transversal. Hal ini terjadi karena komposit
yang diperkuat dengan serat tanpa perlakuan ikatan antara serat dengan matrik kurang sempurna dikarenakan
permukaan serat sisal masih mengandung hemiselulosa, lignin dan wax pada permukaannya seperti ditunjukkan
pada Gambar 4a. Disamping itu pula karena ketidakcocokan (incompatibility) antara serat alam yang mudah
menyerap air (hydropilic) dan matrik yang bersifat hydrophobic. Sehingga ketika dilakukan uji tarik maka
kegagalan terjadi karena lepasnya ikatan serat dengan matriknya (fiber pull out) yang terlebih dahulu diawali
dengan debonding. Hal ini didukung dengan hasil foto SEM Gambar 6a terlihat permukaan patahan komposit
didominasi debonding dan fiber pullout. Sedangkan serat yang diberi perlakuan alkalisasi dengan persentase 5%
NaOH menyebabkan kandungan hemiselulosa, lignin, wax dan kotoran berkurang sehingga permukaan serat
tampak lebih bersih dan kasar seperti terlihat pada Gambar 4b. Disamping itu diameter serat juga semakin kecil
setelah perlakuan alkali, sehingga meningkatkan aspect ratio serat tersebut [7]. Konsekwensinya, ikatan serat
dengan matrik atau interaksi antara serat dan matriknya semakin baik dan efektif sehingga meningkatkan
mechanical interlocking antara serat dan matriknya yang artinya meningkatkan kekuatan tarik kompositnya [8].
Seperti terlihat pada hasil foto SEM Gambar 6b penampang patahan komposit setelah uji tarik tampak terjadi
pengecilan luas penampang ( necking ) pada serat terlebih dahulu sebelum putus, dan juga putusnya serat rata
dengan permukaan putusnya matrik, hal ini menunjukkan bahwa ikatan serat dengan matriknya cukup kuat serta
serat menanggung beban yang didistribusikan oleh matriknya.
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
550
120
Kekuatan Tarik (MPa)
100
80
60
40
20
0
Longitudinal
Tanpa
Longitudinal
NaOH
Transversal
Tanpa
Transversal
NaOH
Komposit dengan variasi arah dan perlakuan alkali serat
Regangan maksimum (mm/mm)
Gambar 1. Grafik hubungan antara arah dan perlakuan serat dengan kekuatan tarik maximum komposit
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
Longitudinal
Tanpa
Longitudinal
NaOH
Transversal
Tanpa
Transversal
NaOH
Komposit dengan variasi arah dan perlakuan alkali serat
6.8
6.6
6.4
6.2
6
5.8
5.6
5.4
5.2
5
4.8
Longitudinal tanpa
C
Longitudinal alkali
Komposir arah serat longitudinal tanpa
dan dengan perlakuan alkali
Modulus elastisitas, E (MPa)
Modulus Elastisitas, E (GPa)
Gambar 2. Grafik hubungan antara arah serat dengan regangan komposit saat tegangan maximum
D
600
500
400
300
200
100
0
Transversal tanpa
Transversal alkali
Komposit arah serat transversal tanpa
dan dengan pelakuan alkali
Gambar 3. Modulus elastisitas komposit dengan arah serat a). longitudinal dan b) transversal
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
551
/DSLVDQ
/LJQLQ
:D[
3HUPXNDDQ
VHUDWWDQSD
ZD[GDQ
D
C
OLJQLQ
Gambar 4 Hasil foto SEM permukaan serat sisal a). Tanpa perlakuan, b). Dengan perlakuan alkali
Arah serat pada komposit berpengaruh pada sifat tarik komposit tersebut. Komposit yang seratnya disusun
longitudinal memiliki kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas jauh lebih besar dari pada komposit
yang seratnya disusun transversal. Hal ini dikarenakan komposit dengan arah serat longitudinal seluruh seratnya
searah dengan pembebanan sehingga serat dengan matrik bersamaan menerima beban, maka akan
menghasilkan sifat tarik yang cukup besar. Sedangkan sifat tarik komposit dengan arah serat transversal lebih
kecil dikarenakan arah serat tegak lurus terhadap beban tarik sehingga komposit hanya mengandalkan ikatan
matriknya [9]. Hal ini didukung pula dengan foto bentuk patahan komposit setelah diuji tarik Gambar 5, yang
mana bentuk patahan serat longitudinal tidak tegak lurus dengan arah pembebanan akan tetapi bertingkat yang
artinya serat benar-benar menahan beban tarik bersama matriknya. Sedangkan komposit dengan arah serat
transversal bentuk patahannya tegak lurus dengan arah pembebanan atau searah orientasi seratnya, artinya
serat sama sekali tidak ikut menahan beban yang didistribusikan matriknya atau bahkan serat memperlemah
kemampuan komposit untuk menerima beban..
C
D
Gambar 5. Foto bentuk patahan komposit dengan arah serat
a) longitudinal, b) transversal, setelah uji tarik.
Gambar 3 menunjukan bahwa komposit yang seratnya mengalami perlakuan 5% NaOH mampu
meningkatkan modulus elastisitasnya baik dengan arah serat longitudinal maupun transversal. Untuk komposit
dengan arah serat longitudinal nilai modulus elastisitas (7,08 GPa) lebih tinggi dari komposit yang seratnya tanpa
perlakuan yakni sebesar 6,56 GPa. Untuk komposit yang arah seratnya transversal modulus elastisitas (761,6
MPa) lebih tinggi dari kommposit yang seratnya tanpa perlakuan yakni sebesar 356,25 MPa. Modulus elastisitas
komposit umumnya berbanding lurus dengan kekuatan tarik yieldnya, sehingga komposit yang seratnya diberi
perlakuan NaOH modulus elastisitasnyapun lebih besar dari komposit dengan serat tanpa perlakuan.
Kekuatan tarik, modulus elastisitas dan regangan maksimum yang dimiliki komposit UP berpenguat serat sisal
lokal Bali ini sangat feasible diaplikasikan untuk berbagai produk.
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
552
1HFNLQJ
)LEHUSXOORXW
SDGD
VHUDW
'HERQGLQJ
C
0DWULN
D
0DWULN
Gambar 6 Hasil foto SEM permukaan patahan komposit setelah uji tarik
a). dengan serat tanpa perlakuan dan b) dengan perlakuan alkali .
4. Simpulan
Dari hasil pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa arah serat longitudinal sangat signifikan
mempengaruhi sifat tarik komposit. Hal ini disebabkan serat arah longitudinal pada kompositnya ikut menahan
beban yang didistribusikan oleh matriknya, sedangkan serat arah transversal sama sekali tidak menahan beban
yang didistribusikan oleh matriknya. Demikian pula dengan perlakuan alkali (5%NaOH) pada serat sangat
signifikan pengaruhnya terhadap sifat tarik komposit unsaturated polyester, karena dengan perlakuan alkali dapat
meningkatkan ikatan permukaan (interfacial bonding) antara serat dan matriknya. Jadi dengan demikian serat
sisal lokal Bali bisa diandalkan untuk digunakan sebagai penguat komposit polimer.
Daftar Pustaka
[1] Sgriccia N, M.C. Hawley and M. Misra, Characterization of natural fiber surfaces and natural fiber
composites”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 39, Issue 10: 1632-1637,
October 2008
[2]. Fábio Tomczak, Thais Helena Demétrio Sydenstricker, Kestur Gundappa Satyanarayana, Studies on
lignocellulosic fibers of Brazil. Part II: Morphology and properties of Brazilian coconut fibers.
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 38, Issue 7: 1710-1721, July 2007.
[3] Yan Li, Yiu-Wing Mai, Lin Ye, Sisal fibre and its composites: a review of recent developments,
Composites Science and Technology 60: 2037-2055, 2000
[4] Joseph, P. V., Mathew, G., Joseph, K., Thomas, S., Pradeep, P. Mechanical Properties of Short Sisal
Fiber-Reinforced Polypropylene Composites: Comparison of Experimental Data with Theoretical
Predictions, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, 602–611 (2003) © 2003 Wiley Periodicals, Inc.
[5] FUNG, K. L., LI,R. K. Y., TJONG, S. C. Interface Modification on the Properties of Sisal Fiber-Reinforced
Polypropylene Composites, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 85, 169–176 (2002), © 2002 Wiley
Periodicals, Inc..
[6] Jun Tae Kim, Anil N. Netravali, Mercerization of sisal fibers: Effect of tension on mechanical properties
of sisal fiber and fiber-reinforced composites, Composites: Part A 41: 1245–1252, 2010
[7] Zhong, J. B., Wei, J. Lv, C. Mechanical properties of sisal fibre reinforced ureaformaldehyde resin
composites,
eXPRESS
Polymer
Letters
Vol.1,
No.10:
681–687
Available
online
at
www.expresspolymlett.com DOI: 10.3144/expresspolymlett.2007.93, 2007
[8] A. Valadez-Gonzalez, J.M. Cervantes-Uc, R. Olayo, P.J. Herrera-Franco, Effect of fiber surface treatment
on the fiber–matrix bond strength of natural fiber reinforced composites, Composites: Part B 30: 309–
320, 1999.
[9] Lokantara, Putu. NPG Suardana Analisis arah dan perlakuan serat tapis serta rasio epoxy hardener
terhadap sifat fisis dan mekanis komposit tapis/epoxy. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM
Vol.1,No.1:15-21, 2007.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
553
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
554
ii
iii
Kata Pengantar
Daftar Isi
Makalah KNEP IV - 2013
iii
Grup Engineering Perhotelan
, 5 & # 6&
2 .$ &! # /
"
3
/ 7 5& 5 869 :
&; 8# : 2
#
Grup konversi energi
! 2 " (
#1'
"$#-
+&
" # / 3-"
'!
"
# $
1 #"( #-&
1 #?%
4 2 5 6
5 #"
# 1
3
$ ! ; 2 " 8
@
, $ / 9; , ; A &5
8 9,A: 2 ' '
#1'!"
*
1 55 2
-
5
2 &&"
(#" ! &
#"
1
!#1
"&!8
)
,
& 8 1 & 15 B: 3 !
&!
#"
1
C
/ & 2
. &
0
/2
4/
47
22
27
92
9:
0:
;7
#$-
# >
( , ( F /5 & 5
# >&2% 2 " # =
#
-
! &&
#$)
9 ( 5 (+ 2
' ' '"
# ' $
#$C
2
'
# =
# '
!$
#$
! 5
! ( # .
!8
#"
' ' $
#$
, & 5 2 " # '
#
$
!
Grup Bidang Umum
(%
/ , # $
( & !
& 2 '!"
5
(%
# 5 % / (; #
2 ,
! '%$
"
!&'$
(%
! 5 B 5 8#>:
! 2 '$
'
# ' '' "
(%3
!
; ! ? '
'
(%@
! $ , > $ 2
' ' " $
Jadwal Lengkap KNEP IV - 2013
B
042
04:
020
092
09:
000
0;/
0;0
07/
077
@
Sifat tarik komposit unsaturated polyester serat sisal local
NPG. Suardana, I Made Astika , Ikhsan Dwi Gusmanto
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana, Bali-Indonesia
npgsuardana@me.unud.ac.id
Abstrak
Serat alam ada banyak jenisnya, salah satunya adalah serat sisal. Pada studi ini, serat sisal diekstrak
dari daun tanaman sisal (Agave sisalana) yang dibudidayakan di Bali. Serat sisal digunakan sebagai
penguat polimer komposit. Orientasi serat dan perlakuan kimia serat sisal dengan NaOH dilakukan
untuk membuat komposit polimer serat sisal tersebut. Kombinasi orientasi serat (longitudinal atau
transversal) dengan serat tanpa perlakukan dan dengan perlakuan alkali dicetak dengan matrik
unsaturated polyester (UP) untuk diukur perilaku tarik komposit tersebut. Kombinasi orientasi serat
longitudinal dengan perlakuan NaOH memiliki sifat tarik terbaik dibandingkan dengan kombinasi lainnya.
SEM morfologi juga menunjukkan peningkatan adhesi antara serat dengan matrik UP untuk orientasi
serat longitudinal. Studi ini menunjukkan serat sisal lokal Bali dapat digunakan sebagai penguat
komposit polimer.
Kata kunci: serat alam, orientasi serat, perlakuan kimia, komposit, sifat tarik
Abstract
There are many kinds of natural fibers, one of them is sisal fiber. In this study, sisal fiber was extracted
from the leaves of the sisal plant (Agave sisalana) that was cultivated in Bali. Sisal fibers were used as
reinforcement of polymer composite. Fiber orientations and chemical treatment of the sisal fiber with
NaOH were performed for sisal fiber polymer composites. The combination of fibers orientation
(Longitudinal or transversal) with untreated and alkali treated fibers were compounded with unsaturated
polyester (UP) matrix for measuring tensile behavior. The combination of longitudinal fiber orientation
with NaOH chemical treatments has the best tensile properties compared to the other combination.
SEM morphology also demonstrated increased adhesion between sisal fibers and UP matrix with NaOH
treatments for longitudinal orientation. This study shows the potential of local sisal fiber to be used as
reinforcement of the polymer composites.
Keywords: natural fiber, fiber orientation, chemical treatment, composite, tensile properties
1. Latar belakang
Sifat-sifat serat alam dari hasil pertanian dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu kondisi dimana pohon
penghasil serat tersebut tumbuh, kematangan bahan serat, umur pohon, metode ekstraksi serat dan sebagainya
[1,2]. Salah satu produk pertanian yang bisa digunakan seratnya berasal dari pohon sisal (Agave Sisalana). Serat
sisal yang dihasilkan dari berbagai negara telah banyak diteliti, termasuk yang dari Indonesia. Beberapa hasil
penelitian karakteristik serat sisal yang telah dipublikasikan dan dirangkum oleh Yan Li, et al (2000) [3] seperti
tabel berikut ini
Tabel 1. Sifat-sifat serat sisal.dari beberapa penelitian.
Kekuatan tarik (MPa)
530-630
500-600
347
530-640
604
450-700
450-700
400-700
Modulus Elastisitas (GPa)
17-22
16-21
14
9.4-22
9.4-15.8
7-13
7-13
9-20
Regangan Max. (%)
3.64-5.12
3.6-5.1
5
3-7
4-9
4-9
5-14
Peneliti
Murherjee, styanarayana 1984
Pavitan, et.al 1987
Bessel, Mutuli, 1988
Chand, et al. 1988
Satyanarayana,et.al 1990
Prasantha, et.al. 1995
Manikandan, et. Al. 1996
Kalaprasad, et.al. 1997
Peneliti lainnya juga telah pula melakukan penelitian yang sama yaitu Fung, et al. (2001) [5] meneliti serat
sisal dari Guangdong China diperoleh kekuatan tarik 495.6 MPa, Modulus elastisitas 12.9 GPa, regangan tarik
saat patah 3.8%. Joseph et. al (2002) [4] meneliti serat sisal yang beasal dari India diperoleh tegangan tarik 400700MPa, modulus elastisitas 9 – 20 GPa dan regangan tarik saat patah 5-14%. Kim dan Netravali (2010) [6]
memperoleh kekuatan tarik, regangan patah dan modulus Young serat sisal dari Mexico masing-masing 283.5
MPa, 7.84%, and 5.24 GPa. Berdasarkan hasil penelitian kami serat sisal lokal Bali memiliki kekuatan tarik
426.91MPa, regangan maksimum 4.56% dan modulus Young 10.41GPa.
Banyak faktor yang berpengaruh terhadap sifat mekanik komposit seperti sifat-sifat komponen pembentuknya
termasuk kemampuan saling ikat diantara komponen-komponen tersebut atau sering disebut ikatan antar
permukaan serat dan matrik, fraksi volume atau berat, aspect ratio, perlakuan kimia, arah serat dan sebagainya.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
549
Untuk memperbaiki kemampuan ikat antara serat dan matriknya maka salah satunya bisa dilakukan dengan
perlakuan kimia pada serat tersebut. Perlakuan kimia yang paling banyak dan umum dilakukan untuk
meningkatkan kekuatan tarik komposit adalah perlakuan alkali. Banyak peneiliti telah meneliti serat sisal untuk
memperkuat polimer seperti Sisal- Low-density polyethylene,sisal-Polyester, sisal-epoxy, sisal-polypropylene,
sisal-phenol-formaldehyde, sisal-polyvinyl-acetate, and sisal-starch-based, sisal-urea formaldehyde [7].
Berdasarkan latar belakang di atas dan beberapa studi yang telah dilakukan peneliti sebelumnya serta sifat
tarik serat sisal lokal Bali yang tidak kalah dengan serat sisal dari berbagai negara maka pada studi ini dipilih
serat lokal tersebut sebagai penguat komposit unsaturated polyester. Serat juga diberi perlakuan NaOH dan
diposisikan dalam arah longitudinal (sejajar arah pembebanan) dan transversal (tegak lurus arah pembebanan)
Komposit ini dievaluasi kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitasnya.
2.
Prosedur eksperimen
2.1. Bahan
Bahan-bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah polimer unsaturated Polyester, NaOH
hardener MEKPO, gliserin dan aquades diperoleh dari toko bahan kimia di Denpasar. Serat sisal diperoleh dari
desa Kubu Karangasem Bali
2.2. Perlakuan serat
Pertama,serat sisal direndam pada air mendidih selama 30 menit. lalu dikeringkan di dalam oven dengan
0
suhu 100 C selama 1 jam dan selanjutnya dikeringkan pada suhu ruang selama 12 jam. Setelah itu serat
direndam pada larutan 5% NaOH dengan perbandingan 20 ml larutan untuk 1 gr serat selama 2 jam pada suhu
ruang, selanjutnya serat dicuci dengan air kran mengalir untuk menghilangkan larutan NaOH yang masih
0
menempel pada serat dan kemudian dikeringkan dalam oven dengan suhu 100 C selama 1 jam dan selanjutnya
dibiarkan pada suhu ruang selama 12 jam.
2.3. Pembuatan komposit
Proses pembuatan komposit unsaturated polyester dengan penguat 30% fraksi volume serat sisal
menggunakan teknik Hand lay up press mold dengan beban 20 N. Komposit dibuat dalam dua jenis perlakuan
yaitu dengan perlakuan dan tanpa perlakuan alkali sebagai pembandingnya dan dua jenis arah serat yaitu arah
longitudinal dan transversal. Resin polyester dicampur dengan hardener 1% sebagai pengeras. Komposit yang
0
telah dikeluarkan dari cetakan dimasukan ke dalam oven dengan suhu 100 C selama 1 jam untuk proses post
curing, Komposit kemudian dipotong menjadi spesimen benda uji.
2.4. Uji Komposit
Pengujian dilakukan dengan mesin uji Universal Testing Machine Person Parke. Spesimen pengujian tarik di
bentuk menurut standar ASTM D 3039. Dengan jumlah spesimen masing- masing 5 spesimen setiap perlakuan.
Struktur patahan setelah uji tarik dievaluasi dengan menggunakan foto Scanning Electron Microscope (SEM)
merek Jeol type JCM 5000 Japan. Hasil perhitungan data penelitian diplot dalam bentuk grafik hubungan
perlakuan kimia dan arah serat terhadap kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas lalu dianalisis
dikaitkan dengan hasil SEM.
3. Pembahasan
Gambar 1 - 3 menunjukkan grafik hubungan antara arah serat dan perlakuan serat masing-masing dengan
kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas komposit unsaturated polyester serat sisal. Kekuatan tarik
maksimum terjadi pada komposit serat arah memanjang (longitudinal) dengan perlakuan NaOH yaitu sebesar
109,43 MPa, sedangkan yang terendah adalah komposit serat tanpa perlakuan arah serat melintang (transversal)
sebesar 1,52 MPa. Komposit dengan serat diberi perlakuan alkali memiliki sifat tarik lebih besar dari komposit
dengan serat tanpa perlakuan baik arah serat longitudinal maupun transversal. Hal ini terjadi karena komposit
yang diperkuat dengan serat tanpa perlakuan ikatan antara serat dengan matrik kurang sempurna dikarenakan
permukaan serat sisal masih mengandung hemiselulosa, lignin dan wax pada permukaannya seperti ditunjukkan
pada Gambar 4a. Disamping itu pula karena ketidakcocokan (incompatibility) antara serat alam yang mudah
menyerap air (hydropilic) dan matrik yang bersifat hydrophobic. Sehingga ketika dilakukan uji tarik maka
kegagalan terjadi karena lepasnya ikatan serat dengan matriknya (fiber pull out) yang terlebih dahulu diawali
dengan debonding. Hal ini didukung dengan hasil foto SEM Gambar 6a terlihat permukaan patahan komposit
didominasi debonding dan fiber pullout. Sedangkan serat yang diberi perlakuan alkalisasi dengan persentase 5%
NaOH menyebabkan kandungan hemiselulosa, lignin, wax dan kotoran berkurang sehingga permukaan serat
tampak lebih bersih dan kasar seperti terlihat pada Gambar 4b. Disamping itu diameter serat juga semakin kecil
setelah perlakuan alkali, sehingga meningkatkan aspect ratio serat tersebut [7]. Konsekwensinya, ikatan serat
dengan matrik atau interaksi antara serat dan matriknya semakin baik dan efektif sehingga meningkatkan
mechanical interlocking antara serat dan matriknya yang artinya meningkatkan kekuatan tarik kompositnya [8].
Seperti terlihat pada hasil foto SEM Gambar 6b penampang patahan komposit setelah uji tarik tampak terjadi
pengecilan luas penampang ( necking ) pada serat terlebih dahulu sebelum putus, dan juga putusnya serat rata
dengan permukaan putusnya matrik, hal ini menunjukkan bahwa ikatan serat dengan matriknya cukup kuat serta
serat menanggung beban yang didistribusikan oleh matriknya.
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
550
120
Kekuatan Tarik (MPa)
100
80
60
40
20
0
Longitudinal
Tanpa
Longitudinal
NaOH
Transversal
Tanpa
Transversal
NaOH
Komposit dengan variasi arah dan perlakuan alkali serat
Regangan maksimum (mm/mm)
Gambar 1. Grafik hubungan antara arah dan perlakuan serat dengan kekuatan tarik maximum komposit
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
Longitudinal
Tanpa
Longitudinal
NaOH
Transversal
Tanpa
Transversal
NaOH
Komposit dengan variasi arah dan perlakuan alkali serat
6.8
6.6
6.4
6.2
6
5.8
5.6
5.4
5.2
5
4.8
Longitudinal tanpa
C
Longitudinal alkali
Komposir arah serat longitudinal tanpa
dan dengan perlakuan alkali
Modulus elastisitas, E (MPa)
Modulus Elastisitas, E (GPa)
Gambar 2. Grafik hubungan antara arah serat dengan regangan komposit saat tegangan maximum
D
600
500
400
300
200
100
0
Transversal tanpa
Transversal alkali
Komposit arah serat transversal tanpa
dan dengan pelakuan alkali
Gambar 3. Modulus elastisitas komposit dengan arah serat a). longitudinal dan b) transversal
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
551
/DSLVDQ
/LJQLQ
:D[
3HUPXNDDQ
VHUDWWDQSD
ZD[GDQ
D
C
OLJQLQ
Gambar 4 Hasil foto SEM permukaan serat sisal a). Tanpa perlakuan, b). Dengan perlakuan alkali
Arah serat pada komposit berpengaruh pada sifat tarik komposit tersebut. Komposit yang seratnya disusun
longitudinal memiliki kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas jauh lebih besar dari pada komposit
yang seratnya disusun transversal. Hal ini dikarenakan komposit dengan arah serat longitudinal seluruh seratnya
searah dengan pembebanan sehingga serat dengan matrik bersamaan menerima beban, maka akan
menghasilkan sifat tarik yang cukup besar. Sedangkan sifat tarik komposit dengan arah serat transversal lebih
kecil dikarenakan arah serat tegak lurus terhadap beban tarik sehingga komposit hanya mengandalkan ikatan
matriknya [9]. Hal ini didukung pula dengan foto bentuk patahan komposit setelah diuji tarik Gambar 5, yang
mana bentuk patahan serat longitudinal tidak tegak lurus dengan arah pembebanan akan tetapi bertingkat yang
artinya serat benar-benar menahan beban tarik bersama matriknya. Sedangkan komposit dengan arah serat
transversal bentuk patahannya tegak lurus dengan arah pembebanan atau searah orientasi seratnya, artinya
serat sama sekali tidak ikut menahan beban yang didistribusikan matriknya atau bahkan serat memperlemah
kemampuan komposit untuk menerima beban..
C
D
Gambar 5. Foto bentuk patahan komposit dengan arah serat
a) longitudinal, b) transversal, setelah uji tarik.
Gambar 3 menunjukan bahwa komposit yang seratnya mengalami perlakuan 5% NaOH mampu
meningkatkan modulus elastisitasnya baik dengan arah serat longitudinal maupun transversal. Untuk komposit
dengan arah serat longitudinal nilai modulus elastisitas (7,08 GPa) lebih tinggi dari komposit yang seratnya tanpa
perlakuan yakni sebesar 6,56 GPa. Untuk komposit yang arah seratnya transversal modulus elastisitas (761,6
MPa) lebih tinggi dari kommposit yang seratnya tanpa perlakuan yakni sebesar 356,25 MPa. Modulus elastisitas
komposit umumnya berbanding lurus dengan kekuatan tarik yieldnya, sehingga komposit yang seratnya diberi
perlakuan NaOH modulus elastisitasnyapun lebih besar dari komposit dengan serat tanpa perlakuan.
Kekuatan tarik, modulus elastisitas dan regangan maksimum yang dimiliki komposit UP berpenguat serat sisal
lokal Bali ini sangat feasible diaplikasikan untuk berbagai produk.
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
552
1HFNLQJ
)LEHUSXOORXW
SDGD
VHUDW
'HERQGLQJ
C
0DWULN
D
0DWULN
Gambar 6 Hasil foto SEM permukaan patahan komposit setelah uji tarik
a). dengan serat tanpa perlakuan dan b) dengan perlakuan alkali .
4. Simpulan
Dari hasil pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa arah serat longitudinal sangat signifikan
mempengaruhi sifat tarik komposit. Hal ini disebabkan serat arah longitudinal pada kompositnya ikut menahan
beban yang didistribusikan oleh matriknya, sedangkan serat arah transversal sama sekali tidak menahan beban
yang didistribusikan oleh matriknya. Demikian pula dengan perlakuan alkali (5%NaOH) pada serat sangat
signifikan pengaruhnya terhadap sifat tarik komposit unsaturated polyester, karena dengan perlakuan alkali dapat
meningkatkan ikatan permukaan (interfacial bonding) antara serat dan matriknya. Jadi dengan demikian serat
sisal lokal Bali bisa diandalkan untuk digunakan sebagai penguat komposit polimer.
Daftar Pustaka
[1] Sgriccia N, M.C. Hawley and M. Misra, Characterization of natural fiber surfaces and natural fiber
composites”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 39, Issue 10: 1632-1637,
October 2008
[2]. Fábio Tomczak, Thais Helena Demétrio Sydenstricker, Kestur Gundappa Satyanarayana, Studies on
lignocellulosic fibers of Brazil. Part II: Morphology and properties of Brazilian coconut fibers.
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 38, Issue 7: 1710-1721, July 2007.
[3] Yan Li, Yiu-Wing Mai, Lin Ye, Sisal fibre and its composites: a review of recent developments,
Composites Science and Technology 60: 2037-2055, 2000
[4] Joseph, P. V., Mathew, G., Joseph, K., Thomas, S., Pradeep, P. Mechanical Properties of Short Sisal
Fiber-Reinforced Polypropylene Composites: Comparison of Experimental Data with Theoretical
Predictions, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, 602–611 (2003) © 2003 Wiley Periodicals, Inc.
[5] FUNG, K. L., LI,R. K. Y., TJONG, S. C. Interface Modification on the Properties of Sisal Fiber-Reinforced
Polypropylene Composites, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 85, 169–176 (2002), © 2002 Wiley
Periodicals, Inc..
[6] Jun Tae Kim, Anil N. Netravali, Mercerization of sisal fibers: Effect of tension on mechanical properties
of sisal fiber and fiber-reinforced composites, Composites: Part A 41: 1245–1252, 2010
[7] Zhong, J. B., Wei, J. Lv, C. Mechanical properties of sisal fibre reinforced ureaformaldehyde resin
composites,
eXPRESS
Polymer
Letters
Vol.1,
No.10:
681–687
Available
online
at
www.expresspolymlett.com DOI: 10.3144/expresspolymlett.2007.93, 2007
[8] A. Valadez-Gonzalez, J.M. Cervantes-Uc, R. Olayo, P.J. Herrera-Franco, Effect of fiber surface treatment
on the fiber–matrix bond strength of natural fiber reinforced composites, Composites: Part B 30: 309–
320, 1999.
[9] Lokantara, Putu. NPG Suardana Analisis arah dan perlakuan serat tapis serta rasio epoxy hardener
terhadap sifat fisis dan mekanis komposit tapis/epoxy. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM
Vol.1,No.1:15-21, 2007.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
553
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
554