PENINGKATAN KETAHANAN BENDING KOMPOSIT HIBRID SANDWICH SERAT KENAF DAN SERAT GELAS BERMATRIK POLYESTER DENGAN CORE KAYU SENGON LAUT

Transkripsi

1 PENINGKATAN KETAHANAN BENDING KOMPOSIT HIBRID SANDWICH SERAT KENAF DAN SERAT GELAS BERMATRIK POLYESTER DENGAN CORE KAYU SENGON LAUT Agus Hariyanto Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A.Yani Tromol Pos I Paelan, Kartosura agus_haryanto@ums.ac.id ABSTRAK Tujuan penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh ketealan core dan perlakuan alkali serat kenaf terhadap peningkatan kekuatan ending komposit hirid sandwich kominasi serat kenaf dan serat gelas ermatrix Polyester dengan core kayu sengon laut. Mekanisme perpatahan diamati dengan photo makro.bahan yang digunakan adalah serat kenaf (acak, anyam), serat E-Glass (anyam), resin unsaturated polyester 57 BQTN (UPRs), kayu sengon laut, dan NaOH teknis. Hardener yang digunakan adalah MEKPO dengan konsentrasi %. Komposit diuat dengan metode cetak tekan. Komposit hirid sandwich tersusun terdiri dari dua lamina komposit hirid dengan core ditengahnya. Lamina komposit hirid seagai skin terdiri dari satu lamina serat gelas anyam dan 3 lamina serat kenaf (acak - anyam acak). Fraksi volume serat komposit hirid adalah 30%. Core yang digunakan adalah kayu sengon laut yang dipotong pada arah melintang. Variael utama penelitian yaitu perlakuan alkali serat kenaf (0 & jam) dan teal core (5,0,5,0 mm). Spesimen dan prosedur pengujian ending mengacu pada standard ASTM C 393. Hasil penelitian menunjukkan ahwa penamahan ketealan core mampu meningkatkan kekuatan ending dan momen ending komposit hirid sandwich. Perlakuan alkali pada serat kenaf menurunkan kekuatan ending pada komposit hyrid sandwich. Mekanisme patahan diawali oleh kegagalan komposit skin agian tarik, core gagal geser, dan diakhiri oleh kegagalan skin sisi tekan. Pada agian daerah atas core dan komposit skin menunjukkan adanya kegagalan delaminasi. Kata Kunci : komposit hirid sandwich, kekuatan ending, perlakuan alkali, mekanisme patahan. PENDAHULUAN Munculnya issue permasalah limah nonorganik serat sintetis yang semakin ertamah mampu mendorong peruahan trend teknologi komposit menuju natural composite yang ramah lingkungan. Serat alam mencoa menggeser serat sintetis, seperti E-Glass, Kevlar-49, Caron/ Graphite, Silicone caride, Aluminium Oxide, dan Boron. Salah MEDIA MESIN, Vol.8 No., Januari 007, - 9 ISSN satu jenis serat alam yang tersedia secara melimpah adalah serat kenaf. Keuntungan penggunaan komposit antara lain ringan, tahan korosi, tahan air, performance-nya menarik, dan tanpa proses pemesinan. Bean konstruksi juga menjadi leih ringan. Harga produk komponen yang diuat dari komposit glass fire reinforced polyester (GFRP) dapat turun hingga 60%, dianding produk logam (Adullah dan Handiko,

2 000). Komposit sandwich merupakan salah satu jenis komposit struktur yang sangat potensial untuk dikemangkan. Komposit ini terdiri dari flat komposit dan core. Core yang iasa dipakai adalah core import, seperti polyuretan (PU), polyvynil Clorida (PVC), dan honeycom. Ketersediaan kayu sengon laut (alizzia falcata) yang erlimpah, merupakan SDA yang dapat direkayasa menjadi produk teknologi andalan nasional seagai core komposit sandwich. Rekayasa core dapat dilakukan dari kayu utuh ataupun limah potongan kayu. Konsep rekayasa core ini merupakan tahapan alih teknologi yang diilhami oleh masuknya core impor kayu alsa dari Australia. Sifat fisik kayu sengon laut hampir sama dengan kayu alsa. Berdasarkan uraian terseut di atas, maka penelitian tentang rekayasa komposit hirid sandwich dengan core limah kayu sengon laut merupakan kajian yang sangat menarik untuk diteliti leih lanjut. Berhuung mayoritas ean yang diterima eragai panel komposit sandwich adalah ending, maka kajian mekanis yang dipandang sangat penting dilakukan adalah kajian kekuatan ending. TINJAUAN PUSTAKA Perlakuan alkali (5% NaOH) serat kenaf dapat memersihkan lapisan lilin (lignin dan kotoran) pada permukaan serat sehingga menghasilkan mechanical interlocking antara serat dengan matrik poliester. Pada perlakuan serat selama 0,, 4, 6, dan 8 jam, kekuatan tarik ahan komposit kenaf acak - unsaturated poliester memiliki kekuatan tertinggi pada perlakuan serat jam. Perlakuan ini dapat menguah trend pola kegagalan komposit dari jenis kegagalan fier pull out menjadi pola kegagalan matrix cracking. Perlakuan serat jam disimpulkan seagai perlakuan yang paling optimum (Diharjo dkk, 005). Perlakuan 5% NaOH selama 4, 6, dan 8 jam, meningkatkan modulus elastisitas serat jute seesar %, 68%, dan 79%. Namun, % regangan patah serat menurun 3% setelah perlakuan 8 jam (Ray dkk, 00). Perlakuan 5% NaOH serat jute selama 0,, 4, 6 dan 8 jam, mempengaruhi flexural strength komposit jute-vinylester pada V f 30%, yaitu 80.60, 89.40, 8.50, dan MPa. Harga modulusnya pun mengalami peruahan yang identik yaitu 0.030, 0.990,.850,.490 dan?70 MPa. Perlakuan serat selama 4 jam menghasilkan komposit yang memiliki modulus dan flexural strength tertinggi. Kondisi penampang patahan komposit dengan perlakuan serat 0, dan 8 jam menunjukkan adanya fier pull out, matric cracking dan transfer fracture, seperti pada gamar. Sifat Mekanis Komposit Sandwich Wahyanto dan Diharjo (004), menyimpulkan ahwa komposit sandwich serat gelas acak 300 gr/m pada V f 30 % ermatrik polyester dengan core kayu sengon laut seteal 0 Tanpa Perlakuan Perlakuan jam NaOH Perlakua 8 jam NaOH Gamar. Penampang Patahan Komposit Jute-vinylester (Ray, 00) Peningkatan Ketahanan Bending Komposit Hirid Sandwich Serat Kenaf dan Serat Gelas Bermatrik Polyester dengan Core Kayu Sengon Laut oleh Agus Hariyanto

3 mm memiliki kekuatan ending dan impak adalah 5,44 MPa dan 0,045 MPa. Menurut Ferianto dan Diharjo (004), pada komposit hirid sandwich serat E glass acak 300 gr/m dan kenaf anyam 80 gr/m pada V f 30 % ermatrik polyester dengan core kayu sengon laut seteal 0 mm, kekuatan ending dengan core arah serat kayu horisontal adalah 63,8 MPa, leih esar 8 % di atas komposit sandwich hirid dengan core kayu vertikal 97,5 MPa. Kekuatan impak komposit sandwich dengan core vertikal 0,0604 J/mm, leih esar 4,4 % di atas kekuatan impak dengan core arah serat kayu horisontal 0,0578 J/mm Aspek Geometri Menurut Gison (994), penempatan serat harus mempertimangkan geometri serat, arah, distriusi dan fraksi volume, agar dihasilkan komposit erkekuatan tinggi. Untuk suatu lamina unidirectional, dengan serat kontinyu dengan jarak antar serat yang sama, dan direkatkan secara aik oleh matrik, seperti ditunjukkan pada gamar. Fraksi volume dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Shackelford, 99): V r W W ρ V + S R W ρ + W ρ V ρ V ρ V SERAT... [] MATRIK +... [] dengan catatan : V, V, fraksi volume, W, W, fraksi erat ρ, ρ,. densitas ahan pementuk Kekuatan komposit dapat ditentukan dengan persamaan (Shackelford, 99): s C s f V f + s m V m......[3] Kekuatan Bending Komposit Skin Pada umumnya, material komposit mempunyai nilai modulus elastisitas ending yang ereda dengan nilai modulus elastisitas tariknya. Akiat pengujian ending, pada agian atas spesimen mengalami tekanan, dan agian awah mengalami tarikan. Kegagalan yang terjadi akiat uji ending komposit yaitu mengalami patah pada agian awah karena tidak mampu menahan tegangan tarik. Kekuatan ending komposit dapat ditentukan dengan persamaan 4 (ASTM D 790): σ Jika defleksi maksimum leih dari 0 % dari jarak antar penumpu (L), kekuatan endingnya dapat dihitung dengan persamaan 5 yang leih akurat daripada persamaan 4. S 0 dan r R 3PL....[4] h π r V f 4 R V f π 3 r R Gamar. Struktur mikro komposit dengan peletakan serat teratur (Gison, 994). MEDIA MESIN, Vol.8 No., Januari 007, - 9 ISSN

4 Modulus elastisitas endingnya dapat dirumuskan dengan persamaan : Ε 3 L m 3 4h [6] dengan catatan m slope tangent garis lurus kurva ean vs defleksi, N/mm. Kekuatan Bending Komposit Sandwich Pada panel komposit sandwich yang dikenai uji three point ending seperti pada Gamar 3, esarnya tegangan geser pada core dapat dihitung dengan persamaan (ASTM C 393): P τ...[7] ( d + c) Besarnya tegangan ending maksimum pada agian permukaan (facing ending stress) dapat dihitung dengan persamaan; PL σ...[8] t( d + c) dengan catatan; L panjang entangan (mm) dan t teal facing (mm). P t t y 3 y L/ L/ Gamar 3. Penampang alok sandwich Jika pengujian ending dilakukan dengan four point ending method, maka esarnya tegangan ending maksimum dapat dihitung dengan persamaan; PL σ...[9] 4 t( d + c) Mode Kegagalan Komposit Sandwich Mode kegagalan komposit sandwich ada 4 macam yaitu () kegagalan di agian skin akiat ean tarik, () kegagalan agian skin akiat ean uckling, (3) kegagalan geser pada agian core, dan (4) kegagalan delaminasi antara komposit skin dan core. Mode kegagalan terseut ditunjukkan seperti pada gamar 4. METODE PENELITIAN Bahan dan Alat Penelitian Bahan utama penelitian adalah serat gelas anyam dengan density 450 gr/m, serat kenaf acak dengan density 300 gr/m (diuat sendiri), serat kenaf anyam dengan density 80 gr/m (karung goni), core kayu sengon laut, unsaturated poliester type 57 BQTN, dan hardener MEKPO dengan kadar %. Peralatan yang digunakan adalah Mesin uji tarik/ ending merek TARNO GROCKY, timangan untuk menentukan fraksi volume serat Foto Makro, Oven pengering, Press Mold. Pemuatan spesimen uji Spesimen uji komposit hirid sandwich diuat dengan metode press mold. Fraksi volume serat lamina komposit hirid agian ditentukan 30%, yang dikontrol dengan ketealan komposit sandwich saat pencetakan. Komposit sandwich hirid tersusun dari dua lamina komposit hirid dengan core kayu sengon laut di agian tengahnya. Lamina komposit hirid tersusun dari lamina serat gelas anyam dan 3 lamina serat kenaf (acak-anyam-acak). Posisi 4 Peningkatan Ketahanan Bending Komposit Hirid Sandwich Serat Kenaf dan Serat Gelas Bermatrik Polyester dengan Core Kayu Sengon Laut oleh Agus Hariyanto

5 Gagal uckling di agian skin komposit skin Gagal tarik di i ki Core gagal geser Gagal delaminasi Gamar 4. Aneka mode kegagalan uji ending struktur komposit sandwich. serat gelas ditempatkan pada sisi terluar yang menerima ean leih erat. Serat kenaf yang digunakan terdiri dari serat tanpa perlakuan dan serat perlakuan NaOH selama jam. Core kayu sengon laut diuat dengan pemotongan pada arah melintang (tegak lurus serat kayu). Ketealan core divariasi 5, 0, 5, dan 0 mm. Agar hasil penelitian leih komprehensif, maka komponen penyusun komposit sandwich juga dilakukan uji ending. Pemuatan spesimen ini dilakukan tersendiri dengan mengacu standar ASTM D 790 (untuk ending komposit skin) dan ASTM D 476 (untuk pengujian ending core). Metode Pengujian spesimen uji Berhuung aplikasi komposit sandwich adalah untuk panelling / kereta api, is, maka pengujian yang penting dilakukan adalah uji ending. Pengujian ending dilakukan di UGM menurut standar ASTM C HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Kekuatan Bending Komposit sandwich hirid yang diperkuat serat kenaf tanpa perlakuan alkali mampu menahan momen ending yang leih tinggi, seperti ditunjukkan pada tael. Momen ending meningkat seiring dengan penamahan ketealan core, seperti ditunjukkan pada gamar 6. Dengan demikian, penamahan agian inti struktur sandwich menunjukkan secara signifikan peningkatan kemampuan menahan momen ending. Sifat material yang leih lunak (core kayu sengon laut) dan penamahan ketealan menyeakan memiliki kemampuan menahan momen ending yang leih tinggi. Selain itu, efek perlakuan alkali (NaOH) pada serat kenaf menurunkan momen ending. Hal ini dapat diseakan oleh peruahan perilaku komposit hirid skin menjadi leih getas. Bila ditinjau dari segi kekuatan ending, kekuatan ending komposit hirid sandwich optimum GFRP 3 layer, skin Core kayu sengon laut GFRP Layer, skin Gamar 5. komposit sandwich MEDIA MESIN, Vol.8 No., Januari 007, - 9 ISSN

6 Tael. Momen ending komposit hirid sandwich Momen Maksimum N.mm Tegangan Bending MPa Teal Core (mm) Tanpa NaOH jam NaOH Tanpa NaOH jam NaOH ,55 0, ,9, ,3 9, ,63 6,5 Teal Core Tegangan Bending Skin MPa Kekuatan geser core MPa (mm) Tanpa NaOH jam NaOH Tanpa NaOH jam NaOH 5 0,55 0,55 9, 4, ,9,4 39,87 5,5 5 3,3 9, 6,7,9 0,63 6,5 4, 8,45 pada ketealan core sekitar 0 mm. Komposit hirid sandwich yang diperkuat serat kenaf tanpa perlakuan memiliki kekuatan ending yang leih tinggi diandingkan dengan komposit hirid sandwich yang diperkuat serat kenaf dengan perlakuan alkali jam. Berdasarkan analisis yang dihitung dengan standar ASTM D 393, komposit sandwich hirid yang diperkuat serat kenaf tanpa perlakuan alkali juga memiliki kekuatan ending skin yang leih tinggi, seperti ditunjukkan pada gamar 7. Hal yang sama menunjukkan ahwa kekuatan ending yang paling optimum terjadi pada komposit sandwich dengan ketealan core 0 mm. Analisis kekuatan geser core menunjukkan ahwa tegangan geser core komposit dengan serat kenaf tanpa perlakuan alkali menurun seiring dengan penamahan ketealan core. Namun pada komposit yang diperkuat serat kenaf perlakuan alkali jam, tegangan geser core meningkat pada ketealan core 0 mm dan selanjutnya tegangan geser terseut menurun pada ketealan core 5 dan 0 mm. Efek perlakuan alkali mengindikasikan ahwa perlakuan 5% NaOH pada serat kenaf selama jam menurunkan kekuatan geser core komposit hirid sandwich. Gamar 6. Kurva momen dan kekuatan ending komposit hirid sandwich. 6 Peningkatan Ketahanan Bending Komposit Hirid Sandwich Serat Kenaf dan Serat Gelas Bermatrik Polyester dengan Core Kayu Sengon Laut oleh Agus Hariyanto

7 Analisis Pola Kegagalan Gamar 7. Kurva Tegangan ending skin dan tegangan geser core komposit hirid sandwich Core patah geser Gagal tekan pada skin 5mm Facing Strength, MPa Teal Core, mm h, Alkali Treatment 0 h, Alkali Treatment Poly. ( h, Alkali Treatment) Poly. (0 h, Alkali Treatment) 0 delaminasi antar 8layer 6 gagal tarik pada skin 4 a. Tanpa perlakuan alkali Core patah Gagal tekan geser 0 pada skin Core Shear Stress, MPa delaminasi skin dan core pada ikatan interfacial 5mm Teal Core, mm h, Alkali Treatment 0 h, Alkali Treatment Log. (0 h, Alkali Treatment) Poly. ( h, Alkali Treatment) gagal tarik pada skin delaminasi skin dan core pada ikatan interfacial. Perlakuan alkali jam Gamar 8. Penampang patahan komposit hirid sandwich MEDIA MESIN, Vol.8 No., Januari 007, - 9 ISSN

8 Kegagalan ending komposit sandwich core arah serat kayu vertikal ditunjukkan pada gamar 8a dan gamar 8. Secara umum, pola kegagalan diawali dengan retakan pada komposit skin yang menderita tegangan tarik. Kemudian, ean ending terseut didistriusikan pada core sehingga menyeakan core mengalami kegagalan. Skin yang semula menderita ean tekan akhirnya mengalami kegagalan seiring dengan gagalnya core. Gamar 8 menunjukkan secara jelas adanya kegagalan tarik pada komposit skin awah, gagal geser core dan kegagalan tekan pada skin atas. Mekanisme patahan terjadi karena kegagalan komposit hirid sandwich akiat ean ending erawal dari skin komposit sisi elakang (awah) dan dilanjutkan dengan kegagalan core, delaminasi skin dan core pada ikatan interfacial. KESIMPULAN Berdasarkan data hasil penelitian terseut maka dapat disimpulkan seagai erikut:. Perlakuan alkali pada serat kenaf menurunkan kekuatan ending, seesar 4,66 MPa atau seesar 40,8 % pada ketealan core 0 mm pada komposit hyrid sandwich.. Penamahan ketealan core hingga 0 mm pada komposit hyrid sandwich tanpa perlakuan alkali, dan dengan perlakuan alkali meningkatkan kekuatan ending seesar 5,35; 0,69 MPa (seesar 4,7; 50,3 %) (Tegangan ending komposit hirid sandwich memiliki harga yang optimum pada ketealan core 0 mm), ketealan core 5 mm hingga 0 mm meningkatkan momen ending seesar 8300; 7600 N.mm (seesar 8,63; 56,6 %). 3. Tahapan pola kegagalan komposit hirid sandwich adalah kegagalan tarik skin komposit sisi awah, kegagalan geser core, delaminasi skin komposit sisi atas dengan core, kegagalan skin komposit sisi atas. DAFTAR PUSTAKA..., Annual Book of Standards, Section 5, C , Standard Test Methods forflexural Properties of Sandwich Constructions, ASTM, , Annual Book of Standards, Section 8, D 790-0, Standard Test Methods forflexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM, 00..., Annual Book of Standards, Section 8, D , Standard Test Methods forflexural Properties of Core Constructions, ASTM, 994 Adullah dan Handiko G.W., 000. Aplikasi Komposit GFRP untuk Komponen Gerong Kereta Api, INKA, Madiun. Diharjo K., Jamasri, Soekrisno, Rochardjo H. S. B., 005, Tensile Properties of Random kenaf Fier Reinforced Polyester Composite, National Seminar Proceeding, Center of Inter University, UGM, Yogyakarta, Indonesia. Diharjo K., Jamasri, Soekrisno, Rochardjo H. S. B., 005, Tensile Properties of Unidirectional Continuous Kenaf Fier Reinforced Polyester Composite, International Seminar Proceeding, Kentingan Physics Forum, UNS, Surakarta, Indonesia. 8 Peningkatan Ketahanan Bending Komposit Hirid Sandwich Serat Kenaf dan Serat Gelas Bermatrik Polyester dengan Core Kayu Sengon Laut oleh Agus Hariyanto

9 Diharjo K., Soekrisno, Triyono dan Adullah G., (00-003). Rancang angun Dinding Kereta Api Dengan Komposit Sandwich Serat gelas, Penelitian Hiah Bersaing X, DIKTI, Jakarta. Eichhorn S.J., Zafeiropoulus C.A.B.N., Ansel L.Y.M.M.P., Entwistle K.M., Escamilla P.J.H.F.G.C., Groom L., Hill M.H.C., Rials T.G., dan Wild P.M., 00. Review Current International Research into Cellulosic Fires and Composites, Jurnal of materials Science, pp Ferianto, B, Diharjo, K, 004, Kekuatan Bending Dan Impak Komposit Hirid Sandwich Kominasi Serat Karung Goni Dan Serat Gelas Polyester Dengan Core Kayu Sengon Laut, Skripsi, UNS, Surakarta Gison, O. F., 994. Principle of Composite Materials Mechanics, McGraw-Hill Inc., New York, USA. Ray D., Sarkar B.K., Rana A.K., dan Bose N.R., 00. Effect of Alkali Treated Jute Fires on Composites Properties, Bulletin of Materials Science, Vol. 4, No., pp. 9-35, Indian Academy of science. Shackelford, 99. Introduction to Materials Science for Engineer, Third Edition, MacMillan Pulishing Company, New York, USA. Sudiyono dan Diharjo K., (003). Karakteristik Mekanis Komposit Sandwich Serat Gelas Dengan Core Foam/ PU, Skripsi, Jurusan Teknik Mesin FT-UNS, Surakarta. Wahyanto, B, Diharjo, K, 004, Karakterisasi Uji Bending Dan Impak Komposit Sandwich GRFP Dengan Core Kayu Sengon Laut, Skripsi, UNS, Surakarta MEDIA MESIN, Vol.8 No., Januari 007, - 9 ISSN