Pengaruh Variasi Fraksi Volume Serat Daun Nanas dan Ukuran Cetakan terhadap Prosentase Penyusutan Komposit Matriks Polyester dengan Cetakan Silikon

Transkripsi

1 Pengaruh Variasi Fraksi Volume Serat Daun Nanas dan Ukuran Cetakan terhadap Prosentase Penyusutan Komposit Matriks Polyester dengan Cetakan Silikon Khairul Anam a *, Anindito Purnowidodo b dan Adhitya Octaridwan Yudhanto c Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya, Jl. MT. Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesia a khairul.anam27@ub.ac.id, b anindito@ub.ac.id, c ditosingh1@gmail.com Abstrak Penerapan komposit tidak terbatas pada bidang otomotif, industri pesawat terbang, dan indusri kapal laut saja, namun sekarang penggunaan komposit telah merambah ke bidang lainnya seperti industri alat olah raga, industri elektronik, industri peralatan rumah tangga, dan masih banyak lagi. Prosentase penyusutan pada komposit sangat berpengaruh terhadap produk yang dibuat meskipun sudah diberi toleransi. Oleh sebab itu, diperlukan penelitian lebih lanjut tentang pengaruh fraksi volume serat alam jenis serat daun nanas (Ananas cosmosus L. Merr) dan ukuran cetakan terhadap prosentase penyusutan komposit matriks polyester dengan cetakan silikon. Metode yang akan dipakai pada penelitian ini adalah metode eksperimental nyata dengan menggunakan variasi fraksi volume serat daun nanas sebesar 0%, 10%, 20% dan 30%. Selain itu juga divariasikan ukuran cetakan berupa tinggi silinder (h) = 3, 4, 5 dan 6 cm dengan diameter 4 cm serta diameter (d) = 1.5, 2, 3, 4 dan 5 cm dengan tinggi 4 cm. Jenis matrik yang digunakan adalah polyester YUCALAC 157 BQTN dan orientasi serat daun nanas adalah acak. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa besarnya prosentase penyusutan pada komposit matrik polyester akan menurun seiring meningkatnya prosentase serat daun nanas. Selain itu, penyusutan volumetrik komposit akan meningkat seiring dengan besarnya ukuran Cetakan silikon (tinggi dan diameter). Namun, prosentase penyusutan komposit tidak berubah secara signifikan dengan berubahnya ukuran cetakan. Kata kunci: serbuk daun nanas, prosentase penyusutan, komposit matriks polyester, cetakan silikon Pendahuluan Pengetahuan tentang ilmu material memegang peranan penting dalam dunia industri terutama industri bidang manufaktur baik logam maupun non logam. Namun, pertimbangan akan berat sebuah komponen, membuat material non logam menjadi pilihan utama di industri manufaktur. Salah satu contoh material non logam yang sering dipakai dalam dunia industri manufaktur adalah material komposit. Dimana material komposit adalah suatu material baru yang tersusun dari kombinasi dua material atau lebih yang memiliki sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda sebagai penyusunnya sehingga menghasilkan material dengan sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dengan material pembentuknya, namun sifat-sifat utama material pembentuknya masih ada [1]. Dalam kehidupan sehari-hari penggunaan komposit semakin berkembang. Penerapannya tidak terbatas pada bidang otomotif, industri pesawat terbang, dan indusri kapal laut saja, namun sekarang penggunaan komposit telah merambah ke bidang lainnya seperti industri alat olah raga, industri elektronik dan industri peralatan rumah tangga. Hal tersebut disebabkan karena perbandingan antara kekuatan dan berat dari komposit yang baik dibandingkan dengan material logam. Salah satu jenis komposit dalam rekayasa pembuatan komposit adalah komposit berpenguat fiber. Contoh aplikasi komposit berpenguat fiber yang sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah alat pancing, raket tenis, sampai material lambung kapal.

2 Namun, pada perkembangannya, fiber yang digunakan adalah fiber buatan. Sehingga perlu adanya pengaplikasian material alam yang lebih ramah lingkungan atau yang disebut biokomposit. Salah satu contoh serat alam yang digunakan sebagai penguat komposit adalah serat daun nanas. Bila dibandingkan antara berat dan kekuatanya, serat daun nanas memiliki sifat mekanik yang relatif baik dibandingkan dengan serat alam yang lain. R.M.N. Arib dalam risetnya meneliti tentang pengaruh penambahan serat daun nanas pada kekuatan tarik polyprophylene. Serat daun nanas dapat mengikat resin dengan cara ikatan kovalen yang bersifat polar, dan dapat dipakai sebagai penguat komposit. Hasilnya kekuatan tarik komposit yang paling tinggi terdapat pada fraksi volume 10,8% dengan kekuatan tariknya 687,02 MPa [2,3]. Serat daun nanas merupakan serat alam yang berasal dari tumbuhan nanas (Ananas cosmosus L. Merr) yang banyak terdapat di Indonesia. Dengan banyaknya tanaman nanas di Indonesia, potensinya sangat bagus untuk diolah menjadi bahan penguat pada komposit selain meningkatkan daya guna serat daun nanas. Matrik komposit juga sangat berpengaruh terhadap kekuatan dari material komposit. Salah satu jenis matrik komposit yang mudah diperoleh dan digunakan masyarakat dari kalangan umum maupun industri dalam skala kecil maupun besar adalah resin polyester. Resin polyester mempunyai kemampuan untuk berikatan dengan serat alam tanpa menimbulkan reaksi dan gas [4]. Namun, salah satu kekurangan dari polyester adalah tingkat penyusutan volumenya yang tinggi [5]. Standar minimal pemberian serat pada komposit untuk fraksi volume adalah 10%, dan selebihnya bisa divariasikan asal masih dalam batas prosentase reinforcement atau bahan penguat yaitu kurang dari 50% [6]. Penelitian tentang komposit tidak hanya meliputi sifat mekaniknya saja, namun saat ini sudah meluas sampai ketahanan listrik, ketahanan panas, prosentase penyusutan dan aplikasi lingkungan. Penyusutan pada komposit sangat perlu dipertimbangkan karena tidak bias dihindari namun bisa diminimalisir. Salah satu efek dari adanya penyusutan pada komposit ini adalah berubahnya geometri komponen yang dibuat, sehingga produk yang dihasilkan tidak akan terpakai karena tidak sesuai dengan permintaan pasar. Dari uraian diatas maka perlu dilakukan sebuah investigasi tentang pengaruh variasi fraksi volume serat daun nanas dan ukuran cetakan terhadap prosentase penyusutan komposit matriks polyester dengan cetakan silikon. Pemilihan silikon sebagai cetakan dalam penelitian ini tidak lepas dari mahalnya cetakan menggunakan injection molding. Selain itu, cetakan silikon juga cocok untuk diterapkan pada proses pembuatan komponen-komponen dengan ukuran kecil. Metode Penelitian Metode yang akan dipakai pada penelitian ini adalah metode eksperimental nyata (True Experimental Research) dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh fraksi volume serat daun nanas dan ukuran cetakan terhadap prosentase penyusutan resin polyester dengan cetakan silikon. Jenis resin polyester yang digunakan adalah polyester YUCALAC 157 BQTN dan orientasi serat daun nanas adalah acak. Orientasi serat daun nanas bisa dilihat pada Gambar 1 [7]. Gambar 1. Orientasi acak serat daun nanas. Dalam penelitian ini variabel bebas yang digunakan adalah fraksi volume serat daun nanas sebesar 0%, 10% dan 20%. Sedangkan

3 ukuran cetakan terdiri dari tinggi silinder (h) = 3, 4, 5, 6 cm dengan diameter 4 cm dan diameter (d) = 1.5, 2, 3, 4, 5 cm dengan tinggi 4 cm. Variabel terikatnya adalah prosentase penyusutan. Dan variabel terkontrolnya adalah prosentasi katalis yang digunakan, yaitu 1% dari volume matrik, curing menggunakan suhu ruang (27 o C), proses alkali menggunakn NaOH (Natrium Hidroksida) selama 2 jam dan cetakan spesimen berbentuk silinder seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Cetakan spesimen. Serat daun nanas Serat daun nanas memiliki kekuatan mekanik yang relatif baik dibandingkan dengan serat alam lainya seperti yang terlihat pada Tabel 1 [8]. Tabel 1. Kekuatan mekanik serat alam. Sifat Rami Pisang Nanas Diameter (mm) Densitas (g/cm 3 ) Selulosa (%) Lignin (%) E (GN/m 2 ) Elongasi (%) Prosentase hemi-selulosa dan lignin serta zat-zat lain yang terkandung pada serat daun nanas (debu dan ekstraksi alcohol-benzena) merupakan zat-zat yang harus dikurangi atau dihilangkan jika serat daun nanas dijadikan penguat pada komposit. Ada dua cara yang biasanya digunakan untuk mengurangi atau menghilangkan zat-zat tersebut yaitu water retting dan degumming. Selain itu, untuk membersihkan dan memodifikasi permukaan serat dengan menurunkan tegangan permukaan dan meningkatkan adhesi antarmuka antara serat alami dan matriks polimer dilakukan proses alkali. Dalam penelitian ini, NaOH dipakai sebagai larutan pada proses alkali. Tabel 2 menunjukkan komposisi kimia serat daun nanas setelah diberi perlakuan kimia [9]. Tabel 2. Komposisi kimia serat daun nanas setelah diberi perlakuan kimia. % Komposisi Komposisi Kimia Water Degumming Retting Alpha-selulosa Hemi-selulosa Lignin Ash Ekstraksi alcohol -benzena Pada Tabel 1 dan 2 dapat dilihat bahwa setelah proses perlakuan alkali, prosentase zat yang dapat mengurangi kekuatan serat pun berkurang seperti lignin dan hemi-selulosa. Berkurangnya zat tersebut sangat penting karena pada struktur serat alam agar terbuka dan dapat bergabung atau merekat secara maksimal dengan polimer. Kekuatan pada komposit dari gabungan antara polimer dan serat daun nanas ini ada pada ikatan Hydroxil, karena dengan ikatan tersebut serat dapat merekat dengan baik dan membuat rantai ikatan yang meningkatkan kekuatan mekanik dari komposit. Kendala yang mungkin terjadi pada ikatan ini adalah serat alam memiliki sifat alami sebagai penyerap kelembaban, dimana polimerisasi dari resin polyester adalah polimerisasi kondensasi yang menghasilkan air. Matrik resin polyester Polyester adalah jenis resin yang paling banyak digunakan sebagai matrik pada serat gelas untuk badan kapal, mobil dan tandon air [10]. Tabel 3 menunjukkan sifat-sifat resin polyester [11]. Sedangkan Spesifikasi resin

4 unsaturated polyester yukalac 157 BQTN ditunjukkan pada Tabel 4 [11]. Tabel 3. Sifat Sifat Resin Polyester. Sifat Nilai Kekentalan (Mg/m 3 ) Modulus Young (GN/m 2 ) Poisson ratio Kekuatan tarik (MN/m 2 ) Kekuatan tekan (MN/m 2 ) Regangan maksimum (%) 2 Temperatur maksimum ( o C) Tabel 4. Spesifikasi resin unsaturated polyester yukalac 157 BQTN. Sifat Nilai Berat jenis (gr/cm 3 ) Suhu distorsi panas ( o C) 70 Kekuatan Flexural (kg/mm 2 ) 9.4 Modulus Flexural (kg/mm 2 ) 300 Daya rentang (kg/mm 2 ) 5.5 Modulus rentang (kg/mm 2 ) 300 Elongasi (%) 1.6 Metode hand lay up Pada penelitian ini, metode yang digunakan dalam pembuatan komposit adalah metode hand lay up. Metode hand lay-up dilakukan dengan beberapa tahapan. Tahap pertama adalah meletakkan serat pada cetakan silikon. Tahap kedua adalah menuang matrik ke dalam cetakan. Tahap ketiga adalah penekanan pada permukaan untuk meratakan dan menghilangkan udara yang terperangkap. Dan tahap terakhir adalah pengeringan komposit. Ada beberapa pertimbangan mengapa dipilih metode hand lay up karena biayanya murah, dapat digunakan untuk benda besar maupun kecil, alat yang digunakan sederhana, bisa digunakan untuk serat pendek maupun panjang dan pengerjaannya mudah. Namun, metode ini juga memiliki beberapa kekurangan seperti kekuatan lapisan tergantung oleh pengerjaan tangan yang melapisi, keseragaman produk kurang dan pengerjaan lama Pengujian prosentase penyusutan Pengujian prosentase penyusutan disesuaikan dengan standar ASTM seri D6289. Pada dasarnya standar ini mengacu pada rumus densitas atau teori Archimedes, yaitu: ρ = (1) dimana : ρ = Densitas komposit (kg/m 3 ) m = Massa komposit (kg) v = Volume komposit (m 3 ) Dari Pers. 1, perhitungan pada ASTM seri D6289 menjadi Pers. 2, yaitu: MS = 100 % (2) dimana : MS = Prosentase penyusutan (%) Vo = Volume cetakan (m 3 ) V1 = Volume spesimen (m 3 ) Prosedur pembuatan spesimen Langkah-langkah pembuatan spesimen bahan komposit pada penelitian ini adalah: 1. Pembuatan cetakan spesimen dari silikon 2. Proses alkali pada serat daun nanas. 3. Perhitungan panjang serat. 4. Proses pemotongan serat. 5. Perhitungan fraksi volume serat daun nanas dan resin. 6. Resin dituangkan ke dalam gelas ukur kemudian ditambahkan katalis sebanyak 1% dari jumlah volume resin dan serat daun nanas sesuai prosentase fraksi volume dalam spesimen, kemudian resin, katalis, dan serat daun nanas di aduk rata. 7. Tuangkan resin berserat ke dalam cetakan.

5 Prosentase Penyusutan (%) Prosentase Penyusutan (%) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) 8. Setelah 1 jam, spesimen dapat di lepas dari cetakan. Hasil dan Pembahasan Data hasil penelitian ini dijabarkan dari Pers. 1 dan 2. Dimana nilai yang terukur adalah berat komposit dan densitas yang dipakai sebesar 1,215 gr/cm 3. Volume cetakan dihitung menggunakan volume tabung yaitu luas alas (lingkaran) kali tinggi. Fraksi volume serat daun nanas Dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan hasil berupa grafik hubungan antara fraksi volume serat daun nanas terhadap prosentase penyusutan komposit matriks polyester dengan cetakan silikon seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dari Gambar 3 ditunjukkan bahwa semakin besar prosentase fraksi volume serat daun nanas maka prosentase penyusutannya juga semakin menurun. Hal ini dikarenakan, penambahan serat daun nanas akan meningkatkan densitas dan berat pada spesimen dengan kata lain serat daun nanas akan memberikan hambatan penyusutan terhadap matrik. Selain itu, adanya ikatan hydroxyl antara serat daun nanas dan matrik juga akan menyebabkan matrik akan mengisi serat daun nanas yang tidak mengalami penyusutan akibat adanya proses alkali Fraksi Volume (%) Gambar 3. Hubungan antara fraksi volume dengan prosentase penyusutan. antara tinggi cetakan silikon terhadap prosentase penyusutan komposit matriks polyester seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa semakin tinggi cetakan atau spesimen yang dibuat maka prosentase penyusutan akan meningkat. Bagaimanapun, peningkatan yang terjadi tidak terlalu signifikan. Fenomena ini bisa terjadi karena adhesi yang terjadi antara komposit dengan dinding cetakan (curvature) semakin dalam seiring bertambahnya tinggi cetakan Tinggi Cetakan (cm) 0% 10% 20% 30% (0%) (10%) (20%) (30%) Gambar 4. Hubungan antara tinggi cetakan dengan prosentase penyusutan. Diameter cetakan Selain itu, dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan hasil berupa grafik hubungan antara diameter cetakan silikon terhadap prosentase penyusutan komposit matriks polyester seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Seperti halnya pengaruh tinggi cetakan, dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa semakin besar diameter cetakan atau spesimen yang dibuat maka prosentase penyusutan akan meningkat namun tidak terlalu signifikan. Fenomena ini bisa terjadi karena adhesi yang terjadi antara komposit dengan dinding cetakan (curvature) semakin lebar dan dalam seiring bertambahnya tinggi cetakan. Tinggi cetakan Dari penelitian yang telah dilakukan, juga didapatkan hasil berupa grafik hubungan

6 Prosentase Penyusutan (%) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Diameter Cetakan (cm) 0% 10% 20% 30% (0%) (10%) (20%) (30%) Gambar 5. Hubungan antara diameter cetakan dengan prosentase penyusutan Kesimpulan Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa besarnya prosentase penyusutan pada komposit matrik polyester akan menurun seiring meningkatnya prosentase serat daun nanas. Selain itu, penyusutan volumetrik komposit akan meningkat seiring dengan besarnya ukuran Cetakan silikon (tinggi dan diameter). Namun, prosentase penyusutan komposit tidak berubah secara signifikan dengan berubahnya ukuran cetakan. [3] Arib, R. M. N., Sapuan, S. M., Hamdan, M. A. M. M., Paridah, M. T., dan Zaman, H. M. D. K. Mechanical Properties of Pineapple Leaf Fiber (PALF) Reinforced Polypropylene (PP) laminated Composites. Material and Design 27 (2006) [4] Hartanto, Ludi, Study Perlakuan Alkali Dan Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Bending, Tarik, dan Impak Komposit Berpenguat Serat Rami Bermatrik Polyester BQTN 157. Tugas Akhir Sarjana Teknik. Universitas Muhammadiyah Surakarta, Solo [5] Davis, Amelia, The Characterisation and Assessment of Curvature in Asymmetric Carbon Fibre Composite Laminates. M.Phil. Thesis, Department of Metallurgy and Materials, Universitas of Birmingham [6] D. B. Miracle, Steven L. Donaldson, Composites. ASM Handbook, Volume [7] Callister, W. D., Material Science and Engineering. Seventh Edition. John Wiley & Sons Inc., Singapore [8] Soumitra Biswas, G Srikanth dan Sangeeta Nangia, Development of Natural Fibre Composites in India, Department of science and technology, Government of India [9] Indra Doraiswamy, P. Chellamani, Pineapple-leaf Fibres. Textile Institute [10] Hartomo, Memahami Polimer dan Perekat. Yogyakarta, Andi Offset Referensi [1] Schwartz, M.M., Composite Materials Handbook, McGraw Hill Higher Education, New York, [2] Arib, R. M. N., Sapuan, S. M., Hamdan, M. A. M. M., Paridah, M. T., dan Zaman, H. M. D. K. Impact and Bending Properties of Pineapple Leaf Fiber (PALF) Reinforced Polypropylene (PP) laminated Composites. Brunei Darus Salam Journal of Technology and Commerce (2006)