Pengaruh Perlakuan Alkali Terhadap Kekuatan Tarik dan Geser Interfacial Serat Alam Rami - Resin Epoxy

Transkripsi

1 Pengaruh Perlakuan Alkali Terhadap Kekuatan Tarik dan Geser Interfacial Serat Alam Rami - Resin Epoxy I Nyoman Pasek Nugraha Jurusan Pendidikan Teknik Mesin Universitas Pendidikan Ganesha, Indonesia paseknugraha@yahoo.com Abstract Due to lack of interfacial adhesion between untreated fiber and polymer matrix, natural plant fiber i.e., ramie has to treated before it can be applied as reinforcement in polymer composite material. This research is intended to investigate the effect of Alkali treatment against tensile and interfacial shear strength between ramie natural fiber and epoxy resin. The first step in fiber surface treatment is alkali treatment with variation -2% NaOH at temperature 1 o C for 1 hour in oder to determine the tensile strength using universal testing machine. The fiber surface topography was observed using scanning electron microscope (SEM). The pull-out of specimen was also characterized using universal testing machine. The pull-out surface specimens was observed using optical microscope. The experimental results show that the fiber surface topography was improved becoming smoother. However, the fiber tensile strength of alkali treatment was reduce by increasing X%NaOH. The interfacial shear strength between the treated ramie fibers and epoxy resin was increase by increasing X%NaOH. Kata kunci : ramie natural fiber, alkali treatment, epoxy resin, interfacial shear strength I. Pendahuluan Pengembangan serat alam sebagai alternatif pengganti serat gelas untuk penguat komposit polimer dewasa ini menunjukkan peningkatan akibat tuntutan terhadap masalah lingkungan. Serat ramie memiliki potensi sebagai media penguat komposit polimer karena memiliki kekuatan relatif yang tertinggi diantara kelompok serat tumbuhan tetapi belum dimanfaatkan secara optimal dalam aplikasi teknik. Namun, rendahnya pelekatan interfacial antara serat dan matrik menyebabkan serat ramie harus mendapat perlakuan awal sebelum dapat diaplikasikan sebagai media penguat komposit polimer. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perlakuan alkali terhadap kekuatan tarik dan geser interfacial antara serat rami-resin epoxy. II. Tinjauan Pustaka 2.1. Serat Alam Ramie Serat ramie (Boehmeria Nivea) tergolong ke dalam serat alam tumbuhan yang berasal dari kulit batang (bast). Di antara kelompok serat tumbuhan, serat ramie memiliki kekuatan yang relatif paling tinggi sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai media penguat komposit polimer. Adapun klasifikasi serat alam tumbuhan dapat dilihat pada gambar 1 berikut ini. bast fibers - flax - hemp - jute - kenaf - ramie leaf fibers - agaves e. g. sisal, curaua - banana Plant fiber- Cellulosic fibers seed fibers - cotton - kapok fruit fibers - coconut wood fibers - e.g. pinewood Gambar 1. Klasifikasi serat alam tumbuhan Sifat mekanis serat alam banyak dipengaruhi oleh kandungan selulosa [1]. Serat ramie memiliki kandungan selulosa cukup tinggi dibandingkan dengan serat alam

2 yang lain sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai media penguatan komposit polimer. Komposisi kandungan serat ramie ditunjukkan pada tabel 2 berikut ini. menggunakan pengeras (hardener) atau katalis untuk mempercepat waktu curing [6]. Tabel 1. Komposisi serat rami [2] Cellulose Hemi cellulose Lignin Pectin Wax Moisture 68,6-76,2 13,1-16,7,6-,7 1,9,3 8, 2.2. Perlakuan Alkali Perlakuan alkali merupakan salah satu perlakuan kimia yang paling populer pada serat alam. Bahan kimia sodium hidroksida (NaOH) digunakan dalam metode ini untuk melepaskan ikatan hidrogen pada jaringan struktur serat [3]. Permukaan serat mengalami perubahan kimia yakni pertukaran ion H dari molekul selulosa dengan ion Na + sehingga mereduksi gugus hidroksil (OH). Permukaan serat juga mengalami perubahan fisika pada permukaan serat yakni melarutnya impuritas, yaitu: lignin, pectin, wax, dan kotoran yang menghasilkan serat lebih halus dan pada skala mikro terjadi proses opening atau pembukaan pori-pori permukaan serat. Reaksi kimia antara permukaan serat dengan NaOH secara umum ditulis sebagai berikut [4]: Gambar 4. Resin epoxy (DGEBA) dan Hardener Diamine 2.4. Ikatan interfacial Serat-Resin Ikatan interfacial serat-matrik atau daerah interface antara permukaan serat-matrik yang saling berikatan sangat berpengaruh terhadap keberhasilan perancangan komposit. Adapun mekanisme ikatan interfacial ditunjukkan pada gambar 5 berikut ini [6]. Fibre OH + NaOH Fibre O - Na + + H 2 O Gambar 2. Reaksi Kimia Serat-NaOH 2.3. Resin Epoxy Resin epoxy merupakan senyawa kimia termoseting yang tersusun dari ikatan atom oksigen dan karbon [5]. Epoxy resin merupakan molekul yang mengandung lebih dari epoxy grup, biasa disebut oxirane atau ethoxyline grup, dimana strukturnya terlihat seperti pada gambar 2 berikut ini. Gambar 3. Struktur Grup Epoxy Epoxy diproduksi melalui reaksi polimerisasi tahap antara epoksida, misalnya: epichlorohydrin dengan senyawa hidroksi, biasanya bisphenol-a. Proses pengerasan (curing) resin epoxy dapat dikombinasikan (c) (d) Gambar 5. Mekanisme ikatan interfacial:. ikatan mekanis;. ikatan elektrostatik; (c). ikatan kimia; (d). ikatan reaksi/interdifusi 2.5. Kekuatan Tarik Kinerja material komposit dengan penguatan serat salah satunya dipengaruhi oleh sifat seratnya, sehingga kekuatan tarik serat penting untuk diketahui untuk memahami bagaimana perilaku produk akhir

3 komposit [4]. Kekuatan tarik dihitung menggunakan persamaan: F... (1) A dengan σ adalah kekuatan tarik serat yang dihasilkan beban tarik (P) dibagi luasan ratarata (A). Regangan dihitung dengan perubahan panjang (ΔL) dibagi panjang awal (L). L... (2) L Jika regangan (ε) sudah diketahui maka modulus elastisitas serat dapat ditentukan dengan persamaan: E... (3) 2.6. Kekuatan Geser Interfacial Suatu serat dengan diameter d pada suatu matrik dan dalam kondisi tertarik lepas seperti ditunjukkan pada gambar 7. Kekuatan geser interfacial sangat tergantung pada mutu ikatan antara serat/matrik [7]. Matrik Serat M U L A I Serat Alam Ramie Perlakuan Alkali Konsentrasi NaOH Uji Tarik Serat 2. Topografi permukaan serat / foto SEM Pembentukan Spesimen Uji 1. Uji Pull-Out 2. Foto Mikro Permukaan Pengolahan Data dan Pembahasan Kesimpulan d P S E L E S A I Gambar 8. Diagram Alir Penelitian le Gambar 7. Mekanisme Pull-out Gaya tarik longitudinal pada serat akan menghasilkan geser pada daerah interfase serat/matrik dan ketika serat tertarik lepas dari matrik maka terjadi tegangan geser interfacial antara serat-matrik. Kekuatan geser interfacial (τ i ) kemudian ditentukan dari gaya yang menyebabkan debonding (P), diameter serat (d), dan panjang serat tertanam (l e ), dengan persamaan [8]: P i... (3) d le III. Metodologi Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan langkahlangkah seperti pada gambar 8 berikut ini. IV. Hasil dan Pembahasan 4.1. Hasil Pengujian Tarik Serat Pengujian tarik serat tunggal dilakukan menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM) type NW7 3LR buatan Pearson Panke Equipment Ltd., London. Kecepatan tarik saat pengujian adalah 1 mm/min. Pengujian ini dilakukan pada sampel yang telah mengalami proses perlakuan alkali dengan variasi persentase konsentrasi larutan, 5, 1, 15, dan 2% NaOH pada temperatur 1 o C selama 1 jam. Pengujian ini dilakukan sesuai standart ASTM D3379 yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi konsentrasi larutan terhadap kekuatan tarik serat. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kekuatan tarik dan modulus elastisitas serat ramie mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya konsentrasi larutan NaOH. Penurunan kekuatan ini disebabkan oleh semakin berkurangnya kandungan lignin,

4 E (GPa), (MPa) pectin, hemicellulose, dan gum pada jaringan struktur serat yang akan menurunkan kekuatan tarik dan modulus elastisitas serat. Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) , ,1 747,9 594,5 467,1 Tanpa Perlakuan Konsentrasi NaOH, ,4 Perlakuan 5% NaOH ,6 32,9 28,4 2 21, Konsentrasi NaOH, Gambar 1. Properties Tarik variasi konsentrasi NaOH yang berbeda Pengaruh % NaOH terhadap UTS; Pengaruh % NaOH terhadap Modulus Elastisitas 4.2. Pengamatan Topografi Permukaan Pengamatan topografi permukaan menggunakan alat Scanning Electron Microscope (SEM) yang bertujuan untuk mengetahui topografi permukaan serat. Sampel yang diuji adalah sampel hasil perlakuan alkali dengan variasi konsentrasi, 5, 1, 15, dan 2% NaOH pada temperatur 1 o C selama 1 jam. Pengamatan ini menggunakan alat SEM dengan pembesaran 1X agar hasil pengamatan topografi permukaan serat dapat terlihat dengan jelas. (c) Perlakuan 1% NaOH (d) Perlakuan 15% NaOH (e) Perlakuan 2% NaOH Gambar 11. Pengamatan topografi permukaan serat melalui foto SEM dengan Perlakuan % NaOH

5 P, (Newton) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Hasil pengamatan foto SEM terlihat jelas sehingga dapat dianalisa melalui layar komputer. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa perlakuan alkali X% NaOH mempengaruhi kualitas permukaan serat. Serat tanpa perlakuan masih dalam bentuk bundle mulai terurai menjadi serat tunggal pada perlakuan 5% NaOH. Pada konsentrasi diatas 1% NaOH permukaan serat menjadi tampak bersih dan halus. Serat dapat terurai dengan mudah menjadi serat tunggal disebabkan kandungan lignin dan pectin sebagai perekat antar serat sudah berkurang Hasil Pengujian Kekuatan Geser Interfacial Pengujian spesimen uji pull-out menggunakan alat yang sama untuk uji tarik serat dimana spesimen dibentuk pada cetakan dengan panjang serat tertanam (le) antara - 1,5 mm. Pengujian ini dilakukan pada spesimen perlakuan 5-2% NaOH pada 1 o C selama 1 jam. Hasil uji pull-out akibat pengaruh panjang serat tertanam (l e ) terhadap beban yang menyebabkan pull-out ditunjukkan pada gambar 12 berikut ini i, (MPa) ,5 18,9 2,7 2, % NaOH Gambar 13. Pengaruh % NaOH terhadap Tegengan Geser Interfacial Kekuatan geser interfacial (τi) antara serat ramie-resin epoxy yang tampak pada gambar 13, menunjukkan bahwa terjadi peningkatan kekuatan geser interfacial akibat peningkatan konsentrasi % NaOH perlakuan Alkali. Kekuatan geser interfacial perlakuan Alkali konsentrasi 2% NaOH sebesar 2,9 MPa lebih tinggi jika dibandingkan 5% NaOH yang hanya sebesar 15,5 MPa % NaOH 1% NaOH 15% NaOH 2%NaOH 2,4,5,6,7,8,9 1, 1,1 l e, (mm) Gambar 12. Grafik pengaruh panjang serat tertanam (l e ) terhadap beban pull-out Hasil pengujian menunjukkan bahwa semakin panjang jarak serat yang tertanam maka beban tarik untuk menghasilkan pullout juga semakin besar. Serat perlakuan 5%NaOH memiliki panjang tertanam (l e ) yang lebih panjang dibandingkan perlakuan %NaOH lainnya. Hal ini mengindikasikan bahwa semakin tinggi konsentrasi %NaOH maka serat dengan semakin baik pelekatan interfacial antara serat-matrik. (c) (d) Gambar 14. Foto permukaan serat pull-out

6 Hasil pengamatan bentuk permukaan serat akibat uji pull-out dapat menjelaskan pengaruh peningkatan kekuatan geser interfacial antara serat dan matrik. Melalui pembesaran 1X menggunakan mikroskop optik, serat bekas pull-out pada gambar 14 menunjukkan bahwa serat ramie perlakuan 5% NaOH (gambar 14-a) kurang terbasahi oleh resin epoxy, sedangkan pada perlakuan >5% NaOH (gambar 14-b, 14-c, dan 14-d) terlihat bahwa sisa-sisa resin epoxy melekat pada permukaan serat ramie. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi % NaOH maka semakin baik resin melekat pada serat sehingga akan meningkatkan kekuatan geser interfacial antara serat-resin. Kesimpulan 1. Semakin tinggi konsentrasi larutan alkali X% NaOH menyebabkan penurunan kekuatan tarik serat rami akibat reaksi kimia dengan NaOH. Hal ini disebabkan oleh berkurangnya kandungan lignin yang secara alami berfungsi sebagai media perekat antar serat. 2. Hasil foto SEM menunjukkan peningkatan konsentrasi larutan NaOH memberikan pengaruh permukaan serat menjadi lebih bersih, topografi lebih halus dan seragam. 3. Kekuatan geser interfacial antara serat rami-resin epoksi akibat perlakuan alkali meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi X% NaOH. 4. Hasil foto mikro menunjukkan pelekatan interfacial antara serat rami-resin epoxy akibat perlakuan X% NaOH meningkat ditunjukkan dengan terbasahinya serat oleh resin. Referensi [1] R. M. Rowell, J. S. Han and J. S. Rowell, Characterization and Factors Effecting Fiber Properties, Natural Polymer& Agrofiber Composite, Brasil, 2. [2] A. K. Mohanty, M. Misra, and G. Hinrichsen, Biofibers, biodegradable polymers and biocomposites: An overview, Macromolecular Materials and Engineering, vol. 276/277, 2, pp [3] X. Li, S. A. Panigrahi, L. G. Tabil, and W. J. Crerar, Flax Fiber-reinforced Composites and the Effect of Chemical Treatments on their Properties, 24 North Central ASAE/CSAE Conference, Paper no. MB4-35, 24. [4] B. Wang, S. Panigrahi, L. Tabil, W. Crerar, S. Sokansanj, and L. Braun, Modification of Flax Fibers by Chemical Treatment, CSAE/SCGR 23 meeting, Paper no , 23. [5] P. K. Mallick, Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design, Marcel Dekker, Inc., New York, [6] F. L. Matthews and R. D. Rawlings, Composite Materials: Engineering and Science, 1st edition, Chapman & Hall, London, [7] R. E. Smallman and R. J. Bishop, Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, 6th edition, Reed Education and Prof. Publishing Ltd., [8] C. Y. Hwang, Evaluation of Bulk Interfacial Adhesion between Wood and Five Thermoplastics, Taiwan J. For Sci., vol. 19, no.1, 24, pp.1-13.