Jln. Almamater Kampus USU Padang Bulan Medan, Indonesia. Abstrak

Transkripsi

1 Studi Experimental Pengaruh Variasi Temperatur dan Putaran Pencampuran Terhadap Sifat Mekanik Campuran Polypropylen, Polyethylen Dan Fiber Glass Menggunakan Mesin Mixer Buatan Sendiri Alfian Hamsi,a*, Suprianto,b dan Indra Hermawan, Staf pengajar Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jln. Almamater Kampus USU Padang Bulan Medan, Indonesia Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jln. Almamater Kampus USU Padang Bulan Medan, Indonesia a , alfian_hamsi@yahoo.com, b suprianto.t@gmail.com Abstrak Mesin mixer merupakan peralatan yang sangat penting yang digunakan pada proses percampuran dua atau lebih material dalam suatu industri yang berbahan dasar Thermoplastik dan serbuk (powder). Proses percampuran dimaksudkan untuk mendapatkan suatu campuraan yang homogen dari beberapa jenis material. Sampai saat ini mesin mixer untuk mencampur bahan-bahan thermoplastik dan serbuk belum tersedia di laboratorium Teknik Mesin Fakultas Teknik USU sedangkan kegunaannya mutlak diperlukan untuk penelitian-penelitian mahasiswa S, S dan dan S. Penelitian ini bertujuan untuk mendesain, pembutan mesin mixer serta pengujian pengaruh temperatur dan putaran percampuran terhadap kehomogenan dan sifat mekanis campuran polypropylene, Polyethylen dan fiber glas. Pengujian pertama dilakukan dengan memvariasikan temperatur 50, 75, 00, 5, 50 o C dengan putaran konstan sebesar 6 Rpm dan pengujian kedua variasi putaran 6, 76, 8 Rpm dengan temperatur konstan sebesar 50 o C. Sampel kemudian diuji menggunakan mikroskop optik dan photo makro untuk melihat kehomogenan campuran dan pengujian tarik untuk melihat kekuatan campuran. Hasil pengujian variasi temperatur diperoleh temperatur optimum 50 o C dengan kekuatan tarik rata-rata 9,5 N.mm - dan pengujian variasi putaran diperoleh putaran optimum 6 Rpm dengan kekuatan tarik rata-rata sebesar 9,70 N.mm -. Hasil pengamatan struktur mikro memperlihatkan sampel hasil percampuran ketiga material masih diketemukannya void diantara polypropylene dan fiber glas. Kata Kunci: Mixer, temperatur, putaran, Polypropylen, polyethylene, fiber glass, sifat mekanik. Pendahuluan Mesin mixer peralatan yang sangat penting yang digunakan pada proses percampuran dua atau lebih material dalam suatu industri yang berbahan dasar thermoplastik dan serbuk (powder). Bahan jenis serbuk dapat dicampur menggunakan mixer statis yang lebih murah dalam penggunaan serta mudah dalam pemasangan [,]. Proses percampuran dimaksudkan untuk mendapatkan suatu campuran homogen dari beberapa material baik liquid/solid(pasta) atau solid/solid. Kehomogenan suatu campuran dipengaruhi berbagai faktor, diantarnya ukuran partikel yang lebih seragam akan menghasilkan kehomogen yang lebih baik dibandingkan ukuran yang tidak seragam []. Proses percampuran merupakan bagian penting yang dilakukan dalam suatu industri kimia [4]. Percampuran polymer dengan elemen dilakukan untuk tujuan tertentu seperti memperbaiki sifat mekanis campuran [5]. Sifat mekanis seperti kekuatan tarik dan impak dipengaruhi oleh paramater percampuran seperti temperatur dan kecepatan pengaduk [6]. Parameter temperatur percampuran dipengaruhi oleh komposisi campuran, seperti komposisi HDPE menyebabkan perubahan temperatur

2 dan waktu pemrosesan [7]. Temperatur merupakan parameter yang penting pada proses percampuran dua atau lebih material, tingginya temperatur proses dapat mengakibatkan proses percampuran terjadi pada kondisi material mencair atau meleleh. Metode percampuran pada kondisi mencair lebih menguntungkan dibanding metode lain pada pembuatan nano komposit polyurethane dan montmorillonite [8]. Sifat mekanis campuran diperoleh melalui pengujian tarik sampel campuran, pembuatan sampel dapat dilakukan menggunakan metode injeksi molding. Parameter yang mempengaruhi kualitas sampel diantaranya temperatur dan tekanan, Alfian Hamsi [9] telah meneliti mengenai pengaruh jenis binder terhadap kualitas sampel hasil injeksi molding. Beberapa penelitian mengenai percampuran polypropylene dengan material lain menggunakan mixer telah dilakukan. Alfian Hamsi [0] telah melakukan penelitian percampuran 4%PP pada aspal dan pengaruhnya terhadap kekuatan tekan dan rendam air. Penelitian ini bertujuan melihat pengaruh temperatur percampuran terhadap kehomogenan dan sifat mekanis campuran polypropylene, Polyethyelen dan fiber glas menggunakan mixer buatan sendiri. Metode Penelitian Penelitian ini diawali dengan pembuatan mesin mixer model gear box serta uji coba mixer setelah selesai dipabrikasi meliputi pengukuran temperatur dan putaran. Proses percampuran polypropylene (PP), polyethylene (PE) dan fiber glass (FG) dilakukan dengan komposisi 70%PP, 0%PE dan 0%FG. Temperatur percampuran 50, 75, 00, 5 dan 50 o C dengan putaran 6 Rpm dan variasi putaran 6, 76 dan 8 Rpm dengan temperatur 50 o C dilakukan pada proses percampuran material-material tersebut. Material yang telah dicampur selanjutnya dilakukan proses injection molding untuk pembentukan sampel uji tarik, standar sampel uji tarik ini mengacu kepada standar ASTM E8 M-09 (gambar ) Sampel uji tarik selanjutnya diuji menggunakan beban maksimum 0 Newton. Pengujian photo makro dan mikro dilakukan terhadap sampel variasi temperatur dan putaran untuk melihat distribusi material serta bentuk patahan sampel uji tarik, yang telah melalui proses percampuran menggunakan mixer buatan sendiri. Gambar : Dimensi sampel uji tarik material PP, PE dan FG (ASTM E8 M-09) Hasil dan Pembahasan Hasil uji coba mesin mixer Mixer yang digunakan merupakan mixer buatan sendiri dilengkapi sistem roda gigi untuk mendapatkan putaran yang diinginkan pada proses percampuran, desain mesin seperti diperlihatkan pada gambar berikut: Gambar : Desain mesin mixer variasi putaran sistem gear box Gambar merupakan desain mesin yang telah selesai dibuat, mesin ini terdiri dari bagian utama diantaranya elektromotor (), roda gigi payung (), poros pencampur (), rangka utama (4) dan wadah tempat mencampur (5). Pemanas yang digunakan pada mesin ini menggunakan sistem pelat. Uji coba mixer dilakukan untuk melihat apakah temperatur dan putaran sudah bisa bekerja sesuai dengan yang diinginkan. Peralatan mixer ini memiliki temperatur operasional maksimum 00 o C. Temperatur sudah dianggap cukup karena penelitian menggunakan polypropylene,

3 Kekuatan tarik, ζ/ N.mm - Elongation, ε / (%) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) polyethylene dan fibre glass sebagai bahan yang akan dicampur di dalam wadah. PP sebagai komponen utama pada penelitian ini memiliki titk leleh diatas 90 o C dan titik rekristalisasi 0-5 o C []. Efektivitas pemanasan ini bergantung kepada jenis elemen pemanas serta jenis isolasi yang digunakan. Putaran mesin mixer menggunakan sistem gear box ini menghasilkan putaran 6, 76 dan 8 Rpm. Hasil pengujian tarik sampel variasi temperatur percampuran Pengujian tarik dilakukan untuk mendapatkan kekuatan material yang telah mengalami proses percampuran menggunakan mixer buatan sendiri, hasil pengujian tarik seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini: 5,00 5,00 5, Temperatur,T/ o C Gambar : Pengaruh temperatur percampuran terhadap kekuatan tarik paduan PP,PE dan FG Gambar memperlihatkan rata-rata kekuatan tarik campuran PP, PE dan FG cenderung mengalami penurunan seiring dengan kenaikan temperatur percampuran. Kekuatan tarik maksimum dicapai pada temperatur 50 o C sebesar, temperatur ini PP umumnya telah mengalami rekristalisasi dan mulai mengalami pelelehan sedangkan pada temperatur 50 o C material sebagian besar mengalami pelelehan, hal ini tentunya akan mempengaruhi distribusi dari tiap elemen pada campuran, disamping juga temperatur yang tinggi akan menyebabkan sebagian elemen mulai terbakar sehingga menurunkan kekuatan campuran. Pengujian tarik yang telah dilakukan juga diperoleh elongation campuran, hasilnya seperti diperlihatkan pada gambar 4 berikut ini: 8,00 6,00 4,00, Temperatur,T/ o C Gambar 4: Pengaruh temperatur percampuran terhadap elongation paduan PP,PE dan FG Gambar 4 memperlihatkan kenaikan temperatur percampuran akan menurunkan elongation campuran. Elongation paling tinggi diperoleh pada temperatur proses 50 o C. Temperatur, keseragaman, bahan penambah dan adanya cacat pada material merupakan beberapa faktor yang mempengaruhi elongation. Hasil photo makro sampel variasi temperatur percampuran Photo makro dilakukan untuk melihat distribusi PP, PE dan FG pada campuran setelah mengalami proses percampuran menggunakan mixer, photo hasil percampuran seperti diperlihatkan pada gambar 5 berikut ini: a)

4 Elongation, ε/ % Kekuatan tarik, ζ/ N.mm - Polypropylene (PP) 70%PP, 0% PE, 0% FG 70%PP, 0% PE, 0% FG 70%PP, 0% PE, 0% FG b) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Sampel campuran PP, PE dan FG variasi putaran juga dilakukan pengujian tarik hasilnya seperti diperlihatkan pada gambar 6 berikut ini: 5,00 c) 5, Kecepatan putaran,n/ Rpm Gambar 6: grafik pengaruh kecepatan percampuran terhadap kekuatan tarik Gambar 5: Photo makro paduan PP, PE dan FB setelah percampuran pada temperatur a) 50 o C, b) 5 o C dan c) 50 o C Gambar 5 memperlihatkan peningkatan temperatur percampuran akan mengakibatkan perubahan pada material. Gambar 5a terlihat PP (nomor ) berwarna kecoklatan pemanasan hingga temperatur 50 o C mengakibatkan perubahan warna PE dari berwarna bening menjadi agak kecoklatan. Bahan PE (nomor ) setelah mengalami pemanasan hingga temperatur 50 o C menghasilkan warna kehitaman dikarenakan temperatatur cair bahan ini lebih rendah dibanding material PP. Bahan FG yang ditambahkan pada campuran terlihat berwarna putih (nomor ). Kenaikan temperatur percampuran menjadi 5 o C menyebabkan perubahan pada warna PE (gambar 4b) menjadi lebih hitam (nomor ) diakibatkan material PE sebagian telah terbakar. Temperatur 50 o C (gambar 5c) memperlihatkan daerah yang berwarna gelap lebih banyak dijumpai dibanding yang berwarna terang, pada temperatur ini sebagian PP sudah mulai berwarna gelap dari sebelumnya berwarna kecoklatan. Hasil pengujian tarik sampel variasi putaran percampuran Gambar 6 memperlihatkan hasil pengujian tarik dua jenis material polypropylene murni dan campuran (70%PP, 0%PE dan 0%FG). Bahan PP murni memperlihatkan kekuatan yang lebih rendah sebesar 7,87 N.mm - bila dibandingkan dengan material yang telah ditambah dengan 0%FG sebesar 9,7 N.mm - pada putaran 6Rpm. Kenaikan putaran pengaduk pada percampuran ketiga jenis material PP, PE dan FG memperlihatkan kekuatan tarik material pada putaran lebih tinggi pada range yang diambil cenderung mengalami penurunan menjadi 6,46 N.mm - pada putaran 8Rpm. Hasil pengujian tarik dengan variasi putaran juga menghasilkan nilai pertambahan panjang untuk dua jenis material, seperti diperlihatkan pada gambar 7 berikut ini: Polypropylene.70%PP, 0%PE dan 0%FG Kecepatan putaran,n/ Rpm Gambar 7: grafik pengaruh putaran terhadap elongation

5 Polypropylene murni tanpa ditambahkan bahan lain memiliki elongation yang paling baik namun kekuatan lebih rendah bila dibandingkan bahan campuran PP, PE dan FG. Variasi putaran dari 6, 76 dan 8 Rmp memperlihatkan tren penurunan dari elongation (gambar 7). Perbedaan elongation yang diperoleh untuk masing-masing material dapat dilihat secara langsung pada patahan sampel hasil uji tarik. Photo makro sampel seperti diperlihatkan pada gambar 8 berikut ini: a) b) c) d) Gambar 8: Bentuk patahan sampel hasil uji tarik variasi putaran a) Polypropylen putaran 6Rpm, b) bahan campuran putaran 6Rpm, c) bahan campuran 76 Rpm, d) bahan campuran 8 Rpm. Bentuk patahan sampel uji tarik variasi putaran (gambar 8) memperlihatkan bentuk patahan yang berbeda satu dengan yang lainnya. Bahan polypropylene putaran 6Rpm (gambar 8a) memperlihatkan pengecilan luas penampang yang sangat besar sebelum sampel mengalami putus seluruhnya, hal ini sejalan dengan elongation bahan yang tinggi. Penambahan PE dan FG pada bahan PP menurunkan elongation campuran, hal ini dapat dilihat dari karakteristik bentuk patahan sampel b, c, d (6, 76 dan 8 Rpm) yang memperlihatkan sampel tidak mengalami pertambahan panjang yang signifikan sebelum mengalami putus. Bentuk patahan sampel a,b dan c terlihat tidak rata dan berserabut hal ini menandakan sampel masih memiliki keuletan yang baik. Nilai elongation yang paling rendah diperoleh pada putaran 8 Rpm (sampel d), permukaan patahan sampel ini memperlihatkan banyaknya serabut fiber glass (FG) yang berkumpul dipermukaan tidak menyatu dengan PP hal ini menyebabkan kekuatan material ini rendah. Hasil Photo Mikro sampel Photo mikro dilakukan menggunakan mikroskop optik untuk melihat permukaan sampel variasi temperatur percampuran, hasil photo mikro dengan pembesaran 00x seperti diperlihatkan pada gambar 9 berikut ini:

6 a) Void 00μm 00μm b) Gambar 0: Photo mikro paduan PP, PE dan FB setelah percampuran pada temperatur 50 o C putaran 6 Rpm c) 00μm Gambar 0 diatas memperlihatkan adanya kekosongan (void) diantara FG dan matrik PP, keberadaan void ini tentunya akan menyebabkan penurunan kekuatan dari campuran. Banyak faktor yang dapat menyebabkan terbentuknya void pada komposit, menurut Femiana Gabsari [] void bisa diakibatkan oleh adanya udara yang terperangkap pada saat proses percampuran dilakukan juga proses percampuran menggunakan mixer yang kurang baik akan mempengaruhi pembentukan void. Kesimpulan Gambar 9: Photo mikro paduan PP, PE dan FB setelah percampuran pada temperatur a) 50 o C, b) 00 o C dan c) 5 o C Gambar 9a,b dan c memperlihatkan permukaan campuran dengan variasi temperatur percampuran. Fiber glas/fg () yang ditambahkan Memiliki bentuk memanjang yang dipotong dengan ukuran tertentu. Penambahan FG ini bertujuan untuk meningkatkan kekuatan material diantara matrik PP dan PE. Photo skala mikro memperlihatkan juga kenaikan temperatur menyebabkan permukaan campuran lebih gelap yang diakibatkan oleh elemen PE () yang memiliki titik leleh paling rendah telah terbakar (gosong). Phenomena lain ditemui dari hasil photo mikro memperlihatkan adanya kekosongan yang terbentuk diantara matrik PP dengan FG (gambar 0) 00μm Hasil penelitian yang telah dilakukan mengenai pengaruh variasi temperatur terhadap sifat mekanik paduan PP, PE dan FG dapat dibuatkan kesimpulan:. Mesin mixer buatan sendiri telah berhasil dipabrikasi dengan variasi putaran (n) dan temperatur (T).. Kenaikan temperatur campuran akan menurunkan kekuatan tarik campuran PP, PE dan FG. Kekuatan tertinggi pada range temperatur yang diambil diperoleh pada 50 o C sebesar 9,5 N.mm -.. Elongation juga mengalami penurunan seiring dengan kenaikan temperatur percampuran pada range yang diambil. 4. Kecepatan putaran pengaduk mempengaruhi kekuatan campuran, kekuatan tarik rata-rata paling tinggi diperoleh pada putaran 6 Rpm sebesar 9.70 N.mm -.

7 Saran 5. Hasil photo mikro memperlihatkan terbentuknya cacat void pada sampel hasil percampuran. Penelitian ini masih memiliki keterbatasan dalam hal kontrol parameter proses pada saat pencetakan spesimen uji tarik yang menggunakan sistem injeksi molding, oleh karena itu disarankan pada penelitian selanjutnya untuk melihat pengaruh parameter injeksi molding terhadap kualitas campuran PP, PE dan FG. Ucapan Terima Kasih Terima kasih disampaikan kepada Dirjen Pendidikan Tinggi yang telah membiayai penelitian ini dengan No. kontrak : 4/UN5.../PPM/SP/05 dan tidak lupa ucapan terima kasih kepada Kahar Sinaga dan Syugito yang telah banyak membantu penelitian ini. Referensi [] I.Bauman, D. Curic dan M. Boban, Mixing of solid in different mixing devices, S adhan a Vol., Part 6 (008) 7 7. [] I.Bauman, Solid-solid mixing with static mixer, Chem. Biochem. Eng. Q. 5 (4) (00) [] O. Djuragic, J. Levic, S. Sredanovic dan L. Levic, Evaluation of homogeneity in feed by method of microtracers, Archiva Zoolechnica, :4 (009) [4] H. Kravarikova, Numerical simulation of mixing process, International Journal of Education and Research, Vol. No. 0, (0) -0. [5] I. Manas-Zloczower, Analysis of mixing in polymer processing equipment, Department of Macromoleculer Science, Case Western Reserve University, Cleveland, OH Information on tanggal 7 september 05. [6] P. Abdoltajedini, A. Arefazar and G.R. Bakhshandeh, The Effect of Processing Conditions on Phase Morphology and Mechanical Properties of PA6/PC/NBR Ternary Polymer blends: Optimization Using Taguchi Experimental Analysis, Word of Sciences Journal, Vol. issue 7, pp Information on online tanggal 7 september 05. [7] E.S. Barboza Neto, L.A.F. Coelho, M.M.C. Forte, S.C. Forte, S.C. Amino dan C.A. Ferreira, Processing of a LLDPE/HDPE Pressure Vessel Liner by Rotomolding, Materials Research, 7(04) 6-4. [8] B.C. Chun, T.K. Cho, M.H. Chong, Y.C. Chung, J. Chen, D. Martin dan R.C. Cieslinski, Mechanical Properties of Polyurethane/Montmorillonite Nanocomposite Prepared by Melt Mixing, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 06 (007) 7 7. [9] A. Hamsi, The application of palm oil as a binder for injection molding process, Proceeding, Malaysian Engineer (005) pp [0] A. Hamsi, Pengaruh campuran % dan 4%PP pada aspal penetrasi 60/70 terhadap kekuatan tekan dan rendam air, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, USU (04). [] I. Mujiarto, Sifat dan karakteristik material plastik dan bahan aditif, Traksi, Vol., No. (005). [] F. Gapsari dan P.H. Setyarini, Pengaruh fraksi volume terhadap kekuatan tarik dan lentur komposit resin berpenguat serbuk resin, Jurnal rekayasa mesin, Vol., No. (00) pp