PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT SKRIPSI

Transkripsi

1 PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : SUPARDI NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2012 to user

2 PENGARUH KECEPATAN PUTARAN PENGADUK TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK EPOXY - ORGANOCLAY MONTMORILLONITE NANOKOMPOSIT Supardi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia supardi_soedarmo@yahoo.com Intisari Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik komposit epoxymontmorillonite berupa, kekuatan tarik, fracture toughness dengan adanya variasi kecepatan putaran pengaduk. Bahan utama yang digunakan adalah resin epoxy jenis bisphenol A dengan hardener versamide 140 dan organoclay montmorillonite nanomer I.30E. Pembuatan spesimen menggunakan metode hot mixing, dengan variasi kecepatan putaran pengaduk yang digunakan adalah 150, 250, 350, 450 rpm. Proses pencampuran dilakukan selama 3 jam pada suhu 75 C dengan fraksi berat montmorillonite 2%. Pengujian kekuatan tarik mengacu pada ASTM D638, sedangkan pengujian kekuatan fracture toughness mengacu pada ASTM D5045. Pada penelitian ini juga dilakukan pengamatan permukaan patah hasil uji tarik dengan SEM (scanning electron micrograph). Hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan tarik dan fracture toughness meningkat secara berturut-turut seiring bertambahnya kecepatan putaran pengaduk hingga pada kecepatan 350 rpm sebesar 19,18% dan 25,18%. Kekuatan kemudian turun pada kecepatan 450 rpm sebesar 7,39% dan 10,69% untuk kekuatan tarik dan fracture toughness. Kata Kunci: Komposit epoxy-montmorillonite, kekuatan tarik, fracture toughness, kecepatan putaran pengaduk. v

3 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT atas berkat rahmat, hidayah dan inayah- Nyalah serta penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Adapun tujuan penulisan skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai gelar sarjana teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penulis menghaturkan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini, khususnya kepada : 1. Kedua Orang tuaku tercinta Bapak Samiran Prapto Sudarmo dan Ibu Sumilah, kakak-kakakku Hari kusumawan, Sugiarto, Tri gunarsih dan Fitri yuniarsih terimakasih atas do a, kasih sayang, semangat dan dukungan baik secara moral maupun materiil hingga terselesaikannya studi S1 saya. 2. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. 3. Bapak Rendy Adhi Rachmanto, S.T., M.T., dan Bapak Tri Istanto, S.T., M.T., selaku pembimbing akademik yang selama ini telah membantu dan memperjuangkan dalam kelancaran kegiatan akademik. 4. Bapak Ir. Wijang R, M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi I yang dengan sabar dan tulus ikhlas telah membantu serta membimbing dalam penyusunan skripsi. 5. Bapak Heru Sukanto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi II yang dengan sabar membimbing dan memberikan solusi dalam penyusunan skripsi. 6. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T., Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T., M.Kom., dan Bapak Wahyu Purwo R, S.T., M.T., sebagai tim penguji yang telah memberikan masukan-masukan dan ilmu yang berharga. 7. Seluruh Dosen beserta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membuka wacana keilmuan serta membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1 Teknik Mesin. vii

4 8. Teman seperjuangan skripsi Dhidhit Wahyu Widyatmaja dan Aji Pramujo yang telah banyak memberikan dukungan serta semangat hingga terselesaikannya skripsi ini. 9. Teman-teman Teknik Mesin Fakultas Teknik Non Reguler UNS angkatan 2007 (Eko Sri Wahyudi, Khamdan Mujadi, Iva Irawan, Heri Saputro, Frans Sukma, Apriyan Triyasmoko Eko Yulianto, Agus Sunanto, Dany Pradipta yang dengan ikhlas memberi rumah kedua untuk singgah selama kuliah, Hery Kusbandriyo, Mahalevi Balamukti, Diky Prasetya P, Willy Saputra, Tri Haryono, Purwoto Utomo, Fandi Danar P, Tri Prastyo, Pradiptra Fajar Y, Wisnu Adi PJ, Triono Karso,) dan semua tanpa terkecuali yang telah memberikan dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi. 10. Elisa Mursriyani yang selalu sabar dan tak henti-hentinya memberi motifasi dan semangat untuk terus tetap berjuang hingga terselesaikannya studi S1 saya. Terimakasih banyak. yang baik pasti akan mendapatkan yang terbaik Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini. Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua, Amin. Surakarta, Juli 2012 Penulis viii

5 DAFTAR ISI INTISARI... v ABSTRACT... vi perpustakaan.uns.ac.id KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xii BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB II. DASAR TEORI Tinjauan Pustaka Teori Tentang Komposit Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit Nanokomposit Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT) Resin Epoxy Organoclay montmorillonite (OMMT) Pencampuran Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT) Post Curing Pengujian Spesimen Pengujian Kekuatan Tarik Pengujian fracture toughnes) SEM (Scanning Electron Microscopy) BAB III. METODE PENELITIAN Tempat Penelitian Bahan Penelitian Alat Penelitian ix

6 3.4. Alat Uji Parameter Langkah Kerja Penelitian Pengeringan Organoclay Montmorillonite Pembuatan cetakan Proses Mixing perpustakaan.uns.ac.id Pengecekan kehomogenan campuran Pencetakan spesimen Post Curing Tahap pengujian Pengujian kekuatan tarik Pengujian Fracture Toughness Foto SEM (Scanning Electron Microscopy) Diagram Alir Penelitian...21 BAB IV. HASIL DAN ANALISA Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Kekuatan Tarik Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Fracture Toughness BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

7 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Polymer-clay nanokomposit merupakan kelas baru dari material komposit dimana clay yang tersusun lapisan silikat berukuran nanometer terdispersi/tersebar acak pada matrik polimer. Sebagai akibat penyebaran clay tersebut maka nanokomposit menunjukkan sifat yang lebih unggul dibanding komposit yang diperkuat serat. Hanya dengan penambahan clay yang sangat sedikit (<5% berat) ke dalam matrik polimer, dapat meningkatkan kekuatan komposit (Kusmono, 2010). Pemilihan resin epoxy pada penelitian ini disebabkan kekuatan dan kekakuan resin epoxy relatif lebih besar dibandingkan dengan polimer jenis lainnya. Selain itu resin epoxy mempunyai penyusutan yang kecil dibandingkan dengan polimer lain. Namun pada keadaan padatnya, resin epoxy biasanya bersifat brittle dan tidak resistan terhadap keretakan, namun jika dikombinasikan dengan nanoclay, maka sifat mekaniknya menjadi lebih baik. Feng dkk (2004), menyebutkan bahwa material penguat yang berukuran nanometer seperti clay merupakan material yang bisa berfungsi sebagai penguat antara campuran polimer yang tidak saling melarutkan. Penambahan unsur clay jenis nanomer lebih mudah terdispersi dalam resin dan bahan ini menawarkan perbaikan sifat mekanis yang lebih baik dibanding sebelum diberi tambahan partikel nano. Karabulut (2003), meneliti tentang pengaruh kadar montmorillonite terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Dari penelitian tersebut dihasilkan nanokomposit dengan karakteristik mekanik yang paling optimum pada penambahan MMT 2% wt. Banyak faktor yang mempengaruhi sifat nanokomposit, diantaranya adalah perbandingan komposisi polimer dengan clay dan perlakuan selama proses pembuatan yang salah satunya adalah kecepatan putaran pengaduk saat proses pencampuran. Jika kecepatan pengadukan terlalu rendah maka partikel clay tidak akan tersebar secara merata dalam polimer, namun jika putaran pengaduk terlalu tinggi maka akan muncul void yang akan berpengaruh terhadap kekuatan dari 1

8 2 komposit tersebut. Sehingga perlu dilakukan penelitian untuk mendapatkan proses yang tepat khususnya mengenai kecepatan putaran pengaduk agar didapatkan komposit dengan kualitas mekanik terbaik. Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150, 180 rpm. Didapatkan pada kecepatan 180 rpm menghasilkan penyebaran clay yang paling merata sehingga komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan putaran 60, 90, 120 maupun 150. Khosrokhavar (2010), meneliti tentang pengaruh kecepatan pengaduk jenis screw dengan variasi kecepatan 50, 100 dan 150 rpm terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Dari variasi tersebut didapatkan pada kecepatan 150 rpm memiliki karakteristik mekanik tebaik dibandingkan pada kecepatan lainnya. Karabulut (2003) dalam penelitiannya menghasilkan pada putaran pengadukan 350 rpm menghasilkan kekuatan tarik tertinggi dibanding pada putaran 150 dan 500 rpm. Dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya tersebut mendasari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh variasi kecepatan putar pengaduk pada saat proses mixing dengan empat variasi kecepatan yang berbeda yaitu: 150 rpm, 250 rpm, 350 rpm, 450 rpm. Sehingga diharapkan dari variasi tersebut akan didapatkan nilai kecepatan terbaik yang sesuai dengan komposit epoxy-clay dan dapat menghasilkan kekuatan tertinggi pada komposit. 1.2 Perumusan Masalah Penelitian nanokomposit Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT) berfokus pada pengaruh variasi putaran pengadukan saat proses pencampuran terhadap karakteristik nanokomposit. Adapun sifat sifat yang ingin diketahui adalah 1. Sifat mekanik (kekuatan tarik, fracture toughness) 2. Morfologi berdasar SEM

9 3 1.3 Batasan Masalah Penelitian ini akan menggunakan beberapa batasan masalah untuk memfokuskan hasil yang akan dituju. Adapun batasan-batasan tersebut adalah : 1. Kecepatan putaran pengaduk pada setiap variasi kecepatan dianggap konstan. 2. Temperatur pada proses pencampuran dianggap konstan. 3. Pengaduk yang digunakan adalah jenis turbin bersudu empat. 4. Komposisi montmorillonite dalam campuran adalah 2% fraksi berat. 5. Volume campuran 83,15 cm 3 (9,21% volume tanki) 1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik nanokomposit Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT) berupa: 1. Kekuatan tarik 2. Fracture toughness Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Nilai tambah pengetahuan tentang nanokomposit Epoxy-Organoclay Montmorillonite (OMMT). 2. Penelitian ini dapat dipakai sebagai literatur pada penelitian yang sejenis dalam rangka pengembangan teknologi nanokomposit. 3. Nanokomposit diharapkan dapat menghasilkan material komposit alternatif baru yang mampu memperbaiki sifat-sifat komposit konvensional. 1.5 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Bab I Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan tugas akhir.

10 4 2. Bab II Dasar teori, berisi tinjauan pustaka serta kajian teoritis yang memuat penelitian-penelitian sejenis serta landasan teori yang berkaitan dengan permasalahan yang diteliti. 3. Bab III Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data. 4. Bab IV Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan. 5. Bab V Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. Kesimpulan memuat pertanyaan singkat dan tepat yang dijabarkan dari hasil penelitian serta merupakan jawaban dari tujuan penelitian dan pembuktian kebenaran hipotesis. Saran memuat pengalaman dan pertimbangan penulis yang ditunjukkan kepada para peneliti yang ingin melanjutkan atau mengembangkan penelitian yang sejenis.

11 BAB II DASAR TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150, 180 rpm. Didapatkan pada kecepatan 180 rpm menghasilkan penyebaran clay yang paling merata sehingga komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan putaran 60, 90, 120 maupun 150. Khosrokhavar dkk (2010), meneliti tentang pengaruh berbagai parameter proses pembuatan nanokomposit yang salah satunya adalah pengaruh kecepatan pengaduk jenis screw dengan variasi kecepatan 50, 100 dan 150 rpm terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Dari ketiga variasi kecepatan tersebut didapatkan pada kecepatan 150 rpm memiliki karakteristik mekanik terbaik dibandingkan pada kecepatan 50 dan 100 rpm. Karabulut (2003), dalam penelitiannya tentang pengaruh kadar montmorillonite 1, 2, dan 5 dalam % fraksi berat terhadap fracture toughness nanokomposit. Hasil pengujian menunjukan pada sampel dengan kandungan montmorillonite 2% memiliki tingkat penghambat retak yang paling baik dibandingkan sampel dengan kadar montmorillonite 1 dan 5%. Dari hasil tersebut kemudian sampel dengan kadar 2% MMT diuji kekuatan tarik dengan divariasi kecepatan putar saat pengadukan 150, 350, dan 500 rpm. Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa pada putaran 350 rpm memiliki tingkat penyebaran clay yang lebih merata dan memiliki kekuatan tarik yang tertinggi dibandingkan pada putaran 150 dan 500 rpm. Polymer-clay nanokomposit merupakan kelas baru dari material komposit dimana clay yang tersusun lapisan silikat berukuran nanometer terdispersi/tersebar acak pada matrik polimer. Hanya dengan penambahan clay yang sangat sedikit (<5% berat) ke dalam matrik polimer, dapat meningkatkan kekuatan komposit tersebut (Kusmono, 2010). 5

12 6 Jika dilihat dari tingkat penetrasi polimer ke dalam lapisan silikat clay, ada dua jenis struktur ideal nanokomposit yaitu intercalated dan exfoliated. Nanokomposit tipe intercalated terbentuk ketika satu atau beberapa lapisan molekul polimer masuk ke dalam interlayer clay. Sedangkan nanokomposit tipe exfoliated terbentuk ketika nanolayer silikat terdelaminasi oleh rantai polimer dan tersebar secara acak ke dalam matrik polimer. Gambar 2.1. Penetrasi polimer ke dalam silikat (Dubois dkk, 2000) 2.2 Teori Tentang Komposit Klasifikasi Material dan Pembentuk Komposit Komposit adalah kombinasi dari satu atau lebih material yang berbeda, dengan tujuan untuk menghasilkan sifat lebih baik dari material penyusunnya. Pencampuran ini dapat menghasilkan sifat baru yang tidak ditemui pada masingmasing material penyusunnya. Sifat yang dihasilkan komposit akan bergantung pada sifat, jumlah dan geometri dari penguat. Ada dua istilah material dalam komposit, yaitu matrik dan penguat (reinforcement). Reinforcement (penguat). Reinforcement berfungsi sebagai penguat atau kerangka dari suatu komposit. Biasanya reinforcement ini berupa fiber atau logam. Berikut ini adalah beberapa reinforcement yang paling banyak digunakan antara lain: fiber glass, serat karbon, serat alam dan lain-lain. Matrik. Matrik berfungsi untuk menjaga reinforcement agar tetap pada tempatnya di dalam struktur, membantu distribusi beban, mengendalikan sifat elektrik dan kimia dari komposit. Matrik yang paling umum dipakai adalah beton, keramik dan polimer.

13 7 Menurut Gaylord (1974), matrik pada material komposit berfungsi untuk mendistribusikan beban pada serat-serat penguat. Oleh karena itu adanya cacat seperti void dan retak pada matriks akan mempengaruhi fungsi matrik sebagai pendistribusi beban, misalnya terjadi pada konsentrasi tegangan disekitar cacat yang dapat menurunkan sifat mekanik dari material komposit. 2.3 Nanokomposit Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT) Nanokomposit dibuat dengan menyisipkan nanopartikel ke dalam sebuah material matrik. Nanopartikel yang biasa digunakan adalah clay, carbon nano tube. Sedangkan matrik yang biasa digunakan berupa matrik polimer dan keramik. Komposit dengan penguatan serat adalah jenis komposit yang paling sering dipakai dalam berbagai aplikasi, hal ini dikarenakan komposit jenis ini memiliki sifat kekuatan tarik dan kekakuan yang bagus. Namun kelemahannya adalah struktur serat tersebut memiliki kekuatan tekan serta kekuatan tarik arah melintang serat yang kurang bagus. Penambahan unsur clay jenis nanomer lebih mudah tersebar dalam resin epoxy dan bahan ini menawarkan perbaikan sifat mekanis yang lebih baik dibanding komposit dengan penguat serat Resin Epoxy Dari sekian banyak resin yang ada di pasaran, ada tiga jenis resin yang banyak digunakan, yaitu poliester, vinil ester, dan epoxy. Pada penelitian ini resin yang akan digunakan adalah jenis resin epoxy. Pemilihan resin epoxy sebagai bahan dasar disebabkan kekuatan resin epoxy relatif lebih besar dibandingkan dengan polimer jenis lainnya. Perbandingan kekuatan antar polimer-polimer resin ditunjukkan oleh gambar 2.2.

14 8 Gambar 2.2. Perbandingan kekuatan tarik dari setiap jenis resin (Hadiyawarman dkk, 2008) Resin epoxy termasuk kedalam golongan thermoset, sehingga dalam pencetakan perlu diperhatikan hal sebagai berikut: 1. Mempunyai penyusutan yang kecil. 2. Dapat dipakai dalam temperatur kamar. 3. Perekat yang bagus untuk banyak bahan logam, sehingga perlu diperhatikan material cetakan komposit. Pada keadaan padatnya, resin epoxy biasanya bersifat brittle dan tidak resistan terhadap keretakan, namun jika dikombinasikan dengan nanoclay, maka sifat-sifat mekaniknya menjadi lebih baik Organoclay montmorillonite (OMMT) Clay (tanah liat), bila ditinjau dalam bidang geologi berarti bahan alam yang berasal dari dalam tanah. Salah satu contoh clay yang paling umum digunakan adalah montmorillonite (MMT) yang dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan berbagai produk industri, contohnya adalah sebagai bahan baku penyusun komposit. Sifat dari clay terutama MMT yang sangat penting sehingga banyak digunakan dalam komposit adalah permukaan bidang sentuh yang besar dan ukuran partikel yang kecil. Kemudian dengan ukuran partikel yang kecil maka secara otomatis permukaan bidang sentuh yang dimiliki MMT besar, maka kontak antar muka (interface) dengan matrik semakin kuat sehingga secara umum

15 9 komposit tersebut akan semakin kuat. Karena itulah, MMT dapat digunakan sebagai penguat komposit yang efektif Pencampuran Epoxy-Organoclay montmorillonite (OMMT) Mixing merupakan proses menyebaran material-material secara acak, dimana material yang satu menyebar ke dalam material yang lain demikian pula sebaliknya, sedang bahan-bahan itu sebelumnya terpisah dalam keadaan dua fase atau lebih yang akhirnya membentuk hasil yang lebih seragam atau homogen (Rahayu, 2008). Jenis-jenis pengaduk secara umum terdapat empat jenis yang biasa digunakan yaitu: ü Pengaduk jenis baling-baling Gambar 2.3. Pengaduk Jenis Baling baling Pengaduk jenis baling-baling digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah dibawah 3000 cp. ü Pengaduk dayung Gambar 2.4. Pangaduk Jenis Dayung (Paddle) Berdaun Dua Pengaduk jenis ini digunakan pada cairan kental di atas cp dimana endapan pada dinding dapat terbentuk. Jenis pengaduk ini adalah pencampur yang buruk. ü Pengaduk turbin Gambar 2.5. Pengaduk commit Jenis to Turbin user pada berbagai variasi

16 10 Pengaduk ini seringkali disebut sebagai pengaduk serbaguna karena dapat digunakan untuk berbagai jenis keperluan, dengan rentang kekentalan yang sangat luas yaitu di bawah cp. Diameter dari sebuah turbin biasanya antara % dari diameter tangki. ü Pengaduk helical-ribbon Gambar 2.6. Pengaduk jenis hellical ribbon Jenis pengaduk ini digunakan pada larutan dengan kekentalan yang tinggi di atas cp. %Ė % = 3 1 ; % = 1 4 Dt Gambar 2.7. Dimensi tangki Dimana: D = diameter pengaduk Dt = diameter tangki W = lebar pengaduk Geometri dari tangki dirancang untuk menghindari terjadinya dead zone yaitu daerah dimana fluida tidak bisa digerakkan oleh aliran pengaduk (Agung dkk, 2010). Kord dkk (2011), meneliti tentang pengaruh kecepatan putar pengaduk terhadap karakteristik mekanik nanokomposit. Pada penelitian tersebut dipakai lima parameter kecepatan yaitu 60, 90, 120, 150 dan 180 rpm. Dari kelima parameter kecepatan tersebut didapatkan pada kecepatan 180 rpm menghasilkan

17 11 penyebaran clay yang paling merata, sehingga komposit memiliki kekuatan tarik lebih baik dibandingkan komposit dengan putaran 60, 90, 120 maupun 150 rpm. Nigam dkk (2004), dalam penelitiannya tentang Epoxy-Montmorillonite Clay Nanocomposites. Dalam penelitian tersebut resin epoxy dicampur dengan clay montmorillonite pada suhu 75 0 C selama 3 jam untuk mencapai penyebaran yang optimal dari resin epoxy masuk diantara lapisan silikat organoclay montmorillonite Post Curing Spesimen dilakukan post curing pada suhu 100 o C selama 100 menit sebelum pengujian dimaksudkan agar pada suhu dan waktu post curing tersebut dapat mengoptimalkan crosslinking pada ikatan polimer (Chow dkk, 2007) Pengujian Spesimen Sifat mekanis merupakan sifat terpenting dari semua jenis material plastik karena semua kondisi pemakaian serta penggunaan dari plastik melibatkan beban mekanis. Pengujian yang dilakukan terhadap spesimen adalah pengujian kekuatan tarik (ASTM D638), fracture toughness (ASTM D5045) Pengujian kekuatan tarik Uji tarik banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dasar kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Pada uji tarik benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar secara kontinyu. Bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami benda uji. Tegangan diperoleh dengan cara membagi beban dengan luas penampang lintang benda uji. σ = " (2.1) Dimana: σ = Tegangan (MPa) F = Beban (N) A = Luas penampang (mm 2 )

18 Pengujian fracture toughness Pengujian fracture toughness akan menggunakan spesimen jenis Single Edge Notch Bending (SEN-B). Dimana notch akan dibuat mengunakan gergaji dengan ketebalan mata gergaji 1mm dan dilanjutkan dengan cutter. Spesimen diuji menggunakan mesin universal testing dengan mengacu pada ASTM D SEM (Scanning Electron Microscopy) SEM digunakan untuk mengamati permukaan patah hasil uji tarik, sehingga bisa diketahui secara visual pengaruh kecepatan putaran terhadap struktur dari komposit. Untuk pelaksanaan SEM, permukaan patah dilapisi dengan emas untuk menghindari electrical charging selama proses SEM.

19 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di laboratorium material teknik mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. 3.2 Bahan Penelitian Pada penelitian ini bahan yang digunakan antara lain: a. Organoclay Montmorillonite Organoclay montmorillonite yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis Nanomer I.30E. b. Resin Epoxy Resin epoxy yang digunakan adalah jenis Bisphenol A Epichlorohydrin. c. Hardener Hardener yang dipakai adalah jenis Polyaminoamide. d. Silicon rubber Silicon digunakan sebagai bahan cetakan komposit agar mudah dalam proses pelepasan spesimen. (a) (b) (c) (d) Gambar 3.1 Bahan Penelitian : (a) Organoclay Montmorillonite (b) Resin Epoxy; (c) Hardener; (d) Silicon rubber 3.3 Alat Penelitian Spesifikasi alat yang digunakan dalam penelitian dan pengambilan data antara lain adalah : a. Alat Pengaduk 13

20 14 Pengaduk yang dipakai adalah jenis turbin bersudu empat yang dirangkaikan dengan mixer yang dimodifikasi dengan penambahan rangkaian dimmer untuk mengatur kecepatan putar pengadukan. b. Timbangan digital Digunakan untuk mengukur fraksi berat komposisi komposit. c. Pompa vacum Pompa vacum digunakan untuk meminimalisir void yang terjadi didalam spesimen. d. Desikator vacum Desikator digunakan sebagai ruang pemvacuman spesimen yang dirangkaikan dengan pompa vacum. e. Timer Timer digunakan untuk mengetahui atau membatasi lamanya proses pengadukan dan proses pemvacuman. f. Thermometer digital Thermometer digital digunakan untuk mengetahui suhu campuran resin dan organoclay pada saat proses pengadukan. g. Thermocontrol Thermocontrol dirangkaikan dengan kontaktor sehingga dapat digunakan untuk menguntrol suhu campuran resin dan clay selama proses pengadukan. h. Oven Oven digunakan untuk mengeringkan clay sebelum dicampur dengan resin. i. Stabilizer tegangan Stabilizer dipakai untuk mengantisipasi ketidakstabilan tegangan listik yang dapat mempengaruhi kestabilan kecepatan putar pengaduk. (a) commit (b) to user (c)

21 15 (d) (e) (f) (g) (h) (i) Gambar 3.2 Alat Penelitian : (a) Alat Pengaduk; (b) Timbangan digital; (c) Pompa vacum; (d) Desikator vacum; (e) Kontaktor; (f) Thermometer digital; (g) Thermocontrol; (h) Oven (i) Stabilizer tegangan 3.4 Alat Uji a. Universal Testing Machine (UTM) Alat ini digunakan untuk pengujian tarik dan fracture toughness spesimen komposit. b. Scanning Electron Microscopy (SEM) Alat ini digunakan untuk mengambil gambar penampang patahan spesimen uji tarik. (a) (b) Gambar 3.3 Alat Pengujian: (a) UTM; (b) Scanning Electron Microscopy. 3.5 Parameter Dalam penelitian ini parameter yang dibuat tetap adalah: a. Komposisi clay yang dipakai adalah 2% wt. b. Perbandingan Resin Epoxy : Hardener yang dipakai adalah 60:40. c. Suhu pengeringan montmorillonite adalah 120ºC selama 4 jam

22 16 d. Suhu pencampuran resin epoxy dan montmorillonite adalah 75ºC selama 3 jam. Parameter yang diubah-ubah yaitu kecepatan poros pengaduk 150 rpm, 250 rpm, 350 rpm, 450 rpm. 3.6 Langkah Kerja Penelitian Polimer Curing agent Mixing Polymerisation Organoclay Nanocomposite Gambar 3.4. Diagram alir pembentukan nanokomposit (Nigam dkk, 2004) Pengeringan Organoclay Montmorillonite Sebelum OMMT dicampur dengan resin, terlebih dahulu dikeringkan dalam oven pada suhu 120 o C selama 4 jam. Hal tersebut dilakukan untuk mengurangi kadar air yang terkandung dalam serbuk montmorillonite, (Karabulut, 2003) Pembuatan cetakan Cetakan uji tarik dan fracture toughness dibuat dari bahan silicon rubber untuk memudahkan proses pelepasan spesimen dan menekan biaya pembuatan cetakan. Gambar 3.5. Pembuatan cetakan silikon

23 Proses Mixing Proses pencampuran Epoxy-Montmorillonite dicampur dan dijaga pada suhu 75 o C menggunakan thermocontrol selama 3 jam yang kemudian hardener dituang dalam campuran tersebut. Variasi kecepatan putar pengaduk 150, 250, 350 dan 450 rpm dengan jenis pengaduk turbin bersudu empat. Untuk mengatur kecepatan pengaduk digunakan dimmer AC sebagai pengatur tegangan yang masuk ke dalam motor penggerak sehingga kecepatan poros dapat diatur sesuai yang diinginkan. Dt Gambar 3.6. Dimensi tangki Dimana: D = diameter pengaduk (33,33 mm) Dt = diameter tangki (100 mm) W = lebar pengaduk (8,25 mm) Stabilizer Motor Penggerak Digital Tachometer Thermo control Kontaktor Dimmer AC Thermo reader Gambar 3.7. Rangkaian commit peralatan to user proses mixing

24 Pengecekan kehomogenan campuran Sebelum dilakukan proses pencetakan spesimen, terlebih dahulu campuran dilakukan pengecekan apakah campuran masuk dalam kategori homogen atau tidak. Gambar 3.8. Pengecekan kehomogenan campuran Campuran dituang ke dalam tabung yang telah dihitung volumenya, kemudian ditimbang. Proses tersebut dilakukan hingga 5 sampel, kemudian masing-masing sampel dihitung densitasnya. Jika standar deviasi hasil densitas dari sampel tidak lebih dari 10% maka campuran masuk dalam kategori homogen (Konijnenberg, 1995) Pencetakan spesimen Campuran resin/mmt/hardener dituang dalam cetakan yang telah didesain sesuai dengan ASTM uji tarik dan fracture toughness. Setelah penuangan selesai cetakan yang berisi campuran bahan komposit dimasukan ke dalam desikator vacum untuk meminimalisir void di dalam komposit. Gambar 3.9. Proses pencetakan spesimen Post Curing Spesimen dilakukan post curing pada suhu 100 o C selama 100 menit sebelum pengujian dimaksudkan agar pada suhu dan waktu post curing tersebut dapat mengoptimalkan crosslinking commit pada ikatan to user polimer.

25 Tahap pengujian Pengujian spesimen yang dilakukan adalah: Pengujian kekuatan tarik Pengujian tarik akan menggunakan metode ASTM D638 tipe 1. Pengujian dilakukan dengan mesin Universal Testing dengan kecepatan 50 mm/menit. Dari pengujian ini akan diperoleh kekuatan tarik dari komposit. Gambar 3.10 Spesimen uji tarik 2=.. (3.1) Dimana: = Tegangan tarik (Mpa) F = Beban tarik (N) A = Luas penampang (mm 2 ) Pengujian Fracture Toughness Pengujian fracture toughness mengacu pada ASTM D5045 dengan spesimen jenis Single Edge Notch Bending (SEN-B) dimana notch akan dibuat mengunakan gergaji dengan ketebalan mata gergaji 1mm dan dilanjutkan dengan pisau cutter. Spesimen SEN-B diuji menggunakan mesin universal testing yang diatur dengan kecepatan 10 mm/menit. Dari hasil pengujian dapat dihitung nilai fracture toughness seperti rumus berikut: Fmax K IC =. a. f ( a / w) BW. (3.2) Dimana: K 1C = Fracture toughness Mpa.m 1/2 F max = Gaya maksimum (KN) B = Ketebalan spesimen commit (cm) to user

26 20 W = lebar spesimen (cm) a = panjang total notch (cm) f(a/w) = faktor koreksi geometri = (a/w)+18.7(a/w) (a/w) (a/w) 4 Gambar 3.11 Pengujian fracture toughness Foto SEM (Scanning Electron Microscopy) SEM digunakan untuk mengamati permukaan patah hasil uji tarik, sehingga bisa diketahui secara visual pengaruh kecepatan putaran terhadap struktur dari komposit. SEM dilakukan di laboratorium MIPA Universitas Negeri Malang. Pengambilan foto SEM dimulai dari pembesaran terkecil pada variasi 350 rpm hingga void dapat terlihat, kemudian dari skala pembesaran tersebut dipakai untuk skala pembesaran pada spesimen SEM variasi 450 rpm.

27 Diagram Alir Penelitian START Clay Montmorillonite nanomer I.30E Resin epoxy EPR 174 Penimbangan MMT Pemanasan dalam oven pada suhu 120 o C selama 4 jam Penimbangan Resin epoxy Mixing Campuran I (MMT + Resin) pada suhu 75 o C selama 3 jam dengan variasi kecepatan: 150, 250, 350 dan 450 rpm Pengecekan kehomogenan campuran Mixing Campuran II (campuran I + hardener versamide 140) selama 5 menit) Pencetakan komposit Divakum selama 30 menit curing selama 24 jam pada temperatur ruangan Post curing 100 o C selama 100 menit Pengujian - Uji tarik - Uji Fracture Toughness SEM Analisa Hasil Pengujian SELESAI Gambar Diagram Alir Penelitian Keterangan: Perbandingan Fraksi Berat 1. MMT : (Campuran commit resin + to Hardener) user = 2 : Resin : Hardener = 60 : 40

28 BAB IV HASIL DAN ANALISA Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pengujian untuk mengetahui karakteristik mekanik nanokomposit Epoxy-Montmorillonite. Pengujian yang dilakukan antara lain uji tarik dan fracture toughness serta pengamatan permukaan patah hasil uji tarik dengan foto SEM. 4.1 Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Kekuatan Tarik Grafik hasil pengujian kekuatan tarik komposit epoxy-montmorillonite dengan variasi kecepatan putaran pengaduk 150, 250, 350 dan 450 rpm yang telah dilakukan dapat dilihat pada Gambar 4.1. Tegangan (MPa) Gambar 4.1. Pengaruh variasi kecepatan putaran mixing terhadap kekuatan tarik komposit epoxy-mmt Gambar 4.1 memperlihatkan hubungan antara kecepatan putaran dan kekuatan tarik komposit. Nilai kekuatan tarik dari putaran 150 rpm sampai dengan 350 rpm meningkat sebesar 19,18%. R² = Putaran mixing (Rpm) Peningkatan ini disebabkan karena dengan bertambahnya kecepatan putaran yang diberikan maka tingkat penyebaran partikel clay dalam resin juga akan semakin tinggi. Menurut Karabulut (2003), partikel clay yang tersebar merata di dalam matrik akan memperbesar bidang kontak antara keduanya, sehingga dapat meningkatkan kekuatan commit mekanik to user dari komposit. 22

29 23 Kekuatan tarik menurun sebesar 7,39% pada kecepatan putaran 450 rpm, hal itu disebabkan pada kecepatan tersebut campuran tidak homogen (tabel 4.1) yang diakibatkan oleh terlalu tingginya kecepatan sehingga menimbulkan void di dalam komposit yang lebih banyak dibandingkan pada variasi putaran 350 rpm (Gambar 4.2). Tabel 4.1. Pengaruh kecepatan terhadap kehomogenan campuran 150 rpm 250 rpm 350 rpm 450 rpm Standar 13,208 11,570 5,373 11,763 Deviasi (%) Dari data tabel diatas terlihat pada keempat variasi kecepatan hanya pada 350 rpm saja yang masuk dalam kategori homogen (<10% Konijnenberg, 1995). Tabel 4.2. Prosentase void pada setiap variasi kecepatan. 150 rpm 250 rpm 350 rpm 450 rpm Void 3,134 4,212 5,522 14,284 (% Vol) Dengan adanya void yang lebih banyak maka akan menyebabkan konsentrasi tegangan pada daerah void tersebut saat komposit dikenai pembebanan sehingga akan menurunkan kekuatan tarik komposit. Berdasarkan prosentase void pada tabel 4.2, pada kecepatan 150 dan 250 rpm memiliki nilai yang kecil dibandingkan 350 rpm, namun pada kedua variasi putaran tersebut terjadi ketidakhomogenan campuran yang menyebabkan menurunnya kekuatan komposit. Menurut Gaylord (1974), matrik pada material komposit berfungsi untuk mendistribusikan beban pada serat-serat penguat. Oleh karena itu adanya cacat seperti void dan retak pada matriks akan mempengaruhi fungsi matriks sebagai pendistribusi beban, misalnya terjadi pada konsentrasi tegangan disekitar cacat yang dapat menurunkan sifat mekanik dari material komposit.

30 24 MMT Resin Void Resin Void Void curi MMT (a) Gambar 4.2. Pengamatan foto SEM komposit epoxy-montmorillonite variasi kecepatan putaran pengaduk (a) 350 rpm dan (b) 450 rpm (b) 4.2 Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Fracture Toughness Ketangguhan retak komposit dapat diketahui setelah dilakukan pengujian fracture toughness menggunakan universal testing machine. Fracture toughness R² = Putaran pengaduk (Rpm) Gambar 4.3. Pengaruh variasi kecepatan putaran mixing terhadap ketangguhan retak komposit epoxy-mmt. Seperti halnya pada pengujian tarik, Gambar 4.3 juga menunjukkan bahwa semakin bertambahnya kecepatan putaran mixing maka ketangguhan retak dari komposit juga mengalami peningkatan sampai pada kecepatan 350 rpm. Nilai ketangguhan retak dari kecepatan 150 rpm sampai dengan kecepatan 350 rpm meningkat sebesar 25,18% dan kemudian pada kecepatan putaran 450 rpm turun sebesar 10,69%.

31 25 Peningkatan fracture toughness dari komposit ini disebabkan karena clay yang tersebar merata di dalam polimer akan membatasi pergerakan ikatan polimer pada saat terkena pembebanan, sehingga partikel clay akan menjadi crack displacement yang menyebabkan komposit tersebut akan memiliki ketangguhan retak yang lebih baik dibandingkan tanpa ada penyebaran partikel MMT di dalamnya. Namun pada kecepatan putaran 450 rpm terjadi penurunan ketangguhan retak, hal itu disebabkan pada putaran tersebut terlalu tinggi sehingga pada proses mixing justru terjadi void. Akibat adanya void maka pada daerah tersebut akan memiliki penampang yang lebih kecil dibandingkan daerah sekitarnya, sehingga menyebabkan konsentrasi tegangan pada daerah tersebut pada saat komposit terkena pembebanan.

32 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil yang diperoleh dari analisa data, maka dapat disimpulkan bahwa hasil penelitian menunjukkan nilai kekuatan tarik dan fracture toughness meningkat secara berturut-turut seiring bertambahnya kecepatan putaran pengaduk hingga pada kecepatan 350 rpm sebesar 19,18% dan 25,18% Saran Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai variasi kecepatan putaran pengaduk terhadap karakteristik mekanik komposit Epoxy-MMT, maka untuk penelitian selanjutnya perlu diperhatikan: a. Penggunaan foto TEM untuk mengetahui lebih detail struktur penyebaran clay didalam polimer. b. Penggunaan baffle pada tabung pencampur untuk meminimalisir terjadinya void saat proses pencampuran pada kecepatan tinggi. 26