PENGARUH JENIS ADHESIVE PADA SAMBUNGAN KOMPOSIT SERAT NANAS TERHADAP KEKUATAN GESER DENGAN MATRIK POLYESTER. Sugiyanto 1

Transkripsi

1 PENGARUH JENIS ADHESIVE PADA SAMBUNGAN KOMPOSIT SERAT NANAS TERHADAP KEKUATAN GESER DENGAN MATRIK POLYESTER Sugiyanto 1 1 Dosen Teknik Mesin, Universitas Surakarta Sugiyantoputro@yahoo.co.id Ringkasan Di bidang transportasi terutama otomotif, penggunaan material komposit sampai sekarang masih berkembang. Hal ini disebabkan karena material logam semakin mahal serta tingkat kebutuhan komponen otomotif semakin besar. Material komposit sebagai pengganti material logam sudah mulai diterapkan seperti di INKA Madiun. Penggunaan material komposit hampir 60 % menggantikan bahan dari logam dan pengurangan berat sampai 25%-30%. Adapun serat yang banyak digunakan adalah jenis serat alam/natural fiber yaitu serat nanas. Material komposit mempunyai sifat ringan, sehingga apabila digunakan untuk konstruksi kendaraan akan berdampak pada pemakaian bahan bakar semakin hemat. Selain itu komposit mempunyai sifat struktur yang dapat disambung antara komposit dengan komposit tanpa harus melalui proses pemanasan dan pemesinan, sehingga akan menghemat energi. Selain itu, struktur material komposit dapat digunakan sebagai material sambungan dengan menggunakan suatu bahan perekat, sehingga akan mengurangi ketergantungan material sambungan logam dengan filler logam yang harganya mahal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jenis bahan perekat terhadap karakteristik kekuatan sambungan serat nanas dan mengetahui tentang patah permukaan (fracture surface) terhadap kekuatan sambungan serat nanas. Adapun metodologi penelitian yang dilakukan mengacu pada ASTM D Komposit dibuat dengan metode hand lay up dan dilakukan penekanan. Bahan yang digunakan adalah resin unsaturated polyester 157 BQTN, serat nanas. Volume fraksi yang digunakan adalah 30 % dengan struktur skin komposit tersusun dengan perbandingan serat nanas dan resin 30 : 70. Pengujian dilakukan menggunakan uji geser yaitu ASTM D Jenis adhesive (Perekat) yang digunakan epoksi, polyester, chloroprene dengan tebal adhesive (perekat) adalah 1 mm. Hasil yang diharapkan dalam penelitian ini adalah sambungan komposit dengan adhesive epoksi memiliki kekuatan geser tertinggi diantara dibandingkan adhesive lain (polyester dan chloroprene. Adhesive epoksi memiliki kekuatan ikatan yang tinggi dengan polyester, karena epoksi dan polyester mempunyai kemiripan unsur kimia yang sama, seperti C, H dan O. Hal yang sama juga terjadi pada adhesive polyester mempunyai kekuatan geser lebih tinggi dibandingkan dengan lem kuning. Hal ini disebabkan adhesive polyester mempunyai sifat mengikat kuat dengan komposit yang terbuat dari matrik polyester. Sambungan dengan adhesive polyester saat pengujian pada 3 area tersebut, terjadi kerusakan di komposit dengan adhesive polyester. Namun kekuatan ikatan adhesive chloroprene terhadap polyester jauh lebih rendah, karena unsur-unsur yang terkandung didalalm chloroprene sangat berbeda dengan unsur-unsur yang ada pada polyester. Adhesive polyester dengan matriks polyester terjadi suatu ikatan yang kuat yang ditunjukkan dengan adanya serat gelas yang terlepas dari kompositnya. Lem kuning hanya menempel di permukaan komposit, sehingga kerusakan terjadi pada adhesive dan alur pada komposit tampak tanpa adanya lem kuning tersisa. I. PENDAHULUAN Selama ini, serat dari pelepah nanas masih belum banyak digunakan di dunia industri. Seiring dengan kemajuan jaman, para ilmuwan memberikan perhatian yang lebih terhadap material komposit yang ramah lingkungan. Material komposit yang banyak digunakan adalah komposit penguatan serat. Keuntungan penggunaan komposit antara lain ringan, tahan korosi, tahan air, performance-nya menarik, dan Harga produk komponen yang dibuat dari komposit glass fibre reinforced plastic (GFRP) dapat turun hingga 60%, dibanding produk 16

2 logam.(sigit, 2007) Berbagai industri komposit di Indonesia masih menggunakan serat nanas sebagai penguat produk bahan komposit, seperti PT. INKA. Penggunaan komposit di industri mampu mereduksi penggunaan bahan logam import yang lebih mahal dan mudah terkorosi. Dalam perkembangannya, komposit yang terbuat dari glass fibre reinforced plastic (GFRP) merupakan polutan sehinggabanyak peneliti yang beralih menggunakan serat alam. (Sigit, 2007) Salah satu jenis serat alam yang berpotensi untuk digunakan sebagai penguat bahan komposit adalah serat nanas (Ananas comosus L. Merr). Ananas comosus (L.) Merr. adalah sejenis tumbuhan tropis yang berasal dari Brazil, Bolivia, dan Paraguay. Tumbuhan ini termasuk dalam familia nanas-nanasan (Famili Bromeliaceae). Perawakan (habitus) tumbuhannya rendah, herba (menahun) dengan 30 atau lebih daun yang panjang, berujung tajam, tersusun dalam bentuk roset mengelilingi batang yang tebal. Suhu yang sesuai untuk budidaya tanaman nanas adalah derajat C. Hal ini merupakan peluang pemberdayaan tumbuhan nanas sebagai bahan komposit. Potensi nanas (Ananas comusus (L.) Merr.) ditinjau dari produksinya merupakan salah satu dari tiga buah terpenting dari daerah tropika. Indonesia termasuk produsen nanas terbesar ke-5 di dunia setelah Brazil, Thailand, Filipina, dan Cina. Namun ditinjau dari perannya dalam ekspor dunia, Indonesia masih berada pada urutan ke-19 dengan pangsa hanya 0.47%. Hal ini merupakan hal yang kurang menggembirakan karena Indonesia memiliki potensi agroklimat dan luasan lahan yang tersedia sangat memadai untuk pengembangan nanas. Oleh karena itu, guna meningkatkan nilai jual tumbuhan nanas perlu pemanfatan pelepah nanas untuk dijadikan serat sebagai bahan komposit yang ramah lingkungan. Dari segi ekonomis, pelepah nanas masih jarang yang menggunakan sebagai icon komoditi dalam perindustrian. Nilai jual pelepah nanas hampir dikatakan tidak mempunyai nilai jual. Oleh karena itu, untuk kedepannya diharapkan serat dari pelepah nanas dapat digunakan sebagai bahan penguat komposit serat alam yang murah dan ramah lingkungan. Dari segi internasional, konsep back to nature pun semakin digalakkan. Bahkan anjuran FAO kepada dunia industri dengan dideklarasikannya International Year of Natural Fibres 2009 (IYNF 2009) oleh FAO pada tanggal 20 Desember 2006 yang menganjurkan agar mulai tahun 2009 sudah menggunakan bahan baku yang ramah lingkungan dan mudah terdegradasi. Hal ini merupakan peluang bagi pemanfatan serat nanas. Dalam penggunaan material komposit serat alam pada suatu struktur harus memenuhi kriteria kemampuan dan keamanan (Schwartz, 1984).Termasuk dalam hal ini adalah sambungan. Metode penyambungan yang dapat diterapkan pada material komposit adalah mechanical method, dan adhesive bonding, serta gabungan keduanya. Mechanical method menggunakan baut/pin dan sejenisnya sebagai media penyambung, sedangkan adhesive bonding menggunakan adhesive/perekat sebagai media penyambung (Schwartz, 1984). Dari ketiga metode penyambungan tersebut, adhesive bonding merupakan metode yang paling tepat untuk menyambung elemen-elemen tersebut. Metode ini tidak akan merusak serat dan distribusi beban akan merata, mampu menahan berat beban yang lebih besar daripada mechanical method, dan penggunaan metode penyambungan ini tidak menambah berat material (Fassio, dkk, 2005). Riset peningkatan sifat mekanis serat nanas dipandang sangat penting untuk dilakukan terutama untuk sambungan. Oleh karena itu, perlu diteliti kekuatan geser sambungan komposit serat nanas pada matrik unsaturated polyester type 157 BQTN-EX. Variabel yang berpengaruh terhadap kekuatan geser dalam penelitian ini adalah jenis sambungan komposit serat nanas dengan fraksi volume 30% memakai pada matrik Unsaturated Polyester type 157 BQTN-EX, adhesive yang digunakan epoksi, polyester, Chloroprene dengan tebal adhesive 1mm terhadap tegangan geser serat nanas (Ananas comosus L. Merr). Variabel-variabel tersebut menjadi acuan penting untuk mengetahui sifat mekanis tegangan geser serat nanas pada matrik unsaturated polyester type 157 BQTN-EX serta bentuk dari penampang patahannya. Manfaat penelitian ini dapat memberikan data kekuatan geser suatu sambungan sehingga diharapkan dari hasil penelitian ini dapat memberikan bahan alternatif sambungan komposit dari serat nanas (Ananas comosus L. Merr) yang mempunyai performansi tinggi, meningkatkan penggunaan serat nanas dalam dunia industri komposit yang mampu meningkatkan nilai ekonomis serat nanas dan 17

3 pemercepat pengembangan natural fiber yang ramah lingkungan. Sambungan dengan bahan perekat merupakan pemecahan dalam rangka penghematan bahan dan estetika serta kerapian. Sambungan dengan bahan perekat selalu digunakan secara luas dalam berbagai jenis sambungan struktur yang terbuat dari bahan logam, komposit dan keramik. Selama ini proses penyambungan dilakukan dengan cara memakai jenis sambungan las, sambungan murbaut, sambungan keling, brazing dan lain-lain. Penggunaan sambungan bahan perekat mempunyai kelebihan tentang variasi temperatur, menahan kelembaban, ketahanan terhadap fatik, mudah menyambung bahan yang berbeda, tidak mengubah sifat bahan yang disambung dan mengurangi kemungkinan korosi yang terjadi (Yusep 2007). Yusep (2007) dalam penelitiannya menunjukkan pemakaian jenis bahan perekat pada plat aluminium Aluminium 2023-T3, yaitu bahan perekat Plastic Steel Epoxy, bahan perekat White 2 Ton Epoxy, bahan perekat Epikol Epoxy dengan variasi tebal bahan perekat 0,14 mm sampai 0,15 mm, bahwa tegangan geser tertinggi pada jenis bahan perekat Plastic Steel Epoxy sebesar 12,055 MPa, sedangkan terendah pada tebal 0,15 mm Epikol Bahan perekat sebesar 6,37 MPa. TINJAUAN PUSTAKA Kajian Penelitian Pendahuluan Material komposit adalah kombinasi antara dua bahan atau lebih yang memilik sejumlah sifat yang tidak mungkin dimiliki oleh masing-masing komponen. Pada bahan komposit bahan pembentuknya masih terlihat seperti aslinya (Budinski 2003). Salah satu bahan komposit adalah plastik yang diperkuat serat. Pramono, C (2008) melakukan penelitian pada serat enceng gondok (eichornia crassipes) yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan tarik serat enceng gondok dan kompatibilitas serat enceng gondok pada matrik unsaturated polyester yukalac tipe 157 BQTN- EX. Pembuatan spesimen ujiserat enceng gondok terdiri dari serat non perlakuan dan perlakuan perendaman selama 2 jam dengan larutan alkali (NaOH kadar 5%, 10%, dan 15%) dan etanol (C 2 H 5 OH kadar 5%, 10%, dan 15 %). Spesimen uji tarik serat enceng gondok mengacu pada standar JIS R-7601, dan spesimen uji kompatibilitas dengan metode pengujian single fiber pull out. Hasil pengujian tarik mulur serat enceng gondok menunjukkan tegangan tarik tebesar pada serat non perlakuan N/mm 2 namun elongasi pada serat non perlakuan tersebut menunjukkan nilai yang terendah yaitu 0.857%. Sedangkan hasil pengujian kompatibilitas menunjukkan tegangan interfacial tertinggi terdapat pada spesimen perlakuan perendaman etanol kadar 10% sebesar N/mm 2 dan nilai elongasi sebesar 1.999%. Bentuk patahan serat dilihat dari samping akibat pengujian tarik menunjukkan patahan yang berbentuk tak beraturan seperti gerigi dan semakin ke ujung meruncing, sedangkan akibat pengujian kompatibilitas menunjukkan patahan yang sebagian matrik ikut tercabut pada ujung matrik yang menunjukkan adanya kecocokan serat terhadap matrik. Taurista, dkk pada tahun 2006 mengemukakan bahwa serat bambu dengan data mekanis pengujian didapatkan bahwa kekuatan tarik aktual terbesar dimiliki oleh komposit dengan lebar serat 5 mm dengan nilai σ aktual sebesar 16,806 Kg/mm2. Regangan tarik terbesar dimiliki komposit dengan lebar serat 5 mm dengan nilai εaktual sebesar 0,012. Sedangkan modulus elastisitas tarik terbesar dimiliki komposit dengan lebar serat 5 mm dengan nilai sebesar 1421,129 kg/mm2. Kekuatan bending terbesar dimiliki oleh komposit dengan lebar serat 5mm dengan nilai 17,60533 kg/mm2. Hasil tersebut sudah memenuhi syarat untuk aplikasi material kulit kapal, sesuai standar BKI (Biro Klasifikasi Indonesia). Kajian Tentang Bahan Perekat/Adhesive Bahan perekat Bahan perekat dapat digolongkan menjadi 2 yaitu thermoplastik dan thermosetting. Dalam penelitian ini bahan perekat yang digunakan dalam sambungan komposit adalah epoksi resin, polyester resin, chloroprene (lem kuning). Epoksi Resin epoksi merupakan jenis resin termoset. Resin epoksi mempunyai kegunaan yang luas dalam industri kimia teknik, listrik, mekanik, dan sipil sebagai bahan perekat, cat pelapis, dan benda-benda cetakan. Resin epoksi mempunyai ketahanan kimia yang baik, tahan terhadap suhu tinggi, sedikit mengalami penyusutan, kekuatan mekanis yang baik. Bahan perekat ini 18

4 memiliki kelemahan tidak tahan terhadap larutan asam. Resin epoksi berbentuk cair dengan 2 campuran, satu epoksi hardener tipe general purpose (polyaminoamida), kedua epoksi resin tipe general purpose (bispenola epichlorohidrin) dengan perbandingan 1 : 1. Produk resin epoksi merupakan kondensat dari isfenol dan epiklorhidrin. Resin epoksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan mekanis dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis, kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. Sifat lain adalah mempunyai kekuatan tinggi dan suhu tinggi, relatif pada suhu rendah, mudah digunakan, biaya rendah, mampu tahan pada suhu -40 C sampai +100 C (Banea 2009). Yusep (2007) meneliti tentang penggunaan bahan perekat epoksi sebagai media perekat pada plat paduan Aluminium 2024-T3. Hasil penelitian menunjukkan kekuatan geser jenis bahan perekat resin epoksi sebesar 13,692 MPa, karena bahan perekat resin epoksi mempunyai kelebihan dari jenis yang lain yaitu ikatan bahan perekatnya lebih homogen dan sangat kuat Chloroprene/lem kuning Perekat serbaguna dengan kemampuan cepat merekat dan dalam kondisi permukaan kotor serta mampu tahan suhu -40 C sampai +120 C (Banea, 2009) dan mempunyai ketahanan terhadap bahan kimia, sinar matahari, cuaca. Bahan perekat ini digunakan menyambung logam dengan logam atau plastik, sebagai perekat untuk lantai, laminasi kertas, tekstil dan sebagai perekat lainnya (Glen 2009). Chloroprene memiliki kekuatan tarik yang tinggi yaitu 20,7-27,6 MPa. Chloroprene tersusun atom monomer-monomer C 4 H 5 C L yang membuat rantai molekul yang saling berdekatan. Resin polyester Resin polyester selain berfungsi sebagai matriks dalam struktur komposit, resin polyester ini sebagai bahan perekat. Bahan perekat ini terbentuk dari reaksi antara dipolyalcohol dan asam polibasa (Glen 2009). Keunggulan dari resin polyester bahan perekat adalah pengerjaan mudah, proses pengerasan/curing cepat tanpa menimbulkan gas, warnanya terang, dimensinya stabil dan memiliki sifat fisis serta tahanan listrik yang baik. Pemberian bahan tambah katalis MEKPO pada resin polyester berfungsi untuk mempercepat proses pengerasan cairan resin polyester/curing pada suhu lebih tinggi. Penambahan katalis dalam jumlah yang banyak akan menimbulkan panas yang berlebih pada proses curing. Hal ini dapat menurunkan kualitas/ merusak produk komposit. Oleh karena itu pemakaian katalis dibatasi maksimal 1% dari volume resin (Justus 2001) METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : a. Moulding / pencetak skin b. Rol c. UTM di Laboratorium Material Teknik Mesin UNS d. Timbangan Digital e. Penekan sambungan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Serat Nanas 2. Resin Unsaturated polyester Yucala c 157 BQTN-EX. 3. Katalis MEKPO (Methyl Ethyl Ketone Perokside) 4. Realeaser Mirror Glase Wax/FRP Wax, sumber dari PT. Justus 5. Bahan perekat epoxy, Chloroprene, Polyester resin dari PT. Justus Kimia Raya Semarang. 19

5 Langkah Penelitian Persiapan pembuatan spesimen Pembuatan spesimen menggunakan fraksi volume 30% (0,3) yaitu perbandingan volume antara serat dan matriks sebesar 30% serat dan 70% matriks. Katalis yang digunakan sebesar 1 % dari berat resin. Spesimen dibuat secara hand lay-up, dimana serat nanas ditempatkan pada dasar cetakan, yang sebelumnya telah dituang campuran resin polyester BQTN 157-EX dan katalis MEKPO. Kemudian di atas serat nanas dituang campuran resin termosetting BQTN 157-EX dan katalis MEKPO sampai semua serat nanas terendam. Cetakan penutup dipasang di atas spesimen dan dibiarkan mengeras pada temperatur ruang selama 2 jam. Pembuatan sambungan komposit Dalam pembuatan sambungan komposit serat nanas ini, bahan perekat ini menggunakan tiga jenis yaitu epoksi, polyester, lem kuning. Adapun tebal bahan perekat 1 mm. Perbandingan pemakaian bahan perekat epoksi 1 : 1, untuk bahan perekat polyester 100 ml dan 1% katalis, serta chloroprene. Ke dua spesimen komposit disambung, yaitu kedua permukaan komposit diberi bahan perekat. Dilakukan penyambungan yaitu jenis sambungan yang digunakan adalah sambungan tumpang/single lap joint, kemudian dipres untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Proses pengepresan dilakukan dengan waktu yang sama dari ketiga jenis bahan perekat tersebut selama 8 jam dalam suhu ruang. Pengujian sambungan komposit Sambungan komposit dengan model single lap joint, setelah kering, kemudian dilakukan pengujian geser. Pengujian geser dilakukan di Laboratorium Material Teknik Mesin UNS dengan menggunakan Universal Testing Machine (UTM). Pengujian yang dilakukan adalah pengujian tarik dan geser di Laboratorium Material Teknik Mesin UNS dengan menggunakan Universal Testing Machine (UTM). 1. Beban rata-rata dengan kelajuan : 50 mm/menit 2. Beban maksimum mesin uji tarik : 100 ton 3. Skema pengujian sesuai ASTM Foto Mikro Foto Mikro ini digunakan untuk mengetahui tentang ikatan /patahan bahan perekat yang terjadi pada permukaan sambungan komposit. Analisis Data dan Pembahasan Analisa dilakukan dengan cara memproses data yang diperoleh dari hasil pengujian. Dari data tersebut diperoleh nilai kekuatan sambungan. Pengamatan foto mikro dilakukan untuk mendukung analisis dari sifat mekanis yang diperoleh. HASIL dan PEMBAHASAN Hasil Pengujian 6 Hubungan antara Variasi Adhesive dengan Tegangan Geser Tegangan Geser (Mpa) Epoksi Polyester Chloroprene Variasi Adhesive 20

6 Gambar 1. Histogram jenis adhesive terhadap tegangan yang dihasilkan A. Pembahasan Adhesive Epoksi rendah, karena unsur-unsur yang terkandung didalalm chloroprene sangat berbeda dengan unsur-unsur yang ada pada polyester. Adhesive polyester dengan matriks polyester terjadi suatu ikatan yang kuat yang ditunjukkan dengan adanya serat gelas yang terlepas dari kompositnya. Lem kuning hanya menempel di permukaan komposit, sehingga kerusakan terjadi pada adhesive dan alur pada komposit tampak tanpa adanya lem kuning tersisa. Foto SEM Adhesive Lem Kuning Adhesive Polyester Gambar 1. Penampang uji geser Gambar 1. memperlihatkan sambungan komposit dengan adhesive epoksi memiliki kekuatan geser tertinggi diantara dibandingkan adhesive lain (polyester dan chloroprene. Adhesive epoksi memiliki kekuatan ikatan yang tinggi dengan polyester, karena epoksi dan polyester mempunyai kemiripan unsur kimia yang sama, seperti C, H dan O. Hal yang sama juga terjadi pada adhesive polyester mempunyai kekuatan geser lebih tinggi dibandingkan dengan lem kuning. Hal ini disebabkan adhesive polyester mempunyai sifat mengikat kuat dengan komposit yang terbuat dari matrik polyester. Sambungan dengan adhesive polyester saat pengujian pada 3 area tersebut, terjadi kerusakan di komposit dengan adhesive polyester. Namun kekuatan ikatan adhesive chloroprene terhadap polyester jauh lebih Kesimpulan 1. Kekuatan geser yang paling besar terjadi pada jenis perekat epoksi 2. Kekuatan geser terendah terjadi pada jenis perekat lem kuning 3. Hasil geser ketiga adhesive, ikatan yang paling besar terjadi pada jenis perekat epoksi Saran 1. Dapat menggunakan material lain sebagai bahan sambungan 2. Pengujian bending untuk mengetahui kekuatan bendingnya DAFTAR PUSTAKA Annual Book of Standards, Section 15, ASTM D , Standard Test Method for Lap Shear Adhesion for Fiber Reinforced Plastic (FRP) Bonding1, ASTM, 1996 Banea, Adhesive bonded joints in composite materials: an overview, Journal of Materials Design and Applications 2009, 1Instituto de EngenhariaMecânica (IDMEC), Porto, Portugal Budinski, Engineering Material Properties and Selection, Prentice Hall, New Jesey. Daniel, Surface Analysis of Machined Fiber Glass Composite Material, Recent Researches in Manufacturing Engineering, Université de Franche- Comté. Fassio, Tensile Test on Bonded double- Strap Joints Between Pultruded GFRP 21

7 Profiles, Department of Structural Engineering, Universita Degli Studi Roma Tre, ITA. Gay, Composite Material, Desaign and Applications, Boca Raton: CRC Press. Glen, Adhesives and Adhesion, CHEM NZ, 2009, No.71, sHosen, J Polimerisasi, Pemrosesan Produk Plastik berbasis Polyester ITB Bandung. Popov, Mechanics of Materials, Penerbit Erlangga Mueler, New Discovery in the Properties of Composites Reinforced with Natural Fibers. Journal Of Industrial Textiles, Vol. 33, No. 2. Sage Publications. Schwartz, Composite Materials Handbook, New York: McGraw Hill Inc. Yusep, Adhesive Bonded Joint Characterization On Aluminium Alloy 2024-T3, Teknosains, Pasca Sarjana UGM. 22