PENGARUH KOMPOSISI SELULOSA SEBAGAI BAHAN PENGISI PADA KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH SKRIPSI

Transkripsi

1 PENGARUH KOMPOSISI SELULOSA SEBAGAI BAHAN PENGISI PADA KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH SKRIPSI Oleh MICHAEL DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FEBRUARI 2014

2 PENGARUH KOMPOSISI SELULOSA SEBAGAI BAHAN PENGISI PADA KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH SKRIPSI Oleh MICHAEL SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FEBRUARI 2014

3 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul: PENGARUH KOMPOSISI SELULOSA SEBAGAI BAHAN PENGISI PADA KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan maupun di Perguruan Tinggi atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya. Medan, 2014 Michael NIM i

4 ii

5 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul Pengaruh Komposisi Selulosa Sebagai Bahan Pengisi Pada Komposit Poliester Tidak Jenuh, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi gambaran kepada dunia industri tentang pemanfaatan tandan kosong sawit yang dapat diolah lebih lanjut sehingga didapat selulosa yang memiliki potensi untuk dijadikan pengisi dalam pembuatan komposit polimer. Beberapa data dari Skripsi ini telah diterima untuk dipresentasikan pada: 1. International Conference of Advances Materials Science and Technology (ICAMST) 2013 di Yogyakarta, Indonesia pada September 2013 dengan judul IMPACT AND THERMAL PROPERTIES OF UNSATURATED POLYESTER COMPOSITES FILLED WITH EMPTY FRUIT BUNCH PALM OIL (EFBPO) AND CELLULOSE. 2. ASEAN : MOVING FORWARD, The 11 th International Conference on Mining, Materials and Petroleum Engineering di Chiang Mai, Thailand pada November 2013 dengan judul TENSILE AND FLEXURAL PROPERTIES OF UNSATURATED POLYESTER COMPOSITES FILLED WITH EMPTY FRUIT BUNCH PALM OIL (EFBPO) AND CELLULOSE. Sedangkan karya ilmiah yang telah diterima untuk terbit pada Jurnal Teknik Kimia USU dengan judul DAYA SERAP AIR DAN FRAKSI VOLUME SERAT KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH BERPENGISI SERAT TANDAN KOSONG SAWIT DAN SELULOSA. Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: iii

6 1. Ibu Dr. Halimatuddahliana, ST, M.Sc, selaku Dosen Pembimbing atas kesabarannya dalam membimbing penulis pada penyusunan dan penulisan skripsi ini. 2. Bapak Dr.Ir.Taslim, M.Si selaku Dosen Penguji I yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini. 3. Ibu Dr.Maulida, ST, M.Sc selaku Dosen Penguji II yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini serta memberikan izin bagi penulis untuk menggunakan alat pengujian mekanik. 4. Elmer Surya, ST, selaku partner penelitian penulis. 5. Rekan-rekan dari Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) yang banyak membagikan informasi kepada penulis. 6. Teman-teman stambuk 2009 Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, 2014 Penulis Michael iv

7 DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada kedua orang tua saya yaitu Ayahanda Hendry dan Ibunda Thio Bie Sim, serta kepada adik, tante, paman, sepupu dan keluarga besar saya yang telah memberikan dukungan moril maupun materil yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini dengan baik. v

8 RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama: Michael NIM: Tempat/Tgl. Lahir: Medan, 30 Agustus 1991 Nama orang tua: Hendry Alamat orang tua: Komplek Cemara Hijau blok ff 15 Asal Sekolah SD Wiyata Dharma Medan, tahun SMP Wiyata Dharma Medan, tahun SMA Wiyata Dharma Medan, tahun Pengalaman Organisasi/ Kerja : 1. HIMATEK periode Artikel yang telah diterima untuk dipublikasikan pada Pertemuan Ilmiah: 1. International Conference of Advances Materials Science and Technology (ICAMST) 2013 di Yogyakarta, Indonesia pada September ASEAN : MOVING FORWARD, The 11 th International Conference on Mining, Materials and Petroleum Engineering di Chiang Mai, Thailand pada November Jurnal Teknik Kimia USU dengan judul DAYA SERAP AIR DAN FRAKSI VOLUME SERAT KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH BERPENGISI SERAT TANDAN KOSONG SAWIT DAN SELULOSA vi

9 ABSTRAK Selulosa hasil turunan dari limbah serat tandan kosong sawit (STKS) berpotensi menjadi pengisi (filler) bahan komposit. Kajian tentang pemanfaatan selulosa sebagai pengisi di dalam matriks poliester telah dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan komposisi pengisi selulosa di dalam komposit poliester tidak jenuh (UPR) dalam menghasilkan sifat mekanik seperti kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan lentur (flexural strength), kekuatan bentur (impact strength), serta penyerapan air (water absorption) yang terbaik. Dalam penelitian ini, UPR dicampurkan dengan selulosa dengan perbandingan berat 95:5; 90:10; 85:15; dan 80:20 dengan menggunakan metoda hand lay-up. Dari hasil karakterisasi FTIR diperoleh bahwa ikatan antara matriks dan pengisi yang dihasilkan hanya berupa interaksi penjangkaran mekanik, ikatan hidrogen dan gaya Van der Waals. Hasil pengujian sifat-sifat mekanik menunjukkan bahwa, pada rasio UPR : selulosa 95:5; diperoleh kekuatan tarik maksimum sebesar 21,518 MPa. Sementara itu, nilai modulus Young terus meningkat sedangkan sifat pemanjangan pada saat putus mengalami penurunan seiring bertambahnya jumlah selulosa. Analisa terhadap sifat kekuatan lentur diperoleh bahwa peningkatan hanya terjadi pada rasio 95:5 sebesar 50,872 MPa. Analisa terhadap sifat kekuatan bentur diperoleh bahwa peningkatan hanya terjadi pada rasio 95:5 yaitu sebesar 5094 J/m 2. Hasil uji mekanik selanjutnya didukung oleh analisa scanning electron microscopy (SEM) dan thermogravimetric analysis (TGA). Pada uji daya serap air, penyerapan air yang paling tinggi terjadi pada jam pertama dan penyerapan air semakin meningkat seiring bertambahnya jumlah pengisi. Kata kunci : poliester tidak jenuh, selulosa, uji mekanik,penyerapan air, hand lay up vii

10 ABSTRACT Cellulose which derived from Oil Palm Empty Fruit Bunch (OPEFB) wastes can be potentially used as fillers in composite materials. The study on the utilization of cellulose as filler in polyester matrix had been done with the purpose to obtain the best cellulose fillers composition in Unsaturated Polyester (UPR) composites in producing mechanical properties such as: tensile strength, flexural strength, impact strength and water absorption. In this research, UPR was mixed with cellulose with mass ratio 95:5; 90:10; 85:15; and 80:20 by using hand lay-up method. The result of FTIR characterization shows that bonding between matrix and fillers is mechanical anchoring, hyroden bonding and Van der Waals forces. The results of mechanical properties shows at ratio of UPR : cellulose 95:5, the maximum tensile strength obtained is 21,518 MPa. Meanwhile the value of Young's Modulus continues to increase while the value of elongation at break decreases as the amount of cellulose increases. An analysis of flexural strength properties shows that increasing of it s value occurs at ratio 95:5 of 50,872 MPa. An analysis of impact strength properties shows that increased occurs only at ratio 95:5 of 5094 J/m 2. The results of mechanical properties are supported by scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TGA). In water absorption test, the higher water uptake occured at the first hour and the water uptake will increase as the amount of fillers rise. Keywords : unsaturated polyester, cellulose, mechanical testing, water absorption, hand lay-up viii

11 DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI PENGESAHAN PRAKATA DEDIKASI RIWAYAT HIDUP PENULIS ABSTRAK ABSTRACT DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR SINGKATAN DAFTAR SIMBOL i ii iii v vi vii viii ix xii xiv xv xvii xviii BAB I PENDAHULUAN LATAR BELAKANG PERUMUSAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN MANFAAT PENELITIAN RUANG LINGKUP PENELITIAN 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA BAHAN KOMPOSIT Konstituen Komposit Matriks Pengisi Antarmuka dan Antarfasa METODA PENYEDIAAN KOMPOSIT PENGUJIAN/ KARAKTERISASI BAHAN KOMPOSIT Analisa Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Analisa Kekuatan Bentur (Impact Strength) 16 ix

12 2.3.3 Analisa Kekuatan Lentur (Flexural Strength) Analisa Karakteristik Fourier Transform Infra Red(FT-IR) Analisa Fraksi Volume Serat Analisa Penyerapan Air Oleh Komposit Analisa Scanning Electron Microscopy (SEM) Analisa Thermogravimetric Analysis (TGA) APLIKASI DAN KEGUNAAN PRODUK KOMPOSIT ANALISA BIAYA 23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN LOKASI PENELITIAN BAHAN DAN PERALATAN Bahan Peralatan PROSEDUR PENELITIAN Penyediaan Komposit Poliester Tidak Jenuh Berpengisi Selulosa Flowchart Penyediaan Komposit UPR-Selulosa Pengujian Komposit 30 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 KARAKTERISTIK FTIR (FOURIER TRANSFORM INFRA-RED (FTIR) POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) DAN SELULOSA PROFIL HUBUNGAN STRESS-STRAIN UPR MURNI DAN KOMPOSIT UPR BERPENGISI SELULOSA PENGARUH KANDUNGAN BAHAN PENGISI TERHADAP KEKUATAN TARIK (TENSILE STRENGTH) KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) PENGARUH KANDUNGAN BAHAN PENGISI TERHADAP PEMANJANGAN PADA SAAT PUTUS (ELONGATION AT BREAK) KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) 40 x

13 4.5 PENGARUH KANDUNGAN BAHAN PENGISI TERHADAP KEKUATAN LENTUR (FLEXURAL STRENGTH) KOMPOSIT TIDAK JENUH (UPR) PENGARUH KANDUNGAN BAHAN PENGISI TERHADAP KEKUATAN BENTUR (IMPACT STRENGTH) KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) KARAKTERISTIK TGA (THERMOGRAVIMETRIC ANALYSIS) POLIESTER TIDAK JENUH (UPR), SELULOSA DAN KOMPOSIT UPR-SELULOSA 95/ PENGARUH KANDUNGAN BAHAN PENGISI TERHADAP PENYERAPAN AIR (WATER ABSORPTION) KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) HUBUNGAN KANDUNGAN BAHAN PENGISI TERHADAP FRAKSI VOLUME SERAT DAN PENYERAPAN AIR KOMPOSIT POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) 50 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN SARAN 52 DAFTAR PUSTAKA 54 LAMPIRAN 1 DATA PERNELITIAN 58 LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 60 LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 62 LAMPIRAN 4 HASIL PENGUJIAN LAB ANALISI DAN INSTRUMEN 67 LAMPIRAN 5 DAFTAR PUBLIKASI 80 xi

14 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Bentuk-Bentuk Konstituen Yang Berbeda 6 Gambar 2.2 Reaksi Pembentukan Poliester Tidak Jenuh 8 Gambar 2.3 Reaksi Curing Poliester Tidak Jenuh 9 Gambar 2.4 Kelas Komposit 11 Gambar 2.5 Struktur Primer Selulosa 12 Gambar 2.6 Bentuk Interface Antara Matriks Dengan Serat 14 Gambar 2.7 Metoda Hand Lay-Up 15 Gambar 2.8 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan Izod 16 Gambar 2.9 Skema Pengujian Impak 17 Gambar 2.10 Susunan Geometri Serat Dalam Matriks 18 Gambar 2.11 Contoh Penggunaan Serat Alam di Industri Automotif 21 Gambar 2.12 Mobil Lotus Eco Elise 22 Gambar 2.13 Aplikasi Lain Penggunaan Komposit Serat Alam 22 Gambar 2.14 BumpTek RP-53 - (53" Rear Bumper Guard) 24 Gambar 3.1 Sketsa Penyediaan Komposit 29 Gambar 3.2 Sketsa Visualisasi Cetakan Malam 29 Gambar 3.3 Sketsa Visualisasi Cetakan Malam Beserta Alas Kaca 29 Gambar 3.4 Flowchart Penyediaan Komposit UPR - Selulosa 30 Gambar 3.5 Sketsa Spesimen Uji Tarik 31 Gambar 3.6 Ukuran Dimensi Spesimen Kekuatan Flexural ASTM D Gambar 3.7 Ukuran Dimensi Spesimen MetodaIzod ASTM D Gambar 4.1 Karakteristik FTIR Poliester Tidak Jenuh (UPR) 35 Gambar 4.2 FTIR Selulosa 36 Gambar 4.3 Profil Hubungan Stress-Strain Poliester Tidak Jenuh dan Komposit UPR berpengisi Selulosa 37 Gambar 4.4 Pengaruh Komposisi Bahan Pengisi Terhadap Kekuatan Tarik Komposit UPR Berpengisi Selulosa 39 Gambar 4.5 Pengaruh Komposisi Bahan Pengisi Terhadap Pemanjangan Pada xii

15 Saat Putus Komposit UPR Berpengisi Selulosa 40 Gambar 4.6 Pengaruh Komposisi Bahan Pengisi Terhadap Kekuatan Lentur Komposit UPR Berpengisi Selulosa 41 Gambar 4.7 Pengaruh Komposisi Bahan Pengisi Terhadap Kekuatan Bentur Komposit UPR Berpengisi Selulosa 42 Gambar 4.8 Hasil FTIR dari Poliester Tidak Jenuh (UPR), Selulosa, Komposit Poliester Tidak Jenuh Berpengisi Selulosa 44 Gambar 4.9 Kemungkinan Ikatan Antara Resin dengan SeratAlam 45 Gambar 4.10 Analisis Scanning Electron Microscope 46 Gambar 4.11 Kurva TGA dari PoliesterTidakJenuh (UPR), Selulosa dan Komposit UPR-Selulosa 95/5 47 Gambar 4.12 Pengaruh Waktu Terhadap Persen (%) Penyerapan Air Komposit 49 Gambar 4.13 Pengikatan Molekul Air Oleh Serat Alam 50 Gambar L3.1 PenyediaanKomposit UPR-Selulosa 62 Gambar L3.2 Alat UTM Gotech Al-7000 M Grid Tensile 62 Gambar L3.3 Alat UTM Gotech Al-7000 M Grid Flexural 63 Gambar L3.4 Alat Impact Tester GOTECH 63 Gambar L3.5 FTIR SHIMADZU IR-PRESTIGE Gambar L3.6 SEM JEOL-JSM-6510 LV 64 Gambar L3.7 Shimadzu Simultanous TGA/DTA Analyzer DTG Gambar L4.1 Hasil FTIR Poliester Tidak Jenuh (UPR) 67 Gambar L4.2 Hasil FTIR Selulosa 67 Gambar L4.3 Hasil FTIR Komposit UPR-Selulosa 68 Gambar L4.4 Hasil Termogram Poliester Tidak Jenuh (UPR) 68 Gambar L4.5 Hasil Termogram Selulosa 69 Gambar L4.6 Hasil Termogram Komposit UPR-Selulosa 69 xiii

16 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Spesifikasi Unsaturated Polyester Resin Yukalac 157 BTQN-EX 7 Tabel 2.2 Sifat-sifat Umum Serat Selulosa 13 Tabel 2.3 Perbandingan Harga antara Serat Alam dan Serat Sintetik 20 Tabel 2.4 Perusahaan Mobil dan Penggunaan Komposit Serat Alam 21 Tabel 2.5 Rincian Biaya Pembuatan Komposit UPR Berpengisi Selulosa 23 Tabel 2.6 Rincian Biaya Pembuatan Bumper 25 Tabel 4.1 Nilai Modulus Young PoliesterTidakJenuh (UPR) dan Komposit UPR berpengisi Selulosa 38 Tabel 4.2 Data Kehilangan Massa TerhadapTemperatur 48 Tabel 4.3 Kandungan Bahan Pengisi Terhadap Fraksi Volume Serat 51 Tabel L1.1 Data Hasil Modulus Young 58 Tabel L1.2 Data Hasil KekuatanTarik 58 Tabel L1.3 Data Hasil Pemanjangan Pada Saat Putus 58 Tabel L1.4 Data Hasil Kekuatan Lentur 58 Tabel L1.5 Data Hasil Kekuatan Bentur 59 Tabel L1.6 Data Penyerapan Air Komposit UPR-Selulosa 59 Tabel L1.7 Data HasilFraksi Volume Serat 59 xiv

17 DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 58 L1.1 DATA HASIL MODULUS YOUNG 58 L1.2 DATA HASIL KEKUATAN TARIK [MPa] 58 L1.3 DATA HASIL PEMANJANGAN PADA SAAT 58 PUTUS [%] L1.4 DATA HASIL KEKUATAN LENTUR [MPa] 58 L1.5 DATA HASIL KEKUATAN BENTUR [J/m 2 ] 59 L1.6 DATA HASIL PENYERAPAN AIR KOMPOSIT 59 UPR-SELULOSA L1.7 DATA HASIL FRAKSI VOLUME SERAT 59 LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 60 L2.1 PERHITUNGAN PENYERPAN AIR KOMPOSIT 60 L2.2 PERHITUNGAN FRAKSI VOLUME SERAT 60 LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 62 L3.1 PENYEDIAAN KOMPOSIT UPR- SELULOSA 62 L3.2 ALAT UNIVERSAL TESTING MACHINE (UTM) 62 GOTECH AL-7000 M GRID TENSILE L3.3 ALAT UNIVERSAL TESTING MACHINE (UTM) 63 GOTECH AL-7000 M GRID FLEXURAL L3.4 ALAT IMPACT TESTER GOTECH 63 L3.5 FOURIER TRANSFORM INFRA RED (FTIR) 64 SHIMADZU IR-PRESTIGE 21 L3.6 SCANNING ELECTON MICROSCOPY (SEM) JEOL-JSM-6510LV 64 L3.7 SHIMADZU SIMULTANEOUS TGA/DTA 66 ANALYZER DTG-40 LAMPIRAN 4 HASIL PENGUJIAN LAB ANALISIS DAN 67 xv

18 INSTRUMEN L4.1 HASIL FTIR POLIESTER TIDAK JENUH (UPR) 67 L4.2 HASIL FTIR SELULOSA 67 L4.3 HASIL FTIR KOMPOSIT UPR-SELULOSA 68 L4.4 HASIL TERMOGRAM POLIESTER TIDAK 68 JENUH (UPR) L4.5 HASIL TERMOGRAM SELULOSA 69 L4.6 HASIL TERMOGRAM KOMPOSIT UPR- 70 SELULOSA L4.7 HASIL KEKUATAN TARIK, PEMANJANGAN 70 PADA SAAT PUTUS DAN MODULUS YOUNG L4.7.1 Poliester Tidak Jenuh (UPR) 70 L4.7.2 Komposit UPR- Selulosa 95/5 71 L4.7.3 Komposit UPR- Selulosa 90/10 72 L4.7.4 Komposit UPR- Selulosa 85/15 73 L4.7.5 Komposit UPR- Selulosa 80/20 74 L4.8 HASIL KEKUATAN LENTUR 75 L4.8.1 Poliester Tidak Jenuh (UPR) 75 L4.8.2 Komposit UPR- Selulosa 95/5 76 L4.8.3 Komposit UPR- Selulosa 90/10 77 L4.8.4 Komposit UPR- Selulosa 85/15 78 L4.8.5 Komposit UPR- Selulosa 80/20 79 xvi

19 DAFTAR SINGKATAN STKS UPR MEKP FTIR SEM TGA PPKS ASTM LDPE HDPE RTM BMW UTM DP OPEFB Serat Tandan Kosong Sawit Unsaturated Poliester Resin Metil Etil Keton Peroksida Fourier Transfrom Infra-Red Scanning Electron Microscopy Thermogravimetric Analysis Pusat Penelitan Kelapa Sawit American Standard Testing and Material Low Density Poly Etilene High Density Poly Etilene Resin Tranfer Moulding Bayerische Motoren Werke Universal Testing Machine Derajat Polimerisasi Oil Palm Empty Fruit Bunch xvii

20 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Dimensi t Kekuatan tarik Mpa F maks Beban maksimum Kgf Wg Persentase pertambahan berat komposit We Berat komposit setelah perendaman gram Wo Berat komposit sebelum perendaman gram M f Massa serat gram V f Fraksi volume serat ρ f Massa sejenis serat gram/ml M c Massa komposit gram V c volume komposit ρ c Massa sejenis komposit gram/ml M R Massa resin gram V R Fraksi volume resin ρ R Massa sejenis resin gram/ml xviii