STUDY PERILAKU MEKANIK KOMPOSIT BERBASIS POLYESTER YANG DIPERKUAT DENGAN PARTIKEL SERBUK KAYU KERAS DAN LUNAK

Transkripsi

1 STUDY PERILAKU MEKANIK KOMPOSIT BERBASIS POLYESTER YANG DIPERKUAT DENGAN PARTIKEL SERBUK KAYU KERAS DAN LUNAK A z w a r *) azar_pnl@yahoo.co.uk Abstrak Penggunaan serat alami sebagai pengisi (filler) dan penguat (reinforcement) pada pembuatan komposit merupakan suatu paradigma untuk menghasilkan suatu material komposit yang ramah lingkungan sehingga tidak menimbulkan masalah bagi lingkungan. Penelitian ini menggunakan pengisi (filler) alamiah dari serbuk kayu keras dan kayu lunak dengan matrik polimer dari jenis resin polyester tak jenuh dan katalis asam sebagai pengeras. Penelitian ini bertujuan mendapatkan suatu material komposit serbuk kayu serat pendek dengan orientasi acak (randomly) yang lebih unggul dari segi sifat mekaniknya sebagai bahan dasar perencanaan alat-alat teknik sederhana. Metode penelitian dilaksanakan dengan pembuatan material komposit dengan proses hand lay-up satu tahap, dengan variasi ukuran dan fraksi volume filler dari jenis kayu keras dan kayu lunak. Dimensi dan konfigurasi specimen uji dibuat mengikuti standar ASTM D 3039 untuk sifat-sifat tarik resin serat komposit. Proses pengujian dilakukan menggunakan mesin uji tarik universal untuk mendapatkan kekuatan tarik, modulus elastisitas dan regangan dari material uji. Hasil pengujian menunjukkan komposit dengan filler dari jenis serbuk kayu lunak dengan komposisi dan ukuran filler 10 % fraksi volume dan 0.4 mm mengalami peningkatan sifat mekanik yang paling baik yaitu: kekuatan tarik 0,0722 kn/mm 2, regangan % dan modulus elastisitas 0,0424 kn/mm 2. Kata kunci : Komposit, filler, matriks, serat alam, serbuk kayu, perilaku mekanik PENDAHULUAN Perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan dalam segala bidang telah menuntut ketersediaan bahan teknik sebagai pendukung utamanya. Bahan-bahan teknik konvensional dari alam yang tidak dapat diperbaharui akan terbatas ketersediaannya, sehingga perlu dicari alternatif bahan-bahan teknik non konvensional yang dapat diperbaharui. Dalam membuat suatu perencanaan teknik memerlukan suatu bahan teknik yang kuat, tangguh, mudah dibentuk, ekonomis, tahan korosi serta ramah lingkungan. *) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe 19 Sebagian besar material konvensional bersifat homogen dan isontropik, sedangkan material non konvesional bersifat tidak homogen dan anisotropik. Bahan komposit merupakan suatu bahan non konvensioanal yang sifatnya tergantung dari arah dan posisi penyusunnya. Penemuan bahan komposit merupakan revolusi terbesar dalam dunia ilmu material, karena bahan komposit telah mampu menyaingi bahan konvensional lainnya. Bahan komposit dapat dibuat sehingga mempunyai kekuatan dan kekakuan

2 sama dengan baja, namun bahan komposit lebih ringan. Walaupun demikian material komposit tidak langsung diaplikasikan untuk menggantikan peran material konvensional dari komponen suatu mesin, namun harus melalui tahaptahap perencanaan yang matang melalui suatu riset. Perkembangan ilmu dan riset memungkinkan untuk dilakukannya penelitian yang terus menerus terhadap bahan komposit, baik dari segi analisisi, perancangan dan proses pembuatannya sehingga menjadi suatu bahan yang unggul. Komposit merupakan gabungan dua atau lebih material yang berbeda secara makroskopik membentuk suatu material dengan sifat yang lebih unggul. Keunggulan bahan komposit tergantung dari penggabungan sifatsifat yang unggul dari unsur pembentuknya. Pembuatan komposit serbuk kayu merupakan penggabungan antara resin polyester sebagai matrik dengan serbuk kayu sebagai filler. Penambahan filler kedalam matrik bertujuan mengurangi densitas, meningkatkan sifat mekaniknya seperti kekakuan dan kekuatan serta mengurangi biaya per unit volume. Pemakaian serbuk kayu sebagai filler juga akan meningkatkan efisiensi pemanfaatan kayu yang selama ini belum dimanfaatkan secara maksimal bahkan banyak yang terbuang secara percuma. Di daerah NAD potensi kayu sebagai filler sangat besar, terutama limbah serbuk kayu hasil gergajian yang pemanfaatannya masih belum optimal. Pemakaian bahan komposit dalam bidang teknik dewasa ini semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pengetahuan tentang karakteristik material ini, dan biaya produksi yang diperlukan relatif sama dan cenderung lebih rendah dibandingkan dengan bahan konvensional. Munculnya peraturan pemerintah dan berkembangnya kesadaran masyarakat untuk melestarikan lingkungan hidup telah memicu pergesaran paradigma untuk mendesain material yang ramah lingkungan. TINJAUAN PUSTAKA Jones, dkk (1975) menyebutkan bahwa penemuan bahan komposit merupakan revolusi terbesar dalam dunia ilmu material. Bahan komposit dapat dibuat sehingga mempunyai kekuatan dan kekakuan yang sama dengan baja, namun lebih ringan hingga 70 %. Derek Hull (1981) menyatakan bahwa komposit adalah dua atau lebih bahan yang berbeda secara fisik dan mekanik yang dicampur dengan cara tertentu sehingga penyebaran bahan yang satu terhadap lainnya dapat dijaga untuk mendapatkan sifat-sifat yang maksimum yang lebih unggul dari sifat masing-masing pada penyusunnya. Komposit terdiri dari dua unsur penyusun yaitu matrik sebagai unsur pengikat (bonding agent) dan serta atau filler sebagai penguat. J.R. Vinson membagikan komposit berdasarkan bahan pengikat (matrik) dan bahan penguatnya,dimana berdasarkan bahan pengikatnya dikenal beberapa jenis komposit yaitu : Polimer matriks composite (PMC), Metal matriks composite (MMC) dan Ceramic matriks composite (CMC). Sedangkan berdasarkan bahan penguatnya adalah : komposit serat (fibrous composite), 20

3 komposit berlapis (lamellar composite), dan komposit partikel (particulate composite). Menurut Kroschwitz, matriks berfungsi memelihara arah dan jarak antar serat atau partikel, meneruskan dan membagi gaya kepada serat atau partikel, melindungi serat atau partikel. Sedangkan filler ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan tarik, tekan, kekakuan, stabilitas dimensi dan panas. Bahan yang sering digunakan sebagai filler adalah serbuk atau tepung kayu, serat selulosa pendek, bubuk mika, asbestos, pasir silica, aluminum okside dan serbuk perak. Jenis filler dari serbuk kayu sangat ekonomis dalam pemakaiannya, karena mudah didapat dan murah, juga sifatnya dapat mencegah terjadinya slip didalam resin serta dapat diikat dengan baik oleh resin. Menurut Van Vlack, kayu adalah material yang bersifat anisotropik dan higroskopis yang sangat penting dalam ilmu material denga struktur makro berbentuk serat. Kayu memiliki beberapa sifat yang tidak dapat ditiru oleh bahan lainnya. Kayu terdiri dari % selulosa, hemiselulosa % dan lignin sebanyak %. Serat kayu yang dijadikan filler sangat tergantung dari jenis kayu. Kayu lunak memiliki panjang serat antara 2 s.d 6 mm dengan ukuran kekasaran yang lebih besar yaitu 15 s.d. 35 mg/100 mm. Kayu pinus merupakan salah satu jenis kayu lunak yang mempunyai serat yang baik. Sementara kayu keras adalah tumbuhan yang mengugurkan daunnya setiap tahun, seratnya lebih halus dan kompak dengan panjang serat antara 0.6 s.d 1.5 mm dengan ukuran kekasaran 5 s.d 10 mg/100 mm. Berdasarkan arah serat, maka kayu mempunyai kekuatan tarik yang sangat kuat terhadap tarikan dalam arah parallel terhadap serat, namun relative lemah terhadap beban dalam arah tegak lurus serat. Interaksi yang maksimum antara filler dan matrik diperoleh pada ukuran filler yang mendekati seragam. Ikatan permukaan antara filler dan matriks sangat mempengaruhi kekuatan mekanik komposit, dimana terjadi mekanisme transfer tegangan yang efisien diantara keduanya. Bila ikatan interface dan transfer tegangan cukup baik, maka akan diperoleh suatu material komposit yang baik pula. Menurut Setyawati (2003), penambahan filler ke dalam matrik dalam pembuatan komposit bertujuan untuk meningkatkan sifat-sifat mekanik melalui penyebaran tekanan yang efektif di antara serat dan matrik, disamping mengurangi biaya serta memperbaiki sifat-sifat produk. Serbuk kayu mempunyai kelebihan sebagai filler bila dibandingkan dengan jenis filler lainnya yaitu : temperatur prosesnya lebih rendah (kurang dari 400 o F), dapat terdegradasi secara alamiah, berat jenisnya rendah, gaya gesek rendah, dapat diperbaruhi serta tersedia dalam jumlah yang banyak sebagai limbah pertanian. Menurut Reseno, dkk (2003), Pemakaian bahan komposit dalam bidang teknik dewasa ini semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pengetahuan tentang karakteristik material ini, dan biaya produksi yang diperlukan relatif sama dan cenderung lebih rendah dibandingkan bahan konvensional. Munculnya peraturan pemerintah dan berkembangnya kesadaran masyarakat untuk melestarikan lingkungan hidup 21

4 telah memicu pergesaran paradigma untuk mendesain material yang ramah lingkungan. Hal ini dilakukan dengan membuat material komposit dari matrik termoset dan termoplastik yang menggunakan serat alam serbagai penguat (reinforcements) yang tersedia dalam jumlah melimpah di Indonesia sebagai limbah pertanian. Pakar Teknik Kimia dan Kimia Terapan Universitas Toronto, Canada Prof. Mohini Sain mengungkapkan dalam riset terkininya bahwa serat alam dari tanaman sejenis hemp dapat diproses menjadi serat material biokomposit berkekuatan tinggi yang dapat dibuat sebagai material struktural mulai dari komponen yang berat seperti komponen body mobil, bangunan dan pesawat sampai komponen yang ringan seperti helm sport, alat pacu jantung dan kantung penyimpan darah. Tanaman sejenis hemp seperti flax, gandum dan jagung dapat menghasilkan serat material biokomposit yang sama kuat atau bahkan melebihi kekuatan serat baja dengan beberapa kelebihannya yaitu : ringan, effisien energi, terbarukan (renewable) dan mudah terurai secara alamiah (biodegradability). Kekuatan tarik dari komposit dapat dihitung dengan persamaan : P S = Maks ; (1) A 0 dimana : S = Kekuatan Tarik (N/mm 2 ) P maks = Beban Maksimum (N) A 0 = Luas Penampang awal (mm 2 ) Komposit yang mengalami pengujian tarik akan mengalami deformasi memanjang sehingga terjadi penambahan panjang (regangan). Besarnya perubahan tersebut disebut regangan yang ditentukan dengan persamaan : l l lo dimana: ε o 1 (2) = Regangan l o = Panjang awal (mm) l 1 = Panjang akhir (mm) Sedangkan modulus elastisitas dapat ditentukan dengan persamaan : E = P L l A (3) Dimana E = Modolus Elastisitas (Mpa) METODE PENELITIAN Bahan Material penyusun komposit serbuk kayu pada penelitian ini adalah: a. Bahan matriks adalah Unsaturated Polyester Resin BQTN 157-EX dengan sifat mekanis seperti diperlihatkan pada Tabel 1. b. Bahan pengisi (filler) yang digunakan adalah serbuk kayu lunak (meranti) dan serbuk kayu keras (semantok). Sifat lunak atau keras dari serbuk kayu yang dipilih didasari pada densitas yang miliki oleh masing-masing serbuk kayu. Sifat-sifat dari serbuk kayu tersebut adalah sebagai berikut : Kayu lunak yang dipilih adalah kayu meranti (shorea) yang mempunyai density 0,98 gr/cm 3. Kayu keras yang dipilih adalah kayu semantok (hopea) yang mempunyai density 0,55 gr/cm 3. 22

5 Tabel 1. Sifat mekanik unsaturated polyester resin BQTN 157-EX Sifat mekanis Harga Satuan Kekuatan tarik statis (tensile strength) 5.5 Kg/mm 2 Modulus elastisitas (tensile modulus) 300 Kg/mm 2 Kekuatan lentur (flexural strength) 9.4 Kg/mm 2 Modulus lentur (flexural modulus) 300 Kg/mm 2 Elongation 1.6 % Peralatan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mesin Freis Merek ACERA untuk pembuatan cetakan spesimen uji tarik dari alumnium. 2. Mesin ayak LEYBOLD DIDACTIC GMBH MS buatan Jerman. 3. Timbangan digital PRESCA 1000 C 3000 P buatan Swiss 4. Mesin Uji Tarik (universal tersting machine) 5. Mitatuyu Digimatic Indicator buatan Jepang 6. Jangka sorong digital dan mesin amplas dan polishing. Proses Penyiapan Filler Serbuk kayu yang digunakan sebagai filler merupakan serat pendek (whisker) dengan orientasi serat (randomly). Ukuran filler direncanakan 0.4 mm dan 0.60 mm. Proses penyiapan filler serbuk kayu tidak dilakukan secara khusus melalui suatu proses pembuatan filler, namun diperoleh dari tempat pengolahan kayu dengan mengambil serbuk kayu hasil gergajian. Untuk memperoleh filler dari kayu keras atau kayu lunak, maka akan diambil hasil penggergajian masingmasing jenis kayu tersebut. Proses ini akan dilakukan secara selektif dengan mengidentifikasi secara teliti jenis dan kualitas kayu yang akan diambil sebagai filler. Kemudian untuk mendapatkan filler yang baik akan dilakukan proses pembersihan disertai dengan pensortiran dan penjemuran. Selanjutnya untuk memperoleh ukuran filler sesuai dengan yang telah ditentukan, maka dilakukan pengayakan menggunakan Mesin Ayak Electric bertingkat posisi ayak dari atas kebawah, dengan diameter ayak 0.60 mm dan 0.40 mm dan 0.25 mm. Ukuran filler yang diperoleh dipastikan tidak pasti sama dengan dimensi yang beragam pula (randomly). Proses Pembuatan Spesimen Spesimen uji dibuat dengan proses hand lay-up, dengan memcampur resin dengan serbuk kayu (filler) sesuai dengan perbandingan fraksi volume antara volume filler dengan volume matrik dengan ratio 10 %, 15 % dan 20 %. Resin yang digunakan adalah resin polyester tak jenuh dengan katalis asam sebagai pengeras. Sebuah wadah disiapkan sebagai tempat pencampuran antara resin dengan filler. Proses pengadukan dilakukan secara perlahan sehingga diperkirakan telah tercampur secara merata. Kemudian dimasukkan katalis asam (acid) sebagai pengeras dengan perbandingan % dari berat 23

6 resin. Campuran ketiga unsur tersebut siap untuk dicetak dengan percetakan tanpa tekanan didalam ruang dengan suhu kamar menjadi bentuk spesimen uji tarik mengikuti standart ASTM D 3039 (gambar 3.1). Setelah komposit terbentuk dengan waktu pengerasan ± 15 jam, dilepaskan dari cetakan m 38 m Gambar 1. Spesimen Uji Tarik berdasarkan ASTM D HASIL DAN PEMBAHASAN Kekuatan tarik 153 m t = m t = 1 s.d Dari hasil pengolahan data penelitian menunjukkan bahwa kekuatan tarik yang tertinggi diberikan oleh specimen uji dengan filler dari jenis kayu lunak (kayu meranti) dengan kandungan filler 10 % fraksi volume dengan ukuran filler rata-rata 0,40 mm yaitu 0,0722 KN/mm 2. Sedangkan kekuatan tarik terendah diberikan oleh specimen uji dengan filler dari jenis kayu keras (kayu semantok) pada kandungan filler 20 % fraksi volume dengan ukuran filler acak (tanpa pengayakan) yaitu 0,0528 kn/mm 2. Hal ini menunjukkan bahwa kekuatan tarik dari material komposit menjadi menurun dengan meningkatnya komposisi/kandungan filler. Kemudian ukuran filler juga sangat menentukan nilai kekuatan tarik, dimana ukuran filler 0,4 mm yang merupakan ukuran terkecil pada penelitian ini menunjukkan nilai kekuatan tarik terbesar pada semua komposisi filler, sementara filler dengan ukuran 0,6 mm dan acak (tanpa pengayakan) menunjukkan penurunan kekuatan tarik. Hal ini mengindikasikan bahwa ukuran dan komposisi filler di dalam matriks sangat menentukan sifat mekanik material komposit. Ukuran filler yang kecil dapat meningkatkan sifat mekanik material komposit, karena ukuran filler yang kecil akan memiliki kemampuan wettability yang baik pada seluruh permukaannya sehingga akan menghasilkan ikatan adhesive yang baik pada bidang interface antara resin dan filler, sehinggga akan menghasilkan komposit yang kuat dan tangguh. Disamping itu filler akan tersebar secara merata di dalam matriks yang merupakan factor penting terhadap perbaikan sifat mekaniknya. Perbedaan kekuatan tarik disebabkan oleh kemampuan dari masing-masing jenis filler serbuk kayu dalam menyerap resin (matriks). Filler serbuk kayu yang memiliki densitas yang rendah memiki kemampuan dalam menyerap resin yang lebih baik sehingga memiliki ikatan interface yang lebih baik bila dibandingkan dengan filler serbuk kayu dengan densitas yang lebih tinggi. Filler serbuk kayu lunak yang memiliki densitas yang lebih rendah dari kayu keras akan menghasilkan ikatan interface antara filler dan matriks yang lebih bagus sehingga distribusi filler serbuk kayu dalam matriks lebih merata serta dapat meminimalkan terjadinya rongga udara (voids). 24

7 Regangan Secara umum regangan terbaik diberikan oleh specimen uji yang menggunakan serbuk kayu lunak (meranti) sebagai filler dengan ukuran filler 0.4 mm pada komposisi 10 % fraksi volume. Hal ini menunjukkan ukuran dan komposisi filler juga mempengaruhi nilai regangan yang terjadi seperti pada kekuatan tarik. Disamping itu regangan yang terjadi pada specimen uji komposit sangat dipengaruhi oleh homogen atau tidaknya specimen tersebut. Filler serbuk kayu lunak akan menghasilkan suatu material komposit yang lebih homogen dan kandungan voids yang lebih sedikit bila dibandingkan dengan material komposit yang dibuat dengan filler dari serbuk kayu keras. Modulus Elastisitas Nilai modulus elastisitas tertinggi diperoleh pada specimen uji dengan filler serbuk kayu lunak pada komposisi 10 % fraksi volume dengan ukuran filler 0,4 mm. Nilainya semakin menurun dengan bertambahnya komposisi dan ukuran dari filler yang digunakan seperti halnya pada nilai kekuatan tarik. Modulus elastisitas material komposit dipengaruhi oleh modulus elastisitas dari masing-masing unsur penyusunya yaitu modulus elastisitas resin dan modulus elastisitas serbuk kayu serta ikatan silang yang terjadi antara filler dan matriks dimana semakin baik ikatan silang yang terjadi maka semakin baik pula komposit yang dihasilkan dengan demikian modulus elastisitas juga akan mengalami peningkatan. Modulus elastisitas serbuk kayu sangat ditentukan oleh arah dan posisi serat di dalam resin, sehingga posisi filler serbuk kayu yang kurang seragam di dalam matriks menyebabkan nilai modulus elastisitasnya jadi beragam. Modulus elastisitas yang besar berarti material semakin kaku dan tangguh. Rongga Udara (voids) Kandungan rongga udara (void) tidak bisa dihindari pada pembuatan komposit dengan proses ini, namun hanya bisa diminimalkan dengan memperbaiki performance resin yang digunakan. Voids yang terjadi pada specimen uji perlu diperhatikan secara seksama, karena sangat mempengaruhi kekuatan dari komposit, karena dapat menurunkan kekuatan geser antar lapisan di dalam komposit sehingga akan menurunkan kekuatan mekaniknya. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan : 1. Material komposit polyester dengan filler serbuk kayu lunak memiliki kekuatan mekanik yang lebih baik dari filler serbuk kayu keras dan nilai-nilai sifat mekaniknya yang meliputi kekuatan tarik, regangan serta modulus elastisitas berbanding lurus. 2. Ukuran filler 0,40 mm dengan komposisi 10 % fraksi volume memiliki sifat mekanik yang paling bagus yaitu 0,0722 kn/mm 2 untuk filler kayu lunak dan 0,0657 kn/mm 2 untuk filler kayu keras. 3. Komposit yang berkualitas dengan sifat mekanik yang tinggi hanya dapat dicapai bila filler serbuk kayu terdistribusi secara baik dan merata di dalam matriks dengan ukuran dan komposisi yang sesuai dengan 25

8 performance resin yang digunakan sebagai matriks. 4. Disamping dapat meningkatkan kekuatan komposit, pemakaian serbuk kayu sebagai filler telah dapat mengurangai penggunaan resin dalam pembuatan material komposit sehingga dapat menghasilkan bahan yang ekonomis dan ramah lingkungan. K. Kaw, Autar, Mechanical Of Composite Material, CRC Press, New York, Elfahmi, Roni, Skripsi :Pengaruh Variasi Serbuk Kayu sebagai Filler Terhadap Sifat Mekanik Komposit Polyester, FMIPA UNSYIAH, DAFTAR PUSTAKA Jones, Robert M, Mechnical Of Composite Material, Mc.Graw- Hill KOGA KUSHA, LTD, Tokyo, Chawla, Krisnan K, Composite Material and Enggineering, Springer-Verlag New York Inc, Hull, Derek, An Introduction To Composite Material, Cambridge University Press, Cambridge, ASTM commite, Annual Book of ASTM Standart Part 35, ASTM International USA, Setyawati, D, Sifat Fisis dan Mekanis Komposit Serbuk Kayu Plastik Polipropelena daur ulang, IPB, Bogor, Reseno, Seto, dkk, Karakteristik dan Model Mekanis Material Komposit Berpenguat Serat Alam, Proseding Seminar Teknologi untuk Negeri, HUMAS-BPPT, Azwar, Abdullah SB, Skripsi :Study Sifat Mekanik dan Permukaan Patah Statik Material Komposit Polyester Serbuk Kayu, FT. UNSYIAH, Banda Aceh,