BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG

Transkripsi

1 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Dewasa ini perkembangan material komposit di bidang rekayasa sangat pesat. Pemanfaatannya sebagai bahan pengganti logam sudah semakin luas, seperti untuk peralatan olah raga, sarana transportasi (darat, laut dan udara), konstruksi dan dunia antariksa. Keuntungan penggunaan material komposit antara lain: tahan korosi, rasio antara kekuatan dan densitasnya cukup tinggi (ringan), murah dan proses pembuatannya mudah (Gay, dkk, 2003). Dengan bertambahnya kebutuhan kayu tanpa diimbangi dengan daya dukung hutan yang memadai, maka dituntut untuk menemukan material pengganti kayu yang lebih ramah lingkungan. Dampak global warming semakin terasa sebagai akibat dari pemakaian teknologi secara berlebihan tanpa mempertimbangkan pengaruhnya terhadap lingkungan. Salah satu contoh adalah kualitas udara yang semakin menurun akibat pesatnya pertumbuhan industri dan otomotif. Keadaan semakin buruk dengan adanya penebangan pohon atau penggundulan hutan untuk mencukupi kebutuhan kayu yang semakin meningkat. Hal ini terbukti dengan kebutuhan kayu di Indonesia yang setiap tahunnya defisit 45 juta meter kubik (Priyono, 2003). Saat ini sudah cukup banyak penelitian tentang panel komposit sebagai material pengganti kayu, tetapi panel komposit ini masih banyak tergantung pada kayu itu sendiri sebagai material pengisi (filler). Pemanfaatan kertas koran bekas dengan pengikat tepung kanji merupakan solusi kreatif sebagai material komposit pengganti kayu. Semakin meningkatnya peredaran media masa dengan segala daya tariknya akan meningkatkan minat baca masyarakat. Salah satu media baca yang populer yaitu koran. Pada tahun 2006 terdapat 270 penerbit pers nasional dengan kebutuhan kertas sekitar eksemplar per hari. Jawa pos memproduksi surat kabar sekitar 0,9 juta eksemplar per hari dengan jumlah kebutuhan 1.332,5 ton kertas per tahun (Irawan,2006). Oleh karena itu perlu suatu upaya untuk memanfaatkan koran bekas menjadi barang yang mempunyai nilai ekonomis lebih.

2 2 Koran bekas dapat dihancurkan dengan air, kemudian dengan pengikat air atau zat pengikat lain dapat dijadikan panel komposit. Pemakaian koran bekas sebagai bahan pengisi komposit memiliki banyak keunggulan. Koran bekas mudah didapat dan harganya murah. Kertas koran merupakan jenis serat alam sehingga penggunaannya tentu ramah terhadap lingkungan dan tidak berbahaya. Material kertas koran mampu didaur ulang dan merupakan bahan organik yang dapat diuraikan oleh alam. Serat alam mempunyai beberapa keunggulan. Serat alam mampu meredam suara, isolasi temperatur, memiliki densitas rendah dan kemampuan mekanik tinggi sehingga dapat memenuhi kebutuhan industri (Felix, dkk.1991; Karnani, dkk dan Raharjo, 2002). Meskipun dapat menggantikan peran serat buatan tetapi jika ditinjau dari segi kekuatan dan rekayasa serat alam masih tertinggal. Oleh karena itu komposit serat alam dapat diterapkan pada struktur yang tidak memerlukan kekuatan tinggi. Meskipun begitu komposit ini pasti tidak akan lepas dari beban tarik. Berdasarkan uraian di atas maka perlu diadakan penelitian untuk mendapatkan data sifat tarik dari panel komposit kertas koran. Dari penelitian ini akan diperoleh sifat tarik yang optimal pada variasi kandungan lem kanji. Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat berguna secara aplikatif di lapangan. 1.2 PERUMUSAN MASALAH Permasalahan dalam penelitian ini adalah pentingnya pemanfaatan kertas koran bekas sebagai bahan komposit. Bahan tersebut digunakan karena lebih ramah lingkungan dan banyak tersedia. Jawa pos memproduksi surat kabar dengan jumlah kebutuhan 1.332,5 ton kertas per tahun. Dalam aplikasinya panel komposit tak pernah lepas dari proses pembebanan, baik berupa beban tarik, beban bending, maupun beban impak. Walaupun panel ini mengalami pembebanan yang relatif lebih rendah tapi kita perlu juga mengetahui berapa kekuatan dari panel untuk menahan setiap pembebanan. Dengan demikian, kajian optimasi sifat tarik bahan komposit kertas koran bekas dipandang penting untuk dilakukan.

3 3 1.3 BATASAN MASALAH Batasan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Selama proses pencampuran distribusi kertas koran, air dan kanji yang digunakan dalam pembuatan panel ini dianggap homogen. 2. Distribusi gaya-gaya tekan yang mengenai permukaan bidang tekan diasumsikan sama atau merata. 1.4 TUJUAN PENELITIAN Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Menyelidiki pengaruh kandungan kanji terhadap sifat tarik panel komposit kertas koran bekas. 2. Menyelidiki penampang patahan komposit kertas koran bekas. 3. Menyelidiki densitas panel komposit kertas koran bekas. 1.5 MANFAAT PENELITIAN Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Memberikan pengetahuan tentang bahan komposit kertas koran bekas. 2. Memberikan informasi tentang sifat tarik bahan komposit kertas koran bekas. BAB II DASAR TEORI 2.1 STUDI PENELITIAN TERDAHULU Krzysik dan Youngest (1991) menyatakan bahwa komposit dapat dibuat dari berbagai macam serat pertanian, sampah kertas dan sampah plastik. Komposit memiliki jangkauan yang luas sifatnya dan dapat digunakan pada berbagai macam kebutuhan dan produk unggulan, contohnya produk unggulan sebagai panel interior, pelapis tembok, penyekat, pintu, lantai, kontruksi dan material kotak pengemas, karton serta palet.

4 4 Teknologi material komposit dengan menggunakan serat alam sebagai penguat telah banyak dikembangan untuk dapat menggantikan serat sintetis. Hal ini disebabkan karena serat alam mempunyai berbagai keunggulan, diantaranya; harga murah, mampu meredam suara, ramah lingkungan, mempunyai densitas rendah, dan kemampuan mekanik yang tinggi. Komposit serat alam banyak digunakan sebagai interior mobil, peredam akustik, dan panel pintu. Penggunaan serat alam dapat mengurangi berat sampai 80 % (Schuh, 1999). Muehl dkk (2004) menyimpulkan bahwa panel komposit yang terbuat dari sampah kertas memiliki sifat mekanik yang rendah ketika dipadukan dengan phenollic resin 5% dan 10% polypropylene dibandingkan dengan panel komposit dari serat kenaf. Meskipun demikian, panel komposit dari sampah kertas lebih tahan terhadap kelembaban daripada panel komposit dari kenaf. Penggunaan polypropylene dapat menurunkan sifat mekanik panel komposit. Suatu studi awal dari sifat mekanis (kekuatan-tarik, dan kekuatan tekan) tentang komposit polyurethane dengan inti bubuk kulit kacang tanah, bahwa kekuatan-tarik meningkat secara garis besar dengan bertambahnya kandungan inti bubuk kulit kacang tanah. Efek ini disebabkan oleh sedikitnya interaksi interfacial antara serat dan matriks (Malachy dkk, 2006). kanji merupakan produk olahan berupa tepung yang diperoleh dari ubi ketela pohon. Kanji dikenal juga sebagai aci atau tapioka. Kanji merupakan salah satu bahan yang tersedia di alam secara melimpah, dapat diperbaharui dan merupakan sumber yang tak terbatas. Kanji dapat digunakan untuk menghasilkan berbagi macam produk, seperti makanan, bahan perekat kertas / lem, konveksi dan farmasi. Kanji yang sudah dijadikan lem akan berubah dalam bentuk gel. Gel adalah koloid yang setengah kaku (antara padat dan cair). Penggunaan kanji sendiri mempunyai beberapa karaketristik yang baik antara lain; viskositas rekat tinggi, kejernihan tinggi, dan stabilitas pembekuan tinggi (Aris, 2007). Arofah (2008) meneliti karakteristik pada core sampah kota. Nilai densitas, kekuatan tarik, kekuatan desak, dan kekuatan geser komposit naik seiring dengan bertambahnya tekanan pengepresan komposit. Pada pengamatan foto SEM menunjukkan bahwa semakin meningkat tekanan pengepresan maka ikatan antar materialnya juga semakin meningkat.

5 5 2.2 DASAR TEORI Komposit Komposit dapat didefinisikan gabungan dua bahan atau lebih yang berbeda dalam bentuk atau komposisi bahan yang masing-masing tidak larut satu sama lain (Schwartz, 1984). Komposit merupakan gabungan bahan secara makro, sehingga bisa dibedakan secara visual. Penggabungan bahan dilakukan secara fisis dan mekanis, serta dapat dipisahkan secara fisis dan mekanis pula. Penggabungan material yang berbeda bertujuan untuk menemukan material baru yang mempunyai sifat antara (intermediate) material penyusunnya yang tidak akan diperoleh jika material penyusunnya berdiri sendiri. Sifat material hasil penggabungan ini diharapkan saling memperbaiki kelemahan dan kekurangan material penyusunnya. Sifat-sifat yang dapat diperbaiki : kekuatan, kekakuan, ketahanan bending, berat jenis, pengaruh terhadap temperatur, isolasi termal, dan isolasi akustik (Jones, 1975). Karakteristik dan sifat komposit dipengaruhi oleh material penyusunnya,, susunan struktur dan interaksi antar unsur-unsur penyusunnya. Interaksi antar unsur penyusun komposit, yaitu serat dan matrik sangat berpengaruh terhadap kekuatan ikatan antarmuka (interfacial strength) (Gibson, 1994). Kekuatan ikatan antar muka (interfacial strength) yang optimal antara matrik dan serat merupakan aspek yang penting dalam penunjukan sifat-sifat mekanik komposit. Menurut bentuk material dan penyusunnya, komposit dapat dibedakan dalam lima jenis, yaitu : (Schwartz,1984) a. Komposit serat (fibrous composite). b. Komposit partikel (particulate composite). c. Komposit serpih (flake). d. Komposit sketal (filled). e. Komposit laminat (laminate composite). Komposit serat merupakan jenis komposit yang paling banyak digunakan. Hal ini disebabkan karena komposisi serat lebih kuat dari pada butiran, mempunyai kekakuan serat yang solid dan matriknya lebih fleksibel (Schwartz, 1984).

6 Core Core merupakan penyusun komposit sandwich yang terletak diantara skin. Secara mekanis core pada komposit sandwich berfungsi untuk mendistribusikan beban aksial menjadi beban geser pada seluruh luasan yang terjadi akibat pembebanan gaya dari luar. Salah satu faktor utama dari material komposit adalah core yang ringan, sehingga memperkecil berat jenis dari komposit. Terdapat beberapa pilihan jenis core yang bisa digunakan dalam struktur sandwich, seperti kayu, polyurethane (PU), poly vinyl chlorida (PVC), struktur honeycomb, dan lain-lain. Kardus juga dapat digunakan sebagai bahan core komposit (Pflug,1999). Berdasarkan persyaratan performanya, banyak material yang bisa digunakan sebagai core. Material core yang digunakan dalam komposit dapat digolongkan : a. Berat jenis rendah, material padat : foam susunan struktur sel terbuka atau tertutup, balsa dan jenis kayu lainnya b. Berat jenis medium dikembangkan dalam format selular : sarang lebah c. Berat jenis tinggi, material dikembangkan dalam format berkerut Serat Salah satu unsur penyusun bahan komposit adalah serat. Serat inilah yang terutama menentukan karakteristik komposit, seperti kekakuan, kekuatan serta sifat-sifat mekanik lainnya. Serat dalam bahan komposit berperan sebagai bagian utama yang menahan beban, sehingga besar kecilnya kekuatan bahan komposit sangat tergantung dengan kekuatan pembentuknya. Orientasi dan kandungan serat akan menentukan kekuatan mekanis dari komposit. Perbandingan antara matrik dan serat juga merupakan faktor yang sangat menentukan dalam memberikan karakteristik mekanis produk yang dihasilkan. Serat secara umum terdiri dari dua jenis, yaitu serat alam dan serat sintetis. Serat alam adalah serat yang dapat langsung diperoleh dari alam, biasanya berupa serat organik yang berasal dari tumbuh-tumbuhan dan binatang. Beberapa serat alam telah banyak digunakan oleh manusia, diantaranya adalah kapas, wol, sutera, pelepah pisang, sabut kelapa, ijuk, nanas, serat kenaf serta juga termasuk serat kayu dan kertas. Sedangkan serat sintetis yang sering digunakan manusia seperti rayon, polyester, akril, dan nilon (Schwartz,1984).

7 7 Serat alam (natural fiber) sebagian besar mengandung selulosa. Keunggulan yang dimiliki serat alam apabila dibandingkan dengan serat anorganik adalah : berat jenis rendah, kekuatan dan modulus tinggi, dapat diperbaiki dan biaya untuk memperolehnya murah (George, dkk, 2001). Serat alam diperoleh dari tanaman serat yang banyak sekali terdapat di daerah tropis. Sehingga peluang pengembangan komposit serat alam terbuka lebar dan merupakan sumber yang potensial untuk pengembangan agro industri Matrik / Pengikat Gibson (1994) mengatakan bahwa matrik dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan polimer, logam, maupun keramik. Matrik secara umum berfungsi untuk mengikat serat menjadi satu struktur komposit. Matrik memiliki fungsi : a. Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur b. Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan c. Mentransfer dan mendistribusikan beban ke filler. d. Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan tahanan listrik. Berdasarkan bahan penyusunnya matrik terbagi atas matrik organik dan anorganik. Matrik organik terbentuk dari bahan bahan organik yang diproses dengan cara sintesis. Matrik organik banyak digunakan karena proses pembentukan menjadi komposit cepat dan sederhana dengan biaya yang murah. Salah satu matrik organik konvensional yang banyak digunakan adalah resin polyester. Beberapa jenis matrik anorganik proses pembentukan menjadi komposit sangat lama dan komplek dengan biaya yang mahal, diantaranya adalah matrik logam dan matrik keramik. Meskipun demikian, sifat mekaniknya lebih baik dibanding matrik organik. Sebagai alternatif banyak digunakan matrik yang lebih ramah terhadap lingkungan (Gibson,1994). Berdasarkan sifatnya, terdapat dua jenis matrik polimer yang biasa digunakan sebagai unsur penyusun komposit serat, yaitu matrik termoset dan termoplastik. Matrik termoset bersifat tidak mencair pada suhu tinggi dan bersifat lebih stabil serta tidak mampu balik (irreversible). Matrik termoplastik dapat

8 8 mencair apabila mengalami pemanasan dan akan mengeras kembali setelah didinginkan (Gibson,1994) Kanji Tepung tapioka di pasaran sering dikenal dengan nama tepung kanji merupakan tepung yang terbuat dari ubi kayu / singkong. Pembuatan tepung kanji dilakukan dengan cara memarut singkong kemudian diperas, dicuci, diendapkan, diambil sari patinya, lalu dijemur / dikeringkan. Sifat tepung kanji apabila dicampur dengan air panas akan menjadi liat / seperti lem (KumpulBlogger,2009) Ikatan antar material Material komposit merupakan gabungan dari unsur-unsur yang berbeda. Hal itu menyebabkan munculnya daerah perbatasan antara serat dan matrik seperti ditampilkan pada gambar 2.3. Daerah pencampuran antara serat dan matrik disebut dengan daerah interphase (bonding agent), sedangkan batas pencampuran antara serat dan matrik disebut interface ( George, 2005). Ikatan antarmuka (interface bonding) yang optimal antara matrik dan serat merupakan aspek yang penting dalam penunjukan sifat-sifat mekanik komposit. Transfer beban/tegangan diantara dua fase yang berbeda ditentukan oleh derajat adhesi. George, dkk (2005) mengungkapkan bahwa adhesi yang kuat diantara permukaan antara matrik dan serat diperlukan untuk efektifnya perpindahan dan distribusi beban melalui ikatan permukaan. Pada komposit kegagalan yang sering terjadi adalah debonding. Debonding merupakan mekanisme lepasnya ikatan interface antar material penyusun komposit saat terjadi pembebanan dan terkelupasnya serat dari matriks. Hal ini disebabkan ikatan antar muka (interfacial bonding) yang lemah antara serat dan matriks. Kondisi ikatan antar serat dan matrik yang lemah apabila diberi beban tarik, ikatan antara serat dan matrik mudah terlepas atau mengalami debonding sebelum dapat mendistribusikan beban pada core secara sempurna dan mengurangi performa komposit secara keseluruhan. Oleh sebab itu diperlukan adhesi yang kuat pada permukaan penyusun komposit agar tidak terjadi debonding (Niu, 2001).

9 9 Peningkatan debonding antar permukaan serat dan matriks terjadi karena meningkatnya deformasi dan akan berpengaruh pada seluruh bagian komposit. Setelah terjadi debonding,serabut kehilangan kemampuan menahan beban pada arah debonding. Meskipun, serabut masih dapat mendistribusikan beban ke matriks melalui bagian yang masih terikat. Dapat disimpulkan bahwa debonding dipengaruhi oleh kekuatan ikatan intefacial antara serat dan matriks (Niu, 2001). Gambar 2.1. Debonding pada Fiber Reinforced Plastic (FRP) ( Niu, 2001) Sifat tarik komposit Apabila ada suatu gaya yang mencoba meregang material, maka material tersebut akan melawan regangan tersebut sampai pada suatu tingkat tertentu. Gambar 2.1 melukiskan gaya P yang menarik spesimen, sebagai akibat adanya gaya P, di dalam spesimen timbul tegangan-tegangan tarik yang besarnya sama dengan gaya P, tetapi tegangan ini dapat membesar sedemikian rupa sehingga partikel-partikel spesimen saling terlepas dan terjadilah patahan. Tegangan tarik ketika terjadinya patahan disebut kekuatan tarik (ASTM D-1037). P P Gambar 2.2. Skema pengujian tarik material (ASTM D-1037)

10 10 Uji tarik yang dilakukan pada penelitian ini mengacu pada standar ASTM D Dari pengujian tarik akan diperoleh data berupa beban maksimum yang dapat ditahan komposit sebelum patah dan pertambahan panjang. Dari data-data tersebut dapat dicari nilai kekuatan tarik (tegangan). Besarnya nilai kekuatan tarik komposit dapat dihitung dengan persamaan: P s = c... (1) A dimana: s c = kekuatan tarik komposit, P = beban maksimum, MPa A = luas penampang rata-rata komposit, mm 2 Besarnya regangan adalah jumlah pertambahan panjang akibat pembebanan dibandingkan dengan panjang daerah ukur (gage length) dan dinyatakan dalam: dl e =... (2) L dimana: e = regangan d L = pertambahan panjang, mm L = panjang daerah ukur (gage length), mm Modulus elastisitas adalah harga yang menunjukkan kekuatan komposit pada daerah proporsionalnya. Pada daerah proporsional ini deformasi yang terjadi masih bersifat elastis dan masih berlaku hukum Hooke. Besarnya nilai modulus elastisitas komposit merupakan perbandingan antara tegangan dengan regangan pada daerah proporsionalnya, yang dinyatakan dengan persamaan: s E =... (3) e dimana: E = Modulus elastisitas, MPa s c = Kekuatan tarik komposit, MPa e Densitas komposit = Regangan Sesuai dengan ASTM D-1037 untuk panel komposit, pengukuran densitas dilakukan dengan mencari berat kering, yaitu menimbang spesimen pada kondisi kering, kemudian dilakukan pengukuran panjang, lebar dan tebal spesimen. N

11 11 Pengukuran densitas dilakukan untuk mengetahui kerapatan panel komposit. Densitas dapat dirumuskan sebagai berikut : dimana : m r =...(4) lxwxt r c = densitas komposit kg/m 3 m = masa komposit kg l = panjang m w = lebar m t = tebal m BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Bahan Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Kertas koran bekas 2. Tepung kanji 3. Air 3.2 Alat Penelitian a. Cetakan b. Dongkrak hidrolik c. Timbangan digital d. Oven e. UTM Gambar 3.1 Peralatan penelitian

12 12 Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Cetakan b. Dongkrak hidrolik c. Timbangan digital. d. Oven e. Universal Testing Machine (UTM). 3.3 Pelaksanaan Penelitian a. Sebagai persiapan awal yaitu mengumpulkan koran bekas dan mengumpulkan bahan dan alat yang akan digunakan dalam penelitian ini. b. Pembuatan benda uji 1. Perbandingan awal koran:air adalah 1:4. koran dan air kemudian di aduk hingga kertas koran hancur. 2. Membuat lem kanji dengan perbandingan air:kanji adalah 5:1. 3. Mencampur kertas koran dengan lem kanji. Variasi kandungan lem kanji adalah 5%, 10%, 15%, dan 20% dari berat kertas koran kering. 4. Mencetak campuran koran dan kanji tersebut menjadi panel dengan tekanan pada komposit sebesar 4,5 MPa. 5. Setelah itu meletakkan panel pada udara bebas di dalam ruang selama 2 hari, agar kadar air komposit turun hingga mendekati kadar air dalam udara. Kemudian melakukan pengukuran kadar air yang kemudian dapat menentukan waktu pengovenan. kadar air dalam panel yang dikehendaki yaitu %. 6. Setelah kering kemudian menghaluskan permukaan komposit. 7. Menyimpan panel komposit pada tempat yang tidak terpengaruh kondisi kelembaban lingkungan, serta memberi silica gel. 8. Melakukan uji pada panel komposit. 3.4 Uji Tarik Setelah panel komposit jadi, kemudian melakukan pengujian pada panel. Pengujian yang dilakukan yaitu uji tarik (ASTM D-1037). Bentuk dan ukuran

13 13 spesimen uji tarik komposit disesuaikan dengan standar ASTM D-1037 (Tensile strengh paralel to surface). Gambar 3.2. Dimensi Spesimen Uji Tarik (mm) 3.5 Uji Densitas Uji fisik yang dilakukan yaitu uji densitas (ASTM D-1037). Metode pengujian densitas ini sesuai dengan persamaan (4). Langkah pengujian yaitu mengukur berat dan volume komposit, kemudian membagikan berat komposit terhadap volume komposit. 3.6 Tabel Proses Pembuatan Panel Komposit Tabel 3.1. Proses pembuatan panel komposit Sub topic penelitian Variabel tetap Variabel peubah Pengujian / acuan Pengaruh kandungan lem kanji terhadap sifat tarik dan densitas komposit.. - Tekanan = 4,5 MPa - Komposisi air:kertas = 4:1 (Wa/Wk) - variasi kandungan lem kanji 5%, 10%,15%,20% dari berat kertas koran. - Uji Tarik (ASTM D- 1037) - Uji Densitas (ASTM D- 1037)

14 Alur Penelitian Mulai Persiapan Menghancurkan kertas dengan air, kemudian mencampur dengan lem kanji. Perbandingan air:kertas adalah 4:1. Variasi kandungan lem kanji adalah 5%, 10%, 15%, dan 20% dari berat kertas koran kering. Mencetak campuran kertas dan lem kanji menjadi panel komposit dengan tekanan 4,5 Mpa, kemudian cure pada suhu kamar selama 2 hari Uji kadar air kemudian melakukan pengovenan pada suhu C Menghaluskan permukaan komposit kemudian menyimpan di dalam wadah dan memberi silica gel Uji tarik Uji densitas Hasil pengujian berupa sifat tarik dan densitas komposit Analisa data kesimpulan

15 Gambar 3.3. Diagram alir penelitian 15