PENENTUAN SIFAT MEKANIS SERAT SABUT KELAPA

Transkripsi

1 Jurnal Mekanikal, Vol. 1 No. 1 Januari 2010 : PENENTUAN SIFAT MEKANIS SERAT SABUT KELAPA Bakri Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tadulako Palu, Sulawesi Tengah bakri_bakr@yahoo.com Abstract Coir fibres are obtained from coconut husk. In application of composite materials, coir fibres are influenced by mechanial properties. This study aims to characterize the mechanical properties of coir fibres. To characterize mechanial properties of coir fibres, variation of gauge length of fibres was conducted. The result showed that variability of cross setional areas influenced mechanical properies and that the Young s modulus, breaking stress and breaking strain can be determined. Keyword : sifat mekanis, serat sabut kelapa, modulus Young. A. Pendahuluan Serat alam dapat diperoleh dari berbagai variasi tumbuhan. Seratserat tersebut telah digunakan dalam sektor industri seperti automotif, tekstil, produksi kertas dan dalm komposit material. Terkait dengan penggunaan serat alam sebagai penguat dalam komposit, mereka mempunyai keuntungan antara lain kekuatan spesifik dan modulusnya yang tinggi, densitas rendah, harga rendah, melimpah di banyak negara, emisi polusi yang lebih rendah dan dapat di daur ulang (Joshi dkk. 2004; Li dkk. 2008; Mukhopadhyay dkk. 2009) Serat sabut kelapa dapat diperoleh dari biji kelapa yang mengandung sekitar 30% dari kandungan biji kelapa. Serat sabut kelapa dalam penggunaanya sangat tergantung dari sifat mekanisnya. Penelitian yang lebih mendalam sangat diperlukan untuk membantu penerapan serat tersebut untuk produk-produk baru. Penentuan sifat mekanis serat sabut kelapa sudah banyak dipublikasikan. Sifat mekanis telah dievaluasi sebagai fungsi dari perlakuan diameter serat, dimensi panjang dan strain rate (Kulkurani, dkk,1998). Kemudian, Silva dkk, 1999 telah menguji sifat mekanis dan termal dari serat kelapa yang dipengaruhi oleh perlakuan alkali. Tomczak dkk (2008) juga telah meneliti bahwa semakin besar diameter serat sabut kelapa, kekuatan dan modulus Young semakin kecil (turun). Dalam tulisan ini, disajikan penentuan sifat mekanis serat sabut kelapa yang ditinjau dari dimensi panjang spesimen. B. Teori Dasar Tumbuhan kelapa utamanya banyak ditemukan didaerah tropis dan daerah sub-tropis seperti India, Sri Lanka, Brazil dan negara-negara Asia lainnya, dan mempunyai peranan yang cukup penting dalam ekonomi 23

2 Penentuan Sifat Mekanis Serat Sabut Kelapa (Bakri) negara-negara tersebut (Mahato dkk. 1993a; Monteiro dkk. 2008). Buah kelapa terdiri dari kulit, sabut, tempurung dan daging seperti pada Gambar 1. Gambar 1. Struktur buah kelapa Sabut kelapa mengandung 30 wt% serat dan 70 wt% pith (van Dam dkk, 2004). Serat sabut kelapa merupakan bundle serat multiselluler yang mengandung sellulosa terdiri dari daerah kristal kecil yang dipisahkan oleh batas amorpous dan nonsellulosa seperti hemisellosa dan lignin (Mahato dkk, 1993b). Serat sabut mempunyai luas penampang oval dan mengandung sel-sel serat yang saling berikatan seperti Gambar 2 (van Dam dkk, 2006). Gambar 2. SEM serat sabut kelapa yang menunjukkan struktur internal(van Dam dkk, 2006) 24

3 Jurnal Mekanikal, Vol. 1 No. 1 Januari 2010 : Dalam dinding kedua dari sel, rantai sellulosa membentuk spiral, arah rantai membuat suatu sudut sekitar 45 o dengan arah axis sel (Stern, 1956; van Dam dkk, 2006 ). Struktur spiral dari sub-serat dari serat sabut kelapa yang menyebabkan elongasinya tinggi, dengan pemisahan interserat yang tidak berperan sangat besar (Stern, 1956). C. Metode Eksperimental Serat sabut kelapa yang diekstrak dari sabut kelapa dideformasi dengan menggunakan Instron 1121 Tensile Testing machine with Series IX software. Semua pengujian dilakukan dalam kondisi temperature ruangan 23 ± 1 o C dan kelembaban relative 50 ± 2%. Panjang sampel adalah 5 mm, 20 mm and 50 mm dimana setiap jenis panjang sampel digunakan 20 sampel. Sebelum serat diuji, serat diletakkan ditengah-tengah cardboard window seperti pada Gambar 3. Semua pengujian dikontrol dengan strain rate 0.166% s -1. Sejumlah sample diuji dengan alasan statistik dan juga variabilitas sampel seperti pengaruh persiapan serat dan kemungkinan kerusakan dinding sel serat. Cardboard Card Serat Panjang Serat Epoxy Gambar 3. Sampel pengujian tarik serat D. Hasil dan Diskusi Dalam penelitian ini, serat sabut kelapa telah diuji sifat mekanisnya yang meliputi modulus elastis, tegangan maksimum (kekuatan) dan regangan (elongasinya). Secara akurat sifat mekanis dipengaruhi oleh luas penampang atau dimensi serat. Dalam penelitian ini, luas penampang serat dianalisis dengan menggunakan software ImageJ dimana luas penampang serat diperoleh dari mikroskop optik seperti pada Gambar 3. 25

4 Distribution Penentuan Sifat Mekanis Serat Sabut Kelapa (Bakri) Gambar 3. Luas penampang serat sabut kelapa dengan menggunakan mikroskop optik Dari analisis mikroskop optik serat sabut kelapa mempunyai variasi luas penampang dan tidak berbentuk lingkaran. Variabilitas ini sangat sulit untuk dihindari meskipun sebelum pengujian semua serat diseleksi untuk diameter serat yang sama dibawah mikroskop. Oleh karena variabilitas luas penampang pengukuran langsung terhadap serat diperlukan. Rata rata luas penampang untuk serat sabut kelapa adalah sekitar μm 2 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4 yang menunjukkan distribusi luas. Untuk perhitungan tegangan, luas penampang diasumsikan konstan sepanjang serat oleh karena metode destruksi pengukuran. (a) Avg.= µm 2 SD = Luas Penampang(um 2 ) 26 Gambar 4. Distribusi luas penampang pada serat sabut kelapa Alasan variabilitas sifat mekanis serat alam, modulus Young, tegangan dan regangan untuk serat ditentuan dengan fungsi ekstrapolasi terkait dengan panjang spesimen. Penentuan modulus Young dipengaruhi oleh panjang spesimen (Arridge dan Folkes, 1976). Seperti pada Gambar 5

5 Modulus Young (GPa) Jurnal Mekanikal, Vol. 1 No. 1 Januari 2010 : modulus turun dengan kenaikan resiprokal panjang spesimen. Modulus dari panjang spesimen yang berbeda diekstrapolasi untuk panjang spesimen yang tak terhingga untuk mengeliminasi pengaruh efek akhir (end effect). Nilai modulus Young dari serat sabut kelapa ditentukan dengan menggunakan panjang spesimen 5 mm, 20mm and 50mm. Nilainya diperoleh dari intersep dari fitting linear terhadap data pada sumbu vertikal /Gauge length (mm -1 ) Gambar 5. Efek resiprokal panjang spesimen pada modulus Young Tegangan dan regangan ditentukan dengan metode yang sama dengan modulus Young. Tegangan dan regangan diperoleh dari ektrapolasi ke nol panjang spesimen untuk menjelaskan pengaruh kerusakan serat (damage) seperti pada Gambar 6 dan Gambar 7. Metode ini digunakan dalam studi ini karena secara statistik suatu panjang spesimen yang lebih panjang mempunyai kemungkinan rusak (flaw) yang lebih besar dibanding dengan gauge length yang lebih pendek. Oleh karena itu, tegangan dapat ditentukan pada nol panjang spesimen. Dalam penentuan regangan, kesalahan dapat juga terjadi pada panjang spesimen yang panjang oleh karena variasi luas penampang dari serat sepanjang arah serat. Strain rate adalah konstan selama pengujian untuk setiap panjang spesimen. Dari hasil ekstrapolasi sifat mekanis serat sabut kelapa yang meliputi modulus Young, tegangan (kekuatan) dan regangan (elongasi) dapat ditentukan yaitu 6.11 (± 0.43) GPa, (±14.57) MPa, 46.02( ± 4.54) %. 27

6 Regangan (%) Tegangan (MPa) Penentuan Sifat Mekanis Serat Sabut Kelapa (Bakri) Gauge length (mm) Gambar 6. Efek panjang spesimen pada tegangan Gauge length (mm) Gambar 7. Efek panjang spesimen terhadap regangan E. Kesimpulan. 1. Serat sabut kelapa memiliki variasi luas penampang yang mempengaruhi sifat mekanisnya. 2. Dalam penentuan sifat mekanis serat sabut kelapa digunakan variasi panjang serat terhadap resiprokal modulus Young, tegangan dan regangan. Daftar Pustaka. 28 Arridge G.R.C and Folkes M.J, Effect of sample geometry on the measurement of mechanical properties of anisotropic materials, Polymer, Vol. 17, pp Joshi S.V., Drzal L.T., Mohanty A.K., Arora S, 2004, Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites?, Composites: Part A Vol. 35, pp. 371-

7 Jurnal Mekanikal, Vol. 1 No. 1 Januari 2010 : Kulkarni A.G., Satyanaraya K.G., Sukumaran K. 1981, Mechanical behaviour of coir under tensile load, Journal of Matererials Science, Vol 16, pp Li Y., Hu Y., Hu C., Yu Y., 2008, Microstructures and mechanical properties of natural fibres Advananced Materials Research Vol , pp Mahato D.N., Mathur B.K., Bhattacherjee S., 1993, Radial distribution function analysis of coir fibre, Journal of Materials Science, Vol. 28, 1993a, pp Mahato D.N., Mathur B.K., Bhattacherjee S., 1993, Effect of alkali treatment on electrical and spectral properties of coir, Journal of Materials Science Letters, Vol. 12, 1993b, pp Monteiro S.N., Terrones L.A.H.. D Almeida J.R.M., 2008, Mechanical performance of coir fiber / polyester composites, Polymer Testing, Vol. 27, pp Mukherjee P.S., Satyanarayana K.G., 1984, Structure and properties of some vegetable fibres. Part 1 Sisal fibre, Journal of Materials Science, Vol. 19 pp Mukhopadhyay S., Fangueiro R., Shivankar V., 2009, Variability of tensile properties of fibers from pseudostem of banana plant, Textile Research Journal, Vol. 79, pp Munawar S.S., Umemura K., Kawai S., 2007, Characterization of the morphological, physical, and mechanical properties of seven nonwood plant fiber bundles, Journal of Wood Science, vol. 53, pp Silva F.A., Chawla N., de Toledo Filho R.D., 2008, Tensile behaviour of high performance natural (sisal) fibers, Composites Science and Technology, vol. 68, pp Stern F., 1956, A note on the structure and mechanical properties of coir fibre, Journal of Textile Institute, Tomczak F., Sydenstricker T.H.D., Satyanarayana K.G., 2007, Studies on lignocellulosic fibres of Brazil. Part II. Morphology and properties of Brazilian coconut fibres, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 38, pp van Dam J.E.G., van den Oever M.J.A., Teunissen W, Keijsers E.R.P, van der Putten J.C., Anayron C, Josol F, Peralta A., 2006, Process for production of high density/high performance binderless boards from whole coconut husk. Part 2: coconut husk morphology, composition and properties. Industrial Crops and Product, Vol. 24, pp