PENGARUH PENAMBAHAN LIMBAH DAUN SUKUN TERHADAP KEKUATAN TARIK DAN KEKERASAN ROCKWELL KOMPOSIT PE/DAUN SUKUN

Transkripsi

1 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 PENGARUH PENAMBAHAN LIMBAH DAUN SUKUN TERHADAP KEKUATAN TARIK DAN KEKERASAN ROCKWELL KOMPOSIT PE/DAUN SUKUN Siti Rohmah 1 ; Rahmat Satoto 2* ; Andi Suhandi 1* 1Jurusan Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia 2Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)), Jl. Sangkuriang Komplek LIPI, Bandung 40135, Indonesia Siti.rohmah@student.upi.edu, rahmat.satoto@lipi.go.id, isuhandi@upi.edu ABSTRAK Telah dilakukan penelitian mengenai penambahan persen komposisi massa daun sukun dalam komposit PE/daun Sukun yang ramah lingkungan. Daun sukun yang digunakan merupakan limbah daun kering yang telah gugur dari pohonnya. Pembuatan dilakukan dengan membuat daun sukun menjadi serbuk berukuran 140 mesh menggunakan mesin penghancur untuk kemudian disaring dengan penyaring wire mesh machine. Selanjutnya dilakukan pencampuran daun sukun dengan polyethylene dalam internal mixer Labo Plastomill pada suhu pelelehan 145 o C. Pengujian dilakukan dengan mengamati perubahan %massa daun sukun 0%, 10%, 15%, 20%, dan 25% terhadap kekuatan tarik, modulus elastisitas, %elongasi dan kekerasan Rockwell. Penelitian menunjukan, penambahan daun sukun dalam komposit PE/daun sukun menurunkan nilai kuat tarik, %elongasi, dan kekerasan Rockwell tetapi meningkatkan nilai modulus elastisitasnya. Kata Kunci : Limbah daun Sukun, Kuat Tarik, Polyethylene, Komposit Ramah Lingkungan, kekerasan Rockwell. *Penanggung Jawab ABSTRACT EFFECT OF ADDITION OF BREADFRUIT WASTE LEAVES ON ROCKWELL HARDNESS AND TENSILE STRENGTH COMPOSITE PE/BREADFRUIT LEAVES Research on the addition of breadfruit leaves mass% composition into a polyethylene matrix to create a new composite material with environmentally friendly. Breadfruit leaves obtained is a waste of dry leaves that have fallen from the tree. The prepared was done by making the breadfruit leaves into powder with size 140 Mesh using a shredder machine and then filtered with wire mesh machine. Furthermore, the leaves of breadfruit with polyethylene mixing in internal mixer Labo Plastomill with melting temperature of 145 o C. Testing was done by observing the change in mass% of breadfruit leaves 0%, 10%, 15%,

2 20%, and 25% of the tensile strength, elastic modulus, %elongation and Rockwell hardness. Research shows, the addition of breadfruit leaves on the composite PE/breadfruit leaves lowering the value of tensile strength, %elongation, Rockwell hardness but increase the value of the elasticity modulus. Keywords: Waste Breadfruit Leaves, Tensile Strength, Polyethylene, Environmentally friendly composite, Rockwell Hardness. PENDAHULUAN Penggunaan material plastik yang semakin meningkat menyebabkan penumpukan sampah plastik di lingkungan semakin meningkat. Tidak hanya dilingkungan pemukiman, kini sampah plastik telah menjadi polutan bagi kehidupan di lautan, yang mengakibatkan kerusakan ekologi laut. Kondisi ini terjadi ketika sisa-sisa plastik yang berserakan menjadi ancaman langsung bagi mahkluk hidup, plastik yang termakan oleh makhluk hidup dapat merusak proses pencernaan makhluk hidup (Derraik, 2002). Telah banyak diketahui bahwa plastik merupakan material yang tidak mudah hancur secara alami ketika berada dilingkungan karena plastik merupakan material tahan lama selain itu mudah untuk diproses menjadi barang-barang kebutuhan sehari-hati dan harganya yang cukup terjangkau dibandingkan material lain untuk keperluan sejenis membuantnya material yang sangat terkenal. Terdapat empat jenis mekanisme yang dalam penghancuran (degradasi) plastik di lingkungan: photodegradation degradasi dengan menggunakan foton, degradasi oksidasi termal, degradasi hidrolitis dan biodegradasi atau degradasi oleh mikroorganisme (Andrady, 2011). Mikroba yang menghancurkan polimer bekerja dengan cara mengubah carbon menjadi rantai karbon dioksida atau menggabungkannya dengan biomolekul (Yamada 2001). Tetapi proses ini memerlukan waktu 50 tahun atau lebih untuk dapat menghancurkan polimer secara keseluruhan (Müller, 2001). Saat ini, tedapat tiga metode utama penanggulangan sampah plastik yaitu: penguburan, pengabuan dan penggunaan kembali (recycling) yang masih memiliki keterbatasan tersendiri (Zhang, 2004). Kebutuhan akan material dengan harga rendah, massa lebih ringan, dan sifat mekanik yang baik merupakah hal utama dikembangkannya materialmaterial baru, salah satunya komposit polimer. Penggunaan plastik dengan kelebihan dan kekurangannya, menjadikannya alasan utama pembuatan material baru dengan karakteristik utama layaknya plastik tetapi juga dapat mengurangi kekurangannya. Material alam berupa limbah daun yang ketersediaan di alam cukup banyak serta sifat utamanya yang dapat hancur di lingkungan jauh lebih cepat karena kandungan senyawa-senyawa didalamnya yang dengan mudah dihancurkan mikroorganisme. Polyethylene (PE) merupakan polimer dengan volume ketersediaan tertinggi di dunia. PE memiliki kekerasan, kemudahan untuk dibentuk, resistansi kimiawi yang baik, permeabilitas penguapan air, dan daya serap air yang rendah. Kemampuannya yang mudah di proses membuat berbagai tingkat massa jenis PE menjadi pilihan menarik untuk dibentuk berbagai macam barang. PE memiliki keterbatasan pada modulus elastisnya, yield stress, dan titik leleh yang relatif rendah. PE digunakan untuk membuat wadah, botol, film, pipa, dan benda-benda lainnya.

3 PE terbentuk dari struktur berulang ( CH 2 CH 2 ) x. PE yang homopolimer dimana susunan di dalamnya hanya atom karbon dan atom hidrogen akan bersifat layaknya intan dan graphite (yang mana penyusunya juga hanya atom karbon dan hidrogen). Perbedaan mutu pada PE ditandai dengan perbedaan sifat termal dan mekaniknya. PE umumnya berwarna keputih-putihan dan tembus cahaya. Tersedia dalam rentang massa jenis dari 0.91 hingga 0.97 g/cm 3. Perbedaan massa jenis ini diakibatkan oleh morfologi struktur kekuatannya; rantai panjang, rantai linear dengan sisi bercabang. PE yang tersedia secara komersial di pasar diantaranya PE dengan densitas sangat rendah (Very-Low Density Polyethylene), PE densitas rendah (Low Density Polyethylene), PE densitas rendah rantai linear (Linear-Low Density Polyethylene), PE densitas tinggi (High Density Polyethylene) dan PE dengan berat molekul sangat tinggi (Ultra-High Molecular Weight Polyethylene). Dispersion-strengthened Composite adalah salah satu jenis komposit dimana dalam susunannya terdapat sekian persen volume partikulat (filler) yang tersebar merata yang dapat berfungsi sebagai penguat dan pengeras. Penguatan yang terjadi melibatkan interaksi antara partikelnya dengan sambungan dalam matriknya (Callister, 2007). Salah satu Filler yang dapat digunakan dalam pembuatan komposit serta diharapkan mampu memberikan pengaruh lain sebagai bahan yang lebih ramah lingkungan adalah material alam berupa daun kering berbentuk serbuk (partikulat). Penelitian penggunaan bahan alam sebagai filler komposit telah banyak dilakukan. Penggunaan kulit jagung sebagai filler dan polylactid acid dengan penggunaan variasi komposisi kulit jagung 10%, 20%, 30%, 40% dan dengan penggunaan variasi ukuran 50 mesh, 100 mesh dan 300 mesh menunjukan kecenderungan penurunan kuat tarik, kuat lengkung, dan kuat impak, tetapi meningkatkan nilai modulus elastisitas komposit. Ukuran partikel yang lebih kecil mengakibatkan ikatan antar muka antara matrik dengan filler lebih kuat dan terjadi penyebaran partikulat yang lebih baik sehingga meningkatkan sifat mekaniknya (Jagadeesh, 2012) Penelitian lainnya penggunaan bahan alam sebagai material filler dalam pembuatan komposit bematrik polimer diantaranya dengan penggunaan kulit pisang (Pereira, 2013), serbuk kayu (Ndlovu, 2013) (Atuanya, 2011) (Gallagher, 2012) (Nourbakhsh, 2008), daun Pandan Alas (Taufik, 2014), daun nanas (Nwanonenyi, 2013) dan sekam Padi (Fathanah, 2011) menunjukan adanya pengaruh signifikan terhadap komposit yang dihasilkan. Pohon Sukun memiliki daun tebal dan bersirip dengan warna hijau gelap pada bagian depannya yang seringkali terlihat mengkilat, daun Sukun dalam satu pohon memiliki ukuran bervariasi (Sirkawar, 2014). Daun sukun yang digunakan sebagai filler komposit polimer merupakan material inovatif, sehingga studi mengenai sifat mekanik material ini belum banyak diketahui. Daun sukun Artocarpus altilis merupakan tanaman yang tumbuh sepanjang tahun ukuran daun yang besar menjadikan daun ini mudah ditemukan menumpuk. Berdasarkan hal tersebut, dilakukannya penelitian bagaimana penggunaan limbah daun sukun menjadi filler komposit polimer yang dengan mengamati perilaku komposit yang diperoleh. Sifat yang diamati diantaranya kuat tarik, modulus elastisitas dan %elongasinya, karakterisasi ini merupakan metode untuk mengetahui sifat mekanik dasar yang harus diketahui dari suatu material sehingga penggunaannya lebih lanjut dapat disesuaikan dengan karakterisasi tersebut.

4 Kuat tarik diukur dengan membagi nilai beban pada saat spesimen putus dengan luas penampang mula-mula spesimen sebelum putus. Hasil dari kuat tarik dinyatakan dalam megapascal (MPa) KKKK ttttt = (bbbbb ssss ppppp) (lllll mmmm mmmm)(ttttt mmmm mmmm) (pers 1) Peresen elongasi, diukur dengan membagi nilai perubahan panjang (elongasi) akibat beban tarikan dengan panjang mula-mula spesimen kemudian dikalikan 100. Hasil perhitungan dinyatakan dalam persen. %eeeeeeee (eeeeeeee ssss ppppp) = x 111 (ppppppp ssssssss mmmm mmmm) (pers 2) Modulus elastisitas atau modulus Young, diukur dengan menarik garis singgung linier pada kurva teganganregangan, titik garis singgung dipilih kemudian membagi nilai tegangan dengan regangan yang sesuai. Untuk keperluan perhitungaan ini, nilai tegangan tarik diperoleh dari hasil pembagian nilai rata-rata luas penampang mula-mula spesimen. Nilai modulus elastisitas dinyatakan dalam megapascal (MPa) atau gigapascal (Gpa). MMMMMMM = (bbbbb pppp ttttt ggggg ssssssss) (lllll mmmm mmmm)(ttbaa mmmm mmmm) (eeeeeeee pppp ttttt ggggg ssssssss) (ppppppp ssssssss mmmm mmmm) (pers 3) Uji kekerasan merupakan salah satu metode pengujian sifat mekanik suatu bahan untuk mengetahui sifat kekerasannya. Sifat kekerasan adalah salah satu kemampuan material mengalami deformasi plastis, uji kekerasan Rockwell diukur berdasarkan tinggi kedalaman area lengkungan akibat pembebanan pada permukaan spesimen. Salah satu standar pengujian kekerasan yang diperuntukan material plastik adalah ASTM D 785 Standard Test Method for Rockwell Hardness of Plastics and Electrical Insulating Materials. Didalamnya telah mencakup deskripsi mengenai prosedur pengujian, dimensi spesimen, dan aturan-aturan lainnya. Pada prakteknya, nomor kekerasan Rockwell berasal dari hubungan berikut: HR = h (Pers 4) Dimana HR = Nilai kekerasan Rockwell h =tinggi kedalaman jejak yang ditinggalkan oleh indenter pada permukaan spesimen (mm). METODE PENELITIAN Metode penlitian yang dilakukan adalah dengan metode ekperimen. Secara keseluruhan pembuatan dan karakterisasi komposit dilakukan di labolatorium Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Bandung. Pembuatan sampel komposit dilakukan dengan menggunakan mesin internal mixer Labo Plastomill Model 30R150 volume chamber 50cc. Metode pengujian yang digunakan untuk uji tarik adalah ISO Determination of Tensile Properties of Plastics type 5A, sedangkan untuk uji kekerasan Rockwell menggunakan standar pengujian ASTM D Standard Test Method for Rockwell Hardness of Plastics and Electrical Insulating Materials. Polimer yang digunakan berupa polimer jenis polyethylene yang diperoleh dari Asrene Polyethylene PT Chandra Asri Petrochemical Tbk, sedangkan limbah daun sukun diperoleh dari satu pohon di kawasan Kiaracondong Bandung. Preparasi Sampel Sampel daun sukun yang digunakan adalah daun sukun kering yang telah gugur dari pohonnya, daun kemudian

5 dibersihkan dari sisa-sisa tanah yang menempel selanjutnya dikeringkan kembali oleh sinar Matahari selama 1-2 hari hingga diperoleh warna daun coklat kekuningan dan tekstur daun yang kering. Daun sukun kering di potong untuk dibuang bagiannya yang keras untuk memudahkan penghancuran. Bubuk daun sukun yang telah dihancurkan dengan mesin pencacah kemudian di saring menggunakan wire mesh machine dengan bukaan 140 mesh (0.105 mm atau 105 mikron). Bubuk daun dikeringkan kembali dalam oven pada suhu 100 o C selama 8 jam untuk menurunkan kadar air didalamnya. Bubuk daun sukun dan PE kemudian ditimbang dengan variasi komposisi daun sukun 0%, 10%, 15%, 20% dan 25%. Tabel 1 Komposisi komposit Sampel No %Komposisi PE : Sukun Massa (gram) PE: Sukun 1 0 : ,01 : : 90 45,01 : 5, : 85 42,50 : 7, : 80 40,00 : 10, : 75 37,50 : 12,50 Pembuatan Komposit Bahan-bahan yang telah siap, dimasukan dalam ruang pencampuran Labo Plastomill pada suhu 145 o C. dicampurkan bubuk daun sukun. Hasil pencampuran berupa lelehan komposit PE/daun sukun dikumpulkan dalam plastik berlabel. Gambar 2. Lelehan komposit PE/daun sukun Hasil pencampuran yang kini telah menjadi komposit PE/daun sukun dicetak dengan menggunakan spacer untuk diperoleh lembaran komposit PE/daun sukun yang dapat dipotong menjadi batang uji atau spesimen. Pencetakan dilakukan dengan menggunakan mesin penekan panas hotpress dengan suhu 125 o C dan tekanan 50 Pa selama total waktu 2 menit. Spacer yang digunakan berupa spacer dengan ketebalan 0.2 mm untuk batang uji tarik dan ketebalan 3 mm untuk batang uji kekerasan Rockwell. Lembaran dipotong dengan Dumbell dengan standar dimensi ISO tipe 5A untuk uji tarik dan ASTM D untuk uji kekerasan Rockwell. Untuk tiap sampel dilakukan 5 kali pengulangan pengujian. Gambar 3. Spesimen uji Tarik Gambar 1 Pencampuran PE dengan daun sukun Pencampuran dilakukan selama total waktu 6 menit. 2 menit pertama untuk pelehan PE murni dan 4 menit selanjutnya PE yang telah berupa lelehan Gambar 4. Spesimen uji kekerasan Rockwell Pengujian

6 Pengujian tarik dilakukan menggunakan Universal Testing Machine ORIENTEC UCT-5T pada suhu pengujian 23 o C. Hasil pengujian yang diperoleh berupa grafik hubungan stress vs strain yang secara otomatis dikonversi menjadi data-data. Pengujian kekerasan Rockwell dilakukan mengunakan mesin uji Matsuzawa Seiki Jepang Mrk-M. HASIL DAN PEMBAHASAN Parameter yang diperoleh dari pengujian ini diantaranya kuat tarik (Tensile strength), modulus elastisitas, dan %elongasi. Modulus Elastisitas (MPa) %Massa daun sukun Gambar 5. Pengaruh daun sukun terhadap modulus elastisitas komposit Hasil pengukuran modulus elastisitas komposit PE dengan daun sukun diperlihatkan pada Gambar 5 yang menunjukan peningkatan modulus elastisitas dengan ditambahkannya %komposisi daun sukun dalam matrik polyetylene. Penelitian menunjukan peningkatan akibat adanya perbaikan sifat kekakuan dari komposit dengan semakin banyaknya daun sukun dalam komposit Kuat Tarik (MPa) %massa daun sukun Gambar 6. Pengaruh daun sukun terhadap kuat tarik komposit Hasil pengukuran kuat tarik diperlihatkan pada Gambar 6 yang munjukan kekuatan tarik komposit menurun ddengan ditingkatkannya %daun sukun dalam matrik PE. Hasl ini menunjukan kehadiran daun sukun sebagai filler tidak membatasi gerak atau mobilitas rantai molekul. Sehingga, penguatan pada matrik polimer, dan ikatan antarmuka antara PE dengan daun sukun rendah yang diperlihatkan dari menurunnya kekuatan tariknya %Elongasi %Massa daun sukun Gambar 7. Pengaruh daun sukun terhadap %elongasi komposit Hasil pengujian pada Gambar 7 memperllihatkan perpanjangan sampel akibat diberi beban tarik menurun dengan semakin ditambahkannya %komposisi daun dalam matrik PE. Hal tersebut dikarenakan kehadiran sukun memberikan efek kaku atau keras pada matrik polyethylene sehingga mengendalikan sifat kompositnya. Pada pengujian kekerasan Rockwell dituliskan HRR dilanjutkan dengan nilainya yang menunjukan nilai skala R yaitu skala kekerasan material dan ukuran diameter beban penekan. HRR %massa daun Sukun Gambar 8. Pengaruh daun sukun terhadap kekerasan komposit

7 Hasil pengujian pada Gambar 8 menunjukan penambahan daun sukun menurunkan nilai kekerasan Rockwell. Hal tersebut dikarenakan sifat daun sukun yang lebih lunak dibandingkan PE yang mengakibatkan nilai kekerasan dengan kandungan daun sukun yang lebih banyak memiliki nilai kekerasan rendah. KESIMPULAN Hasil pengujian mekanik komposit PE dengan daun sukun menunjukan dengan semakin banyaknya komposisi daun sukun akan menurunkan kuat tarik, kekerasan dan %elongasi kompositnya, yang menunjukan ikatan yang kurang kuat antara polyethylene dengan daun sukun. Sedangkan pada pengujian modulus elastisitasnya, penambahan daun sukun meningkatkan nilai modulus elastisitasnya, yang menunjukan adanya peningkatan kekakuan dari komposit PE/daun sukun. DAFTAR PUSTAKA Andrady, A.L.(2011). Microplastics in the marine environment. Mar. Pollut. Bull. 2011, 62, ASTM D Standard Test Method for Rockwell Hardness of Plastics and Electrical Insulating Materials. Atuanya, C,U. Ibhadode, A,O,A & Igboanugo, A,C. (2011). Potential of Using Recycled LDPE in Wood Composites Board. African Journal of Environmental Science and Technology Vol 5(5), PP Callister, William D. (2007). Materials Science and Engineering - An Introduction, Edisi ke 7. John Wiley & Sons, Inc. USA. Derraik, J,G,B. (2002). The pollution of the marine environment by plastic debris: A review. Mar. Pollut. Bull. 2002, 44, Fathanah, Umi. (2011). Kualitas Papan Komposit dari Sekam Padi dan Plastik HDPE Daur Ulang Menggunakan Maleic Anhydride (MAH) sebagai Compatibilizer. Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 8, No. 2, Hal Gallagher, L,W & Mcdonald, Armando G. (2012). The Effect of Micron Sized Wood Fibers in Wood Plastic Composites. Journal of Modern Technology Vol 15(3) page Herper, Charles A & Modern Plastics. (1999). Modern Plastics Handbook. Mc Graw-Hill. ISO Determination of Tensile Properties of Plastics. IPC-TM-650 (1995). Test Methods Manual: Tensile Strength, Elongation and Modulus. The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits. Jagadeesh, Dani. Sudhakara, P. Prasad, C,V. Kim, H,J & Song, J,I (2012). A Study on The Mechanical Properties of Bio-Composites from Renewable Agro-Wasted/Poly (lactid acid). Journal of Biobased Mterial and Bioenergy Vol 6, pp 1-6. Ndlovu, S,S. Reenen, A,J,V & Luyt, A,S. (2013). LDPE-Wood Composites Untilizing Degradable LDPE as Compatibilizer. Elevier Journal of Composite Part A 51 page Nourbakhsh, Amir. Kokta, Bouhuslav V. Ashori, Alireza & Latibari, Ahmad Jahan. (2008). Effect of a Novel Coupling Agent, Polybutadiene Isocyanate, on Mechanical Properties of Wood-Fiber Polypropylene Composites. SAGE: Journal of Reinforced Plastics and Composite, Vol. 27, No /2008. Nwanonenyi, S,C & Anyanwu, P,I. (2013). Studies on the Properties of Peneapple Leaves Powder Filler Low Density Polyethylene. Journal of SAVAP International Natural Science and Apllien Physics. Vol 4 no 1 Jan 13 pp

8 Müller, R.-J. Kleeberg, I & Deckwer, W, D. (2001) Biodegradation of polyesters containing aromatic constituents. J. Biotechnol. 2001, 86, Pereira, Paulo H,F. Benini, Kelly C,C. Watashi, Cintia Y. Voorwald, Herman J,C & Cioffi, Maria O,H. (2013). Characterization of High Density Polyethylene (HDPE) Reinforced with Banana Peel Fibers. bioresources.com: BioResources 8(2), Sikarwar, Mukesh S. Hiu, Boey J. Subramaniam, Kumutha. Valeisamy, Bavani D. Yean, Lingkar. Balaji, Kaveti (2014). A review on Artocarpus altilis (Parkinson) Fosberg (Breadfruit). Journal of Applied Pharmacutical Science Vol 4 (08) page Taufik, Citra Mardatillah dan Astuti. (2014). Sintesis dan Karakterisasi Sifat Mekanik serta Struktur Mikro Komposit Resin yang Diperkuat Serat Daun Pandan Alas (Pandanus dubius). Jurnal Fisika Universitas Andalas Vol 3. No 1. Yamada-Onodera, K. Mukumoto, H. Katsuyaya, Y. Saiganji & A. Tani, Y. (2001). Degradation of polyethylene by a fungus, Penicillium simplicissimum YK. Polym. Degrad. Stabil. 2001, 72, Zhang, J. Wang, X. Gong, J. & Gu, Z. A (2004) study on the biodegradability of polyethylene terephthalate fiber and diethylene glycol terephthalate. J. Appl. Polym. Sci. 2004, 93,