KEKUATAN KOMPOSIT POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT PADA PEMBEBANAN DINAMIK

Transkripsi

1 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : KEKUATAN KOMPOSIT POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT PADA PEMBEBANAN DINAMIK M yani Dosen Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara E.mail iyanpili@gmail.com ABSTRAK Subjek penelitian ini adalah komposit polymeric foam (PF) yang diperkuat serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS). Komposit ini memiliki keunikan dengan adanya rongga (foam) dengan pemberian blowing agent (BA) dari jenis polyurethane (PU) dalam matrik polyester resin tak jenuh yang berfungsi menurunkan massa jenis material yang dibentuk sehingga diperoleh material komposit PF yang lebih ringan dibandingkan dengan material komposit jenis polimer tanpa PF. Tujuan penelitian ini ialah untuk mendapatkan massa jenis material komposit PF diperkuat serat TKKS dan mengetahui perilaku mekanik akibat beban dinamik. Spesimen dibuat dengan mengikuti standar pengujian impak dinamik ASTM D Metode pembuatan spesimen uji dilakukan dengan metode penuangan dan massa jenis ρ rerata 45 % BA = 630 kg/m 3. Pada ketinggian uji 0,5 m, besar tegangan yang terjadi adalah 6,68 kpa, rerata energi yang diserap yaitu 75,0 Joule dan pada ketinggian uji 1m, besar tegangan yang terjadi adalah 61,43 kpa, rerata energi yang diserap yaitu 184,68 Joule. Kata kunci: komposit PF, perilaku mekanik, beban dinamik. PENDAHULUAN Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) adalah limbah hasil pengolahan Crude Palm Oil (CPO) di Pabrik Kelapa Sawit (PKS) dengan jumlah yang cukup banyak, yaitu mencapai 1,9 juta ton berat kering per tahun atau setara dengan sekitar 4 juta ton berat basah per tahun. Untuk di daerah Sumatera Utara sendiri khususnya di PT. Perkebunan Nusantara III (PTPN-III) menghasilkan TKKS hingga mencapai 1350 ton basah perhari (Umar, S, 008). Dengan demikian limbah ini dipandang memiliki potensi yang baik untuk dimanfaatkan dan dikembangkan menjadi material-material teknik alternatif. Pengembangan material ini sebagai material penguat komposit PF dengan matriks berasal dari material-material polimer masih sangat jarang ditemukan. Adalah pembuatan parking bamper (Syurkarni Ali, 01) kerucut lalu lintas (siswo, 011) telah dikerjakan. Dalam penelitian ini serat TKKS akan dipergunakan sebagai penguat material komposit PF. Ukuran diameter serat TKKS yang dipakai berkisar antara 0,1 s.d. 0,8 mm yang dicampurkan kedalam cairan polyster resin tak jenuh dan material pembentuk rongga (blowing agent, BA). Hasil yang diharapkan ialah memperoleh kekuatan dinamik dan energi yang diserap material komposit PF akibat pembebanan dinamik. Material baru ini akan dimanfaatkan sebagai material pengganti styrofoam untuk produk helm sepeda yang merupakan tahapan riset selanjutnya. Tujuan penelitian ini ialah: 1. Untuk mendapatkan massa jenis komposit PF yang berasal dari material polyester resin tak jenuh sebagai matrik, serat TKKS sebagai penguat, dan BA sebagai pembentuk struktur berongga.. Untuk mendapatkan kekuatan beban dinamik dan energi yang diserap material komposit PF akibat beban dinamik. 67

2 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : Material komposit didefinisikan sebagai campuran antara dua atau lebih material yang menghasilkan sebuah material baru dengan sifat-sifat ataupun karakteristiknya yang masih didominasi oleh sifat-sifat material pembentuknya (Hashim, J, 009). Berdasarkan definisi ini maka pemilihan jenis material yang tepat dalam penelitian ini ialah jenis material komposit, dimana yang diharapkan adalah kekuatan material yang lebih baik dari penggabungan dua atau lebih material penyusunnya. Pada umumnya material komposit dibentuk dalam dua jenis fasa, yaitu fasa matriks dan fasa penguat. Fasa matriks adalah material dengan fasa kontinu yang selalu tidak kaku dan lemah. Sedangkan fasa penguat selalu lebih kaku dan kuat, tetapi lebih rapuh. Penggabungan kedua fasa tersebut menghasilkan material yang dapat mendistribusikan beban yang diterima disepanjang penguat, sehingga material menjadi lebih tahan terhadap pengaruh beban tersebut. Teknik Pembuatan Material Komposit Polimer Teknik pembuatan material komposit polimer pada umumnya tidak melibatkan penggunaan suhu dan impakan yang tinggi. Hal ini disebabkan material ini mudah menjadi lembut atau melebur (Gunawan, et al., 009). Proses pencampuran penguat kedalam matriks dilakukan ketika matriks dalam keadaan cair. Metode penuangan langsung dilakukan dengan cara melekatkan atau menyentuhkan material-material penyusun pada cetakan terbuka dan dengan perlahanlahan diratakan dengan menggunakan roda perata atau dengan pemberian impakan luar. Metode ini cocok untuk jenis penguat serat kontinu dan random. Material Komposit Polymeric Foam (PF) Poliester Resin Tak Jenuh Poliester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermoset yang memiliki struktur rantai karbon yang panjang. Data mekanik material matriks diperlihatkan pada tabel.1. Tabel 1.Karakteristik mekanik polister resin tak jenuh. Sifat Satuan Besaran Mekanik Berat jenis ( ) Mg.m -3 1, s/d 1,5 Modulus GPa,0 s/d 4,5 Young (E) Kekuatan Impak ( T ) MPa 40 s/d 90 Sumber : Muftil Badri, 010 Serat TKKS Serat TKKS ialah serat alami yang terbuat dari tandan kosong kelapa sawit yang merupakan limbah pada proses pengolahan di suatu pabrik kelapa sawit. Hasil penelitian yang telah dilakukan oleh sebuah institusi komersial (Roozenburg, 1991) terhadap komposisi material kimianya diketahui bahwa kandungan material serat dalam TKKS merupakan kandungan maksimum seperti diperlihatkan pada tabel. Tabel. Parameter tipikal TKKS per kg. No. Materialmaterial Kandungan Komposisi (%) 1. Uap air Protein Serat Minyak Kelarutan Air Kelarutan 9.30 Unsur Alkali 1% 7. Debu K Ca Mg P Mn, Zn, Cu, Fe 1.07 T O T A L

3 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : Gbr. 1 dan berturut-turut adalah TKKS yang telah dicacah menjadi bagian kecil dan serat TKKS yang telah dihaluskan. Gbr. 1 Cacahan TKKS Gbr. Serat TKKS Kekuatan mekanik serat TKKS dengan diameter rata-rata 0,4 mm memiliki harga modulus elastisitas ratarata sebesar 11,88 GPa dengan tegangan impak maksimum rata-rata sebesar 156,3 MPa (Edward, 1981). Blowing Agent (BA) Blowing agent ialah material yang digunakan untuk menghasilkan struktur berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan pada penelitian ini ialah polyuretan. Material yang terbentuk dari campuran BA dan polimer disebut dengan material polymeric foam (PF). Bentuk struktur polymeric foam yang dibentuk diilustrasikan pada Gbr. 3. Gbr. 3. Ilustrasi material polymeric foam. Katalis Methyl Ethyl Keton Perokside (MEKPO) Katalis merupakan material kimia yang digunakan untuk mempercepat reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu kamar dan impakan atmosfir. Pemberian katalis dapat berfungsi untuk mengatur waktu pembentukan gelembung BA, sehingga tidak mengembang secara berlebihan, atau terlalu cepat mengeras yang dapat mengakibatkan terhambatnya pembentukan gelembung. Perilaku Mekanik Komposit PF Pengujian dinamik metode impak jatuh bebas Pengujian dinamik metode impak jatuh bebas adalah pengujian dimana pemukul bergerak jatuh bebas dari keadaan mula-mula diam kemudian bergerak dan mengalami pertambahan kecepatan selama benda tersebut jatuh. Jika benda jatuh ke bumi dari ketinggian tertentu relatif kecil dibandingkan jari-jari bumi, maka benda mengalami pertambahan kecepatan ke bawah dengan harga yang sama setiap detik. Hal ini berarti bahwa percepatan benda berkurang dengan harga yang sama jika sebuah benda ditembakkan ke atas kecepatannya berkurang dengan harga yang sama setiap detik dan perlambatan ke atasnya konstan. Untuk menentukan kecepatan benda jatuh setiap detik akan diperoleh dengan pendekatan sebagaimana terlihat pada Tabel 3. Tabel 3. Waktu dan kecepatan benda jatuh (Rahmat, 01) Waktu t (s) Kecepatan 0 9,8 19,6 9,4 39, 49 v (m/s) Grafik v-t yang sesuai dengan Tabel.7 ditunjukkan pada Gambar.1 merupakan sebuah garis lurus sehingga percepatan seragam. Jika tahanan udara diabaikan gerakan benda jatuh bebas dapat dihitung dengan percepatan konstan membentuk garis lurus, bila percepatan benda jatuh bebas sama dengan percepatan gravitasi (g) yaitu: 1. Untuk gerakan ke bawah a = + g. Untuk gerakan ke atas a = - g Percepatan gravitasi (g) dapat dipandang sebagai sebuah vektor dengan arah lurus ke bawah menuju ke pusat bumi. 69

4 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : Gambar 4. Grafik hubungan v vs t Definisi perpindahan adalah perubahan posisi, hal ini merupakan besaran vektor mencakup jarak dan arah. Kecepatan adalah laju perubahan kedudukan terhadap waktu. Hal ini juga merupakan besaran vektor mencakup jarak, arah dan waktu. Sedangkan percepatan seragam dimiliki partikel yang mengalami perubahan kecepatan yang sama dalam selang waktu yang sama secara berturut-turut tanpa peduli berapa selisih selang waktu tersebut, seperti ditunjukkan pada persamaan 1. 1 s v0 v t... (1) Dimana v 0 adalah kecepatan awal, v kecepatan akhir, t waktu dan s jarak. Persamaan adalah perbandingan antara perubahan kecepatan dan perubahan waktu. v a... () t v v0 as... (3) Dari persamaan 3, bila v 0 = 0, maka : v = 0 + as, akhirnya v diperoleh seperti ditunjukkan pada persamaan 4. v as... (4) bila a = g, dan s = H Maka: v gh... (5) Maka persamaan 5 adalah percepatan benda jatuh bebas tergantung pada jarak atau tinggi benda jatuh dari pusat bumi, ketika sebuah benda padat jatuh dengan kecapatan sedang, dapat dianggap benda mengalami percepatan gravitasi seragam, untuk pengertian umum para ilmuan mengambil harga percepatan gravitiasi g = 9,81 m/s Momentum dan Impuls Momentum sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai momentum yang dinyatakan dengan hasil kali massa benda dengan kecepatan benda. M mv (kg.m/s)... (6) Impuls sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai impuls yang dinyatakan dengan hasil kali gaya yang bekerja pada benda dengan waktu yang diberikan. I Ft (N s)... (7) Hukum Gerak Newton. Hukum gerak pertama F 0... (8) Hukum gerak II F ma... (9) Hukum gerak III F1 F... (10) Energi mekanik Energi mekanik pada suatu benda adalah tetap asalkan tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut. Energi mekanik gabungan energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial merupakan energi yang dimiliki benda karena letaknya. Ep m. g. h... (11) Energi kinetik merupakan energi yang dimilik benda karena gerak yang bekerja padanya. Ek 1 mv... (1) METODE PENELITIAN Pembuatan Specimen Uji Impak Dinamik Pembuatan specimen uji impak dinamik disesuaikan dengan standar ASTM untuk bahan komposit. Adapun proses pembuatannya adalah sebagai berikut: 1. Oleskan lapisan pemisah pada bagian dalam cetakan dengan mold release wax agar mudah melepas produk dari cetakan.. Persiapan bahan-bahan yang diperlukan yaitu serat, resin tipe BQTN 157-EX yang merupakan polyester resin tak jenuh kemudian 70

5 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : ditimbang sesuai dengan berat campuran yang ditetapkan. 3. Campurkan terlebih dahulu polyester resin tak jenuh dan serat TKKS kemudian aduk hingga merata selama ± menit dengan indikasi semua serat terendam dalam resin dan beri kode C1. 4. Campurkan katalis ke dalam campuran serat dan resin dan aduk hingga merata selama ± menit dengan indikasi warna campuran ini adalah coklat tua dan beri kode C. Jangan biarkan C lebih dari 15 menit, karena ia akan mengeras. 5. Campurkan bahan pembentuk polyurethane dengan komposisi polyol dan isocyanate, dan aduk hingga merata selama ± 0,5 menit dengan indikasi polyurethane yang terbentuk adalah busa berwarna krem dan beri kode C3. 6. Masukkan campuran C3 kedalam campuran resin dan serat TKKS, dan aduk hingga merata selama ± 0,5, setelah itu campurkan dengan katalis lalu aduk hingga campuran merata selama ± 0,5 dengan indikasi warna campuran ini berwarna coklat muda dan beri kode C4. 7. Tuang campuran C4 kedalam cetakan seperti terlihat pada gambar 3.1 dan biarkan selama 4 jam hingga benar mengeras dan kering. Kemudian spesimen lepaskan dari cetakan. Bentuk specimen diperlihatkan pada gambar 5. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pembuatan specimen uji impak menurut standar ASTM dengan material komposit polymeric foam diperkuat serat TKKKS diperlihatkan pada gambar 6. dan massa jenis ρ rerata 45 % BA = 630 kg/m 3 Gambar 6. Bentuk specimen uji impak dinamik bahan komposit PF Pengujian Spesimen dengan Uji Impak Dinamik Pengujian spesimen dengan uji impak dinamik dengan metode jatuh bebas, dan sampel diambil dengan 3 (tiga) buah sampel setiap variasi ketinggian, diantaranya: 0,5 m dan 1 m, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 7. Wadah penampun Material komposit Alat Ceta Gbr. 5. Metode penuangan komposit Gambar 7. Pengujian dinamik Gabungan dari ketiga grafik gaya vs waktu impak dinamik metode jatuh bebas pada ketinggian 0,5 meter diperlihatkan pada gambar 8. 71

6 Gaya( kgf) Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : No. 1 3 Re rata Gambar 8 Grafik gabungan dari ketiga grafik gaya vs waktu impak dinamik metode jatuh bebas pada ketinggian 0,5 meter Grafik gabungan hasil uji impak dinamik pada ketinggian 0,5 meter memperlihatkan bahwa semua besar gaya dan waktu dinamik adalah sama namun rambatan gelombang yang teredam adalah berbeda diperlihatkan gambar 8. Besar gaya adalah, kgf dan waktu dinamik 47 ms. Impuls yang terjadi akibat beban dinamik adalah perkalian antara gaya dan waktu. Pada ketinggian uji sampel 0,5 meter, maka diperoleh impuls rerata adalah 9,60 N.s. Pada daerah pembebanan, luas permukaannya adalah 961,6 mm. Perbandingan antara gaya dengan luas penampang maka akan dihasilkan tegangan. Sedangkan energi diperoleh dari hasil kali gaya dinamik dengan ketinggian, hasil perhitungan ini ditabulasikan dalam tabel 3. Tabel 3. Hasil pengujian sampel dengan dinamik jatuh bebas pada 0,5 m A (mm ) Grafik gaya vs waktu impak F (kgf atau N) time (ms) Σ (kpa) E.3(16.11) sampel 1 sampel sampel 3 I (Ns) (18.07) (19.14) (17.97) No. Dari hasil pengujian impak dinamik metode jatuh bebas terhadap seluruh sampel diperoleh data bahwa besar gaya adalah rerata, kgf (17,97 N). Dengan demikian untuk menghitung besar tegangan yang terjadi pada sampel pada area pembebanan didasarkan persamaan tegangan yaitu gaya dibagi dengan luas area. Luas area diperoleh pada permukaan penampang sampel yaitu 961,6 mm. Sehingga besar tegangan yang terjadi adalah 6,68 kpa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan deformasi plastis pada sampel. Energi impak total yang terjadi berdasarkan eksperimental adalah gaya yang terukur dikalikan dengan ketinggian uji. Rerata energi impak dinamik eksperimental yaitu 108,55 Joule. Energi impak dinamik teoritis yaitu perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian uji. Rerata energi impak dinamik teoritis yaitu 33,35 Joule. Dan energi yang diserap oleh sampel adalah selisih energi impak dinamik total berdasarkan eksperimental dan energi teoritis. Rerata energi yang diserap yaitu 75,0 Joule. Data ketiga sampel tersebut ditabulasikan dalam table 4. Tabel 4. Hasil perhitungan energi impak dinamik sampel pada ketinggian 0,5 meter h (m) M test rig (kg) Ei = m.g.h Eie = F.h Es= Eie-Ei rera ta Gabungan dari ketiga grafik gaya vs waktu impak dinamik metode jatuh bebas pada ketinggian uji 1 meter diperlihatkan pada gambar 8. 7

7 Gaya (kgf) Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : Grafik gaya vs waktu impak Time (ms) sampel 1 sampel sampel 3 Gambar 8. Grafik gabungan dari ketiga grafik gaya vs waktu impak dinamik jatuh bebas pada ketinggian uji 1 meter Pada grafik gabungan diperlihatkan pada gambar 8. dimana hasil uji impak dinamik pada ketinggian 1 meter adalah semua besar gaya, waktu dinamik dan rambatan gelombang yang teredam berbeda-beda. Pada sampel 1 gaya dan waktu dinamik adalah 5, kgf dan 31 ms, pada sampel adalah 5, 83 kgf dan 47 ms dan sampel 3 adalah 5,83 kgf dan 47 ms. Sehingga rerata gaya dan waktu dinamik adalah 5,63 kgf dan 41,67 ms. Dari hasil pengujian impak dinamik metode jatuh bebas terhadap sampel diperoleh data bahwa besar gaya adalah rerata 5,63 kgf (51,39 N). Sehingga besar tegangan rerata yang terjadi adalah 61,43 kpa. Impuls yang terjadi akibat impak dinamik adalah perkalian antara gaya dan waktu. Pada ketinggian pengujian sampel 1 meter diperoleh impuls rerata adalah 9.79 N.s. Dari hasil pengujian impak dinamik metode jatuh bebas terhadap seluruh sampel diperoleh data bahwa besar gaya adalah rerata 5,63 kgf (61,43 N). Dengan demikian untuk menghitung besar tegangan yang terjadi pada sampel pada area dinamik didasarkan persamaan tegangan yaitu gaya dibagi dengan luas area. Luas area diperoleh pada permukaan penampang sampel yaitu 961,6 mm. Sehingga besar tegangan yang terjadi adalah 61,43 kpa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan deformasi plastis pada sampel. Energi impak dinamik total yang terjadi berdasarkan eksperimental adalah gaya yang terukur dikalikan dengan ketinggian uj. Rerata energy impak dinamik eksperimental yaitu 51,39 Joule. Energi impak dinamik teoritis yaitu perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian. Rerata energi dinamik teoritis yaitu 66,71 Joule. Dan energi yang diserap oleh sampel adalah selisih energi impak dinamik total berdasarkan eksperimental dan energi teoritis. Rerata energi yang diserap yaitu 184,68 Joule. Data ketiga sampel tersebut ditabulasikan dalam table 4.4. Tabel 5. Hasil pengujian sampel dengan dinamik jatuh bebas pada 1 m No. A (mm ) F (kgf atau N) σ (kpa) E I (Ns) (47.41) (53.39) (53.39) Re rata (51.39)

8 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : Tabel 5. Hasil perhitungan energi dinamik sampel pada ketinggian 1 meter h (m) Massa test rig (kg) Energi Dinamik Ei = m.g.h Energi Dinamik Eksperimental Eie = F.h Energi yang diserap Es=Eie-Ei rerata KESIMPULAN 1. Pembuatan speciment uji impak dinamik berdasarkan standar ASTM D161-00, dibuat dengan metoda tuang dan memiliki massa jenis ρ rerata 45 % BA = 630 kg/m 3.. Pada ketinggian uji impak dinamik 0,5 m, besar tegangan yang terjadi adalah 6,68 kpa, rerata energi yang diserap yaitu 75,0 Joule dan pada ketinggian uji 1m, besar tegangan yang terjadi adalah 61,43 kpa, rerata energi yang diserap yaitu 184,68 Joule. DAFTAR PUSTAKA [1]. Ali, S, Desain Struktur dan Pembuatan Parking Bumper Dari Bahan Polymeric Foam Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Terhadap Beban Dinamik dan Impak, USU, 01. []. Edward B. Magrab, Integrated Product and Process Design and Development, New York: Cambridge University Press, [3]. Gunawan, F.E., dkk, Mechanical Properties of Oil Palm Empty Fruit Bunch Fiber, Journal of Solid Mechanics & Materials Engineering, Vol. 3., No. 7, 009. [4]. Hashim, J., Pemrosesan Bahan, Edisi pertama, Johor Bahru: Cetak Ratu Sdn. Bhd., 003. [5]. Isroi, Pengolahan TKKS (Tandan Kosong Kelapa Sawit), (online) ( diakses tanggal 14 April 011). [6]. Nuryanto, E. Pemanfaatan Tandan Kosong Kelapa Sawit Sebagai Sumber Bahan Kimia. Warta PPKS : [7]. Rahmat K.S., Pengukuran Sampel Motor Yang Dikenai Beban Dinamik Menggunakan Metode Jatuh Bebas, Tesis Master (tidak dipublikasikan), USU, 011. [8]. Roozenburg, N. F. M. Eekels, J., Product Desain : Fundamentals and Methods; John Willey & Sons (1991). [9]. Subiyanto, Bambang, dkk. Utilization of Empty Fruit Bunch 74

9 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 : Waste from Oil Palm Industry for Particleboard Using Phenol Formaldehyde Adhesive. Warta PPKS 1-4. [10]. Sivertsen, K., Polymeric Foam., (online) [11]. ( ls-science-and-engineering/ polymer-physics-spring- 007/assignments/polymer_foams.p df., diakses 15 Januari 011.) [1]. Umar, S. Potensi Limbah Kelapa Sawit Dan Pengembangan Peternakan Sapi Berkelanjutan Di Kawasan Perkebunan Kelapa Sawit. Jurnal Wawasan, Vol 13., No.3, Tahun 008, [13]. Zulfikar, Pembuatan Dan Penyelidikan Perilaku Mekanik Material Polymeric Foam Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Akibat Beban Dinamik Dan Dinamik. Tesis Master (tidak dipublikasikan), 01 75

10 Jurnal Ilmiah MEKANIK Teknik Mesin ITM, Vol. 4 No., November 016 :