Karakteristik Kekuatan Bending dan Impact akibat Variasi Unidirectional Pre-Loading pada serat penguat komposit Polyester Tjuk Oerbandono*, Agustian Adi Gunawan, Erwin Sulistyo Jurusan Teknik Mesin, Universitas Brawijaya Jl. MT Haryono 167, 65145 Malang toerbandono@ub.ac.id Abstrak Bahan komposit dibentuk dari kombinasi dua maupun lebih material yang tetap terpisah dan berbeda pada tingkat makroskopik. Bahan pembentuk komposit memiliki sifat fisik, kimia dan mekanik yang berbeda dan ketika digabungkan akan menghasilkan material baru yang memiliki karakteristik yang berbeda dari masing-masing komponen pembentuknya. Penelitian ini memiliki tujuan untuk menghasilkan bahan komposit yang memiliki sifat mekanik berupa kekuatan bending dan impact yang tinggi jika dibandingkan dengan metode pembuatan komposit sejenis pada umumnya. Peningkatan sifat mekanik dilakukan dengan cara pemberian unidirectional pre-loading pada serat penguat (reinforcement fiber) bahan komposit. Pre-loading yang diberikan pada serat penguat dilakukan sebelum penuangan bahan pengisi komposit (matrix). Pemberian pembebanan mula satu arah (unidirectional pre-loading) pada serat penguat (reinforcement fiber) dilakukan pada daerah elastis-nya. Pembebanan mula yang digunakan dalam penelitian adalah 0N, 10N, 20N dan 40N. Bahan serat penguat yang digunakan berbentuk anyaman (woven roving) dari jenis E-Glass Tipe TGFRL-4400. Bahan pengisi/matrix komposit dipilih Resin Polyester yukalac 157 BQTN. Metode pembuatan komposit yang digunakan dalam penelitian adalah Hand lay-up yang dilakukan pada temperatur kamar. Setelah komposit dihasilkan dilakukan pengujian kekuatan bending dan kekuatan impact pada komposit tersebut. Dari pengujian kekuatan lentur/bending diperoleh kekuatan lentur tertinggi terjadi pada komposit dengan pembebanan mula sebesar 40N, yaitu sebesar 148,36 MPa, sedangkan kekuatan lentur terendah terjadi pada bahan komposit dengan pembebanan mula sebesar 0N, yaitu 94,53 MPa. Dari pengujian impact diperoleh kekuatan impact tertinggi komposit terjadi pada pembebanan sebesar 40N, yaitu 15,92 J/mm 2. Sedangkan kekuatan impact terendah terjadi pada komposit dengan pembebanan sebesar 0N, yaitu 5,08 J/mm2. Dari hasil pengujian statistic analisis varian dapat disimpulkan bahwa pembebanan mula satu arah berpengaruh terhadap kekuatan lentur dan impak bahan komposit. Kata kunci: Komposit polyester, unidirectional pre-loading, serat penguat (reinforcement fiber), Kekuatan bending, kekuatan impact Pendahuluan Perkembangan rekayasa, produksi maupun pemanfaatan material berbasis komposit di Indonesia belum begitu populer. Masih belum banyak industri di Indonesia yang mengembangkan teknologi ini. Penerapan komersial skala besar material komposit dimulai selama perang dunia II (akhir 1940 dan awal 1950) dengan penerapan pada kapal militer. Saat ini komposit dihasilkan oleh industri yang berbeda, meliputi aerospace, automotive, kapal laut, boat, peralatan olah raga, infrastruktur dan banyak lagi. Pengguna terbesar material komposit saat ini adalah industri transportasi. Amerika mengkonsumsi 1,3 milyar pound komposit pada tahun 2000. Sementara di Indonesia belum diperoleh data tentang jumlah penggunaan komposit. Pasar komposit dibagi menjadi kelompok industri seperti: aerospace, otomotif, konstruksi, kapal laut, peralatan tahan korosi, peralatan rumah tangga, peralatan kantor dan lain-lain.
Tinjauan Pustaka Komposit adalah material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material dengan sifat mekanik material pembentuknya yang berbeda. Dikarenakan karakteristik material penyusunnya berbeda, maka akan dihasilkan material baru yaitu komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari materialmaterial pembentuknya[8]. Unsur Penyusun Komposit a. Serat Gelas (glass fiber) Serat gelas adalah bahan yang tidak mudah terbakar. Serat jenis ini umumnya digunakan sebagai penguat matrik polimer. Komposisi kimia serat gelas sebagain besar adalah SiO dan sisanya adalah oksida alumunium (Al), kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), dan unsur-unsur lainnya. Berdasarkan jenisnya serat gelas dapat dibedakan menjadi beberapa macam antara lain: Serat E-glass Serat E-glas adalah salah satu jenis serat yang dikembangkan sebagai penyekat atau bahan isolasi. Jenis ini mempunyai kemampuan bentuk yang baik. Serat C-Glass Serat C-Glass adalah jenis serat yang mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi. Serat S-Glass Serat S-Glass adalah jenis serat yang mempunyai kekakuan yang tinggi. Tabel 1. Sifat-sifat serat gelas[2] No 1 Jenis Serat E-glas C-glass S-glass Isolator listrik yang baik 2 Kekakuan tinggi Tahan terhadap korosi Kekuatan lebih rendah dari E-glass 3 Kekuatan tinggi Harga lebih mahal dari E-glas Modulus lebih tinggi Lebih tahan terhadap suhu tinggi Harga lebih mahal dari E-glas b. Matriks Matriks adalah material yang digunakan untuk mengikat atau menyatukan bahan pengisi tanpa bereaksi secara kimia dengan bahan pengisi tersebut. Persyaratan berikut ini perlu dipenuhi sebagai bahan matriks untuk pencetakan bahan komposit : 1. Resin yang digunakan perlu memiliki viskositas rendah, dapat sesuai dengan bahan penguat dan permeable. 2. Memiliki penyusutan yang kecil pada pengawetan. 3. Memiliki daya rekat yang baik dengan bahan penguat.[9] Kekuatan Lentur (flexural strength) Untuk mengetahui kekuatan lentur material dilakukan pengujian lentur terhadap material komposit tersebut. Kekuatan lentur adalah tegangan lentur terbesar yang dapat diterima akibat pembebanan luar tanpa mengalami kerusakan. Besar kekuatan lentur tergantung pada jenis material. Akibat pengujian lentur, bagian atas spesimen mengalami tekanan, sedangkan bagian bawah akan mengalami tegangan tarik. Dalam material komposit kekuatan tekannya lebih tinggi dari pada kekuatan tariknya. Karena tidak mampu menahan tegangan tarik yang diterima, spesimen tersebut akan patah, hal tersebut mengakibatkan kegagalan pada pengujian komposit. Kekuatan lentur pada sisi bagian atas sama nilai dengan kekuatan lentur pada sisi bagian bawah. Pengujian dilakukan dengan metoda three point bending dengan standard ASTM D7264M-07[1] Gambar 1. Three point bending Pada perhitungan kekuatan bending ini, digunakan persamaan : dengan : ζ = Tegangan bending (MPa) F = Beban/ Load (N) L = Panjang Span/ Support span (mm) b = Lebar/ Width (mm) d = Tebal/ Depth (mm)
Kekuatan Impak Komposit Pengujian impak bertujuan untuk mengukur besar energi yang dapat diserap suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impak merupakan respon terhadap beban yang tiba tiba yang bertujuan mengetahui ketangguhan suatu bahan terhadap pembebanan dinamis, sehingga dapat diketahui apakah suatu bahan yang diuji rapuh atau kuat. Dasar pengujian impak ini adalah penyerapan energi potensial dari pendulum beban yang berayun pada ketinggian tertentu dan menumbuk benda uji sehingga benda uji mengalami deformasi. Semakin besar energi yang diserap maka semakin besar kekuatan impak dari suatu bahan. Pada umumnya kekuatan impak bahan polimer lebih kecil daripada kekuatan impak bahan logam. Untuk menguji impak ini kedua ujung sampel dengan ukuran standar diletakkan pada penumpu, kemudian beban dinamis dilepaskan dengan tiba-tiba dan cepat menuju sampel. Pada uji impak, impaktor yang digunakan berbentuk pendulum. Pendulum tersebut diayunkan dari ketinggian dengan massa. [ ] (1). (2) Sumber [9] dengan : E = energi yang diserap spesimen setelah tumbukan (J) P d : Pendulum momen (Nm) : Sudut akhir ( o ) : Sudut akhir dry run ( o ) : Sudut akhir aktual ( o ) : Kekuatan Impak (J/mm 2 ) : Kedalaman takik (mm) : Ketebalan spesimen (mm) Metode Penelitian Kegiatan penelitian yang pertama adalah persiapan alat dan bahan, kemudian dilanjutkan proses perlakuan serat, proses pembuatan komposit dan proses pengujian. Perlakuan Serat Serat gelas dipotong sesuai dengan panjang yang dibutuhkan. Kemudian kedua ujung serat dijepit dan diberi beban tarik sesuai variabel penelitian. Gambar berikut adalah ilustrasi dari proses pemberian beban tarik (tension). Gambar 3. Instalasi pemberian tension Gambar 2. Instalasi uji impak Charpy Salah satu pendekatan untuk mendapatkan Besarnya kekuatan impak dari benda uji dengan luas penampang lintang (A) adalah Bahan Penelitian Bahan dasar pada penelitian ini adalah fiber glass jenis E-glass (woven roving), berupa serat panjang yang dianyam dan digulung pada silinder. Bahan matrik yang digunakan adalah resin polyester. Sifat mekanik dari serat E-glass dan polyester adalah sebagai berikut :
Tabel 2. Sifat mekanik serat E-glas maupun panjang - Mudah dikerjakan Kekurangan: - Kekuatan lapisan tergantung oleh pengerjaan tangan yang melapisi - Keseragaman produk kurang - Pengerjaan lama Gambar 4. Susunan Serat gelas Woven Roving Tabel 3. Sifat mekanik unsaturated polyester resin BQTN 127 Prosedur Penelitian Pada penelitian ini digunakan peralatan mesin uji lentur dan mesin uji impak. Spesimen uji lentur dibentuk dalam bentuk pelat dan beam komposit yang diproduksi dengan metode hand lay-up, dibuat hanya dengan 1 lapisan serat gelas jenis Woven Roving. Geometri dan dimensi uji lentur dan impak disesuaikan dengan standar ASTM D7264M-07 dan ASTM D6110-04. Pengujian bending dilakukan dengan metode Three point bending, variabel yang akan diamati dalam penelitian ini yaitu beban yang diberikan dan defleksi yang terjadi pada setiap pembebanan sampai batas maksimum (spesimen rusak). Metode Hand Lay-up Proses pembuatan komposit dengan cara ini merupakan yang paling sederhana karena dilakukan secara manual. Pada metode ini biasanya digunakan resin termoset sebagai matriksnya. Cetakan yang digunakan harus bersih dan mempunyai permukaan permukaan yang halus agar hasil yang diperoleh maksimal. Pada metode ini dilakukan pengerjaan lapisan sehingga diperoleh ketebalan yang diinginkan. Setiap lapisan terdiri dari matriks yang telah dicampur dengan serat dan katalis. Setelah mencapai ketebalan yang diinginkan, proses berikutnya adalah meratakan permukaan dengan roller. Roller tersebut digunakan sampai permukaan rata dan tidak ada udara yang terjebak di dalamnya. Kelebihan : Biaya murah Dapat digunakan untuk benda berukuran besar maupun kecil Peralatan yang digunakan sederhana - Bisa digunakan untuk serat pendek Gambar 5. Spesimen uji lentur standar ASTM D7264M-07[1] Pengujian impak yang dilakukan menggunakan metode Charpy, variabel yang diamati dalam penelitian yaitu sudut awal, sudut dry run, sudut akhir. Gambar 6. Spesimen uji impak standar ASTM D6110-04[1]. Hasil dan Pembahasan Hasil pengujian kekuatan lentur untuk komposit dengan matriks polyester ditunjukkan pada tabel berikut: Tabel 4. Data Hasil Pengujian dan Perhitungan Kekuatan Lentur ASTM D7264M-07[1]
Pengulangan Besar Pre-Loading 0 10N 20N 30N 40N Kekuatan Lentur (MPa) 1 92,44 116,58 128,00 132,24 147,90 2 91,03 126,53 124,55 138,80 153,56 3 100,13 122,86 133,66 140,78 143,61 Jumlah 283,60 365,97 386,21 411,83 445,07 Rata- Rata 94,53 122,01 128,74 137,28 148,36 Pre-Loading/Tension Pengulangan 0N 10N 20N 30N 40N Kekuatan Impak (J/mm²) 1 5,13 12,51 13,99 14,98 15,92 2 5,28 12,64 14,19 14,98 15,88 3 4,84 12,76 14,19 15,06 15,96 Jumlah 15,25 37,91 42,36 45,01 47,77 Rata-Rata 5,08 12,64 14,12 15,00 15,92 Gambar 9. Hubungan Kekuatan Impak dengan Variasi Tension. Gambar 7. Hand Lay-Up Method Gambar 8. Hubungan Kekuatan Lentur dengan Variasi Pre-Loading. Dari grafik pada gambar 8 diketahui kekuatan lentur maksimum komposit rata-rata dengan tension 40N sebesar 148,36 MPa lebih tinggi bila dibandingkan dengan komposit tanpa tension, yaitu sebesar 94,53 Mpa. Tabel 5. Data Hasil Pengujian dan Perhitungan Kekuatan Impak ASTM D7264M-07[1] Kesimpulan Pemberian beban mula satu arah (one direction pre-loading) berpengaruh terhadap kekuatan lentur dan impak komposit. Pengaruh kekuatan tersebut dapat dilihat dilihat pada perhitungan tabel analisis varian satu arah (F hitung >F tabel ) dan pada grafik. Kekuatan lentur terendah yaitu 94,53 MPa dimiliki oleh komposit dengan beban 0N (tanpa pembebanan) sedangkan kekuatan lentur tertinggi yaitu 148,36 dimiliki komposit dengan tension 40N. Kekuatan impak terendah sebesar 5,08 J/mm 2 terjadi pada beban 0N dan nilai kekuatan impak tertinggi yaitu 15,92 J/mm 2 terjadi pada pembebanan sebesar 40N. Referensi [1] Annual Book of ASTM Standard 2004, D7264-07, Standard Test Method for Flextural Properties of Polimer Matrix Composite Materials, ASTM D6110-04, Standard Test Metod for Determining the Charpy Impact Resistance of Notched Spescimens of Plastic. ASTM Standards and Literature. [2] Antonia Y.T, Agita O.R, Kharisna H. P.2006, Komposit Laminat serat woven Sebagai Bahan Alternatif Pengganti Fiber Glass Pada Kulit Kapal. Skripsi. Surabaya : Jurusan Teknik Material. ITS. [3] Bukit, Nurdin. 2006. Beberapa Pengujian Sifat Mekanik Dari Komposit Yang Diperkuat Dengan Serat Gelas. Skripsi. Medan : FMIPA Universitas Sumatera Utara.
[4] Hartomo, A.J, dkk, 1992. Memahami Polimer dan Perekat. Yogyakarta: Andi Offset. [5] Harpe, Charles A. R. 1975. Hand Book of Plastics and Elastomers. New York: InChief. [6] Robert M. Jones 1998 Mechanics of Composites Material. USA : Taylor & Francis Ink. [7] Ronald F. Gibson 1994 Principles of Composites Material mechanics. New york : McGraw-Hill Book Company. [8] Schwartz, M.M. 1984. Composite Materials Handbook. New york. : McGraw- Hill Book Company. [9] Surdia, T. 2003. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta : Paramita.