1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pada ribuan tahun yang lalu material komposit telah dipergunakan dengan dimanfaatkannya serat alam sebagai penguat. Dinding bangunan tua di Mesir yang telah berumur lebih dari 3000 tahun ternyata terbuat dari tanah liat yang diperkuat dengan jerami (Brouwer, 2000). Seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi plastik, sejak tahun 1990-an, teknologi komposit bermatrik polimer juga berkembang cukup pesat dan pertumbuhannya mencapai sekitar 3,8 % per tahun (Rowell, 1998). Komposit merupakan penggabungan dari dua material atau lebih, yang dibentuk pada skala makroskopik dan menyatu secara fisik untuk memperoleh sifatsifat baru yang tidak dimiliki oleh material pembentuknya (Kaw, 1997). Komposit dari bahan serat terus diteliti dan dikembangkan guna menjadi bahan alternatif pengganti bahan logam, hal ini disebabkan sifat komposit serat yang lebih kuat dan ringan dibandingkan dengan logam. Bahan komposit telah digunakan dalam industri pesawat terbang, otomotif, maupun alat-alat olahraga. Penggunaan komposit diberbagai bidang tidak lepas dari sifat-sifat unggul yang dimiliki komposit yaitu ringan, kuat, kaku serta tahan terhadap korosi (widiartha at al., 2012). Pada dasawarsa terakhir, kecenderungan perkembangan material komposit bergeser pada penggunaan serat alam kembali (back to nature) sebagai pengganti serat sintetik. Hal ini didukung oleh beberapa keunggulan yang dimiliki oleh serat alam, diantaranya adalah massa jenisnya rendah, terbaharukan, produksi memerlukan energi yang rendah, proses lebih ramah, serta mempunyai sifat insulasi panas dan akustik yang baik (Brouwer, 2000). 1
2 Penggunaan serat alam juga dipicu oleh adanya regulasi tentang persyaratan habis pakai (end of life) produk komponen otomotif bagi negara-negara Uni Eropa dan sebagian Asia. Sejak tahun 2006, negara-negara Uni Eropa telah mendaur ulang 80% komponen otomotif, dan akan meningkat menjadi 85% pada tahun 2015. Di Asia khususnya Jepang, pada tahun 2005 sekitar 88% komponen otomotif telah didaur ulang, sedangkan pada tahun 2015 ditargetkan komponen yang dapat didaur ulang meningkat menjadi sekitar 95% (Holbery dan Houston, 2006). Oleh karena itu, sebagian besar pabrikan otomotif sedang mengevaluasi dampak lingkungan terhadap umur pakai kendaraan secara keseluruhan mulai dari bahan baku, proses manufaktur sampai pada proses pembuangannya ketika sudah tua. Gambar 1.1. Contoh penggunaan komposit pada industri pesawat terbang jenis Boeing 787-Dreamliner (http://www.boeing.com) Meningkatnya aplikasi komposit serat alam sebagai komponen otomotif diikuti oleh perkembangan proses manufaktur. Sebagai contoh, Nova Institute di Jerman telah berhasil mengembangkan dan mematenkan proses manufaktur komposit serat alam bermatrik polypropylene dengan metode ekstrusi. Saat ini, produk panel komposit tersebut sudah digunakan di industri otomotif, industri pengemasan (packaging), industri moulding, serta industri konstruksi dan bangunan (Gayer dan Schuh, 1996).
3 Pertimbangan pemilihan serat untuk komposit sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter diantaranya adalah nilai kekuatan dan kekakuan komposit yang diinginkan, perpanjangan ketika patah, stabilitas termal, ikatan antara serat dan matrik, perilaku dinamik, perilaku jangka panjang, massa jenis, harga, biaya proses, ketersediaan, dan kemudahan daur ulang (Riedel, 1999). Disamping itu, pemakaian serat alam dari tanaman yang berumur relative pendek seperti Rami dan kenaf dapat mengurangi pemakaian kayu (hardwood), sehingga dapat membantu mengurangi laju kerusakan hutan (Leao et al., 1998). Serat alam mempunyai kekuatan berkisar antara 220 MPa (serat buah kelapa) sampai dengan 1500 MPa (serat flax) dan modulus Young antara 6 GPa (serat buah kelapa) sampai dengan 80 GPa (flax), serta massa jenisnya berkisar 1,25 gram/cm 3 sampai dengan 1,5 gram/cm 3. Sedangkan serat gelas tipe E mempunyai kekuatan 2200 MPa dan modulus Young 73 GPa, serta massa jenis 2,55 gram/cm 3, sehingga untuk beberapa serat alam seperti flax, hemp, Rami dan sisal mempunyai modulus spesifik yang kompetitif dengan serat gelas (Mueller dan Krobjilowski, 2003). Penelitian yang mengarah pada pengembangan komposit telah dilakukan sebelumnya, terutama komposit penguat serat alam. Penelitian ini dilakukan seiring dengan majunya eksploitasi penggunaan bahan alam dalam kehidupan sehari-hari. Keuntungan mendasar yang dimiliki oleh serat alam adalah jumlahnya yang berlimpah, dapat diperbarui dan didaur ulang serta tidak mencemari lingkungan. Untuk memperoleh sifat mekanik yang tinggi maka serat alam telah diberi berbagai macam perlakuan yang dapat meningkatkan sifat mekaniknya. Untuk beban yang tidak terlalu tinggi, serat alam bahkan memiliki sifat mekanis yang lebih tinggi dari serat gelas. Meskipun demikian, serat alam memiliki beberapa kelemahan antara lain tidak tahan kelembaban, kualitas sangat bervariasi dan stabilitas thermal rendah. Untuk beberapa kasus tertentu serat alam sendiri memiliki kekakuan yang tinggi namun kompositnya tidak mencapai tingkat kekuatan yang setara dengan komposit serat sintetis (Brouwer, 2000).
4 Serat Rami adalah salah satu contoh dari serat alam yang akan digunakan dalam penelitian ini. Serat Rami (Boehmeria Nivea) banyak terdapat di daerah subtropis diantaranya Cina, Jepang, Asia Tenggara dan Brazil. Serat Rami memiliki karakteristik serat panjang, kekuatan tinggi melebihi serat katun dan sutera, hamipir setara dengan serat sintetis. Serat Rami juga memiliki kekuatan spesifik yang hampir sama dengan serat gelas tipe E dan menunjukkan nilai perpanjangan yang lebih tinggi (Febrianto, 2010). Rami dapat dianyam dengan mudah dan merupakan salah satu komposit tekstil terbaik. Rami banyak digunakan di industri tekstil karena sifatnya yang halus, mampu di bleach dengan baik dan mudah diwarnai. Upaya untuk memperbaiki sifat Rami dapat dilakukan dengan perlakuan kimia dan pemberian beban tarik seperti yang dilakukan oleh Koichi Goda, dkk, dengan memperhatikan efek mercerenization. Serat gelas (fiber glass) adalah salah satu jenis serat sintetis yang masih banyak digunakan di bidang industri otomotif, manufaktur, perkapalan dan pesawat terbang. Serat gelas memiliki kekakuan dan kekuatan yang tinggi tetapi tidak dapat diperbarui. Salah satu jenis serat gelas yang digunakan dalam penelitian ini adalah serat gelas tipe E dengan arah serat random karena serat gelas tipe E memiliki kekuatan yang relatif tinggi (Febrianto, 2010). Komposit sandwich merupakan jenis komposit yang sangat cocok untuk menahan beban lentur, impak, meredam getaran dan suara. Komposit sandwich dibuat untuk mendapatkan struktur yang ringan tetapi mempunyai kekakuan dankekuatan yang tinggi. Biasanya pemilihan bahan untuk komposit sandwich, syaratnya adalah ringan, tahan panas dan korosi, serta harga juga dipertimbangkan. Dengan menggunakan material inti yang sangat ringan, maka akan dihasilkan komposit yang mempunyai sifat kuat, ringan dan kaku. Komposit sandwich dapat diaplikasikan sebagai struktural maupun non-struktural bagian internal dan eksternal pada kereta, bus, truk, dan jenis kendaraan yang lainnya (Brouwer, 2000). Sandwich memberikan insulasi termal dan dapat memenuhi fungsi struktur primer. Pada skala prototipe, sandwich berpenguat serat alam layak untuk menggantikan serat gelas (Brouwer, 2000).
5 Gambar 1.2. Cover bodi pelindung sepeda motor konvesional (Proposal Penelitian Rocharjo, 2012) Salah satu jenis komposit yang akan dibahas di dalam penelitian ini adalah adalah komposit struktur sandwich dan box beam. Komposit sandwich dan box beam merupakan salah satu jenis komposit struktur yang sangat potensial untuk dikembangkan, karena dengan geometri box beam diharapkan dapat menambah kekuatan dan kekakuan komposit tersebut. Komposit box beam merupakan komposit yang tersusun dari 5 lapisan yang terdiri dari 4 sisi kulit permukaan (skin) dan 1 material inti (core) dibagian tengahnya (berada di antara 4 sisi). Skin komposit dibuat dengan menggabungan 4 sisi lapisan kulit (skin), skin terbuat dari serat Rami (serat alam) dengan jenis anyam (woven) dan serat gelas tipe E (serat sintetik) dengan jenis acak (random). Core yang digunakan adalah spons hitam, karena spons hitam relatif kuat, ringan, tahan air dan juga relatif lentur (http://www.advancedseals.co.uk). Komposit box beam dibuat dengan tujuan untuk mendapatkan efisiensi berat yang optimal, namun mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi serta cocok digunakan sebagai rangka (frame) pelindung bodi sepeda motor. Selain itu, dengan menggunakan material komposit sandwich, diharapkan rangka bodi yang dibuat mampu menahan beban yang relatif tinggi dengan berat yang relatif ringan karena tidak memerlukan rangka baja yang memiliki berat yang tinggi dah harga relatif mahal untuk menopang bodi tersebut. Jika rangka bodi relatif ringan dan kuat maka diharapkan meningkatkan efisiensi konsumsi bahan bakar dari kendaraan tersebut.
6 1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan sebelumnya, dalam penelitian ini Akan dibuat material komposit box beam yang memiliki komponen matriks dari resin unsaturated polyester (UP), jenis serat Rami tipe woven (anyam) dan serat E-glass tipe random (acak). Pada penelitian ini rumusan masalah yang akan diteliti adalah: 1. Apakah ada pengaruh lebar dan bentuk geometri box pada komposit box beam serat E-Glass dan Rami terhadap kekuatan, kekakuan dan modulus elastisitas bending ASTM C-393? 2. Apakah ada perbedaan sifat fisik dan mekanik komposit box beam serat E- Glass dan Rami? 3. Bagaimanakah perbedaan bentuk fisik patahan komposit box beam serat Rami dan E-Glass secara foto makro? 1.3. Batasan Masalah Di dalam penelitian ini terdapat beberapa batasan masalah diantaranya adalah sebagai berikut: 1. Dari segi bahan yang digunakan untuk membuat komposit box beam adalah: Resin Unsaturated Polyester (UP). Katalis jenis Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP). Serat yang digunakan pada komposit sandwich dan box beam ini adalah 1 layer (lapis) serat Rami (serat alam) tipe anyam dengan tebal serat kurang lebih 1 mm dan 1 layer E-glass (serat sintetis) tipe acak dengan tebal kurang lebih 1 mm. Box beam dengan inti (core) 2 lapis (layer) spons hitam, tebal masingmasing spons adalah 10 mm.
7 2. Metode pembuatan spesimen box beam adalah dengan metode hand lay-up molding dengan suhu kamar dan tekanan 1 atm. 3. Variasi dimensi spesimen box beam terletak pada lebar spesimen yaitu 25 mm, 50 mm dan 75 mm dengan tebal dan panjang sama yaitu 25 mm dan 190 mm. 4. Serat Rami dan E-Glass untuk spesimen box beam tanpa perlakuan khusus/ di-treatment. 5. Metode pengujian bending yaitu three point bending ASTM C-393 dan uji densitas serta foto makro bentuk patahan komposit box beam. 6. Spesimen box beam berjumlah 18 unit. Rincian spesimen berdasarkan variasi lebar 25 mm berjumlah 6 unit (3 Rami dan 3 E-Glass), lebar 50 mm berjumlah 6 unit (3 Rami dan 3 E-Glass), lebar 75 mm berjumlah 6 unit (3 Rami dan 3 E-Glass). 1.4. Tujuan Penelitan Ada beberapa tujuan yang mendasar dari penelitian komposit sandwich, antara lain adalah: 1. Mengetahui perbandingan sifat fisik (uji densitas) dan mekanik (uji bending ASTM C-393) komposit box beam serat E-Glass jenis serat acak dan Rami jenis serat anyam berdasarkan variasi lebar geometri box spesimen (25 mm, 50 mm dan 75 mm). 2. Mengetahui perbandingan bentuk patahan spesimen uji bending komposit box beam serat E-Glass dan Rami berdasarkan variasi lebar spesimen dan variasi serat (E-Glass: acak, Rami: Anyam). 3. Mengetahui spesimen box beam yang cocok untuk membuat rangka bodi penutup sepeda motor berdasarkan variasi lebar spesimen dan jenis serat (E-Glass: acak dan Rami: anyam).
8 1.5. Manfaat Penelitian Secara umum penelitian ini diharapkan mempunyai manfaat dan berguna untuk perkembangan industri otomotif di Indonesia baik skala kecil maupun skala besar. Secara khusus penelitian ini bermanfaat untuk: 1. Penelitian ini diharapkan dapat menemukan material yang memiliki sifat fisik dan mekanik yang baik, ringan, mudah diperbaiki, renewable and go green untuk keperluan rangka bodi pelindung sepeda motor. 2. Penelitian ini juga diharapkan dapat membantu mengembangkan penelitian lain dalam bidang material komposit box beam, terutama yang menggunakan serat alam sebagai penguatnya. 3. Penelitian komposit box beam tergolong penelitian yang bagus dan menarik untuk dikembangkan karena metode komposit box beam banyak manfaat terutama dibidang otomotif, seperti yang dibahas di dalam penelitian ini. 4. Penelitian komposit serat alam diharapkan menjadi prioritas dalam industri otomotif di Indonesia sebagai bahan yang relatif lebih ringan dari logam. 1.6. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan dari penelitian komposit box beam dapat dijabarkan sebagai berikut: I. Pendahuluan Berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, sistematika penulisan tentang komposit. II. Tinjauan Pustaka Berisi tentang pustaka pendukung dari penelitian komposit.
9 III. Dasar Teori Berisi tentang teori dasar komposit, komposit struktur box beam, teori kekuatan bending menurut ASTM C-393, teori densitas. IV. Metodologi Penelitian Berisi tentang objek penelitian, tahap-tahap penelitian, proses manufaktur, metode pengumpulan dan analisa data penelitian komposit box beam. V. Hasil dan Pembahasan Berisi tentang hasil dan pembahasan dari penelitian sesuai dari rumusan masalah yang telah ditentukan sebelumnya. VI. Penutup Berisi tentang kesimpulan dan saran dari penelitian komposit box beam. Daftar Pustaka Lampiran