ANALISIS SIFAT MEKANIK UNTUK FEEDTHROUGH Totok Darmawan*, Darsono**, Elin Nuraeni** *) STTN-BATAN, Jl.BabarsariKotakPos 6101 YKBB 55281 **)PTAPB-BATAN, Jl. BabarsariKotakPos 6101 YKBB 55281 ABSTRAK ANALISIS SIFAT MEKANIK UNTUK FEEDTHROUGH.Telah dilakukan analisis sifat mekanik campuran bahan dasar resin dengan pengerasnya untuk feedthrough sebagai isolator tegangan tinggi.sampel dianalisa dengan pengujian tarik berdasarkan standart ASTM D 638. Pengukuran sudut kontak dilakukan untuk mengetahui sifat permukaan bahan isolasi. Hasil analisis diperoleh komposisi campuran resin dan pengeras dengan perbandingan 1 : 800 mempunyai sifat mekanik yang baik untuk feedthrough. Komposisi ini memiliki kuat tarik sebesar 19,86 Mpa dan sifat bahan bersifat ulet. Permukaan bahan isolasi ini memiliki sudut kontak 103,7 sehingga tergolong dalam klasifikasi hidrofobik. Oleh karena itu bahan ini dapat digunakan sebagai isolator luar ruangan. Kata kunci : Isolator tegangan tinggi, pengujian tarik, sifat bahan ABSTRACT ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES FOR FEEDTHROUGH. Analysis of mechanical properties of resin mixed with hardener for feedthrough as an insulator high voltage materialhad been done. Samples analyzed by tensile testing according to ASTM D 638 standard. Contact angle measurements conducted to determine the surface properties of insulating materials. The results of analysis obtained by composition of the mixture of resin and hardener in the ratio 1:800 have good mechanical properties for the feedthrough. This composition has a tensile strength of 19.86 Mpa and properties of materials are ductile. The surface of the insulating material has a contact angle 103,70 so that classified as hydrophobic. Therefore, this material can be used as outdoor insulators. Keywords: high voltage insulators, tensile testing, material properties 1. PENDAHULUAN Feedthrougha dalah komponen isolator yang berfungsi melindungi penghantar listrik bertegangan tinggi yang mentransmisikan daya listrik dari sumber tegangan tinggi ke sistem mesinberkas elektron. Syarat-syarat yang perlu diperhatikan dalam pemilihan bahan pembuatan komponen isolator adalah:[1]memiliki kekuatan mekanik untuk menahan tekanan 1. Memiliki nilai dielektrikum yang cukup tinggi 2. Tidak larut dalam minyak isolator Beberapa contoh bahan yang dijadikan sebagai bahan dasar pembuatannya adalah: keramik, akrilik, resin dan lain-lain. Komponen isolator ini dibuat dari bahan resin. Hal ini karena kelebihan diantaranya adalah sifat kekentalan rendah, bahan dasar resin dan bahan pengerasnya c sehingga mudah dimodifikasi, cepatdan mudah pematangannya pada suhu ruangan (500-800C), penyusutannya rendah pada waktu dibentuk, kekuatan kerekatannya tinggi, sifat kekuatan mekaniknya tinggi, isolasi listrik yang tinggi, tersediadipasaran dengan harga yang lebih rendah dibandingkan bahan polimeryang lain.[2] Analisis dengan caramembuat sampel uji dari campuran bahan dasar resin dengan pengerasnya yang divariasi komposisinya. Pengujian yang dilakukan adalah dengan pengujian tegangan tarik dan pengujian sifat permukaan bahan untuk memperoleh sifat mekanik yang memenuhi Totok Darmawan dkk 347 SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
persyaratan digunakan sebagai bahan feedthrough tegangan tinggi pada mesin berkas elektron. 2. DASAR TEORI Beberapa bahan dapat dijadikan sebagai material isolasi karena memenuhi semua persyaratan seperti sifat fisik, kehandalan, biaya pembuatan, ketersediaan bahan baku dan sebagainya, sehingga menjadikan bahan ini mudah untuk digunakan sebagai material isolator di bidang teknik listrik. Isolator yang diklasifikasikan menurut bentuk dan bahannya, adalah [3] Padat (organik dan anorganik) yaitu mika, kayu, karet, kapas, sutra, rayon, terylen, kertas, bahan selulosa, dan lain-lain. C (oli dan vernis) yaitu minyak linseed, minyak refined hydrocarbon mineral, vernish spirit dan synthetis Gas, yaitu udara kering, karbon dioksid, argon, nitrogen dan lain-lain. Karakteristik bahan isolasi yang baik, antara lain nilai tahanan isolasi yang besar, memiliki nilai kuat dielektrik yang tinggi (kemampuan menahan tegangan listrik tinggi), kuat mekanik yang tinggi, faktor disipasi yang rendah, konduktivitas termal yang tinggi, permitivitas rendah, bebas dari gelembung udara (untuk isolasi padat), tahan terhadap kerusakan akibat termal dan kimia[4]. Resin adalah polimer termoset yang terdiri dari dua zat dicampur dan berbentuk seperti kaca pada suhu kamar yang memiliki kekuatan elektrik isolasi serta tahan terhadap. Resin merupakan suatu produk yang dihasilkan oleh reaksi bahan dasar yang merupakan bahan isolasi polimer yang disebut dengan Bisphenol A, dan pengeras serta bahan pengisi yang dapat digunakan sebagai material isolasi peralatan listrik. Sifat Mekanik Kekuatan mekanik bahan isolasi adalah kemampuan suatu bahan untuk menahan beban yang berasal dari dalam atau dari luar, yang merupakan beban tarik dan beban geser. Sifat mekanik tergantung pada berat molekul dengan daerah yang sangat luas, dan merupakan aspek yang mendasar. Diantara sifat mekanik yang perlu diperhatikan adalah, kekuatan tarik, kompresif, dan flekstur.[5] Uji sifat mekanik pada suatu bahan isolator dilakukan karena isolator berfungsi untuk memisahkan dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan sehingga tidak terjadi kebocoran arus, dalam hal ini gradien tinggi yang berupa lewat denyar (flashover) dan percikan (spark over) tetapi juga berfungsi secara mekanik yaitu harus mampu menahan beban berupa kawat penghantar pada menara sistem transmisi tenaga listrik. Pengujian sifat mekanik yang dilakukan untuk bahan isolasi resin ini adalah berhubungan dengan uji tarik. 2.2 Kekuatan Tarik Resin SEMINAR NASIONAL Spesimen uji mekanik bahan isolasi resin umumnya dibuat dengan dimensi. [5] Gambar 1 Dimensi bahan uji mekanik. Suatu bahan uji dengan penampang A mm 2, jika ditarik dengan suatu gaya tarik yang bertambah secara perlahan-lahan, maka bahan tersebut akan putus pada gaya tarik tertentu sebesar F kgf. Besarnya tegangan tarik dari bahan σ t ditunjukkan dalam persamaan σ t = (1) Penambahan panjang relative (ε) adalah penambahan panjang bahan sebelum putus Δl dibagi dengan panjang mula-mula l 0 yang ditunjukkan dalam persamaan ε = (2) Modulus tarik (E) adalah perbandingan tegangan terhadap perpanjangan, yang ditulis dalam persamaan E = = (3) dengan, F = gaya tarik maksimum (kgf) A = luaspenampangbatangujimulamula (mm 2 ) = panjang batang uji sebelum dan sesudah patah (mm) l 0 = panjangbatangmula-mula (mm) 2.3 Sifat Hidrofobik Resin Pengukuran sudut kontak pada bahan isolasi bertujuan untuk mengetahui sifat permukaan bahan tersebut,hidofobik atau hidrofilik. Sifat h idrofobik merupakan suatu karakteristik bahan isolasi, dalam keadaan terpolusi, bahan masih mampu bersifat menolak yang jatuh kepermukaannya. Sifat hidrofobik paling berguna untuk isolasi outdoor karena dalam keadaan basah atau lembab tidak akan terbentuk lapisan yang kontinu antara ujung ujung isolator, sehingga permukaan isolator tetap memiliki konduktivitas yang rendah,akibatnya arus bocor sangat kecil. Resin epoksi tidakmemiliki sifat hidrofobik. Sifat hidrofobik (kedap ) dan hidrofilik (menyerap ) dapat diketahui dengan cara melakukan pengukuran sudut kontak, yang olehparapeneliti diklasifikasikan dalam tiga kelompok yaitu [2]: 1. Sudut lebih kecil dari30 0 maka bahan tersebut bersifat basah(hidrofilik), 2. Sudut kontak antara 30 0-89 0 disebut basah sebagian(partially wetted), 3. Sudut kontak lebih dari 90 0 disebut SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN 348 Totok Darmawan dkk
hidrofobik atau bersifat menolak. Sudutkontak di klasifikasi sebagai berikut : 0 0 < θ < 90 0 90 0 <θ<120 0 θ BasahSebagian Gambar 2Klasifikasisudutkontak Profil setetes diproyeksikan pada layar dan sudut kontak(180 0 γ) dapat ditetapkan sebagaimana yang diilustrasikan pada Gambar3. Tidakbasah θ =0 0 BasahKeseluruhan 1. Pengujian Sudut Kontak a. Sampel ukuran (200 200 2)mmdibuat untuk pengujian sudut kontak. Sebelum dilakukan pengujian permukaan sampel uji harus bebas dari kotoran yang menempel dengan dibersihkan memakai aquades. b. Peralatan pengujian yang digunakan adalah kamera digital, lampu 1000 watt yang diberi filter transparan untuk pencahayaan tidak langsung, dan papan untuk meletakkan sampel uji. c. Lampu penerangan untuk cahaya latar agar tetesan pada sampel uji terlihat jelas sudutsudutnya saat dilakukan pemotretan. d. Pengujian dengan memberi tetesan aquades sebanyak 50μl pada permukaan sampel uji menggunakan assipette no.100, kemudian dilakukan pemotretan. Gambar 3 Pengujian sudut kontak. Besarnya sudut kontak rerata pada suatu bahan dihitung dengan menggunakan Persamaan 4. 2. Pengujian Tarik a. Dibuat spesimen seperti Gambar 4, sesuai standar ASTM D-638 untuk dilakukan pengujian tarik. Sudut kontak= (sudut kanan+sudut kiri)/2(4) Rerata sudut kontak = Banyak pengukuran sudut kontak (5) Jumlah pengukuran Sudut kontak merupakan sudut yang dibentuk antara permukaan bahan uji dengan destilasi yang diteteskan kepermukaan bahan uji. Pengukuran menggunakan tetesan 50 µl yang diteteskan pada permukaan bahan isolator. 3. METODOLOGI Metode yang digunakan adalah membuat sampel uji dari variasi campuran bahan dasar resin dengan pengerasnya, seperti dalam Tabel 1. Gambar 4.Dimensi spesimen uji tarik statik ASTM D-638 b. Pengujian tarik dengan menggunakan Universal Testing Machinesmerkcontrolabtipe TN20MD. Tabel 1 Perbandingan campuran bahan pengeras dan resin Pengeras Resin Sampel : (ml) (ml) A 1 : 400 B 1 : 800 C 1 : 1250 Gambar 5.Pengujiantarikdengan Universal Testing Machines c. Mengolah data pengujian. Totok Darmawan dkk 349 SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN
Tegangan Maximun (Mpa) 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pengujian sudut kontak Tabel 2 Hasil pengukuran sudut kontak. Uji Rerata Sudut kontak (derajat) A 103,5 B 104,2 C 101,6 Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk antara permukaan bahanujidengandestilasi yang diteteskankepermukaanbahanuji. Sudutkontakberkaitandengankarakteristik isolator yaitusifatmenyerap (hydrophilic)atausifattolak (hydrophobic).pengujian sudut kontak bertujuan untuk menentukan sifat permukaanbahanisolatorresin. Sudut hidrofobik mencerminkansifatkedapdaripermukaanbahan,se makinbesar suduthidrofobik,maka semakinbaiksifatbahanuntukdapatmenahantidak masuk kedalam bahan isolator. Sudut ini dibentuk antara permukaan bahan uji dengan destilasi yang diteteskan ke permukaan bahan uji. Besarnya sudut kontak permukaan bahan terhadap tetesan can diperoleh berdasarkan hasil pengamatan langsung melalui pemotretan kamera digital. Hasil pemotretan diukur dengan menggunakan busur derajat untuk mengetahui besarnya sudut kontak. MetodemenghitungsudutkontaksepertidalamGambar 6. SEMINAR NASIONAL nilai sudut kontak sampel berkisar antara 91 0 sampai dengan 120 0. Klasifikasi nilai sudut kontak ini menunjukkan bahan termasuk kelas tidak basah, sehingga hasil pengujian bahan dapat digunakan sebagai isolator luar ruangan. Penambahan bahan pengeras pada bahan resin ini mempengaruhi besarnya sudut kontak. Akan tetapi penambahan bahan pengeras dalam jumlah banyak, mengakibatkan bahan bersifat getas, dan mudah retak. Pemilihan konsentrasi campuran yang tepat perlu dipertimbangkan agar sesuai dengan penggunaanya. Penurunan sudut kontak menyebabkan menurunnya resitivitas permukaan bahan isolator, yang membuat mudah terjadi arus bocor. 2. Pengujiantegangantarik Sifat mekanik berkaitan dengan kekuatan, kekerasan, keuletan dan kekakuan. Pengujian kekuatan mekanik bahan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah uji tarik. Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain (tegangan-regangan) mekanik yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Hasil pengujian seperti dalam Tabel 3. No 1 Tabel 3 Hasil uji tarik spesimen resin. Teg Regangan Max Kode (ε) (σ u ) (%) (Mpa) 400 (sampel A) 33,79 12,35 2 800 (sampel B) 19,86 10,13 3 1250 (sampel C) 16,80 8,14 Gambar 6Profil tetesan pada sampel A Gambar 6 adalah pengujian sudut kontak yang dilakukan pada sampel A. Hasil pengujian diperoleh besarnya sudut kontak kiri 103 0 sedangkan sudut kontak kanan 104 0.Besarnya sudut kontak dihitung menggunakan persamaan 4 sehingga diperoleh Sudut kontak = = = 103,5 0 Hasil pengukuran sudut kontak untuk 3 sampel ditunjukkan dalam Tabel 2. Dalam tabel tersebut Dari hasil uji tarik dibuat grafik yang hasilnya ditunjukkan dalam Gambar 6. 40 30 A C 20 10 E 0 0 0,001 0,002 0,003 Komposisi Campuran Gambar7Kekuatantarikterhadapkomposisicampuran resin. SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN 350 Totok Darmawan dkk
Gambar 7 menunjukkan bahwa kekuatan tarik bahan meningkat sesuai dengan meningkatnya prosentase bahan pengerasnya. Hasil patahan pengujian tarik menunjukkan tingginya prosentase pengeras menjadikan bahan bersifat getas. Ukuran specimen mengacu pada standar ASTM D 638, di uji tarik menggunakan mesin Universal Testing Machines merk controlab tipe TN20MD. 5. KESIMPULAN Hasil analisis dapat disimpulkan bahwa: 1. Uji tarik dan sudut kontak untuk menganalisis sifat mekanik resin sebagai feedthrough tegangan tinggi. 2. Komposisi campuran sampel A memiliki tegangan tarik yang tinggi, akan tetapi dengan komposisi ini tidak baik digunakan sebagai feedthrough karena sifatnya getas. Komposisi B bersifat ulet dengan tegangan tarik 19,86 Mpa, sehingga paling baik untuk bahan feedthrough sampel C, tegangan tariknya rendah dan bahan bersifat lembek. 3. Besarnya sudut kontak resin adalah 103,2 0 termasuk dalam klasifikasi tidak basah, sehingga dapat dapat digunakan sebagai bahan isolator. 6. DAFTAR PUSTAKA 1.Darsono, 2009, MBE Skala Industri Untuk Produksi Latek Karet Alam Iradiasi Manufaktur, Pangsa pasar,dan Tekno-ekonomi LKAI, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, Yogyakarta. 2.Berahim, H., 2005, Metodologi Untuk Mengkaji Kinerja Isolasi Polimer Resin Epoksi Silane Sebagai Material Isolator Tegangan Tinggi Di Daerah Tropis, Disertasi Jurusan Teknik Elektro, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. 3. RAJPUT, R.K., 2002, Electrical Engineering Materials, 22, Laxmi Publications, Golden House, Daryaganj, New Delhi-110002. 4. Tobing, Bonggas L., 2003, Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta. 5. Stevens, M.P., 1989, Polymers Chemistry An Introduction, Oxford University Press, Inc, London. Totok Darmawan dkk 351 SekolahTinggiTeknologiNuklir-BATAN