BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan Bahan komposit merupakan bahan teknologi yang mempunyai potensi yang tinggi. Komposit dapat memberikan gabungan sifat-sifat yang berbeda - beda pada penggunaan yang tidak akan diperoleh melalui penggunaan logam, polimer dan seramiks (Kusy,1986), khususnya tentang sifat kekuatan spesifik serta kekakuan spesifik (Schwartz,1984). Composite Particle - Reinforced Fiber - Reinforced Structural Large - Disper Laminate Sanwidch Panel Particle sion- Continous Disontinous Streng (Aligned) (Short) thened Aligned Randomly Gambar 2.1. Klasifikasi / Skema Struktur Komposit (Callister,1994). Secara umum bahan komposit terdiri dari dua bagian utama, yaitu : (1) matriks yang mengisolasi fasa, dan (2) penguat (reinforcement) atau fasa sebaran. Matriks Penguat Komposit Gambar 2.2. Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit.
Dan komposit berbeda dengan paduan (alloy), untuk menghindari kesalahan dalam pengertiannya, oleh Van Vlack (1994) menjelaskan bahwa alloy (paduan) adalah kombinasi antara dua bahan atau lebih dimana bahan-bahan tersebut terjadi peleburan sedangkan komposit adalah kombinasi rekayasa dari dua atau lebih bahan yang mempunyai sifat-sifat seperti yang diinginkan dengan cara kombinasi sistematik pada kandungan-kandungan yang berbeda tersebut. Sifat sifat dari komposit sangat tergantung kepada sifat sifat dari fasa fasa pembentuknya, jumlah relatif masing masing fasa, bentuk dari fasa, ukuran fasa dan distribusi ukuran dari fasa fasa dan sebarannya. Bila komposit tersusun dari dua material yaitu : (1) M Sebagai Matriks dan (2) P sebagai penguat maka secara teoritis sifat sifat hasil pencampuran kedua material tersebut memiliki sifat diantara sifat dari masing masing material yang bercampur. Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa. Biasanya matriks mempunyai kerapatan / densitas, kekukuhan dan kekuatan yang jauh lebih rendah daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa mempunyai kekuatan dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai kerapatan yang rendah. Matriks jenis ini tergolong polimer thermoplastik, dan memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis dengan pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Dengan demikian struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan. Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada tabel 2.1 Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin. Sifat Mekanik Satuan Besaran Berat jenis (ρ) Mg.m -3 1,2 s/d 1,5 Modulus Young (E) GPa 2 s/d 4,5 Kekuatan Tarik (σ T ) MPa 40 s/d 90 Seperti telah disebutkan sebelumnya, bahwa penguat komposit yang digunakan ialah dari bahan TKKS yang kemudian dibentuk menjadi ukuran halus dan dicampurkan dalam matriks. Berdasarkan Penelitian Subiyanto B,dkk : tiap kandungan serat TKKS secara fisik mengandung bahan-bahan serat seperti lignin
(16,19%), selulosa (44,14%) dan hemiselulosa (19,28%) yang mirip dengan bahan kimia penyusun kayu. 2.2. Landasan Teori 2.2.1 Polymericfoam Foam didefinisikan sebagai penyebaran gelembung-gelembung gas yang terjadi pada material cair dan padat. Foam berkembang menjadi rongga-rongga mikro yang memiliki diameter 10 µm. Foam yang tersebar pada polimer dapat mencapai 10 8 /cm 3 (Kumar, 2005). Pada saat ini, perkembangan penelitian telah menghasilkan karakteristik fisik dan mekanik material foam (Klempner dan Sendijarevic, 2004). Karakteristik fisik tersebut meliputi faktor geometri, seperti ukuran rongga dan ketebalan dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat karakteristik mekanik. Karakteristik mekanik terdiri atas densitas dan modulus elastisitas. Material foam memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan rongga tersebut dapat diketahui melalui pengamatan struktur mikro material foam. Susunan rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan terbuka (open-cell) dan tertutup (closed-cell). Pada material foam dengan susunan rongga terbuka terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat fleksibel. Material foam dengan susunan rongga tertutup tidak terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat kaku. Perbedaan kedua jenis susunan rongga tersebut ditunjukkan pada gambar. 2.3 a). Rongga terbuka b). Rongga tertutup Gambar 2.3 Jenis Material Berongga
Rongga-rongga pada polimer terbentuk akibat adanya pencampuran fase padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat dan membentuk permukaan material yang berongga. Foam yang dihasilkan dari polimer merupakan gelembung udara atau rongga udara yang bergabung di dalam polimer tersebut. Gas yang digunakan untuk membentuk foam disebut blowing agent. Pemberian blowing agent dilakukan secara kimia dan fisika. Blowing agent secara kimia menimbulkan dekomposisi unsur-unsur material dalam suatu reaksi kimia. Blowing agent secara fisika terjadi akibat adanya gas yang diberikan pada material. Polymeric foam yang bersifat fleksibel dihasilkan oleh reaksi polyurethane. Polyurethane dalam pembentukan polymeric foam juga berfungsi sebagai blowing agent. Proses pembentukan rongga dari hasil reaksi polyurethane fleksibel berlangsung relatif cepat. Pada saat reaksi pembentukan polyurethane terjadi pengeluaran panas (eksoterm) dengan kenaikan temperatur mencapai 75 s.d. 160 o C. Peningkatan volume yang dihasilkan oleh polyurethane sekitar 20 s.d. 50 kali volume mula-mula. Menurut Sivertsen (2007), reaksi kimia pembentukan polymeric foam adalah reaksi polyisocyanante (OCN R NCO) dengan polyol (HO R OH) menghasilkan polyurethane (O OC HN R NH CO O R ). 2.2.2 Karakteristik Serat TKKS Dalam penelitian ini digunakan bahan polymericfoam yang diperkuat serat TKKS. Kebanyakan serat TKKS setelah siap dipakai khususnya di perkebunan sering dibuang sebagai limbah dan hanya sedikit yang dapat digunakan untuk diproduksi atau didaur ulang. Dan peneliti ingin coba mengamati sifat atau karakterisitik dari serat ini karena sifatnya yang kuat dan juga ringan jika dicampur dengan bahan yang lain. Ukuran panjang TKKS yang digunakan adalah berkisar antara 13 cm s/d 18 cm. Dan panjang serat yang telah dihaluskan sebanyak dua kali sebesar 0.1 mm s.d 0.8 mm. Di indonesia merupakan negara dengan perkebunan kelapa sawit terluas didunia sebesar 6,6 juta ha (Deptan). Tiap harinya,
berton ton kelapa sawit diolah. TKKS adalah salah satu produk samping kelapa sawit. Setiap ton kelapa sawit yang diolah diperoleh TKKS yang mencapai 250 kg (Isroi, 2008). Sayangnya, saat ini pemanfaatan TKKS belum maksimal. Penggunaan TKKS, contohnya di PTPN VII unit usaha rejosari adalah sebagai pupuk diperkebunan sawit. Padahal penggunaan TKKS tidak hanya sebatas sebagai pupuk perkebunan. Contohnya saja dari TKKS dapat dihasilkan marka kerucut, papan partikel dan sebagainya. (Subyanto, 2003). Penelitian mengenai penggunaan komposit serat TKKS diharapkan dapat menjadi acuan dan alternatif baru dalam pembuatan suatu produk yang dapat diperbarui dan didaur ulang. 2.2.3 Teori Uji Tekan Statik. Tegangan tekan berlawanan dengan tegangan tarik. Jika pada tegangan tarik, arah kedua gaya menjahui ujung benda (kedua gaya saling berjauhan), maka pada tegangan tekan, arah kedua gaya saling mendekati. Dengan kata lain benda tidak ditarik tetapi ditekan (gaya-gaya bekerja di dalam benda). Kekuatan tekan material adalah nilai tegangan tekan uniaksial yang mempunyai modus kegagalan ketika saat pengujian. Perubahan bentuk benda yang disebabkan oleh tegangan tekan dinamakan mampatan. Misalnya pada tiang-tiang yang menopang beban, seperti tiang bangunan mengalami tegangan tekan. Kekuatan tekan biasanya diperoleh dari percobaan dengan alat pengujian tekan. Ketika dalam pengujian nantinya, spesimen (biasanya silinder) akan menjadi lebih mengecil seperti menyebar lateral. (Ismoyo,1999). Perubahan benda yang disebabkan tegangan tekan dapat dilihat pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Perubahan benda yang disebabkan oleh tegangan tekan aksial Keterangan : A = Luas Penampang F = Gaya yang bekerja sebagai penekanan L 0 = Panjang Awal ΔL = Perubahan panjang, dimana : ΔL = L 0 L 1 Dalam perancangan teknik yang sebenarnya sebagian besar kita bertumpu pada tegangan teknik. Pada kenyataannya, tegangan sebenarnya berbeda dengan tegangan teknik. Oleh sebab itu, material akibat beban tekan dapat dihitung dari penjelasan persamaan yang diberikan. Hal ini tentu saja karena perubahan luas penampang (A 0 ) dan fungsi dari luas penampang A = φ (F). (Callister:2003) 1. Perbedaan nilai deviasi tegangan dapat disimpulkan sebagai berikut: Pada kompresi spesimen akan mengecil atau memendek. Material akan cenderung menyebar kearah lateral dan meningkatnya luas penampang 2. Pada uji tekan, spesimen dijepit pada ujung ujungnya. Untuk alasan ini, timbul gaya gesekan yang akan menentang penyebaran lateral ini. Berarti yang harus dilakukan untuk menghindari gaya gesekan ini harus dengan meningkatnya energi selama proses penekanan. (Ismoyo,1999).
2.2.4 Respon Material Akibat Beban Tekan Statik. Mekanisme deformasi polymericfoam akibat beban tekan statik ditunjukkan oleh kurva tegangan-regangan. Pada uji tekan statik diperoleh tiga tingkatan respon yaitu: elastisitas linier (bending), plateau (buckling elastis), dan densification. Elastisitas linier ditandai oleh bending terhadap dinding rongga dan kemiringan (tegangan-regangan) awal atau modulus elastisitas diperoleh dari tingkatan ini. Plateau merupakan karakteristik respon yang terjadi setelah polymericfoam mengalami elastisitas linier ditandai dengan berlipatnya rongga-rongga polymericfoam. Pada saat rongga-rongga hampir terlipat seluruhnya dan dinding-dinding rongga menyatu mengakibatkan rongga-rongga menjadi lebih padat, tegangan normal tekan statik akan meningkat. Untuk mengoptimalkan produk tersebut perlu diketahui karakteristik material penyusunnya akibat beban tekan statik. Karakteristik suatu spesimen harus terukur, untuk itu perlu suatu pengujian tekan statik agar karakteristik dapat diketahui. Karakteristik dapat diketahui dari respon yang dialami oleh material. Respon diakibatkan oleh adanya gangguan (disturbance) yang diberikan terhadap sebuah sistem, seperti: F (gaya), T (temperatur), dan lain-lain. Di dalam uji tekan statik, gaya yang diberikan ditunjukkan pada Gambar. 2.5 F Lo L (a) (b) F Gambar. 2.5. Pengujian beban tekan pada batang spesimen (a).sebelum Uji Tekan,(b).Setelah Uji Tekan.
Berdasarkan respon yang ditunjukkan pada Gambar.2.5 dapat ditentukan respon mekanik berupa tegangan normal dan regangan akibat beban tekan statik. Polymericfoam dengan massa jenis yang rendah merupakan jenis material baru yang banyak diaplikasikan untuk keperluan keteknikan. Polymericfoam digunakan sebagai peredam energi impak, seperti: pelindung pada sebuah kemasan, struktur ringan pada panel berlapis, dan lain-lain. Polymericfoam dapat dimanfaatkan secara efisien jika sifat-sifat polymericfoam telah diketahui sesuai dengan aplikasinya. Walaupun pemanfaatan polymericfoam masih dimanfaatkan sebagai bahan sampingan tetapi respon polymericfoam yang menunjukkan kegagalan dan kekuatannya mutlak diperlukan. Pertimbangan yang paling penting dalam upaya untuk mencegah terjadinya kegagalan desain suatu struktur adalah tegangan yang terjadi tidak melebihi dari kekuatan material. Akan tetapi, ada banyak pertimbangan lain harus diperhatikan, misalnya: tegangan yang terjadi dalam jangka waktu yang lama (fatik), tegangan yang terjadi secara tibatiba (impak), dan lain sebagainya. Penyelidikan respon meliputi beberapa aspek, antara lain: respon material dan struktur terhadap pembebanan tertentu, mekanisme perubahan bentuk yang terjadi pada saat terjadinya beban maksimum, dan lain sebagainya. 2.2.5 Persamaan Tegangan Regangan. Sebuah batang komposit atau selinder yang dikenai beban tekan akan mengalami perubahan panjang yang disertai pengurangan luas penampang pada daerah elastic material. Adapun kurva tegangan regangan akibat beban tekan dapat ditunjukkan pada gambar 2.6.
Gambar 2.6. Kurva tegangan regangan. Dalam penelitian ini terdapat bahan yang mengalami deformasi plastis jika terus diberikan tegangan dan bahan ini tidak akan berubah kebentuk semula. Biasanya material teknik terjadi pada daerah elastis yang hampir berimpitan dengan batas proposionalistik. Perubahan panjang ini disebut sebagai regangan teknik (ε eng.) yang didefinisikan sebagai perubahan panjang yang terjadi akibat perubahan statik ( L) terhadap panjang batang mula-mula (L 0 ).Tegangan yang dihasilkan pada proses ini disebut dengan tegangan teknik (σ eng ), dimana didefinisikan sebagai nilai pembebanan yang terjadi (F) pada suatu luas penampang awal (A 0 ). Tegangan normal tesebut akibat beban tekan statik dapat ditentukan berdasarkan persamaan (2.1) F σ = (2.1) A dimana, σ = Tegangan normal akibat beban tekan statik (N/m 2 ) F = Beban tekan (N) A = Luas penampang spesimen (m 2 ). Regangan akibat beban tekan statik dapat ditentukan berdasarkan persamaan (2.2).
L ε = (2.2) L Dimana L = L-L 0 Keterangan : ε = Regangan akibat beban tekan statik L = Perubahan panjang spesimen akibat beban tekan. (mm) Lo = Panjang spesimen mula-mula (mm) Pada prakteknya nilai hasil pengukuran tegangan pada suatu pengujian tarik dan tekan pada umumnya merupakan nilai teknik. Regangan akibat beban tekan yang terjadi, panjang akan menjadi berkurang dan diameter pada spesimen akan menjadi besar, maka ini akan terjadi deformasi plastis. 2.2.6 Hubungan Tegangan Regangan. Robert Hooke (1689), telah mengamati sebuah fenomena hubungan antara tegangan dan regangan pada daerah elastis suatu bahan tertentu dan menyimpulkan bahwa dalam batas-batas tertentu tegangan pada suatu material ialah proporsional terhadap regangan yang dihasilkan. Teori ini kemudian lebih dikenal dengan istilah hukum Hooke. Namun teori ini hanya berlaku pada batas elastis material, dimana besarnya tegangan akan berbanding lurus terhadap pertambahan regangan yang terjadi. Dan bila beban dihilangkan, maka sifat ini akan menyebabkan material kembali kedalam bentuk dan dimensi semula. Berdasarkan respon yang dialami oleh material maka karakteristik material tersebut dapat diketahui, seperti modulus elastisitas. Modulus elastisitas secara matematis (hukum Hooke) dapat ditentukan berdasarkan Persamaan (2.3) dan (2.4). σ E = ε (2.3)
atau F. L o E = A. L (2.4) Hubungan linear antara tegangan dan regangan adalah salah satu sangat berguna dalam perhitungan terhadap respon solid elastic linear pada tegangan, tetapi tegangan mesti digunakan apabila solid yang terjadi adalah elastic terhadap regangan yang terjadi yaitu ± 0,001. 2.2.7 Model Kegagalan Material Polymeric Foam Dalam penelitian ini komposit yang digunakan adalah campuran dari bahan dasar serat TKKS dan polymeric foam. Sifat mekanik dari material ini tidak tergantung hanya pada sifat sifat seratnya saja tetapi juga bagaimana matriks pada komposit memindahkan sebagian tegangan beban kepada seratnya dan antara serat dan matriknya terdapat panjang kritis serat sebagai fungsi kekuatan dan kekakuan efektif. Untuk kegagalan yang terjadi pada spesimen yang berbahan dasar dari serat TKKS dan polymeric foam dapat dilihat pada gambar 2.7. Detail A: A 45 0 Gambar 2.7. Model kegagalan polymeric foam diperkuat serat TKKS akibat beban tekan static dalam bentuk autocad 3D.
Kegagalan dilihat secara makroskopik menunjukkan kegagalan geser yang ditandai dengan arah retak membentuk sudut 45 0 terhadap arah pembebanan seperti ditunjukkan pada gambar 2.7 (Detail A). Kegagalan terhadap polymeric foam yang diperkuat serat TKKS juga ditandai dengan terbentuknya beberapa rongga yang membesar yang dominan menghasilkan retak prematur. Retak akan terus menjalar saat beban diberikan hingga spesimen patah. Respon yang terjadi adalah saat pembebanan menghasilkan gaya yang besar sehingga spesimen yang terjadi mengalami patahan dan terjadi deformasi plastis. Model kerusakan sangat berkaitan dengan mekanisme keretakan/perpatahan dari suatu material. Menurut Gibson dan Ashby (1999), bentuk deformasi dinding foam ditunjukkan pada gambar. 2.8. Bentuk ini dibuat dalam sebuah model kubik yang menggambarkan sebuah foam. Kegagalan yang sering terjadi diakibatkan oleh bending terhadap dinding foam. Retak/patah terjadi di daerah percabangan dinding foam seperti ditunjukkan pada gambar 2.8. Dinding foam Bending dinding foam Permukaan foam (a) Sebelum dikenai beban tekan (b) setelah dikenai beban tekan Gambar 2.8 Model Foam Yang Dikenai Beban Tekan. 2.3. Ansys Rel. 5.4 Program ansys ini dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler
Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys Rel.5.4. Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari Ansys 5.4 libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan kondisi pembebanan dapat diterapkan. Analisa tegangan dapat memecahkan beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi mendekati masalah yang sebenarnya. 2.4. Kerangka Konsep Penelitian Permasalahan: 1.Karakteristik respon material polymericfoam diperkuat serat TKKS perlu diketahui. 2.Melakukan pengujian respon material polymericfoam diperkuat TKKS menggunakan teknik uji tekan statik. Beban impak yang diperoleh dengan menggunakan teknik uji tekan dengan variasi tegangan maksimum 0.138 MPa. Variabel yang dibutuhkan : 1. Tegangan maksimum dan regangan didaerah elastis. 2. Sifat mekanik dari modulus elastisitas. Peneliti melihat, membandingkan dan menghitung hasil akhir. Hasilnya : a. Mengetahui respon material polymericfoam diperkuat TKKS yang dikenai beban tekan.. b. Mengetahui tegangan maksimum yang terjadi dengan menggunakan software Ansys Rel.5.4 Gambar 2.9 Kerangka Konsep Penelitian