STUDI TEMPERATUR OPTIMAL TERHADAP KEKUATAN TARIK DAN MAKRO STRUKTUR PADA KOMPOSISI CAMPURAN POLYPROPILENE DAN HIGH-DENSITY POLYETHYLENE DENGAN MESIN EKSTRUDER SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik RINALDO K. SIMBOLON NIM. 090401044 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kita panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas segala karunia dan anugerah-nya yang senantiasa diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Adapun Skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Metalurgi Serbuk, yaitu Studi Temperatur Optimal Terhadap Kekuatan Tarik dan Makrostruktur pada Komposisi Campuran Polypropiline (PP) Dan High-Densitiy Polyethylene (HDPE) dengan Mesin Ekstruder. Dalam penulisan skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak. Ir. Alfian Hamsi, M.Sc. sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya dan dengan sabar membimbing saya hingga tugas skripsi ini dapat terselesaikan, 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU, 3. Bapak Edy dari Laboratorium Kimia Polimer, MIPA USU yang telah berkenan membantu penulis dalam pembutan spesimen, 4. Saudara Adrianus dan Tomi dari Laboratorium Analisa Bahan, Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik USU yang telah membantu dalam pengujian kekuatan tarik spesimen, 5. Saudara Iqbal dari Laboratorium Metalurgi, Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah berkenan membantu penulis dalam pengambilan poto makrostruktur spesimen, 6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU, 7. Orangtua tercinta (A. Simbolon dan M.Gultom), adik-adikku yang saya sayangi Boris R. Simbolon dan Harnos V.M. Simbolon atas doa dan dukungan yang selalu menyertai saya dalam menyelesaikan pendidikan ini, i
8. Seluruh keluarga besar Simbolon dan Gultom yang selalu mendukung baik materi maupun moril untuk menyelesaikan penelitian ini, 9. Adik Sepupu, Friska Elvitaningru Simbolon, yang selalu memberikan semangat kepada saya dalam penelitian ini, 10.Adinda tersayang, Adveriana Olivia Marpaung, yang selalu memberikan motivasi kepada saya untuk kelancaran penelitian ini, 11.Kepada teman-teman mahasiswa teknik mesin khususnya stambuk 2009 yang selalu mendukung penulis dalam menyelesaikan tugas skripsi ini. 12. Abangda Sarjana,ST. atas masukan-masukan yang telah diberikan kepada saya. Penulis menyadari bahwa Tugas Sarjana ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang. Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, Januari 2015 Penulis, Rinaldo K. Simbolon 09 0401 044 ii
ABSTRAK Era globalisasi, pemakaian barang-barang yang terbuat dari bahan baku plastik semakin meningkat. Hal ini dikarenakan plastik mempunyai banyak kelebihankelebihan yang mulai diperhitungkan oleh masyarakat. Keunggulan plastik pada umumnya adalah lebih efisien dibandingkan penggunaan logam atau kayu dan juga proses pengerjaannya yang relatif sederhana. Selain efisien, plastik juga lebih ringan, lebih murah dan mudah dibentuk. Salah satu proses yang digunakan untuk membuat produk dari bahan baku plastik adalah ekstrusi dengan menggunakan mesin ekstruder. Pada saat ini tidak jarang dijumpai plastik hasil proses manufaktur memiliki kekuatan yang tidak baik apabila dilakukan pengujian sifat mekanik, seperti kekuatan tarik (tensile strength), hal ini dikarenakan campuran bahan tersebut tidak homogen dan kurang baiknya penentuan bahan baku plastik yang akan dicampur. Hal inilah yang mendasari sehingga penulis melakukan penelitian Studi temperatur optimal terhadap campuran polypropilne (PP) dan high-density polyethylene (HDPE) dengan mesin ekstruder dengan tujuan agar campuran bahan baku plastik lebih homogen. Variasi campuran 80% PP : 20% HDPE, 70% PP : 30% HDPE, dan 60% PP : 40% HDPE. Sedangkan variasi temperatur pada ekstruder adalah 165 C, 170 C 175 C, 180 C. Setelah didapat hasil yang paling optimal dengan melakukan pengujian tarik, akan dilakukan pengambilan poto makrostruktur untuk mengetahui sifat struktural. Dari pengujian yang dilakukan pada penelitian ini diperoleh campuran 70% PP : 30% HDPE dan temperatur 175 C yang paling optimal. Serta sifat struktural pada struktur makronya memiliki porositas yang dengan persentase terbanyak di antara variasi lainnya. Kata kunci : Polypropilene, High-Density Polyehtylene, Ekstruder, Variasi Campuran, Variasi Temperatur, Pengujian Tarik, Makrostruktur. iii
ABSTRACT In this new era, usage of goods which made of plastic material is more increasing because plastic has a lot of advantages for people s necessary. Generally the advantages of plastic are more efisien than usage of metals or logs and also the process of manufacture is relatively simple. Beside efisien, plastic is lighter, cheaper, and easely be formed. One of process that can be used to produced the product that made of plastic is called extrusion which use extruder machine. At this time, there is rarely the product of plastic manufacture which have good mechanical properties, like tensile strength because the mixture of plastic material is not homogeneous and deficiencies in the determination of material to be mixed. It is the background so that the author conducted research Studi temperatur optimal terhadap kekuatan tarik campuran polypropilne (PP) dan high-density polyethylene (HDPE) dengan mesin ekstruder with the aim of plastic raw material mixture is homogeneous. The variations of mix are 80% PP : 20% HDPE, 70% PP : 30% HDPE, dan 60% PP : 40% HDPE. While the temperature variations in the extruder are 165 C, 170 C 175 C, 180 C. Having obtained the most optimal results with tensile testing, will be taking photograph of macrostructure to determine the state of structural properties. From the tests performed in this study was obtained mixture of 70% PP : 30% HDPE and temperature of 175 C is the most optimal. And also the structural properties of the macrostructure photograph has a porosity with the highest percentage among other variations. Key word : Polypropilene, High-Density Polyehtylene, Extruder, Mixture Variation, Temperature Variation, Tensile Test, Macrostructure. iv
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Batasan Masalah... 2 1.3 Tujuan dan Manfaat... 2 1.3.1 Tujuan... 2 1.3.2 Manfaat... 3 1.4 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Pengenalan Bahan Baku... 5 2.2 Penomoran Jenis dan Kode Polimer pada Kemasan... 8 2.3 Pemanfaatan Polimer... 16 2.4 Bahan Baku... 19 2.5 Ekstrusi... 23 2.5.1 Definisi Ekstrusi... 23 2.5.2 Ekstrusi Bahan Termoplastik... 24 2.6 Sifat Mekanik Polimer... 27 2.6.1 Kekuatan (streght)... 27 2.6.2 Elongasi... 28 2.6.3 Modulus... 28 2.6.4 Ketangguhan (toughness)... 29 2.7 Perilaku Termoplastik saat Dideformasi... 29 2.8 Makrostruktur pada Polimer... 34 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 36 3.1 Tahapan Penelitian... 36 3.2 Alat dan Bahan... 37 3.2.1 Alat... 37 3.2.2 Bahan... 43 3.3 Pembuatan Spesimen... 44 3.3.1 Penimbangan Komposisi Formula... 44 3.3.2 Pembuatan Campuran Polimer... 44 3.3.3 Pembuatan Film Spesimen... 44 3.3.4 Karakteristik Campuran Polypropylene dan High-Density Polyethylene... 48 3.4 Cara Pengambilan Data... 48 BAB IV DATA DAN ANALISA... 49 4.1 Analisis Visual Spesimen... 49 4.2 Hasil Uji Tarik Spesimen... 51 v
4.2.1 Perhitungan... 53 4.3 Perbandingan Kekuatan Campuran (Polypropylene + High-Density Polyethylene) dengan Polypropylene Murni dan High-Density Polyethylene Murni... 61 4.3.1 Hasil Uji Tarik Polypropylene Murni dan High-Density Polyethylene Murni... 62 4.4 Hasil Poto Struktur Makro... 65 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 70 5.1 Kesimpulan... 70 5.2 Saran... 71 DAFTAR PUSTAKA... xi LAMPIRAN 1... xii LAMPIRAN 2... xiii LAMPIRAN 3... xxv vi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat fisik, mekanis, dan termal dari polyethylene Tabel 2.2 Sifat fisik, mekanis, dan termal dari polypropilene Tabel 3.1 Bahan Baku Dan Karakteristiknya Tabel 3.2 Sampel Hasil Variasi Komposisi Volume Bahan Dan Variasi Temperatur Tabel 4.1 Data Hasil Uji Tarik/Uji Mulur Spesimen ASTM D638 Type IV Tabel 4.2 Sifat Mekanik Spesimen Tabel 4.3 Data Hasil Uji Tarik Film Spesimen Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Sifat Mekanik vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kode Jenis Plastik Gambar 2.2 Polyethylene Terephthalate (PET/PETE) dan strukturnya Gambar 2.3 High Density Polyethylene dan strukturnya Gambar 2.4 V - Polyvinyl Chloride dan strukturnya Gambar 2.5 Low Density Polyethylene dan strukturnya Gambar 2.6 Polypropylene dan strukturnya Gambar 2.7 Polystyrene dan strukturnya Gambar 2.8 OTHER Gambar 2.9 Proses ekstrusi logam Gambar 2.10 single screw ekstruder Gambar 2.11 double screw ekstruder Gambar 2.12 Pembebanan Bahan Gambar 2.13 Spesimen Uji Tarik Dan Perilaku Polimer Termoplastik Pada Saat Mengalami Pembebanan Pada Mesin Uji Tarik Gambar 2.14 Kurva tegangan-regangan Gambar 2.15 Kurva Tegangan Regangan Suatu Polimer Thermoplastik (Rahmat Saptono, 2007 ) Gambar 2.16 Perilaku Elastik Polimer Thermoplastik (Rahmat Saptono, 2007 ) Gambar 2.17 Perilaku Elastik Polimer Thermoplastik (Rahmat Saptono, 2007) Gambar 2.18 Penciutan dan Kristalisasi Polimer Thermoplastik Amorphous ada Pengujian Tarik (Rahmat Saptono, 2007 ) Gambar 2.19 Deformasi pada polimer setelah pengujian tarik (Callister) Gambar 2.20 Porositas pada polimer Gambar 3.1 Diagram Tahapan Penelitian Gambar 3.2 Mesin Ekstruder Gambar 3.3 Neraca Analitik Gambar 3.4 Hydraulic Hot Press Gambar 3.5 Cetakan Standard ASTM D638 tipe IV Gambar 3.6 Mesin Uji Tarik Gotech Gambar 3.7 Makroskop Optik Raxvision Gambar 3.8 Bahan Baku polypropylene (PP) Gambar 3.9 Bahan Baku High-Density polyethylene (HDPE) Gambar 3.10 Campuran Polimer Pada Cetakan Sebelum Ditekan Dengan Hydraulic Hot Press Gambar 3.11 Diagram Pohon Sampel Hasil Variasi Komposisi Volume Bahan Baku Dengan Variasi Temperatur Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Film Spesimen (a) F1 165 o C, (b) F2 165 o C, (c) F3 165 o C Film Spesimen (a) F1 170 o C, (b) F2 170 o C, (c) F3 170 o C Film Spesimen (a) F1 175 o C, (b) F2 175 o C, (c) F3 175 o C Film Spesimen (a) F1 180 o C, (b) F2 180 o C, (c) F3 180 o C Grafik stress vs strain pada suhu 165 o C Grafik stress vs strain pada suhu 170 o C Grafik stress vs strain pada suhu 175 o C Grafik stress vs strain pada suhu 180 o C Kurva Load - stroke pada 80% PP : 20% PE 165 o C spesimen a viii
Gambar 4.10 Kurva Load - stroke pada 80% PP : 20% PE 170 o C spesimen b Gambar 4.11 Kurva Load - stroke pada 70% PP : 30% PE 175 o C spesimen b Gambar 4.12 Kurva Load - stroke pada 80% PP : 20% PE 180 o C spesimen b Gambar 4.13 Film Spesimen polypropylene murni Gambar 4.14 Film Spesimen High-Density polyethylene murni Gambar 4.15 PP 100% pada spesimen a Setelah Uji Tarik Gambar 4.16 HDPE 100% pada spesimen a Setelah Uji Tarik Gambar 4.17 Kurva Load Stroke pada PP 100% murni spesimen a Gambar 4.18 Kurva Load Stroke pada HDPE 100% murni spesimen a Gambar 4.19 poto makrostruktur Sampel temperatur 165 o C dengan komposisi PP 80% : HDPE 20% spesimen a Gambar 4.20 poto makrostruktur Sampel temperatur 170 o C dengan komposisi PP 80% : HDPE 20% spesimen b Gambar 4.21 poto makrostruktur Sampel temperatur 175 o C dengan komposisi PP 70% : HDPE 30% spesimen b Gambar 4.22 poto makrostruktur Sampel temperatur 180 o C dengan komposisi PP 80% : HDPE 20% spesimen b ix
DAFTAR NOTASI Simbol Nama Keterangan Satuan A - Luas Penampang mm 2 σ sigma Tegangan N/mm 2 ε ebsilon Kemuluran % E - Modulus Elastisitas N/mm 3 F Gaya N L - Panjang mm x