DAFTAR ISI Kata Pengantar Daftar Isi Makalah KNEP IV - 213 Grup Engineering Perhotelan Grup konversi energi ii iii iii
Grup Bidang Umum Jadwal Lengkap KNEP IV - 213
Karakteristik sifat tarik dan mode patahan komposit polimer dengan penguat serat sabut kelapa I Made Astika, I Putu Lokantara, I Made Gatot Karohika dan I Gusti Komang Dwijana 1) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran Badung Bali 8362 imdastika@yahoo.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh fraksi volume dan panjang serat terhadap karakteristik sifat tarik komposit polyester yang diperkuat dengan serat sabut kelapa dan pengamatan mode patahannya dengan foto mikro. Pada penelitian ini, komposit dibuat dengan memanfaatkan serat sabut kelapa dan matriks resin Unsaturated-Polyester (UPRs) jenis Yucalac 157 BQTN, campuran 1 % hardener jenis MEKPO (Methyl Ethyl Ketone Peroxide) dan perendaman serat dalam larutan alkali NaOH. Metode produksi yang digunakan adalah press hand lay up dengan orientasi serat acak. Desain komposit dengan variasi fraksi volume serat 2, 25 dan 3%, dan panjang serat 5, 1 dan 15 mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar fraksi volume dan panjang serat dalam komposit maka kekuatan tarik, regangan dan modulus elastisitas semakin tinggi. Mode patahan yang teramati adalah patah getas, debonding, pullout dan crack deflection. Kata kunci: komposit, sabut kelapa, sifat tarik, mode patahan 1. Pendahuluan 1.1 Latar belakang Sebagai negara kepulauan serta kondisi argoklimat yang mendukung Indonesia merupakan penghasil kelapa utama di dunia. Kelapa merupakan tanaman perkebunan dengan areal terluas, lebih luas dibandingkan dengan tanaman karet dan kelapa sawit dan menempati urutan teratas untuk tanaman budidaya setelah padi. Kelapa menempati areal seluas 3,7 juta ha atau 26% dari 14,2 juta ha total areal perkebunan di Indonesia [1]. Selain daging buahnya, bagian lain dari kelapa juga memiliki nilai ekonomis seperti tempurung, batang pohon dan daun kelapa, tetapi sabut kelapa (coco fiber) kurang mendapat perhatian. Sabut kelapa hampir mencapai 1,7 juta ton dari hasil produksi buah kelapa sekitar 5,6 juta ton pertahun [2]. Potensi limbah sabut kelapa yang begitu besar belum dimanfaatkan sepenuhnya untuk kegiatan produksi yang mempunyai nilai tambah ekonomis. Dengan tidak adanya pemanfaatan yang optimal, limbah ini hanya akan menimbulkan masalah lingkungan. Sabut kelapa mengandung serat yang merupakan material serat alami alternatif dalam pembuatan komposit. Serat kelapa ini mulai dilirik penggunannya karena selain mudah didapat, murah, dapat mengurangi polusi lingkungan (biodegradability) sehingga penggunaan sabut kelapa sebagai serat dalam komposit akan mampu mengatasi permasalahan lingkungan yang mungkin timbul dari banyaknya sabut kelapa yang tidak dimanfaatkan. Komposit ini ramah lingkungan serta tidak membahayakan kesehatan sehingga pemanfaatannya terus dikembangkan agar dihasilkan komposit yang lebih sempurna dan lebih berguna [3] Komposit serat sabut kelapa dapat dibuat dengan berbagai ukuran dan ketebalan sesuai dengan kebutuhan. Proses pembuatan menggunakan teknologi sederhana sehingga produk yang dihasilkan lebih murah, ramah lingkungan dan memiliki sifat mekanis yang baik sehingga bisa digunakan sebagai penggati bahan lain yang lebih mahal. 1.2 Tinjauan pustaka Serat Alami Serat alami (natural fiber) merupakan serat yang bersumber langsung dari alam (bukan merupakan buatan atau rekayasa manusia). Serat alami biasanya didapat dari serat tumbuhan seperti serat bambu, serat pohon pisang serat nanas dan lain sebagainya. Biasanya sebelum digunakan untuk bahan serat pada komposit, serat alami mendapat perlakuan terlebih dahulu dengan menggunakan cairan kimia seperti NaOH. Perlakuan alkali serat (NaOH 5%) berpengaruh secara signifikan terhadap kekuatan dan modulus tarik komposit serat kenaf acak - polyester. Kekuatan dan modulus tarik tertinggi diperoleh untuk komposit dengan perlakuan alkali serat selama 2 jam [4]. Hal ini bertujuan untuk mengurangi kadar air dan wax (lapisan minyak) dalam serat dan mengakibatkan permukaan lebih kasar sehingga akan meningkatkan ikatan dengan matrik yang digunakan. Penelitian dan penggunaan serat alami berkembang dengan sangat pesat dewasa ini karena serat alami banyak mempunyai keunggulan dibandingkan serat buatan (sintetic) seperti beratnya lebih ringan, dapat diolah secara alami dan ramah lingkungan. Dan juga serat alami juga merupakan bahan terbaharukan dan mempunyai kekuatan dan kekakuan yang relatif tinggi dan tidak menyebabkan iritasi kulit [5]. Keuntungan-keuntungan lainnya adalah kualitas dapat divariasikan dan stabilitas panas yang rendah. Hal yang paling menonjol dari serat alami adalah ramah lingkungan dan mudah didapat. Dua sifat dasar tersebut membuat banyak ilmuan tertarik untuk meneliti dan mengembangkan kegunaan serat alami. Disamping keunggulan tersebut, serat alami juga mempunyai banyak kekurangan antara lain,dimensinya tidak teratur, kaku, rentan terhadap panas, mudah menyerap air dan cepat lapuk [4]. Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 213 535
Penggunaan serat alami sudah merambah ke berbagai bidang kehidupan manusia. Layaknya serat buatan, serat alami juga mampu digunakan dalam aspek yang biasanya menggunakan serat buatan hanya saja dalam penggunaanya terdapat modifikasi untuk menyesuaikan dengan sifat-sifat dasar dari serat alami. Serat Sabut Kelapa Serat sabut kelapa adalah material natural fibre alternatif dalam pembuatan komposit, yang pemanfaatannya terus dikembangkan agar dihasilkan komposit yang lebih sempurna dikemudian hari. Serat kelapa ini mulai dilirik penggunannya karena selain mudah didapat, murah, dapat mengurangi polusi lingkungan (biodegradability) sehingga komposit ini mampu mengatasi permasalahan lingkungan yang mungkin timbul dari banyaknya serat kelapa yang tidak dimanfaatkan, serta tidak membahayakan kesehatan. Pengembangan serat kelapa sebagai material komposit ini sangat dimaklumi mengingat dari segi ketersediaan bahan baku serat alam khususnya serat kelapa, Indonesia memiliki ketersediaan bahan baku yang cukup melimpah. Tanaman kelapa (Cocos nucifera L) banyak terdapat di daerah beriklim tropis. Pohon kelapa diperkirakan dapat ditemukan di lebih dari 8 negara. Indonesia merupakan negara agraris yang menempati posisi ketiga setelah Pilipina dan India, sebagai penghasil kelapa terbesar di dunia. Pohon ini merupakan tanaman yang sangat produktif, dimana dari daun hingga akarnya dapat diolah menjadi produk teknologi maupun bahan bangunan atau keperluan sehari-hari sehingga pohon kelapa dijuluki sebagai The Tree of Life (pohon kehidupan) dan A Heavenly Tree (pohon surga) [6]. Gambar 1. Sabut Kelapa Gambar 2. Serat Sabut Kelapa Uji Tarik (Tensile Test) Pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan data kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas dari material. Pengujian ini mengikuti standar ASTM-D339. Data yang diperoleh dari pengujian ini dinyatakan dalam grafik tegangan regangan (stress-strain) Tegangan tarik: P (1) t A P ll s (2) A l Keterangan : Ao = Luas Penampang Benda Uji (mm 2 ) σ t = Kekuatan Tarik Teknik (MPa) σ s = Kekuatan Tarik Sebenarnya (MPa) P = Beban yang diterima (N) Regangan tarik: l ( li l ) 1% (3) t l l L ( l l) ln ln 1% (4) s L l Keterangan : ε t = Regangan Teknik (%) ε s = Regangan Sebenarnya (%) l = Panjang ukur sebelum Pengujian (mm) l 1 = Panjang ukur setelah pengujian (mm) Modulus elastisitas: Modulus elastisitas untuk material komposit berpenguat serat, dapat dicari berdasarkan kurva Tegangan-Regangan yang dihitung pada daerah elastis Prosiding KNEP IV 213 ISSN 2338-414X 536
Keterangan : E σ ε E (5) = Modulus elastisitas benda (MPa) = Tegangan tarik di daerah elastis (MPa) = Regangan di daerah elastis 2. Metode Material benda uji Benda uji pada penelitian ini adalah komposit polimer dengan penguat serat sabut kelapa. Variasi fraksi volume serat adalah 2, 25 dan 3 % dan variasi panjang serat 5, 1 dan 15 mm. Spesimen Uji Tarik Bentuk spesimen uji tarik mengacu pada ASTM D 339 Gambar 3. Dimensi Spesimen Uji Tarik Sumber: [7] Langkah-langkah penelitian Langkah-langkah penelitian dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 4. Langkah-langkah penelitian Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 213 537
3. Hasil dan pembahasan Data hasil penelitian disajikan dalam bentuk grafik sebagai berikut: Kekuatan Tarik (MPa) 7 6 5 4 3 2 1 2 25 3 Fraksi Volume Serat (%) Panjang serat 5 mm Panjang serat 1 mm Panjang serat 15 mm Gambar 5. Grafik hubungan fraksi volume serat, panjang serat dan kekuatan tarik 1.2 Regangan Tarik Max (%) 1.8.6.4.2 2 25 3 Fraksi Volume Serat (%) Panjang serat 5 mm Panjang serat 1 mm Panjang serat 15 mm Gambar 6. Grafik hubungan fraksi volume serat, panjang serat dan regangan tarik maksimum Modulus Elastisitas (GPa) 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 2 25 3 Fraksi Volume Serat (%) Panjang serat 5 mm Panjang serat 1 mm Panjang serat 15 mm Gambar 7. Grafik hubungan fraksi volume serat, panjang serat dan modulus elastisitas Prosiding KNEP IV 213 ISSN 2338-414X 538
Gambar 8. Foto mikro patahan (fraksi volume 2%, panjang serat 5, 1 dan 15 mm) Gambar 9. Foto mikro patahan (fraksi volume 25%, panjang serat 5, 1 dan 15 mm) Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 213 539
Gambar 1. Foto mikro patahan (fraksi volume 3%, panjang serat 5, 1 dan 15 mm) Pembahasan Hubungan antara panjang serat dan fraksi volume serat dengan kekuatan tarik komposit serat sabut kelapa disajikan pada gambar 5. Dari grafik tersebut terlihat kekuatan tarik yang semakit meningkat seiring dengan bertambahnya fraksi volume dan panjang serat yang digunakan dalam komposit. Peningkatan kekuatan tarik ini disebabkan karena dengan jumlah serat yang semakin banyak maka penguat dalam komposit tersebut akan semakin besar sehingga akan dapat menerima beban tarik yang semakin besar pula. Demikian juga dengan serat yang semakin panjang maka ikatan antara matrik dan serat semakin banyak sehingga yang pada akhirnya dapat meningkatkan kekuatan tarik dari komposit tersebut. Berdasarkan gambar 6 dapat dilihat hubungan antara panjang serat dan fraksi volume serat dengan regangan tarik mengalami peningkatan, dimana semakin panjang serat dan semakin besar fraksi volume serat yang digunakan, maka regangan tarik semakain besar. Hal ini disebabkan karena dengan semakin banyak serat dan semakin panjang serat yang digunakan dalam komposit maka ikatan antara matrik dan serat akan semakin banyak sehingga tidak memungkinkan terjadinya gerakan rotasi, Gerakan yang terjadi adalah peregangan pada saat deformasi dimana kondisi ani akan menyebabkan regangan tarik menjadi semakin tinggi Pada gambar 7 dapat dilihat bahwa panjang serat dan fraksi volume serat memberikan dampak yang signifikan terhadap modulus elastisitas komposit. Dari grafik terlihat adanya peningkatan modulus elastisitas, dimana semakin tinggi fraksi volume dan panjang serat, semakin tinggi pula modulus elastisitasnya. Peningkatan ini disebabkan karena dengan bertamahnya fraksi volume dan panjang serat yang digunakan dalam komposit Prosiding KNEP IV 213 ISSN 2338-414X 54
maka regangan serat dapat mengimbangi regangan matrik sehingga luas daerah elastis menjadi semakin besar yang pada akhirnya meningkatkan modulus elastisitas bahan tersebut. Gambar 8 menunjukkan patahan dari spesimen uji tarik komposit pada fraksi volume 2% dengan panjang serat masing-masing 5, 1 dan 15mm. Terlihat bahwa patahan yang terjadi lebih dikarenakan adanya matrik flow yang disebabkan tidak adanya serat di daerah matrik sehingga menyebabkan komposit menjadi rapuh dan mudah patah pada saat menerim beban. Tidak adanya serat pada matrik tersebut mungkin diakibatkan karena kurang banyaknya serat yang digunakan, sehingga pada saat pencetakan matrik dan serat berkumpul secara terpisah, sehingga ruang kosong tanpa ikatan matrik dan serat masih banyak ditemui. Sedangkan sumber patahannya terlihat disebabkan karena adanya crack deflection, disebabkan karena posisi serat pada permukaan patahan miring mengikuti daerah patahan yang mengakibatkan retakan akan mengikuti alur dari posisi serat yang miring. Gambar 9 menunjukkan patahan dari spesimen uji tarik komposit pada fraksi volume 25%. Pada gambar tersebut menunjukkan patahan masih lebih disebabkan karena adanya matrik flow. Mode patahan yang teramati adalah pullout yang diakibatkan karena ikatan antara serat dengan matriks tidak kuat, sehingga serat terlepas dari ikatan matrik, the bonding terjadi karena terlepasnya serat dari matrik yang menyebabkan terbentuknya lubang pada matrik,dan overload yaitu putusnya serat yang diakibatkan karena batas kekuatan serat dan ikatan yang kuat antara serat dan matrik. Pada variasi ini terlihat patahan komposit yang rata pada permukaannya dengan adanya sedikit serabut-serabut serat. Sedangkan pada gambar 1 menunjukkan adanya crack deflection, the bonding, pullout dan overload secara merata di seluruh bagian patahan, sedangkan matrik flow yang dominan mengakibatkan kekuatan tariknya rendah sudah sangat sedikit terlihat. Simpulan 1. Semakin panjang serat serta semakin besar fraksi volume serat maka kekuatan tarik, regangan tarik dan modulus elastisitas semakin tinggi. 2. Mode patahan yang teramati dari foto mikro adalah patah getas, debonding, pullout dan crack deflection. Ucapan terima kasih Ucapan terima kasih disampaikan kepada Rektor dan LPPM Universitas Udayana yang telah membiayai penelitian ini melalui dana BOPTN Universitas Udayana dengan Surat Perjanjian Penugasan Penelitian No: 175A.1/UN14.2/PNL.1.3./213, tanggal 16 mei 213 Daftar pustaka [1] Brahmakumar, M., Pavithran, C., and Pillai, R.M.(25) Coconut fiber reinforced polyethylene composites such as effect of natural waxy surface layer of the fiber on fiber or matrix interfacial bonding and strength of composites, Elsevier, Composite Science and Technology, 65 pp. 563-569 [2] Budisuari, 27 halaman 2-3 [www.halamansatu.net] (Diakses tanggal 12-1-112) [3] Dwiprasetio, 21 [http://www.dwiprasetio87.co.cc/21_3_1_archive.html] (Diakses tanggal 12-1-112) [4] Jamasri, Diharjo, K, Handiko, G. W. (25), Studi Perlakuan Alkali Terhadap Sifat Tarik Komposit Limbah Serat Sawit Polyester, Prosiding SNTTM IV, Universitas Udayana, Bali. [5] Oksman, K., Skrifvars, M., Selin, J-F., (23), Natural Fiber as Reinforcement in Polylactic Acid (PLA) Composites, Composites Science and Technology 63, Sciencedirect.com, 1317-1324. [6] Satyanarayana, K. G., dkk (1982), Structure Property Studies of Fibres From Various Parts of The Coconut Tree. Journal of Material Science 17, India. [7] ASTM D 339-76. (199). Standard Test Method for Tensile Properties of Fibre Resin Composite. ASTM Standard and Literature References for Composites Material, 2 ed., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA. Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 213 541
Prosiding KNEP IV 213 ISSN 2338-414X 542