PROS ID I NG 2 0 11 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK ANALISA SIFAT MEKANIK POLIMER MATRIKS KOMPOSIT BERPENGUAT FLY ASH BATUBARA SEBAGAI BAHAN KAMPAS REM Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea Makassar, 90245 Telp/Fax: (0411) 588400 e-mail:chaid_ar@yahoo.com Abstrak Penelitian terhadap polimer matriks komposit sebagai bahan kampas rem pengganti asbestos mulai dikembangkan. Bahan asbestos merupakan bahan yang berbahaya bagi kesehatan dan berakibat buruk terhadap lingkungan. Limbah fly ash batu bara yang dihasilkan dari industri memiliki fraksi berat alumina dan silika yang cukup tinggi sangat memungkinkan digunakan sebagai partikel penguat polimer matriks komposit menggantikan material keramik seperti MgO,Al 2 O 3. penelitian bertujuan untuk menganalisa sifat mekanik polimer matriks komposit bahan kampas rem dengan memanfaatkan fly ash batubara sebagai partikel penguat. Keywords: Kampas Rem, Komposit, Fly Ash, Polimer PENDAHULUAN Penelitian terhadap material polimer matriks komposit sebagai material alternative pengganti asbestos mulai dilakukan. Beberapa penelitian yang menunjukkan beberapa kampas rem dari material polimer matriks komposit memiliki sifat-sifat mekanik yang memenuhi standar sebagai kanvas rem dan memiliki beberapa keunggulan. keunggulan tersebut antara lain ramah lingkungan, mudah dipasang, tahan lama, memiliki tingkat keausan yang mudah dimodifikasi, ketahanan terhadap korosi dan pengaruh zat kimia serta memiliki tingkat kebisingan yang rendah. Komposisi fly ash yang memilkiki fraksi berat alumina dan silika yang cukup tinggi sangat memungkinkan digunakan sebagai partikel penguat polimer matriks komposit menggantikan material keramik seperti MgO, Al 2 O 3 dan lainnya. fly ash adalah sisa pembakaran bahan bakar padat terutama batubara. fly ash batubara merupakan limbah yang dihasilkan dari industry yang menggunakan batu bara sebagai bahan bakar seperti pada pembangkit listrik dan industri semen. Limbah fly ash batu bara ini belum banyak di manfaatkan bahkan bisa berdampak buruk bagi lingkungan. Berdasarkan Annual Book of ASTM Standar Volume 04.02 Standard Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolans for Use as a Mineral Admixture in Porlland Cement Concrete, 1994 fly ash mempunyai kandungan/unsur utama yaitu Silikon Dioksida (SiO 2 ) + Aluminium Oksida (Al 2 O 3 ) + Besi Oksida (Fe 2 O 3 ) 50% - 70%, Sulfur Trioksida (SO 3 ) 5%, Kalsium Oksida (CaO) 1% - 40%. Dari hasil pengukuran komposisi tersebut, fly ash yang memilkiki fraksi berat alumina dan silika yang cukup tinggi sangat memungkinkan digunakan sebagai bahan penguat Metal Matrix Composite (MMC) menggantikan material keramik seperti Al 2 O 3, SiC, dan lainnya. Untuk mendapatkan kemampuan yang tinggi dari suatu komposit, maka pemilihan bahan matriks yang sesuai sangat penting dan merupakan hal yang berpengaruh dari awal proses hingga menghasilkan suatu bahan polimer dengan beberapa sistem seperti linier, bercabang, dan hubungan silang (cross linkes). Sistem ini mewakili sifat/kemampuan sebagai penopang, pelindung serta pengikat. Selain itu matriks juga berfungsi untuk melindungi serat dan memberikan alat distribusi beban yang mentransmisikan beban diantara serat tersebut dapat membentuk komposit dengan kekuatan dalam arah, juga menghasilkan permukaan antara yang lemah dan untuk mengurangi kepekaan takik. Elemen penguat juga sangat menentukan sifat mekanik dari komposit karena meneruskan beban yang didistribusikan oleh matriks. Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Mesin ISBN : 978-979-127255-0-6 TM13-1
Analisa Sifat Mekanik Polimer Kampas rem merupakan komponen penting pada kendaraan bermotor. Untuk memenuhi syarat dan menjaga keselamatan dalam mengemudikan kendaraan dan kompetisi di pasaran, bahan friksi membutuhkan performa friksi yang baik dan biaya rendah. Akan tetapi, biasanya bahan mentah dengan performa friksi yang baik mempunyai harga yang relatif tinggi. Untuk menghasilkan brake lining yang baru dengan nilai yang cukup pada koefisien gesek (μ) dan kecepatan wear yang rendah, faktor biaya kedua bahan mentah dan proses pembuatannya harus betul-betul dipertimbangkan. agar didapatkan suatu bahan dengan koefisien gesek tinggi dan juga wear yang rendah. Karakterisasi yang perlu dilakukan dalam pembuatan kampas rem sepeda motor adalah kekerasan dan keausan. Kedua hal ini sangat penting karena saling berhubungan satu sama lain. Jika kampas rem sangat keras akan mempengaruhi rotornya dan jika kampas rem cepat aus maka akan menambah pengeluaran. Oleh karena itu, karakterisasi keduanya perlu dilakukan untuk mendapatkan hasil yang optimal. Selain kedua hal tersebut juga perlu dilakukan karakterisasi pada struktur mikronya karena bisa diketahui efek komposisinya.jika belum optimal maka bisa merubah komposisi campurannya sehingga hasilnya bisa lebih optimal. Untuk mendapatkan standar acuan tentang spesifikasi teknik kampas rem, maka nilai kekerasan, keausan, bending dan sifat mekanik lainnya harus mendekati nilai standar keamanannya. Persyaratan teknik dari kampas rem komposit adalah: a. Untuk nilai kekerasan sesuai standar keamanan 68 105 (Rockwell R). b. Ketahanan panas 360 derajat celcius, untuk pemakaian terus menerus sampai dengan 250 derajat celcius. c. nilai keausan kampas rem adalah (5 x 10-4 - 5 x 10-3 mm 2 /kg) d. koefisien gesek 0,14 0,27 e. Massa jenis kampas rem adalah 1,5 2,4 gr/cm 3 f. Konduktivitas thermal 0,12 0,8 W.m. K g. Tekanan Spesifiknya adalah 0,17 0,98 joule/g. C h. Kekuatan geser 1300 3500 N/cm 2 i. Kekuatan perpatahan 480 1500 N/cm 2 METODE PENELITIAN Pada penelitian ini bahan yang digunakan sebagai matriks adalah resin epoksi, sedang yang berfungsi sebagai penguat adalah serbuk fly ash batubara dengan ukuran mesh 200 samapai 250. Perbandingan komposisi antara matriks dan penguat menggunakan perbandingan volume. Komposisi fly ash adalah 40, 50,60 dan 70% dengan balance resin epoksi. Proses pengeringan dilakukan dalam ruangan. Pengujian mekanik yang dilakukan adalah uji kekerasan dengan rockwel type B, uji bending dengan three point bending dengan menggunakan Material Testing Machine LR 10 K dan dan Uji keausan yang dilakukan langsung pada sepeda motor yang dimodifikasi. Pemeriksaan patahan dilakukan dengan foto makro. Bentuk spesimen uji laju keausan dan skema instalasinya dapat dilihat pada gambar 1 dan 2. a b Gambar 1. a. Skema uji keausan b. spesimen dan uji keausan ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Mesin Volume 5 : Desember 2011 TM13-2
PROS ID I NG 2 0 11 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK HASIL DAN BAHASAN Pengaruh Komposisi terhadap Kekerasan Pada grafik terlihat bahwa komposisi fly ash dalam matriks memberikan pengaruh terhadap nilai kekerasan polimer. Untuk nilai kekerasan tertinggi yaitu 94 HRB diperoleh pada komposisi 60 % resin dan 40 % fly ash dan nilai kekerasan terkecil 73.33 HRB pada komposisi 40 % resin dan 60 % fly ash. Hal ini menu njukkan adanya komposisi tertentu yang menghasilkan kekuatan yang optimal sesuai dengan kaidah pencampuran dalam komposit. Kekerasan yang tinggi diakibatkan oleh adanya partikel penguat pada matriks. Namun penambahan partikel yang berlebih akan menyebabkan kekerasan turun kembali karena ikatan antara partikel dengan matriks menjadi berkurang setelah melewati batas optimum, distribusi partikel tidak merata dan terjadi void pada spesimen yang mempengaruhi kekerasannya. Nilai kekerasan yang diperoleh pada keseluruhan sampel berada dalam range standar kampas rem. Gambar 2. Grafik pengaruh komposisi fly ash terhadap kekerasan Pengaruh Komposisi terhadap Nilai Kelenturan Penambahan komposisi fly ash terhadap resin memberikan nilai kelenturan meningkat sampai komposisi tertentu dan kemudian turun kembali. Nilai kelenturan yang paling tinggi yaitu 52,79 N/mm2 diperoleh pada komposisi 50% resin dan 50% fly ash. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan partikel fly ash menyebabkan kelenturan menjadi tinggi, namun kemudian turun akibat dari penambahan resin sampai 60% dan fly ash 40% dengan nilai 35,07 N/mm2, untuk nilai kelenturan terendah terjadi pada komposisi 70% fly ash dan 30% resin, hal ini terjadi akibat jumlah fly ash yang terlalu banyak menyebabkan kemampuan membasahi (wettability) matrik s resin terhadap penguat fly ash rendah.wettability yang kurang baik akan menyebabkan ikatan antara matriks dan partikel pada daerah interface menjadi lemah bahkan memicu timbulnya void sehingga mengurangi sifat lenturnya. Gambar 3. Grafik pengaruh komposisi fly ash terhadap Kelenturan Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Mesin ISBN : 978-979-127255-0-6 TM13-3
Analisa Sifat Mekanik Polimer Pengaruh Komposisi terhadap Laju Keausan Grafik laju keausan menjelaskan pengaruh komposisi terhadap laju keausan dimana bisa dilihat pada grafik dibawah ini : Gambar 4. Grafik pengaruh Komposisi terhadap laju keausan Bahan yang memiliki kekerasan lebih tinggi secara umum memiliki ketahanan aus lebih tinggi (laju keausan rendah) dan berbanding terbalik dengan kelenturan. Dari hasil pengujian keausan yang dilakukan juga menunjukkan adanya korelasi tersebut. Laju keausan tertinggi pada komposisi 40% resin dan 60% fly ash bernilai 2.27E-06 gr/mm2.detik dan nilai kelenturannya juga paling tinggi yaitu 44,19 N/mm2 dengan nilai kekerasan terendah yaitu 73 HRB. Sedangkan laju keausan terendah pada komposisi 60% resin dan 40 fly ash bernilai 2.02E-07 gr/mm2.detik dengan nilai kekerasan 94 HRB sedangkan nilai kelenturannya lebih rendah yaitu 35,07 N/mm2. Nilai laju keausan pada komposisi diatas mendekati pada kampas rem asbes yang telah dilakukan pengujian pula yaitu 1.27E-07 gr/mm2.detik. Untuk meningkatkan ketahanan keausan dibutuhkan tambahan partikel penguat dengan wetability yang lebih tinggi misalnya MgO. Permukaan Patahan Dari komposisi resin dan fly ash tanpa dapat dilihat Terlihat bahwa spesimen ini memiliki kepadatan yang cukup baik, meskipun dibeberapa bagian terdapat pori-pori. Terutama pada pada komposisi 30 % resin dan 70% fly ash ini diakibatkan jumlah fly ash yang banyak dari komposisi yang lain, sehingga resin tidak dapat membasahi seluruh bagian pada pada saat pengadukan pencampuran sehinggga muncul void yang lebih banyak. Adanya void pada komposit menyebabkan nilai kelenturan yang rendah. Gambar 5. Permukaan Patahan: a). Komposisi 40 % resin 60 % fly ash b). Komposisi 30 % resin 70 fly ash c). Komposisi resin 50% dan 50% fly ash d). Komposisi 60% resin dan 40% fly ash ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Mesin Volume 5 : Desember 2011 TM13-4
PROS ID I NG 2 0 11 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK SIMPULAN 1. Sifat mekanik komposit bahan kampas rem dengan variasi komposisi fly ash batubara dan resin terhadap tingkat kekerasan tertinggi pada komposisi 60% resin dan 40% fly ash yaitu 94 HRB, laju keausan terendah pada komposisi 60% resin dan 40% fly ash adalah 2.02E-07 gr/mm2.detik sedangkan tingkat kelenturan paling baik pada komposisi 50% resin dan 50% fly ash nilainya 52,79 N/mm2. 2. Nilai kekerasan yang diperoleh diatas standar kampas rem, demikian juga nilai keausan yang diperoleh melebihi standar kampas rem. 3. Permukaan patahan menunjukkan adanya void pada komposisi fly ash yang tinggi. DAFTAR PUSTAKA 1. Callister,Jr William D,(2004) Material Sciences and Engineering an introduction, Jhon Wiley &Sons,Inc. sixth edition. 2. Ismariny,(2007) Analisa Pengaruh Penambahan Filler Anorganik Dan Zat Tambahan Pada Polipaduan Polipropilena Untuk Material Otomotif, Akta Kimindo Vol. 2 3. Radiman L. Cyntia, Kimia Polimer, Penerbit ITB 4. Kiswiranti, Desi. 2009. Pemanfaatan Serbuk Tempurung KelapaSebagai Alternatif Serat Penguat Bahan Friksi Nonasbes pada Pembuatan Kampas Rem Sepeda Motor. Skripsi Teknik Fisika Universitas Negeri Semarang, Semarang. 5. Mallawa, Cesarandie. 2010. Pengaruh Komposisi dan Diameter Serbuk Tempurung Kelapa Material Komposit Bahan Kampas Rem. Skripsi Teknik Mesin Universitas Hasanuddin, Makassar. 6. Saptono Rahmat, (2008), Pengetahuan Bahan. 7. Subowo S. Wiwik,(1996), Uji dan Karakterisasi Material Polimer, Prosiding Pemaparan Hasil Litbang Ilmu Pengetahuan Teknik. 8. www.stopcobrake.com/en/file/en.pdf/saej661 9. http://adenholics.blogspot.com/2008/03/komposite.html 10. http://repository.ui.ac.id/contents/koleksi/11/d30f518393aad96931b1cd883b76a9194eb22313.pdf Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Mesin ISBN : 978-979-127255-0-6 TM13-5
Analisa Sifat Mekanik Polimer ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Mesin Volume 5 : Desember 2011 TM13-6