PENGARUH KOMPOSISI DAN UKURAN MIKRO SERBUK KULIT KERANG DARAH (ANADORA GRANOSA) TERHADAP KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) SKRIPSI Oleh TOMMY ARISSA PUTRA 090405039 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA AGUSTUS 2015
PENGARUH KOMPOSISI DAN UKURAN MIKRO SERBUK KULIT KERANG DARAH (ANADORA GRANOSA) TERHADAP KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) SKRIPSI Oleh TOMMY ARISSA PUTRA 090405039 SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN UNTUK MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA AGUSTUS 2015
ii
iii
iv
v
DEDIKASI Penulis mendedikasi skripsi ini kepada kedua orang tua penulis. Suhardi Nasmul dan Silviani, yang telah merawat dan membimbing penulis sampai sekarang. vi
RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama: Tommy Arissa Putra NIM: 090405039 Tempat/Tgl. Lahir: Medan, 30 Agustus 1991 Nama orang tua: Suhardi Nasmul Alamat orang tua: Jalan HM Said no 2L Asal Sekolah SD Methodist-3, tahun 1997-2003 SMP Methodist-3, tahun 2003-2006 SMA Methodist-3, tahun 2006-2009 Pengalaman Organisasi/ Kerja: 1. Anggota Himatek (Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia USU) tahun 2009-2013 Artikel yang telah dipublikasi kan dalam Jurnal/Penelitian Ilmiah: 1. The First International Conference on Science, Technology and Interdiscplinary Research, September 21-23 2015, Lampung vii
ABSTRAK Polimer di bidang industri telah mengambil peranan penting karena polimer bersifat murah, ringan dan tahan korosi. Polimer biasanya digunakan untuk membuat komposit yaitu dengan mencampurkannya dengan bahan lain sehingga memberikan sifat yang lebih unggul. Pada penelitian ini, dibuat komposit dengan matriks berupa resin epoksi dan serbuk kulit kerang darah sebagai pengisi. Resin epoksi dipilih sebagai matriks karena sifat ketahanannya kimia maupun cuaca yang baik serta banyak digunakan di berbagai bidang. Serbuk kulit kerang darah dipilih karena kandungan kulit kerang darah digunakan untuk menguatkan komposit serta memanfaatkan kulit kerang darah yang dianggap sebagai limbah rumah makan. Bahan-bahan yang digunakan dalam membuat komposit adalah polistirena sebagai toughening agent untuk membantu menguatkan komposit, kloroform sebagai pelarut, resin epoksi, hardener polyaminoamide dan serbuk kulit kerang darah. Kulit kerang darah dihancurkan menjadi serbuk terlebih dahulu dengan menggunakan ball mill lalu diayak menggunakan nomor ayakan tertentu. Nomor ayakan yang digunakan terdiri dari 200, 230, 260, 290, 320 mesh. Komposit dibuat dengan melarutkan polistirena (10% berat dari matriks) ke dalam kloroform terlebih dahulu dengan perbandingan 1:4 (b/b), lalu dicampurkan ke dalam resin epoksi yang telah dicampur dengan pengisi serbuk kulit kerang darah dengan komposisi tertentu. Komposisi pengisi yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari 10%, 20%, 30%, 40%, dan 50%. Campuran resin diaduk hingga merata lalu dicetak menggunakan alat hot press. Komposit yang telah dicetak kemudian diuji sifat-sifat mekaniknya dan diuji karakteristik SEM dan FTIR. Hasil yang didapat berupa komposisi kulit kerang optimum terletak pada 30% serta ukuran partikel optimum terletak pada 200 mesh. Hasil yang didapat dari karakteristik FTIR bahwa penambahan serbuk kulit kerang darah hanya dapat menghasilkan gugus SiOH dan hasil yang didapat dari SEM menunjukkan bahwa morfologi yang terbaik terdapat pada komposit berpengisi 30% dengan ukuran partikel 200 mesh. Kata kunci: resin epoksi, serbuk kulit kerang darah, polistirena, komposit, sifat-sifat mekanik, SEM, FTIR viii
ABSTRACT Polymer, in industrial sector, has taken an important role because of the advantages of polymer such as inexpensive, lightweight and rustproof. Usually, polymer is used to create composites by incorporating other materials in order to possess better properties. In this study, composite is prepared with epoxy resin as matrix and cockle-shell powder as filler. Epoxy resin was chosen as matrix because of its good chemical and weather resistance, and versatile in various application. Cockle-shell powder is used as filler because of its constituent is used in strengthening composite while reducing waste of cockle-shell. The materials needed to prepare composite are polystyrene as toughening agent for strengthening the composite, chloroform as solvent, epoxy resin, polyaminoamide hardener and cockle-shell powder. Cockleshell was crushed into powder using ball mill and then sieved. The sieve used in this study varies from 200, 230, 260, 290, 320 mesh. Composite is prepared by dissolving polystyrene (10% weight by matrix) in chloroform first with the ratio of 1:4 (w/w) and then mixed with mixture consists of epoxy resin pre-mixed with cockle-shell powder using certain composition. The filler composition used in this study varies from 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%. Resin mixture is mixed until homogeneous and then casted using hot press machine. The prepared composite is tested to obtain its mechanical properties and SEM and FTIR characteristics. The obtained result from this study is the optimum filler composition is at 30% and optimum particle size is at 200 mesh. The obtained result from FTIR characteristics shows that the addition of cockle-shell powder create groups of SiOH and the obtained result from SEM shows that the best morphology is showed at composite with 30% filler and 200 particle size. keywords: epoxy resin, cockle-shell powder, polystyrene, composite, mechanical properties, SEM, FTIR ix
DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ii PENGESAHAN iii PRAKATA iv DEDIKASI vi RIWAYAT HIDUP PENULIS vii ABSTRAK viii ABSTRACT ix DAFTAR ISI x DAFTAR GAMBAR xiii DAFTAR TABEL xv DAFTAR LAMPIRAN xvi DAFTAR SINGKATAN xvii DAFTAR SIMBOL xviii BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 LATAR BELAKANG 1 1.2 PERUMUSAN MASALAH 3 1.3 TUJUAN PENELITIAN 3 1.4 MANFAAT PENELITIAN 4 1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5 2.1 KOMPOSIT 5 2.1.1 Konstituen komposit 5 2.1.2 Matriks 6 2.1.2.1 Epoksi 8 2.1.2.2 Polistirena 11 2.1.3 Pengisi 12 2.1.3.1 Kulit Kerang 14 2.2 METODA PENYEDIAAN KOMPOSIT 16 2.3 UKURAN MAKRO PARTIKEL DAN MIKRO PARTIKEL 17 x
2.4 PENGUJIAN DAN KARAKTERISASI BAHAN KOMPOSIT 18 2.4.1 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) 18 2.4.2 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength) 19 2.4.3 Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) 21 2.4.4 Analisa Penyerapan Air oleh Komposit 22 2.4.5 Analisa Scanning Electron Microscopy (SEM) 22 2.5 ANALISIS BIAYA 23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25 3.1 LOKASI PENELITIAN 25 3.2 BAHAN DAN PERALATAN 25 3.2.1 Bahan 25 3.2.2 Peralatan 25 3.3 PROSEDUR PENELITIAN 26 3.3.1 Penyediaan Matriks Komposit 26 3.3.2 Penyediaan Pengisi Komposit 27 3.3.3 Proses Pembuatan Komposit 27 3.4 PENGUJIAN KOMPOSIT 31 3.4.1 Uji Kekuatan Bentur (Impact Strength) dengan ASTM D-4812 31 3.4.2 Uji Kekuatan Tarik (Tensile Strength) dengan ASTM D-638 31 3.4.3 Analisa Penyerapan Air 32 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 33 4.1 KARAKTERISASI FOURIER TRANSFORM INFRA RED (FTIR) DARI EPOKSI-PS MURNI DAN KOMPOSIT KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) 33 4.2 PENGARUH KOMPOSISI DAN UKURAN PARTIKEL SERBUK KULIT KERANG DARAH (ANADORA GRANOSA) TERHADAP SIFAT KEKUATAN TARIK (TENSILE STRENGTH) KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) 35 4.3 PENGARUH KOMPOSISI DAN UKURAN PARTIKEL SERBUK KULIT KERANG DARAH (ANADORA GRANOSA) TERHADAP SIFAT PEMANJANGAN PADA SAAT PUTUS (ELONGATION AT BREAK) KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG xi
DARAH (SKKD) 37 4.4 HUBUNGAN STRESS-STRAIN EPOKSI-PS MURNI DAN KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) 39 4.5 PENGARUH KOMPOSISI DAN UKURAN PARTIKEL SERBUK KULIT KERANG DARAH (ANADORA GRANOSA) TERHADAP SIFAT KEKUATAN BENTUR (IMPACT STRENGTH) KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) 40 4.6 PENGARUH KOMPOSISI DAN UKURAN PARTIKEL SERBUK KULIT KERANG DARAH (ANADORA GRANOSA) TERHADAP SIFAT PENYERAPAN AIR (WATER ABSORPTION) KOMPOSIT EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) 42 4.7 KARAKTERISASI SCANNING ELECTRON MICROSCOPY (SEM) DARI EPOKSI-PS MURNI DAN EPOKSI-PS/SERBUK KULIT KERANG DARAH (SKKD) 44 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 47 5.1 KESIMPULAN 47 5.2 SARAN 48 DAFTAR PUSTAKA 49 xii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Reaksi Curing Epoksi Tahap 1 10 Gambar 2.2 Reaksi Curing Epoksi Tahap 2 10 Gambar 2.3 Reaksi Curing Epoksi Tahap 3 10 Gambar 2.4 Gambar Polistirena 12 Gambar 2.5 Gambar Komposit Arah Penguatan Isotropik 12 Gambar 2.6 Gambar Komposit Arah Penguatan Anisotropik 13 Gambar 2.7 Kelas Komposit 13 Gambar 2.8 Gambar Kerang Darah dan Serbuk Kulit Kerang Darah 15 Gambar 2.9 Spesimen V-Notch Metoda Charpy dan Izod 18 Gambar 2.10 Skema Pengujian Impak 19 Gambar 2.11 Gambaran Umum Uji Tarik (Tensile Strength) 20 Gambar 3.1 Gambar Flowchart Prosedur Penyediaan Matriks Komposit 26 Gambar 3.2 Gambar Flowchart Prosedur Penyediaan Pengisi Komposit 27 Gambar 3.3 Gambar Flowchart Prosedur Pembuatan Komposit 28 Gambar 3.4 Gambar Compression Molding 29 Gambar 3.5 Gambar Alat Uji Tarik 30 Gambar 3.6 Gambar Alat Uji Bentur 30 Gambar 3.7 Gambar Plat Tensile 30 Gambar 3.8 Gambar Plat Impact 31 Gambar 3.9 Ukuran Dimensi Spesimen Metoda Izod ASTM D 4812 31 Gambar 3.10 Ukuran Dimensi Spesimen Kekuatan Tarik ASTM D-638 32 Gambar 4.1 Karakteristik FTIR Komposit Epoksi-PS murni dan Komposit Epoksi-PS/Serbuk Kulit Kerang Darah (SKKD) 33 Gambar 4.2 Reaksi Curing Epoksi Tahap 1 34 Gambar 4.3 Reaksi Curing Epoksi Tahap 2 34 Gambar 4.4 Reaksi Curing Epoksi Tahap 3 34 Gambar 4.5 Pengaruh Ukuran Partikel Dan Komposisi Serbuk Kulit xiii
Kerang Darah Terhadap Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Komposit Epoksi PS/SKKD 36 Gambar 4.6 Pengaruh Ukuran Partikel Dan Komposisi Serbuk Kulit Kerang Darah Terhadap Sifat Pemanjangan Pada Saat Putus (Elongation At Break) Komposit Epoksi-PS/SKKD 37 Gambar 4.7 Hubungan Stress-Strain Epoksi-PS Murni Dan Komposit Epoksi PS/ SKKD (Tensile Strength) Untuk Komposisi 30% 39 Gambar 4.8 Pengaruh Ukuran Partikel Dan Komposisi Serbuk Kulit Kulit Kerang Darah Terhadap Sifat Kekuatan Bentur (Impact Strength) Komposit Epoksi-PS/SKKD 41 Gambar 4.9 Pengaruh Ukuran Partikel Serbuk Kulit Kerang Darah Terhadap Sifat Penyerapan Air Komposit Epoksi-PS/ SKKD Pada Komposisi 30% 43 Gambar 4.10 Karakteristik Scanning Electron Microscopy (SEM) 44 a. Epoksi Murni 44 b. Komposit Epoksi-PS/SKKD dengan Komposisi Pengisi 30% 200 mesh 45 c. Komposit Epoksi-PS/SKKD dengan Komposisi Pengisi 30% 320 mesh 45 Gambar C.1 Penyediaan Serbuk Kulit Kerang Darah 60 Gambar C.2 Penyediaan Komposit Epoksi-PS/Serbuk Kulit Kerang Darah (SKKD) 60 Gambar C.3 Proses Pencetakan Dengan Alat Hot Press 61 Gambar C.4 Hasil Komposit Epoksi-PS/Serbuk Kulit Kerang Darah (SKKD) 61 Gambar C.5 Alat UTM Gotech AI-7000 M Grid Tensile 62 Gambar C.6 Alat Impact Tester Gotech 62 xiv
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Spesifikasi Dari Resin Epoksi 9 Tabel 2.2 Komposisi Kimia Serbuk Kulit Kerang 15 Tabel 2.3 Konversi Nilai Mesh Ke Nilai Mikron 17 Tabel 2.4 Rincian Harga Bahan Baku Pembuatan Komposit 23 Tabel 2.5 Perincian Bahan Baku untuk Membuat Komposit 23 Tabel 4.1 Nilai Modulus Young Campuran Epoksi-PS Murni Dan Komposit Epoksi-PS/SKKD Dengan Komposisi 30% 40 Tabel A.1 Data Nilai Modulus Young Dari Komposit Dengan Komposisi 30% 54 Tabel A.2 Data Nilai Kekuatan Tarik 54 Tabel A.3 Data Nilai Pemanjangan Pada Saat Putus 55 Tabel A.4 Data Nilai Kekuatan Bentur 56 Tabel A.5 Data Nilai Penyerapan Air Dari Komposit Dengan Komposisi 30% 57 Tabel B.1 Tabel Konvesi Ukuran Mesh ke Mikron 58 DAFTAR LAMPIRAN xv
Halaman LAMPIRAN A DATA PENELITIAN 54 A.1 Data Hasil Modulus Young 54 A.2 Data Hasil Kekuatan Tarik 54 A.3 Data Hasil Pemanjangan Saat Putus 55 A.4 Data Hasil Kekuatan Bentur 56 A.5 Data Hasil Penyerapan Air 57 LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN B.1 Perhitungan Fraksi Massa Bahan Baku B.2 Perhitungan Interpolasi Konversi Ukuran Mesh Ke Mikron B.3 Perhitungan Penyerapan Air Komposit 58 58 58 59 LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN 60 C.1 Penyediaan Serbuk Kulit Kerang Darah 60 C.2 Penyediaan Komposit Epoksi-:PS/Serbuk Kulit Kerang Darah (SKKD) 60 C.3 Proses Pencetakan Dengan Alat Hot Press 61 C.4 Hasil Komposit Epoksi-PS/Serbuk Kulit Kerang Darah (SKKD) 61 C.5 Alat Universal Testing Machine (UTM) Al-7000 M Grid Tensile 62 C.6 Alat Impact Tester Gotech 62 xvi
DAFTAR SINGKATAN PS Polistirena SKKD Serbuk Kulit Kerang Darah CaO Kalsium Oksida MgO Magnesium Oksida ASTM American Standard Testing Method FTIR Fourier Transform Infra Red SEM Scanning Electron Microscopy % wt Persen Massa Pengisi xvii
DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan A 0 Luas penampang awal mm 2 F maks Beban maksimum N W o Berat komposit sebelum perendaman g W g Persentase pertambahan berat komposit g W e Berat komposit setelah perendaman g σ Kekuatan tarik N/mm 2 e Pemanjangan pada saat putus % li Panjang spesimen setelah penarikan mm lo Panjang mula-mula spesimen mm Δl Pertambahan panjang mm E Modulus Young N/mm 2 xviii