Pengaruh Perbandingan Volume Serat Sabut Kelapa Dengan Matrik Polyester Terhadap Kekuatan Mekanis Material Komposit Khanif Setyawan 1, Bambang Sugiantoro 2, Lutfi Ikhsan Nasif 3 1,2,3 Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto, Jl. Semingkir No. 1 Purwokerto email : hanif.sttw@yahoo.com 1 Abstrak Dalam ilmu perkembangan pengetahuan dan teknologi komposit mulai bergeser dari serat sintetis ke serat alami, pemanfaatan material komposit pada saat ini semakin berkembang, seiring dengan meningkatnya penggunaan bahan tersebut yang semakin meluas mulai dari yang sederhana seperti alat-alat rumah tangga sampai sektor industri. Tujuan dalam penelitian ini untuk mendeskripsikan hasil pengujian pengaruh perbandingan volume serat sabut kelapa terhadap pengujian tarik, pengujian impack dan struktur makro. Serat tersebut diharapkan dapat menghasilkan komposit yang lebih keras dan lebih ulet. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan spesimen baru menggunakan variasi volume serat 30%, 40% dan 50%. Penelitian yang dilakukan adalah penelitian eksperimen yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi volume serat. Dalam penelitian ini material benda kerja yang digunakan sebanyak 18 buah. Dari hasil penelitian tersebut lebih baik menggunakan serat sabut kelapa 30% dan resin 70% yang menghasilkan kuat tarik sebesar 18,6 N/mm². Dan untuk pengujian impack sebaiknya menggunakan 50% serat sabut kelapa 50% resin yang menghasilkan 0,0186 J/mm 2. Jadi dengan komposisi yang menggunakan resin lebih banyak dibandingkan serat akan menghasilkan kekuatan tarik yang baik, dan jika dengan komposisi resin dan serat seimbang akan menghasilkan harga impack yang baik. Kata kunci : Serat sabut kelapa, matrik, kekuatan mekanis. 1. Pendahuluan Perkembangan penggunaan bahan komposit berbahan alam (Natural Composite/Naco) dalam bidang industri otomotif saat ini mengalami perkembangan yang sangat pesat dan berusaha menggeser keberadaan bahan sintetis yang sudah biasa dipergunakan sebagai penguat pada bahan komposit seperti, E-Glass, Kevlar-49, Carbon/Graphite, Silicone Carbide, Aluminium Oxide dan Boron [1]. PT. Toyota di Jepang telah memanfaatkan bahan komposit berpenguat serat kenaf sebagai komponen panelinterior mobil. Selain itu, produsen mobil Daimler-Bens telah memanfaatkan serat abaca sebagai penguat bahan komposit untuk dashboard. Penggunaan bahan serat alam ini lebih disukai karena disamping biayanya relatif lebih murah juga bersifat ramah lingkungan. Komposit adalah perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material penyusun [2]. Dari campuran tersebut akan dihasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Pada umumnya bahan komposit terdiri dari dua unsur, yaitu serat (fiber) dan bahan pengikat serat-serat tersebut yang disebut matriks [3]. Komposit juga dapat dibentuk dari kombinasi dua atau lebih material, baik logam, organik ataupun anorganik. Kombinasi material yang mungkin di dalam komposit tidak terbatas, namun unsur pokok dari bentuknya terbatas. Unsur pokok dalam komposit adalah serat, partikel, lamina atau lapisan, flake, filler dan matriks [4]. Matrik adalah unsur pokok tubuh komposit yang menjadi bagian penutup dan pengikat struktur komposit. Serat, partikel, lamina (lapisan), flake, filler dan matriks merupakan unsur pokok struktur karena unsur tersebut menentukan struktur karena unsur tersebut menentukan struktur internal komposit [5]. 1
Bahan komposit partikel umumnya digunakan sebagai pengisi dan penguat bahan komposit keramik (ceramic matrik composite. Unsur utama komposit adalah serat, serat inilah yang terutama menentukan karakteristik bahan komposit, seperti kekakuan, kekuatan serta sifatsifat mekanik yang lainnya [6]. Seratlah yang menahan sebagian besar gaya-gaya yang bekerja pada bahan komposit, sedangkan matriks bertugas melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik. Salah satu keuntungan material komposit adalah kemampuan material tersebut untuk diarahkan sehingga kekuatannya dapat diatur hanya pada arah tertentu yang kita kehendaki, hal ini dinamakan "Tailoring Properties" ini adalah salah satu sifat istimewa komposit dibandingkan dengan material konvensional lainnya [7]. Selain kuat, kaku dan ringan komposit juga memiliki ketahanan terhadap korosi yang tinggi serta memiliki ketahanan yang tinggi pula terhadap beban dinamis, oleh karena itu, untuk bahan serat digunakan bahan yang kuat, kaku dan getas, sedangkan bahan matriks dipilih bahan-bahan yang liat dan lunak. Selain itu, keuntungan lain penggunaan komposit antara lain ringan, tahan korosi, tahan air, performance-nya menarik, tanpa proses pemesinan dan beban konstruksi juga menjadi lebih ringan. Komposit sendiri dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam diantaranya adalah komposit partikulat, komposit fiber dan komposit structure, dimana pada komposit fiber dapat dibagi menjadi dua yaitu continuous dan discontinuous [8]. Tanaman kelapa merupakan tanaman yang banyak dijumpai di seluruh pelosok Nusantara, sehingga hasil alam berupa kelapa di Indonesia sangat melimpah. Sampai saat ini pemanfaatan limbah berupa sabut kelapa masih terbatas pada industri-industri mebel dan kerajinan rumah tangga dan belum diolah menjadi produk teknologi. Limbah serat buah kelapa sangat potensial digunakan sebagai penguat bahan baru pada komposit.beberapa keistimewaan pemanfaatan serat sabut kelapa sebagai bahan baru rekayasa antara lain menghasilkan bahan baru komposit alam yang ramah lingkungan dan mendukung gagasan pemanfaatan serat sabut kelapa menjadi produk yang memiliki nilai ekonomi, nilai teknologi tinggi dan juga dapat diperbarui. Untuk mencapai tujuan tersebut maka perlu dilakukan adanya penelitian tentang pemanfaatan limbah serat sabut kelapa sebagai bahan penguat komposit. 2. Metodoogi Penelitian 2.1 Pembuatan Spesimen dari Bahan komposit Serat Unsur utama komposit adalah serat yang mempunyai banyak keunggulan, oleh karena itu bahan komposit serat yang paling banyak dipakai. Bahan komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat oleh matrik yang saling berhubungan. Bahan komposit serat ini terdiri dari dua macam, yaitu serat panjang (continuos fiber) dan serat pendek (short fiber atau whisker). Dalam penelitian ini diambil bahan komposit serat (fiber composite). Pengunaan bahan komposit serat sangat efisien dalam menerima beban dan gaya. Karena itu bahan komposit serat sangat kuat dan kaku bila dibebani searah serat, sebaliknya sangat lemah bila dibebani dalam arah tegak lurus serat. Salah satu faktor yang sangat penting dalam menentukan karakteristik material komposit adalah kandungan/prosentase antara matriks dan serat. Sebelum melakukan proses pencetakan komposit, telebih dahulu dilakukan penghitungan mengenai volume skin atau layer komposit (V skin atau layer), volume serat (Vserat), massa serat (m serat) sebelum komposit dicetak [9]. 1. Volume Skin/Layer (V skin) V skinp skin l skin t skin (1) V skinvolumeskin/layer sebelum dicetak (cm 3 ) p skinpanjang skin/layer sebelum dicetak (cm) l skinlebar skin/layer sebelum dicetak (cm) t skintinggi skin/layer sebelum dicetak (cm) 2
2. Volume Serat(V serat) Vserat Vskin.Fraksi Volume 100% V skinvolume skin/layer sebelum dicetak (cm 3 ) V seratvolume serat sebelum dicetak (cm 3 ) Fraksi volumefraksi volume yang digunakan (%) (2) 3. Massa Serat (m serat) M serat V serat.ρ serat (3) m seratmassa serat sebelum dicetak (gr) V seratvolume serat sebelum dicetak (cm 3 ) ρ seratmassa jenis serat sebelum dicetak (gr/cm 3 ) 4.Volume Matrik V mfraksi matrik.v skin (4) V mvolume matrik (cm 3 ) FRAKSI matrikfraksi matrik yang digunakan (%) V katalis V m. FRAKSI katalis (5) V katalis volume katalis (cm 3 ) FRAKSI katalisfraksi katalis yang digunakan (%) 2.2 Proses awal pembuatan spesimen a. Serat sabut kelapa yang telah ditumbuk dan mengering diambil untuk mengisi spesimen Uji Tarik dan untuk spesimen Uji Impack. b. Menyiapkan matrik sesuai ukuran yang telah ditentukan dengan komposisi 70% serat, 30% resin, 60% serat, 40% resin, 50% serat, 50% resin. Dengan contoh pembuatan spesimen dengan fraksi volume serat 30% dibawah : 1) Volume Skin/Layer (V skin) V skin p skin l skin t skin 20 x 11,5 x 0,5 115 cm 3 2) Volume Serat(V serat) V serat V skin. FRAKSI V serat 100% 115.30% 34,5 cm3 100% 3) Massa Serat (m serat) M serat V serat.ρ serat 34,5 x 0,4 g/cm 3 13,8 g 4) Volume Matrik V m FRAKSI matrik.v skin 70% x 115 80,5 cm 3 V katalis V m. FRAKSI katalis 80,5 x 1% 0,805 cm 3 2.3 Pengujian Tarik 3
Salah satu pengujian tegangan dan regangan (stress strain test) adalah pengujian tarik (tension test). Dari pengujian ini dapat kita ketahui beberapa sifatmekanik material yang sangat dibutuhkan dalam desain rekayasa. Gambar 2.2 Pengujian Tarik Dari pengujian ini adalah grafik beban versus perpanjangan (elongation). Beban dan elongation dapat dirumuskan: Engineering Stress (σ) σ F Ao σengineering Stress (tegangan) (N/m²). FBeban yang diberikan dalam arah tegak lurus terhadap penampang spesimen (N). Ao Luas penampang mula-mula spesimen sebelum diberikan pembebanan (m 2 ). Engineering Strain (ε) ε li lo L/lo (7) lo Di mana : εengineering Strain (regangan). l opanjang mula-mula spesimen sebelum diberikan pembebanan. l ipanjang spesimen setelah ditarik. 2.4 Pengujian Beban Impak Beban impak sering didefinisikan sebagai beban yang bekerja pada struktur dalam waktu yang sangat singkat, umumnya kurang dari 1 detik, bahkan hanya selama beberapa milidetik. Beberapa contoh beban impak adalah beban tekanan udara akibat bom, tembakan peluru, atau benturan benda pada struktur. Pada beberapa struktur, umumnya dengan alasan keamanan, struktur tersebut harus direncanakan terhadap beban impak yang mungkin terjadi selama umur rencana bangunan. Analisis struktur terhadap beban impak umumnya meliputi: prediksi besar dan lama pembebanan beban impak, analisis perilaku elemen struktur dan struktur secara keseluruhan terhadap beban impak, analisis kekuatan struktur terhadap beban impak yang tertea pada gambar dibawah. (6) 4
Gambar 2.2 Dimensi Specimen 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Perhitungan hasil Pengujian Tarik Rumus dan Perhitungan tegangan tarik komposit 30%, 40% dan 60% serat sabut kelapa. Untuk menghitung tegangan tarik, spesmen 1 dengan memasukan persamaan a) Fraksi komposit serat 30% serat sabut kelapa. Spesmen 1σ P Ao 1900 N 102,09 mm 2 19 N/mm 2 b) Fraksi komposit serat 40% serat sabut kelapa Spesmen 1σ P Ao 1980 N 110,39 mm 2 18 N/mm 2 c) Fraksi kompsosit serat 50% serat sabut kelapa Spesmen 1σ P Ao 1000 N 88,04 mm 2 11 N/mm 2 Rumus dan perhitungan regangan terik komposit 30%, 40% dan 50% serat sabut kelapa, untuk menghitung regangan tarik, spesmen 1 dengan memasukkan persamaan a) Fraksi komposit 30% serat sabut kelapa Spesmen 1 ɛ AL x 100% Lo 7,9 mm x 100% 16% 50 mm b) Fraksi komposit serat 40% serat sabut kelapa Spesmen 1 ɛ AL x 100% Lo 22,2 mm x 100% 44 % 50 mm c) Fraksi komposit serat 50% serat sabut kelapa Spesmen 1 ɛ AL x 100% Lo 4,37 mm 50 mm x 100% 9 % 5
Tegangan rata-rata Tegangan rata-rata Edisi 6 NO 1 April 2014 Tabel 3.1 Data hasil pengujian tarik komposit serat sabut kelapa. No Spesimen Lebar Tebal Tegangan Regangan (mm) (mm) (MPa) (%) 1 12,30 8,30 19 16 2 30% 12,80 8,00 10 12 3 11,70 6,90 27 27 1 13,30 8,30 18 44 2 40% 13,50 8,00 13 30 3 12,30 8,20 3 18 1 12,40 7,10 11 9 2 50% 12,50 7,10 8 6 3 11,80 6,70 11 6 Tabel 3.2 Data rata-rata hasil pengujian tarik serat sabut kelapa tiap matrik Variasi Sabut Kelapa Tegangan Max ( σ U ) (N/mm 2 ) ɛ (%) 30% 18,6 18,3 40% 11,3 30,6 50% 10 7,0 Grafik Tegangan Tarik 20 N/mm 2 10 0 30% 40% 50% Prosentase Sabut Kelapa Tegangan Gambar 3.1 Grafik hubungan antara volume partikel dan tegangan tarik komposit N/mm 2 20 15 10 5 0 Grafik Tegangan Tarik 30% 40% 50% Prosentase Sabut Kelapa Tegangan Gambar 3.2 Grafik hubungan antara volume partikel dan tegangan tarik komposit 6
Rwgangan (%) Edisi 6 NO 1 April 2014 40 30 20 10 0 Grafik Regangan 30% 40% 50% Prosentase Sabut Kelapa Regangan Gambar 3.3 Grafik hubungan antara fraksi volume serat sabut kelapa dengan regangan tarik. 3.2 Data Pengujian Impack Hasil pengujian Impack dilakukan menggunakan palu seberat 20 kg, serta dilakukan pada posisi tengah menggunakan metode Carpy, panjang lengan palu 0,8 m, menggunakan standard ASTM 23. Hasil pengujian spesmen dengan 30%, 40% dan 50% sabut kelapa pada campuran resin dan katalis. Contoh analisa perhitungan uji impack untuk spesmen 30% serat sabut kelapa adalah sebagai berikut : a. Spesmen 1 HI Eserap AO 2,0 J 93,9 mm 2 0,022 J/mm 2 b. Spesmen 2 HI Eserap AO 0,7 J 79,2 mm 2 0,009 J/mm 2 c. Spesmen 3 HI Eserap AO 1,4 J 78,1 mm 2 0,018 J/mm 2 hasil pengujian impack spesmen dengan fraksi volume serat 30%, 40% dan 50% serat sabut kelapa pada Tabel 4.3 Tabel 4.3 hasil pengujian impack fraksi volume serat 30%, 40% dan 50% serat sabut kelapa Volume Sabut Kelapa (%) Harga Impack (J/mm 2 ) 30% 0,0163 40% 0,0116 50% 0,0186 7
Harga Impack (J/mm 2 ) Edisi 6 NO 1 April 2014 0,02 0,015 0,01 0,005 Grafik Harga Impack 0 30% 40% 50% Prosentase Sabut Kelapa Harga Impack Gambar 3.4 Grafik perbandingan harga impack rata-rata dalam J/mm 2 3.3 Pengujian Struktur Makro Pada penelitian ini sifat komposit serat sabut kelapa dengan masing-masing fraksi volume 30%, 40% dan 50%, agar lebih bisa diketahui susunan partikel serat sabut kelapa dilakukan pengambilan foto makro pada hasil patahan pengujian tarik. Foto makro ini menggunakan perbesaran 10x, berikut ini adalah hasil foto makro pengujian tarik komposit serat sabut kelapa Foto struktur makro komposit serat sabut kelapa dengan fraksi volume 30% dapat dilihat pada gambar 3.5 Gambar 3.5 (a) Foto makro serat sabut kelapa 30% setelah uji tarik. (b) Foto struktur makro komposit serat sabut kelapa dengan fraksi volume 40% Sedangkan Foto struktur makro komposit serat sabut kelapa dengan fraksi volume 50% dapat dlihat pada gambar 3.6 Gambar 3.6 Foto makro serat sabut kelapa 50% setelah uji tarik. 8
Tabel 3.4 Data hasil uji variasi serat terhadap kekuatan tarik Spesmen 30% 40% 50% 1 19 18 11 2 10 13 8 3 27 3 11 Total 56 34 30 Observasi 3 3 3 Rata-rata 18,6 11,3 10 4. Kesimpulan a. Pada pengujian tarik, kekuatan tarik mengalami kenaikan dari fraksi volume serat 30% ke 40% dan dari 40% ke 50%, dimana kekuatan tarik terbesar terjadi pada fraksi volume serat 30% yaitu sebesar 18,6 N/mm 2,itu diakibatkan pada proses pencetakan dengan tekanan pada spesimen kurang merata dan kurang menyatu antara serat dan resi. b. Pada pengujian impack, harga impack mengalmi penurunan dari 30% ke 50%, dimana harga impack terbesar dihasilkan pada komposisi serat sabut kelapa 50% yaitu sebesar 0,0186 J/mm 2. 5. Daftar Pustaka [1] Karnani R dan kawan-kawan, 1997, Biofiber-reinforces Polypropylene Composites, Polymer engineering and Science, vol. 37 No. 2 pp. 476-483. [2] Jamasri, 2002, Buku Pegangan Kuliah Komposit, Surakarta [3] Kaw A.K., Mechanics of Composite materials, CRC Press, New York. 1997. [4] Jones, R. M., 1975. Mechanics of Composite Materials, Scripta Book Company, Washington D.C., USA. [5] Arif, Yunito Akhmad, 2008, Analisa Pengaruh Fraksi Volume Serat Kelapa Pada Komposit Matriks Polyester Terhadap Kekuatan Tarik, Impact Dan Bending, Teknik Material, ITS, Surabaya. [6] Mahendra Kalis, 2008, Analisis Sifat Fisis Dan Mekanis Papan Partikel Berbahan Baku Serbuk Sabut Kelapa Dengan Kadar Perekat UF Yang Berbeda, Skripsi Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta [7] Purwanto, Eko H., Sifat Fisis Dan Mekanis Fraksi Volume 5%,10%,15%, 20%, 25% Core Arang Bambu Apus Pada Komposit Sandwich Dengan Cara Tuang, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, 2009. [8] Yanuar D., dan Kuncoro Diharjo, 2003. Karakteristik Mekanis Komposit Sandwich Serat Gelas Serat Chopped Strand Mat Dengan Penambahan Lapisan Gel Coat, Skripsi, Teknik Mesin FT UNS, Surakarta. [9] Anonim, 1998. Annual Book ASTM Standart, USA. 9