Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 67

ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN SERAT TERHADAP KEKUATAN TARIK SERAT AGAVE CANTULA ROXB

Rina Fitriyani1), Yudit Cahyantoro NS 2), Ridwan Indriyanto 3), Wijang Wisnu R 4)

1,2,3,4) Mahasiswa Program Pasca Sarjana Magister Teknik Mesin UNS

Abstract

Tensile testing to determine the tensile strength of single fiber tensile strenght by comparing the tensile strenght of the fibers with the fibers of the three treatments with no treatment, heat-treated or heated in the oven heattreatment to 110 ° C for 45 minutes, treated with alkali and immersed in a solution of NaOH 2% for 6 hours. The result is that the fiber by treatment with 2% NaOH for 6 hours has a greater strength than heat-treated fibers and untreated fibers. The average tensile strenght of the fiber with alkali treatment, heattreatment and without treatment respectively 261.36 MPa, 256.55 MPa and 241.26 MPa. This is reinforced by the large Young's modulus of the fiber with alkali treatment, heattreatment and without treatment respectively 226.09 MPa, 88.47 MPa and 73.40 MPa, where the larger the Young's modulus of the fibers are more elastic. This is because the content of α cellulose fibers with 2% NaOH treatment at a large percentage compared to the fibers by heat treatment and no treatment that is equal to 65.50% and 55.60% for the heat treatment and to 57.48% untreated fibers.

Keywords: agave cantula Roxb, tensile strenght, α cellulose, Weibull distribution

PENDAHULUAN

Serat alam merupakan bahan penguat untuk komposit yang memiliki ciri fisik yang bervariasi. Keberadaannya memiliki berbagai keunggulan antara lain murah, ringan, serat alam yang banyak ditemukan di daerah tropis, mudah pengerjaannya dan bisa digunakan sebagai papan pengganti kayu untuk perumahan, atap, lantai dan juga bahan otomotif.

Agave cantula Roxb adalah salah satu tumbuhan yang dapat menghasilkan serat alam yang memiliki kekuatan pendukung sebagai bahan penguat komposit. Tanaman agave jenis ini banyak ditemukan di Indonesia, yaitu di Kabupaten Kulonprogro, Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta. Dikarenakan banyaknya tumbuhan ini, maka diyakini dapat digunakan sebagai bahan untuk atap rumah yang lebih ekonomis, mudah dan ringan. Dikarenakan cuaca di Indonesia terdapat 2 musim, yaitu musim hujan dan musim kemarau dengan suhu

antara 33 sampai dengan 45 derajat celcius, maka keberadaan dan kemanfaatan atap sangatlah penting dan menjadi hal terpenting untuk sebuah rumah. Selain itu juga dapat digunakan sebagai pengganti papan kayu untuk keperluan perumahan.

Kekuatan sebuah komposit yang nantinya dapat atau tidak untuk digunakan sebagai papan partikel, atap ataupun lantai harus melalui berbagai pengujian awal, salah satunya adalah uji tarik. Pengujian tarik ini dapat digunakan sebagai dasar untuk menentukan pengujian selanjutnya, salah satunya adalah untuk menentukan panjang kritis serat sebelum dijadikan komposit. Karakteristik fisik dan mekanis serat salah satunya adalah perbedaan hasil kandungan lignin, selulose, hemiselulose dan tensile strenght setelah diperlakukan awal.

Data hasil dari pengujian kekuatan tarik untuk serat Agave Cantula Roxb dengan tiga perlakuan serat memiliki

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 68

tingkat variasi yang tinggi, sehingga perlu dilakukan sebuah analisis data dari data hasil uji tarik tersebut, yaitu dengan membandingakan hasil pengujian serat dan dengan menggunakan analisis Weibull. Distribusi Weibull merupakan indikator perubahan kekuatan bahan sebagai hasil dari distribusi ukuran kekuatan serat.

Seperti yang diungkapkan oleh (Hartini, E., dkk., 2007), distribusi Weibull mempunyai kemampuan untuk memodelkan data percobaan dengan karakteristik yang berbeda. Perbedaan karakteristik serat alam ini dipengaruhi oleh besarnya diameter serat yang berbeda-beda untuk tiap helai seratnya, sehingga hal ini dapat menjadikan hasil uji tarik setiap serat menjadi bervariasi. (Burrow, M. F., dkk., 2004) juga mengatakan bahwa banyak variable yang mempengaruhi hasil pengujian, yaitu persiapan specimen, penyimpanan, karakteristik fisik serat, yang mana sangat sulit untuk dikontrol dengan baik. Faktor yang mempengaruhi perbedaan hasil uji tarik serat Cantula dalam hal ini adalah perbedaan perlakuan serat antara serat yang tanpa perlakuan, diperlakukan panas dan direndam dalam larutan Alkali NaOH 2% membuat hasil uji tarik berbeda-beda atau bervariasi.

TINJAUAN PUSTAKA

Dody Ariawan (2009) telah melakukan penelitian bahwa tanaman serat cantula yang banyak terdapat di daerah Kulon Progo ini memiliki kandungan serat selulose 64,23%, moisture 13,13%, ash 4,98%, lignin 5,91%, extractives 1,1%. Dengan

kandungan selulose di atas 50%, maka tanaman bisa digunakan sebagai bahan baku komposit. Selain itu, serat ini memiliki kekuatan tarik adalah 278 MPa, berarti kekuatan serat ini setara atau lebih dibandingkan dengan besi cor kelabu (kekuatan besi cor kelabu 250 MPa). Dengan beberapa perlakuan thermal, serat ini bisa ditingkatkan kekuatannya sampai dengan 345 MPa bahkan naik menjadi 390 MPa jika diproses dengan perlakuan alkali. Jadi bisa dikatakan bahwa serat ini mampu menahan 39 kg beban per mm2 luasan seratnya..

Munawar (2008) menerangkan bahwa penguapan serat nanas, ramie dan sensevieria pada suhu 100°C selama 2 jam menghilangkan sebagian komponen (lignin, wax dan minyak) dari permukaan serat.

Wijang Wisnu R dan Dody Ariawan (2011) menerangkan bahwa perlakuan awal serat adalah dengan perlakuan alkali 2% dan dioven dalam panas 110°C selama 45 menit. Jadi dalam penelitian ini ada tiga macam specimen yaitu serat dengan perlakuan alkali NaOH 2%, heattreatment dengan dikeringkan dalam oven selama 45 menit dengan suhu 110°C dan serat tanpa perlakuan.

Untuk mendapatkan larutan NaOH 2% digunakan rumus seperti pada Calculations of Solution Concentration, California State Standart, yaitu 10 grams NaOH dilarutkan dalam wadah dan diberikan air aquades sampai dengan 1 L untuk menghasilkan 0,5% NaOH.

Jika dibutuhkan 2% NaOH maka cara penghitungannya adalah sebagai berikut:

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 69

Thimothy Thamae dan Caroline Bailie (2007) mengatakan bahwa serat diperlakukan secara alkali dengan direndam pada larutan NaOH 1N selama 24 jam, kemudian dibersihkan dengan air destilasi dan dikeringkan dalam oven selama 24 jam pada suhu 70°C.

Fabio Pereiera et.al (2010) Pembuatan specimen pengujian tarik serat menggunakan ASTM C1557, selanjutnya di analisis dengan menggunakan analisis statistic Weibull.

Entin Hartini (2007), distribusi weibull mempunyai kemampuan untuk memodelkan data percobaan dengan karakteristik yang berbeda.

METHODOLOGI

1. Persiapan Awal Perlakuan awal serat Agave Cantula Roxb adalah dengan

perlakuan Alkali NaOH 2%, dipanaskan dengan dioven 110°C selama 45 menit , Wijang Wisnu R dan Dody Ariawan (2011). Specimen dibagi dalam tiga perlakuan, yaitu tanpa perlakuan (untreatment), perlakuan Alkali NaOH 2% dan perlakuan dengan dipanaskan selama 45 menit dengan suhu 110°C.

a. Prosedur serat dengan tanpa perlakuan Serat yang sudah tersedia langsung dibuat specimen untuk uji tarik, tanpa harus ditimbang atau dikeringkan.

b. Prosedur serat dengan perlakuan panas Sebelum masuk oven atau pemanas, serat dibagi dalam 5 ikatan, dan setiap ikatannya ditimbang terlebih dahulu.

Gambar 1. Serat setelah ditimbang

Setelah semua bagian ditimbang dan data dicatat, kemudian serat dimasukkan dalam oven yang suhunya telah mencapai 110°C dan dioven selama 45 menit. Selama di

dalam oven, panas harus dicek dan diamati secara kontinyu agar panas tetap konstan. Pengecekan panas dilakukan dengan menggunakan alat bantu bernama Thermokopel

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 70

Gambar 2. Serat dalam oven dengan pemanasan 110°C selama 45 menit

c. Prosedur serat dengan perlakuan NaOH 2% Sama dengan perlakuan panas, untuk perlakuan NaOH 2% sebelum serat diperlakukan, serat dibagi menjadi 5 ikatan dan masing-

masing ikatan ditimbang terlebih dahulu. Kemudian direndam dalam larutan NaOH 2% selama 6 jam .

.

Gambar 3. Serat direndam dalam larutah NaOH 2% selama 6 jam

Setelah 6 jam, serat dicuci dalam aquadesh atau air biasa sampai PH=7

atau normal. Pengukur PH larutan menggunakan kertas PH meter.

Gambar 4. Ukuran netral setelah direndam dalam NaOH

2. Pembuatan Spesimen dan Pengujian Setelah perlakuan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan specimen untuk

uji tarik. Setiap perlakuan diperlukan 15 spesimen, sehingga jumlah total adalah 45 spesimen dan diukur

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 71

diameternya dengan Micro Vickers Machine.

Gambar 5. Micro Vickers machine

Prosedur uji tarik dengan menggunakan standart ASTM C 1557 dan pembuatan spesimen uji dibuat sesuai dengan gambar berikut :

Gambar 6. Specimen uji tarik berdasarkan ASTM C 1557

Gripping area menggunakan kertas karton yang dipotong dengan ukuran panjang keseluruhan adalah 60 mm dan lebar 10 mm. Pada bagian tengah kertas dibuat lubang bulat dengan menggunakan alat pelubang kertas. Pengujian kekuatan tarik menggunakan gauge length 6, 9 dan

12 mm (Fabio Pereira, 2010). Dari keterangan tersebut, maka digunakan gauge length sebesar 12 mm, dan direkatkan dengan lem. Pengujian tarik dilakukan di Universitas Islam Indonesia dengan menggunakan Mesdan Tenso Lab seperti gambar di bawah ini .

Gambar 7. Mesdan Tenso Lab untuk uji tarik serat

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 72

Distribusi Weibull dan Regresi Linier Menurut Zimmermann et. Al (2004), kekuatan serat sangatlah dipengaruhi oleh ukuran diameter serat. (Subyakto, dkk., 2009) mengatakan, semakin besar diameter serat maka semakin rendah nilai kekuatan tarik (tensile strength) dan modulus

elastisitas (MOE), demikian pula sebaliknya. Untuk mengatasi hal ini harus dilakukan analisis statistik dengan menggunakan distribusi Weibull, agar didapat kebenaran dari hasil uji tarik karena data yang bervariasi tersebut .

Rumus persamaan statistic ditribusi Weibull :

Pf (τ)= exp (- L/L0 ((τ – τu)/ τ0)m) ………………………………….(1)

Pf(τ) = 1 – exp (-(τ/τ0)

m)……………………………………………(2)

Dengan menggunakan α dan β, maka distribusi Weibull untuk persamaan 3

menjadi :

………………………………………………(3)

Untuk mengetahui harga m, dapat ditaksir melalui persamaan linier berikut :

= m ln ( …………………….(4)

Dengan terlebih dahulu dicari nilai (X,Y); ( , ln (ln(1/(1-V0)))

Setelah nilai X dan Y diketahui, maka dibuat grafik dan dibuat regresi liniernya. Dari nilai regresi linier tersebut dapat diketahui nilai modulus weibull (Subyakto, dkk.). Untuk analisis dengan distribusi Weibull, parameter-parameter yang digunakan dalam analisis ini adalah Volume

setiap serat Vo = A. L, Tensile strength (σ) dan F = (n-p)/N, dengan p adalah rerata tensile strength. Dimana jumlah Tensile Strength dibawah nilai rata-rata dibagi dengan jumlah spesimen. Dengan harga X= lnσ dan Y= ln[ln(1/(F(Vo))]. Perhitungan analisis data menggunakan Microsoft Excel.

HASIL DAN PEMBAHASAN Data hasil uji laboratorium Dengan mengetahui kadar lignin, selulose dan hemisolulose pada setiap perlakuan serat, dapat mengetahui hasil perbandingan antara ketiga perlakuan serat agave cantula Roxb. Perlakuan mana yang memiliki kadar selulosa tertinggi dapat diketahui dari uji laboratorium ini. Uji selulose dilakukan di Laboratorium Kimia Kayu Fakultas Kehutanan

Universitas Gadjah Mada. Metode pengujian ini menggunakan Gravimetris standar ASTM untuk kadar ekstraktif alcohol benzene menggunakan ASTM D 1107-56, kadar helulose menggunakan ASTM D 1104-56, kadar alfa selulose menggunakan ASTM D 1103-60 dan kadar lignin menggunakan ASTM D 1106-56. Data hasil analisis adalah sebagai berikut :

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 73

Table 1. Hasil Analisis Serat Agave Cantula Roxb

Sampel Ulangan Kadar

Air %

Ekstraktif larut

alcohol benzene

%

Holoselulose %

Alfa selulose

%

Lignin

%

NaOH 1 13,57 1,232 78,30 65,50 9,43

2 n.a 1,219 80,50 64,21 7,88

Untreatment 1 14,04 1,672 81,54 57,48 4,22

2 n.a 1,590 81,57 58,18 4,24

Heat treatment 1 12,02 0,695 82,00 55,60 6,87

2 n.a 0,685 81,78 57,62 5,25

Dari tabel di atas serat dengan perlakuan NaOH memiliki kadar selulose tertinggi dibandingkan dengan serat dengan perlakuan lain. Perlakuan Alkali tidak hanya dapat meningkatkan kekasaran permukaan yang mengakibatkan sifat mekanik yang lebih baik tetapi juga meningkatkan jumlah selulosa terpapar pada permukaan serat, sehingga meningkatkan jumlah

kemungkinan reaksi dengan bagian-bagian lain. Akibatnya, perlakuan alkali sangat meningkatkan sifat mekanik dari serat alam, terutama pada kekuatan serat dan kekakuan, hal ini juga akan meningkatkan sifat mekanik dari komposit yang dihasilkan (Navin Chan and Mohammed Fahim, 2008).

1. Data Hasil Uji Tarik a) Analisis data Dengan adanya data yang bervariasi, untuk memprediksi atau memperkirakan distribusi relatifnya digunakan analisis statistic dengan distribusi Weibull. Dari hasil grafik scater akan terbentuk nilai A dan B dengan berdasarkan nilai x yang akan diubah menjadi α dan β. Selanjutnya

akan diketahui distribusi weibull pada data uji tarik bila harga m (modulus weibull) < 1 menunjukkan bahwa data mempunyai tingkat kegagalan menurun, untuk m = 1 tingkat kegagalan konstan dan tingkat kegagalan naik untuk m > 1 (Entin Hartini, 2007). Jadi jika hasil

perhitungan distribusi weibull dari grafik di bawah nilainya kurang dari 1, maka dapat dikatakan data yang ada memiliki tingkat kegagalan yang sedikit. Perhitungan menunjukkan bahwa harga = 0,61, jadi dapat

dikatakan bahwa data uji tarik untuk serat Agave Cantula Roxb ini memiliki tingkat kegagalan menurun atau rendah. Di bawah ini ditampilkan grafik scater untuk analisis weibull dengan parameter x dan y untuk mendapatkan harga α dan β.

Untreatment

Gambar 8. Distribusi Weibull untuk untreatment

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 74

� AlkaliTreatment

Gambar 9. Distribusi weibull untuk Alkali Treatment

� Heattreatment

Gambar 10. Distribusi weibull untuk serat dengan perlakuan oven

b) Pembahasan hasil uji tarik

Tabel 2 di bawah ini menampilkan rata-rata strength, elongation dan

modulus Young untuk masing-masing perlakuan agar didapat analisis logika yang berhubungan.

Table 2. Hasil uji tarik tensile strength, elongation dan Modulus young

Treatment Tensile Strength (MPa)

Tensile Strength Minimum

(Mpa)

Elongation (ε) Modulus

Young (MPa)

Untreatment 241,26 130,25 3,29 73,40 Alkali

Treatment 261,36 164,61 1,16 226,09

Heat Treatment

256,55 129,66 2,90 88,47

Dari data di atas dapat diketahui bahwa hasil uji tarik serat Agave Cantula Roxb dengan tiga perlakuan, dengan perlakuan alkali NaOH 2% memiliki kekuatan strength yang

tinggi, elongation yang rendah dan memiliki Modulus Young yang tertinggi. Hal ini mengindikasikan bahwa serat Agave Cantula Roxb memiliki sifat yang kuat dan memiliki

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 75

elastisitas yang tinggi, karena semakin besar modulus young, maka serat tersebut semakin elastis. Mengacu dari hal tersebut disarankan untuk menjadi penguat adalah serat dengan terlebih dahulu diberi perlakuan alkali

NaOH 2%. Grafik di bawah menunjukkan hubungan antara tensile strength, elongation dan modulus young. Hubungan antara Kekuatan tarik (strength) terhadap perlakuan:

Gambar 11. Grafik strength ada setiap perlakuan serat

Hubungan antara elongation dengan perlakuan serat

Gambar 12. Grafik Elongation E terhadap perlakuan serat

Gambar 13. Grafik Modulus Young ε dengan perlakuan serat

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 76

Serat dengan perlakuan alkali NaOH memiliki kekuatan yang tinggi karena memiliki kandungan selulose yang tinggi sehingga bersifat kuat terhadap tarikan. Struktur sellulosa yang

berserat dan terdapat ikatan-ikatan hidrogen yang kuat mengakibatkan serat tahan terhadap tarikan tinggi (Sjostrom,1995 ; Beguin and Aubert, 1994).

Gambar 14. struktur serat selulosa, struktur selulosa teratur (kristalin) dan kurang teratur (amorphous) (Beguin and Aubert, 1994)

Kurniawan Sarju Ambriyanto, (2010) mengatakan bahwa selulosa adalah polimer yang tersusun dari rantai monomer glukosa melalui ikatan β(1→4). Mikrofibril selulose dalam rantai molekul yang tersusun rapi memiliki keteguhan lentur (Young’s Modulus) sekitar 138 GPa dan kekuatan tarik (tensile strenght) lebih dari 2 GPa. Sifat mekanik ini menyamai serat aramid yang dikenal sebagai serat sintetis yang kuat (Bambang Subiyanto et.al, 2006). Dalam serat, sifat hidrofilik dimiliki oleh lignin, jika komposisi lignin berkurang dan komposisi selulose bertambah, maka serat tersebut sifat hidrofiliknya berkurang, yang mana akan mampu berikatan dengan polymer yang bersifat hidrofobik. KESIMPULAN

Hasil data pengujian tarik atas serat Agave Cantuila Roxb dengan tiga perbandingan yaitu perlakuan panas dengan dioven dalam suhu 110°C selama 45 menit, perlakuan

Alkali NaOH 2% selama 6 jam dan tanpa perlakuan dapat disimpulkan bahwa kekuatan tertinggi serat ada

pada serat dengan diperlakukan alkali atau direndam dalam larutan NaOH 2% selama 6 jam. Dengan data tensile strenght rata-rata adalah 261,26 MPa, tensile strenght minimum adalah 164,61 MPa. Hal ini dikarenakan kandungan α selulose dalam serat

dengan perlakuan NaOH memiliki prosentase yang paling tinggi dibandingkan dengan serat dengan tanpa perlakuan dan dengan perlakuan panas. DAFTAR PUSTAKA Burrow, M. F., Thomas, D., Swain, M.

V. dan Tyas, M. J., 2004, Analysis of Tensile Bond Strengths Using Weibull Statistics, science direct, Vol.

Hartini, E., Susmikanti, M. dan Sitompul, A., 2007, Analisis Statistik Untuk Kegagalan Pada Kekuatan Bahan Menggunakan Distribusi Weibull, Sains Material Indonesia, Vol, pp.299-301.

Subyakto, herminati, E., Yanto, D. H. Y., Fitria, Budiman, I., Ismadi, Maruchin, N. dan Subiyanto, B., 2009, Proses Pembuatan Serat Selulosa Berukuran Nano Dari

Agri-tek Volume 13 Nomor 2 September 2012 ANALISIS PENGARUH PERLAKUAN.. 77

Sisal (Agave Sisalana) Dan Bambu Betung (Dendrocalamus Asper), Berita Selulosa, Vol 44, no. 2, pp.57-65.

Thimothi Thamae and Caroline Bailillie, 2007, Influence of Fibre Extraction Method, Alkali and Silane Treatment on The Interface of Agave Americana Waste HDPE Composite as Possible Roof Ceilings in Lesotho, Composite Interface, Vol. 14, No. 7 - 9, pp. 821 - 836.

Fabio Pereira, Fabiana Vieira, Luiz de Castro and Ricardo Michel, 2010, The Influence of Sample Preparation on The Strenght result of a Pan-Based Carbon Fiber, Chemistry and Chemical technology, Vol.4, No.4.

Beguin, P. and Aubert, J. P. 1994. Thebiological degradation of cellulose. FEMS Microbiology Reviews, 13, 25-58.

Navin Chan and Mohammed Fahim, 2008, Tribology of Natural Fiber Polymer Composites,Woodhead Publishing in Materials Cambridge, England

Kurniawan Sarju Ambriyanto, 2010, Isolasi Dan Karakterisasi Bakteri Aerob Pendegradasi Selulosadari Serasah Daun Rumput Gajah (Pennisetum purpureum Schaum), Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya