Kartika Sari/Karakterisasi Sifat Termal Fiberglass Dengan Filler Serat Sansivieria Trifasciata 75

[Type text]

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823

KARAKTERISASI SIFAT TERMAL FIBERGLASS DENGAN FILLER SERAT SANSIVIERIA TRIFASCIATA Kartika Sari Dosen Program Studi Fisika Jurusan MIPA FST Universitas Jenderal Soedirman Email : tikasari1571@gmail.com

ABSTRAK - Karakterisasi sifat termal dari fiberglass berfiller serat lidah mertua dilakukan untuk menentukan konduktivitas panas dan panas jenis dari komposit yang akan dihasilkan. Sifat termal tersebut ditentukan olehfraksi volume dan arah susunan filler yang digunakan. Pemanfaatan bahan pengisi organik bertujuan untuk mengurangi penggunaan bahan kimia yang dapat merusak lingkungan. Fraksi volume yang digunakan 20% dan 50% dengan pola susunan serat searah dan dua arah. Komposit dengan susunan dua arah dapat meningkatkan sifat termal dari komposit. Hal ini disebabkan karena filler dapat mengisi secara homogen di dalam matrik, sehingga tidak ada rongga-rongga di antara filler dan matrik. Komposit dengan perbandingan komposisi serat dengan matrik sebesar 50%:50% menghasilkan konduktivitas panas dan panas jenis tertinggi yaitu 0,099 W/mK dan 1,907 J/gK.

Kata kunci : komposit, serat sansivieria trifasciata, fraksi volume, konduktivitas termal, panas jenis

ABSTRACT - Characterization of the thermal properties of fiberglass fibers berfiller Sansivieria Trifasciata performed to determine the thermal conductivity and specific heat of the composite to be produced. Thermal properties are determined by the volume fraction of filler composition and direction is used. Utilization of organic filler aimed at reducing the use of chemicals that can harm the environment. Volume fractions were used 20% and 50% with the patterns in unidirectional and bi-directional fibers. Composites with a two-way arrangement can improve the thermal properties of the composites. This is because the filler can fill homogeneously in the matrix, so that there are no voids between the filler and the matrix. Composites with fibers with a matrix composition ratio of 50%: 50% heat conductivity and specific heat at highest 0.099 W / m K and 1.907 J / g K.

Keywords: composite, fiber sansivieria trifasciata, volume fraction, thermal conductivity, specific heat.

I. PENDAHULUAN Jenis komposit yang telah banyak terdapat di pasaran

adalah komposit dari serat gelas atau fiberglass.Fibeglass yang saat ini terdapat di pasaran adalah jenis fiberglass polycarbonate dengan spesifikasi konduktivitas panas dan panas jenisnya adalah 0,19-0,22 W/mK dan 1,2 J/gK.

Fiberglass dengan filler serat alami haruslah memiliki massa jenis yang rendah, mampur terbiodegradasi, harga lebih murah dan ramaha lingkungan. Serat alami dari tanaman dipilih karena ketersediaannya yang cukup banyak dan masih belum dimanfaatkan secara optimal seperti eceng gondok[1], serat daun pandan alas[2], serabut kelapa[3], dan serat batang pisang[4]. Serat Sansivieria Trifasciata dipilih sebagai filler karena memiliki densitas yang rendah dengan matrik epoksi resin. Menurut Schwartz[4], serat dalam struktur komposit harus memiliki modulus elastisitas tinggi, kekuatan yang seragam di antara serat, stabil selama proses produksi dan diamer serat yang seragam.

Untuk matrik menurut Gibson[5] , dalm struktur komposit bisa berasal dari bahan polime, logam, maupun keramik. Matrik yang dipilih umumnya adalah matrik yang memiliki ketahanan panas yang tinggi karena fungsi matrik

adalah mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur, melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan, mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat.

Adapun sifat termal material sangatlah bergantung terhadap perubahan suhu. Jika suhu berubah, maka akan terjadi pergerakan molekul akibat suhu yanga akan mengubah struktur molekulnya[6]. Sifat termal yang penting dari suatu material meliputi konduktivitas termal, panas jenis, temperatur transisi gelas, melting point dan temperatur degradasi atau dekomposisi. Temperatur degradasi menunjukkan temperatur saat material uji mengalami kehilangan massa dan berubah fasa menjadi gas[7].

Panas terjadi akibat adanya aktivitas termal pada partikel penyusun bahan berupa getaran partikel. Getaran partikel tersebut dapat menyebabkan perpindahan panas dari daerah bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur rendah dalam suatu bahan[8,9]. Dalam bahasan tentang material padat, perpindahan kalor yang terjadi adalah perpindahan kalor secara konduksi. Jika sejumlah kalor dQ mengalir pada suatu bahan dengan rentang waktu dt, maka laju aliran kalornya adalah sebesar dQ/dt dan disimbolkan dengan H. Hasil

76

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI

eksperimen menunjukkan bahwa laju aliran kalor sebanding dengan luasan dan negatif gradien temperaturnya

H adalah laju aliran kalor (W), K adalah konduktivitas termal dari bahan (W/m.K), A adalah luas permukaan (mT/x menyatakan perubahan temperatur bahan dengan ketebalan x dan tanda negatif menunjukkan arah aliran kalor dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Skema distribusi temperatur dan aliran kalor pada suatu bahan ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1. Skema distribusi temperatur dan aliran kalor pada suatu bahan[4]

Konduktivitas termal merupakan suatu besaran yang menunjukkan kemampuan suatu bahan padat dalam menghantarkan panas. Konduktivitas termal merupakan jumlah panas yang dialirkan tiap satuan luas dan satuan ketebalan dari suatu bahan dalam satuan waktu dengan perubahan sebesar satu satuan suhu[10].persamaan (1), maka diperoleh [11,12] :

Jika tebal bahan x adalah panjang lintasan d terjadi perubahan temperatur, maka konduktivitas termal bahan dapat dihitung melalui persamaan (3)[12

Jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur bahan bermassa m dari T1 ke T2 akan sebanding dengan perubahan temperaturnya (T) itu sendiri. Massa dan sifat alami suatu bahan juga dapat mempengaruhi jumlah panasnya. Panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur 1 kg air sebesar 1C adalah sebanyak 4190 J sedangkan untuk meningkatkan temperatur 1 kg aluminium sebesar 1C hanya memerlukan panas sebanyak 910 J. Berdasarkan hubungan tersebut, dapat dirumuskan :

dengan c adalah panas jenis bahan (J/kg.K), yaitu suatu besaran yang dimiliki oleh setiap bahan. Panas dimiliki oleh setiap bahan pada umumnya berbedaPada keadaan dengan perubahan temperatur yang sangat kecil, maka jumlah panas dirumuskan pada persamaan (5)[12] :

Kartika Sari/Karakterisasi Sifat Termal Fiberglass Dengan Filler Serat Sansivieria Trifasciata

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823

eksperimen menunjukkan bahwa laju aliran kalor sebanding dengan luasan dan negatif gradien temperaturnya[10].

1)

H adalah laju aliran kalor (W), K adalah konduktivitas permukaan (m2),

x menyatakan perubahan temperatur bahan dengan ketebalan x dan tanda negatif menunjukkan arah aliran kalor dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Skema distribusi temperatur dan aliran kalor pada suatu

Skema distribusi temperatur dan aliran kalor pada suatu

Konduktivitas termal merupakan suatu besaran yang menunjukkan kemampuan suatu bahan padat dalam menghantarkan panas. Konduktivitas termal merupakan

yang dialirkan tiap satuan luas dan satuan ketebalan dari suatu bahan dalam satuan waktu dengan

]. Berdasarkan

2)

x adalah panjang lintasan d selama terjadi perubahan temperatur, maka konduktivitas termal

[12]. 3)

Jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan akan sebanding

T) itu sendiri. Massa dan sifat alami suatu bahan juga dapat mempengaruhi jumlah panasnya. Panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur 1 kg air sebesar 1C adalah sebanyak 4190 J

ngkatkan temperatur 1 kg aluminium sebesar 1C hanya memerlukan panas sebanyak 910 J. Berdasarkan hubungan tersebut, dapat dirumuskan :

4)

dengan c adalah panas jenis bahan (J/kg.K), yaitu suatu besaran yang dimiliki oleh setiap bahan. Panas jenis yang dimiliki oleh setiap bahan pada umumnya berbeda-beda. Pada keadaan dengan perubahan temperatur yang sangat

pada persamaan

Metode pengukuran panas jenis melalui Scanning Calorimetry (DSC) dilakukan dengan menentukan laju pemanasan (dT/dt) dan laju aliran kalor (dQ/dt) pada bahan. Oleh karena itu, laju aliran kalor pada bahan dirumuskan[12] :

dan panas jenis bahan dapat dihitung persamaan (7)[12].

c adalah panas jenis bahan (J/kg.K), m adalah massa bahan (kg), dQ/dt adalah laju aliran kalor (J/s) dan dT/dt adalah laju pemanasan (K/s).

II. METODE PENELITIAN Pembuatan komposit terdiri dari filler

fraksi volume serat 20% dan 50% dari volume cetakan untuk masing-masing susunan serat. Fraksi volume material penyususn dengan persamaan :

Vm = 100% - VDengan Vf dan Vm adalah fraksi volume serat dan volume matrik (%). Kemudian, serat Sansivieria Trifasciata disusun searah dan dua arah. Baru epoksi resin dituangkan di atas serat dan didiamkan selama 12 jam sampai mengeras sehingga membentuk fiberglass. Setelah fiberglas dengan filler serat Sansivieria Trifasciata diuji dengan Linseis STA PT1600. Ketika H positif, berarti arah aliran kalor menuju ke sampel dan terjadi proses endoterm. arah aliran kalor keluar dari sampel dan terjadi proses eksoterm. Kemudian dilakukan pemanasan hingga diperoleh suhu degradasi dengan kecepatan pemanasan (100C per menit.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari data yang diperoleh dari alat DSC yang digunakan

diperoleh Gambar 2., Gambar 3., gambar 4., dan Gambar 5. Pada Gambar 2. dan Gambar 3. merupakan komposit

dengan fraksi volume 20% dan berat 20 mg dengan susunan serat searah dan dua arah . Temperatur degradasi untuk setiap sampel komposit berada pada rentang temperatur 300 0C. Degradasi merupakan peristiwa kehsampel uji dilakukan pemanasan pada temperatur yang sangat tinggi.

Dengan menggunakan persamaan kondukstivitas panas untuk serat searah dengan fraksi volume 20% sebesar 0,032 W/m.K. dan p0,904 J/g.K

Konduktivitas panas untuk serat dua arah dengan fraksi volume 20% sebesar 0,070 W/m.K J/g.K dan 1,206 J/g.K.

Sedangkan untuk Gambar 4. dan Gambar 5. merupakan grafik dari fraksi volume 50% serat Sansivieria Trifasciata dengan berat 20 mg.

Karakterisasi Sifat Termal Fiberglass Dengan Filler Serat Sansivieria Trifasciata

5) Metode pengukuran panas jenis melalui Differential

(DSC) dilakukan dengan menentukan laju pemanasan (dT/dt) dan laju aliran kalor (dQ/dt) pada bahan. Oleh karena itu, laju aliran kalor pada bahan

6)

dan panas jenis bahan dapat dihitung menggunakan

7)

c adalah panas jenis bahan (J/kg.K), m adalah massa bahan (kg), dQ/dt adalah laju aliran kalor (J/s) dan dT/dt adalah

Pembuatan komposit terdiri dari filler dan matrik dengan fraksi volume serat 20% dan 50% dari volume cetakan untuk

masing susunan serat. Fraksi volume material

Vf 8) adalah fraksi volume serat dan fraksi

volume matrik (%). Kemudian, serat Sansivieria Trifasciata disusun searah dan dua arah. Baru epoksi resin dituangkan di atas serat dan didiamkan selama 12 jam sampai mengeras

Setelah fiberglas dengan sivieria Trifasciata diuji dengan Linseis STA

H positif, berarti arah aliran kalor menuju dan terjadi proses endoterm. Ketika H negatif,

arah aliran kalor keluar dari sampel dan terjadi proses anasan hingga diperoleh

suhu degradasi dengan kecepatan pemanasan (heating rate)

Dari data yang diperoleh dari alat DSC yang digunakan diperoleh Gambar 2., Gambar 3., gambar 4., dan Gambar 5.

Pada Gambar 2. dan Gambar 3. merupakan komposit dengan fraksi volume 20% dan berat 20 mg dengan susunan

Temperatur degradasi untuk setiap sampel komposit berada pada rentang temperatur 300 C. Degradasi merupakan peristiwa kehilangan massa

sampel uji dilakukan pemanasan pada temperatur yang

Dengan menggunakan persamaan (3) diperoleh kondukstivitas panas untuk serat searah dengan fraksi

. dan panas jenis sebesar

Konduktivitas panas untuk serat dua arah dengan fraksi 0,070 W/m.K danpanas jenis 0,904

Gambar 4. dan Gambar 5. merupakan grafik dari fraksi volume 50% serat Sansivieria Trifasciata

Kartika Sari/Karakterisasi Sifat Termal Fiberglass Dengan Filler Serat Sansivieria Trifasciata 77

[Type text]

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823

Gambar 2. Serat Searah

Gambar 3. Serat Dua Arah

Gambar 4. Serat Searah

Gambar 4. Komposit dengan serat searah dengan fraksi volume 50% terlihat bahwa terjadi degaradasi suhu pada 150 0C. Konduktivitas panas yang dihasilkankomposit untuk serat searah dengan fraksi volume 50% diperoleh 0,072 W/m.K. dan panas jenis sebesar 1,733 J/g.K.

Gambar 5. Serat Dua Arah

Gambar 5. Komposit dengan susunan serat dua arah menghasilkan konduktivitas panas sebesar 0,099 W/m.K. Sedangkan panas jenis sebesar 1,907 J/g.K.

Fiberglass dengan susunan serat dua arah bersifat lebih konduktif dibandingkan dengan susunan serat searah. Hal ini disebabkan oleh rongga udara yang terbentuk semakin berkurang karena filler dengan susunan serat dua arah memiliki kerapatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan susunan serat searah. Sehingga perambatan panas dapat berlangsung tanpa melalui hambatan rongga-rongga udara yang terdapat pada fiberglass.

Panas jenis fiberglass yang dihasilkan dengan serat dua arah lebih besar dibandingkan dengan susunan serat yang searah, disebabkan oleh penambahan jumlah filler dengan susunan yang semakin rapat berfungsi untuk mereduksi perbedaan suhu pada fiberglasss, sehingga panas jenisnya meningkat.

IV. KESIMPULAN Diperoleh kesimpulan bahwa konduktivitas panas dan

panas jenis dari fiberglass berfiller Sansivieria Trifasciata meningkat dengan adanya penambahan fraksi volume serat Sansivieria Trifasciata. Konduktivitas panas dan panas jenis maksimum pada saat fraksi volume serat 50% dengan susunan serat dua arah yaitu 0,099 W/m.K dan 1,907 J/g.K.

UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih diberikan kepada Universitas

Jenderal Soedirman yang telah memberikan kesempatan

78 Kartika Sari/Karakterisasi Sifat Termal Fiberglass Dengan Filler Serat Sansivieria Trifasciata

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013 ISSN : 0853-0823

kepada penulis untuk menghasilkan penelitian melalui Penelitian RISET PEMULA tahun 2012.

PUSTAKA [1] Purboputro, P., Pengaruh Panjang Serat terhadap

Kekuatan Impak Eceng Gondok dengan Matrik Poliester, Jurnal Media Mesin, Vol. 7 No. 2, hlm. 70-76, 2006.

[2] Mujiyono dan Nurhadiyanto, D., Pemanfaatan Serat Daun Pandan Alas sebagai Pengisi Alternatif Pengganti Fiberglass, Jurnal Media Teknik, No. 1 Tahun XVIII, Februari 2006, hlm. 61-69, 2006.

[3] Jufri, M., Pembuatan Komposit Berbasis Polyester dengan Penguat Serat Alam, Penelitian Berorientasi dan Berbasis Produk, Fakultas Teknik UMM, Malang, 2007.

[4] Boimau, K., Pengaruh Fraksi Volume dan Panjang SeratBending Komposit Poliester yang Diperkuat Serat Batang Pisang, Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9, Palembang, 2010.

[5] Ogazic, E., Corrosion Inhibition of Aluminium in Acidic and Alkaline Media By Sansevieria trifasciata Extract, Journal Corrosion Science, hlm. 1527-1539, 2007.

[6] Kartini, R., Pembuatan dan Karakterisasi Komposit Polimer Berpenguat Serat Alam, Skripsi, Fakultas MIPA, IPB, Bogor, 2002.

[7] Mutnuri, B., Thermal Conductivity Characterization of Composite Materials, Thesis, Department of Mechanical Engineering, West Virginia University, Morgantown, 2006.

[8] Cecen, V., Thermal Properties and Mechanical Anisotropy in Polymer Composite, Thesis, Mechanical Engineering, Dokuz Eylul University, Turkish, 2006.

[9] Saito, S. dan Surdia, T., Pengetahuan Bahan Teknik, Pradnya Paramita, Jakarta, 2000.

[10] Blaine, R. L and Marcus, S. M., Thermal Conductivity

of Polymers, Glasses and Ceramics by Modulated DSC, Journal of Thermal Analysis and Rheology.

[11] Oneill, M. J., Measurement of Specific Heat Functions by Differential Scanning Calorimetry, Journal Analytical Chemistry, Volume 38 Nomor 10 September 1966, page 1331-1335, 1966.

[12] Sari, L. N., Differential Scanning Calorimetry (DSC), Jurnal, Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta.

TANYA JAWAB

Perdamean S, LIPI ? a. Arah senar pengaruhnya terhadap konduktivitas gimana?

b. Apakah yang baik nilainya yang kecil atau besar dan kenapa nilai dari referensinya?

Kartika Sari, Fisika - UNSOED a. Mengurangi panas

b. Kecil dan dibandingkan dengan referensi.

Muhammad Nur, FSM - UNDIP ? Apa yang digunakan sebagai perekat?

Kartika Sari, Fisika - UNSOED Epoksi Resin

Prijo Sardjono, Pusat Penelitian Fisika - LIPI ? Serat yang digunakan dari tumbuhan apa?

Kartika Sari, Fisika - UNSOED Daun Sansevieria Trifasciata