PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT PADA SIFAT MEKANIS …/Pengaruh... · kesempurnaan hasil dan laporan...

PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT PADA

SIFAT MEKANIS KOMPOSIT UNSATURATED POLYESTER

YANG DIPERKUAT SERAT KENAF

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

WISNU HERNANDAR NIM. I0499005

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA 2004

PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT PADA SIFAT MEKANIS KOMPOSIT UNSATURATED POLYESTER


Disusun oleh :

Wisnu Hernandar NIM. I0499005

Dosen Pembimbing

Ir. Wijang Wisnu R, MT NIP. 132 231 469

Dody Ariawan, ST, MT NIP. 132 230 848

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari kamis tanggal 29 Juli 2004 1. 2.

Bambang Kusharjanta, ST, MT NIP. 132 162 023 Joko Triyono, ST, MT NIP. 132 161 220

……………………............ …………………………….

Mengetahui,

Pembantu Dekan I

Ir. Paryanto, MS NIP. 131 569 244

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Agustinus Sujono, MT NIP.131 472 632

Langkah awal untuk meraih keberhasilan adalah menerima kenyataan bahwa

tidak ada yang dapat menggantikan kerja keras

(My beloved mother)

Karya ini kupersembahkan dengan sepenuh jiwaku kepada :

Ibundaku tercinta disurga… andai engkau melihat apa yang telah kucapai sekarang…

ketika semua sungguh tak mudah tanpamu… …ibu pasti kan bangga…

…andai…

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr.Wb.

Pertama-tama penulis memanjatkan puji dan syukur kehadirat Allah SWT

yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat

menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Penulis juga menyadari bahwa tulisan

ini masih mempunyai banyak kekurangan, oleh karena itu penulis selalu

mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan

tugas akhir ini.

Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Agustinus Sujono, MT selaku ketua Jurusan Teknik Mesin FT

UNS Surakarta.

2. Bapak Ir. Wijang Wisnu Raharjo, MT selaku dosen pembimbing tugas

akhir yang telah banyak memberikan masukan dan koreksi demi

kesempurnaan hasil dan laporan penelitian.

3. Bapak Dody Ariawan, ST, MT selaku dosen pembimbing tugas akhir yang

telah memberikan bantuan arahan dan koreksi selama penyusunan laporan

tugas akhir ini.

4. Iman Soedarsono, ayahandaku tercinta. Sujud syukurku atas semua kasih

sayang, pengorbanan dan petuah-petuah bijakmu sehingga ananda bisa

mencapai semua ini.

5. Widi Hermansyah, adikku tersayang yang telah menemaniku bersama-

sama menjalani berbagai kesulitan hidup.

6. Rekan-rekan di unit PUC PT. Bank Negara Indonesia (Persero) Tbk.

Kantor Cabang Surakarta. Thanks for all the beautiful moments !

7. Rekan-rekan komposit seperjuangan, ada Barokah, Woro, Zaki, Mascuk.

Terus maju !

8. Teman-teman baikku, Bowo, BomBom (you teach me about life), Aa Gun

(still looking for someone?), makasih untuk bantuan tulus kalian…

9. Seluruh rekan-rekan di Teknik Mesin UNS ’99. I’m just nothing without

you, guys…..

10. Anak-anak BENSIN (Band-nya anak Mesin), Kurnia Dien, Hendi, Edi,

Harry Puter. Rock ‘em all! Lets do something wild guys…

11. Hendro Setya Wibowo, SP. Sahabat terbaikku. Just can’t wait to see u

again…

12. Teman-teman FRANIDA community, Edy (Aja turu bae!), Keman SE,

Udik Salep, Itenk (masa depanmu layak diperjuangkan!), Si Gondrong

Dangdut Idrus, Jarot A.Md (duet mawut ‘99), Manti “Conscrypt”.

13. Saudara-saudaraku di Sabilarrosyad yang telah memberikan warna indah

pada hari-hariku selama ini. Cak Lek, Asigit ST (cepet kerja Bang !), Jalil

(thanks a lot for the printer!), Rohmat, Joko Sukit, Starmoon, dek Ari W,

Frida, dek Indah, dek Nia Kacamata, Lulu’ maniez, Kiki, Wahyu, dan

semuanya yang tak bisa kusebut satu persatu. Aljzkl !!!

14. Teman-teman yang udah duluan lulus, Anton, As’ad, Dodo, Erwin, Yuri,

Rince Agustin (bahagiaku untuk dirimu…), mbak Liz, mbak Arifah, mbak

Erli. Sukses buat kalian…

15. Rahyll Community, Yoen, mbak Dyah, Diana, Enjang, Tari, Rina,

dan…ehm princess Reni (ssttt…we have secret to keep, OK?).

16. Ivana Ariani. No matter what happen, you’re always be my sunshine…

17. Semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung turut

membantu terselesaikannya tugas akhir ini.

Semoga Allah SWT membalas amal baik bapak-bapak dan rekan-rekan

sekalian, Amin.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Surakarta, Juli 2004

Wisnu Hernandar

PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT PADA SIFAT MEKANIS KOMPOSIT UNSATURATED POLYESTER


(Wisnu Hernandar, I0499005)

ABSTRAK

Penelitian ini mengemukakan tentang sifat tarik dan lengkung komposit unsaturated polyester yang diperkuat serat kenaf lokal dalam bentuk serat panjang dan searah serta pengaruh fraksi volume serat terhadap permukaan patah tarik dan lengkung. Pelaksanaan pengujian tarik dan lengkung komposit menggunakan metode ASTM D3039 dan D790. Kekuatan tarik dan modulus Young dari serat kenaf adalah sebesar 380.4 MPa dan 16.3 GPa. Kekuatan tarik menunjukkan peningkatan secara linear seiring dengan fraksi volume serat, hal sama juga terjadi pada modulus tarik. Kekuatan lengkung juga mengalami peningkatan secara linear seiring dengan fraksi volume serat, begitu juga dengan modulus lengkung komposit. Penyebab utama pada kasus ini adalah ikatan antara serat dan matrik yang relatif baik didalam komposit. Sedangkan untuk analisa permukaaan patah menunjukkan bahwa pull-out serat dan kerusakan interfacial mempengaruhi kekuatan komposit. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa serat kenaf memiliki potensi untuk digunakan sebagai penguat plastik dalam rangka mendapatkan material yang murah namun memilki kekuatan yang tinggi. Kata kunci : komposit unsaturated polyester, serat kenaf, fraksi volume serat, sifat

mekanik.

THE EFFECT OF FIBER VOLUME FRACTION ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF KENAF FIBER – REINFORCED UNSATURATED POLYESTER COMPOSITE

(Wisnu Hernandar, I0499005)

ABSTRACT

This research investigates the tensile and flexural behavior of unsaturated polyester composites reinforced with continuous unidirectional kenaf fiber plant origin and effect of fiber volume fraction on the tensile and bending fracture surface. Tensile and flexural test in this research use some methods according to ASTM D3039 and ASTM D790. The tensile strength and Young’s modulus of kenaf fiber is approximately 380.4 MPa and 16.3 GPa, respectively. Tensile strength of composites are increasing linearly with fiber volume fraction (vf) and the result shows good agreement with the Young’s modulus. The flexural strength are also increasing linearly with vf and the result also shows a good agreement with the flexural modulus of elasticity. The major cause of this case is because of the good interfacial bonding between the fiber and matrix. The analysis of fracture indicates that fiber pull out and interface fracture are the major influences towards the high strength of these composites. The results of this research show that kenaf fiber have potentials reinforcing fillers in plastics in order to produce inexpensive materials with a high strength. Keywords : unsaturated polyester composites, kenaf fiber, fiber volume fraction,

mechanical properties.

DAFTAR ISI

Halaman Judul…………………………………………………………………. Halaman Pengesahan…………………………..………………………………. Motto …………………………………………………………………………... Halaman Persembahan……………….…………………………….................... Kata Pengantar…………………………………………………………………. Abstrak………………………………………………………………………..... Abstract………………………………………………………………………… Daftar Isi……………………………………………………………………….. Daftar Tabel……………………………………………………………………. Daftar Gambar…………………………………………………………………. BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang………………………………………………………. 1.2. Maksud dan Tujuan………………………………………………….. 1.3. Batasan Masalah……………………………………………………... 1.4. Hipotesis……………………………………………………………... 1.5. Sistematika Penulisan………………………………………………...

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kajian Yang Telah Dilakukan……………………………………….. 2.2. Komponen Penyusun Komposit Serat………………………………

2.2.1. Matrik Unsaturated Polyester…………………………… 2.2.2. Penguat / Serat…………………………………………… 2.2.3. Katalis…………………………………………………….

2.3. Metode Fabrikasi Komposit Serat…………………………………… 2.4. Sifat-Sifat Fisik Komposit Serat…………………………………….. 2.5. Aspek Geometris……………………………………………………..

BAB III METODE DAN CARA PENELITIAN 3.1. Alat dan Bahan………………………………………………………. 3.2. Variasi Penelitian……………………………………………………. 3.3. Cara Penelitian………………………………………………………. 3.4. Bentuk dan Ukuran Spesimen………………………………………..

3.4.1. Uji Tarik Serat Tunggal………………………………….. 3.4.2. Uji Tarik Komposit………………………………………. 3.4.3. Uji Lengkung Komposit………………………………….

BAB IV PEMBAHASAN 4.1. Densitas dan Fraksi Volume Serat…………………………………... 4.2. Sifat Mekanis…………………………………………………………

4.2.1. Kekuatan Tarik Serat Kenaf……………………………... 4.2.2. Kekuatan dan Modulus Tarik Komposit…………………. 4.2.3. Kekuatan dan Modulus Lengkung Komposit…………….

i ii iii iv v vi vii viii ix x 1 2 2 2 3 4 6 6 9 13 13 14 17

25 26 26 30 30 30 31

32 33 33 34 42

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan…………………………………………………………... 5.2. Saran………………………………………………………………….

DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………….. LAMPIRAN…………………………………………………………………….

47 47

xi

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Sifat resin 157 BQTN-EX setelah mengeras……………………….. Tabel 2.2. Sifat Fisik Laminat resin 157 BQTN-EX…………………………... Tabel 2.3. Parameter dimensi serat…………………………………………….. Tabel 2.4. Komposisi kimia kenaf……………………………………………... Tabel 4.1 Tabel data densitas serat, matrik dan komposit…………………….. Tabel 4.2 Tabel data fraksi volume serat teoritis dan eksperimen…………….. Tabel 4.3 Perbandingan kekuatan mekanis serat alam yang sering digunakan.. Tabel 4.4 Perbandingan KFRP dengan komposit serat alam lain……………...

7 8 12 12 32 33 33 38

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Tanaman Kenaf………………………………………………….. Gambar 2.2 Hand Lay Up / Contact Moulding………………………………. Gambar 2.3 Lamina unidirectional dengan serat kontinyu…………………… Gambar 2.4 Komposit lamina serat serba searah dibawah pembebanan

longitudinal……………………………………………………… Gambar 2.5 Kurva hubungan tegangan –regangan pada kondisi εm

* > εf*…...

Gambar 2.6 Kurva hubungan fraksi volume serat komposit dengan kekuatan tarik longitudinal pada kondisi εm

* < εf*…………………………

Gambar 2.7 Grafik hubungan tegangan-regangan pada kondisi εm* < εf

*……. Gambar 2.8 Grafik hubungan fraksi volume serat komposit dengan kekuatan

tarik longitudinal pada kondisi εm* < εf

*………………………… Gambar 2.9 Gaya lengkung F ysng bekerja pada spesimen ketika pengujian

lengkung…………………………………………………………. Gambar 2.10 Penampang spesimen bentuk square……………………………. Gambar 2.11 Beban terpusat pada simply supported beam……………………. Gambar 3.1. Skema pengujian densitas komposit……………………………... Gambar 3.2 Skema alur penelitian…………………………………………….. Gambar 3.3 Model spesimen uji tarik serat tunggal…………………………... Gambar 3.4 Bentuk spesimen uji tarik KFRP…………………………………. Gambar 3.5 Uji lengkung KFRP………………………………………………. Gambar 4.1 Grafik kekuatan tarik (σmaks) – fraksi volume serat (vf)………….. Gambar 4.2 Grafik modulus tarik (Emaks) – fraksi volume serat (vf)………….. Gambar 4.3 Perbandingan kekuatan tarik komposit teoritis dan eksperimen…. Gambar 4.4 Perbandingan modulus tarik komposit teoritis dan eksperimen…. Gambar 4.5 Foto makro permukaan patah tarik KFRP vf = 0.25,

Perbesaran 25X………………………………………………….. Gambar 4.6 Foto makro permukaan patah tarik KFRP vf = 0.32,




Perbesaran 25X………………………………………………….. Gambar 4.10 Foto makro penampang lintang KFRP (a).vf = 0.25,

(b).vf = 0.68, Perbesaran 110X………………………………….. Gambar 4.11.Grafik kekuatan lengkung (σb maks) – fraksi volume serat(vf)…... Gambar 4.12 Grafik modulus lengkung(Elengkung) – fraksi volume serat (vf)…. Gambar 4.13 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf = 0.25,

Perbesaran 12.5X………………………………………………... Gambar 4.14 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf = 0.32,

Perbesaran 12.5X………………………………………………... Gambar 4.15 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf = 0.41,

Perbesaran 12.5X………………………………………………...

11 14 17

18 18

19 20

20

21 22 23 27 29 30 30 31 34 35 36 37

39

39

39

40

40

41 42 43

44

44

45

Gambar 4.16 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf =0. 53, Perbesaran 12.5X………………………………………………...

Gambar 4.17 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf =0. 68, Perbesaran 12.5X………………………………………………...

45

45

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Penggunaan material komposit sebagai material alternatif sangat

menjanjikan karena berbagai keunggulannya dibandingkan dengan material

yang hanya tersusun dari satu jenis material atau monolitik.

Komposit serat sebagai salah satu bagian dari keluarga besar komposit

adalah jenis komposit yang sedang menjadi topik utama dalam produksi

komposit saat ini. Diantara berbagai macam komposit serat, jenis yang paling

banyak diproduksi untuk berbagai keperluan ialah komposit serat gelas atau

GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics). Hal ini dikarenakan berbagai

keunggulannya yaitu selain harga serat gelas sebagai serat sintetis paling

murah juga serat gelas paling banyak diproduksi.

Namun diantara seringnya penggunaan GFRP sebagai material

pilihan, ternyata produksi serat sintetis seperti GFRP memiliki berbagai

kelemahan terutama limbahnya yang tidak biodegradable selain itu juga

kesehatan operator terancam jika tidak memperhatikan tindakan keamanan.

Hal ini dikarenakan ukuran serat gelas yang sangat kecil dan hampir tidak

kasat mata, serat gelas dapat masuk ke pori-pori kulit maupun terhirup tanpa

disadari. Dengan demikian, jika memperhatikan faktor-faktor tersebut diatas

maka proses produksi GFRP harus benar-benar dikontrol dengan ketat dan

tentu saja ini memerlukan biaya cukup besar sehingga proses ini tidak dapat

dilakukan oleh pengusaha-pengusaha kecil.

Dengan pertimbangan-pertimbangan diatas maka penulis memandang

bahwa perlu dilakukan penelitian mengenai komposit serat alam sebagai serat

alternatif untuk menggantikan serat sintetis terutama untuk struktur yang

tidak memerlukan kekuatan tinggi (low performance structure) karena

bagaimanapun juga kalau ditinjau dari segi kekuatan dan rekayasa, serat

sintetis jauh lebih unggul dibandingkan dengan serat alam.

Serat yang dipilih dalam penelitian ini adalah serat kenaf (Hibiscus

Cannabinus L) yang merupakan salah satu jenis serat alam yang saat ini

banyak diproduksi dan dipergunakan untuk keperluan pembuatan pulp dan

karung goni. Kelebihan serat ini antara lain mudah diproduksi, memiliki

kekuatan tarik yang cukup tinggi, biaya pemeliharaan tanaman rendah (masa

tanamnya pendek) dan jauh lebih aman jika dibandingkan dengan serat gelas.

Untuk selanjutnya dalam penelitian ini komposit serat kenaf akan disingkat

KFRP (Kenaf Fiber Reinforced Plastics). Penyebutan ini hanya berlaku

didalam skripsi ini dan tidak sesuai dengan standar istilah yang baku.

1.2. Maksud dan Tujuan

Penyusunan tugas akhir ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan

kelulusan sarjana S-1 di jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Sebelas Maret Surakarta. Sedangkan tujuan dari penelitian tugas akhir ini

adalah :

1. Meneliti pengaruh fraksi volume serat terhadap kekuatan tarik dan

lengkung KFRP.

2. Meneliti pengaruh fraksi volume serat terhadap permukaan patah tarik

dan lengkung KFRP.

1.3. Batasan Masalah

Penelitian ini hanya meneliti sifat-sifat mekanik komposit lamina

dengan serat serba searah dibawah pembebanan longitudinal dengan penguat

serat kenaf yang terdiri atas kekuatan tarik dan kekuatan lengkung metode

tiga titik. Bentuk ,dimensi spesimen uji dan standar pengujian menggunakan

standar ASTM.

1.4. Hipotesis

Dalam penelitian ini, dapat diberikan hipotesis bahwa komposit

dengan penguat serat kenaf akan mengalami peningkatan kekuatan dan

modulus baik tarik maupun lengkung seiring dengan semakin meningkatnya

fraksi volume serat didalam komposit.

1.5. Sistematika Penulisan

Penulisan skripsi ini disusun dengan sistematika sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Berisi latar belakang, maksud dan tujuan serta batasan masalah dalam

pemyusunan skripsi.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Terdiri atas uraian mengenai dasar teori (kajian pustaka) tentang komposit

serat dan kajian-kajian yang sudah dilaksanakan sebelumnya.

BAB III METODE DAN CARA PENELITIAN

Menguraikan tentang alur penelitian, variasi penelitian, material yang

digunakan, bentuk spesimen uji serta alat-alat yang digunakan dalam

penelitian ini.

BAB IV PEMBAHASAN

Berisi tentang pembahasan terhadap hasil pengujian yang telah dilakukan

yang meliputi pembahasan uji tarik serat tunggal, uji tarik komposit,

pembahasan uji lengkung serta pembahasan permukaan patah tarik dan

lengkung.

BAB V PENUTUP

Berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian dan saran berkisar tentang

penelitian ini.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Kajian Yang Telah Dilakukan

Komposit serat adalah satu dari beberapa jenis material komposit yang

diklasifikasikan berdasarkan bentuk dari penyusun strukturalnya (Schwartz,

1984) selain komposit serpih, komposit partikel, komposit rangka dan

komposit laminar. Pengertian material komposit secara umum dapat diambil

dari Schwartz (1984) yang memberikan definisi sebagai berikut :

“Sebuah material komposit adalah suatu sistem material yang disusun oleh

campuran atau kombinasi dari dua atau lebih penyusun utama yang berbeda

dalam bentuk dan atau komposisi materialnya dan karenanya secara essensial

tidak saling melarut satu sama lain”. Dengan mengacu pada definisi di atas

pengertian komposit serat sebagai obyek penelitian ini adalah material

komposit yang terdiri dari dua penyusun utama yang berbeda yaitu serat

sebagai penguat dan matriks sebagai pengikatnya.

Dari beberapa penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya dapat

diketahui bahwa menurut Sherman (1999), serat alam mempunyai

keuntungan yaitu ramah lingkungan dan mempunyai kemampuan untuk

memberikan peningkatan kekakuan dan peredaman suara, harga murah dan

densitas lebih rendah dari serat gelas dan bahan tambang. Pemakaian serat

alam dalam plastik masih terbatas pada bubuk kayu, tetapi serat panjang dari

tangkai dan daun tanaman memberikan penguatan mekanik lebih baik

daripada serat pendek dan biayanya yang murah. Lerner (2001), menuliskan

bahwa pada serat komposit serat alam seperti serat pisang, jute, cantula, sisal,

termasuk serat kenaf dalam pengembangannya sebagai material untuk terapan

struktur harus mempertimbangkan aspek-aspek tertentu baik substansi dari

serat maupun resin yang digunakan. Ditinjau dari segi keuntungan, serat alam

cenderung lebih murah, ramah terhadap lingkungan dan mudah cara

memperolehnya. Sedangkan kerugian dari serat alam adalah dimensional

yang tidak teratur, sangat rentan terhadap panas, mudah mengabsorbsi uap air

dan cepat lapuk. Dimensi serat yang tidak merata mengakibatkan kekuatan

individual serat sangat fluktuatif. Mayoritas serat alam bersifat mudah

mengabsorbsi uap air yang mana hal ini mengakibatkan kerusakan atau

pelapukan serat. Dan sifat dasar serat alam yang sangat penting adalah sangat

rentan terhadap panas. Saat pembentukan komposit, suhu exothermic dari

resin dapat merusak serat alam yang sebagian besar tersusun atas selulosa dan

selanjutnya menjadikan kebanyakan komposit dengan penguat serat alam

bersifat rapuh/getas.

Roe dan Ansell (1985), mengungkapkan bahwa komposit jute-

polyester yang mengandung vf lebih besar dari 0,3 materialnya akan menjadi

tangguh. Komposit dengan fraksi volume optimum 0,6 mempunyai energi

patah rata-rata lebih besar dari 20 KJ/m2. Bolton, dkk, (1994), telah meneliti

sebuah serat kenaf tunggal dan data yang diperoleh menunjukkan serat kenaf

tunggal memiliki kekuatan tarik 11.9 GPa dan modulus young 60.0 GPa.

Sedangkan Katz dan Milewski (1996),meneliti kekuatan tarik serat kenaf

tunggal sebesar 58.000 psi dengan densitas serat sebesar 1.2 gr/cm3.

Karnani, dkk, (1996), mengungkapkan bahwa komposit chopped

strand kenaf-polypropylene dengan fraksi volume serat 20%, 40% dan 60%

masing-masing mempunyai kekuatan tarik sebesar 26.9 MPa, 27.1 MPa dan

27.4 MPa serta modulus young sebesar 2.7 GPa, 2.8 GPa dan 3.0 GPa.

Sedangkan pada penelitian yang lain, A.R Sanadi, dkk, (1986),

mengemukakan bahwa kekuatan tarik komposit unidirectional continuous

sunhemp-polyester meningkat secara linear seiring dengan pertambahan fraksi

volume serat. Pada penelitian ini, serat sunhemp mempunyai kekuatan tarik

sebesar 389 MPa dan modulus young sebesar 35.4 GPa.

Dari hasil penelitian-penelitian diatas maka perlu untuk dilakukan

penelitian ini, dimana pada penelitian ini penguat serat yang dipilih adalah

serat kenaf yang dihasilkan secara lokal di Indonesia mengingat penelitian-

penelitian diatas dilakukan di luar negeri (Amerika dan India) yang tentunya

letak geografis cukup berpengaruh. Penelitian ini juga menggunakan resin

polyester yang sangat banyak digunakan dalam berbagai aplikasi kehidupan

masyarakat. Selain itu, arah orientasi serat juga secara unidirectional

continuous (serat panjang dan lurus).

2.2. Komponen Penyusun Komposit Serat

2.2.1 Matrik Unsaturated Polyester

Matrik adalah komponen utama dan mempunyai peran yang sangat

penting dari komposit yang berfungsi untuk (Chun-Yung Niu, 1982):

a. Mendistribusikan beban-beban ke seluruh laminat

b. Melindungi serat-serat dari abrasi dan impak

c. Menentukan : - Kekuatan tekan

- Sifat mekanik arah melintang

- Gesekan interlaminar

- Suhu operasi pelayanan

- Seleksi proses fabrikasi dan desain tool

d. Menyumbangkan ketahanan patah.

Berdasarkan bahan penyusunanya matrik terbagi atas matrik organik

dan inorganik. Matrik inorganik adalah matrik yang terbentuk dari bahan

logam yang pada umumnya mempunyai bobot dan kekuatan tinggi. Matrik

organik terbentuk dari bahan-bahan organik yang diproses dengan cara

sintesis. Jenis matrik organik ini banyak digunakan karena proses

pembentukan menjadi komposit cepat dan sederhana dengan biaya yang

murah. Salah satu matrik organik konvensional yang banyak digunakan

adalah resin polyester.

Sedangkan berdasarkan sifatnya terdapat dua jenis matrik polymer

yang biasa digunakan sebagai komponen penyusun komposit serat yaitu

matrik thermoset dan matrik thermoplastik.

Thermoset berarti mengeras jika dipanaskan dan thermoplastik berarti

melunak jika dipanaskan. Ada dua macam resin thermoset yaitu polyester dan

epoxy dengan polyester sebagai thermoset yang paling sederhana. Resin

Unsaturated Polyester (UP) adalah matriks thermoset yang paling banyak

dipakai untuk produksi Reinforced Plastics (RP), plastik yang diperkuat,

mulai dari proses produksi yang lebih kompleks seperti compression molding,

pultrusion, filament winding, resin injection molding, dan resin transfer

molding.

Kata “polyester” berarti polimer yang disusun oleh monomer yang

mengandung gugus ester. UP adalah polymer tak jenuh yang memiliki ikatan

kovalen ganda karbon-karbon yang reaktif yang dapat dihubung-silangkan

(crosslinked) selama proses curing guna membentuk suatu material

thermoset.

UP merupakan resin thermoset yang tingkat pemanfaatannya sangat

tinggi karena mampu menawarkan keseimbangan yang baik antara sifat-sifat

mekanis, elektrik, ketahanan kimia (khususnya terhadap asam) dan stabilitas

dimensional dengan harga yang relatif murah dan penangannya mudah. Untuk

keperluan-keperluan umum atau sederhana, penggunaan UP sangat disukai

karena pemrosesan dan curing dapat dilakukan pada suhu kamar dan tekanan

atmosfer. Kekurangan dari resin jenis ini ialah akan menjadi getas jika diberi

pembebanan suhu panas, kekuatan impak rendah dan kekuatan puntir rendah.

Resin unsaturated polyester dibentuk dari reaksi bersama antara

dyhidric alcohol (glycol) dengan asam organik. Reaksi ini menghasilkan

rantai ikatan dari ester dan menjadikan molekul-molekul rantai panjang yang

bergantian antara unit acid (asam) dan glycol.

Jenis resin unsaturated polyester yang digunakan dalam penelitian ini

adalah resin jenis orthopthalic anhydride. Resin jenis ini mempunyai sifat

tidak tahan terhadap bahan kimian. Sehingga kondisi kerja dari bahan bahan

yang disyaratkan harus bebas dari cairan kimia. Oleh karena itu, penggunaan

resin ini biasanya untuk peralatan sanitasi rumah tangga, sebagai struktur

pembuat kapal dan untuk produk-produk FRP lainnya.

Tabel 2.1. Sifat resin 157 BQTN-EX setelah mengeras Satuan NilaiTipikal Keterangan

Berat jenis Kekerasan Suhu Distorsi Panas Penyerapan air(Suhu ruang) Flexural strength Flexural modulus Tensile strength Tensile modulus Elongasi

oC %

Kg/mm2

Kg/mm2

Kg/mm2 Kg/mm2

%

1.215 40 70

0.188 0.466 9.4 300 5.5 300 1.6

25oC

24 jam 7 jam

Sumber : PT. Justus Kimia Raya,2003

Tabel 2.2. Sifat Fisik Laminat resin 157 BQTN-EX. Satuan NilaiTipikal Metoda tes

Kekerasan Penyerapan air Tensile strength Tensile modulus Flexural strength Flexural modulus Kandungan glass

%

Kg/mm2

Kg/mm2

Kg/mm2 Kg/mm2

%

51 0.15 10.5 860 16.5 860 31

JIS K6919 JIS K6911 JIS K7113 JIS K7113 JIS K7203 JIS K7203 JIS K6919 (glass mat)

Sumber : PT. Justus Kimia Raya,2003

Curing Pada Resin Polyester

Curing merupakan proses pengeringan atau polimerisasi untuk

merubah material pengikat dari keadaan cair ke keadaan padat.

Curing terjadi melalui reaksi kopolimerisasi radikal bebas dari

molekul jenis vinyl (umumnya styrence) yang membentuk hubungan silang

(cross-link) melalui bagian tak jenuh dalam polyester. Reaksi tersebut

dipicu oleh curing agent berupa peroksida organik (misalnya methyl ethyl

ketone peroxide untuk curing pada suhu kamar), yang mulai dikuatkan oleh

sejumlah kecil accelerator/promotor (misalnya Cobalt Naphtenatel Co-N).

Promotor itu tidak boleh dicampur langsung dengan katalisnya, akan tetapi

ditambahkan langsung ke dalam UP.

Resin mulai curing segera setelah katalis ditambahkan, sedang

kecepatan reaksinya tergantung pada jenis resin, suhu dan reaktifitas

katalisnya. Yang harus dicatat adalah bahwa reaksi curing itu sangat

eksotermis (dapat membangkitkan panas hingga > 100 C). Karenanya perlu

tindakan pendinginan dan pengontrolan laju reaksi guna menghindari

terjadinya kerusakan pada laminat hasilnya. Prosentase katalis

mempengaruhi laju reaksi, dan semakin cepat reaksi polimerisasi

berlangsung berarti makin tinggi suhu yang dibangkitkan dan semakin getas

matrik yang dihasilkan.

2.2.2 Penguat/Serat

Sifat-sifat mekanik dari komposit secara luas dipengaruhi oleh

penguat dan posisinya (orientasinya) dimana kandungan penguat yang tinggi

akan menghasilkan kekuatan tarik yang tinggi. Di sisi lain dengan

meningkatnya kandungan resin, berarti akan meningkatkan ketahanan

produk cetaknya terhadap serangan kimia dan cuaca. Oleh karenanya rasio

resin-serat merupakan faktor paling penting yang menentukan sifat-sifat dari

struktur RP.

Sistem penguat dalam material komposit serat bekerja dengan

mekanisme sebagai berikut : material berserat itu akan memanfaatkan aliran

plastik dari bahan matrik (yang bermodulus rendah) yang sedang dikenai

tegangan, untuk mentransferkan beban yang ada itu kepada serat-serat (yang

kekuatannya jauh lebih besar), hasilnya adalah sebuah komposit yang

memiliki kekuatan dan modulus yang tinggi. Tujuan mengkombinasi

keduanya adalah untuk menghasilkan sebuah material dua fase dimana fase

primernya (yakni serat) disebar merata dan diikat oleh fase sekunder yang

lemah (yakni matriks/resin). Dengan demikian konstituen utama yang

mempengaruhi kemampuan komposit adalah serat penguat, matrik serta

interface antara serat-serat dengan matriknya. Untuk mendapatkan kinerja

penguatan yang baik pada berbagai kondisi pelayanan, diperlukan ikatan

yang secara kimia dan fisika cukup stabil antara serat dan matriks itu. Dan

dalam kaitan ini, transfer beban melalui bonding lewat interface dapat

diperbaiki dengan menggunakan sizing, binder coupling, agen khusus.

Diameter serat memainkan peranan yang sangat penting dalam

memaksimalkan tegangan. Makin kecil diameternya akan memberikan luas

permukaan per satuan berat yang lebih besar, hal ini akan membantu

transfer tegangan tersebut.

Persyaratan fungsional yang diperlukan oleh serat dalam Reinforced

Plastics adalah sebagai berikut : (Holloway, 1990)

• Modulus elastisitas yang tinggi untuk memberi kekuatan kepada

komposit.

• Kekuatan patah yang tinggi.

• Variasi yang rendah dalam hal kekuatan diantara sesama serat.

• Stabilitas selama penanganan.

• Diameter (penampang) yang seragam.

Fungsi dari penguat (serat kontinyu) meliputi : (Chun-Yung Niu,

1982)

• Bagian utama komposit yang menahan beban

• Bertanggung jawab untuk kekuatan tarik, tekan dan fleksural serta

kekakuan dari komposit.

• Menentukan sifat-sifat kelistrikan dan koefisien ekspansi thermal.

2.2.2.1 Serat kenaf

Kenaf termasuk dalam genus Hibiscus yang terdiri atas beberapa

spesies, diantaranya okra (Hibiscus esculentus L), rose (Hibiscus syriacus

L), kembang sepatu (Hibiscus rosasinensis L), kenaf (Hibiscus Cannabinus

L), rosela (Hibiscus sabdarifa L). Di Australia tepatnya di Buderkin River

Irrigation Area (BRIA), North Quensland, kenaf dikembangkan untuk bahan

baku pulp dan industri kertas (Norman dan Wood,1988). Sedangkan di

Indonesia yang banyak dikembangkan adalah untuk bahan baku serat

karung goni.

Sistematika tanaman kenaf menurut Ben-Hill (1960) adalah sebagai

berikut :

Kingdom.......

Divisio...........

Subdivisio.....

Klas...............

Ordo..............

Famili............

Genus............

Spesies..........

Plant kingdom

Spermatophyta

Angiospermae

Dicotyledonae

Malvales

Malvaceae

Hibiscus

Hibiscus cannabinus

Pada keadaan normal, pertumbuhan optimal kenaf berkisar pada umur

60-98 hari. Tanaman kenaf ada yang bercabang sangat banyak, banyak,

sedikit dan ada juga yang tidak bercabang. Jenis yang dikehendaki untuk

produksi serat dan batang kering adalah yang tidak bercabang.

Menurut sejarahnya tanaman kenaf sudah ada di Afrika sejak tahun

4000 SM, yaitu di daerah Sudan Barat (Wilson dan Menzel,1983). Tetapi

beberapa penulis lain mengatakan bahwa kenaf berasal dari India

(Ochse,1961).

Dibeberapa negara, kenaf mempunyai nama yang berbeda-beda

(Ochse,1961), antara lain :

Inggris : Kenaf, mesta, deccan hemp, bimplipatan jute.

Spanyol : Apocino.

Belanda : Braziliaansch.

Perancis : Kenaf.

Jerman : Ostindisches hanfrohr.

Gambar 2.1 Tanaman kenaf

Hill (1951) menyatakan bahwa kenaf merupakan suatu jenis tanaman

penghasil serat dengan 129 nama., diantaranya Deccan, Ambari atau Gambo

Hemp, Java Jute dan serat Mesta. Di India, Indonesia (Jawa), Iran, Nigeria

dan Mesir sudah sejak dahulu kenaf dimanfaatkan secara komersial,

kemudian diperkenalkan di Eropa dan dunia barat lainnya.

Chakravarty (1983) menyebutkan bahwa daerah penyebaran kenaf

sangat luas, terletak antara 45oLU sampai deengan 30oLS. Pada saat ini

kenaf sudah menyebar di Asia. Menurut FAO (1978) pada saat ini negara-

negara penghasil serat karung terbanyak didunia adalah India, Bangladesh,

Cina, Birma dan Thailand

Tabel 2.3. Parameter dimensi serat. Kenaf Parameter

Kayu Kulit Serat Panjang (mm)

- Minimum - Maksimum - Rata-rata (L)

Diameter serat (µ) - Luar (D) - Lumen (l) - Tebal dinding (w)

Bil. Runkel (2w/l) Daya tenun (L/B) Koef.kelemasan (l/D)

0.48 1.71 0.83

16.25 11.20 2.53 0.45 51.00 0.59

1.65 4.64 2.93

14.43 5.51 4.45 1.62

203.00 0.38

1.70 4.10 2.69

14.48 4.38 5.05 2.35

185.77 0.30

Sumber : BBPPIS, Bandung (1988).

Tabel 2.4. Komposisi kimia kenaf. Kenaf Parameter

Batang (%)

Kayu (%)

Kulit (%)

Serat (%)

Abu Silikat Lignin Sari Holoselulosa Pentosan Kelarutan dalam

- Air panas - Air dingin - 1% NaOH

4.78 0.27 15.37 5.09 74.45 21.10 10.58 10.12 30.87

6.26 0.39 19.89 5.50 72.60 24.19

9.69 5.39 32.90

5.69 0.28 9.34 4.86 73.28 18.05 12.43 11.85 27.23

2.69 - 8.95 1.13 85.37 22.58 2.12 0.76 16.61

Sumber : BBPPIS, Bandung (1988)

Tahapan mengolah serat meliputi perendaman, pemisahan serat,

pencucian dan pengeringan. Perendaman merupakan tahapan terpenting

dalam pengolahan serat. Pada tahapan perendaman serat terjadi proses

fermentasi (retting) yang melibatkan berbagai macam mikroba.

Keberhasilan proses retting sangat berpengaruh terhadap kualitas serat yang

dihasilkan. Serat bermutu baik (kualitas A) adalah serat yang bersih dari sisa

kulit dan berwarna keperakan. Serat kualitas A dapat dihasilkan bila proses

retting berlangsung dengan baik.

2.2.3 Katalis

Katalis atau kadang juga disebut dengan hardener adalah zat kimia

yang membantu mempercepat proses curing. Tanpa tambahan katalis, reaksi

antara komponen-komponen resin yang membentuk hubungan silang (cross

link) yang membuat resin mengeras dapat berlangsung selama bertahun-

tahun dalam suhu kamar. Katalis dapat berupa methyl ethyl ketone epixode

atau methyl ethyl ketone peroxide seperti yang digunakan dalam penelitian

ini.

Katalis yang ditambahkan pada resin unsaturated polyester yaitu

sejumlah 0.5-1% volume dapat memicu terjadinya reaksi sehingga cross

linking cepat terjadi dan menghasilkan panas yang dapat mengkatalis reaksi

sehingga selajutnya resin menjadi gel dalam waktu sekitar 10 menit. Reaksi

cross linking terus berlanjut sampai kekuatan penuh dicapai resin setelah 24

jam.

2.3 Metode fabrikasi komposit serat.

Lamina unidireksional (Unidirectional Laminae) adalah bentuk dasar

dari komposit serat kontinyu. Sebuah lamina dapat tersusun dari satu layer

atau lebih layer dengan semua seratnya tersususn dalam satu arah. Pada

penelitian ini, komposit yang digunakan adalah komposit dengan serat

panjang serba searah yang dibuat dengan menggunakan metode manual

hand lay up dengan cetakan terbuka

Pelaksanaan pembuatan spesimen dengan menggunakan metode

manual hand lay up ini diawali dengan melapisi cetakan dengan release

agent dan gel coat (jika diinginkan) kemudian serat dalam bentuk

chopped strand mat, woven roving atau lainnya diletakkan pada cetakan

dan dilumuri resin dengan menggunakan kuas atau rol. Proses diulang-

ulang sehingga terbentuk beberapa layer sampai mencapai ketebalan

yang dikehandaki. Ilustrasi dari metode ini dapat dilihat pada gambar

dibawah ini :

Gambar 2.2. Hand lay-up / contact moulding.

2.4 Sifat-sifat fisik komposit serat.

1. Densitas, berat jenis.

Densitas dari sebuah bahan adalah massa bahan tersebut per satuan

volume. Sebuah metode tes untuk mengetahui densitas komposit maupun

komponen penyusunnya terinci dalam standar ASTM D3800 untuk

spesimen serat kenaf. Densitas dari sebuah bahan ditentukan dengan

mengukur beratnya di udara ,Wa dan di air, Ww, massa jenis udara diabaikan

dan massa jenis air, ρw (0.998 g/cm3 pada suhu 30oC). Volume spesimen

kemudian ditentukan dari perbedaan antara berat bahan diudara dan berat di

dalam air dan dari densitas air yang telah diketahui. Densitas komposit, ρc,

dihitung dengan rumus :

wa

aw

w

wa

ac WW

WWW

W−⋅

=−

=ρ

ρ

ρ (2.1)

2. Fraksi volume serat, vf.

Fraksi volume serat adalah parameter yang sangat penting dari sebuah

komposit serat karena mengendalikan sifat-sifat termomekanis lamina.

Fraksi volume serat yang digunakan pada terapan-terapan komposit saat ini

berkisar antara 30% sampai dengan 65%.

Terdapat beberapa metode untuk menentukan fraksi volume serat

antara lain :

a. Secara langsung.

Volume serat (vf) dan volume matrik (vm) diukur secara terpisah

sebelum dibuat komposit, kemudian vf dihitung dengan rumus :

mf

ff vv

vv

+= (2.2)

Kelemahan cara ini adalah kelebihan serat dan matrik (yang tidak

ikut tercetak) ikut terukur ketika mengukur volume serat dan matrik

pertama kali, sehingga hasilnya kurang valid.

b. Dengan membandingkan luas permukaan serat dan komposit.

Dengan menghitung jumlah serat pada permukaan komposit yang

telah dipolis dan diletakan dibawah mikroskop dengan pembesaran

tinggi. Kemudian diameter atau luas permukaan satu atau beberapa serat

dihitung. Selanjutnya dihitung fraksi volume serat rata-rata sebagai

prosentase luas serat pada permukaan tersebut.

Keuntungan dari metode ini adalah relatif sederhana dan dapat

menunjukkan tipe dan keseragaman spasi serat serta kandungan void.

)3.2(

6...21

AA

VV

v

LAmatrikVolumeVLAseratVolumeV

totalpenampangAAAAnA

seratpenampangnA

f

c

ff

fm

ff

ffff

f

==

×==

×===

+++=

=

c. Dengan membandingkan berat jenis.

ρc diukur dan ρf serta ρm dapat diperoleh dari spec atau dari

referensi. Kemudian vf dihitung dengan menggunakan rumus :

mf

mcfv

ρρρρ

−−

= (2.4)

d. Dengan menguapkan / melarutkan matriks.

Pertama-tama komposit dihitung volumenya (vc), kemudian

komposit dibakar sehingga matriknya menguap tetapi seratnya tidak ikut

menguap atau dengan melarutkan matrik dengan meletakkan komposit

yang telah diketahui volumenya ke dalam bak asam. Setelah matriks dan

komposit tersebut larut, berat serat yang tertinggal ditimbang. Dengan

mengetahui densitas serat, berat serat yang ditimbang dapat

dikonversikan ke volumenya. Dengan demikian fraksi volume seratpun

didapatkan sebagai perbandingan antara volume serat yang tertinggal

dengan volume komposit sebelum dimasukkan ke dalam bak asam.

Jenis asam yang digunakan untuk melarutkan matrik pada metode

ini harus betul-betul dipilih sedemikian rupa sehinga serat tidak ikut

larut. Pemilihan pelarut ini tergantung dari jenis bahan matrik dan serat.

Asam nitrat (HNO3) panas biasa digunakan untuk komposit

karbon/epoxy.

Detail dari metode pelarutan terdapat dalam standar ASTM D3171

(Polymeric Composites) dan D3553 (metal matrix composites). Metode

ketiga untuk mementukan fraksi volume serat adalah denagn menentukan

densitas komposit kemudian menghitung fraksi volume serat dan densitas

serat dan matrik yang telah diketahui. Metode ini mengasumsikan bahwa

kandungan void diabaikan. Dengan demikian vf dapat dihitung dengan

rumus :

c

ff V

Vv = (2.5)

2.5 Aspek geometris.

Banyak sifat-sifat komposit serat sangat tergantung dari parameter-

parameter sebagai berikut :

• Diameter serat

• Panjang serat

• Distribusi serat

• Fraksi volume serat

• Arah / orientasi serat

Pengaruh dari tiap parameter ternyata bervariasi dari satu sifat ke

sifat yang lain. Berdasar inilah dilakukan analisis terhadap faktor-faktor

geometri sebagai berikut.

Untuk suatu unidirectional laminae dengan serat kontinyu dan

jarak yang sama serta direkat secara baik oleh matrik seperti pada gambar

2.3, maka besarnya regangan matrik (εm), regangan serat (εf) dan regangan

komposit (εc) dapat dianggap sama, dengan asumsi bahwa ikatan antara

serat matrik sempurna, sehingga modulus longitudinal komposit dapat

ditulis,

( )fmffL vEvEE −+= 1 (2.6)

dimana, EL = Modulus longitudinal komposit

Ef = Modulus elastisitas serat

Em = Modulus elastisitas matrik

vf = Fraksi volume serat

Gambar 2.3 . Lamina Unidireksional dengan serat kontinyu

Gambar 2.4. Komposit lamina serat serba searah dibawah pembabanan longitudinal.

Kekuatan tarik longitudinal komposit tergantung pada regangan patah

matrik dan serat dan dua kondisi yang mungkin terjadi yaitu,

1. Regangan patah matrik (εm*) lebih besar dari regangan patah serat (εf

*).

Pada kondisi ini komposit akan rusak pada saat regangan komposit sama

dengan regangan patah serat (εf*) lihat gambar 2.5.

Gambar 2.5. Kurva hubungan tegangan –regangan pada kondisi εm* > εf

*

Untuk kondisi fraksi volume serat (vf) lebih besar dari fraksi volume serat

kritis (vfcrit), ketika serat patah, beban yang sangat besar akan dipindahkan

ke matrik dan matrik tidak mampu mendukung beban tersebut, sehingga

matrik akan patah ketika serat patah.

Besarnya kekuatan tarik longitudinal komposit adalah,

( )fmfffmmfffL vvvv −+=+= 1*** σσσσσ (2.7)

Bila fraksi volume serat (vf) lebih kecil dari fraksi volume serat kritis

(vfcrit), maka beban lebih pada matrik tidak cukup untuk mematahkan

matrik dan besarnya kekuatan tarik longitudinal komposit adalah,

( )fmL v−= 1** σσ (2.8)

Dimana besarnya nilai fraksi volume serat kritis dapat dihitung dengan

persamaan,

mff

mfmfcritv

σσ

σσ

−

−= *

*

(2.9)

Hubungan antara tegangan dan fraksi volume pada saat regangan patah

matrik lebih besar dari regangan patah serat dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Kurva hubungan fraksi volume serat komposit dengan kekuatan tarik longitudinal pada kondisi εm

* < εf*.

2. Regangan patah matrik (εm*) lebih kecil dari regangan patah serat (εf

*)

Pada kondisi ini komposit akan rusak pada saat regangan komposit sama

dengan regangan patah matrik (εm*) lihat gambar 2.7. Untuk kondisi fraksi

volume serat (vf) lebih kecil dari fraksi volume serat minimum (vfmin),

kekuatan komposit tergantung pada tegangan patah matrik (σm*). Matrik

akan patah sebelum serat, kemudian semua beban dipindahkan ke serat.

Karena fraksi volume serat rendah, maka serat tidak mampu menahan

beban dan patah. Besarnya tegangan longitudinal komposit dapat

ditentukan dengan persamaan,

ffL v** σσ = (2.10)

Gambar 2.7. Grafik hubungan tegangan-regangan pada kondisi εm* < εf

*.

Besarnya fraksi volume serat minimum dapat dihitung dengan persamaan,

**

*

minmfmf

mfv

σσσσ

+−= (2.11)

Hubungan antara tegangan dan fraksi volume pada saat regangan patah

matrik lebih kecil dari regangan patah serat dapat dilihat pada gambar 2.8.

.

Gambar 2.8. Grafik hubungan fraksi volume serat komposit dengan kekuatan tarik longitudinal pada kondisi εm

* < εf*.

Tegangan lengkung komposit dapat diketahui dengan melakukan

pengujian lengkung terhadap komposit tersebut. Gaya yang bekerja pada

pengujian lengkung ini merupakan gaya lengkung seperti yang diperlihatkan pada

gambar 2.9 dibawah ini .

Gambar 2.9 . Gaya lengkung F yang bekerja pada spesimen ketika pengujian

lengkung.

Gaya lengkung F bekerja di tengah benda ditengah benda uji dan akibat

gaya F ini akan menimbulkan lengkungan pada benda uji. Pada bagian atas benda

uji mengalami tekanan/desakan sedang pada bagian bawahnya mengalami tarikan.

Pada bidang pusat benda uji tidak mengalami tekanan/desakan ataupun tarikan

sehingga bidang ini disebut bidang/daerah netral. Bagian bawah benda uji (bagian

yang mengalami tarikan) akan lebih dahulu mengalami kerusakan/patah

dibandingkan dengan bagian atas benda uji (bagian yang mengalami

tekanan/desakan).

Tegangan lengkung yang terkadi dapat pula diketahui atas dasar momen

lengkung yang terjadi pada benda uji. Jika diambil jarak antara kedua rol pada

gambar diatas adalah 2L, maka momen lengkung maksimum terjadi ditengan

benda uji sebesar :

LFM lk ⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

2 (2.12)

dengan asumsi ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

LF = reaksi pada masing-masing rol.

Tegangan lengkung yang terjadi (σlk) adalah :

IeM

eIM lklk

lk⋅

==σ (2.13)

Dengan asumsi:

I = momen inersia penampang benda uji

e = jarak bidang netral ke titik yang ditinjau

Besarnya harga I dan e tergantung dari bentuk penampang benda uji.

Gambar 2.10 .Penampang spesimen bentuk square

Untuk benda uji berpenampang segi empat dengan tinggi a dan lebar b,

besarnya momen inersia dan besarnya jarak e masing-masing :

3

121 abI ⋅⋅= (2.14)

ae ⋅=21 (2.15)

Besaran eI disebut momen tahanan lengkung yang biasanya disingkat dengan Wlk.

Untuk benda uji berpenanpang segi empat :

( ) 23

61

2121 ab

aab

eIWlk ⋅⋅=

⋅⋅⋅

== (2.16)

Dengan demikian persamaan dapat dinyatakan dalam bentuk :

lk

lklk W

M=σ (2.17)

Pada uji lengkung dengan metode tiga titik, beban dibebankan pada titik

tengah dari spesimen. Dalam hal ini momen lengkung, M, akan meningkat dari

kedua ujungnya sampai mencapai maksimumnya di titik tengah.

Gambar 2.11. Beban terpusat pada simply supported beam

Ilustrasi diatas dapat dituliskan :

422 PL

LPM == (2.18)

Tegangan lengkung maksimum (flexural strength) yang diperoleh pada layer

terluar ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ =

2hy adalah :

23 23

2124

baPLa

abLPy

IM

makslk ⋅=⋅⋅⋅

=⋅=σ (2.19)

Selanjutnya persamaan untuk E dapat diturunkan dengan memanfaatkan

persamaan teoritis yang banyak dikupas dalam berbagai referensi kekuatan bahan

misalnya oleh Popov (1995), yakni :

2

2

dxvd

EIM

= (2.20)

Dalam hal ini xPM2

−= , dimana M=0 pada x = 0 serta gaya geser dan momen

lengkung diskontinyu dibawah posisi bebannya. Selanjutnya dapat dituliskan :

xPEIdx

vd⋅⋅−=

21

2

2

, apabila diintegralkan dua kali akan diperoleh

21

3

12CxCx

EIPv ++⋅−= , dimana C1 dan C2 adalah konstanta.

Ambil kondisi batas berikut :

y = 0 pada x = 0 dan 0=dxdy pada

2Lx = memberikan

EIPLC

16

2

1 = dan C2 = 0, dan

karenanya : 32

1216x

EIPx

EIPLy −= (2.21)

Dibagian tengah beam, 2Lx = , defleksinya y = δ adalah sebagai berikut

EIPL

48

3

=δ dengan demikian dapat diperoleh persamaan E sebagai fungsi dari

bearnya beban, lendutan dan panjang yang diungkapkan sebagai berikut :

δIPLE

48

3

= (2.22)

BAB III

METODE dan CARA PENELITIAN

3.1 Alat dan Bahan

Bahan yang digunakan di dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Resin unsarurated polyester seri 157 BQTN EX.

Resin diperoleh dari PT. Justus Kimia Raya.

Alamat : Jln. Indraprasta No.111-113 Semarang.

2. Serat kenaf.

Serat kenaf diperoleh dari PT. Perkebunan Nusantara X (Persero) Pabrik

Karung Pecangaan Jepara.

Alamat : Jln. Raya Kudus-Jepara Km.12, Pecangaan, Jepara.

3. Mirror Glaze (Maximum Mold Release Wax).

4. Katalis MEKPO (methyl ethyl ketone peroxide).

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Timbangan elektronik HR 200 AND (Laboratorium Material Jurusan

Teknik Mesin UNS).

2. Oven pemanas (Laboratorium Proses Jurusan Teknik Kimia UNS)

3. Stereo zoom microscope (Material Testing Lab. Program Diploma Teknik

Mesin Universitas Gadjah Mada Yogyakarta).

4. Mesin uji tarik serat tunggal (Pearson Panke Equipment Ltd., Universitas

Gadjah Mada Yogyakarta)

5. Mesin uji tarik komposit (Gotech Testing Machine, Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta)

6. Mesin uji lengkung komposit (Torsee’s Universal Testing Machine,

Universitas Gadjah Mada Yogyakarta).

3.2 Variasi Penelitian

Penelitian ini menggunakan variasi fraksi volume serat pada komposit.

Adapun jumlah spesimen yang digunakan adalah:

Fraksi Volume Serat (vf) Pengujian Serat

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Jumlah

Uji tarik 30 5 5 5 5 5 55

Uji lengkung - 5 5 5 5 5 25

TOTAL 80

3.3 Cara Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan. Secara singkat dapat

diuraikan sebagai berikut :

1. Penyiapan serat yang akan digunakan.

Serat kenaf diperoleh langsung dari PT. Perkebunan Nusantara X (Persero)

Pabrik Karung Pecangaan Jepara. Kemudian serat disimpan dalam udara

terbuka selama dua minggu. Hal ini bertujuan untuk mengurangi kadar

kelembaban selama penyimpanan di gudang sebelumnya. Setelah itu serat

disimpan rapat dalam plastik yang diberi silica gel didalamnya.

2. Perlakuan serat.

Setelah diperoleh serat yang dikehendaki, kemudian serat tersebut dioven

pada suhu 110oC selama 45 menit. Hal ini bertujuan untuk menghilangkan

pengaruh pengerjaan atau perlakuan sebelumnya. Setelah itu serat siap

untuk dilakukan pengukuran densitas serat (ASTM D3800) dan

dilanjutkan dengan uji tarik serat tunggal (ASTM D3379).

3. Bersamaan dengan persiapan serat, siapkan juga resin yang akan

digunakan sebagai pengikat di dalam komposit. Buat juga cetakan

komposit yang akan digunakan.

4. Proses fabrikasi komposit.

Benda uji tarik dan lengkung komposit (unidirectional laminae) dibuat

secara manual dengan menggunakan cetakan terbuat dari plastik mika dan

kaca. Sedangkan untuk spesimen komposit, urutan kerja cara

pembuatannya adalah sebagai berikut :

a) Serat yang telah ditimbang massanya diikat dalam satu untai.

b) Untai serat yang telah lurus kemudian dimasukkan kedalam

cetakan yang telah diolesi mirror glaze (mold release wax) dan

diatur supaya merata diseluruh permukaan cetakan.

c) Siapkan juga resin dengan cara menuangkannya dalam gelas ukur

dan kemudian menambahkan 1% katalis ke dalamnya, aduk

campuran hingga merata.

d) Cetakan yang telah berisi untaian serat tersebut kemudian dituangi

campuran resin yang telah ditambahkan 1% katalis hingga untaian

serat didalam cetakan terendam sempurna.

e) Supaya seluruh serat terbasahi dan udara yang terperangkap

diantara serat keluar, maka serat yang terendam resin tersebut

ditekan berulangkali dengan menggunakan rakel. Proses penekanan

ini diusahakan sesingkat mungkin untuk menghindari pengentalan

resin sebelum dimasukkan ke dalam cetakan.

f) Selanjutnya plat penutup segera dipasang, plat penutup dapat

berupa plastik mika atau sejenisnya, dan tunggu hingga spesimen

cukup padat untuk diangkat.

Gambar 3.1. Skema pengujian densitas komposit.

5. Post curing komposit.

Setelah proses manufaktur komposit selesai, maka selanjutnya dilakukan

pengukuran dimensi spesimen. Post cure dilakukan dengan memasukkan

spesimen komposit ke dalam oven pemanas pada suhu 60oC selama 4 jam.

Selanjutnya spesimen disimpan dalam wadah tertutup rapat dengan diberi

silica gel didalamnya. Post cure ini bertujuan untuk membentuk ikatan

silang (cross linked) pada resin.

6. Pengujian komposit.

Pengujian yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pengujian densitas

komposit (ASTM D792), uji tarik komposit (ASTM D3039) dan uji

lengkung (ASTM D790). Setelah pengujian, dilakukan pengamatan

permukaan patah tarik dan lengkung dengan menggunakan stereo zoom

microscope.

Untuk lebih jelasnya langkah-langkah penelitian dapat diuraikan sebagai berikut :

Gambar 3.2 Skema alur penelitian

MULAI

MATRIK UPRs

CETAK MANUAL

CURING PADA

POST CURING PADA 60O SELAMA 4 JAM

PENGOLAHAN DATA

KESIMPULAN

SELESAI

SERAT KENAF

DIKERINGKAN PADA 110O SELAMA 45 MENIT

UJI DENSITAS

UJI TARIK SERAT TUNGGAL

UJI TARIK, UJI LENGKUNG KOMPOSIT

ANALISA PERMUKAAN PATAH TARIK DAN LENGKUNG

3.4 Bentuk dan Ukuran Spesimen

3.4.1 Uji Tarik Serat Tunggal

Uji tarik serat tunggal, yaitu serat kenaf dilakukan dengan metode yang

terdapat dalam standar ASTM D3379 dimana serat kenaf tunggal dilekatkan

dengan lem ke selembar kertas yang cukup kaku yang dibentuk sedemikian

rupa sehingga membantu menegakkan serat yang akan diuji. Setelah terpasang

pada alat uji, kertas ini digunting sehingga hanya tinggal seratnya saja yang

menahan beban tarikan.

Bentuk dan ukuran spesimen uji tarik serat tunggal tersebut

ditunjukkan oleh gambar berikut :

Gambar 3.3. Model spesimen uji tarik serat tunggal.

Mesin uji tarik serat tunggal yang digunakan ialah mesin uji tarik

produksi Pearson Panke Equipment Ltd. London England. Kecepatan uji

sebesar 0.7 mm/menit. Jumlah spesimen yang diuji adalah 30 spesimen serat

kenaf.

3.4.2 Uji Tarik Komposit

Benda dan dimensional dari benda uji tarik komposit disesuaikan

dengan standar ASTM D3039.

Gambar 3.4. Bentuk spesimen uji tarik KFRP.

3.4.3 Uji Lengkung Komposit

Pengujian lengkung komposit pada penelitian ini menggunakan

standar ASTM D790 dengan metode tiga titik (three point flexure).

Gambar 3.5. Uji lengkung KFRP

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Densitas dan Fraksi Volume Serat

Hasil pengujian densitas untuk spesimen serat kenaf dan KFRP dapat

dilihat pada tabel 4.1. Nilai yang ditampilkan merupakan nilai rata-rata,

maksimum dan minimum dari 20 sampel serat dan 25 sampel KFRP, sedangkan

data densitas resin unsaturated polyeseter diperoleh dari data sheet PT. Justus

Kimia Raya Jakarta. Dari hasil pengujian densitas pada tabel 4.1 tersebut terlihat

bahwa serat kenaf memiliki densitas paling besar diikuti KFRP dan resin

unsaturated polyester, hal ini menunjukkan bahwa serat kenaf mempunyai

struktur yang paling padat diikuti KFRP dan resin unsaturated polyester.

Penentuan fraksi volume serat selain dilakukan secara teoritis dengan

memakai data densitas serat, resin dan komposit, juga ditentukan dengan

mengukur rasio luas penampang serat kenaf terhadap luas penampang komposit

secara manual dengan menggunakan plastik transparansi yang dilengkapi mesh

bujur sangkar ukuran 2 mm x 2 mm (lihat lampiran 9) . Hasil pengukuran fraksi

volume serat secara teoritis dan eksperimen dapat dilihat pada tabel 4.2. Nilai

yang ditampilkan disini merupakan nilai minimum, nilai rata-rata dan nilai

maksimum dari 10 spesimen untuk tiap variasi KFRP.

Tabel 4.1 Tabel data densitas serat, matrik dan komposit Densitas (gr/cm3)

Serat Matrik Komposit

Minimum 1.057 - 1.220

Rata-rata 1.236 1.215 1.224

Maximum 1.300 - 1.229

Tabel 4.2 Tabel data fraksi volume serat teori dan eksperimen Fraksi Volume Serat (vf)

Material KFRP Uji Densitas (Teori)

Foto Makro (Eksperimen)

Selisih Error

A

B

C

D

E

0.252

0.322

0.406

0.530

0.679

0.253

0.319

0.404

0.528

0.667

0.39%

0.93%

0.49%

0.38%

1.77%

Dari hasil pengukuran dan pengamatan yang dilakukan, terdapat

perbedaan yang relatif kecil. Perbedaan ini disebabkan karena adanya luasan dari

penampang serat yang tidak sama, juga pengaruh dari susunan serat yang tidak

teratur sehingga menyebabkan perbedaan hasil pada uji densitas dan pengamatan

dengan foto makro.

4.2 Sifat Mekanis

4.2.1 Kekuatan Tarik Serat Kenaf

Hasil pengujian tarik serat kenaf dapat dilihat pada tabel 4.3. Nilai yang

ditampilkan disini merupakan nilai minimum dan maksimum dari 30 spesimen.

Pada tabel 4.3 tersebut serat kenaf pada penelitian ini diperbandingkan dengan

berbagai serat alam lainnya yang sering digunakan sebagai penguat pada

komposit.

Tabel 4.3 Perbandingan kekuatan mekanis serat alam yang sering digunakan No. Serat alam Kekuatan Tarik

(MPa) Modulus Tarik

(GPa) Referensi

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

10.

Kenaf Sisal Nanas Jute Sunhemp Kapas Wol Coir Flax Rami

235.4-490.5 640 500 226 389

264-654 120-174

220 300-900 348-816

10.7-20.2 22 82 18

35.4 4.98-10.92 2.34-3.42

6 24

53.4

Penelitian George, dkk, 1995 George, dkk, 1995 George, dkk, 1995 Sanadi, dkk, 1986

Joseph K, dkk, 1999 Joseph K, dkk, 1999 Joseph K, dkk, 1999 Joseph K, dkk, 1999 Joseph K, dkk, 1999

Tingginya nilai kekuatan tarik dan modulus tarik serat kenaf dikarenakan

kandungan holoselulosa yang tinggi pada serat (Sanadi, dkk, 1986). Serat kenaf

yang digunakan pada penelitian ini memiliki kandungan holoselulosa sebesar

85.37% (BBPPIS, 1998).

Pada tabel 4.3, serat kenaf yang digunakan pada penelitian ini memiliki

sifat kekakuan yang lebih tinggi dari serat kapas, coir dan wol. Namun pada sisi

lain, serat kenaf memiliki elastisitas yang lebih baik daripada serat alam yang lain,

misalnya nanas, rami, sunhemp, flax, sisal dan jute. Hal ini menunjukkan bahwa

serat kenaf memiliki potensi yang sangat besar sebagai material penguat di dalam

komposit.

4.2.2 Kekuatan dan Modulus Tarik Komposit

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa kekuatan tarik KFRP terus mengalami

peningkatan seiring dengan penambahan fraksi volume serat hingga mencapai

nilai tertinggi pada vf = 0.68. Nilai yang ditampilkan ini merupakan nilai rata-rata

dan standar deviasi dari lima buah spesimen untuk tiap variasi fraksi volume serat

KFRP.

y = 8,2033x + 116,7R2 = 0,9209

100

125

150

175

200

0,25 0,32 0,41 0,53 0,68

Fraksi Volume Serat

Kek

uata

n Ta

rik (M

Pa)

Gambar4.1 Grafik kekuatan tarik (σmaks) – fraksi volume serat (vf)

Dari gambar 4.1 diatas dapat diamati bahwa kekuatan tarik, σmaks

meningkat secara linier dan mencapai nilai maksimal pada vf = 0.68. Fenomena

ini disebabkan dengan semakin banyaknya serat didalam KFRP, maka kontribusi

serat sebagai penahan beban juga akan semakin besar. Hal ini tentu saja didukung

oleh adanya ikatan yang baik antara serat dan matrik. Pada saat pembebanan

berlangsung, beban terdistribusi secara merata pada seluruh permukaan serat

sehingga setiap serat menanggung beban yang sama. Hal ini diindikasikan dengan

tingginya nilai kekuatan tarik hingga mencapai nilai tertinggi pada vf = 0.68.

Sedangkan untuk modulus tarik, KFRP juga mengalami peningkatan

secara linier hingga mencapai nilai tertinggi pada vf = 0.68. Hal ini dapat diamati

pada gambar 4.2. Nilai yang ditampilkan ini merupakan nilai rata-rata dan standar

deviasi dari lima buah spesimen untuk tiap variasi fraksi volume serat KFRP.

y = 2,3953x + 6,9647R2 = 0,8313

0

5

10

15

20

25

30

0,25 0,32 0,41 0,53 0,68Fraksi Volume Serat

Mod

ulus

Tar

ik (G

Pa)

Gambar4.2 Grafik modulus tarik (Emaks) – fraksi volume serat (vf)

Peningkatan modulus tarik ini menunjukkan bahwa seiring dengan

bertambahnya fraksi volume serat, maka material KFRP juga akan semakin kaku.

Hal ini dikarenakan regangan yang dihasilkan juga mengalami penurunan seiring

dengan peningkatan fraksi volume serat. Penurunan regangan ini disebabkan

karena dua hal, yang pertama adanya penambahan jumlah serat pada komposit

akan semakin menghalangi mobilitas molekul-molekul polimer untuk bergerak

dari satu tempat ke tempat lain sehingga pada akhirnya akan mengakibatkan

kegagalan lebih awal (premature failure) saat diberi pembebanan (Rowell, dkk,

1985). Dominasi kandungan serat dalam komposit inilah yang menyebabkan sifat

kaku pada KFRP karena modulus tarik serat, Ef lebih besar daripada modulus tarik

matrik, Em. Kemudian penyebab kedua turunnya nilai regangan adalah karena

pengaruh reaksi exothermal yang terjadi pada saat pembuatan spesimen komposit.

Reaksi exothermal tersebut mengakibatkan kerusakan serat akibat perbedaan

koefisien muai antara ikatan selulosa dengan bahan-bahan lainnya (Ariawan,

2003).

Sebagai pembanding dari hasil uji tarik komposit, maka kekuatan tarik dan

modulus elastisitas tarik komposit dapat pula dianalisa secara teoritis. Hasil

pengujian secara eksperimental dan perhitungan teoritis disajikan dalam bentuk

grafik agar mudah untuk dibandingkan dan diamati :

120,

92

105,

9 137,

27

121,

73 144,

81

155,

97

146,

00

201,

62

157,

57

258,

68

0

50

100

150

200

250

300

Kek

uata

n Ta

rik (M

Pa)

0,25 0,32 0,41 0,53 0,68

Fraksi Volume Serat

EksperimenTeoritis

Gambar 4.3 Perbandingan kekuatan tarik komposit teoritis dan eksperimen

8,48

6,3

13,7

6

7,24

14,0

5

8,44

14,2

6

10,0

5

20,2

1

12,0

7

0

5

10

15

20

25

Mod

ulus

Tar

ik (G

Pa)

0,25 0,32 0,41 0,53 0,68

Fraksi Volume Serat

EksperimenTeoritis

Gambar 4.4 Perbandingan modulus tarik komposit teoritis dan eksperimen

Dari gambar 4.3 dan 4.4 diatas dapat diamati bahwa hasil pengujian dan

perhitungan secara teoritis ternyata menunjukkan perbedaan. Pada kekuatan tarik

komposit dengan vf = 0.25 dan 0.32, nilai kekuatannya dapat melebihi nilai

teoritis. Hal ini dikarenakan ikatan yang terjadi antara serat dan matrik relatif

baik. Namun pada kekuatan tarik komposit dengan fraksi volume serat lebih

tinggi dari 0.32, kekuatan tariknya ternyata justru lebih rendah daripada kekuatan

tarik teoritis. Hal ini mengindikasikan ikatan antara serat dan matrik yang terjadi

sudah semakin melemah dikarenakan semakin banyaknya kandungan serat

didalam komposit. Perbandingan modulus tarik eksperimen dengan teoritis juga

menunjukkan perbedaan. Modulus tarik eksperimen mempunyai nilai yang lebih

tinggi daripada nilai teoritis. Hal ini berarti bahwa nilai teoritis mempunyai

elastisitas yang lebih baik daripada nilai eksperimen. Tingginya nilai eksperimen

ini dikarenakan serat menjadi semakin kaku akibat pengaruh reaksi exothermal

yang terjadi pada saat proses pembuatan spesimen. Efek reaksi tersebut akan

menyebabkan regangan serat menjadi semakin rendah sehingga elastisitas serat

juga tentunya akan menurun. Perbedaan hasil pengujian dengan perhitungan

teoritis ini juga disebabkan karena pada saat pengujian, distribusi tegangan yang

terjadi antara matrik dan serat tidak sama pada seluruh material penyusun

komposit. Ketidakseragaman dari serat alam yang dikarenakan faktor alam sangat

berpengaruh pada proses ini. Ketidaksamaan dimensi serat, umur tanaman, dan

juga faktor pengolahan serat menyebabkan distribusi tegangan yang terjadi tidak

sama, sehingga pada akhirnya mempengaruhi hasil uji tarik.

Selain itu juga dapat dibandingkan antara KFRP dengan sifat-sifat

mekanis komposit berbagai serat alam yang telah diteliti oleh banyak pihak.

Perbandingan sifat mekanis tersebut disajikan dalam tabel 4.4 :

Tabel 4.4 Perbandingan KFRP dengan komposit serat alam lain.

Sifat mekanis Fraksi berat (%)

Fraksi volume

serat (%)

Kekuatan Tarik (MPa)

Modulus Tarik (GPa)

Regangan(%)

Kenaf/UPRs - 25.23 96.8-133.9 9.91 1.5

Glass/PP*(Discontinuous) 40 19 110 9 2.5

Talc/PP*(Filler) 40 18 35 4 -

Mica/PP*(Discontinuous) 40 18 39 7.6 2.3

Coir/Polyester**(Continuous) 30 - 45 4 -

Banana/Polyester**(Continuous) 30 - 121 8 -

Sisal/Polyester**(Continuous) 40 - 129 8.5 -

Jute/Polyester***(Continuous) - 30 125 - -

Sunhemp/Polyester***(Continuous) - 30 100 - -

Sumber : * Modern Plastic Encyclopedia (1993) dan Machine Design: Materials Selector Issue (1994), ** Biswas, dkk, (2001),*** Sanadi, dkk,(1986).

Dari tabel 4.4 diatas, bila ditinjau dari sisi kekuatan tarik dan modulus

tarik, KFRP memiliki nilai yang lebih tinggi dari komposit yang diperkuat serat

pendek (discontinuous) ataupun filler. Perbandingan sifat mekanis tersebut dapat

dilihat pada komposit serat panjang yaitu kenaf/UPRs dan komposit glass/PP

yang merupakan komposit serat pendek. Hal ini dikarenakan pada saat diberikan

pembebanan uniaxial, sejumlah serat pada komposit serat pendek mempunyai

arah yang paralel terhadap arah pembebanan sehingga penahanan beban uniaxial

tidak dapat maksimal seperti pada komposit serat panjang dengan arah

longitudinal pada arah pembebanan.

Setelah dilakukan uji tarik komposit, maka hasil pengujian diamati dengan

menggunakan stereo zoom microscope. Hasil pengamatan foto makro permukaan

patah tarik dapat dilihat dari gambar 4.5 hingga 4.9 :

Gambar4.5 Foto makro permukaan patah tarik KFRP vf = 0.25, Perbesaran 25X

Gambar 4.6 Foto makro permukaan patah tarik KFRP vf = 0.32, Perbesaran 25X

Gambar4.7 Foto makro permukaan patah tarik KFRP vf = 0.41, Perbesaran 25X

Gambar 4.5 hingga 4.9 menunjukkan bahwa semakin tinggi fraksi volume

serat maka pull out serat yang terjadi juga semakin panjang. Hal ini dikarenakan

kurang terbasahinya serat oleh matrik.

(a) (b)

Gambar 4.10 Foto makro penampang lintang KFRP (a).vf = 0.25, (b).vf = 0.68, Perbesaran 110X

Gambar 4.10 menunjukkan perbandingan foto makro penampang

melintang KFRP antara vf = 0.25 dengan vf = 0.68. Pada fraksi volume serat, vf =

0.25 hingga vf = 0.41, matrik dapat menyelubungi serat dengan sempurna (lihat

tanda panah dan gambar 4.3 – 4.5) namun pada komposit dengan fraksi volume

serat yang lebih tinggi, matrik tidak dapat lagi menyelubungi serat secara

menyeluruh (lihat tanda panah). Walaupun hal ini dapat mempengaruhi transfer

tegangan antara serat dan matrik, namun KFRP dinilai masih menunjukkan

kekuatan dan modulus tarik yang tinggi. Jadi meskipun ikatan antara serat dan

matrik semakin melemah seiring dengan bertambahnya kandungan serat di dalam

komposit, permukaan serat kenaf yang kasar masih dapat mengikat matrik dengan

baik untuk melangsungkan proses transfer tegangan dari matrik ke serat saat

pembebanan berlangsung. Semakin banyaknya serat yang tak terbasahi matrik

menyebabkan patahan tarik akan cenderung berbentuk relatif tidak rata.

4.2.3 Kekuatan dan Modulus Lengkung Komposit

Gambar 4.11 menunjukkan bahwa peningkatan kekuatan lengkung

mencapai nilai tertinggi pada KFRP dengan fraksi volume serat, vf = 0.68. Nilai

yang ditampilkan ini merupakan nilai rata-rata dan standar deviasi dari lima buah

spesimen untuk setiap variasi fraksi volume serat.

y = 4,1677x + 120,4R2 = 0,9783

75

100

125

150

175

0,25 0,32 0,41 0,53 0,68Fraksi Volume Serat (%)

Kek

uata

n Le

ngku

ng (M

Pa)

Gambar 4.11. Grafik kekuatan lengkung (σb maks) – fraksi volume serat(vf)

Fenomena peningkatan kekuatan lengkung KFRP ini erat kaitannya

dengan kontribusi serat sebagai penahan beban selama pengujian berlangsung.

Dengan kata lain, semakin banyak serat didalam KFRP maka kontribusinya

sebagai penguat saat berlangsungnya pembebanan juga akan semakin besar. Pada

spesimen KFRP, serat terikat sempurna oleh matrik. Sehingga seluruh

pembebanan ditanggung secara merata oleh semua serat sebagai satu kesatuan

atau dapat juga dikatakan bahwa setiap serat di dalam KFRP menanggung beban

yang sama. Hal ini dapat dilihat dari tingginya nilai kekuatan lengkung KFRP.

Dari uraian diatas, dapat dinyatakan bahwa transfer tegangan antara matrik dan

serat berlangsung dengan baik..

Sedangkan untuk modulus lengkung, KFRP juga mengalami peningkatan

seiring dengan penambahan fraksi volume serat hingga mencapai nilai tertinggi

pada vf = 0.68. Hal ini dapat diamati pada gambar 4.12. Nilai yang ditampilkan ini

merupakan nilai rata-rata dan standar deviasi dari lima buah spesimen untuk tiap

variasi fraksi volume serat KFRP.

y = 0,6048x + 5,2128R2 = 0,99

2,5

5

7,5

10

12,5

0,25 0,32 0,41 0,53 0,68Fraksi Volume Serat

Mod

ulus

Len

gkun

g (G

Pa)

Gambar4.12 Grafik modulus lengkung(Elengkung) – fraksi volume serat (vf)

Peningkatan modulus lengkung KFRP ini menunjukkan bahwa seiring

dengan bertambahnya fraksi volume serat, maka material KFRP juga akan

semakin kaku. Sifat kaku ini disebabkan karena regangan maksimum yang

dihasilkan juga mengalami penurunan seiring dengan penambahan fraksi volume

serat. Semakin rendahnya nilai regangan juga dapat dilihat dari penurunan nilai

defleksi maksimum yang terjadi pada saat pembebanan hingga mencapai nilai

terendah pada vf = 0.68. Penurunan nilai defleksi maksimum seiring dengan

semakin meningkatnya kekuatan dan modulus lengkung komposit

mengindikasikan bahwa ikatan antara serat dan matrik yang terjadi relatif baik,

sehingga berpengaruh pada kemampuan KFRP dalam mengatasi gaya geser yang

terjadi saat pembebanan berlangsung.

Pengamatan permukaan patah lengkung juga dilakukan dengan

menggunakan stereo zoom microscope. Semua model perpatahan memiliki

kesamaan yaitu patah pada daerah bawah spesimen yang mengalami tarik.

Berbagai jenis kegagalan pada spesimen uji lengkung dapat diamati pada gambar

4.13 hingga 4.17 berikut ini :

Gambar 4.13 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf = 0.25, Perbesaran 12.5X.



Gambar4.16 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf =0. 53, Perbesaran 12.5X.

Gambar4.17 Foto makro penampang patah lengkung KFRP vf =0. 68, Perbesaran 12.5X.

Spesimen lengkung KFRP mengalami kegagalan disebabkan karena gaya

geser intralamina dan gaya tarik. Pada pola kegagalan ini kekuatan komposit

didominasi oleh sifat mekanis matrik dimana retakan dapat terjadi pada seluruh

bidang geser matrik. Kegagalan ini bermula dari retakan awal yang terjadi pada

daerah midspan yang mengalami tarik karena disitulah terjadinya momen

lengkung dan gaya geser terbesar. Setelah itu retakan akan merambat pada daerah

yang memiliki nilai modulus lengkung yang lebih tinggi dari daerah retakan

sebelumnya. Retakan baru akan berhenti bila dalam perambatannya telah

menemui daerah yang tegangan dan modulus lengkungnya maksimum. Setiap

retakan yang terjadi mengakibatkan terjadinya interfacial debonding antara serat

dan matrik sehingga transfer tegangan tidak dapat berlangsung sempurna dan

akhirnya spesimen mengalami kegagalan.

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa

hal penting sebagai kesimpulan :

a. KFRP mengalami peningkatan kekuatan tarik dan lengkung serta

peningkatan modulus tarik dan lengkung secara linier seiring dengan

bertambahnya fraksi volume serat dan mencapai nilai tertinggi pada vf =

0.68.

b. Penambahan fraksi volume serat (vf) menyebabkan pull out serat yang

terjadi pada permukaan patah tarik semakin panjang dan adanya pola

kegagalan dikarenakan gaya geser dan gaya tarik intralamina pada

permukaan patah lengkung.

5.2 Saran

Untuk lebih mengembangkan potensi serat kenaf sebagai penguat di dalam

komposit maka perlu untuk dilakukan kajian lebih lanjut mengenai sifat-sifat

mekanis yang lain dan juga ketahanan KFRP terhadap pengaruh-pengaruh

lingkungan (suhu, kadar air, dan sebagainya).

DAFTAR PUSTAKA

A.J. Bolton, 1994, Material Tech., 9, 12. ASTM, 1998, Annually ASTM Books, New York, Vol.13. Ariawan, Dody., 2003, Pengaruh Siklus Panas Terhadap Kekuatan Tarik Serat

Agave Cantula, Mekanika Vol.1 No.2 Hal.32-36. Ben-Hill, J., dkk, 1960, Botany, Mc Graw Hill Book Company Inc., New York Biswas, S., dkk, 2001, Development Of Natural Fibre Composites In India,

Composites 2001 Convention And Trade Show, Florida. Chakravarty, K., 1983, Mesta Breeding Objectives In India And Programme.

International Consultation on Jute and Mesta, Agriculture Government of West Bengal, Calcutta, Hal.17.

Chun-Yung Niu, 1982, Composite Airframe Structure, Practical Design

Information Data, Mc Graw Hill, New York. George, jayamol, dkk., 1995, Short Pineapple Leaf Fiber Reinforced Low Density

Polyethilene Composites, Journal of Applied Polymer Science, vol 57, Hal 843-853.

Gibson, R.F., 1994, Principles of Composite Material Mechanics, Mc Graw Hill,

New York. Hill, F.H, 1951, Economic Botany. A Textbook of Useful Plants and Plant

Products. Mc Graw Hill Publishing Company Ltd, New Delhi. Hull, D., 1990, An Introduction To Composite Materials, 5Ed, Cambridge

University Press, Great Britain. Joseph, P.V., dkk, 1999. Composites Science and Technology, 59, 1625-1640.

Justus Kimia raya, PT ., 2001, Technical Data Sheet, Jakarta.

Katz, H.S., dan J.V Milewski. 1987. Handbook of Fillers for Plastics, Van Nostrand Reinhold, New York.

Lerner, Ivan, 2001, Strongth Growth Projected for Natural Fibers In

Thermoplastics, Chemical Market Reporter, New York. Mallick, P.K., 1988, Fiber Reinforced Composites, Marcel Dekker Inc., New

York.

Norman, K.L dan Wood, L.M, 1988, Kenaf As A Paper Pulp Crop. Kenaf Production In Buderkin River Irrigation Area., Department of Primary Industries Queensland Government, Brisbane.

Ochse, J.J., dkk, 1961, Tropical and Subtropical Agriculture, Vol.2, The

MacMillan, New York, Hal.1139-1177. Popov, E. P., 1995, Mekanika Teknik, Erlangga, Jakarta. Rajeev Karnani, dkk, 1997, Biofiber-Reinforced Polypropylene Composites,

Polymer Engineering and Science, Vol.37, Michigan. Roe, P.J. dan Ansell, M.P., 1985, Jute-Reinforced Polyester Composites, Journal

of Material Science, 20, 4015-4020. Rowell, R.M., dkk, 1985, Properties of Kenaf/Polypropylene Composites,

Polymer Engineering and Science. Wisconsin. Sanadi A.R, Prasad S.V. dan Rohatgi P.K, 1986, Sunhemp Fibre-Reinforced

Polyester, Journal of Material Science, Vol.21, hal.4299-4304. Sanadi, A.R., dkk.,1985, Natural Fibers and Agro-Wastes as Fillers and

Reinforcements In Polymer Composites, Journal Scientific and Industrial Res. 44, 437-442.

Schawrtz, M.H., 1984, Composite Material Handbook, Mc Graw Hill, New York. Sherman Lilli Manolis, 1999, Natural Fibers : The New Fashion In Automotive

Plastics, Plastics Technology, 45, 62-71.

PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT PADA SIFAT MEKANIS …/Pengaruh... · kesempurnaan hasil dan laporan...

Documents

Transcript of PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT PADA SIFAT MEKANIS …/Pengaruh... · kesempurnaan hasil dan laporan...